锚杆注浆浆液参数优化研究

李红娜

(中铁隧道集团科研所，河南洛阳 471009)

0 引言

在岩土锚固工程中锚杆的支护作用，除缝管锚杆、水涨锚杆等摩擦式锚杆及树脂卷锚杆外，多是通过在安装孔内注浆、待其硬化后在锚杆体与安装孔间形成坚实的注浆层而发挥出来的。注浆就是以压力的形式把液态水泥质浆体以一定的压力注入到安装有锚杆的地(岩)层钻孔中的施工过程。锚杆注浆形成的锚固段提高了锚杆的承载力和安装后的抗拔力;同时，一定压力的注浆可以使注浆体渗入地(岩)层的裂隙和缝隙中，提高锚杆周围地层的强度和力学指标，从而起到固结地(岩)层、提高地(岩)层承载力的作用。此外包裹在锚杆体上的注浆层还对锚杆体起到隔离防护和防腐保护的效果。

由于水泥浆注浆材料具备的经济、方便和易操作性等诸多有利条件，目前在锚杆的安装施工中，已被国内外广泛采用，且水泥浆的质量直接影响到锚杆的锚固性能和永久性，其重要参数之一就是水泥浆液的配合比。

中国工程建设标准化协会颁布的标准CECS 22 2005《岩土锚杆技术规程》中规定:注浆材料应根据设计要求确定，不得对杆体产生不良影响，宜选用灰砂比1∶0.5 ～1∶1 的水泥砂浆或水灰比0.45 ～0.50 的纯水泥浆，必要时可加入一定量的外加剂或掺合料［1］;而在GB 50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范规定:水泥砂浆锚杆的水灰比宜为 0.38～0.45，同时一些有关锚固与注浆技术的书刊中多推荐最适宜的水灰比为0.40～0.45。为了更好地指导施工，取得合适的浆液配合比，笔者单位通过试验，认为采用较小的注浆液水灰比更适合于锚杆注浆，较大的水灰比的浆液虽有易于充填所钻孔中的裂隙的优点，但其不利的弊端更多。

1 试验原材料与试验方法

1.1 试验原材料

1)水泥。同力牌42.5，普通硅酸盐水泥。

2)河砂。粒径0.5 ～2 mm，细度模数1.3。

3)速凝剂。河南巩义跨越2000，液体。

4)水。生活用水。

1.2 试验方法

1)凝结时间。按照JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测定。

2)浆液流动度。按照T 0507—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测定。

3)浆液稠度。按照JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测定。

4)抗压强度。按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测定。水泥净浆的试模尺寸为70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm;水泥砂浆的试模尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

试验器材见图1和图2。

2 试验结果与分析

2.1 浆液各组成参数对浆液凝结时间的影响

在参照规范及文献［2－3］的基础上，经过大量试验，发现水灰比过小的时候浆液流动性太差，不满足注浆要求，水灰比过大的时候凝结时间过长，不满足早强效果要求，只有4组试验分别满足初凝时间在10 min左右，终凝时间在1 h之内。

2.1.1 水泥净浆浆液组成参数对浆液凝结时间影响

见图3和图4。

由图3和图4可以看出采用水灰比为0.4的水泥浆液在采用较小的速凝剂掺量时就可以满足初凝时间10 min，终凝时间1 h的凝结时间，并且随速凝剂掺量的增加终凝时间可以缩短更多，有利于浆液凝结时间控制，在早期达到黏结强度。

2.1.2 水泥砂浆浆液组成参数对浆液凝结时间影响见图5和图6。

图5 水灰比0.4，灰砂比1.0的浆液不同速凝剂对浆液凝结时间的影响曲线Fig.5 Curves of setting time of grout with 0.4 water-cement ratio，1 cement-sand ration and different accelerating admixtures

图6 水灰比0.4，灰砂比0.8的浆液不同速凝剂对浆液凝结时间的影响曲线Fig.6 Curves of setting time of grout with 0.4 water-cement ratio，0.8 cement-sand ration and different accelerating admixtures

由图5和图6可以看出采用水灰比为0.4的水泥砂浆同样可以很好地满足凝结时间限制。

2.2 浆液各组成参数对浆液流动度的影响

2.2.1 浆液各组成参数对浆液瞬间流动度的影响

见图7和图8。

由图7和图8可以看出随着速凝剂掺量的增加，注浆材料的瞬间流动度损失很大。为了更好地保证注浆效果，速凝剂的掺量应控制在5%以下。

2.2.2 浆液各组成参数对浆液各时间段流动度的影响

见图9和图10。

由图9和图10可知在速凝剂掺量为5%时，浆液在10 min后基本上可以满足初凝条件，具备早强性。

2.3 浆液各组成参数对浆液稠度的影响

见图11和图12。

图11 水灰比0.4，灰砂比1.0的浆液不同速凝剂对浆液瞬时稠度的影响曲线Fig.11 Denseness of grout with 0.4 water-cement ratio，1 cement-sand ration and different accelerating admixtures

图12 水灰比0.4，灰砂比0.8的浆液不同速凝剂对浆液瞬时稠度的影响曲线Fig.11 Denseness of grout with 0.4 water-cement ratio，0.8 cement-sand ration and different accelerating admixtures

由图11和12可以看出随灰砂比的减小，浆液的稠度会明显降低。在注浆过程中为了控制浆液的稠度，可以选用灰砂比相对较小的浆液。

2.4 浆液各组成参数对收缩比的影响

见图13。

图13 注浆材料收缩比随水灰比变化曲线Fig.13 Curve shows the relationship between the constringency of the grouting materials and water-cement ratios

由图13可以看出随水灰比的增大，注浆材料凝结后的收缩百分比越大，越不利于充填空隙，降低锚杆的黏结力，所以应选择水灰比相对小的注浆材料。

2.5 浆液各组成参数对浆液抗压强度的影响

2.5.1 水泥净浆各组成参数对浆液抗压强度的影响

见表1—4。

表1 水灰比0.45，速凝剂5%的浆液抗压强度Table 1 Compressive strength of grout with 0.45 water-cement ratio and 5%accelerating admixture

表2 水灰比0.45，速凝剂4%的浆液抗压强度Table 2 Compressive strength of grout with 0.45 water-cement ratio and 4%accelerating admixture

表3 水灰比0.40，速凝剂4%的浆液抗压强度Table 3 Compressive strength of grout with 0.40 water-cement ratio and 4%accelerating admixture

表4 水灰比0.40，速凝剂3%的浆液抗压强度Table 4 Compressive strength of grout with 0.40 water-cement ratio and 3%accelerating admixture

由表1到表4各配合比浆液的抗压强度可以看出，采用小水灰比0.4的浆液的抗压强度要大于采用水灰比0.45浆液的抗压强度。由表4可以看出采用0.4水灰比浆液的抗压强度在1 d后就可以到达22MPa，满足水泥基注浆材料验收标准。由表1至表4各表可以看出速凝剂掺量对浆液抗压强度的影响较大，速凝剂的掺量越大，浆液的抗压强度越小，所以在注浆过程中要控制速凝剂的掺量。为了更好地满足凝结时间限制，选用较小水灰比的浆液。

2.5.2 水泥砂浆各组成参数对浆液抗压强度的影响

见表5和表6。

表5 水灰比0.40，灰砂比1.0，速凝剂5%的浆液抗压强度Table 5 Compressive strength of grout with 0.40 water-cement ratio，1 cement-sand ratio and 5%accelerating admixture

表6 水灰比0.40，灰砂比1.25，速凝剂5%的浆液抗压强度Table 6 Compressive strength of grout with 0.40 water-cement ratio，1.25 cement-sand ratio and 5% accelerating admixture

由表5和表6可以看出采用较小水灰比，同样满足水泥注浆材料的强度要求。

3 工程实践

兰渝铁路木寨岭隧道DK177+700～DK192+170段以软质板岩为主，夹极软岩炭质板岩，受构造影响岩体破碎，该地段同时处于高地应力区。该地段由于岩土破碎，地应力较高，在开挖后极易发生较大变形，所以必须要及早支护，对注浆锚杆浆液凝结时间有更高的要求。通过实验，水泥静浆采用水灰比为0.4的水泥浆液在采用较小的速凝剂掺量时(3% ～4%)，或者水灰比为0.45的水泥浆液，速凝剂掺量4% ～5%，就可以满足初凝时间10 min，终凝时间1 h的凝结时间;水泥砂浆采用水灰比0.4，灰砂比1.0的，速凝剂掺量采用4% ～5%，或者采用水灰比0.4，灰砂比0.8的，速凝剂掺量采用5%～6%，在该地段工程应用中取得了极大的成功，有效地控制了围岩变形，后期围岩监测变形在20 mm之内。

4 结论与讨论

水泥浆或水泥砂浆的配合比直接影响浆体的强度、密实性和注浆作业的顺利进行。水灰比太小，可注性差，易堵管，常影响注浆作业正常进行;水灰比太大，浆液易离析，注浆体密实度不易保证，硬化过程中易收缩，浆体强度损失较大，常影响锚固效果。因此，采用相对较小的水灰比，适当的速凝剂，可以更好地满足工程需要。

［1］ 国家人民防空办公室.GB 50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2001.

［2］ 杨卓，陈洪光.盾构隧道同步注浆浆液配比分析及优化设计［J］.隧道建设，2009，29(S2):29 －32.

［3］ 贺雄飞，王光辉.单液活性同步注浆浆液的配合比试验［J］.隧道建设，2010，30(1):15 －20，29.(HE Xiongfei，WANG Guanghui.Study on mixing proportion of singlecomponent active grout for simultaneous grouting［J］.Tunnel Construction，2010，30(1):15 －20，29.(in Chinese))