前言

武汉工业大学(原武汉建材学院接受湖北省科委、省建材局下达的《静态破碎切割大理石》的科研任务, 在经过两年多的小型配方探索性试验的基础上, 又进行了大量的实验室试验研究工作, 于1982年7月由湖北省建材局主持通过了阶段技术成果鉴定。结论为"该静破剂在国内首次研究成功, 填补了我国这一方面的空白"。随后, 我们又着重研究JC—1系列静破剂的最优配方的工业生产和应用, 并取得如下成果:

1.JC—1系列静态破碎剂的膨胀力和反应速度两项指标达到国内外同类产品的水平；

2.改进和增加了测试手段与化学分析方法。进一步在理论上探讨了静破剂的作用机理, 为取得良好的爆破效果提供了理论依据；

3.进行了大量的试验和工程应用, 确定了较合理的静破参数；

4.研制成功快速静破剂, 并在低温条件下适用。

JC—1系列静破剂 (一) 静破剂的特点

静破剂是80年代初研制成功的一种新型破碎岩石、混凝土等介质的胀裂剂, 可用于城镇控制爆破拆除工程。与工业炸药相比, 在控制爆破应用上具有以下特点：

1.安全可靠。工业炸药爆破通常有爆破地震波、冲击波、飞石、噪音、毒气、粉尘和盲炮等"七害"。使用工业炸药进行控爆只能使前四害减小, 而不能消除后三害, 使用静破剂则七害俱无(见表 1)。且破碎的块度能满足设计要求而不会损坏破碎对象周围的任何物体。由于其具有独特的优点, 从80年代刚刚出现, 就被誉为"无声爆破"、"无震爆破"和"雕刻爆破"等。

2.破碎胀力大。根据爆破对象、爆破目的和条件之不同, 采用不同型号的JC—1系列静破剂, 可以获得所需的破碎胀力。在孔径10~60毫米范围内, 依据作用时间之不同, 该系列产品对孔壁最大压力可达400~500 (公斤/厘米²)。与同类产品相比, JC—1系列产品出现裂缝时间为1~8小时(日本产品需历时4~12小时), 历时8~24小时可达最大胀力。裂缝宽度亦较大, 一般可达3~5厘米, 最大达10厘米。

3.操作简便。JC—1系列静破剂为粉状物, 各组分均不属于易燃易爆品。应用前, 按一定比例称量, 加适量的水调匀, 充填到炮孔中, 不必堵塞。由于不使用雷管、炸药；故静破剂在制造、运输、贮存及使用整个过程中, 均比传统的工业炸药爆破安全。

4.破碎效果。好在选取合理的爆破参数条件下, 可以使岩石、混凝土、钢筋混凝土结构物、构筑物等爆破对象按设计要求得到破碎, 并能使需破碎块段充分破碎, 不需破碎块段保持完好, 不出现任何微裂隙。

静破剂还可以同工业炸药配合使用, 以便取长补短, 发挥动, 静两态爆破的协同作用。

此外, 静破剂原料来源广, 价格低。

(二) JC—1系列静破剂的成份、作用机理及性能

1.成分与型号。JC—1系列静破剂是由钙、硅、铝、铁等氧化物以及特殊有机物配制而成的灰白色粉末。该系列静破剂为河南息县静态爆破公司所产。各型号适用范围及孔网参数见表 2、表 3, 供选用时参考。

应用静破剂时, 有时会遇到喷孔现象, 这一般发生在静破剂注入炮孔以后的10~20分钟之内(个别达半小时以上)。因此, 操作人员必须戴防护镜, 以保护眼睛。

2.破碎机理。静破剂的主要膨胀源为氧化钙。它与适量的水渗合后, 产生的化学反应如下:

当氧化钙转变为氢氧化钙时, 其晶体由立方晶系变为复三方偏三角面体。据测定, 在自由膨胀的前提下, 反应后的体积可增大3~4倍; 比表面积由1千~几千厘米²/克增加到十万~几十万厘米²/克, 几乎增加了一百倍。同时还释放出上式所示的热量(每摩尔所释放的热量)。因此, 化学反应后, 静破剂的体积膨胀, 压力升高, 温度上升, 产生对被破碎物体作功能力。该膨胀压力在被破碎介质中沿径向产生压应力, 在切向产生拉应力(如图 1所示)。由实验得知, 脆性材料的抗拉强度只有抗压强度的1/8~1/15。例如, 各种岩石的抗拉强度通常小于100~200(公斤/厘米²), 抗压强度为300~3OO0(公斤/厘米²), 混凝土的抗拉强度小于1 5~30(公斤/厘米²), 抗压强度达100~500(公斤/厘米²)。因此, 孔壁压力增加到某一数值就会由于拉应力作用产生径向裂缝而发生破坏。

根据垂斯卡的脆性理论, 在被破碎介质中, 静破剂所产生的切向拉应力可按下式计算:

式中:б_θ——被破碎体内某一点r处的切向拉应力(公斤/厘米²)；

﹝б﹞——极限抗拉强度(公斤/厘米²)；

r——某点至孔壁中心的距离(厘米)；

d——炮孔直径(d/2 < r < C)(厘米)；

C——从孔壁中心到塑性区界限的距离(厘米)；

P——膨胀压力(公斤/厘米²)。

当d=4厘米和孔距a=40~60厘米时, 按上式求出的产生径向破裂所需的压应力P值是:

对于软岩或混凝土P≤100~150(公斤/厘米²)；

中硬岩或硬岩P≤~150~300(公斤/厘米²)。

静破剂所产生的膨胀压力为400~500 (公斤/厘米²), 故能满足混凝土和各种岩石解体工程的需要。

3.性能。静破剂主要是由于其自身膨胀对炮眼施加膨胀压力而起破碎作用的。膨胀压力的测试是应用厚壁园筒的原理, 在铜管或钢管中注入静破剂, 测试园筒壁的应变可计算出静破剂的压力。

(1) 膨胀压力与作用时间的关系

JC—1系列静破剂被注入炮孔中, 经过l—2刻钟开始对孔壁施加胀力。随时间的延长, 作用力逐渐增大。总的变化趋势是初阶段胀力增长速度快, 这段时间为2—1 0小时, 与被破碎物体出现裂隙相对应。尔后增长速度递减, 直至达到最大作用力为止, 这段时间约为10~24小时, 与被碎物体中裂隙宽度达到最大值相对应。图 2绘出JC—1—1型静破剂的孔壁胀力随时间变化的实测曲线。

(2) 膨胀压力与孔径的关系。JC—1系列份破剂对孔壁作用的胀力P随炮孔直径d值的增加而增大, 当孔径d不超过一定的范围时, 存在如下的实验关系, 即：

P=Kdⁿ

式中：P——作用于孔壁的胀力(公斤/厘米²)；

d——炮孔直径(厘米)；

n——与静破剂类型有关的指数, 该值通过试验而定；

K——与被破介质和几何尺寸有关的常数。

(3) 膨胀压力与掺水量的关系。静破剂加水量一般应为其重量的28~30%。随着加水量的增加, 膨胀压力减小。加水量过小, 会引起水化不完全和装药操作困难。

(4) 膨胀压力与温度的关系。工作环境和被破物体的温度对静破剂的膨胀压力有很大影响, 温度高时, 膨胀压力达到最大值的时间大大缩短。对于JC—1— 1号静破剂为18℃以下时, 需20~30小时完成膨胀压力快速增长阶段, 而温度为35℃左右时, 只需2~4小时就完成了膨胀压力快速增长阶段。

(5) 膨胀压力与添加剂的关系。在JC—1系列静破添加剂中加入不同类型的添加剂, 对于膨胀力具有较大的影响。通过优选添加剂的品种和剂量, 可以调节所需膨胀力的数值。图 3绘出LNTN型添加剂(添加量≤0.5~3%)对膨胀力影响的实验曲线。由图 3可见, 对于同一种静破剂而言, 接入LNTN型添加剂, 可使膨胀力提高30~50%。

通过对JC—1系列静破剂的显微照片和粉末的X衍射观测证明, JC—1系列静破剂各组分的粒度对膨胀压力有直接影响, 且其粉末粒度有一个最优范围, 并按一定的级配组合而成, 此时胀力可达最大值。

工程应用实例

在静破剂实验室探索性试验的基础上, 我们在切除、岩石开挖、水泥原料开采、石材开采、露天开采, 井下二次破碎等方面进行了工程实践。以下例举部份实例。

(一) 切除工程

1.武钢工程：武钢炼铁厂电除尘系统工地, 在离一号高炉不到100米, 离皮带运输机仅4米处有一混凝土基础需要切除, 共150米³。采用静态破碎切除, 效果十分满意。当时(1983年6、7月)湖北和中央电视台分别对该工程作了电视报导。

2.信阳机务段工程：郑州铁路局信阳机务段在大型厂房内有300余米³的混凝土基础, 1983年8月用静态破碎拆除, 效果良好。

3.长办科学院大楼女儿墙：汉口长办科学院五层大楼楼顶改建, 有一钢筋混凝土的女儿墙需要拆除, 1983年5月我们用静破剂拆除了长达10米的墙, 效果满意。

(二) 岩石开挖与水泥原料开采

1.浙江金华水泥厂：该水泥厂石灰石矿因被划为风景区, 已下令禁止使用工业炸药爆破, 1985年元月应邀到矿山作静破开采和二次破碎实践, 效果良好, 为该厂免于搬迁提供了重要依据。

2.福州漳泉铁路基岩开挖工程：漳泉铁路工程天湖山支线有一段通过陡峻的山峦, 其开挖工程因威胁居民区及庙宇而严禁使用炸药放炮。1985年5月用静破剂帮助开挖梯段及破碎孤石计29余米³，效果很好。

3.英德水泥厂电视转播台岩石基础开挖：广东英德水泥厂开挖转播台基础时, 在不到30米处有职工宿舍, 在缺少自由面和岩石坚硬条件下, 成功地应用了静破技术。

(三) 石材开采

实践证明, 静破剂切割大理石等石材, 具有出料率高、切割面整齐、安全、经济等特点。这方面资料, 请参阅《爆破》杂志1984年第一期"静态爆破开采大理石的研究"一文。

值得一提的是:武汉军区34674部队训练处的王津川同志, 用我们的JC—1—1型静破剂, 在军事演习中作石材切割表演而荣获二等功。

(四) 露天矿、井下矿二次破碎工程及其他

铜陵有色金属公司铜山铜矿、南京九华山铜矿以及葛洲坝工程局等单位应用了静破法二次破碎大块及混凝土, 取得了较好的技术经济及安全效果。

此外, 静破剂尚可用于冰洲石、光学萤石、水晶、碧玉、兰晶石、大粒金刚石以及需要保护晶体的贵重矿物开采, 耐火材料砌体的切割与解体工程, 粉状物(如化肥、氯化钠等)结块后的松动破碎以及滑石成块切割等。

结语

由于静破剂具有安全可靠、膨胀力大、操作简便和成本低等优点, 在国民经济许多部门有着广阔的应用前景。今后需进一步研究方向是:

1.在理论上探讨静态破碎的作用机理和静破应力场, 为取得最优的静破效果提供理论依据；

2.研究和改进静破剂的分析与作用力的测试手段；

3.进一步研究静爆成型工艺, 为提高大理石、花岗岩等建筑石材的出材率、成型率提供合理的静破参数；

4.探索JC—1新型强力静破剂的配方;

5.修订静态破碎操作规程。