(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081)

在工程爆破中，炮孔封堵發(fā)揮著重要作用，其能保證炮孔內(nèi)炸藥充分反應(yīng)，延長(zhǎng)爆生氣體作用時(shí)間，降低單位體積巖石炸藥的消耗量，從而有效提高爆破施工質(zhì)量和效率[1]。目前一些隧道掘進(jìn)爆破仍采用不堵塞爆破，靠增加炸藥量來(lái)代替堵塞材料，這不僅影響爆破效果、增加爆破成本，而且爆破有害效應(yīng)嚴(yán)重[2]。我國(guó)《爆破安全規(guī)程》以及鐵路、公路、水利水電等領(lǐng)域鉆爆施工技術(shù)規(guī)范均明確要求炮孔均應(yīng)進(jìn)行良好填塞[3]。炮孔封堵物質(zhì)種類繁多，如沙子、巖石粉、粘土、速干水泥等[4]，但均存在不足之處，如不便獲取、操作繁瑣、勞動(dòng)量大、成本高等，直接影響到爆破填塞實(shí)施情況。炮孔填塞物在炮孔中的運(yùn)動(dòng)可分為兩個(gè)過(guò)程：沖擊波壓縮填塞物過(guò)程；填塞物受爆生氣體作用向外移動(dòng)過(guò)程[5]。爆生氣體泄出必須克服填塞物的慣性阻力以及與炮孔巖壁之間的黏結(jié)力和摩擦阻力，故炮孔填塞效果與填塞材料的物理力學(xué)性質(zhì)如填塞材料的密度、強(qiáng)度、彈塑性、摩擦阻力或黏結(jié)力等有很大關(guān)系。從安全角度考慮，填塞材料應(yīng)具備無(wú)毒、阻燃、不影響火工品穩(wěn)定性和準(zhǔn)爆性的特性；從應(yīng)用角度考慮，填塞材料需具備易獲取，操作簡(jiǎn)便快捷的特點(diǎn)。

聚氨酯泡沫是一種重要的高分子材料，具有比強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)、緩沖吸能、制備方便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[6]，是較為理想的炮孔填塞材料。聚氨酯材料分為單組份和雙組份兩種。傳統(tǒng)單組份聚氨酯材料噴出后，與環(huán)境中的水反應(yīng)緩慢，反應(yīng)放熱少，溫升比較低，一般表干需4～5 h，完全固化需24 h以上，強(qiáng)度上升緩慢，無(wú)法滿足炮孔填塞的需要。雙組分聚氨酯材料可實(shí)現(xiàn)快速表干和固化，完全固化只需20～30 min，但反應(yīng)溫度過(guò)高，材料中心溫度達(dá)100℃以上。文獻(xiàn)[7]采用雙組份聚氨酯材料測(cè)試了聚氨酯封孔材料的放熱性，受用量、環(huán)境溫度等的影響，反應(yīng)過(guò)程中溫度達(dá)112℃，采用其炮孔填塞存在一定的危險(xiǎn)性。雙組份材料快速固化伴隨著劇烈的反應(yīng)放熱，降低雙組分聚氨酯材料在快速固化過(guò)程中的放熱就目前的技術(shù)還很難實(shí)現(xiàn)。鑒于此，筆者采用添加微膠囊包覆催化劑的方法，研制單組分聚氨酯炮孔填塞材料，且對(duì)其特性進(jìn)行分析，以期加快單組份聚氨酯材料的固化速度，縮短其固化時(shí)間，使其滿足炮孔填塞的需求。

1 單組分聚氨酯炮孔填塞材料的研制

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

制備單組份聚氨酯材料的主要原料為聚酯多元醇、聚醚多元醇、發(fā)泡劑、泡沫穩(wěn)定劑、阻燃劑和多異氰酸酯，參考文獻(xiàn)[8-9]，各組分基礎(chǔ)配比如表1。常規(guī)的單組份聚氨酯材料固化時(shí)間長(zhǎng)，要想加快其反應(yīng)速度，需在材料中添加催化劑，選用的催化劑為N,N-二甲基環(huán)己胺(PC8)，但直接加入催化劑，材料會(huì)在存放的罐體內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，以致材料提前失效，縮短材料的保質(zhì)期，故本研究提出微膠囊包覆催化劑方案。由于微膠囊膜的存在，材料在存放的過(guò)程中多元醇與異氰酸酯不反應(yīng)，儲(chǔ)存穩(wěn)定；使用過(guò)程中，材料被快速噴出，催化劑因表面微膠囊膜受剪切破壞而被釋放，可加快材料的固化速度。

1.2 材料的制備

主要原料配比保持不變，通過(guò)改變微膠囊包覆催化劑的添加量試制單組份聚氨酯材料，催化劑及主要原料配比如表1。首先將聚氨酯反應(yīng)用的催化劑用膜材料進(jìn)行微膠囊包覆，再加入聚酯多元醇、聚醚多元醇、泡沫穩(wěn)定劑和阻燃劑；然后將其均勻混合，制得組合多元醇；按表1所示配方將組合多元醇、多異氰酸酯依次加入氣霧罐中，壓上閥門(mén)，再將發(fā)泡劑充入氣霧罐中，得到單組份聚氨酯材料，搖動(dòng)混合1 min，放置24 h后測(cè)試產(chǎn)品性能。

表1 單組份聚氨酯材料的配方，gTab.1 Formulation of one component polyurethane，g

1.3 材料性能測(cè)試方法

1)最高反應(yīng)溫度

采用JM222便攜式數(shù)字測(cè)溫儀測(cè)試研制材料的最高反應(yīng)溫度，將探針插入材料內(nèi)部，記錄反應(yīng)過(guò)程中的最高溫度。

2)30 min抗剪強(qiáng)度

在尺寸為150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件中心鉆取尺寸為Φ50 mm×150 mm孔洞，模擬炮孔，在孔洞內(nèi)注入單組分聚氨酯材料，30 min后將多余的單組分聚氨酯材料切除，用尺寸為Φ50 mm×150 mm的圓柱體頂推單組分聚氨酯材料，借助MTS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試推出力，如圖1所示。

圖1 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.1 Shear strength test

按式(1)計(jì)算30 min抗剪強(qiáng)度。

式中：σ為抗剪強(qiáng)度，MPa；F為推出最大力，N；S為剪切面積，mm2。

3)30 min抗壓強(qiáng)度

將30 min抗剪試驗(yàn)推出的單組分聚氨酯試樣，裁成尺寸為Φ50 mm×50 mm的圓柱體試樣，用MTS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按照《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測(cè)定》GB/T 8813—2008測(cè)試材料的抗壓強(qiáng)度，加載速率為5 mm/min。

4)體積膨脹倍率

單組分聚氨酯漿液的理論密度為1 050 kg/m3，體積膨脹倍率采用理論密度除以單組分聚氨酯材料的密度表示。

5)氧指數(shù)

采用《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為第2部分室溫試驗(yàn)》GB/T 2406.2—2009測(cè)試材料的氧指數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 催化劑加入量對(duì)表干、固化時(shí)間的影響

圖2，3分別為催化劑加入量對(duì)單組分聚氨酯材料表干和固化時(shí)間的影響。從圖2，3可知，微膠囊包覆催化劑加入量對(duì)材料的表干和固化時(shí)間影響較大，隨著催化劑含量的增加，固化和表干時(shí)間相應(yīng)縮短。當(dāng)催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.64%時(shí)，表干和固化時(shí)間均大幅降低，表干時(shí)間為250 s，固化時(shí)間為24 min，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.43%的相比，表干時(shí)間降低了56.1%，固化時(shí)間降低了22.5%；而后隨著催化劑含量的增加，表干和固化時(shí)間繼續(xù)降低，但降幅明顯減小，說(shuō)明催化劑含量增加到一定比例后，催化作用有限。綜上分析表明：采用微膠囊包覆催化劑的方法，縮短了材料的表干和固化時(shí)間，4種配方材料的表干時(shí)間為180～570 s，固化時(shí)間為21～31 min，均可滿足正常爆破的施工工藝要求。

圖2 表干時(shí)間隨著催化劑用量的變化情況Fig.2 Relationship between catalyst content and surface drying time

圖3 固化時(shí)間隨著催化劑用量的變化情況Fig.3 Relationship between catalyst content and curing time

2.2 催化劑加入量對(duì)反應(yīng)溫度的影響

材料的反應(yīng)溫度是衡量炮孔填塞材料的重要指標(biāo)，溫度過(guò)高會(huì)對(duì)火工器材的性能產(chǎn)生影響，甚至出現(xiàn)安全質(zhì)量事故。圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同催化劑含量配方合成的單組分聚氨酯材料的最高反應(yīng)溫度曲線。從圖4可以看出：催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.52%時(shí)，其對(duì)反應(yīng)溫度影響不大，最高反應(yīng)溫度為19℃；當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.52%時(shí)，隨著催化劑含量的增加，最高反應(yīng)溫度也加速升高；催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.64%時(shí)，最高反應(yīng)溫度為20℃；催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.86%時(shí)，最高反應(yīng)溫度升高到23℃。4種催化劑配方研制的單組分聚氨酯材料，最高反應(yīng)溫度在19～23℃，均可確保其與炸藥、雷管接觸的安全性，根據(jù)《塑料導(dǎo)爆管》(WJ/T 2019—2004)[10]，該溫度在導(dǎo)爆管最佳傳爆溫度范圍之內(nèi)。

2.3 催化劑加入量對(duì)強(qiáng)度的影響

圖5為單組分聚氨酯材料30 min抗壓、抗剪強(qiáng)度與催化劑加入量的關(guān)系。由圖5可看出：催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.43%～0.86%時(shí)，材料30 min時(shí)的抗剪強(qiáng)度為0.14～0.16 MPa，30 min時(shí)的抗壓強(qiáng)度為0.20～0.23 MPa，材料的抗壓強(qiáng)度高于抗剪強(qiáng)度；隨著催化劑加入量增加，材料抗壓、抗剪強(qiáng)度逐漸增大，說(shuō)明隨著催化劑含量的增加，反應(yīng)加快，材料強(qiáng)度上升也隨之加快；但當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.64%，隨著添加量的增加，30 min抗剪強(qiáng)度變化不大，30 min抗壓強(qiáng)度增加幅度降低。常規(guī)炮泥的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度0.09 MPa，對(duì)比可看出研制的單組分聚氨酯材料的黏結(jié)力明顯優(yōu)于常規(guī)填塞材料。

圖5 材料強(qiáng)度隨催化劑用量的變化情況Fig.5 Relationshipbetweencatalystcontentand materialstrength

2.4 催化劑加入量對(duì)其他性能的影響

表2為4種不同催化劑含量下單組分聚氨酯材料的體積膨脹率和氧指數(shù)。由表2可看出，體積膨脹率均為30倍，氧指數(shù)均為26%，催化劑的加入量對(duì)材料的體積膨脹率和氧指數(shù)無(wú)影響。30倍的體積膨脹率可確保材料充滿炮孔填塞段，對(duì)無(wú)規(guī)則炮孔也能實(shí)現(xiàn)有效封堵，提高填充度。氧指數(shù)26%的材料為阻燃材料，故制備的單組分聚氨酯材料符合炮孔填塞用安全要求。

表2 4種配方聚氨酯材料的其他性能Tab.2 Other properties of 4 formulations of polyurethane materials

2.5 最佳配方的確定

分析檢測(cè)表明，研制的單組分聚氨酯材料具有單組份快速固化、受環(huán)境濕度影響小、溫升低、高阻燃性、高膨脹率、高黏結(jié)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。催化劑的加入量對(duì)材料的性能有改善作用，但改善至一定程度后隨著加入量的增加，改善效果逐漸減弱，從性能和經(jīng)濟(jì)上綜合對(duì)比，微膠囊包覆催化劑添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.64%更具優(yōu)勢(shì)。因此選定配方3作為單組分聚氨酯材料制備的最優(yōu)配方，且用以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3 單組份聚氨酯炮孔封堵作用機(jī)理分析

在鉆孔爆破中，如果孔口不填塞，高壓爆生氣體將迅速?zèng)_出炮孔，經(jīng)過(guò)時(shí)間t0后，爆生氣體的壓力p將降到臨界壓力p0以下，如圖6(a)；填塞爆破時(shí)，爆生氣體對(duì)巖石的總作用時(shí)間t=t1+t2+t3，t1為炮泥開(kāi)始移動(dòng)前所需的時(shí)間，t2為炮泥移出炮孔所需的時(shí)間，t3為炮泥沖出炮孔后爆生氣體有效作用時(shí)間，如圖6(b)。理論上，t遠(yuǎn)大于無(wú)填塞時(shí)爆生氣體對(duì)巖石的作用時(shí)間t0，因此填塞對(duì)于爆破破巖很有利[11]。在爆生氣體作用下，由于波的作用在爆生氣體作用之前炮泥開(kāi)始前移，因此t1與應(yīng)力波在炮泥中的傳播速度有關(guān)，傳播速度越低，應(yīng)力波由炮孔里端傳到外端孔口處的時(shí)間越長(zhǎng)，在該時(shí)間段內(nèi)受應(yīng)力波作用，炮孔徑向的巖石破碎圈越大；t2和炮泥與孔壁的摩擦阻力有關(guān)，摩擦阻力越大，t2越長(zhǎng)；t3為炮泥沖出炮孔后爆生氣體的有效作用時(shí)間，即壓力降低到使巖石無(wú)法破碎的臨界值時(shí)間，該時(shí)間與填塞材料或填塞與否無(wú)關(guān)。

聚氨酯為泡沫材料，在沖擊波作用下，硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料在壓縮強(qiáng)化前，有較長(zhǎng)的應(yīng)力應(yīng)變屈服平臺(tái)和二次強(qiáng)化區(qū)，具很好的吸能特性。同時(shí)，被沖擊壓縮到與其相應(yīng)的密實(shí)材料具同一終態(tài)比容或壓力時(shí)，聚氨酯所需的沖擊壓力和能量要高，其具有更大的抗變形破壞能力[12]。所以，在采用聚氨酯材料填塞炮孔時(shí)，爆生氣體對(duì)巖石的總作用時(shí)間t可分為4部分，除t1、t2、t3外，爆生氣體作用在填塞材料后，還有一個(gè)泡沫材料壓縮變形的過(guò)程，當(dāng)泡沫材料被壓縮至一定密度才開(kāi)始向外移動(dòng)，該壓縮過(guò)程所需時(shí)間為tYS，即t=t1+tYS+t2+t3，如圖6(c)。由于聚氨酯材料密度遠(yuǎn)小于炮泥，應(yīng)力波在聚氨酯填塞材料中的傳播速度遠(yuǎn)小于炮泥中的傳播速度，因此聚氨酯填塞情況下的t1大于炮泥填塞的t1；由于聚氨酯填塞材料的黏結(jié)力是炮泥的2～3倍，聚氨酯填塞材料被推出炮孔的阻力要大于炮泥的摩擦阻力，因此聚氨酯材料填塞情況下的t2也要大于炮泥填塞時(shí)的t2。綜合分析認(rèn)為，采用聚氨酯泡沫材料填塞材料時(shí)，爆生氣體作用于巖石的時(shí)間比常規(guī)炮泥要長(zhǎng)很多，從巖石破碎所需時(shí)間看，t2還未結(jié)束，即填塞體還未被推出，巖石已被完全破碎拋出。因此，從炮孔填塞作用機(jī)理上看，采用聚氨酯炮孔填塞材料對(duì)提高破巖效果更具優(yōu)勢(shì)。

圖6 不同填塞情況下壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of pressure versus time under different stemming conditions

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

將研制的單組份聚氨酯材料(配方3)在某隧道工程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，全斷面炮孔填塞試驗(yàn)情況如圖7。試驗(yàn)過(guò)程中，操作人員只需單手按壓噴槍，按照導(dǎo)管長(zhǎng)度向炮孔內(nèi)填充聚氨酯發(fā)泡材料，填充操作簡(jiǎn)捷，每孔填塞時(shí)間3～5 s，與傳統(tǒng)的炮泥填塞相比，因堵孔增加的工作量可基本忽略,效率提高90%以上。由于隧道環(huán)境潮濕，溫度略高于外界，材料完全固化時(shí)間在24～28 min，在完成臺(tái)車撤離、網(wǎng)路連接、人員撤離和警戒這段時(shí)間內(nèi)，所有填塞材料完全固結(jié)，達(dá)到有效封堵。材料膨脹率較高，750 mL的材料可填塞35～40個(gè)炮孔，綜合成本相對(duì)較低；對(duì)不同形狀的炮孔都可實(shí)現(xiàn)充實(shí)、填塞，且能保證設(shè)計(jì)要求的填塞長(zhǎng)度。填塞材料具有高反光性，在燈光的反射下，炮孔位置和填塞孔數(shù)一目了然，便于掌握填塞情況。爆后，在爆堆中收集到的聚氨酯填塞體如圖8。圖8表明：在巖石破碎時(shí)，填塞體未被高壓氣體沖出炮孔或發(fā)生剪切破壞，填塞有效；此外填塞體的形狀與填塞段炮孔形狀一致，完全耦合，填塞效果良好；填塞體與炸藥接觸端無(wú)燃燒發(fā)黑情況，說(shuō)明材料在高溫高壓氣體作用下具有良好的阻燃性。

圖7 全斷面炮孔填塞試驗(yàn)Fig.7 Full section blasting hole stemming test

圖8 聚氨酯填塞固化體Fig.8 Polyurethane cured body of stemming

5 結(jié) 論

采用微膠囊包覆催化劑的方法研制單組份聚氨酯炮孔填塞材料，分析催化劑用量對(duì)研制材料力學(xué)性能的影響，且對(duì)研制的炮孔填塞材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得如下主要結(jié)論。

1)采用微膠囊包覆催化劑的方法制備的單組份聚氨酯材料，其固化時(shí)間縮短在30 min以內(nèi)，可滿足正常爆破施工工序流程要求。

2)在主要原料配比不變的情況下，隨著微膠囊包覆催化劑含量的增加，表干、固化時(shí)間，30 min時(shí)抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度4個(gè)性能指標(biāo)逐漸改善，但材料體積膨脹率和氧指數(shù)不受催化劑含量的影響。微膠囊包覆催化劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.64%，此時(shí)材料表干時(shí)間為250 s，固化時(shí)間為24 min，抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別為0.22，0.16 MPa，最高反應(yīng)溫度為20℃，體積膨脹率為30倍，氧指數(shù)為26%。

3)與常規(guī)填塞材料炮泥相比，該材料具有緩沖吸能、黏結(jié)強(qiáng)度高等特性，從填塞機(jī)理上看能更好地延長(zhǎng)爆生氣體的作用時(shí)間，是炮孔填塞的理想材料。

4)每孔填塞材料用時(shí)3～5 s，750 mL材料可填塞35～40個(gè)炮孔，操作簡(jiǎn)便，相對(duì)成本較低；填塞材料具有高反光性，在燈光的反射下，炮孔位置和填塞孔數(shù)一目了然，便于掌握填塞情況。