一种静态破碎剂径向膨胀压测试方法与流程

本发明涉及岩土工程技术，特别是一种静态破碎剂径向膨胀压测试方法。

背景技术：

静态破碎剂是一种可替代替炸药爆破破碎岩石的高膨胀性粉末状胶凝材料。当静态破碎剂水化反应发生在受限空间时，将对约束孔壁产生膨胀压力，最大膨胀压可达120mpa。由于膨胀剂水化反应过程相对缓慢，反应过程所产生的膨胀压能均匀的作用于被破碎体，整个膨胀致裂过程无震动、噪声和飞石等爆破负面效应产生。因此，静态破碎剂致裂岩石技术被广泛应用于石材开采、建筑体拆除、混凝土破碎、岩体开挖、深部应力调控与高边坡修整等工程领域。

膨胀压是静态破碎剂致裂岩石能力的最重要的评价指标，其大小影响着静态破碎剂的使用数量、方式、以及穿孔设计等众多因素。膨胀压的精确测量对于研究静态破碎剂的膨胀机理、致裂岩石机理、破碎岩石性能评测、生产参数优化、成本控制等方面至关重要。

静态破碎剂膨胀压的现有测量方法主要有外管法、内管法、压力传感器法、液压平衡测定法。

外管法选取厚壁无缝钢管，并在钢管外壁贴上应变片，把按一定比例与水混合后的浆状膨胀剂充填入钢管，并对孔口两端进行封闭，当膨胀剂在有限空间中发生水化反应时，膨胀压力促使钢管变形，钢管表面变形量由贴在钢管上的应变片传输到应变采集仪上，由应变采集仪测出环向和轴向方向应变值，根据外管法膨胀压计算公式对收集的应变数值进行计算，得到膨胀压。该方法因测试方法简单而被广泛应用，但其存在以下缺陷：①在钢管曲面外壁上贴应变片比较困难；②用曲面处的应变代替平面位置的应变，测试结果存在误差；③因静态破碎剂在反应过程中会释放出大量的热，使管体受热后外表面温度较高(140-150℃)，如采用常温应变片进行测量，温度对测量结果影响较大，导致测量精度较差，如采用高温应变片，由于高温应变片粘贴工艺复杂，使测量成本提高。

tetsuoharada发明了在炮孔中直接测量静态破碎剂膨胀压力的内管法。内管法采用一定长度的小直径钢管，用特殊方法在钢管中间内壁正交粘贴应变片，将应变片的两端接线，通过钢管内孔引出，与应变采集仪器连接；按固定水灰比配制好静态破碎剂料浆后，将钢管放入被破碎物体的炮孔中，然后把浆状静态破碎剂灌入钢管和被破碎体之间，用钢棒插捣密实直至无气泡冒出即可；反应完成后，通过应变采集仪读取反应过程中内壁产生的环向应变和轴向应变，则可计算被破碎体破坏时的膨胀压。内管法属于直接测量方法，可以直接测定出作用于被破碎物体炮孔中的实际膨胀压力，给施工带来方便。因内管法需在测量钢管内壁粘贴应变片，工艺要求高，同时需要使用高温应变片，同样导致测试成本较高；

压力传感器法(横隔膜阀法)工作原理与内管法相同。压力传感器法把充填惰性气体或液压体的压力感应部件与传感器连接好后，再把传感器放入炮孔内；然后充填静态破碎剂，膨胀剂在炮孔中膨胀时产生膨胀压力并作用于传感器的感应部位，由传感器反映到仪器仪表上；最后测定应变值或直接从压力表上读出膨胀压的数值该方法类似于内观法测量，通过压力传感器，直接量测膨胀剂的膨胀压。压力传感器法因传感器价高使测试成本提高，同时其测试精度并不高。

戴丽莱应用液压理论，设计了液压平衡测压仪。测压时首先由装料孔向物料缸灌入膨胀剂料浆，然后打开手压油泵进油阀，将油打入油缸，使活塞向料缸方向滑动，直至料缸透气孔有料浆溢出时停止打油；记下平衡指针所示刻度，在测量过程中，始终保持指针所指原始刻度不变；反应结束后，由油压表所示数值乘以系数料缸与油缸之间的面积比，即得膨胀剂的膨胀压，液压平衡测量法避免了反应过程中温度效应对测量结果的影响，但因手压油泵为手动方式，存在不能均匀加压及油表指针精度低的问题，给测量结果带来了误差。

cn103323164a专利文献公开了一种测量静态破碎剂膨胀压的测试系统，利用压力试验机刚性框架上加载压力传感器和移动活塞来测量膨胀压。当静态破碎剂水化反应后，推动活塞，联动压力盒，此时压力传感器会记下压力数值，进而反算出静态破碎剂的膨胀压。cn108151937a专利文献公开了一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置及方法，通过测量两个限位板之间的测量杆上的变形来反算膨胀压。cn108444550a专利文献公开了一种静态破碎剂膨胀压力和温度测试一体化装置，通过在约束框架中，利用上密封活塞的运动，基于压力盒来读取静态破碎剂水化反应过程中的径向膨胀压力。这些专利文献披露的静态破碎剂膨胀压测试装置和方法均属于测试静态破碎剂在约束空间内的轴向膨胀压，实际生产中因钻孔的轴径比不同，静态破碎剂在轴向和径向的膨胀压并不相同，生产现场起主要作用的是静态破碎剂的径向膨胀压，用轴向膨胀压作为生产现场所需要的静态破碎剂膨胀压偏差较大。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种操作简单、测试成本较低、测试结果误差小的静态破碎剂径向膨胀压测试方法。

本发明基于以下原理：

如图1所示，对于弹性模量为e、泊松比为μ、管的内孔半径为a、管的外壁半径为b、由均匀材质制成的圆形金属管，在其管壁上截取圆环形横截面，以该截面的圆心o为原点，建立极坐标系，设截面上任一点p的极坐标为如果金属管管孔内壁受到均布压力pr(膨胀压)，根据弹性力学原理，此时p点沿金属管径向应力σρ与切向应力σφ应满足方程(1)。

由公式(1)可得：

由广义虎克定律可知，点p处切向应变和径向应变ερ与应力之间的关系如式(3)所示：

对公式(3)，消除σρ得式(4)：

联立式(2)和式(4)，得到管孔内膨胀压计算公式(5)：

由公式(5)可以看出，对于尺寸固定、弹性模量e和泊松比μ已知的圆形金属管，当孔内有膨胀压时，只要测得其横截面上任一点p(极坐标为ρ，)处的切向应变εφ和径向应变ερ即可求得孔内膨胀压pr。

基于以上原理，本发明提供的静态破碎剂径向膨胀压测试方法包括以下步骤：

步骤1、制备测试用金属筒及封闭金属筒的上端盖和下端盖

金属筒选用弹性模量e＝30～100gpa、泊松比μ＝0.2～0.3的金属材质制作，其形状为中心通孔的圆柱形，为了降低边界对测量结果的影响，筒的外半径b和内半径a应满足b≥2a(厚壁筒)，为了消除端部效应，将金属筒的上端制成凸形台阶，金属筒的上下两端部分别加工出内螺纹；

上端盖和下端盖分别为凸形，凸起部分有与所述金属筒内螺纹配合的外螺纹，其中上端盖轴向中心开有排气孔；

步骤2、清理金属筒的台面(即凸形台的下部表面)

用砂纸打磨金属筒的台面，用酒精和脱脂棉将表面擦拭干净；

步骤3、标记测试点

待金属筒的台面干燥后，在台面距金属筒中心52mm处对称标定4个测点，分别记为1#、2#、3#和4#，在每个测点处画出沿金属筒径向和切向的标记线(切向标记线与径向标记线相互垂直)；

步骤4、组装测试装置

在测点周围金属筒的台面上均匀涂抹502胶水，然后用镊子将测量径向应变的径向应变片和测量切向应变的切向应变片置于测点处，使径向应变片和切向应变片分别与径向标记线和切向标记线重合，待应变片粘接牢固后，在金属筒台面应变片接线处贴美纹纸，防止导线和金属筒之间导电，然后用电烙铁将应变片与导线焊接，并用万用表测试焊接是否良好(连接处两端电阻不大于120ω为焊接良好)；在测试点附近粘贴温度传感器，用其测量应变片的温度；用导线通过1/4桥将应变片和温度传感器分别与jm3812型静态应变仪连接；

步骤5、装填静态破碎剂

将下端盖与金属筒下端螺纹连接，然后向金属筒内装填混合好的待测试静态破碎剂，装满金属筒后将上端盖与金属筒上端螺纹连接，将金属筒封闭；

步骤6、数据采集

jm3812静态应变仪通过测试软件采取离线和在线采集方式记录1#至4#四个测点的径向应变εx和切向应变εy值，采集24h以后，将四个测点测得的径向应变εx和切向应变εy分别求平均值，分别选εx和εy平均值中的最大值，将其与金属筒的外半径b、内半径a、弹性模量e和泊松比μ一同带入以下公式中，求得静态破碎剂的径向膨胀压

式中：

e：金属筒的弹性模量(gpa)，

μ：金属筒的泊松比，

a：金属筒的内半径(mm)，

b：金属筒的外半径(mm)，

ρ：测点与金属筒台面中心点的距离(mm)，

εφ：切向应变最大平均值，

ερ：径向应变最大平均值。

与现有技术相比较，本发明测试方法的优点：

1、本发测试方法，用金属筒的台面进行静态破碎剂径向膨胀压测试，由于台面为平面，采用应变片测量，应变片容易粘贴均匀；可减小曲面测量带来的误差。

2、本发明采用后壁金属筒测试静态破碎剂的膨胀压，由于壁厚较大，传导到金属筒台面上测试点的热量减低，测试点温度一般为40-50°，该温度在普通应变片的工作温度范围之内，使用带温度补偿的常温应变片即可正常测量，常温应变片成本低，粘贴方法简单，测试成本和测量准确度均优于现有测试方法。

3、本发明通过测试静态破碎剂的径向膨胀压，解决了上述专利文献披露的静态破碎剂测试装置和方法以测量轴向膨胀压作为膨胀剂膨胀压与实际生产中因钻孔轴径比不同导致偏差较大的技术问题，用测得的径向膨胀压作为生产现场静态破碎剂的膨胀压更加准确。

附图说明

图1为厚壁金属圆管受均布压力示意图；

图2为本发明中测试装置的轴向剖视图；

图3为沿图2中a—a剖视图；

图4为图2中金属筒的轴向剖视图；

图5为图2中上端盖的轴向剖视图；

图6为图5的俯视图；

图7为图2中下端盖的轴向剖视图；

图8为图7的俯视图。

图中符号说明：1金属筒，2上端盖，3下端盖，4金属筒上部内螺纹，5金属筒下部内螺纹，6上端盖紧固孔，7上端盖外螺纹，8排气孔，9下端盖紧固孔，10下端盖外螺纹，11径向应变片，12切向应变片，13静态破碎剂。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例为用本发明方法测量含水量为32％的浆状静态破碎剂的径向膨胀压力，其具体步骤如下：

步骤1、制备测试用金属筒1及封闭金属筒的上端盖2和下端盖3

结合图2、图3和图4、金属筒1选用7075-t7365型号铝合金材料加工，其材料的弹性模量e＝38gpa，泊松比μ＝0.25，采用数控机床精确加工成形状为中心通孔的圆柱形，金属筒的外半径b＝77.5mm，内半径a＝21.5mm，金属筒的总高度h＝170mm，金属筒上端加工出凸形台阶，台阶高度h＝50mm，上台面宽度s＝56mm，上下台面要求平整，在金属筒的上下两端部分别加工出金属筒上部内螺纹内螺纹4和金属筒下部内螺纹5；

结合图5和图6，上端盖2为凸形，上端盖的高度h1＝20mm，直径r＝86mm；凸起部分高度h2＝15mm，直径r2＝44mm，凸起部分有上端盖外螺纹7，螺纹螺距为1.25mm，上端盖上表面有两个距中心25mm、对称分布的上端盖紧固孔6，紧固孔直径为5mm、深度为10mm，上端盖的轴向中心加工出排气孔8；

结合图7和图8，下端盖3为凸形，下端盖的下部高度h4＝20mm，直径r＝86mm，凸起部分高度h3＝20mm，直径r1＝44mm，凸起部分有下端盖外螺纹10，螺纹螺距为1.25mm，下端盖底面有两个距中心25mm、对称分布的下端盖紧固孔9，紧固孔的直径为5mm，深度为10mm。

步骤2、清理金属筒的台面

用砂纸打磨金属筒的台面，用酒精和脱脂棉将表面擦拭干净；

步骤3、标记测试点

结合图3，待金属筒的台面干燥后，在台面距金属筒中心52mm处对称标定4个测点，分别记为1#、2#、3#和4#，在每个测点处画出沿金属筒径向和切向的标记线(切向标记线与径向标记线相互垂直)；

步骤4、组装测试装置

结合图3，在测点周围金属筒的台面上均匀涂抹502胶水，然后用镊子将事先由径向应变片11和切向应变片12组装成的“应变花”置于测点处，并使两个应变片分别与径向标记线和切向标记线重合，待应变花粘接牢固后，在金属筒台面应变片接线处贴美纹纸(未图示)，防止导线和金属筒之间导电，然后用电烙铁将应变片与导线焊接，并用万用表测试焊接是否良好；在测试点附近用胶布粘贴pt100温度传感器(未图示)，用其测量应变片的温度；用导线通过1/4桥将应变片和温度传感器与jm3812型静态应变仪(未图示)连接；

步骤5、装填静态破碎剂13

结合图1，将下端盖与金属筒下端螺纹连接，然后按水占总重量32％的比例将水与静态破碎剂混合，用玻璃棒充分搅拌均匀，用漏斗将搅拌均匀的浆体从金属筒的上端口注入金属筒中，在此过程中需不断搅拌，以排除所含气体，注满金属筒后停止注浆，将上端盖与金属筒上端螺纹连接，将金属筒封闭，检查金属筒周围是否有漏浆，无漏浆进行下步；

步骤6、数据采集

打开jm3812静态应变仪的测试软件，先使应变仪进行初始应变和温度平衡，然后采用离线和在线采集方式记录1#至4#四个测点的径向应变εx和切向应变εy，随着时间的推移，静态破碎剂水化反应逐渐进行，采集24h以后，将四个测点测得的径向应变εx和切向应变εy分别求平均值，选其中最大径向应变εx为111×10^-6，最大切向应变εy为144×10^-6，将其与金属筒的外半径b＝77.5mm、内半径a＝21.5mm、弹性模量e＝38gpa、泊松比μ＝0.25一同带入公式

中，计算得到该静态破碎剂的径向膨胀压力pr＝28.93mpa。