静态破碎剂是20世纪80年代初国外研制成功的一种破碎岩石、混凝土等介质的材料^[1]，其主要成分为CaO^[2]，利用CaO与水反应生成Ca(OH)₂所产生的体积膨胀来破碎其作用目标.应用静态破碎剂进行破碎的方法称为静态爆破^[3]，这种破碎方法是在被破碎体上钻孔，将与水按照一定比例混合均匀的静态破碎剂浆体注入孔中静置；随着水化反应的进行，静态破碎剂浆体体积膨胀产生的膨胀压作用于孔壁时，使钻孔周边产生环向拉应力，导致被破碎体沿钻孔布置方向开裂，使被破碎体产生裂缝达到破碎的目的^[4,5].

静态爆破过程中钻孔的孔径普遍较小，一般在30~45mm^[1]，在此尺寸下，静态破碎剂破碎输出的膨胀压力较小.研究表明，膨胀压随着孔径增大而提高^[1].但扩大钻孔孔径容易出现“喷孔”问题，游宝坤等^[1]通过改变静态破碎剂的成分和颗粒级配，研制出适用于45~80mm孔径的静态破碎剂.目前对静态破碎剂的研究主要集中在提高径向膨胀压^[6]、膨胀机理^[7]和破岩机理^[8,9]等方面，对于静态破碎剂的轴向膨胀力学性能的研究和利用较少.

本文提出“轴向输出法”测试静态破碎剂轴向膨胀压，并与外管法^[10,11]测得的径向膨胀压进行对比，讨论了影响静态破碎剂轴向膨胀压的主要因素，对轴向与径向膨胀压在不同孔径条件下的关系进行了总结，为“轴向输出法”测试静态破碎剂真实膨胀压提供了相关依据，为有效防止“喷孔”现象提供了理论参考；同时为利用其轴向输出膨胀压作为动力源的轴向加载系统提供相关参考.

采用“外管法”和“轴向输出法”测试钢筒组件中静态破碎剂产生的膨胀压.

外管法基于弹性力学中的厚壁筒理论，依据圆筒在理想状态下受压时的应力分量表达式推导膨胀压计算公式^[12].本文研究的主要内容为静态破碎剂在不同孔径下的轴向膨胀力学性能，因此以外管法测得的径向膨胀压为标准值，与轴向输出法测得的膨胀压值进行对比分析.外管法测试静态破碎剂膨胀压的计算公式如下：

轴向输出法是基于静态破碎剂膨胀压的液体压力特性^{[10, 11, 13]}及液压平衡原理^[14]的测试方法(见图 1).用具有一定壁厚的钢筒模拟钻孔，静态破碎剂在钢筒中的体积膨胀对钢筒壁产生径向膨胀压，同时在轴向也产生膨胀压，使其在钢筒中产生轴向位移^[9,14].利用钢筒两端的活塞和电液伺服压力试验机，对钢筒中的静态破碎剂进行轴向位移约束，通过压力试验机直接测得静态破碎剂在钢筒中产生的轴向力，通过换算可得出轴向膨胀压大小.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 轴向输出法示意图 Fig. 1 Schematic of axial-output method

轴向输出法的测试方法^[15]为：首先将一定量静态破碎剂与水搅拌均匀后装入钢筒内，捣插密实平整，静态破碎剂位于上、下活塞之间；将装有静态破碎剂的钢筒组件放入压力试验机试验台，其下方为压力传感器；通过位移传感器调整压力机油缸及压头位置，使压头与上部活塞顶面接触但不产生压力；在静态破碎剂水化反应过程中，利用压头对钢筒内的静态破碎剂产生轴向位移约束，采用压力传感器记录静态破碎剂在钢筒组件中因水化反应体积膨胀产生的轴向膨胀力；最后按照式(2)计算静态破碎剂在钢筒中产生的轴向膨胀压.

设计了4组不同尺寸的钢筒组件，钢筒内径分别为150,113,65和50mm.每组装置由钢筒、上部活塞和下部活塞三部分组成.钢筒采用无缝钢管制成，活塞为钢质材料，活塞直径与钢筒内径相同，可在钢筒内上下滑动.装置组件尺寸见表 1.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 四组钢筒尺寸 Table 1 Dimensions for four kinds of cylindermm 尺寸 组件1 组件2 组件3 组件4 钢筒外径 177 133 80 65 钢筒内径 150 113 65 50 钢筒高度 200 150 100 100 活塞直径 150 113 65 50 下部活塞高度 50 40 30 25 上部活塞高度 150 110 70 75

表 1 四组钢筒尺寸 Table 1 Dimensions for four kinds of cylindermm

实验用静态破碎剂的成分(质量分数，%)为：CaO 81.97，SiO₂ 5.54，Fe₂O₃ 1.48，Al₂O₃ 3.54，MgO 1.98，其他5.49.研究表明^[14]，钢筒中静态破碎剂浆体高径比为3∶8 时，轴向膨胀压受静态破碎剂浆体硬化而产生的封孔效应的影响较小，因此本文采用的静态破碎剂浆体高径比均为3∶8，水灰比20%.每种钢筒填装的静态破碎剂浆体质量见表 2.

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 静态破碎剂浆体的参数 Table 2 Parameters of SCA slurry 组件号 1 2 3 4 浆体质量/g 2300 980 185 87 水灰比/% 20 20 20 20

表 2 静态破碎剂浆体的参数 Table 2 Parameters of SCA slurry

静态破碎剂轴向与径向膨胀压对比曲线如图 2所示.在不同孔径钢筒中产生的轴向膨胀压对比曲线如图 3所示.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 轴向与径向膨胀压对比图 Fig. 2 Comparison of axial and radial swelling pressure (a)—组件1(内径150mm)； (b)—组件2(内径113mm)； (c)—组件3(内径65mm)； (d)—组件4(内径50mm).

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 不同孔径条件下的轴向膨胀压 Fig. 3 Axial swelling pressure with different diameters

静态破碎剂浆体在钢筒中径向和轴向均产生了膨胀压.在反应初期，膨胀压增长速率较快，随着反应的进行，膨胀压增长速率逐渐降低，膨胀压趋于稳定值.钢筒中静态破碎剂浆体产生的轴向膨胀压始终小于径向膨胀压.

随着孔径的减小，轴向膨胀压的衰减率明显大于径向膨胀压的衰减率.这是因为静态破碎剂水化过程中生成一种起胶结作用的组分，能够控制CaO的水化速度^[1]，随着反应进行，静态破碎剂在产生膨胀压的同时，逐渐固化成具有一定弹性模量的硬化体^[10,11]，硬化体的黏结作用对钢筒中静态破碎剂浆体产生的轴向膨胀有约束作用，可抑制喷孔.孔径较大时，硬化体的约束作用相对减弱，轴向膨胀压逐渐增大，与径向膨胀压趋于一致(图 2a)；孔径较小时，硬化体对轴向膨胀的约束作用明显，使轴向膨胀输出发生明显衰减(图 3)，进一步减小孔径，直至硬化体的黏结作用能完全约束轴向膨胀，此时静态破碎剂浆体发生自封孔现象，轴向基本不产生膨胀压.

钢筒中膨胀压增长速率随着孔径增大而增加；当孔径为150mm时，在反应初期出现了膨胀压近似直线上升的过程(图 2a，图 3).这是由于固定高径比时，大孔径钢筒中静态破碎剂浆体体积增大，水化反应释放的热量散发较慢，热量集中在钢筒内，使静态破碎剂浆体升温较快，加快了水化反应的速度.这一特性可为研究以大孔径钢筒轴向膨胀压作为动力源来实现对试件加载的轴向加载系统提供相关依据.

将某一时刻轴向与径向膨胀压的比值定义为“轴向输出系数S”，公式如下：

钢筒内静态破碎剂水化硬化体在轴向受到位移约束，可认为是平面应变问题.钢筒只受内压力作用时，厚壁筒中任意半径ρ处的径向应力σ_r的拉梅解为

由钢筒内静态破碎剂硬化体与钢筒内壁接触的受力状态可知，其径向应力σ_jr为

对于静态破碎剂硬化体内任意一点P，有

根据广义胡克定律：

对于平面应变问题，ε_z=0，可知

由轴向输出系数的定义可知，其理论值S_L为

分别取35，45，55和65h时间点上不同孔径钢筒中轴向和径向膨胀压值，计算出对应的轴向输出系数，该系数与孔径的关系如图 4所示.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 轴向输出系数与孔径关系图 Fig. 4 Axial output coefficient vs diameter

轴向输出系数S在50~150mm孔径范围内，以近似线性的规律随孔径增大而变大，当孔径为150mm时，该系数值接近1(图 4).图中4条曲线趋势和数值基本一致，说明静态破碎剂在固定孔径钢筒中，不同时间内的轴向输出系数稳定性较好，因此该曲线可以用于50~150mm孔径范围内任意孔径钢筒的膨胀压测试，即只需测得任意孔径钢筒静态破碎剂产生的轴向膨胀压，即可通过系数换算出静态破碎剂的真实膨胀压.

结合轴向输出系数S的物理意义，孔径较大时，S值接近1.0，μ_j接近0.5，此时静态破碎剂水化产物在钢筒中处于流体状态，钢筒内壁仅有很小范围出现硬化约束轴向膨胀现象；随着孔径减小，自封孔效应明显，大量水化产物在自封孔效应下固结为坚硬致密的硬化体，仅有少量水化产物呈现流体状态，表现出μ_j减小、S值减小的情况.

1) 提出了测量静态破碎剂膨胀压的轴向输出法，开发了测试系统，设计了核心组件.结合轴向输出系数S，可通过轴向应力测定静态破碎剂膨胀压.

2) 静态破碎剂膨胀压的轴压输出率随着孔径增大而增加，当孔径增加到150mm时，输出率接近100%.

3) 受静态破碎剂浆体硬化黏结封孔作用的影响，静态破碎剂输出的轴向膨胀压要低于径向膨胀压，孔径越小，影响越大.增大孔径可以减弱水硬化物质的自封孔效应，轴向膨胀压与径向膨胀压之间的差异逐渐消除.

4) 在大孔径条件下，静态破碎剂浆体在钢筒中可获得较高的轴向膨胀压输出；利用该特性可实现对试件的轴向加载.