速凝型水泥卷錨固劑的試驗(yàn)研究

何軍利，白琪，孫揚(yáng)威，柯偉席，周天正

（武漢三源特種建材有限公司，湖北 武漢 430080）

0 引言

我國山嶺隧道大多采用新奧法施工[1-3]，其特點(diǎn)是在開挖面附近及時(shí)施作密貼于圍巖的噴射混凝土和錨桿支護(hù)，以便控制圍巖的變形和應(yīng)力釋放，從而在支護(hù)和圍巖的共同變形過程中，調(diào)整圍巖應(yīng)力重分布而達(dá)到新的平衡，以期最大限度地保持圍巖的固有強(qiáng)度和發(fā)揮其自承能力。錨桿支護(hù)是新奧法支護(hù)體系中的重要組成部分，能最大限度地保持圍巖的完整性、穩(wěn)定性，有效地控制圍巖變形、位移和裂縫的發(fā)展，充分發(fā)揮圍巖自身的支撐作用，錨固質(zhì)量直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)及運(yùn)營安全[4-5]。戴銀所等[6]認(rèn)為錨固質(zhì)量不僅取決于錨桿的抗拉強(qiáng)度，還與錨固材料的性能、錨固方法等有關(guān)。

隧道錨桿一般采用的錨固材料有水泥基注漿錨固材料、水泥卷錨固劑和樹脂錨固劑。隧道錨桿施作時(shí)采用水泥基注漿錨固材料，存在注漿不足、漿液填充不密實(shí)等問題；采用樹脂錨固劑時(shí)，存在樹脂滲漏、挺拔度不夠[7]、成本高及耐久性差等問題。為此，本研究采用普通硅酸水泥與快硬硫鋁水泥按一定比例進(jìn)行復(fù)配，通過添加早強(qiáng)劑、膨脹劑等功能型外加劑配制出一種可快速凝結(jié)、錨固強(qiáng)度高、施工簡便的水泥卷錨固劑。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥：P·O42.5，華新水泥有限公司；快硬硫鋁酸鹽水泥：R·SAC42.5，宜城安達(dá)特種水泥有限公司；氧化鈣類膨脹劑：FQYⅡ型，武漢三源特種建材有限公司；碳酸鋰：工業(yè)級(jí)，四川國理鋰材料有限公司；聚醚類消泡劑：D-130，江蘇兆佳建材科技有限公司；聚羧酸減水劑：MELMENT_F10，BASF。選用的普通硅酸鹽水泥、快硬硫鋁酸鹽水泥及膨脹劑化學(xué)成分見表1。

表1 水泥和膨脹劑的主要化學(xué)成分 %

1.2 主要儀器設(shè)備

維卡儀：無錫建儀儀器機(jī)械有限公司；水泥凈漿攪拌機(jī)：NJ-160A，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司；水泥膠砂攪拌機(jī)：JJ-5，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司；膨脹率測定儀：BZDY-158型，瓦房店建科實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司；鋼筋錨桿拉拔儀：HC-50S，北京海創(chuàng)高科科技有限公司；全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)：DY-208JFX，無錫東儀制造科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 凝結(jié)時(shí)間

先將拌合鐵鍋用濕棉布擦拭干凈，稱取600 g錨固劑，倒入拌合鍋，加入120 g拌合水，采用水泥凈漿攪拌機(jī)慢速攪拌120 s，裝模。參照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間檢驗(yàn)方法》進(jìn)行水泥卷錨固劑的凝結(jié)時(shí)間測試。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度

試樣制備：先將拌合鍋用濕棉布擦拭干凈，稱取錨固劑1800 g倒入拌合鍋，加入360 g拌合水。采用行星式水泥膠砂攪拌機(jī)慢速攪拌120 s，然后迅速一次性裝模，用振實(shí)臺(tái)振動(dòng)60 s，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

1.3.3 限制膨脹率

按照1.3.2制備漿體，將攪拌好的錨固劑直接灌入試模，漿體應(yīng)與試模的上邊緣平齊，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，測試初始長度，入水養(yǎng)護(hù)，測量水中養(yǎng)護(hù)第7 d和28 d時(shí)的長度。水泥卷錨固劑的限制膨脹率試驗(yàn)參照GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中附錄A進(jìn)行。

1.3.4 錨固力

在混凝土塊中鉆取Φ50 mm×350 mm的孔，然后按1.3.2制備漿體灌入模擬孔中，再將鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋（Φ25 mm×700 mm）插入錨固劑中。待凝固后安裝鋼筋錨桿拉拔儀進(jìn)行錨固力測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥復(fù)配比例對(duì)錨固劑凝結(jié)時(shí)間的影響

將硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)配，在不同比例下能夠相互調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間[8]。在標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量下，隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加，凝結(jié)時(shí)間顯著延長[9]。水泥卷錨固劑的凝結(jié)時(shí)間測試為固定用水量（水灰比為0.20），膠凝體系按不同比例復(fù)配后的凝結(jié)時(shí)間測試結(jié)果見表2。

表2 不同比例復(fù)配水泥的凝結(jié)時(shí)間

由表2可見，水灰比為0.20時(shí)，復(fù)配水泥的凝結(jié)時(shí)間隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加而延長。鈣礬石的形成速度與漿體中的C3A含量、石膏含量和Ca（OH）2濃度有關(guān)，而鈣礬石的形成速度直接影響水泥凝結(jié)時(shí)間，凝結(jié)時(shí)間隨鈣礬石形成速度增大而縮短。水泥漿體的pH值由水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2濃度決定，在水灰比為0.20的情況，水泥漿體形成飽和的Ca（OH）2溶液，鈣礬石的生成速度由漿體中的C3A含量、SO3含量決定，而隨著P·O42.5水泥摻量的增加導(dǎo)致漿體中C3A含量、SO3含量降低，使復(fù)配水泥的凝結(jié)時(shí)間延長。當(dāng)P·O42.5水泥與R·SAC42.5水泥的復(fù)配比例為10：90時(shí)，初凝時(shí)間為4min4s，終凝時(shí)間為6min47s，復(fù)配質(zhì)量比為20∶80時(shí)，復(fù)配水泥的初凝時(shí)間為6 min15 s，終凝時(shí)間為9 min15 s。結(jié)合碳酸鋰的促凝效果，選擇P·O42.5水泥與R·SAC42.5水泥的復(fù)配質(zhì)量比為（10～20）∶（80～90），選取15∶85進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。

2.2 早強(qiáng)劑對(duì)錨固劑抗壓強(qiáng)度的影響

研制的速凝型水泥卷錨固劑膠凝體系以硫鋁酸鹽水泥為主，常用于硫鋁酸鹽水泥的早強(qiáng)劑有碳酸鋰、硫酸鋰及硫酸鋁。本文選取碳酸鋰作為錨固劑的早強(qiáng)劑，碳酸鋰摻量對(duì)錨固劑抗壓強(qiáng)度的影響如表3所示。

表3 早強(qiáng)劑摻量對(duì)錨固劑抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可見：錨固劑短齡期的抗壓強(qiáng)度隨著碳酸鋰摻量的增加而提高，但摻量超過0.04%時(shí)，增長幅度基本隨碳酸鋰摻量的增加而減?。坏?8 d抗壓強(qiáng)度隨著碳酸鋰摻量的增加逐漸降低。碳酸鋰的摻入，促進(jìn)了AFt的形成，能夠提高錨固劑的早期強(qiáng)度，同時(shí)大量生成的AFt包裹水化礦物，阻礙了硫鋁酸鹽水泥的水化進(jìn)程[10]。由于碳酸鋰的價(jià)格昂貴，綜合考慮選用碳酸鋰的摻量為0.03%。

2.3 膨脹劑對(duì)錨固劑性能的影響

膨脹劑因水化作用會(huì)產(chǎn)生一定的體積膨脹，可以補(bǔ)償混凝土的早期收縮，在錨固劑中摻入膨脹劑可補(bǔ)償早期收縮，產(chǎn)生微膨脹效果。膨脹劑摻量對(duì)錨固劑限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度的影響分別見圖1、圖2。

由圖1可見，隨著膨脹劑摻量的增加，錨固劑的7 d限制膨脹率逐漸增大。當(dāng)膨脹劑摻量為7%時(shí)限制膨脹率達(dá)到0.036%，摻量超過7%時(shí)，限制膨脹率隨摻量增大的幅度減??；28 d限制膨脹率隨摻量的增加而增大。

由圖2可見，膨脹劑摻量的增加，能提高錨固劑的0.5 h抗壓強(qiáng)度，對(duì)1 h抗壓強(qiáng)度的影響無明顯規(guī)律，1 d抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢，28 d抗壓強(qiáng)度有一定程度的降低。以適量的膨脹劑取代水泥，能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)其摻量超過一定值時(shí)，會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度[11]。而速凝型水泥卷錨固劑需要在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)并具有較高的抗壓強(qiáng)度，短時(shí)間內(nèi)釋放大量的水化熱，膨脹劑的摻入?yún)⑴c水泥的水化反應(yīng)，生成大量的鈣礬石，產(chǎn)生體積膨脹，在模具的限制條件下使得試件更為密實(shí)，從而體現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度的增長。0.5 h后膨脹劑的作用下降，故而1 h的抗壓強(qiáng)度無明顯變化；1 d齡期的錨固劑因膨脹劑的膨脹作用，抗壓強(qiáng)度隨其摻量的增加先提高，但當(dāng)其摻量超過一定量后，產(chǎn)生過多鈣礬石，鈣礬石的膨脹和結(jié)晶壓力作用造成鈣礬石骨架結(jié)構(gòu)中存在孔隙過多，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低；摻入膨脹劑會(huì)降低28 d抗壓強(qiáng)度，原因是速凝型水泥卷錨固劑中含有大量的硫鋁水泥，摻入CaO類膨脹劑后，隨著齡期的延長，膨脹劑與水泥反應(yīng)持續(xù)產(chǎn)生AFt，造成體積膨脹，內(nèi)部形成微裂紋導(dǎo)致28 d抗壓強(qiáng)度降低。綜合考慮，選擇膨脹劑的摻量為5%。

2.4 速凝型水泥卷錨固劑的綜合性能

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，按P·O42.5水泥與R·SAC42.5水泥復(fù)配質(zhì)量比15∶85，碳酸鋰摻量0.03%、膨脹劑摻量5%、減水劑摻量0.15%、消泡劑摻量0.01%制備速凝型水泥卷錨固劑，進(jìn)行性能測試，結(jié)果如表4所示。

表4 速凝型錨固劑的性能測試結(jié)果

由表4可見，按上述最佳配比制備的速凝型錨固劑早期抗壓強(qiáng)度高，0.5 h、1 d抗壓強(qiáng)度分別為19.2、39.3 MPa，0.5 h、1 d錨固力分別為160.4、228.9 kN，性能符合Q/CR 9248—2020《鐵路隧道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)速凝型Ⅰ水泥卷錨固劑的規(guī)定要求。

3 結(jié)論

（1）將普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)配能調(diào)節(jié)速凝型水泥卷錨固劑的凝結(jié)時(shí)間，普通硅酸鹽水泥的復(fù)配比例越高，水泥卷錨固劑的凝結(jié)時(shí)間越長，2種水泥的最佳復(fù)配質(zhì)量比為（10～20）∶（80～90）。

（2）水泥卷錨固劑短齡期的抗壓強(qiáng)度隨著早強(qiáng)劑碳酸鋰摻量的增加而提高，但當(dāng)摻量超過0.04%時(shí)，增長幅度減小。

（3）摻入膨脹劑能提高水泥卷錨固劑的0.5 h和1 d抗壓強(qiáng)度，對(duì)1 h抗壓強(qiáng)度影響不大，當(dāng)膨脹劑摻量為5%時(shí)，其綜合性能最佳；膨脹劑的摻入可使錨固劑后期產(chǎn)生微膨脹。

（4）按P·O42.5水泥與R·SAC42.5水泥復(fù)配質(zhì)量比15∶85，碳酸鋰、膨脹劑、減水劑、消泡劑摻量分別為0.03%、5%、0.15%、0.01%制備的速凝型水泥卷錨固劑，早期抗壓強(qiáng)度高，0.5 h、1 d抗壓強(qiáng)度分別為19.2、39.3 MPa，0.5 h、1 d錨固力分別為160.4、228.9kN。