礦物摻合料對水泥基錨固砂漿材料膨脹性能影響研究

季節(jié)，謝江南

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

在實際錨桿錨固工程中，隨著水泥基錨固砂漿的水化，砂漿體會出現(xiàn)干收縮、自收縮、塑性收縮等一系列收縮，早期過大收縮極易使?jié){體內(nèi)部產(chǎn)生大于其自身抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力［1］，導(dǎo)致砂漿體出現(xiàn)裂縫甚至破壞，造成了砂漿體與巖土層交界面、砂漿體與錨桿桿體粘結(jié)應(yīng)力的損失，嚴(yán)重影響錨桿構(gòu)件的使用安全性和耐久性。然而，倘若錨固砂漿具有一定的膨脹性能，一方面能對硬化過程中的一系列收縮進(jìn)行補(bǔ)償，避免自身因收縮而產(chǎn)生破壞;另一方面，由于錨桿孔洞的側(cè)限作用，適當(dāng)?shù)呐蛎浶阅苣墚a(chǎn)生徑向膨脹應(yīng)力，能增加漿體與孔洞壁和漿體與錨桿桿體摩擦力，較大地提高錨桿錨固性能。因此，錨固砂漿的膨脹性能對錨桿的安全使用至關(guān)重要，理想中的膨脹性能應(yīng)該是穩(wěn)定且適當(dāng)(1 d 大于0.02%［2］)，一是不隨齡期增長而出現(xiàn)前期膨脹后期收縮，膨脹性能應(yīng)長期穩(wěn)定。二是膨脹量不宜過大(長期小于0.5 %)，過大膨脹量不僅造成砂漿體本身的破壞，也會影響錨桿孔洞周圍土層和巖體應(yīng)力分布。

1 試驗原材料及其方法

1.1 主要原材料

水泥基錨固砂漿材料:普通硅酸鹽水泥與砂按照1∶1 比例配制的砂漿材料;石膏:安徽廬江石膏礦石;鋁礬土:安徽廬江鋁礬土礦石。各原材料成份見表1。

表1 原材料成份組成(%)

1.2 試驗方法

礦物外加劑按不同摻量、細(xì)度和配比進(jìn)行對比試驗，觀測分析不同指標(biāo)條件下豎向膨脹率的變化規(guī)律，并以此分析其對砂漿膨脹性能的影響，所用到礦物摻合料比例為所用材料同砂漿質(zhì)量之比，水膠比為用水量與砂漿質(zhì)量之比。

將砂漿攪拌均勻后灌入20 mm×20 mm×80 mm 模具中成型，見圖1，模具的兩端預(yù)留了孔洞，在澆注試件時預(yù)先將金屬頭放入模具中，在試塊脫模后金屬頭便留在試塊兩端，便于試塊長度的測量，測量方法如圖2。

在試件脫模后，用比長儀測量其初始長度，記為L0，將拆模后試件置于水中養(yǎng)護(hù)，每天定時對其長度用比長儀進(jìn)行測量，記為Ld，試件各齡期的豎向膨脹率按下式進(jìn)行計算:

式中:εd為試件不同齡期的豎向膨脹率，%;L0為試件長度初始讀數(shù)，mm;Ld為試件不同齡期長度讀數(shù)，mm;L為試件高度基準(zhǔn)讀數(shù)，80 mm。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 礦物外加劑摻量對膨脹性能影響

2.1.1 石膏摻量對膨脹性能影響

試驗材料為砂漿、石膏配制而成，其中石膏細(xì)度為0.08 mm，摻量分別為9 %、6 %、3 %、0 %，水膠比為15 %，石膏摻量對于砂漿豎向膨脹率的影響見圖3。

試驗表明，隨著石膏摻量的加大，砂漿材料硬化后的豎向膨脹率也隨之增大:當(dāng)石膏摻量超過9%時，其豎向膨脹率大于0.05%，體積穩(wěn)定時間長。當(dāng)石膏摻量較低時，豎向膨脹率較低，相對穩(wěn)定時間短，尤其當(dāng)砂漿材料不添加石膏時，其前期就表現(xiàn)出較大的體積收縮(7 d 時豎向收縮大于0.02%)。其原因在于:鈣礬石作為水泥材料的膨脹源，而石膏在水泥水化反應(yīng)生成鈣礬石過程中提供離子，石膏摻量的不同勢必影響鈣礬石生成數(shù)量和速度，并在宏觀上體現(xiàn)為砂漿材料硬化后膨脹率的大小及穩(wěn)定時間的長短。

圖1 試件成型

圖2 比長儀測量

圖3 石膏摻量對膨脹率影響

2.1.2 鋁礬土摻量對膨脹性能影響

試驗材料為砂漿、鋁礬土配比而成，其中鋁礬土細(xì)度為0.08 mm，摻量分別為6 %、4 %、2 %、0 %，水膠比為15 %，鋁礬土摻量對于砂漿豎向膨脹率的影響見圖4。

圖4 鋁礬土摻量對膨脹率影響

試驗表明，砂漿材料硬化后的豎向膨脹率大小對于鋁礬土摻量的變化并不敏感，初期(前4 d)表現(xiàn)出一定的膨脹量，爾后膨脹量迅速減少，尤其在7 d 以后膨脹率已基本趨于穩(wěn)定，且膨脹率很小(幾乎接近0)，當(dāng)摻量很小時(小于2 %)甚至還會出現(xiàn)漿體硬化后的收縮，鋁礬土摻量為0 %時，漿體硬化后就表現(xiàn)出明顯后期收縮。原因:鋁礬土作為一種活性成分，為水泥水化反應(yīng)提供Al2O3，能加速水化反應(yīng)［3］，水泥水化生成一定量的鈣礬石，在宏觀上表現(xiàn)為漿體的膨脹。隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)，SO2－4 離子減少，先前生成的鈣礬石會與C3A 的水化產(chǎn)物C4AH13繼續(xù)反應(yīng)生成單硫型水化硫鋁酸鈣［4］，而其并不具有鈣礬石的體積膨脹性能［5］，隨著先前生成鈣礬石的消耗，在宏觀上表現(xiàn)為膨脹量的迅速減少，甚至于表現(xiàn)出一定的收縮。

2.2 礦物外加劑細(xì)度對膨脹性能影響

石膏與鋁礬土按SO3/Al2O3=2.5 配比，與砂漿質(zhì)量之比為12.5 %，礦物外加劑細(xì)度分別選取0.08 mm 和0.15 mm，水膠比為15 %，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 細(xì)度對膨脹率影響

從圖5可以看出，當(dāng)細(xì)度為0.08 mm 時，膨脹增長較快且穩(wěn)定時間早(14 d 趨于穩(wěn)定)，當(dāng)細(xì)度為0.15 mm 時，膨脹發(fā)展緩慢且穩(wěn)定時間長，具有較長時間的膨脹發(fā)展。原因在于礦物外加劑的細(xì)度直接關(guān)系其活性的大小，細(xì)度越小，比表面積越大，則活性越強(qiáng)，水泥水化反應(yīng)越快，在水化初期即可生成一定大量的鈣礬石，即表現(xiàn)為初期較快膨脹增長和較短的穩(wěn)定時間，反之亦然。

2.3 礦物外加劑配比比例對膨脹性能影響

石膏與鋁礬土按SO3/Al2O3=1∶1、2∶1、3∶1 配比，與砂漿質(zhì)量之比為12.5 %，礦物外加劑細(xì)度選取0.08 mm，水膠比為15 %，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 摻量配比比例對膨脹率影響

試驗表明，配比比例為1∶1 時膨脹發(fā)展穩(wěn)定時間最短(7 d 后基本趨于穩(wěn)定)，豎向膨脹率最低;配比比例為2∶1 時，膨脹發(fā)展穩(wěn)定時間較1∶1 配比比例長(11 d 后基本趨于穩(wěn)定);配比比例為3∶1 時，膨脹發(fā)展穩(wěn)定時間最長，豎向膨脹率最高。原因分析:當(dāng)SO3/Al2O3反應(yīng)理論值為3∶1，當(dāng)SO3/Al2O3的值大于3∶1 時(即石膏摻量過剩)，在水化反應(yīng)中不能全部消耗完SO3，使其在后期與水泥中活性較低的Al2O3繼續(xù)反應(yīng)生成鈣礬石，造成后期體積增長周期變長，甚至可能因膨脹過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞;當(dāng)SO3/Al2O3的值小于3∶1 時(即石膏摻量不足)，相對應(yīng)活性Al2O3量變多，使水化反應(yīng)變快，水化早期既能獲得一定膨脹量，且體積膨脹穩(wěn)定周期會明顯變短［3］。

圖7 硬化漿體1 d 時的XRD 圖

圖8 硬化漿體3 d 時XRD 圖

圖9 硬化漿體90 d 時的XRD 圖

圖10 硬化漿體3d 時SEM 圖

對石膏與鋁礬土按SO3/Al2O3=1∶1(即石膏摻量不足)配比砂漿進(jìn)行XRD 分析和SEM 分析，1 d 齡期時砂漿內(nèi)部就形成了一定量的AFt，并出現(xiàn)少量AFm(圖7)。3 d 齡期時，AFt 和AFm 的量都有較大增長，同時石膏含量大量降低(圖8 和圖10)。90 d 齡期時，AFt 含量較之3 d 齡期時基本趨于穩(wěn)定，但石膏含量急劇減少(圖9)，在宏觀上表現(xiàn)為膨脹速度快、發(fā)展穩(wěn)定時間短。

3 結(jié)論

本文通過在錨固砂漿中摻入石膏、鋁礬土等礦物外加劑，對礦物摻合料不同摻量、細(xì)度和配比對豎向膨脹率的發(fā)展影響進(jìn)行比較，并通過微觀分析進(jìn)行進(jìn)一步分析，試驗表明:

(1)試驗表明，在石膏與鋁礬土組成的礦物外加劑中，對砂漿漿體豎向膨脹率大小起關(guān)鍵作用的為石膏摻入比例，但單獨(dú)的石膏摻入對砂漿漿體膨脹發(fā)展作用有限(石膏摻量為9 %時，30 d 豎向膨脹率僅為0.052 %);鋁礬土的加入，為水化反應(yīng)提供了Al2O3等活性成分，加速了水泥水化反應(yīng)，尤其對水化早期鈣礬石的形成發(fā)揮了重要影響，直接決定了砂漿漿體體積膨脹發(fā)展的快慢和體積膨脹穩(wěn)定時間的長短。

(2)礦物細(xì)度對于體積膨脹的影響在于其活性大小不同，礦物顆粒越細(xì)，活性越大，水化反應(yīng)越快，最終主要體現(xiàn)為體積膨脹發(fā)展速度和穩(wěn)定時間的差異，試驗表明，細(xì)度為0.08 mm 膨脹發(fā)展效果較好。

(3)SO3/Al2O3的值對于漿體體積早期膨脹和膨脹發(fā)展穩(wěn)定快慢影響最為關(guān)鍵，水化反應(yīng)中SO3/Al2O3理論值為3，但本試驗中SO3/Al2O3=2.5 時膨脹發(fā)展效果最好(11 d 時膨脹發(fā)展基本趨于穩(wěn)定)，實際工程中可根據(jù)對膨脹率穩(wěn)定時間長短的具體要求對其比值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

［1］楊文武，錢覺時，范英儒.混凝土早期收縮性能試驗研究［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(理工版)，2009(1)

［2］GB/T 50448—2008 水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］

［3］李悅，工勝先，陳兵，等.鈣礬石型混凝土膨脹劑組成與性能的研究［J］.新型建筑材料，2001(2)

［4］李利堅.水泥工藝學(xué)［M］.武漢理工大學(xué)出版社，2005

［5］蔣亞清.混凝土外加劑應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004