静态破碎技术顾.docx
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静态破碎技术顾
12.静态破碎技术
在市政建设、厂矿改造中，常遇到岩石、基础、地坪、建（构）筑物需要拆除，往往处于复杂环境之中，拆除工程数量不大，使用控制爆破，需要办理相应的报批施工手续；用人工拆除，不仅效率低，而劳动强度大，人们渴望研制一种安全的破碎材料。
静态破碎剂就是这样一种安全的破碎材料，它是一种以特殊的硅酸盐或氧化钙为主体的无机化合物和复合有机物制成的粉末状物质，在水化反应过程中形成固体膨胀，产生膨胀压力，造成介质破裂。
1979年开始首先在日本市场上销售，我国从1980年由建筑材料科学院首先开始研究，1982年进行工业性试制，1983年3月通过部级鉴定。
由于介质破裂基本上是一种静力作用，破裂过程无飞石、无震动、无音响，也无有毒气体产生，在国内又称为高效无声破碎剂（HighSoundlessCrackingAgent，简称HSCA）。
12.1静态破碎的作用机理与主要特点
12.1.1静态破碎的作用机理
不论何种破碎剂，其主要成分均为生石灰。
生石灰是一种比重为3.40，熔点为2572℃的等轴结晶体。
破碎剂加水后，其中生石灰和水发生反应，最初生成微细的胶质状的Ca（OH）2，同时放出大量热量，这种Ca（OH）2随着时间的推移，逐渐形成各向异性的六角形结晶。
这种结晶体在颗粒周围有两层或三层，而且呈刚性。
在生成结晶的过程中产生膨胀压力。
2~4小时后膨胀压力增大，24~48小时后达到最大值。
混凝土等脆性材料抗压强度大，抗拉强度小。
混凝土的抗压强度为100~600kgf/cm2（1kgf/cm2≈0.1MPa）；抗拉强度则为15~30kgf/cm2。
岩石的抗压强度为1000~1500kgf/cm2，抗拉强度为40~70kgf/cm2。
如图12-1所示，孔壁作用膨胀压力时，产生环向拉应力和径向压应力，当拉应力超过被破碎体的抗拉强度时，即在钻孔之间的连接处产生裂纹，随着时间的推移，膨胀压逐渐增大，裂缝宽度亦将随之扩展，最终将物体切割或完全破碎。
图12-1破碎剂作用机理图
破碎剂产生膨胀压的数值约为混凝土抗拉强度的10~25倍，为岩石抗拉强度的5~10倍，因此用破碎剂破碎岩石或混凝土是毫无问题的。
破碎齐与水反应产生膨胀压，其反应能力与反应速度受被破体温度的影响。
温度越高，反应速度越快，完全水化的程度亦越大，反应热也就越高。
当集聚的热量达到100℃时，就会出现“喷出”现象，即破碎剂浆体从钻孔中喷出来，这就大大降低了它的破碎效果。
如果被破体的温度过低，破碎剂反应速度延迟，开裂的时间即延长，也会大大降低它的破碎效果。
12.1.2静态破碎的主要特点
表12-1列举了钻孔控制爆破、水压爆破、燃烧剂破碎方法和静态破碎方法。
从主要材料成份、破碎机理、主要特点和应用范围四个方面进行比较。
表12-1四种破碎施工方法的比较
项目
钻孔控制爆破
水压爆破
燃烧剂破碎方法
无声破碎方法
主要材料成份
硝铵炸药或
乳化炸药等
乳化炸药或
T.N.T
氧化剂、金属还原剂
硅酸盐、氧化钙、
复合有机化合物
破碎机理
反应类型
破坏原理
作用压力（kgf/cm2）
作用时间（S）
爆轰反应
冲击波及高温高压
气体（多）
104~105
10-5
爆轰反应
水中冲击波及动水
压力
104~105
10-5
燃烧反应
高温高压气体（少）
103
10-1
水化反应
固体体积膨胀
300~500
104
主要特点
破坏威力
材料性能
破坏时对环境的影响
施工操作
破碎体清理
成本
高
爆炸物品
需控制飞石、振动、
冲击波、音响
较简便，需爆破工
容易
较低
高
爆炸物品
需控制飞石、振动
较简便，需爆破工
容易
低
次高
易燃物品
飞石、振动、音响较小
较复杂，需爆破工
较容易
高
低
非危险品，有微碱性
无飞石，无振动，无音响，无毒气
简便，一般人均可
较困难，宜由机械配合
较高
应用范围
适用于各种破碎工程
适用于容器状结构物的破碎
适用于露天小型破碎工程
适用于复杂性环境下的破碎工程
注：
表中1kgf/cm2≈0.1MPa。
从上表可以看出，静态破碎技术，实质上不属于爆破技术范畴。
它的破碎过程是低压和慢加载的，所以是一种非爆炸性的无公害破碎剂，不属易燃易爆危险品，因此也不受爆炸物品安全管理的限制，运输、保管和使用均很安全。
静态破碎剂的膨胀压力只有300~500kgf/cm2，作用过程缓慢，因而适用于多面临空的基础。
对于薄形结构，如墙、地坪等，采用静态破碎技术，较爆破法合理；对于有较多原生裂隙的岩石、浆砌片石，可取得较好的破碎效果；对于脆性材料的切割，比较理想。
静态破碎技术对于临空面少的地坪、基础，特别是当材质为钢筋混凝土或韧性材料时，其破碎效果差，使用时应慎重考虑。
静态破碎技术，如无可靠的技术措施，一般不适于在破碎过程中对其稳定性不能控制的构筑物的破碎，如高烟囱、楼房的定向坍塌等。
静态破碎剂的材料单价不高，但破碎单耗较炸药高10倍以上，加之钻孔数量增多，施工周期延长，破碎块度较大，因此，对具体工程的技术经济指标，应综合各种因素，全面比较。
一般认为，静态破碎技术适用于零小及复杂环境下的拆除任务，也可以用于大理石、花岗岩等贵重石材的开采。
可以说，静态破碎技术有其独特长处，是对爆破和其它破碎方法的重要补充。
所谓燃烧剂破碎技术，是指金属氧化剂（如氧化铜、二氧化锰、溴酸钾等）与金属还原剂（如铝粉、镁粉等）按一定比例的混合物，将燃烧剂取代炸药放入钻孔中，点燃燃烧剂产生高温和一定压力的气体，可以切割或破碎介质。
燃烧剂比炸药威力低，反应慢，因而破碎时的震动及飞石影响较小。
但是燃烧剂成本高，操作比较复杂，国内曾有个别厂家专业制作，由于制作质量受原料标准影响很大，不易控制，使用安全也难以保障，因此，这一方法，在试用一段时间后现已基本淘汰。
使用燃烧剂破碎方法，也必须严格遵守国家和公安部门的有关规定。
12.2静态破碎剂的种类与主要技术指标
12.2.1静态破碎剂的种类
静态破碎剂有复合膨胀剂和水泥膨胀破碎剂等。
复合膨胀破碎剂是一种以特殊硅酸盐和氧化钙为主要成分的无机化合物和特殊有机化合物相混合的粉末状的破碎剂，其主要成分及膨胀率见表12-2。
表12-2复合膨胀破碎剂的成分和膨胀率
成分（重量百分比）
膨胀率（%）
2天后
15天后
P.C.
100
石膏
70
CaO
90
—
水
120
149
161
矿渣
100
石膏
130
Ca（OH）2
120
—
水
160
113
149
P.C.
100
CaO
70
CaCO3
10
1NH2SO4
50
水
80
260
264
P.C.
100
C.S.A
20
赤泥
50
CaO
80
水
100
214
217
注：
P.C.为优质硅酸盐水泥；C.S.A为硫铝酸钙。
水泥膨胀破碎剂的制作方法与水泥制作方法相同。
其原料为：
石灰石90%左右，粘土5%左右，石膏4~5%，铁粉微量。
制作时，把上述原料放在水泥窑或回转窑中煅烧，煅烧温度为1450~1500℃。
煅烧后的熟料添加少量减水剂后放到球磨机内磨成比表面积为2000cm2/g的粉末，用防风化的塑料袋包装。
熟料的化学成分：
CaO占81.3%，SiO2占8.2%，SO2占4.5%，Al2O3占2.4%，Fe2O3占1.1%，MgO占0.7%。
在矿物组成中，CaO占50%，其他为3CaO·SiO2和CaSO4-3CaO·Al2O3-4CaO·Al2O3·Fe2O3。
在日本市场上，已有多系列的静态破碎剂出售，但依据其水化反应速度和差异，主要可分为普通型静态破碎剂和速效型静态破碎剂两类。
普通型静态破碎剂的消化反应缓慢进行，产生的反应热通过孔壁散发到整个被破碎物体上，所以，温度上升不多，反应不快，因此，膨胀压力出现也晚，达到破碎必需的300kgf/cm2时，通常需要半天的时间。
速效型静态破碎，反应快，由反应热引起的温度升高促进反应，在短时间内就出现膨胀压力。
图12-2示出了膨胀压力和破碎剂温度的变化关系。
图12-2膨胀压力和破碎剂温度的变化关系
表12-3、表12-4分别列举了日本生产的静态破碎剂普通型、速效型产生的厂家和适用范围。
表12-3静态破碎剂（普通型）制品一览表
形状
商品名称
（制造商）
种类
（被破碎体适用的温度）
适用孔径
使用水的
温度范围
使用方法
龟裂发生的标准时间
粉状
S-买特
（住友水泥）
B（15~35℃）
A（5~20℃）
S（-5~10℃）
其它用于大孔径
≤20℃
将粉状制剂加水搅拌后灌入孔内充填（混合搅拌后5min内充填）
12~24h
布莱斯塔
（小野田）
100（15~35℃）
150（10~20℃）
200（5~15℃）
300（-5~5℃）
其它用于大孔径
38~50mm
50~80mm
≤30℃
≤15℃
≤10℃
≤5℃
劈裂剂
（吉泽石灰）
蓝色（20~35℃）
绿色（10~25℃）
橙色（15℃以下）
其它用于大孔径
34~48mm
50~60mm
≤25℃
将粉状制剂用水混合搅拌注入孔中堵塞（混合搅拌后10min内充填）
静态买特
（日本水泥
日本油脂）
S型（20~35℃）
M型（10~25℃）
W型（0~10℃）
L型（-5~5℃）
其它用于大孔径
30~50mm
50~70mm
≤25℃
≤20℃
≤10℃
≤5℃
开米阿库斯
（电气化学）
25号（25~40℃）
15号（10~30℃）
5号（5~15℃）
其它用于大孔径
30~50mm
50~80mm
≤30℃
≤25℃
≤15℃
剂包状
布莱斯
塔堵塞
（小野田）
100（15~35℃）
150（10~20℃）
200（5~15℃）
300（-5~5℃）
38~46mm
≤30℃
≤15℃
≤10℃
≤5℃
药包浸水塞入孔中
12~24h
静态买特胶囊（日本水泥日本油脂）
S型（20~35℃）
M型（10~25℃）
W型（0~10℃）
L型（-5~5℃）
其它用于大孔径
34~40mm
≤25℃
≤20℃
≤10℃
≤5℃
S-买特胶囊
（住友水泥）
B型（15~35℃）
A型（5~20℃）
S型（-5~10℃）
38~42mm
≤20℃
表12-4静态破碎剂（速效型）制品一览表
形状
商品名称
（制造商）
种类
（被破碎体适用的温度）
适用孔径
使用水的
温度范围
使用方法
龟裂发生的标准时间min
颗粒状
超强布莱斯塔1000
（小野田）
1000（0~35℃）
42~67mm
5~25℃
孔内灌水，然后使用粗细均匀的棒，直接将颗粒塞入孔中
30~60
剂包状
超强S-买特
（住友水泥）
B型（20~35℃）
A型（10~20℃）
S型（0~10℃）
38~42mm
≤20℃
剂包浸水塞入孔内
30~60
超强劈裂剂
（吉泽石灰）
S1孔径40、50mm
20~35℃
孔径65mm
10~35℃
S2
40mm10~20℃
50mm5~20℃
65mm0~10℃
S340mm0~10℃
50mm0~5℃
40~65mm
40~65mm
40~50mm
≤25℃
剂包浸水塞入孔内
超静买特30
（日本水泥
日本油脂）
S型（20~35℃）
W型（0~20℃）
38~42mm
≤30℃
≤20℃
剂包浸水塞入孔内
30~120
高效阿斯塔库（旭化成）
2035型（20~35℃）
1020型（10~20℃）
M10型（0~10℃）
38~42mm
10~40℃
10~40℃
0~30℃
剂包浸水，用机械打入孔内填塞
10~30
表12-5为北京宇翼特种水泥厂生产的高效无声破碎剂（简称HSCA），这是一种含有钙、硅、铁、铝的无机化合物粉剂材料，与水调成浆体灌入岩石或混凝土构筑物的钻孔中，依靠本身水化可产生大于30兆帕的膨胀压，使被破碎物体在无震动、无噪音、无飞石和无毒气的情况下安全破碎。
HSCA根据不同的环境温度条件分为夏型、春秋型和冬型三种型号。
表12-5国产高效无声破碎剂（HSCA）产品一览表
破碎剂型号
使用温度范围
使用孔径（毫米）
膨胀压力（kgf/cm2）
试验温度
1天
2天
HSCA-1
25~40℃（夏型）
30~50
＞350
＞400
31±2℃
HSCA-2
10~25℃（春秋型）
30~50
＞300
＞350
20±2℃
HSCA-3
-5~10℃（冬型）
30~50
＞170
＞240
6±2℃
注：
（1）HSCA用塑料袋包装，每袋5公斤，外用防潮厚纸箱包装，每箱4袋，净得20公斤。
HSCA贮存在
干燥场所，有效期一年。
（2）北京宇翼特种水泥厂在北京市房山区琉璃河镇（邮编：
102403）。
12.2.2静态破碎剂的主要技术指标
膨胀压力P是静态破碎剂的主要技术指标，要选择合适的操作方法，以获得较高的膨胀压力。
建筑材料科学院对SCA的试验资料表明，环境温度对SCA的膨胀压力P影响很大，气温高P值高；温度低P值低。
由图12-3可知，SCA的膨胀压随温度的增高而增大。
使用SCA—II型时温度升高7℃，膨胀压将增加一倍，这说明温度的影响是很明显的。
施工时可根据当地的气温条件，选择合适的SCA型号。
一般来说，只要不产生喷出现象，使用温度高一些，破碎效果会更好。
根据施工经验，使用温度可比规定的温度提高5~8℃。
在冬季施工时可采用温水搅拌SCA，或用电热丝法适当加热。
水灰对比膨胀压力P的影响也很大，水灰比小P值大，水灰比大P值小。
由图12-4可知，SCA随水灰比的增大而减小。
因为水灰比小时，浆体的密度高，破碎效果好。
但水灰比太低时，不利于施工。
一般，水灰比宜控制在0.3~0.35。
图12-3SCA膨胀压与温度的关系图12-4SCA膨胀压与水灰比的关系
图12-5SCA膨胀压与孔径的关系图12-6SCA膨胀压与时间的关系
由图12-5可知，SCA的膨胀压随着孔径的增大而提高。
因为孔径大，用药量增大，因此效果好。
但不能无限的增加孔径，否则因为孔径大，水化热集聚多，也容易引起喷出现象。
一般说，孔径为30~50毫米。
不同型号的膨胀压不同。
由图12-6可知，三种型号的SCA在相应的温度下，其膨胀压的数值是不同的。
SCA-I型的膨胀压相当于SCA-Ⅲ型的一倍，这说明夏季施工破碎效果好。
为了提高破碎效果，是否可以在夏季使用SCA-Ⅲ型呢？
回答是否定的，因为SCA的激烈水化反应也将造成喷出现象。
因此，要根据不同的温度，使用相应型号的SCA。
12.3静态破碎的设计与施工
12.3.1静态破碎、切割的设计
从理论上讲，对于有多个临空面的岩石或混凝土基础，可以采用脆性材料的屈服关系Tresce的理论，推导出材料开始破裂所需膨胀压力的概略值，并由图12-6查出开始破裂的时间。
表12-6列出了几种材料发生裂纹所需的膨胀压力及开裂时间，观测表明，计算值与实测数据基本符合。
表12-6不同材料开裂所需的膨胀压力及时间
被破碎体材料
抗压强度
（kgf/cm2）
抗拉强度
（kgf/cm2）
孔径d
（mm）
孔距a
（cm）
开裂所需膨胀压
（kgf/cm2）
开裂时间*
（小时）
软岩
中硬岩
硬岩
混凝土
<600
600~1200
>1200
300
30~60
60~100
100~130
30
4
4
4
4
60
55
40
50
81.2~162.5
157~262
230~299
79.8
4~6
6~12
10~15
4
*采用HSCA-2型，环境温度20℃。
对于临空面不好及大面积的破碎体，因为有外压的作用，不能简单地规定所需要的膨胀压。
因此，采用HSCA法施工，事先开创好被破碎体的临空面，对改善破裂效果十分重要。
对于大面积施工，建议分批装填HSCA。
对于每个临空面，同一批以不大于3排为宜，待破裂块清理后，再装填下一批的钻孔。
通过试验，对岩石和混凝土的破碎和切割，其主要设计参数还可以参照表12-7。
表12-7HSCA破碎及切割设计参数
被破碎物体
钻孔参数
HSCA使用量
（kg/m3）
孔径d（mm）
孔距a（cm）
孔深
软岩
中硬岩
混凝土、浆砌片石
钢筋混凝土
岩石及混凝土切割
35~50
35~65
35~50
35~50
35~40
40~60
40~60
40~60
15~30
20~40
H
H+5%H
80%H
90%H
H
8~10
10~15
8~10
15~25
5~15（kg/m2）
H—被破碎物体的高度。
破碎：
孔距a=（10~15）d（岩石、混凝土）
a=（4~8）d（钢筋混凝土）
（d为孔径）
排距b=（0.7~0.85）a
最小抵抗线W=（0.5~0.65）a
切割及预裂：
a=（6~10）d
并使a为了提高切割及预裂面的平整度，还可以在装药孔间，加钻不装药的导向孔，这种导向在靠近临孔空面处尤有必要，它可以防止切割面向其它方向拉裂。
钻孔设计时要搞清楚破碎的目的，被破碎体的抗拉强度、形状、自由面数目、岩石的性状节理、混凝土建、构筑物的配筋率、结构性质以及周围的情况，气候条件，计划进度及其它因素。
要选择合适的孔径、孔距、孔深和钻孔角度。
要合理的利用自由面，没有自由面时，要制造自由面。
钻孔机具一般选用风钻。
钻孔方向，一般情况是根据被破碎体的位置、形状采用风钻打垂直孔，也可打水平孔、斜孔等，以提高破碎效果。
图12-7为按梯段破碎岩石的设计图式。
孔径：
φ30~50毫米；
A1：
25~35毫米；
A2：
40~60毫米；
L：
增加高度的5%；
先灌
（1），隔6~20小时再灌
（2）、（3）。
图12-7破碎岩石的设计图式
图12-8为在岩石中挖沟破碎的设计图式。
孔径：
φ30~50毫米；
A：
20~35毫米；
θ：
40~60°
先灌
（1）造出自由面，6~20小时后再灌
（2）、（3）。
图12-8在岩石中控沟破碎的设计图式
图12-9为钢筋混凝土基础的破碎，宜先用风镐去掉保护层，每隔50厘米切断一次水平钢筋，方能提高破碎效果。
图12-9高配筋的钢筋混凝土基础的破碎
12.3.2静态破碎施工要点
静态破碎技术的施工顺序如下：
⑴根据钻孔设计在岩石或混凝土建、构筑物上钻孔；⑵用水调制静态破碎剂浆体；⑶在钻孔内灌注浆体；⑷养护（指冬季盖草帘保温）；⑸裂缝出现；⑹裂缝的扩展；⑺清理现场。
施工时可根据当地的气温条件，选择合适的HSCA型号。
一般来说，只要不产生喷出现象，使用温度高一些，破碎效果会更好。
根据施工经验，使用温度可比规定的温度提高5~8℃。
HSCA的凝结时间，初凝不早于30分钟，终凝不迟于4小时。
在实际施工时，一次搅拌量以1~2袋（5~10kg）为宜，按水灰比0.28~0.35（即HSCA重量比为28~35%的水）用机械手或手工（戴橡皮手套）搅拌成具有流动性的均匀的浆体，这时浆体的流动度在170~190mm。
填孔之前，必须将孔清理干净，不得有水和杂物，充填作业可采用直接灌入法或用灰浆泵压入法，对于重直孔，不必堵塞孔口，对于水平孔或倾斜孔，要堵塞孔口，以免浆体流出，可用干稠的HSCA胶泥搓成条塞入孔中并捣实。
应注意，拌好的浆体，要在10分钟内使用完毕，超过10分钟，其流动性及破碎效果明显降低。
表12-8为对应于不同孔径孔长1米的HSCA参考用量。
表12-8孔长1米HSCA参考用量
孔径（mm）
30
34
38
42
46
50
使用量（kg）
1.2
1.5
1.9
2.3
2.8
3.2
春夏秋季节施工不必养护，一般灌浆后5~20小时可将破碎物体破碎，冬季5℃以下施工时可采用40℃左右的水拌合，并需采取保温或加温措施，一般灌浆后20~30小时可将破碎物体破碎。
施工温度越低，物体开裂时间越长，破碎效果也会降低。
在施工中，应注意避免HSCA接触皮肤，因为HSCA的主要成份是生石灰，呈碱性，如有沾染，要立即用水冲洗，特别应防止浆体进入眼睛，如有发生，必须立即用大量的水冲洗，并去医院治疗。
当静态破碎剂温度由于某种原因迅速上升，与静态破碎剂共存于孔内的自由水急剧形成水蒸汽，生产压力，有时会造成填入孔中的静态破碎剂猛烈喷出，因此，在装填孔时，作业人员必须戴防护眼镜，灌浆后到裂纹发生前不得对孔直视，以防万一发生喷出时伤害眼睛。
HSCA不宜装填直径大于65mm的钻孔，也是防止HSCA浆体在水化反应过程中从孔口喷出，造成事故。
对于破碎钢筋混凝土，应该预先切断部分外围钢筋，再用HSCA破碎。
采用静态破碎法，一般只能对材料起到切割及破裂的作用，应在清理中配备风镐及吊装机械，以提高工作效率。
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