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摘要：为了解决传统锚固材料早期强度低、体积收缩等问题，开发具有快硬、微膨胀、高强的锚固材料对满足锚杆支护快速施工具有重要的价值。以铝酸盐和硫酸盐生成钙矾石的反应具有快速和膨胀的特点为理论依据，选用明矾石、石膏对注浆材料进行改性研究。结果表明：注浆材料具有早期膨胀迅速、后期膨胀稳定的特点，硬化时间能控制在0.5～1.5 h时之间，1、3 d强度分别达到20、40 MPa；微观测试发现随养护时间的增加硬化浆体中生成了大量钙矾石，孔隙率逐渐降低。通过锚杆拉拔试验发现其1 m长砂浆锚固体14 d极限抗拔力达到93 kN，超过1.5～2 m砂浆锚固体极限抗拔力的平均水平。
关键词：锚杆；锚固材料；明矾石；钙矾石；早强；微膨胀
中图分类号：TU525.9； TU751
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0128-05
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。
戴银所，等：快硬微膨胀高强锚杆注浆材料的研制
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。
1原材料和实验方法
1.1原材料
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。
4锚杆抗拔试验
4.1试验方法
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。
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。
5结论
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。
参考文献：
[1]陈文，刘永球，仇学明.锦屏水电站左岸帷幕灌浆试验与分析[J].水利水电技术，2008，39（9）：22-25.
[2]朱训国.地下工程中注浆岩石锚杆锚固机理研究[D].辽宁大连：大连理工大，2006. [3]Benmokrane B， Chennouf A， Mitri H S. Laboratory evaluation of cement-based grouts and grouted rock anchors [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1995，32（7）：633-642.
[4]饶枭宇，唐树名，张永兴，等.注浆体配合比改善岩锚抗拔特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（2）：390-396.
[5]李红娜.锚杆注浆浆液参数优化研究[J].隧道建设，2011，31 （Sup2）：390-396.
[6]Coulter S， Martin C D. Single fluid jet-grout strength and deformation properties [J]. Tunneling and Underground Space Technology，2006，21（6）：690-695.
[7]Nocun-Wczelik W， Konik Z， Stok A. Blended systems with calcium aluminate and calcium sulphate expansive additives [J]. Construction and Building Materials， 2011，25（2）： 939-943.
[8]牛福生，张锦瑞，倪文明.矾石-石膏复合膨胀剂[J].河北理工学院学报，2005，27（1）：97-100.
[9]吴君虎.明矾石混凝土膨胀剂在灌注桩基础中的应用[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2011（1）：18-20.
[10]Katsioti M， Giannikos D， Tsakiridis P E， et al. Properties and hydration of blended cements with mineral alunite [J]. Construction and Building Materials， 2009， 23（2）：1011-1021.
[11]Quennoz A， Scrivener K L. Hydration of C3A-gypsum systems[J]. Cement and Concrete Research，2012，42：1032-1041.
[12]GJBz20431-97设防工程抗动载锚喷支护技术规范[S].
[13]张世雄，章启忠.摩擦锚杆与砂浆锚杆锚固力的对比试验研究[J].铜业工程，2003（2）：17-20.
[14]Bouzabata H， MultonS， SellierA， et al. Swellings due to alkali-silica reaction and delayed ettringite formation： Characterisation of expansion isotropy and effect of moisture conditions[J].Cement & Concrete Composites， 2012， 34（3）： 349-356.
（编辑胡英奎）
关键词：锚杆；锚固材料；明矾石；钙矾石；早强；微膨胀
中图分类号：TU525.9； TU751
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0128-05
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。
戴银所，等：快硬微膨胀高强锚杆注浆材料的研制
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。
1原材料和实验方法
1.1原材料
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。
4锚杆抗拔试验
4.1试验方法
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。
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。
5结论
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。
参考文献：
[1]陈文，刘永球，仇学明.锦屏水电站左岸帷幕灌浆试验与分析[J].水利水电技术，2008，39（9）：22-25.
[2]朱训国.地下工程中注浆岩石锚杆锚固机理研究[D].辽宁大连：大连理工大，2006. [3]Benmokrane B， Chennouf A， Mitri H S. Laboratory evaluation of cement-based grouts and grouted rock anchors [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1995，32（7）：633-642.
[4]饶枭宇，唐树名，张永兴，等.注浆体配合比改善岩锚抗拔特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（2）：390-396.
[5]李红娜.锚杆注浆浆液参数优化研究[J].隧道建设，2011，31 （Sup2）：390-396.
[6]Coulter S， Martin C D. Single fluid jet-grout strength and deformation properties [J]. Tunneling and Underground Space Technology，2006，21（6）：690-695.
[7]Nocun-Wczelik W， Konik Z， Stok A. Blended systems with calcium aluminate and calcium sulphate expansive additives [J]. Construction and Building Materials， 2011，25（2）： 939-943.
[8]牛福生，张锦瑞，倪文明.矾石-石膏复合膨胀剂[J].河北理工学院学报，2005，27（1）：97-100.
[9]吴君虎.明矾石混凝土膨胀剂在灌注桩基础中的应用[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2011（1）：18-20.
[10]Katsioti M， Giannikos D， Tsakiridis P E， et al. Properties and hydration of blended cements with mineral alunite [J]. Construction and Building Materials， 2009， 23（2）：1011-1021.
[11]Quennoz A， Scrivener K L. Hydration of C3A-gypsum systems[J]. Cement and Concrete Research，2012，42：1032-1041.
[12]GJBz20431-97设防工程抗动载锚喷支护技术规范[S].
[13]张世雄，章启忠.摩擦锚杆与砂浆锚杆锚固力的对比试验研究[J].铜业工程，2003（2）：17-20.
[14]Bouzabata H， MultonS， SellierA， et al. Swellings due to alkali-silica reaction and delayed ettringite formation： Characterisation of expansion isotropy and effect of moisture conditions[J].Cement & Concrete Composites， 2012， 34（3）： 349-356.
（编辑胡英奎）