快速抢修抢建是战时状态保存实力、形成战斗力的重要任务，也是和平时期防灾减灾、保证人民生命及财产安全的有效方法。锚杆支护是快速抢修抢建的重要技术手段之一。注浆体是锚固体系中的重要组成部分，起着锚固力的传递、维持以及锚筋材料的防腐等作用[1-2]。水泥基注浆材料由于价格低廉、灌注性好，在实际工程中被广泛使用。为了满足施工流动性的要求，锚杆注浆材料一般都采用大水灰比，这导致了凝结、硬化时间较长，能够受力、张拉的等待时间较长；同时浆体后期体积收缩较大，会引起锚固体与孔壁间出现裂隙，导致锚杆失效，因此研制具有快凝，微膨胀的注浆材料是保证快速锚杆支护质量的重要技术手段。
Benmokrane等[3]研究发现，砂的掺入能提高注浆体的抗压强度、抗拉强度及弹性模量，减少注浆体硬化后收缩量，明显增加与界面的黏结强度和锚固刚度；饶枭宇[4]、李红娜[5]等也发现砂能够显著增强岩锚的极限承载强度；而外加剂的掺入对锚筋及注浆体产生负面影响[6]。在水泥基注浆材料中外掺石膏和高含铝矿物，如明矾石等，通过快速生成具有膨胀性能的钙矾石的方法，能够达到大幅度加快凝结硬化速度和微膨胀的目的[7-10]。而且在外掺石膏时，水泥矿物铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和水化铝酸三钙(3CaO·Al2O3·6H2O)也能生成钙矾石。笔者采用石膏、明矾石作为膨胀源材料对注浆水泥砂浆进行改性研究。
石膏矿、铝矾土矿来自安徽庐江矾山，经过破碎、粉磨后分别过80 μm筛。水泥为中国水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥。原材料的主要技术指标见表 1。
注浆料的砂率为50%，砂的细度模数为3.5，其骨料粒径具体分布见表 2。采用江苏博特新材料公司生产的萘系高效减水剂。
采用比长仪法测试材料膨胀率。采用日本电子公司生产的JSM-5900扫描电镜(SEM)、日本理学公司生产的DMAX/rB型X射线衍射，分别分析硬化浆体的微观形貌、晶体组成；并采用美国QUANTACHROME公司Poremaster GT-60压汞仪分析硬化浆体孔的结构。
砂浆水胶比全部为0.15。材料的流动度、凝结时间测试结果见表 3，膨胀率见图 1。
从表 3中1#~5#相比较可见，明矾石掺量对材料凝结时间影响非常大，掺量越多促凝效果越明显；在明矾石掺量固定的条件下，掺入少量的石膏就能大幅度缩短凝结时间，但此后凝结时间却随石膏掺量的增加而延长。由于石膏溶解速度很快，石膏与明矾石反应生产钙矾石的速度取决于明矾石的溶解速度，而在明矾石量固定的情况下反应所需石膏的量基本固定，因此多余的石膏就表现出缓凝效果[11]。另外，由于水泥砂浆硬化很快，初凝时间测试误差较大，因此20 min以内的数据操作误差都很大。
从图 1可见，没有掺膨胀源的砂浆一直处于收缩阶段，最大收缩大于0.02 mm(试样长度为160 mm，相对膨胀率约-0.01%)。4#~8#试样在3 d之内虽然有一定的膨胀，但此后逐渐收缩，总膨胀率为仍为负值。而9#、10#试样一周以内快速膨胀，此后膨胀率基本稳定在0.06 mm(相对膨胀率0.04%)左右。
综合注浆材料的流动性、凝结时间和长期膨胀率等因素，9#、10#试样基本满足自流平、快硬、微膨胀的要求，因此对该2组进一步进行强度试验，结果如表 4。
在表 4可以看到：10#试样1 d的抗压强度基本能够接近20 MPa，3 d抗压强度基本能够达到40 MPa。
从10#试样的XRD图(图 2)可以看到，随养护时间增加，石膏逐渐减少，即逐渐参与反应，氢氧化钙早期随水泥水化快速大量生成，后期与明矾石反应生成钙矾石，其量逐渐减少。氢氧化钙六方板块结晶强度不好，而生成的钙矾石对强度有利。
从10#试样硬化浆体3 d时的SEM图(图 3(a))可以看到有明显的氢氧化钙，空隙中有钙矾石出现；而养护90 d以后(图 3(b))，钙矾石几乎填满了孔隙，而且水化产物非常致密，总孔隙率从3 d的3.14%，降低到90 d的0.70%，因而后期强度大。
从10#试样硬化浆体时的孔径分布图(图 4)对比可以看到：养护90 d后，50~100 μm的大孔数量大幅度减少，10~30 μm的小孔数量增加，几μm的微孔基本消失，因而孔结构更加致密和合理。而没有掺膨胀源的试样，90 d时总孔隙率为3.49%，孔径分布见图 5，10~100 μm的大孔数量较多。
根据10#试样配制材料的流动性、凝结时间、强度、膨胀率等性能指标的测试结果，发现该研制的注浆材料具有快凝、早强、微膨胀的优点，能够满足抢修抢建、加固等快速施工需求；通过微观测试结果发现硬化浆体中出现大量钙矾石，孔结构逐渐致密，因而验证了这些技术指标的合理性和科学性。但这些材料在用于锚杆注浆中的具体力学性能尚不明确，而锚杆的抗拔试验是对锚固材料综合性能的反映，因此必须进行锚杆的抗拔力试验。
金属管为冷拔无缝钢管，规格为Φ50 mm×4 mm，长度1 m，居中放置Φ15 mm螺纹钢，用10#试样进行注浆，此后放在10~15 ℃的室内环境中静置14 d后进行拉拔试验。实验采用长沙亚星数控技术有限公司生产的WYGJ微机控制电液伺服钢绞线拉伸试验机，最大荷载600 kN，试验装置见图 6。按照《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22:2005)及相关规范要求[12]，加载时采用逐级加载的方式，每级加载拉力约为锚杆极限承载力的10%，每级停留时间为5 min。用拉伸试验机上钳口夹住钢筋一端，试验机下钳口夹紧钢管体底部，靠近密封托的上边缘，希望钢管外表面和底托都能承受荷载。为了增加钢管表面的剪切方向荷载，在钢管下部受力的位置用切割机进行表面切割，形成许多约1 mm深的纹理，以增加与模具下钳口的摩擦力，如图 7所示。
拉拔力-位移曲线见图 8。曲线上不光滑的谷是由于每级加载停留时拉力倒缩引起的。
当拉力大于90 kN时，砂浆随同钢筋被从钢管中逐渐拔出，锚杆破坏，实验结束，其最大荷载达到93 kN。中国现有2 m长的砂浆锚杆的平均极限拉拔力为60 kN，而《设防工程抗动载锚喷支护技术规范》(GJBz 20431-97)中要求的Ⅱ类以上围岩不小于80 kN[12]，张世雄等[13]的1.5 m锚杆大量拉拔力试验，其平均拉拔力也只有77.8 kN。笔者采用明矾石、石膏改性的砂浆作为注浆材料的锚杆，其1 m长锚固体极限抗拔力就已经远超过1.5~2 m砂浆锚固体极限抗拔力的中国平均水平。这是由于经过膨胀材料改性的注浆材料膨胀性能更好，可以使锚固材料与钢管之间的压力更大，所以粘结力与摩阻力都会更大，从而有更大的抗拔力。将钢管剖开后可以发现硬化注浆体是完好的，如图 9所示，此时锚杆失效的原因是锚固体与钢管间的粘结力与摩阻力的总和小于外界施加的拉力。特别需要说明的是：该硬化锚固体材料在钢管内无法得到水的养护，而且养护时间只有14 d，否则其硬化浆体强度和膨胀率会进一步提高[14]，极限拉拔力也会增大。
1) 通过明矾石、石膏改性，水泥砂浆注浆材料能够快速生成大量钙矾石，孔结构逐渐致密；早期迅速膨胀，后期膨胀稳定；硬化时间控制在0.5~1.5 h之间；1 d和3 d强度分别达到20、40 MPa，满足快速施工要求。
2) 用此类注浆材料进行锚杆注浆，其1 m长砂浆锚固体14 d极限抗拔力超过1.5~2 m砂浆锚固体极限抗拔力的中国平均水平；此时锚固体与管壁间的粘结力与摩阻力小于拉拔力整体被拔出，而注浆体没有破坏，砂浆与钢筋之间界面也没有破坏。
2013, Vol. 35 Issue (4): 128-132
PDF
2013, Vol. 35 Issue (4): 128-132
PDF