一种用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料及其制备、施工方法

技术领域

本发明属于土木工程、材料工程爆炸与爆破技术领域，具体涉及一种用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料及其制备、施工方法。

背景技术

在大型建(构)筑物爆破拆除与特殊地质环境的地下工程中常采用钻爆法开挖，爆破施工过程中炮孔填塞是必不可少的一道工序，但由于炮孔堵塞效果不佳常造成冲孔和巨大的能量耗散，显著影响了开挖效果和施工效率。

现有技术提出了一种用于爆破施工的炮孔堵塞装置及其堵塞炮洞的施工方法(CN114234750 A)，该炮孔堵塞装置包括：胀管、圆、螺杆、平垫圈和螺母，螺杆同轴固接于圆柱形头部的外端，胀管、平垫圈和螺母依次套设在螺杆上，炮孔堵塞装置上还设置有依次贯穿圆柱形头部和螺杆的孔洞，螺杆的外端固接有钩环。该技术一定程度上解决了炸药滑脱问题，但是仍存在：(1)实际工程中钻爆法开挖时，炮孔内部平整度差异较大，该炮孔堵塞装置不一定能顺利安置于炮孔内部；(2)该装置构造较复杂，施工过程难以控制，效果无法保证。

现有技术提出了一种利用高分子吸水树脂制备成的膨胀袋+空气气囊封堵炮孔(CN 114413699 A)，施工工艺是预先将吸水剂放入定制膨胀袋中，然后用空气囊封堵炮孔后将膨胀袋和岩粉放入炮孔中，最后向炮孔中注水，膨胀袋吸水膨胀，最终达到封堵炮孔的目的。但是吸水膨胀后的树脂强度很低，无法抵抗爆炸时的爆轰波冲击，易出现冲孔现象。

综上所述，炮孔堵塞材料在炮孔内部经时失水收缩，炮泥与炮孔内壁粘聚力下降、炮泥内部收缩开裂等现象是炮孔堵塞效果不佳、发生冲孔等问题的症结所在。

因此，本发明针对上述炮孔堵塞材料普遍存在的问题，提供了一种用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料及其使用方法，通过堵塞材料配合比优化设计与功能组分的匹配掺加，达到堵孔后膨胀性能提升，有效提升炮孔堵塞效果。同时，通过调节堵塞材料内的膨胀组分及其掺量，控制其膨胀速率，使堵塞材料的膨胀性能在堵塞后的3天-5天充分发挥，充分补偿了堵塞材料随时间产生的收缩，极大提高了炸药能量利用率和爆破开挖效率，能满足和匹配拆除爆破和特殊地质环境中钻爆法开挖的单个爆破施工效率要求，尤其为我国西南地区某重要基础设施建设提供技术支撑。

发明内容

针对现有技术中的问题或缺陷，本发明要解决的是炮孔堵塞效果不佳常造成冲孔和巨大的能量耗散，显著影响了开挖效果和施工效率的问题。

为了实现上述目的，本发明涉及本发明涉及一种用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料，以重量份数计，包括：

包括膨润土为40-63份，

河砂为29-45份，

膨胀剂为5-9份，

水为20-28份，

纤维2-3份，

所述膨胀剂为CaO。

膨润土：膨润土作为主要的填充和黏结材料，具有良好的膨胀性能和黏结性能；将其含量设为50份可以提供足够的填充物来填充炮孔，并确保材料具有良好的流动性和黏结性；

河砂：河砂作为填充剂，可以增加材料的密实性和强度，并提供一定的抗压能力；将其含量设为30份可以平衡材料的流动性和密封性能，并提高材料的稳定性；

膨胀剂(CaO)：膨胀剂作为控制材料膨胀性能的添加剂，可以实现堵塞材料的微膨胀效果；可以在适当的条件下释放气体或膨胀，以实现预期的膨胀效果；

水：适当的水可以保证材料的流动性和可施工性，并在固化后形成坚固的堵塞效果；设定为25份的水可以在保持适当流动性的同时，确保材料固化后的强度和稳定性；

纤维：纤维可以增加材料的韧性和抗拉强度，防止裂缝扩展；将其含量设为2份可以提供足够的纤维增强效果，增强堵塞材料的耐久性和稳定性；

进一步的，所述纤维包括玻璃纤维、碳纤维及聚丙烯纤维：保良好的粘结效果，提高堵塞效果的可靠性；

玻璃纤维：玻璃纤维是一种常用的纤维增强材料，具有高强度和耐腐蚀性能，广泛应用于混凝土、聚合物和复合材料等领域；

碳纤维：碳纤维是一种轻质高强度的纤维增强材料，具有优异的机械性能和耐腐蚀性能；它常用于航空航天、汽车和体育器材等领域；

聚丙烯纤维：聚丙烯纤维是一种合成纤维，具有良好的耐碱性和耐酸性，被广泛用于混凝土和土工材料的增强。

进一步的，包括如下步骤:按重量份计，取膨润土40-60份，河砂29-45份，膨胀剂为5-9份，水灰为20-28份、纤维2-3份、；

将称量好的膨润土、河砂和氧化钙膨胀剂放入搅拌锅，并搅拌均匀，获得均匀分布的干粉料；

所述的堵塞材料搅拌干粉料，所用的搅拌机为现有的水泥胶砂搅拌机；

加入实验用水，与干粉料充分搅拌，获得湿润的堵塞材料，静置2-5分钟；

最后加入可防止材料开裂的纤维，获得富含纤维的湿润堵塞材料，并最后呈现出“握成团、无泌水”状态；达到“握之成团”的状态,可以表明材料内部各组分已经充分混合均匀,不会出现明显的分离；“不沾手”表示水分配比适宜,既便于成型,也不会过湿导致漏水；此状态可以保证材料形成一定的塑性,有利于堵塞孔洞时的成型；如果太湿,会影响堵塞材料化学反应和凝结过程；如果过干,会减弱膨胀效果；该状态可以表征材料整体的工作性和流动性,是易施工的最佳状态；这种状态有利于材料的搅拌、运输和灌装过程,不会粘连或分离；达到该状态,可以避免材料过早浆化,从而保证足够的使用时。

进一步的，上述的微膨胀型炮孔堵塞材料的施工方法，包括以下步骤：

(1)准备工作，清理炮孔周围的杂物、尘土和碎屑，确保孔洞表面干燥和清洁，检查孔洞的尺寸和深度，以确定所需的填充材料量；

(2)依据以上堵塞材料的成型方法制备完成后，将混合好的材料注入炮孔中，配合常规堵塞工艺直接放入待爆破施工的炮孔；

(3)搅拌完成的堵塞材料，采用常规的人工或者炮泥机制备出与待爆破施工炮孔尺寸匹配的炮泥，直接填塞于孔内，并用捣棒压实。

进一步的，所述步骤(2)中将混合好的材料注入炮孔中方法为：从孔洞的底部开始注入材料，并逐渐向上填充，确保完全填满孔洞并消除空气泡，对于较大的炮孔，需要分次注入材料；每注入一定高度后,使用钢杆或振动棒进行锤击或振动,使材料更加密实,继续注入；反复进行该步骤,直到填充完全；待材料基本充满后,从表面持续轻捣,以压实材料,直至无明显下陷。

进一步的，上述的微膨胀型炮孔堵塞材料的另一种施工方法，包括以下步骤：

(1)取膨润土：45.5份，氧化钙膨胀剂：9.09份，河砂：45.5份，将称量好的膨润土、河砂和氧化钙膨胀剂放入搅拌锅，并搅拌均匀，获得均匀分布的干粉料；

(2)加入28份的水，加入2份聚羧酸高效减水剂，与干粉料充分搅拌，进行流态判断，获得流态大的堵塞材料；进行流态判断的方法为：将搅拌好的浆体材料倒入容器中,观察其流动性；材料应具有良好的流动性,从容器中流出时连续不断,没有明显切断；流动时间测定:使用流动锥测定浆体从流动锥流出的时间；流动时间越短,表示流动性越好；要求流动时间在25-35秒之间；

(3)以上大流态堵塞材料，灌入堵塞材料罐车内并送至施工掌子面；

(4)待隧道内装药台车机械化装药完成后，匹配一定泵送压力将该堵塞材料泵入待堵塞的施工炮孔中，并按照“边装边退孔”顺序依次开展堵塞直至完成。

作为本发明的另一方面，还涉及一种微膨胀型炮孔堵塞材料的膨胀性能测试方法，包括以下步骤：

(1)针对膨胀性测试，取一定量的湿润料，压缩成堵塞圆饼，并放入膨胀量测定仪，测试堵塞材料的膨胀量随时间的变化趋势；

(2)步骤(1)中的压缩成堵塞圆饼步骤，具体地，将润湿的堵塞材料以5KN的力挤压成圆饼状；

(3)针对表观开裂情况观测，另取一定量的湿润料，放入40mm*40mm*160mm的钢模中成型，观察其表观变化；

(4)步骤(3)中的钢模成型，具体地，将待成型的润湿料分两次放入钢模，每次放入后采用振动台振动密实。

相对于现有技术，本发明具有以下效果：

(1)本发明的用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料，该堵塞材料填塞于炮孔后，在炮孔内硬化时间较早，1天内均稳定硬化，后期(4天-9天)均与炮孔内部紧密贴合，边缘处无收缩开裂和微裂纹出现，表现出良好的微膨胀性能；

(2)本发明的用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料，该炮孔堵塞材料制备后的最大膨胀量可达2.06mm，是对比组堵塞材料膨胀量的468.2倍，且实现微膨胀的时间最早，为14.3小时，远早于对比组的24小时；

(3)本发明的用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料，传统的炮孔填塞材料在炮孔内表现出易失水干缩、开裂，粘结力较差且随时间推移，粘结力降低程度较大，爆破时易发生冲孔现象。微膨胀型炮孔堵塞材料，其制备后在一段时间内持续性膨胀，其膨胀量弥补了该材料的收缩性，有效避免了爆破时的冲孔现象；

(4)本发明的用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料，原材料为高岭土和膨润土，获取便利，且成本较低，具备经济、原材料来源丰富、易存储、减少运输成本等显著优势；

(5)本发明的用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料，微膨胀型炮孔填塞材料使用简单，存储条件要求低，配合常规的填塞工艺即可完成，提高了施工效率，完全适应不同的施工要求。

(6)本发明的用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料，通过堵塞材料配合比优化设计与功能组分的匹配掺加，达到堵孔后膨胀性能提升，有效提升炮孔堵塞效果。同时，通过调节堵塞材料内的膨胀剂成分及其掺量，控制其膨胀速率，使堵塞材料的膨胀性能在堵塞后的3天-5天充分发挥，充分补偿了堵塞材料随时间产生的收缩，满足和匹配了拆除爆破和特殊地质环境中钻爆法开挖的单个爆破施工效率。

(7)本发明的用于爆破施工的微膨胀型炮孔堵塞材料，对河砂粒级分布进行了优化设计，确保材料具有良好的填充性能、流动性、固化时间和力学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1-3中的不同炮孔堵塞材料的膨胀性能随时间的变化规律图；

图2是实施例4中的膨-3型堵塞材料在混凝土炮孔中的膨胀表观性随时间的变化规律。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合实施例对本发明提出的堵塞材料之微膨胀性能、炮孔堵塞方法及堵塞后的微膨胀演变情况进行详细说明，本发明的内容不局限于以下实施例(下面实施例各物质份数均按重量份计)。

实施例1：一种微膨胀型炮孔堵塞材料，其微膨胀性能实验一，包括如下步骤：

(1)取高岭土：62.5份，氧化钙膨胀剂：6.25份，河砂：31.25份，将称量好的高岭土、河砂和氧化钙膨胀剂放入搅拌锅，并搅拌均匀，获得均匀分布的干粉料；

(2)加入28份的水，与干粉料充分搅拌，获得湿润的堵塞材料；

(3)针对膨胀性测试，取一定量的湿润料，压缩成堵塞圆饼，并放入精细爆破国家重点实验室的膨胀量测定仪，测试堵塞材料的膨胀量随时间的变化趋势，其结果如图1的高-1实验曲线所示。

实施例2：一种微膨胀型炮孔堵塞材料，其微膨胀性能实验二，包括如下步骤：

(1)取膨润土：62.5份，氧化钙膨胀剂：6.25份，河砂：31.25份，将称量好的膨润土、河砂和氧化钙膨胀剂放入搅拌锅，并搅拌均匀，获得均匀分布的干粉料；

(2)加入28份的水，与干粉料充分搅拌，获得湿润的堵塞材料；

(3)针对膨胀性测试，取一定量的湿润料，压缩成堵塞圆饼，并放入精细爆破国家重点实验室的膨胀量测定仪，测试堵塞材料的膨胀量随时间的变化趋势，其结果如图1的膨-2实验曲线所示。

实施例3：一种微膨胀型炮孔堵塞材料，其微膨胀性能实验三，包括如下步骤：

(1)取膨润土：45.5份，氧化钙膨胀剂：9.09份，河砂：45.5份，将称量好的膨润土、河砂和氧化钙膨胀剂放入搅拌锅，并搅拌均匀，获得均匀分布的干粉料；

(2)加入20份的水，与干粉料充分搅拌，获得湿润的堵塞材料；

(3)针对膨胀性测试，取一定量的湿润料，压缩成堵塞圆饼，并放入精细爆破国家重点实验室的膨胀量测定仪，测试堵塞材料的膨胀量随时间的变化趋势，其结果如图1的膨-3实验曲线所示。

以上实施例的实验结果如图1所示，从微膨胀性能测试结果来看，在2天之内，实施例1-3中的堵塞材料的膨胀性能均随时间出现先增加后稳定的趋势，膨胀效果最佳的是实施例3中的堵塞材料。其中，实施例1中的最大膨胀量为0.44mm，实施例2中的最大膨胀量为1.17mm，是实施例1膨胀量的265.9份，实施例3中的最大膨胀量为2.06mm，是实施例1膨胀量的468.2份。另外，从炮孔堵塞材料膨胀性发展随时间的变化规律来看，实施例3中的堵塞材料，其最大膨胀量对应的时间最早，为14.3小时，实施例2和实施例1最大膨胀量对应的时间为28小时和24小时。从实验结果可以得到，实施例3的堵塞材料中，其微膨胀量最大且实现微膨胀的时间最早，而实施例1的堵塞材料对应的这两种性能指标均为最差，实施例2的堵塞材料的性能次之。

实施例4：一种微膨胀型炮孔堵塞材料，其炮孔堵塞方法及堵塞后的收缩演变情况，包括如下步骤：

(1)取膨润土：45.5份，氧化钙膨胀剂：9.09份，河砂：45.5份，将称量好的膨润土、河砂和氧化钙膨胀剂放入搅拌锅，并搅拌均匀，获得均匀分布的干粉料；

(2)加入20份的水，与干粉料充分搅拌，获得湿润的堵塞材料；

(3)以上堵塞材料，可配合常规堵塞工艺直接放入待爆破施工的炮孔；

以上实施例的实验结果如图2所示，实施例4的堵塞材(亦为膨-3)在混凝土建(构)筑物炮孔中填塞后，其表观微膨胀性随时间的变化规律，炮孔直径为40mm，与常规建(构)筑物爆破拆除的炮孔直径一致。从图中可以看出，膨-3堵塞材料在炮孔内硬化时间较早，1天内均稳定硬化，后期(4天-9天)均与炮孔内部紧密贴合，边缘处无收缩开裂和微裂纹出现，表现出良好的微膨胀性能。

实施例5：一种微膨胀型炮孔堵塞材料，其炮孔堵塞方法及堵塞后的收缩演变情况，包括如下步骤：

(1)取膨润土：45.5份，氧化钙膨胀剂：9.09份，河砂：45.5份，碳纤维2份；将称量好的膨润土、河砂和氧化钙膨胀剂、碳纤维放入搅拌锅，并搅拌均匀，获得均匀分布的干粉料；

(2)加入20份的水，与干粉料充分搅拌，获得湿润的堵塞材料；

(3)以上堵塞材料，可配合常规堵塞工艺直接放入待爆破施工的炮孔；

实施例6：一种微膨胀型炮孔堵塞材料与施工方法，其在我国西南地区深埋高海拔隧道钻爆法开挖中的炮孔堵塞施工工艺包括如下步骤：

(1)取膨润土：45.5份，氧化钙膨胀剂：9.09份，河砂：45.5份，将称量好的膨润土、河砂和氧化钙膨胀剂放入搅拌锅，并搅拌均匀，获得均匀分布的干粉料；

(2)加入28份的水，加入2份聚羧酸高效减水剂，与干粉料充分搅拌，获得流态较大的堵塞材料；

(3)以上大流态堵塞材料，灌入堵塞材料罐车内并送至施工掌子面；

(4)待隧道内装药台车机械化装药完成后，匹配一定泵送压力将该堵塞材料泵入待堵塞的施工炮孔中，并按照“边装边退孔”顺序依次开展堵塞直至完成。

另外，在选择河砂作为微膨胀型炮孔堵塞材料的组成部分时，需要考虑其粒级分布，以确保材料具有良好的填充性能、流动性、固化时间和力学性能。根据具体的工程要求和条件，可以对河砂的粒级进行适当的筛选和调整。

较粗的河砂颗粒可以提供更好的填充效果，因为它们能够填充炮孔中的空隙并形成紧密的堵塞材料。因此，在粒级分布方案中应考虑包含一定比例的粗颗粒河砂，以提高堵塞效果。

较细的河砂颗粒可以提高材料的流动性，有助于材料在施工过程中均匀流动并填充炮孔。因此，粒级分布方案中应包含适量的细颗粒河砂，以提高流动性。

较细的河砂颗粒可以增加材料的表面积，促进固化剂的反应速度，从而缩短固化时间。因此，如果工程对固化时间有较高的要求，可以增加细颗粒河砂的比例。

较粗的河砂颗粒可以增强材料的力学强度和稳定性，有助于承受更大的力和应力。因此，在粒级分布方案中应包含适量的粗颗粒河砂，以提高材料的强度和稳定性。

基于以上考虑，以下是一个优选的河砂粒级分布方案：

粗颗粒河砂(大颗粒)：占河砂总重量的30％；

中等颗粒河砂：占河砂总重量的40％；

细颗粒河砂：占河砂总重量的30％；

该方案下，炮孔堵塞材料的填充性能、流动性、固化时间和力学性能均较优。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。