使用膨胀水泥破岩

图 1.测试硫酸钙对 Betonamit 膨胀性能影响。
图 2.t=0 时试验＃ 1 的样品。
Fra Baidu bibliotek
含有 15wt ％无水硫酸钙的 Betonamit 产生了最大程度的膨胀 图 3.从 t=6 小时时试验＃1 中的样品。
试验＃2：步骤 用和试验＃1 类似的方式制备四个分别含有 0％，5wt ％，10wt％和 15wt％硫酸钙的样 品。 试验＃2：结果 从表 2 和图 4 中可以看出，最大程度的膨胀发生在 10wt ％的和 15wt％之间的范围内。 低于此阈值的膨胀程度变得与纯 Betonamit 相当。 试验＃3：步骤 采用和试验＃1 和试验＃2 类似的方式制备 15wt％的硫酸钙样品同时与硫酸钙样品一 起制备出纯 Betonamit 样品。使用标尺每隔 30 分钟测量一次样品的膨胀程度。这能使人们 发现获得最大膨胀需要多久并推断是否加入硫酸盐膨胀时间确实减少或没有。 从表 3 可以看出，对于纯 Betonamit 获得最大的膨胀大约是在 3 小时 30 分钟， ，而含 有 15wt ％硫酸钙的 Betonamit 获得最大膨胀的时间大约在 5 小时 30 分钟后。
《工程》 ，2011,3,168-173 页 分类号：10.4236/工程.2011.32020 发表时间 2011 年 2 月(http://www.scirp.org/journal/eng)
使用膨胀水泥破岩
Amr El Dessouki, Hani Mitri
加拿大，蒙特利尔 ，麦吉尔大学，矿业部与材料工程 E-mail: amr.eldessouki@mail.mcgill.ca 收到于 2010 年 11 月 16 号，修订于 2011 年 1 月 10 日，接受于 2011 年 1 月 27 日
5.实验过程与结果
5.1 . 硫酸钙（CaSO4 ） 5.1.
所有样品均由 Betonamit 膨胀水泥，硫酸钙（CaSO4）和水制成。总共进行 3 个试验： 1）无水硫酸钙对 Betonamit 膨胀水泥的影响; 2）优化硫酸钙的含量; 3）测定纯 Betonamit 膨胀水泥的膨胀速度。 试验＃1：步骤 在第一试验中，4 个样本含有硫酸钙的质量百分比为 0％，15％，30％和 50％，准备 如下： �第一样品，硫酸钙的质量百分比 0％， 使用电子秤称量 100 克 Betonamit 膨胀水泥， 简单处理。 �第二样品，制备出通过称量得出的 85 克 Betonamit 膨胀水泥和 15 克硫酸钙。第三 和第四样品以类似的方法制备。 应当指出的是为了实验的可重复性和可靠性，每个样品重复做两次。此外，每一个试验 都为整个体系加水 20wt ％即 20 克。 将样品放置在直径 5 厘米已使用自动切割机开槽的圆柱形纸筒中。然后橡皮筋绑在圆
5.3. 硫酸铜（CuSO4 ）
所有样品均由 Betonamit 膨胀水泥，无水硫酸铜（CuSO4）和水制成。总共进行了 3 个 试验： 1）无水硫酸铜对 Betonamit 膨胀水泥的影响; 2）优化硫酸铜的含量; 3）测量纯 Betonamit 膨胀水泥的膨胀速度。 应当指出的是实验与硫酸钙实验有相同的的过程以及使用所有实验中使用的余下的的 化学物质。 试验＃1：结果 我们可以从表 5 和图 5 可以看出， 6 小时后膨胀程度非常小，所有质量百分比的硫酸铜 样品几乎都没有发生膨胀。同类似的硫酸钾一样，试验＃2 和试验＃3 都没有进行。
柱形纸筒周围，这使人们得以测量整个实验过程中膨胀程度。 试验＃1：结果 可以同时从表 1，图 1 和图 3 看出，很显然的在体系中拥有 15wt ％的硫酸钙产生更大 程度的膨胀，而不是只有纯 Betonamit（0％ CaSO4 ）的样品。此外，硫酸钙含量高于 15wt ％时的膨胀度也比纯 Betonamit 低。下面的图 2 显示了在实验开始时的样品。 表 1.各种硫酸钙样品的裂缝直径。
5.4. 硫酸钡（ BaSO4）
如前面进行的类似的实验一样，不过这里了使用硫酸钡（ BaSO4 ） 。但是作了一个稍加 改动， 那就是在膨胀水泥中加入了一个额外的 5％的硅酸盐水泥， 比如 100 克样品额外增加 了 5 克普通硅酸盐水泥。这背后的原因是因为硬化后体系变得松散，这将降低 Betonamit 膨胀水泥膨胀的力量。 我们可以从表 6 和图 6 看出，很显然在体系中含有 30wt ％的硫酸钡相对于只具有纯 Betonamit（0％ BaSO4 ）产生更大程度的膨胀。此外，在硫酸钡含量高于 30wt ％时的膨胀 度几乎纯 Betonamit 相同。 表 4.各种硫酸钾样品的裂缝直径。 表 5.各种硫酸铜样品的裂缝直径。
表 6.各种硫酸钡样品的裂缝直径。
表 7.优化硫酸钡的添加量。
6.讨论
从试验＃1 -根据观察硫酸钙最大程度的膨胀是在 15wt％的硫酸钙范围内获得的。 这个 暗示背后的原因是， 在体系中（>15wt ％ CaSO4） ，硫酸钙含量比例较高可能阻碍 Betonamit 本身的效果，因此不会发生太大的膨胀。同样在硫酸钙的比例非常低时，该体系上的硫酸钙 的影响可以忽略不计， 因此膨胀程度将是非常接近纯 Betonamit 膨胀水泥的。 进一步的试验， 然后进行准确地找到该硫酸钙发生最大程度的膨胀时的质量百分比。因此，从试验＃2 中， 有人推断，最大程度的膨胀发生在 15wt ％。根据试验＃3 的试验结果，Betonamit 膨胀水泥 大约 3.5 小时后达到其最大膨胀而含 15wt ％硫酸钙的 Betonamit 约需要 5.5 小时才能达到
表 2.优化硫酸钙添加量。
图 4.硫酸钙的进一步试验。
表 3.含 15wt％硫酸钙 Betonamit 的膨胀时间。
5.2.硫酸钾（K2SO4 ）
类似之前的实验，所有样品均由 Betonamit 膨胀水泥，硫酸钾（K2 SO4）和水制成。 总共进行了 3 个试验： 1）无水硫酸钾对 Betonamit 膨胀水泥的影响; 2）优化硫酸钾的含量; 3）测定纯 Betonamit 膨胀水泥的膨胀速度。 应当指出的是实验与硫酸钙实验有相同的的过程以及使用所有实验中使用的余下的的 化学物质。 试验＃1：结果 我们可以从表 4 看出，6 小时后膨胀程度非常小，几乎没有发生了膨胀。因此试验＃2 和试验＃3 没有进行，因为他们已被证明是徒劳的。
35％硫酸钡提供最大程度膨胀 图 6.各种硫酸钡样品的裂缝直径。 图 7.硫酸钡实验用的纸筒。
其最大膨胀。然而，后一种方法在 3.5 小时之后有更大程度的膨胀，也就是说无水硫酸钙对 减少膨胀时间有效。此外，应当指出的是，有必要进行测试含有 5％硫酸钙的普通硅酸盐水 泥中研究后固化过程的影响，以检查基体是否变得为松散与否。 硫酸钡在所有使用的 4 种化学品中产生最大的膨胀。添加的化学品的质量百分比大约 在 35％时产生了 12 厘米的膨胀。此外，膨胀速度在系统 2 小时后膨胀至 5 厘米时达到最 高。纯 Betonamit 膨胀水泥 2 小时后膨胀至约 1.5 厘米的实验证明硫酸钡的确是成功的， 硫 酸钙一样能减少膨胀的时间。 从使用硫酸铜的实验开始，极少的膨胀发生在的 6 小时期间过程中。而且从质量百分 比为 50％的实验结果中可以看出在纸筒中没有膨胀的发生。因此，安全地得出这样结论， 2 倍的硫酸铜抑制了钙矾石晶体的形成， 把它作为一个抑制了 Betonamit 膨胀水泥膨胀过程 中的结果。同样地使用硫酸钾的实验可以得出相同的结论。因此，这些化学品都被证明是对 减少 Betonamit 膨胀时间无效。
3.传导的研究综述
为了使 Betonamit 在地下矿井使用在经济上可行的， 就要期望它的膨胀速度降低到几分 钟的时间。 从[科恩 1990]起， 得出的结论是膨胀水泥的膨胀速度与硫酸盐中存在胶凝体系的
数量直接成正比。因此对各种硫酸盐化合物进行了试验，其中包括硫酸钙（CaSO 4） ，硫酸 钡（BaSO4 ） ，硫酸钾（K 2SO4）和硫酸铜（CuSO 4） 。 各种硫酸盐 Betonamit 样品是根据不同的质量百分比（wt％）准备的。这些样品然后放 置在圆管状纸筒中并装填至约四分之三的高度。由于这大约需要 4 个小时使纯 Betonamit 膨胀，所有的纸筒都被预留 6 小时，那时将测量硫酸盐 Betonamit 系统的完全膨胀时膨胀 程度和膨胀速率的数据。
4. 文献回顾
. 膨胀机理 4.1 4.1.
该 Betonamit 膨胀过程并不是被很充分理解， 因此出现了两所学派的思想来解释这样一 个过程[3]： v �晶体生长理论（GGT ） �膨胀理论（ST ） 在晶体生长理论（GGT ）中，钙矾石膨胀粒子表面增长是膨胀的主要原因，而在膨胀 理论（ST ）中，膨胀是由水凝胶的吸附和钙矾石的一个穿透解决机制形式 [4]膨胀特性造成 的。但这两个学派在以下几点观点重叠： �小的钙矾石晶体形成于在场的石灰，水和硫酸盐因而有助于膨胀。v �较大的钙矾石晶体的形成在缺乏石灰的情况下，因此水和硫酸盐对产生膨胀不作出 贡献。 �膨胀与钙矾石晶体的尺寸受在场的石灰影响。
2.以往工作的总结
以往类似的工作是由 Msunari 和 Mitri [2]使用膨胀水泥破碎苏长岩的岩石。实验和研究 发现膨胀水泥确实能够破碎苏长岩等坚硬的岩石。 加载条件下的破坏和开裂荷载作用发生在 轴向加载样品而在径向开裂发生在没有加载样品。 也有人推测膨胀水泥产生的膨胀应力可能 高达 120 兆帕。
试验＃2：步骤 用和硫酸钙试验＃2 中类似的方式制备四个含有质量百分比为 0%，25％，35％和 45 ％的硫酸钡样本。 试验＃2：结果 从表 7 中可以看出，硫酸钡最大程度的膨胀在 25wt％和 35wt ％范围内出现的。图 7 显示了纸筒中硫酸钡质量分数百分比为 35％时有最大程度的膨胀。
箭头指向了含有纯 Betonamit 的纸筒， 可以看出其余纸筒几乎没有任何膨胀。 图 5.各种硫酸铜样品裂缝直径。
4.2 . 硫酸盐和膨胀熟料含量对膨胀时间的影响v 4.2.
v v 在选择钢筋膨胀水泥混合比例时磺酸铝膨胀熟料和硫酸盐的颗粒大小对膨胀时间的影 响非常重要。膨胀水泥浆的膨胀时间取决于其各种成分的物理和化学性质及其各自比例。 这 是之前推导 [5]的膨胀时间与水泥体系中硫酸盐的含量成正比（假设同时加入普通硅酸盐水 泥） 。 注：磺酸铝膨胀熟料的膨胀率由于它们的高昂费用故不在报告研究之内。
关键词：膨胀水泥，Betonamit，硫酸盐化合物，膨胀时间，膨胀程度
1.引言
如今，地下矿井破岩作业使用的爆破物主要是用炸药。此类设备灵敏度很高，在地下矿 井使用可能会因为爆炸产生的飞石而非常危险。 此外， 它们对城市社区及周围环境往往是相 当有害的。 使用膨胀水泥破岩不需要训练任何特殊类型的人员， 因此使用膨胀水泥破岩是比 使用炸药破岩更安全、更友好的理想破岩办法。然而，这种方法的唯一缺点就是需要大量的 时间以膨胀和充分破裂周围的岩石。目前，Betonamit（膨胀水泥）大约需要 4-5 小时才能 完全膨胀并使岩石破裂。 这样的时间用于地下矿井在经济上是不可行的。 把膨胀水泥膨胀的 时间减少到几分钟之内就这是这个研究项目面临的主要挑战。
摘要
膨胀水泥是在潮湿的固化过程中产生膨胀应力的粉状材料。这种水泥被归类为收缩补 偿或自应力水泥。补偿收缩用于建筑行业，本文不会在文中探讨。自应力水泥广泛应用于拆 卸及破碎行业，是本研究报告的重点。本文的主旨是讨论关于硫酸盐化合物与 Betonamit 膨胀水泥的膨胀时间和膨胀程度之间的关系。根据文献 [1]，当膨胀水泥与普通硅酸盐水泥 混合时，膨胀时间与硫酸盐含量成正比。因此，作为水泥混合料的硫酸盐含量的增加，水泥 膨胀 时间 也会延长 。 但在 本研究 项目 中普通 硅酸 盐水 泥的效 果被 排除 以进一 步研 究 Betonamit 中只有硫酸盐时的影响。 利用 4 种不同浓度的不同种硫酸盐化合物研究产生的各 种现象。研究结果证实了降低 Betonamit 膨胀时间可能性，并且非常值得注意的是，这将获 得更大程度膨胀。