高性能巖錨灌漿材料配制技術(shù)及養(yǎng)護(hù)環(huán)境研究

摘要：通過(guò)對(duì)DSP高性能巖錨灌漿材料進(jìn)行配合比及養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)其性能影響的試驗(yàn).研究了水膠比和納米硅摻量對(duì)DSP材料抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)度的影響，同時(shí)探討了地下自然環(huán)境養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和（80±2） ℃熱水養(yǎng)護(hù)等不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)其力學(xué)性能的影響.獲得了一組具有良好施工性能、在（80±2） ℃熱水養(yǎng)護(hù)條件下48 h抗壓強(qiáng)度127 MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d， 28 d抗壓強(qiáng)度分別為99 MPa和120 MPa，地下自然環(huán)境養(yǎng)護(hù)7 d， 28 d抗壓強(qiáng)度分別為81 MPa和109 MPa的高性能巖錨灌漿材料配比.

關(guān)鍵詞：DSP材料；巖錨灌漿；配合比；流動(dòng)度；養(yǎng)護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU502文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

地下巖錨灌漿的質(zhì)量直接影響到巖錨結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，且灌漿材料良好的力學(xué)性能是錨固筋材與基巖之間有效協(xié)同工作的保證.但目前巖錨灌漿采用的普通水泥漿因存在強(qiáng)度較低和耐久性不足等方面的問(wèn)題，致使巖錨結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中出現(xiàn)受力性能下降、工作壽命縮短等現(xiàn)象.DSP（Densified Containing homogeneously arranged ultrafine Particles） 即“含均布超細(xì)顆粒的致密體系”，其具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，能大幅降低膠凝材料的孔隙率，有效解決普通水泥漿用于地下巖錨灌漿所存在的問(wèn)題.DSP是由丹麥工程師Bache[1]于1981年率先報(bào)道的一種超細(xì)顆粒組成的致密、高強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，自問(wèn)世以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)DSP水泥基材料進(jìn)行了大量的研究，國(guó)外主要有Wise S等[2]對(duì)DSP材料在工具材料和模具材料等方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述.Leight等[3]對(duì)DSP水泥基材料的介電性能進(jìn)行了研究.Hjorth [4]通過(guò)試驗(yàn)研究了DSP水泥基材料的基本力學(xué)性能.Lu Ping等[5]對(duì)DSP材料水化反應(yīng)的微觀機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究.國(guó)內(nèi)潘國(guó)耀等[6]采用超細(xì)粉煤灰配制出28 d強(qiáng)度高達(dá)208.7 MPa的DSP材料.阮燕等[7]對(duì)超細(xì)粉煤灰在DSP材料中的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了研究.高亮麗等[8]探討了碳納米管對(duì)DSP水泥基材料的增強(qiáng)作用.錢(qián)峰[9]則通過(guò)配合比試驗(yàn)研究了組成材料對(duì)DSP水泥基灌漿材料基本性能的影響.但目前以地下巖錨灌漿為目的對(duì)DSP水泥基材料展開(kāi)的研究還較少，且鮮有關(guān)于養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)DSP灌漿材料影響的報(bào)道.

湖南省矮寨特大橋?yàn)橹骺? 176 m的塔梁分離式跨峽谷鋼桁梁懸索橋，其主跨靠近茶洞岸一側(cè)采用大型巖錨體系進(jìn)行錨固.本文研究的目的是針對(duì)矮寨大橋巖錨所在地溶洞縱橫交錯(cuò)、多水的復(fù)雜環(huán)境，對(duì)DSP水泥基材料用于地下巖錨灌漿的配比及養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)其性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，擬配制出早期強(qiáng)度高、流動(dòng)度大和耐久性好的DSP高性能地下巖錨灌漿材料，同時(shí)也為DSP高性能巖錨灌漿材料在其他類(lèi)似結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供參考.

1試驗(yàn)概況

1.1原材料選擇

水泥：湖南韶峰P·O 52.5硅酸鹽水泥，出廠細(xì)度（80 μm）1.2%，比表面積398 m2/kg，初凝時(shí)間137 min，終凝時(shí)間202 min.硅灰：山西忻州鐵合金有限公司生產(chǎn)，SiO2含量大于90%，其中活性（即在飽和石灰水中可溶）SiO2含量占40%以上，平均粒徑0.7 μm.石英粉：粒徑規(guī)格325目，SiO2含量不低于99%.減水劑：聚羧酸高效減水劑，有效含固量20%，減水率20%.納米硅：沈陽(yáng)化工股份有限公司生產(chǎn)，平均粒徑7 nm.

1.2試驗(yàn)配合比

配合比試驗(yàn)研究了不同水膠比和納米硅摻量對(duì)DSP高性能巖錨灌漿材料基本性能的影響.國(guó)外一般要求預(yù)應(yīng)力孔道灌漿材料的流動(dòng)度值不小于140 mm[10]，國(guó)內(nèi)規(guī)范則要求灌漿材料初始流動(dòng)度值不小于270 mm[11]，但由于巖錨灌漿所用鉆孔深入基巖，孔壁四周可能存在一定數(shù)量的裂隙，流動(dòng)度太大會(huì)使?jié){體從孔壁裂隙流走，導(dǎo)致漏漿.流動(dòng)度過(guò)小則將致使壓漿困難，給施工帶來(lái)不便.同時(shí)考慮到巖錨灌漿孔內(nèi)一般殘留有一定深度的積水，試驗(yàn)采用從孔底自下而上的工藝進(jìn)行了灌漿試驗(yàn).不同流動(dòng)度下的灌漿試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)流動(dòng)度值小于350 mm時(shí)，灌漿材料流動(dòng)性表現(xiàn)較為干稠，灌漿施工困難.當(dāng)流動(dòng)度為350～400 mm時(shí)，其施工性能隨著流動(dòng)度的增大而逐漸改善.當(dāng)流動(dòng)度達(dá)到400 mm以上時(shí)，巖錨灌漿材料施工性能良好，能較好滿足工程需求.綜合灌漿試驗(yàn)結(jié)果，故確定巖錨灌漿材料流動(dòng)度值應(yīng)不小于400 mm.同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[12]和DSP水泥基灌漿材料的試配結(jié)果，本試驗(yàn)選用流動(dòng)度值為400 mm，水膠比0.20，納米硅摻量0%的配比作為基準(zhǔn)配合比對(duì)DSP高性能巖錨灌漿材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究配合比見(jiàn)表1.

1.3 試件制作及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用無(wú)錫市錫鼎建工儀器廠生產(chǎn)的JJ5型膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌.試件制作步驟如下：

1）將稱量干混好的水泥基灌漿材料，放入濕潤(rùn)后的攪拌機(jī)中，采用低速檔干拌1 min，目的是將材料進(jìn)一步混合均勻.

2）加入摻有高效減水劑的拌合水，繼續(xù)低速攪拌2 min，然后換高速檔攪拌3 min，將材料均勻攪拌成漿體.

3）對(duì)攪拌好的漿體進(jìn)行流動(dòng)度測(cè)試，測(cè)試參照《水泥基灌漿材料》[13]進(jìn)行，完成后將漿體倒入四周密封良好的鋼模振動(dòng)成型，常溫放置24 h后脫模.

4）將試件編號(hào)后置于試驗(yàn)設(shè)定養(yǎng)護(hù)環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，達(dá)到試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)齡期后取出試件準(zhǔn)備試驗(yàn).

5）強(qiáng)度試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[11]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行.

1.4養(yǎng)護(hù)方案

熱水養(yǎng)護(hù)的熱激發(fā)作用可增強(qiáng)硅灰的活性，顯著提高早齡期體系的水化程度[14].為了對(duì)DSP材料的基本力學(xué)性能進(jìn)行綜合比較，在進(jìn)行DSP高性能巖錨灌漿材料配合比試驗(yàn)時(shí)，將常溫下放置24 h脫模后的試件分別置于（80±2）℃熱水條件下養(yǎng)護(hù)48 h和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d；進(jìn)行養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)其性能影響的試驗(yàn)時(shí)，則通過(guò)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、地下自然環(huán)境養(yǎng)護(hù)和熱水養(yǎng)護(hù)3種不同養(yǎng)護(hù)條件，對(duì)常溫下靜置24 h后脫模的試件在不同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)后的力學(xué)性能進(jìn)行研究.試驗(yàn)采用熱水養(yǎng)護(hù)條件的控制溫度為（80±2） ℃，試件養(yǎng)護(hù)齡期為48 h；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（圖1）要求保證溫度為（20±3）℃，濕度保持在95%以上；地下自然環(huán)境養(yǎng)護(hù)（圖2）在湖南矮寨特大懸索橋巖錨附近垂直深度40 m的天然溶洞內(nèi)進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)時(shí)將試件置于能保證透氣、透水的網(wǎng)格袋中，用粗繩垂直吊入距洞口15 m深度處進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和地下自然環(huán)境養(yǎng)護(hù)依據(jù)試驗(yàn)齡期分別設(shè)計(jì)7 d和28 d兩組.

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1水膠比對(duì)DSP抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響

不同配比下DSP水泥基灌漿材料流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表2，水膠比對(duì)DSP材料流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度影響見(jiàn)圖3和圖4.

由表2及圖3，圖4可知，在試驗(yàn)研究的水膠比范圍內(nèi)，DSP水泥基灌漿料流動(dòng)度值隨水膠比的增大而逐漸增大，抗壓強(qiáng)度隨著水膠比增大而降低.當(dāng)納米硅摻量為0%時(shí)，水膠比由0.18依次增大到0.20，0.22，流動(dòng)度值隨水膠比的增大分別提高了5.3%和5.0%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，抗壓強(qiáng)度依次降低了5.9%和9.4%，熱水養(yǎng)護(hù)48h，抗壓強(qiáng)度下降了4.4%和7.8%.當(dāng)納米硅摻量為1.0%時(shí)，隨著水膠比的增大，流動(dòng)度值分別提高了5.1%和4.9%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，抗壓強(qiáng)度分別下降了2.9%和5.6%，熱水養(yǎng)護(hù)48 h，強(qiáng)度值依次下降了2.0%和4.9%.

當(dāng)水膠比為0.20時(shí)，DSP水泥基材料抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度值均較高，能較好地滿足地下巖錨灌漿的施工要求.

2.2納米硅摻量對(duì)DSP抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)度的影響

由表2可知，在DSP水泥基材料中摻入1%的納米硅，其抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度均有所提高，但流動(dòng)度提高幅度較小.在水膠比分別為0.18，0.20和0.22 3種條件下，隨著納米硅摻量由0增加到1%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試件抗壓強(qiáng)度依次提高9.2%，12.6%和17.3%.熱水養(yǎng)護(hù)48 h的抗壓強(qiáng)度值則依次提高了8.5%，11.3%和14.8%.分別在0.18，0.20和0.22水膠比條件下，其流動(dòng)度隨納米硅的摻入依次增大了2.6%，2.5%和2.4%，摻入1%的納米硅對(duì)DSP高性能水泥基灌漿材料流動(dòng)度略有提高，但提高效果不明顯.這是由于納米硅與硅灰復(fù)合后，納米硅中更小的SiO2球體顆粒填充了硅灰顆粒之間的間隙，從而使?jié){體在水化一開(kāi)始即有一個(gè)緊密堆積的物理結(jié)構(gòu)[15]，使DSP材料形成了更好的顆粒級(jí)配，隨著熟料礦物的進(jìn)一步水化，漿體更為密實(shí)，所以得到的硬化體抗壓強(qiáng)度較不摻納米硅有所提高.與此同時(shí)，納米硅的填充作用將原來(lái)游離于硅灰孔隙之間的自由水置換了出來(lái)，粒子之間及表面的包裹水加厚，因此其流動(dòng)性能得到改善，但由于納米硅粒徑極小，比表面積較大，需水量也相應(yīng)較大[13]，故摻入1.0%的納米硅對(duì)其流動(dòng)度提高并不明顯.

當(dāng)立方體試件邊長(zhǎng)尺寸為70.7 mm時(shí)，DSP試件熱水養(yǎng)護(hù)48 h，抗壓強(qiáng)度為127.20 MPa，標(biāo)準(zhǔn)分別養(yǎng)護(hù)7 d，28 d，強(qiáng)度分別為99.13 MPa和120.02 MPa，達(dá)到熱水養(yǎng)護(hù)的77.9%和94.4%；地下自然養(yǎng)護(hù)7 d，28 d，抗壓強(qiáng)度依次為81.07 MPa和109.49 MPa，分別達(dá)到熱水養(yǎng)護(hù)的63.7%和86.1%.當(dāng)試件邊長(zhǎng)尺寸為100 mm時(shí)，在80 ℃熱水養(yǎng)護(hù)48 h條件下，DSP試件抗壓強(qiáng)度為121.67 MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d抗壓強(qiáng)度為95.58 MPa，為熱水養(yǎng)護(hù)的78.6%，地下自然養(yǎng)護(hù)7 d，強(qiáng)度為79.15 MPa，為熱水養(yǎng)護(hù)的65.1%.3種養(yǎng)護(hù)條件下熱水養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度最高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)次之，地下自然環(huán)境養(yǎng)護(hù)最低.這是由于DSP水泥基材料中摻入的硅灰屬于具有火山灰反應(yīng)能力的摻料，主要成分為活性SiO2和Al2O3，其活性表現(xiàn)在能與水泥水化析出的Ca（OH）2產(chǎn)生二次反應(yīng)，即所謂的“火山灰效應(yīng)反應(yīng)”，生成具有膠凝性能的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣[16-17].在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，由于高溫有利于硅灰的火山灰效應(yīng)反應(yīng)，所以其抗壓強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和地下自然環(huán)境養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度值；同時(shí)，通過(guò)對(duì)地下自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫、濕度監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)（圖5，圖6），其溫度和濕度在30 d內(nèi)的均值分別為14.4 ℃和77.6%，均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的設(shè)定值，所以地下自然環(huán)境養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)更低.

3結(jié)論

1）適當(dāng)增大DSP水膠比，可以有效增大其流動(dòng)度，但同時(shí)會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度.當(dāng)水膠比為0.20時(shí)，DSP高性能灌漿材料的抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度值均較高，能滿足地下巖錨工程灌漿需求.

2）在DSP中摻入1.0%的納米硅，其抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度均有所提高，但流動(dòng)度提高幅度不大.在水膠比分別為0.18，0.20和0.22三種條件下，隨著納米硅摻量由0增加到1.0%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試件抗壓強(qiáng)度依次提高9.2%，12.6%和17.3%.熱水養(yǎng)護(hù)48 h的抗壓強(qiáng)度值則依次提高了8.5%，11.3%和14.8%.

3）試驗(yàn)確定了一組適合地下巖錨灌漿的配比：水膠比0.20，減水劑摻量1.0%，納米硅摻量1.0%，m硅灰/m水泥=0.2，m石英粉/m水泥=0.1，在非高溫養(yǎng)護(hù)條件下使用時(shí)，建議可加入適量膨脹劑以補(bǔ)償早期收縮.

4）在試驗(yàn)研究的2種試件尺寸下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件7 d后平均抗壓強(qiáng)度為80 ℃熱水養(yǎng)護(hù)48 h的78.3%，28 d后抗壓強(qiáng)度為熱水養(yǎng)護(hù)的94.4%.地下自然養(yǎng)護(hù)7 d后平均抗壓強(qiáng)度為熱水養(yǎng)護(hù)的64.4%，28 d后強(qiáng)度為熱水養(yǎng)護(hù)的86.1%.養(yǎng)護(hù)條件對(duì)DSP高性能巖錨灌漿材料抗壓強(qiáng)度影響較大.

5）依據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果，得到不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下DSP高性能巖錨灌漿材料立方體邊長(zhǎng)尺寸100 mm與70.7 mm抗壓強(qiáng)度尺寸折算系數(shù)為0.97.由試驗(yàn)結(jié)果可知，不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)DSP灌漿材料抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)折算系數(shù)影響較小.

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