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嘉澤靜態(tài)破碎劑的作用原理

嘉澤靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生膨脹力的作用過(guò)程是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此，研究嘉澤靜態(tài)破碎劑首先要從研究其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程入手。運(yùn)用熱力學(xué)方法對(duì)其主要反應(yīng)進(jìn)行研究，可以得出反應(yīng)進(jìn)行的方向及其反應(yīng)平衡常數(shù)；嘉澤靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的產(chǎn)生是由于其反應(yīng)后體積增大所引起的。研究反應(yīng)過(guò)程的物質(zhì)轉(zhuǎn)移及反應(yīng)前后體積的變化，可以得到嘉澤靜態(tài)破碎劑的膨脹機(jī)理及其產(chǎn)生體積膨脹的條件，進(jìn)一步指導(dǎo)嘉澤靜態(tài)破碎劑膨脹壓力提高的研究。另外，嘉澤靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)放熱過(guò)程，反應(yīng)一旦開始，熱量將不斷增加。當(dāng)熱量的散失小于所產(chǎn)生的熱量時(shí)，反應(yīng)溫度將升高，反應(yīng)速度不斷加快，將有可能導(dǎo)致沖孔現(xiàn)象的發(fā)生。而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溫度逐漸下降，但膨脹壓力仍持續(xù)增長(zhǎng)，而且嘉澤靜態(tài)破碎劑受環(huán)境溫度影響非常大，在冬季寒冷季節(jié)反應(yīng)緩慢，有時(shí)會(huì)失去作用；而在夏季高溫時(shí)又易產(chǎn)生沖孔。因此，研究其反應(yīng)放熱，對(duì)提高嘉澤靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)速度及防止沖孔現(xiàn)象的發(fā)生具有重要意義。

1 嘉澤靜態(tài)破碎劑的基本化學(xué)反應(yīng)式

　　目前，嘉澤靜態(tài)破碎劑的主要成分都是氧化鈣。氧化鈣和水反應(yīng)生成氫氧化鈣，在放出熱量的同時(shí)，其體積增大。嘉澤靜態(tài)破碎劑正是利用這種化學(xué)反應(yīng)和氫氧化鈣結(jié)晶發(fā)育時(shí)所產(chǎn)生的膨脹壓力來(lái)破壞巖石和混凝土等脆性材料。其基本的化學(xué)反應(yīng)式如下：

CaO 十 H 2 O → Ca(OH) 2 +64.8kJ

從式中可以看出，這是一個(gè)放熱反應(yīng)。

2 反應(yīng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移

　　氧化鈣和水混合后，立即發(fā)生兩類物質(zhì)的轉(zhuǎn)移過(guò)程： 1) 水分子進(jìn)入 CaO 粒子內(nèi)部，并與之發(fā)生水化反應(yīng)； 2) 水化反應(yīng)產(chǎn)物向原來(lái)充水空間轉(zhuǎn)移。如果前者與后者相適應(yīng)，即水化速度和水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移速度相等時(shí)， CaO — 水系統(tǒng)的體積不會(huì)發(fā)生膨脹，但是，由于 CaO 的結(jié)構(gòu)特性，即內(nèi)比表面積大，水化速度很快，水化速度大于水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移速度，這時(shí)，由于 CaO 粒子周圍的反應(yīng)產(chǎn)物還沒有轉(zhuǎn)移走，而里面的反應(yīng)又大量的產(chǎn)生了，這些新的反應(yīng)物將沖破原來(lái)的反應(yīng)層，使粒子產(chǎn)生機(jī)械跳躍，因而發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力，將約束介質(zhì)破壞。在沒有約束條件下，氧化鈣將散裂成粉末。

3 反應(yīng)前后體積的變化

　　嘉澤靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的產(chǎn)生是由于其反應(yīng)后體積增大所引起的。 CaO 和水反應(yīng)時(shí)，生成 Ca(OH) 2 的固相體積在一定的條件下要比 CaO 的固相體積增大 97.92% 。固相體積增大，固相體積空隙體積增量之和超過(guò) CaO 水系統(tǒng)的空間，從而引起 CaO 體積的增大，膨脹壓力增大。生石灰的水化反應(yīng)在沒有約束的自由膨脹狀態(tài)下，其體積將增大 2 倍～ 3 倍。在有約束的條件下，其膨脹體積變小。當(dāng)約束力非常大時(shí)，其體積沒有變化，即不產(chǎn)生膨脹，這就是在實(shí)際應(yīng)用常出現(xiàn)的嘉澤靜態(tài)破碎劑裝入炮孔后失去作用的情況。出現(xiàn)這種情況的原因有：首先從反應(yīng)物和生成物的摩爾體積變化來(lái)討論。嘉澤靜態(tài)破碎劑主要是利用生石灰的水化反應(yīng)，但從其標(biāo)準(zhǔn)狀況的體積和生成物的摩爾體積進(jìn)行比較可以看出，并不是在所有的情況下，都會(huì)產(chǎn)生體積膨脹。下面具體討論什么情況發(fā)生體積膨脹。

下列反應(yīng)式給出了反應(yīng)物生成物的摩爾體積和比重等數(shù)據(jù)。

CaO+H 2 O→Ca(OH) 2 +64.8kj

摩爾體積： 419.09999999999997px 3 ， 451.72499999999997px 3 ， 826.4px 3 ;

比重： 3.2g /cm 3 ～ 3.4g /cm 3 ， 1.0g / ㎝ 3 ， 2.1g /cm 3 ～ 2.3g /cm 3

　　從上面所列數(shù)據(jù)來(lái)看，生成物的摩爾體積為 826.625px 3 ，而反應(yīng)物的摩爾體積為 16.764+18.069= 870.8249999999999px 3 ，反應(yīng)之后體積應(yīng)該變小，而不是增大。這好像與實(shí)際情況相矛盾。這是由于摩爾體積為分子最緊密堆積時(shí)的體積，而在嘉澤靜態(tài)破碎劑中實(shí)際應(yīng)用的是其表觀體積，也就是說(shuō)在一般情況下，嘉澤靜態(tài)破碎劑中生石灰的水化反應(yīng)的生成物很難達(dá)到分子狀態(tài)的最緊密堆積，因?yàn)樵谌彼疇顟B(tài)下，生成的氫氧化鈣比表面積非常大，不是最緊密堆積狀態(tài)，因此，就表現(xiàn)出體積膨脹。相反，在大量水存在時(shí)，如在水溶液中，氧化鈣與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，其體積變小，而不產(chǎn)生膨脹力。一般缺水情況下 ( 干態(tài)，不是在水溶液中 ) ，是用容重來(lái)衡量氧化鈣和氫氧化鈣，而不是用比重。生石灰是由碳酸鈣煅燒而成，由于 CO 2 的逸出，產(chǎn)生了許多微孔，氧化鈣保持了碳酸鈣的假象，其容重略大于 1 ，與其 3.2 g ／ cm 3 ～ 3.4g ／ cm 3 的比重相差甚遠(yuǎn)。氫氧化鈣在干粉狀態(tài)下，容重也很小，僅為 1 左右。這樣生石灰的水化反應(yīng)中 ( 缺水狀態(tài) ) 就表現(xiàn)出體積增大的現(xiàn)象。

　　 當(dāng)外界約束力非常大時(shí)，迫使生成的氫氧化鈣的容重接近其比重，所產(chǎn)生的體積也就越來(lái)越小，甚至不產(chǎn)生膨脹。

4 反應(yīng)放熱

　　當(dāng)溫度小于 100 ℃ 時(shí) , 溫度升高放出的熱量增加 ; 當(dāng)溫度超過(guò) 100 ℃ 時(shí)，氧化鈣與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)放出更多的熱量；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，放出的熱量逐漸減小。由此可看出，反應(yīng)一旦開始，熱量將不斷增加；當(dāng)熱量的散失小于所產(chǎn)生的熱量時(shí)，反應(yīng)溫度將升高，反應(yīng)速度不斷加快，將有可能導(dǎo)致沖孔現(xiàn)象的發(fā)生。從表 1 中也可以看出，嘉澤靜態(tài)破碎劑受環(huán)境溫度的影響非常大，在冬天寒冷季節(jié)反應(yīng)緩慢，有時(shí)甚至?xí)プ饔?；而在夏季高溫時(shí)又易產(chǎn)生沖孔。

5 結(jié)語(yǔ)

　　 通過(guò)以上運(yùn)用熱力學(xué)方法對(duì)嘉澤靜態(tài)破碎劑主要反應(yīng)的簡(jiǎn)單分析，可以得出下面的結(jié)論： 1) 如果要增加膨脹壓力，就需要提高氫氧化鈣的容重，同時(shí)減少水灰比，使嘉澤靜態(tài)破碎劑處于缺水狀態(tài)； 2) 如果要提高反應(yīng)速度，就需要增加反應(yīng)物的活性或提高反應(yīng)溫度； 3) 為防止沖孔現(xiàn)象的發(fā)生，就需要添加能強(qiáng)烈吸收水蒸氣又能在以后的反應(yīng)中將水釋放出來(lái)的物質(zhì)。以上 3 條結(jié)論，就是我們?cè)O(shè)計(jì)嘉澤靜態(tài)破碎劑研制方案時(shí)遵循的原則。

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