速凝型水泥卷锚固剂的试验研究

何军利，白琪，孙扬威，柯伟席，周天正

（武汉三源特种建材有限公司，湖北 武汉 430080）

0 引言

我国山岭隧道大多采用新奥法施工[1-3]，其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以期最大限度地保持围岩的固有强度和发挥其自承能力。锚杆支护是新奥法支护体系中的重要组成部分，能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性，有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展，充分发挥围岩自身的支撑作用，锚固质量直接关系到隧道结构服役状态及运营安全[4-5]。戴银所等[6]认为锚固质量不仅取决于锚杆的抗拉强度，还与锚固材料的性能、锚固方法等有关。

隧道锚杆一般采用的锚固材料有水泥基注浆锚固材料、水泥卷锚固剂和树脂锚固剂。隧道锚杆施作时采用水泥基注浆锚固材料，存在注浆不足、浆液填充不密实等问题；采用树脂锚固剂时，存在树脂渗漏、挺拔度不够[7]、成本高及耐久性差等问题。为此，本研究采用普通硅酸水泥与快硬硫铝水泥按一定比例进行复配，通过添加早强剂、膨胀剂等功能型外加剂配制出一种可快速凝结、锚固强度高、施工简便的水泥卷锚固剂。

1 试验

1.1 原材料

普通硅酸盐水泥：P·O42.5，华新水泥有限公司；快硬硫铝酸盐水泥：R·SAC42.5，宜城安达特种水泥有限公司；氧化钙类膨胀剂：FQYⅡ型，武汉三源特种建材有限公司；碳酸锂：工业级，四川国理锂材料有限公司；聚醚类消泡剂：D-130，江苏兆佳建材科技有限公司；聚羧酸减水剂：MELMENT_F10，BASF。选用的普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥及膨胀剂化学成分见表1。

表1 水泥和膨胀剂的主要化学成分 %

1.2 主要仪器设备

维卡仪：无锡建仪仪器机械有限公司；水泥净浆搅拌机：NJ-160A，无锡建仪仪器机械有限公司；水泥胶砂搅拌机：JJ-5，无锡建仪仪器机械有限公司；膨胀率测定仪：BZDY-158型，瓦房店建科实验仪器制造有限公司；钢筋锚杆拉拔仪：HC-50S，北京海创高科科技有限公司；全自动压力试验机：DY-208JFX，无锡东仪制造科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 凝结时间

先将拌合铁锅用湿棉布擦拭干净，称取600 g锚固剂，倒入拌合锅，加入120 g拌合水，采用水泥净浆搅拌机慢速搅拌120 s，装模。参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间检验方法》进行水泥卷锚固剂的凝结时间测试。

1.3.2 抗压强度

试样制备：先将拌合锅用湿棉布擦拭干净，称取锚固剂1800 g倒入拌合锅，加入360 g拌合水。采用行星式水泥胶砂搅拌机慢速搅拌120 s，然后迅速一次性装模，用振实台振动60 s，养护至规定龄期，按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行抗压强度测试。

1.3.3 限制膨胀率

按照1.3.2制备浆体，将搅拌好的锚固剂直接灌入试模，浆体应与试模的上边缘平齐，置于标准养护箱中养护1 d后脱模，测试初始长度，入水养护，测量水中养护第7 d和28 d时的长度。水泥卷锚固剂的限制膨胀率试验参照GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》中附录A进行。

1.3.4 锚固力

在混凝土块中钻取Φ50 mm×350 mm的孔，然后按1.3.2制备浆体灌入模拟孔中，再将钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（Φ25 mm×700 mm）插入锚固剂中。待凝固后安装钢筋锚杆拉拔仪进行锚固力测试。

2 结果与讨论

2.1 水泥复配比例对锚固剂凝结时间的影响

将硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复配，在不同比例下能够相互调节凝结时间[8]。在标准稠度用水量下，随着普通硅酸盐水泥掺量的增加，凝结时间显著延长[9]。水泥卷锚固剂的凝结时间测试为固定用水量（水灰比为0.20），胶凝体系按不同比例复配后的凝结时间测试结果见表2。

表2 不同比例复配水泥的凝结时间

由表2可见，水灰比为0.20时，复配水泥的凝结时间随着普通硅酸盐水泥掺量的增加而延长。钙矾石的形成速度与浆体中的C3A含量、石膏含量和Ca（OH）2浓度有关，而钙矾石的形成速度直接影响水泥凝结时间，凝结时间随钙矾石形成速度增大而缩短。水泥浆体的pH值由水化反应生成的Ca（OH）2浓度决定，在水灰比为0.20的情况，水泥浆体形成饱和的Ca（OH）2溶液，钙矾石的生成速度由浆体中的C3A含量、SO3含量决定，而随着P·O42.5水泥掺量的增加导致浆体中C3A含量、SO3含量降低，使复配水泥的凝结时间延长。当P·O42.5水泥与R·SAC42.5水泥的复配比例为10：90时，初凝时间为4min4s，终凝时间为6min47s，复配质量比为20∶80时，复配水泥的初凝时间为6 min15 s，终凝时间为9 min15 s。结合碳酸锂的促凝效果，选择P·O42.5水泥与R·SAC42.5水泥的复配质量比为（10～20）∶（80～90），选取15∶85进行后续的试验。

2.2 早强剂对锚固剂抗压强度的影响

研制的速凝型水泥卷锚固剂胶凝体系以硫铝酸盐水泥为主，常用于硫铝酸盐水泥的早强剂有碳酸锂、硫酸锂及硫酸铝。本文选取碳酸锂作为锚固剂的早强剂，碳酸锂掺量对锚固剂抗压强度的影响如表3所示。

表3 早强剂掺量对锚固剂抗压强度的影响

由表3可见：锚固剂短龄期的抗压强度随着碳酸锂掺量的增加而提高，但掺量超过0.04%时，增长幅度基本随碳酸锂掺量的增加而减小；但28 d抗压强度随着碳酸锂掺量的增加逐渐降低。碳酸锂的掺入，促进了AFt的形成，能够提高锚固剂的早期强度，同时大量生成的AFt包裹水化矿物，阻碍了硫铝酸盐水泥的水化进程[10]。由于碳酸锂的价格昂贵，综合考虑选用碳酸锂的掺量为0.03%。

2.3 膨胀剂对锚固剂性能的影响

膨胀剂因水化作用会产生一定的体积膨胀，可以补偿混凝土的早期收缩，在锚固剂中掺入膨胀剂可补偿早期收缩，产生微膨胀效果。膨胀剂掺量对锚固剂限制膨胀率和抗压强度的影响分别见图1、图2。

由图1可见，随着膨胀剂掺量的增加，锚固剂的7 d限制膨胀率逐渐增大。当膨胀剂掺量为7%时限制膨胀率达到0.036%，掺量超过7%时，限制膨胀率随掺量增大的幅度减小；28 d限制膨胀率随掺量的增加而增大。

由图2可见，膨胀剂掺量的增加，能提高锚固剂的0.5 h抗压强度，对1 h抗压强度的影响无明显规律，1 d抗压强度呈先提高后降低的趋势，28 d抗压强度有一定程度的降低。以适量的膨胀剂取代水泥，能够提高混凝土的抗压强度，当其掺量超过一定值时，会降低混凝土的抗压强度[11]。而速凝型水泥卷锚固剂需要在短时间内凝结并具有较高的抗压强度，短时间内释放大量的水化热，膨胀剂的掺入参与水泥的水化反应，生成大量的钙矾石，产生体积膨胀，在模具的限制条件下使得试件更为密实，从而体现出抗压强度的增长。0.5 h后膨胀剂的作用下降，故而1 h的抗压强度无明显变化；1 d龄期的锚固剂因膨胀剂的膨胀作用，抗压强度随其掺量的增加先提高，但当其掺量超过一定量后，产生过多钙矾石，钙矾石的膨胀和结晶压力作用造成钙矾石骨架结构中存在孔隙过多，导致抗压强度降低；掺入膨胀剂会降低28 d抗压强度，原因是速凝型水泥卷锚固剂中含有大量的硫铝水泥，掺入CaO类膨胀剂后，随着龄期的延长，膨胀剂与水泥反应持续产生AFt，造成体积膨胀，内部形成微裂纹导致28 d抗压强度降低。综合考虑，选择膨胀剂的掺量为5%。

2.4 速凝型水泥卷锚固剂的综合性能

根据以上试验结果，按P·O42.5水泥与R·SAC42.5水泥复配质量比15∶85，碳酸锂掺量0.03%、膨胀剂掺量5%、减水剂掺量0.15%、消泡剂掺量0.01%制备速凝型水泥卷锚固剂，进行性能测试，结果如表4所示。

表4 速凝型锚固剂的性能测试结果

由表4可见，按上述最佳配比制备的速凝型锚固剂早期抗压强度高，0.5 h、1 d抗压强度分别为19.2、39.3 MPa，0.5 h、1 d锚固力分别为160.4、228.9 kN，性能符合Q/CR 9248—2020《铁路隧道锚杆支护技术规范》中对速凝型Ⅰ水泥卷锚固剂的规定要求。

3 结论

（1）将普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复配能调节速凝型水泥卷锚固剂的凝结时间，普通硅酸盐水泥的复配比例越高，水泥卷锚固剂的凝结时间越长，2种水泥的最佳复配质量比为（10～20）∶（80～90）。

（2）水泥卷锚固剂短龄期的抗压强度随着早强剂碳酸锂掺量的增加而提高，但当掺量超过0.04%时，增长幅度减小。

（3）掺入膨胀剂能提高水泥卷锚固剂的0.5 h和1 d抗压强度，对1 h抗压强度影响不大，当膨胀剂掺量为5%时，其综合性能最佳；膨胀剂的掺入可使锚固剂后期产生微膨胀。

（4）按P·O42.5水泥与R·SAC42.5水泥复配质量比15∶85，碳酸锂、膨胀剂、减水剂、消泡剂掺量分别为0.03%、5%、0.15%、0.01%制备的速凝型水泥卷锚固剂，早期抗压强度高，0.5 h、1 d抗压强度分别为19.2、39.3 MPa，0.5 h、1 d锚固力分别为160.4、228.9kN。