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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)生膨脹力的作用過程是一個化學反應過程，因此，研究嘉澤靜態(tài)破碎劑首先要從研究其化學反應過程入手。運用熱力學方法對其主要反應進行研究，可以得出反應進行的方向及其反應平衡常數(shù)；嘉澤靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的產(chǎn)生是由于其反應后體積增大所引起的。研究反應過程的物質(zhì)轉(zhuǎn)移及反應前后體積的變化，可以得到嘉澤靜態(tài)破碎劑的膨脹機理及其產(chǎn)生體積膨脹的條件，進一步指導嘉澤靜態(tài)破碎劑膨脹壓力提高的研究。另外，嘉澤靜態(tài)破碎劑的反應過程是一個放熱過程，反應一旦開始，熱量將不斷增加。當熱量的散失小于所產(chǎn)生的熱量時，反應溫度將升高，反應速度不斷加快，將有可能導致沖孔現(xiàn)象的發(fā)生。而隨著反應的進行，溫度逐漸下降，但膨脹壓力仍持續(xù)增長，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)反應緩慢，有時會失去作用；而在夏季高溫時又易產(chǎn)生沖孔。因此，研究其反應放熱，對提高嘉澤靜態(tài)破碎劑的反應速度及防止沖孔現(xiàn)象的發(fā)生具有重要意義。

1  嘉澤靜態(tài)破碎劑的基本化學反應式

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

CaO  十  H  2  O  →  Ca(OH)  2  +64.8kJ

從式中可以看出，這是一個放熱反應。

2  反應的物質(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)移過程：  1)  水分子進入  CaO  粒子內(nèi)部，并與之發(fā)生水化反應；  2)  水化反應產(chǎn)物向原來充水空間轉(zhuǎn)移。如果前者與后者相適應，即水化速度和水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移速度相等時，  CaO  —  水系統(tǒng)的體積不會發(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，由于  CaO  粒子周圍的反應產(chǎn)物還沒有轉(zhuǎn)移走，而里面的反應又大量的產(chǎn)生了，這些新的反應物將沖破原來的反應層，使粒子產(chǎn)生機械跳躍，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。

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3  反應前后體積的變化

　　嘉澤靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的產(chǎn)生是由于其反應后體積增大所引起的。  CaO  和水反應時，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  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。當約束力非常大時，其體積沒有變化，即不產(chǎn)生膨脹，這就是在實際應用常出現(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：首先從反應物和生成物的摩爾體積變化來討論。嘉澤靜態(tài)破碎劑主要是利用生石灰的水化反應，但從其標準狀況的體積和生成物的摩爾體積進行比較可以看出，并不是在所有的情況下，都會產(chǎn)生體積膨脹。下面具體討論什么情況發(fā)生體積膨脹。

下列反應式給出了反應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：  16.764cm  3  ，  18.069cm  3  ，  33.056cm  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)來看，生成物的摩爾體積為  33.065cm  3  ，而反應物的摩爾體積為  16.764+18.069=  34.833cm  3  ，反應之后體積應該變小，而不是增大。這好像與實際情況相矛盾。這是由于摩爾體積為分子最緊密堆積時的體積，而在嘉澤靜態(tài)破碎劑中實際應用的是其表觀體積，也就是說在一般情況下，嘉澤靜態(tài)破碎劑中生石灰的水化反應的生成物很難達到分子狀態(tài)的最緊密堆積，因為在缺水狀態(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，如在水溶液中，氧化鈣與水反應生成氫氧化鈣，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。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中  (  缺水狀態(tài)  )  就表現(xiàn)出體積增大的現(xiàn)象。

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

4  反應放熱

　　當溫度小于  100  ℃  時  ，  溫度升高放出的熱量增加    當溫度超過  100  ℃  時，氧化鈣與水蒸氣發(fā)生反應放出更多的熱量；當溫度進一步升高時，放出的熱量逐漸減小。由此可看出，反應一旦開始，熱量將不斷增加；當熱量的散失小于所產(chǎn)生的熱量時，反應溫度將升高，反應速度不斷加快，將有可能導致沖孔現(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)反應緩慢，有時甚至會失去作用；而在夏季高溫時又易產(chǎn)生沖孔。

5  結(jié)語

　　  通過以上運用熱力學方法對嘉澤靜態(tài)破碎劑主要反應的簡單分析，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)  如果要提高反應速度，就需要增加反應物的活性或提高反應溫度；  3)  為防止沖孔現(xiàn)象的發(fā)生，就需要添加能強烈吸收水蒸氣又能在以后的反應中將水釋放出來的物質(zhì)。以上  3  條結(jié)論，就是我們設(shè)計嘉澤靜態(tài)破碎劑研制方案時遵循的原則。

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