水灰比對錨固材料力學(xué)性能影響研究

蔣帥旗,張世研

(1.永煤集團 城郊礦,河南 永城 476600;2.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 資源開發(fā)學(xué)院,河南 平頂山 476033)

隨著我國淺部煤炭資源逐漸采掘完畢，煤炭資源開采已經(jīng)由淺部向深部發(fā)展[1-2]。近年來，我國東部礦井相繼進入深部開采，采深以10～25 m/a的速度增加。在中國，超千米礦井不斷出現(xiàn)，其中，新汶孫村礦采深已達1 300 m[3]。隨著煤礦開采深度不斷增加，地應(yīng)力強度也逐漸增大，巷道大變形問題越發(fā)嚴重，嚴重制約著煤礦安全開采。

國內(nèi)外學(xué)者[4-6]研究發(fā)現(xiàn)控制水灰比等方式，可有效改善再生細骨料混凝土的抗壓強度；趙木子等[7]在考慮基體混凝土水灰比影響的再生粗(細)骨料混凝土徐變模型的研究中,發(fā)現(xiàn)基體混凝土水灰比對再生混凝土徐變的影響較大，甚至超過了再生混凝土水灰比對徐變的影響；高強度高預(yù)應(yīng)力錨索支護是深部巷道圍巖支護最行之有效的支護方式之一[8-10]。但現(xiàn)有的錨固劑很難滿足施工需求，樹脂錨固劑易溶于水、攪拌阻力大等缺點，使錨固強度大大降低。傳統(tǒng)的水泥錨固劑韌性較差，抗剪能力較差，當(dāng)受到強剪作用力時，錨固能力大大降低。

因此為本文通過控制變量研究了水灰比、養(yǎng)護時間對錨固材料力學(xué)性能和材料工況的影響，為開發(fā)一種新型的無機錨固劑材料具有指導(dǎo)意義。

1 實驗原材料、實驗方案及實驗設(shè)備

1.1 實驗原材料

錨固原材料來源于課題組初期開發(fā)的高強無收縮無機錨固材料，其主要成分是特種水泥、鋁酸鹽水泥、細骨料、外加劑等。

1.2 實驗方案

設(shè)置5個梯度的水灰比，水灰比分別為0.4、0.42、0.44、0.46、0.48、0.5時，分別研究不同水灰比對錨固材料的初終凝時間、抗壓抗折強度的影響。

1.3 實驗設(shè)備與方法

1) 按照試驗方案，對錨固材料攪拌均勻，將漿液倒進40 mm×40 mm×40 mm和40 mm×40 mm×160 mm模具內(nèi)，脫模后,將試樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)，采用 TYE-300B 型壓力試驗機測試試樣抗壓抗折強度。

2) 按照試驗方案，對錨固材料攪拌均勻，將漿液倒進利用標(biāo)椎維卡儀模具內(nèi)，參考《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢測方法》，GB/T 1346-2011，對錨固材料在不同水灰比條件下的初終凝時間進行測試(圖1).

圖1 錨固材料的初終凝實驗

2 錨固材料力學(xué)性能影響實驗研究

2.1 水灰比對錨固原材料凝結(jié)時間影響實驗結(jié)果分析

不同水灰比條件下，錨固原材料的初凝時間和終凝時間見表1和圖2，由圖2水灰比與錨固材料凝結(jié)時間的關(guān)系可知，錨固材料的初終凝時間隨著水灰比的增加而增大，當(dāng)水灰比為0.4時，錨固原材料的初終凝時間分別為5.32 min和10.61 min.并且通過實驗可知，當(dāng)水灰比為0.4時，錨固材料的和易性性能比較好，攪拌阻力小，可以滿足工程施工的要求；當(dāng)水灰比小于0.4時，此時由于水灰比較小使錨固材料粘稠度較大，攪拌阻力增大，且攪拌出來的漿料成渣，錨固原材料不能完全水化。

表1 不同水灰比對材料凝結(jié)時間的影響

圖2 水灰比與錨固材料凝結(jié)時間的關(guān)系

2.2 水灰比對錨固材料力學(xué)性能影響實驗結(jié)果分析

根據(jù)實驗方案設(shè)置的5個水灰比梯度，對錨固材料固化體1 d、3 d、7 d和28 d的抗壓抗折強度進行測試，每組試樣設(shè)置3個相同標(biāo)椎試樣，共計120個標(biāo)椎試樣(圖3).

圖3 標(biāo)椎試樣的制作過程

不同水灰比條件下，錨固材料固化體單軸抗壓強度見表2，錨固材料固化體不同水灰比、不同齡期條件下的抗壓強度，從圖4和表3可以看出，隨著水灰比的增加，錨固材料的抗壓抗折強度逐漸減小；并且隨著固化時間的增加，錨固材料的早期強度增加迅速，后期增長緩慢。當(dāng)水灰比為0.4時，1 d的單軸抗壓強度為35.15 MPa，是28 d抗壓強度的62.19%，抗折強度為6.25 MPa，是28 d的70.15%；隨著水灰比的增大，錨固材料的強度減小，這是由于錨固材料在大水灰比條件下，結(jié)石體中的自由水多，隨著水化反應(yīng)的進行，逐漸消耗掉這部分自由水，在結(jié)石體中形成空隙或孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致錨固材料固化體密實度降低，因此固化體強度減小。

表2 錨固材料固化體單軸抗壓強度

圖4 水灰比對錨固材料單軸抗壓強度的相關(guān)影響

表3 錨固材料固化體抗折強度

2.3 養(yǎng)護時間對錨固材料力學(xué)性能影響實驗結(jié)果分析

不同水灰比條件影響下,養(yǎng)護時間對錨固材料力學(xué)性能的影響，如圖5所示。在水灰比一定的條件下，錨固材料抗壓抗折強度隨養(yǎng)護時間的增長而增加，并且由圖5(a)可知，當(dāng)水灰比為0.4時，錨固材料抗壓強度3～7 d的增幅最大，增幅為11.36%；7～28 d抗壓強度增幅區(qū)域穩(wěn)定。由圖5(b)可知，當(dāng)水灰比為0.4時，錨固材料每個養(yǎng)護時間的抗折強度較大，并且抗折強度1～3 d的增長速度最快，因此，可知錨固材料初期韌性增長較快，具有較強的抗折能力。

3 結(jié) 語

1) 實驗表明，錨固材料的初、終凝時間隨著水灰比的增加而增大，當(dāng)水灰比為0.4時，錨固原材料的初、終凝時間分別為5.32 min和10.61 min，并且錨固材料的和易性性能比較好，攪拌阻力小。

2) 當(dāng)水灰比為0.4時，28 d的單軸抗壓強度為56.52 MPa，抗折強度為8.91 MPa.

3) 通過養(yǎng)護時間對錨固材料力學(xué)性能影響的研究發(fā)現(xiàn)，錨固材料初期力學(xué)性能增加較快，并且初期具有較高的韌性。