快硬微膨脹高強錨桿注漿材料的研制

摘要：為了解決傳統錨固材料早期強度低、體積收縮等問題，開發具有快硬、微膨脹、高強的錨固材料對滿足錨桿支護快速施工具有重要的價值。以鋁酸鹽和硫酸鹽生成鈣礬石的反應具有快速和膨脹的特點為理論依據，選用明礬石、石膏對注漿材料進行改性研究。結果表明：注漿材料具有早期膨脹迅速、后期膨脹穩定的特點，硬化時間能控制在0.5～1.5 h時之間，1、3 d強度分別達到20、40 MPa；微觀測試發現隨養護時間的增加硬化漿體中生成了大量鈣礬石，孔隙率逐漸降低。通過錨桿拉拔試驗發現其1 m長砂漿錨固體14 d極限抗拔力達到93 kN，超過1.5～2 m砂漿錨固體極限抗拔力的平均水平。

關鍵詞：錨桿；錨固材料；明礬石；鈣礬石；早強；微膨脹

中圖分類號：TU525.9； TU751

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0128-05

快速搶修搶建是戰時狀態保存實力、形成戰斗力的重要任務，也是和平時期防災減災、保證人民生命及財產安全的有效方法。錨桿支護是快速搶修搶建的重要技術手段之一。注漿體是錨固體系中的重要組成部分，起著錨固力的傳遞、維持以及錨筋材料的防腐等作用^[1-2]。水泥基注漿材料由于價格低廉、灌注性好，在實際工程中被廣泛使用。為了滿足施工流動性的要求，錨桿注漿材料一般都采用大水灰比，這導致了凝結、硬化時間較長，能夠受力、張拉的等待時間較長；同時漿體后期體積收縮較大，會引起錨固體與孔壁間出現裂隙，導致錨桿失效，因此研制具有快凝，微膨脹的注漿材料是保證快速錨桿支護質量的重要技術手段。

戴銀所，等：快硬微膨脹高強錨桿注漿材料的研制

Benmokrane等^[3]研究發現，砂的摻入能提高注漿體的抗壓強度、抗拉強度及彈性模量，減少注漿體硬化后收縮量，明顯增加與界面的黏結強度和錨固剛度；饒梟宇^[4]、李紅娜^[5]等也發現砂能夠顯著增強巖錨的極限承載強度；而外加劑的摻入對錨筋及注漿體產生負面影響^[6]。在水泥基注漿材料中外摻石膏和高含鋁礦物，如明礬石等，通過快速生成具有膨脹性能的鈣礬石的方法，能夠達到大幅度加快凝結硬化速度和微膨脹的目的^[7-10]。而且在外摻石膏時，水泥礦物鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）和水化鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3·6H2O）也能生成鈣礬石。筆者采用石膏、明礬石作為膨脹源材料對注漿水泥砂漿進行改性研究。

1原材料和實驗方法

1.1原材料

石膏礦、鋁礬土礦來自安徽廬江礬山，經過破碎、粉磨后分別過80 μm篩。水泥為中國水泥廠生產的42.5普通硅酸鹽水泥。原材料的主要技術指標見表1。

4錨桿抗拔試驗

4.1試驗方法

金屬管為冷拔無縫鋼管，規格為Φ50 mm×4 mm，長度1 m，居中放置Φ15 mm螺紋鋼，用10#試樣進行注漿，此后放在10～15 ℃的室內環境中靜置14 d后進行拉拔試驗。實驗采用長沙亞星數控技術有限公司生產的WYGJ微機控制電液伺服鋼絞線拉伸試驗機，最大荷載600 kN，試驗裝置見圖6。按照《巖土錨桿（索）技術規程》（CECS 22：2005）及相關規范要求^[12]，加載時采用逐級加載的方式，每級加載拉力約為錨桿極限承載力的10%，每級停留時間為5 min。用拉伸試驗機上鉗口夾住鋼筋一端，試驗機下鉗口夾緊鋼管體底部，靠近密封托的上邊緣，希望鋼管外表面和底托都能承受荷載。為了增加鋼管表面的剪切方向荷載，在鋼管下部受力的位置用切割機進行表面切割，形成許多約1 mm深的紋理，以增加與模具下鉗口的摩擦力，如圖7所示。

當拉力大于90 kN時，砂漿隨同鋼筋被從鋼管中逐漸拔出，錨桿破壞，實驗結束，其最大荷載達到93 kN。中國現有2 m長的砂漿錨桿的平均極限拉拔力為60 kN，而《設防工程抗動載錨噴支護技術規范》（GJBz 20431-97）中要求的Ⅱ類以上圍巖不小于80 kN^[12]，張世雄等^[13]的1.5 m錨桿大量拉拔力試驗，其平均拉拔力也只有77.8 kN。筆者采用明礬石、石膏改性的砂漿作為注漿材料的錨桿，其1 m長錨固體極限抗拔力就已經遠超過1.5～2 m砂漿錨固體極限抗拔力的中國平均水平。這是由于經過膨脹材料改性的注漿材料膨脹性能更好，可以使錨固材料與鋼管之間的壓力更大，所以粘結力與摩阻力都會更大，從而有更大的抗拔力。將鋼管剖開后可以發現硬化注漿體是完好的，如圖9所示，此時錨桿失效的原因是錨固體與鋼管間的粘結力與摩阻力的總和小于外界施加的拉力。特別需要說明的是：該硬化錨固體材料在鋼管內無法得到水的養護，而且養護時間只有14 d，否則其硬化漿體強度和膨脹率會進一步提高^[14]，極限拉拔力也會增大。

5結論

1）通過明礬石、石膏改性，水泥砂漿注漿材料能夠快速生成大量鈣礬石，孔結構逐漸致密；早期迅速膨脹，后期膨脹穩定；硬化時間控制在0.5～1.5 h之間；1 d和3 d強度分別達到20、40 MPa，滿足快速施工要求。

2）用此類注漿材料進行錨桿注漿，其1 m長砂漿錨固體14 d極限抗拔力超過1.5～2 m砂漿錨固體極限抗拔力的中國平均水平；此時錨固體與管壁間的粘結力與摩阻力小于拉拔力整體被拔出，而注漿體沒有破壞，砂漿與鋼筋之間界面也沒有破壞。

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（編輯胡英奎）