本发明涉及高压气体爆破技术领域，具体涉及一种配制、使用以及运输安全的本安型二氧化碳气化剂及其制备方法。
背景技术：
我国幅员辽阔，但山区面积占比为69.1％，在山区建设的工程大部分涉及基岩开挖。即使在东部平原地区，深圳、福州、厦门、温州、青岛、大连等发达大城市以及为数众多的中小城市，基岩的埋深也很浅，基岩开挖也是常有的现象。其中：炸药爆破是基岩开挖的传统方法，但它烈性太大，在建(构)物的周边进行施工受到极大的限制。首先是对振动加速度、沉降变形、横向位移、地基承载力、飞石溅土等安全性指标的控制较为困难，不容易满足施工规范要求；其次是噪声太大，环境干扰严重，社会反响强烈；再次是由于其破坏性大，安全管控非常严格，审批条件苛刻，审批流程麻烦。因此，在周边存在建(构)物的工况下，炸药爆破方案已基本被排除。
二氧化碳爆破是一种无炸药高压气体爆破法，其爆破原理为：固态或液态的二氧化碳相变为气体时，体积急剧膨胀，产生巨大的膨胀压力，具有很强的破坏性。二氧化碳气动破岩技术就是利用这种能量破碎基岩，实现基岩开挖的目标。与传统炸药爆破的方式相比，二氧化碳相变属于物理过程，它的能量等级比烈性炸药低一个数量级，因此具有振动小，噪声低的特点，对周边环境的影响小，非常适合在建(构)筑物周边进行基岩开挖施工。
但是，如何让二氧化碳瞬时气化是该技术的关键。目前，主要通过电加热和化学反应两种方式实现二氧化碳的迅速膨胀爆破。其中，电加热因设备复杂、使用条件受限、效率不高而被淘汰；化学反应主要是通过化学发热材料之间的相互反应，继而释放大量的热量实现液态或固态二氧化碳的瞬间气化，这种气化具有反应速度快、释放热量高的特点，目前采用的最多。但是，当前使用的化学发热材料普遍含有高氯酸铵、高氯酸钾、高锰酸钾等(氧化剂)和草酸铵、水杨酸或其它有机酸等成分，这些化学组份属于典型的烟火药特征配方，在配制、运输和使用过程中具有较大的安全风险和明显的局限性，因此制约了该技术的推广应用。
技术实现要素：
为了解决现有二氧化碳瞬间气化所用的化学发热材料中大部分均含有氧化剂、有机酸等性质比较活泼的化学物质，继而导致气化剂在配制、运输以及使用方面存在难度大、安全性差的问题，本发明提供了一种配方组份中无有机酸等活泼组份，但是同样可以实现固体二氧化碳瞬间膨胀爆破的本安型二氧化碳气化剂及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种本安型二氧化碳气化剂，包括固体燃料、钝化剂、催化剂以及固化剂；其中，所述固体燃料由硼粉、金属铍粉、金属铝粉和金属镁粉按比例混合制成；所述钝化剂选自氧化钙、二氧化硅、碳酸钙或氯化钙中的任意一种或几种混合；所述催化剂为纳米银或纳米镍。
作为优选，所述固体燃料、钝化剂、催化剂以及固化剂的重量比为10～25：2～10∶0.1～0.5∶1～3。
其中，本发明中固体燃料主要起燃烧放热的作用；钝化剂是在普通存贮、操作环境和运输条件下，抑制二氧化气化剂反应的物质；所述催化剂在高温高压环境下，可以促进固体燃料的燃烧，提高各组分之间的燃烧效率；所述固化剂是一种粘黏剂，用于将二氧化碳气化剂颗粒混合物固化成柱型固体，以提高运输和使用的安全性。
作为优选，所述固体燃料中，硼粉、金属铍粉、金属铝粉和金属镁粉的重量比为1～5∶1～5∶10～20∶1～5。
作为进一步优选，所述硼粉、金属铍粉、金属铝粉和金属镁粉的重量比为3：3∶12∶2。其中，当硼粉、铍粉、铝粉和镁粉按上述比例配制时，在催化剂作用下，可瞬间产生高能热量，继而缩短二氧化碳爆破时间，提高爆破能。
作为优选，所述固体燃料中，硼粉、金属铍粉、金属铝粉和金属镁粉的粒径选自300～3000目；所述钝化剂的粒径选自200～500目；所述催化剂的颗粒直径选自10～50nm。
作为优选，所述固化剂为聚氨酯或环氧树脂。
进一步地，本发明所述本安型二氧化碳气化剂的制备方法如下，包括：
s1，按比例分别将固体燃料、钝化剂、催化剂以及固化剂放置于密闭容器中，并搅拌均匀；
s2，将步骤s1中搅拌均匀的混合料倒入模具中，在常温下风干成固体柱型的二氧化碳气化剂。
其中，步骤s1中，二氧化碳气化剂配制过程中用来搅拌均匀的密闭容器为金属容器，且通过一条导线接地，以避免在搅拌过程中，由于静电而引发风险。
本发明还包括一种二氧化碳爆破组合物，所述二氧化碳爆破组合物由固体二氧化碳和二氧化气化剂组成，所述二氧化碳气化剂与固体二氧化碳的添加比例为1∶5～15；所述二氧化碳气化剂为本发明所述的本安型二氧化碳气化剂。
本发明还提供了一种爆破方法，将上述的二氧化碳爆破组合物通过电起爆器激发，使二氧化碳气化剂燃烧并释放出大量热量，固体二氧化碳瞬间气化膨胀形成高压气体爆破，利用巨大的膨胀压力来破碎岩石。
本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
1、在本发明所述的本安型二氧化碳气化剂配方组份中，除了固体燃料外，还添加了选自氧化钙、二氧化硅、碳酸钙或氯化钙中的任意一种或几种混合的钝化剂，所述钝化剂具有一定的稀释和阻燃的效果，可实现固体燃料在400℃以下均不能点燃，继而有效保证了二氧化碳气化剂在配制以及使用过程中的安全性和方便性。
2、本发明所述的本安型二氧化碳气化剂配方组份中，主要起燃烧放热作用的化学材料为按1～5∶1～5∶10～20∶1～5比例配制的硼粉、铍粉、铝粉和镁粉混合物，该特定比例下的混合物在催化剂纳米银或纳米镍的作用下，可以产生使固态二氧化碳瞬间气化的高能热量，且反应时间短、无粉尘风险。与现有固体二氧化碳气化所用的化学发热材料相比，无敏感烟火药组份，但是其不仅具备燃烧速度快、发热量高的特点，还极大提高了二氧化碳气化剂在操作和运输过程中的安全性，体现了本质安全的特征。
3、本发明所述的本安型二氧化碳气化剂配方组份中，还添加了用于将固体燃料、催化剂以及钝化剂制备成固体剂柱的固化剂，所述固化剂为聚氨酯或环氧树脂；其中，将粉末状的固体燃料、催化剂以及钝化剂通过固化剂加工成固体剂柱，可以进一步提高二氧化碳气化剂在配制、使用，尤其是运输过程中的安全性和方便性。
4、综上，本发明所述的二氧化碳气化剂具备本质安全的特征，消除了平常操作环境和运输条件下的安全风险，能够有力促进二氧化碳气动破岩技术的推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：一种本安型二氧化碳气化剂，包括固体燃料、钝化剂、催化剂以及固化剂；其中，所述固体燃料由硼粉、金属铍粉、金属铝粉和金属镁粉按重量比2∶2∶10∶2混合制成；所述钝化剂为氯化钙；所述催化剂为纳米银；所述固化剂为聚氨酯或环氧树脂；所述固体燃料、氯化钙、纳米银以及聚氨酯或环氧树脂的重量比为16∶2∶0.1∶1。
在本实施例1所述的本安型二氧化碳气化剂中，硼粉选用目数为750的颗粒粉末，铍粉选用目数为2000的颗粒粉末，铝粉选用目数为700的颗粒粉末，镁粉选用目数为500的颗粒粉末；氯化钙采用目数为200的颗粒粉末；纳米银采用颗粒直径为20nm。
验证分析：(1)在实验室内，取少量配制好的二氧化碳气化剂，在火焰下进行点燃试验，仅发出微弱的光泽，不能被点燃。(2)将二氧化碳气化剂和6倍的固体二氧化碳放入防爆燃烧室，加热升温，当压达到12mpa时，采用电起爆器激发，激发能量为1500mj，催化剂迅速被点燃，发生剧烈反应，释放大量热量，传感器显示燃烧后的温度可达1200℃，二氧化碳瞬间气化，产生约250mpa的压力波，足以破碎强度超过100mpa的坚硬岩石。
实施例2：一种本安型二氧化碳气化剂，包括固体燃料、钝化剂、催化剂以及固化剂；其中，所述固体燃料由硼粉、金属铍粉、金属铝粉和金属镁粉按重量比2∶3∶12∶3混合制成；所述钝化剂为氧化钙；所述催化剂为纳米镍；所述固化剂为聚氨酯或环氧树脂；所述固体燃料、氧化钙、纳米镍以及聚氨酯或环氧树脂的重量比为20∶3∶0.2∶1.5。
在本实施例2所述的本安型二氧化碳气化剂中，硼粉选用目数为1500的颗粒粉末，铍粉选用目数为3000的颗粒粉末，铝粉选用目数为1000的颗粒粉末，镁粉选用目数为800的颗粒粉末；氧化钙采用目数为200的颗粒粉末；纳米镍采用颗粒直径为10nm。
验证分析：(1)在实验室内，取少量配制好的二氧化碳气化剂，在火焰下进行点燃试验，仅发出微弱的光泽，不能被点燃；(2)将二氧化碳气化剂和8倍的固体二氧化碳放入防爆燃烧室，加热升温，当压达到10mpa时，采用电起爆器激发，激发能量为1200mj，催化剂迅速被点燃，发生剧烈反应，释放大量热量，传感器显示燃烧后的温度可达1400℃，二氧化碳瞬间气化，产生约330mpa的压力波，足以破碎强度超过150mpa的坚硬岩石。
实施例3：一种本安型二氧化碳气化剂，包括固体燃料、钝化剂、催化剂以及固化剂；其中，所述固体燃料由硼粉、金属铍粉、金属铝粉和金属镁粉按重量比3∶3∶12∶2混合制成；所述钝化剂为碳酸钙；所述催化剂为纳米银；所述固化剂为聚氨酯或环氧树脂；所述固体燃料、碳酸钙、纳米银以及聚氨酯或环氧树脂的重量比为20∶3∶0.2∶1.5。
在本实施例3所述的本安型二氧化碳气化剂中，硼粉选用目数为3000的颗粒粉末，铍粉选用目数为3000的颗粒粉末，铝粉选用目数为2000的颗粒粉末，镁粉选用目数为1000的颗粒粉末；碳酸钙采用目数为200的颗粒粉末；纳米银采用颗粒直径为10nm。
在本实施例3中，所述钝化剂还可为颗粒粒径为400目的二氧化硅。
验证分析：(1)在实验室内，取少量配制好的催化剂，在火焰下进行点燃试验，仅发出微弱的光泽，不能被点燃；(2)将催化剂和10倍的固体二氧化碳放入防爆燃烧室，加热升温，当压达到9mpa时，采用电起爆器激发，激发能量为800mj，催化剂迅速被点燃，发生剧烈反应，释放大量热量，传感器显示燃烧后的温度可达1800℃，固体二氧化可被碳瞬间气化，产生约480mpa的压力波，足以破碎强度超过200mpa的坚硬岩石。
实施例4：一种配制实施例1至3任一所述本安型二氧化碳气化剂的方法，具体包括如下步骤：
s1，按比例分别将固体燃料、钝化剂、催化剂以及固化剂放置于密闭的金属容器中，并搅拌均匀；其中，所述金属容器通过一条导线接地，以防止搅拌过程中，由于摩擦静电引发风险；
s2，将步骤s1中搅拌均匀的混合料倒入模具中，在常温下风干成固体柱型的二氧化碳气化剂。
由本发明实施例4制备得到的二氧化碳气化剂具有以下特点：(1)配方组分中无敏感的烟火药成分，采用金属粉末做固体燃料，粉末颗粒目数为300-3000之间，既能满足材料燃烧能量高，反应快的要求，同时又能消除配制过程中由于成分敏感而导致的安全风险；(2)本发明的二氧化碳催化剂组分中添加了钝化剂，具有稀释和阻燃的效果，使其在400℃以下均不能被点燃；(3)本发明的二氧化碳催化剂组分中添加了粘结剂，形成固体剂柱，极大地提高了运输和操作过程中的安全性和方便性；(4)本发明所述的二氧化碳气化剂是在接地的密闭金属容器中搅拌，消除了摩擦静电触发事故的风险。
实施例5：一种二氧化碳爆破组合物，所述二氧化碳爆破组合物由固体二氧化碳和二氧化气化剂组成，所述二氧化碳气化剂与固体二氧化碳的重量比为1：5～15；所述二氧化碳气化剂为实施例4制备得到的本安型二氧化碳气化剂。
实施例6：将实施例4制备得到的本安型二氧化碳气化剂的应用于基岩爆破中，具体方法如下：
将本安型二氧化碳气化剂固体剂柱置入由高强度金属圆管制成的二氧化碳气动破岩装置中，在固体剂柱的四周填装5～15倍的固体二氧化碳，然后将二氧化碳气动破岩装置下放到基岩钻孔内，并采用封孔剂封好钻孔，采用电起爆器激发上述本安型二氧化碳气化剂，使其瞬间燃烧并释放大量的热能，热能让固体二氧化碳瞬间气化，体积膨胀约780倍，产生巨大的膨胀压力，气体压力击穿二氧化碳气动破岩装置的控压片，进入封闭的钻孔内，继续对岩体做功，破碎岩体，直至能量消耗殆尽，测试结果如表1所示。
表1
在本实施例中，当采用特定质量比例的硼粉、金属铍粉、金属铝粉和金属镁粉作为固体燃料使用时，能够显著增强压力波，达到较优的爆破效果。尤其是，当其中硼粉、铍粉、铝粉和镁粉配制比例为3∶3∶12∶2时，压力波上升较大，爆破性能的提升更加显著，同时振动速度较小，噪声较低，对周边环境的影响较小。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。