新型静态破碎剂的实验研究及理论分析

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爆破器材的一个重要补充——静态破碎剂,其在安全性上占有突出的优势,但是静态破碎剂和传统炸药相比,在破碎时效和破碎能力上有很大的不足。目前,如何配制出适宜反应速率的静态破碎剂,提升静态破碎剂的破碎性能是国内外研究的热点。因此,为了研制出具有适宜反应速率和稳定破碎性能的新型静态破碎剂,本文以静态破碎剂的制备为基础,通过研究静态破碎剂熟料的煅烧温度对其反应速率的影响,分析各种成分含量变化对反应速率的影响规律,优化自制新型静态破碎剂的配合比,探究外界因素对静态破碎剂性能的影响规律,并对其破碎效果进行验证,结合实验对自制新型静态破碎剂的反应、膨胀、破碎机理进行分析,主要研究内容及结论如下:(1)对自制新型静态破碎剂熟料的适宜煅烧温度进行研究,确定了适宜的煅烧温度区间为1400-1500℃;本文采用1400℃对静态破碎剂原料进行煅烧,并进行静态破碎剂单因素反应速度测定,得到不同含量下各种成分的反应速度特征曲线,研究了不同成分含量变化对自制静态破碎反应速率的影响,通过正交试验优化破碎剂配比,结果表明:最优配合比为氧化钙73%、P·O 42.5水泥10%、硫酸钙(石膏)5%、钠基膨润土6%、聚羧酸高效减水剂1%、粉煤灰(填充剂)5%,并且其能产生的最大膨胀压力在100MPa以上。(2)对工业重钙粉和不同煅烧温度下的氧化钙进行XRD物相特征分析及利用SEM扫描电镜观测其微观结构,结果表明:随着煅烧温度的升高,工业重钙粉中的碳酸钙分解为氧化钙的效率提升,并且得到的氧化钙晶体逐渐收缩,孔隙逐渐减少,最后晶体变得非常致密,在宏观上表现为氧化钙密度增大。(3)通过在不同水灰比条件下对自制新型静态破碎剂的反应速率及膨胀压测试,确定了最佳使用水灰比,并分别在不同的拌合水温和环境温度下对其反应速度及膨胀压测试,探究环境温度和拌合水温对自制新型静态破碎剂反应速度和膨胀压的影响规律,最后确定合适的环境温度和拌合水温,结果表明:提高外界温度(拌合水温和环境温度)能够加快静态破碎剂的反应速率和增大静态破碎剂产生的膨胀压力,新型静态破碎剂的最佳使用水灰比为0.28,适宜拌合水温为25-35℃,适宜环境温度为15-35℃。(4)通过制作不同强度(C30、C40、C50)、不同孔径大小(30mm、35mm、40mm)、不同钻孔数(单孔、双孔)的混凝土试块,在其它条件相同时,分别进行混凝土开裂实验,探究不同强度、不同孔径、不同钻孔数、不同静态破碎剂条件下被破碎混凝土试块的破碎效果,验证新型破碎剂的破碎性能,结果表明:在破碎过程中,混凝土试块出现的裂缝形状是随机的,随着混凝土强度的增大,破碎难度逐渐加大,试块被破碎后的最终主裂缝宽度不断减小,随着钻孔孔径逐渐增大,试块初次出现裂缝的时间会持续提前,破碎难度逐渐减小,试块被破碎后的最终主裂缝不断增大,对于不同钻孔数的混凝土试块破碎试验,随着钻孔数逐渐增多,试块首次出现裂缝的时间不断提前,破碎难度逐渐减小,另外,在自制新型静态破碎剂与其它商业静态破碎剂破碎效果对比试验中,首次出现裂缝的时间先后排序为兆华牌HSCA-Ⅲ型<自制<飞鹰牌<超慧牌,平均每小时裂缝宽度增加的大小排序为超慧牌<自制<飞鹰牌<兆华牌HSCA-Ⅲ型,并且自制新型静态破碎剂在装药时流动性良好且装药简便且破碎效果良好。(5)结合本文所进行的实验,分析煅烧温度和外界温度(拌和水温环境温度)影响静态破碎剂反应速率的机理,外界温度(拌和水温环境温度)影响静态破碎剂在钻孔内产生的膨胀压力的机理,另外,分析在不同强度、不同孔径、不同钻孔数的条件下,混凝土试块的开裂机理及裂缝扩展过程。结果表明:提高外界温度(拌合水温和环境温度)能够加快静态破碎剂的反应速率和提高静态破碎剂在钻孔中产生的膨胀压力,改变被开裂物体的钻孔参数对于静态破碎剂开裂物体会起到不同的作用。
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