何軍利，白琪，孫揚威，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]，其特點是在開挖面附近及時施作密貼于圍巖的噴射混凝土和錨桿支護，以便控制圍巖的變形和應力釋放，從而在支護和圍巖的共同變形過程中，調(diào)整圍巖應力重分布而達到新的平衡，以期最大限度地保持圍巖的固有強度和發(fā)揮其自承能力。錨桿支護是新奧法支護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)及運營安全[4-5]。戴銀所等[6]認為錨固質(zhì)量不僅取決于錨桿的抗拉強度，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。隧道錨桿施作時采用水泥基注漿錨固材料，存在注漿不足、漿液填充不密實等問題；采用樹脂錨固劑時，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行復配，通過添加早強劑、膨脹劑等功能型外加劑配制出一種可快速凝結(jié)、錨固強度高、施工簡便的水泥卷錨固劑。

1 試驗

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，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成分見表1。

表1 水泥和膨脹劑的主要化學成分 %

1.2 主要儀器設(shè)備

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

1.3 試驗方法

1.3.1 凝結(jié)時間

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慢速攪拌120 s，裝模。參照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間檢驗方法》進行水泥卷錨固劑的凝結(jié)時間測試。

1.3.2 抗壓強度

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慢速攪拌120 s，然后迅速一次性裝模，用振實臺振動60 s，養(yǎng)護至規(guī)定齡期，按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行抗壓強度測試。

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，漿體應與試模的上邊緣平齊，置于標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護1 d后脫模，測試初始長度，入水養(yǎng)護，測量水中養(yǎng)護第7 d和28 d時的長度。水泥卷錨固劑的限制膨脹率試驗參照GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中附錄A進行。

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行錨固力測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥復配比例對錨固劑凝結(jié)時間的影響

將硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復配，在不同比例下能夠相互調(diào)節(jié)凝結(jié)時間[8]。在標準稠度用水量下，隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加，凝結(jié)時間顯著延長[9]。水泥卷錨固劑的凝結(jié)時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配后的凝結(jié)時間測試結(jié)果見表2。

表2 不同比例復配水泥的凝結(jié)時間

由表2可見，水灰比為0.20時，復配水泥的凝結(jié)時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)時間，凝結(jié)時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水泥摻量的增加導致漿體中C3A含量、SO3含量降低，使復配水泥的凝結(jié)時間延長。當P·O42.5水泥與R·SAC42.5水泥的復配比例為10：90時，初凝時間為4min4s，終凝時間為6min47s，復配質(zhì)量比為20∶80時，復配水泥的初凝時間為6 min15 s，終凝時間為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水泥的復配質(zhì)量比為（10～20）∶（80～90），選取15∶85進行后續(xù)的試驗。

2.2 早強劑對錨固劑抗壓強度的影響

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劑，碳酸鋰摻量對錨固劑抗壓強度的影響如表3所示。

表3 早強劑摻量對錨固劑抗壓強度的影響

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

2.3 膨脹劑對錨固劑性能的影響

膨脹劑因水化作用會產(chǎn)生一定的體積膨脹，可以補償混凝土的早期收縮，在錨固劑中摻入膨脹劑可補償早期收縮，產(chǎn)生微膨脹效果。膨脹劑摻量對錨固劑限制膨脹率和抗壓強度的影響分別見圖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。當膨脹劑摻量為7%時限制膨脹率達到0.036%，摻量超過7%時，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抗壓強度，對1 h抗壓強度的影響無明顯規(guī)律，1 d抗壓強度呈先提高后降低的趨勢，28 d抗壓強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度，當其摻量超過一定值時，會降低混凝土的抗壓強度[11]。而速凝型水泥卷錨固劑需要在短時間內(nèi)凝結(jié)并具有較高的抗壓強度，短時間內(nèi)釋放大量的水化熱，膨脹劑的摻入?yún)⑴c水泥的水化反應，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，從而體現(xiàn)出抗壓強度的增長。0.5 h后膨脹劑的作用下降，故而1 h的抗壓強度無明顯變化；1 d齡期的錨固劑因膨脹劑的膨脹作用，抗壓強度隨其摻量的增加先提高，但當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，導致抗壓強度降低；摻入膨脹劑會降低28 d抗壓強度，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，膨脹劑與水泥反應持續(xù)產(chǎn)生AFt，造成體積膨脹，內(nèi)部形成微裂紋導致28 d抗壓強度降低。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)以上試驗結(jié)果，按P·O42.5水泥與R·SAC42.5水泥復配質(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度高，0.5 h、1 d抗壓強度分別為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《鐵路隧道錨桿支護技術(shù)規(guī)范》中對速凝型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配能調(diào)節(jié)速凝型水泥卷錨固劑的凝結(jié)時間，普通硅酸鹽水泥的復配比例越高，水泥卷錨固劑的凝結(jié)時間越長，2種水泥的最佳復配質(zhì)量比為（10～20）∶（80～90）。

（2）水泥卷錨固劑短齡期的抗壓強度隨著早強劑碳酸鋰摻量的增加而提高，但當摻量超過0.04%時，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抗壓強度，對1 h抗壓強度影響不大，當膨脹劑摻量為5%時，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，早期抗壓強度高，0.5 h、1 d抗壓強度分別為19.2、39.3 MPa，0.5 h、1 d錨固力分別為160.4、228.9kN。