水对新型自膨胀锚杆腐蚀影响试验

朱晨迪，徐 帅，龚永超，林卫星，陆锦涛，冯福康

(1.长沙矿山研究院有责任公司，长沙 410083；2.国家金属采矿工程技术研究中心，长沙 410083；3.东北大学 资源与土木工程学院，沈阳 110819；4.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，沈阳 110819)

自膨胀锚杆[1]英文名称Self Swelling Anchorage Bolt，简称SSAB，与传统支护方式相比，锚杆支护可以在一定程度上有效的降低支护材料的投入和运输，减少支护材料所消耗的成本，一方面由于支护作用锚杆深入围岩岩体，节约巷道的空间，在设计巷道断面时可以适当减小巷道断面面积，节约了成本；其次锚杆支护稳定性好，可有效减少巷道的养护，降低养护成本。另一方面锚杆支护属于主动支护方式，能够快速起到支护作用，提高巷道及支护断面围岩的稳定程度，使其矿山企业很快投入生产。随着锚杆的应用越来越广泛以及矿山浅部资源的枯竭，深部开采面临高地应力、高井深、高渗透地压、高地温等问题，由于高地应力带来的危害因此必须采取相应的支护措施，只有支护方法得当才能有效改善围岩应力分布，抑制围岩变形，防止围岩的失稳破坏和 岩爆带来的灾害。深部开采带来的高地应力及复杂的环境致使普通锚杆锚固力不足、锚固失效等问题的出现，基于这些复杂的原因研发了自膨胀锚杆。然而随着深地的复杂环境及锚杆使用年限的原因，大量的锚杆结构表现因腐蚀[2]而导致锚固能力不足甚至彻底损坏的现象。徐洪等[2-9]研究了砂浆锚杆的耐久性，通过室内与现场试验相结合的方式，证明了地下水、酸碱度及硫酸盐对锚杆的腐蚀有一定的影响；宋根祥等[4]研究了水对树脂锚杆锚固力的影响性研究，通过钻孔内静态水与动态水试验及井下顶板淋水研究发现水对树脂锚杆的粘结性产生一定影响，从而影响锚杆的锚固力。肖玲等[5]调查了河南焦作煤矿地下巷道腐蚀环境和现场10a管缝式锚杆腐蚀状况，对地下水腐蚀物含量、锚杆宏观损失和局部坑蚀情况实施了测量，并对锚杆体极限承载力和塑性性能进行测试，结果表明锚杆腐蚀严重，锚杆外表面以坑蚀为主，内表面近似均匀腐蚀；王小伟等[9]通过开展预应力锚杆室内加速腐蚀试验，描述了预应力锚杆表观腐蚀演化特征，分析了PH、O2协同作用下预应力锚杆损伤机制，建立了基于酸性环境下腐蚀电流密度时变模型，表征了氧含量与腐蚀速率间的关系。

因此锚杆腐蚀研究成为多数矿山关心的问题，通过对锚杆锚固性[10-12]研究可以掌握锚杆的失效时间、失效形式以及锚杆的失效原因，在掌握锚杆的失效情况之后，矿山的支护过程可以改变支护的结构以及增加防护装置，降低对锚杆的腐蚀，防止安全事故的发生，对矿山的安全生产有着重要的意义。

1 自膨胀锚杆结构

SSAB是由直径20 mm左旋无肋、长2.2 m螺纹钢、包药桶模具、牛皮纸海绵、膨胀锚固剂、束紧螺母、垫片等共同组成。

1.1 包药桶模具

包药桶模具采用3D打印的方法，将高分子材料PLA经过3D打印机制作成内径23.5 mm、壁厚0.5 mm、包药桶底座直径40 mm、底座厚3 mm的包药桶模具，包药桶模具的结构如图1所示。

图1 包药桶模具(单位：mm)Fig.1 Packing drum mould(Unit：mm)

1.2 包药桶

包药桶由牛皮纸、海绵、包药桶模具共同组成，选用厚度为0.15 mm的牛皮纸作为包药桶的外层，采用厚度为0.2mm的中密海绵作为包药桶的内层，将0.15 mm厚的牛皮纸裁剪成14 mm×14 mm，将0.2 mm厚的中密海绵裁剪成12 mm×13 mm，用白乳胶将卷成圆柱状牛皮纸粘贴而后将包药桶模具放入卷好的牛皮纸桶内将一端封闭，随后将0.2 mm中密海绵放入包药桶模具及牛皮纸之间，其结构与实物图如图2所示。

图2 药卷包装桶Fig.2 Cartridge drums

包药桶有如下作用：1)膨胀锚固剂为粉末状不易成型，因此借助于牛皮纸的韧性来保护膨胀锚固剂，防止膨胀锚固剂在插入钢管或者钻孔时破坏膨胀锚固剂性能；2)充分利用海绵吸水的性能保证膨胀锚固剂充分与水反应，提高膨胀锚固剂的吸水速率，另一方面海绵还可以组织膨胀锚固剂在泡水后漏粉，影响膨胀性能。

1.3 膨胀药卷

将膨胀锚固剂放入事先准备好的包药桶内，在包药桶模具的中间放置一个锥形包药辅助结构，辅助结构防止膨胀锚固剂漏入包药桶模具内管内，在装膨胀剂的过程中不断的颠包药桶这样增加药卷的密度防止在泡水过程漏粉，在颠药卷的过程同时用凿桶不断的凿实，单个药卷加上海绵牛皮纸的总质量保证在180 g左右，保证药卷的密度在1.85 g/cm3。膨胀药卷结构及实物如图3所示。

1-包装桶模具内壁；2-膨胀锚固剂；3-中密海绵；4-包药桶模具底座图3 膨胀药卷Fig.3 Cartridge expansion

2 膨胀作用机理

SSAB锚杆能够起到加固围岩的作用，主要是由于自膨胀锚固剂的膨胀作用来实现锚杆的特性起到支护的作用，作用机理如图4所示。SSAB锚杆最主要的成分来膨胀锚固剂，自膨胀锚固剂主要成分为膨胀锚固剂-CaO，并伴有减水剂、缓凝剂等成分配比。主要运用CaO与水结合生成Ca(OH)2结晶，在Ca(OH)2结晶生成的过程中体积不断增大，晶体间裂隙不断增大，最终其膨胀倍率有30%～40%，通过改变膨胀锚固剂的添加成分，膨胀率甚至可达50%左右。SSAB锚杆在使用安装过程非常简单，矿上使用时将锚杆在地面组装，带至地下用水浸泡7～10 min放置提前预制的钻孔内，使用简单，安装方便快捷，前期在没有腐蚀的情况下，锚杆在室内加锚6个药卷时，通过拉拔测试锚杆的锚固力达到240 kN，达到螺纹钢极限抗拉强度，通过测试发现锚杆具有锚固力大等特性，更重要的是在SSAB锚杆端部加装锚头，可以实现不同角度的安装及支护需求。最后由于膨胀锚固剂自身的膨胀性能在30～100 MPa，以其巨大的膨胀压力，适用于各种岩体尤其是破碎岩体，在破碎岩体中依靠自身的巨大膨胀压来改善破碎岩体性能，增强岩石的稳固程度，达到更好的支护效果。

1-轴向束紧螺母；2-垫片；3-围岩；4-膨胀药卷；5-螺纹钢图4 膨胀锚固剂作用机理Fig.4 Mechanism of expansion anchoring agent

3 室内试验研究

水对锚杆的腐蚀是最常见的，因为钢材在潮湿的环境下容易发生锈蚀，从而影响锚杆的锚固性能降低锚杆的锚固力。因此模拟饱水环境对锚杆的影响极为重要。水不仅对SSAB锚杆杆体产生影响而且由于水的浸泡作用也可能会分解锚固剂，基于此开展了SSAB锚杆在饱水环境下锚固能力测试。

3.1 试验方案

为了探究自膨胀锚杆在水环境条件下自膨胀锚杆拉拔力的影响开展了不同时间效应下记录锚杆拉拔力变化的实验方案设计见表1。

表1 水环境对锚杆腐蚀时间效应实验方案

同时为了探究膨胀锚固剂在反应前及反应后成分含量的变化，借鉴XRD成分分析的方法对膨胀锚固剂反应前的成分、与水化合后以及在不同腐蚀环境下开展了XRD成分分析及定量分析实验，本实验的背景来源于自膨胀锚杆的腐蚀，通过对腐蚀后的自膨胀锚杆成分进行分析来探究自膨胀锚杆作用机制，进而从微观的角度对自膨胀锚杆作进一步的了解。本实验设置了2组实验方案，每组实验展开两次，降低实验结果的偶然误差。控制实验温度20 ℃，实验方案如表2所示。对本次实验所需用的Ⅱ型膨胀锚固剂及自膨胀锚杆在经过相应的腐蚀后，开展成分分析实验。对于不同环境下的腐蚀条件在经过一段腐蚀后取出锚杆取样对其样本进行分析。XRD成分分析实验方案见表2。

表2 水环境腐蚀XRD成分分析实验

膨胀锚固剂在使用前要先经过水化作用，即要在药卷表面开孔放入20 ℃温度水中浸泡8 min，每个膨胀锚固剂的质量180 g、密度为1.85 g/cm3、室内测得吸水率为26.3%，由于膨胀锚固剂密度较高，因此膨胀锚固剂吸水可能不够充分。其次如果膨胀锚固剂被腐蚀也可能是某一个药卷最先受到破坏如两端药卷，通过称重即可知道SSAB是否产生质量的变化进而是否被腐蚀。实验方案见表3。

表3 水环境腐蚀前后称重变化

3.2 试验装置

1)锚杆反应装置：SSAB锚杆的反应装置设计：

(1)反应装置主要由直径315 mm、厚10 mm、长1.5 m的PVC管组成，首先在PVC管的一端密封，密封用混凝土砂浆在PVC管内部填塞高约10 cm厚，填塞完成后在PVC管的内部泼洒水泥浆用来密封，另一方面在填塞的底端用密封胶将PVC管与填塞混凝土砂浆粘结防止渗水，如图5所示。然后在密封端的底部浇筑一个高40 cm圆柱包裹PVC管的底部密封端，将浇筑完成的圆柱状圆台放入预先准备好的盆内，防止由于密封不好漏水，如图5所示。该装置用一个小型抽水泵更换溶液。

图5 SSAB反应装置Fig.5 SSAB reaction device

(2)锚杆拉拔装置

依据新型自膨胀锚杆的结构，设计研发了自膨胀锚杆拉拔装置，装置主要由油压控制系统、弹簧位移计、磁力基座、紧固六角螺母、拉压力传感器、液压千斤顶、固定环、侧面约束装置、移动平台等部分组成，结构设计及实物图如图6所示。

1-油压控制系统；2-实验平台；3-电阻式弹簧位移计；4-磁力基座；5-防滑六角螺母；6-拉压力传感器；7-液压千斤顶；8-固定环；9-膨胀锚固药卷；10-侧面约束装置；11-移动平台；12-锚杆杆体图6 锚杆拉拔装置Fig.6 The bolt drawing device

2)XRD成分分析设备，多晶衍射仪(图7)也称为粉末衍射仪，被测对象通常为粉末。

图7 X射线衍射仪Fig.7 X-ray diffractometer

多晶衍射样品的制备方法，X射线粉末衍射仪的基本特点是所用的测量试样是由粉末(许多小结晶)聚集而成的。要求在试样的制备过程中小晶粒的数量尽可能多。且小晶粒的方向与位置是混乱无序的，只有这样X射线才能在一定范围对所有小晶粒的概率是相同的。因此可以通过照射反应强度来体现每一结构的含量大小。

3.3 试验材料

1)反应装置

2)SSAB及钻孔模拟钢管

3)JM3812静态应变采集仪

4)锚杆拉拔装置

5)AR-807电子秤

6)数显游标卡尺

7)研磨装置及300目筛子

3.4 测试步骤

在实验开展前首先要对拉拔装置进行检查，拉拔装置包括拉压力传感器、弹簧位移计、数据采集设备及动力输出装置油泵千斤顶等，由于拉压力传感器与弹簧位移计均为数据收集设备因此在使用前要对仪器进行标定。

1)拉压力传感器标定

拉压力传感器标定采用300 kN压力机给传感器施加一定的压力，将三线制拉压力传感器接在JM3812静态应变采集仪上，开动压力机分别在拉压力传感器施加10、20、30、40、50、60、…、260 kN的压力，然后通过静态应变采集仪记录相对应的压力变化，通过绘制压力机施加的压力与静态应变采集仪采集的压力绘制曲线，并绘制两者的拟合曲线进而找到两者间的关系，为了降低实验偶然误差的影响，实验连续进行三次，实验结果如图8所示，通过得到的拟合曲线完成对拉压力传感器的标定。

图8 压力机压力与压力传感器压力两者关系 Fig.8 Relationship between press pressure and pressure sensor pressure

通过标定的曲线得到拟合公式，拟合公式如式1所示。

y=1.13x-0.40948±0.115

(1)

式中，y为JM3812静态应变采集仪示数，kN；x为锚杆所受拉拔力，kN。

2)弹簧位移计标定

弹簧位移计的标定实验类似于压力传感器标定，首先将弹簧位移计固定在某一平面上，将弹簧位移计的另一端采用三线变阻器的接线与JM3812静态应变采集仪相连接。采用游标卡尺1～300 mm对弹簧位移计进行标定通过记录游标卡尺与静态应变采集仪采集的位移，进而绘制两者的曲线，且通过曲线拟合两者的关系，拟合曲线如图9所示。

图9 弹簧位移计标定曲线Fig.9 Spring displacement meter calibration curve

为了降低偶然误差因素影响，对弹簧位移计的标定共进行3次以降低偶然误差，通过标定最终拟合的公式如式2所示。

y=x

(2)

式中，y为JM3812静态应变采集仪示数，mm；x为锚杆实际位移，mm。

3)SSAB组装

SSAB包括螺纹钢杆体、轴向束紧螺母、垫片及膨胀锚固剂，首先将膨胀锚固剂表面开口，而后放入25 ℃的水中浸泡8 min取出将膨胀锚固剂依次穿在螺纹钢上如图10(a)所示，膨胀锚固剂组装完成后将SSAB插入钻孔模拟的钢管内，钻孔模拟装置采用内径44 mm、壁厚5 mm、长1.2 m的圆钢，为了更好的模拟现场环境对SSAB的腐蚀在钢管的表面打孔，孔径12 mm，每隔15 cm依次打孔，如图10(b)所示。将SSAB放入钻孔模拟钢管，待反应24 h后，将SSAB连同钻孔模拟钢管一起放入反应装置内，腐蚀实验目的是探究SSAB在该溶液的腐蚀条件下SSAB的锚固能力，因此实验共组装6根锚杆来探究不同时间效应下SSAB的锚固能力。实物如图10所示。

图10 组装完成实物图Fig.10 Assembly physical picture

将放入反应装置的SSAB分别在1、2、3、4、5、6个月的时间，每隔一个月取出锚杆，首先对锚杆称重，然后在对其锚杆进行拉拔。由于本实验所耗费的成本较高，因此每组实验均只拉拔一次。将拉拔完成后的数据采用Origin进行数据处理。

4)成分分析

粉末样品的制备：X射线衍射的粉末样品要求有：(1)粒度均匀；(2)粒度在48 μm左右；(3)样品用量不少于0.5 g。具体制备过程如下：

制粉：为了保证制样的质量，首先要多取一些样品，制样品粉末时将样品粉末用300目的筛子过滤，将过滤下来的粉末用于实验分析。由于本实验的膨胀锚固剂属于固体，因此在制粉的过程需要将块状固体研磨并用筛子过滤。如图11所示。

图11 研磨装置及300目筛子Fig.11 Grinding device and 300 mesh sieve

将制好的样品试样插入衍射仪样品架，关闭设备的门，扫描的角度选择5°～90°，扫描步长设置为0.02°，扫描速度设置为(1°～2°)/min，光管电压选择Cu靶设置为40 kV，设置完成后放入样品监测室进行扫描，待扫描完成时打开仪器门取出被测样品。插入光盘将数据导出即完成本次实验。然后将导出完成的数据运用MDI Jade6软件进行数据处理。

3.5 试验结果分析

1)锚固力变化

按设计的实验方案，分别对上述几组实验数据进行整理，分别绘制出不同效应时间下SSAB位移-拉拔力关系曲线，曲线如图12所示。

图12 不同时间效应下SSAB位移-拉拔力曲线Fig.12 SSAB displacement-pull force curve for different time effects

水溶液腐蚀机理：SSAB锚杆在经过水化反应24 h后膨胀锚固剂自身体积增大占据SSAB与钻孔模拟钢管间的孔隙使SSAB紧密与钢管内壁紧紧贴合，水溶液通过浸透及软化作用与膨胀锚固剂的表面接触进而改变膨胀锚固剂的强度，起到腐蚀作用。但是从图12、13可以看出，在将SSAB浸泡在水溶液中后水溶液透过钢管表面的孔壁以及钢管两端接触膨胀锚固剂，随着SSAB浸泡时间的增加，SSAB在经过拉拔后锚杆破坏以杆体断裂为主要形式。且随着腐蚀时间的增加，起初杆体伸长很小，当拉拔力达到190 kN，锚杆杆体伸长位移增大加快。然而从拉拔的数据看，实验结果并没有腐蚀膨胀锚固剂，SSAB断裂都表现杆体断裂。且随着腐蚀时间的延长螺纹钢的伸长率在不断地减小，也证明了螺纹钢在水溶液的环境下经过腐蚀后杆体性质发生变化导致。从侧面反映了水溶液对SSAB锚杆影响较小，但在支护前要做好螺纹钢的防护工作，防止由于外界环境用的作用使杆体发生断裂。

图13 饱水杆体伸长率Fig.13 Elongation of a saturated rod

2)成分分析变化

对于用MDIJade6处理结果，对于样品在设备内可以清晰的看到每一个峰值的强度体现样品在转过不同的角度时，射线通过照射样品，样品每转过一个角度照射出不同晶体结构，进一步通过XRD衍射仪呈现图谱上。这样可以很清晰的看出膨胀锚固剂的成分组成，当SSAB经过水溶液腐蚀后将钻孔模拟装置钢管在钻孔处截断依次取样、研磨，用XRD衍射仪进行成分分析，了解了腐蚀后的产物也可以进一步知道膨胀锚固剂的膨胀机理，为膨胀锚固剂的研究提供依据。进一步对MDI Jade6处理的数据分析，还可以掌握不同反应产物的含量所占的百分比，如图14所示。

图14 XRD成分分析Fig.14 XRD component analysis

从XRD分析的结果看出，再将SSAB浸泡在水溶液中经过一段时间取出锚杆后将锚杆沿钢管表面的钻孔处截断，然后进行取样分析，分析结果显示，样品全部为氢氧化钙，正是氧化钙在经过水化后的产物，分析结果中出现的碳酸钙是由于在取样研磨的过程氢氧化钙吸收空气中的二氧化碳所导致的。图14的结果说明，SSAB浸泡在水溶液并没有对组分产生影响，由于氧化钙与水化合在锚固药卷轴向约束的情况下，只能在径向产生膨胀作用，分子间相互挤压致使分子间引力增大，导致水化后的锚固药卷更加密实，因而水溶液不容易透过锚固药卷证明了水溶液的腐蚀对SSAB锚固特性影响极小。

3)重量变化

SSAB腐蚀前后质量的改变作为评价SSAB性能的一个指标，最为直接的反映出SSAB是否受到水溶液的影响，分别将六根SSAB锚杆在浸泡溶液前称重及在经过一段腐蚀后取出锚杆晾干再次称重，如表4所示，对数据处理得到如图15的变化曲线。

表4 SSAB静水溶液浸泡后质量变化

分别在SSAB固定腐蚀时间内取出锚杆将水分控干后称重，随着腐蚀时间的增加，锚杆质量呈增加趋势。说明了在经过不同时间腐蚀后，由于锚固药卷吸水不够充分，或者在药卷反应时放出大量的热致使水分蒸发，在浸泡过程药卷进行二次吸水，导致锚杆质量有所增加。且从增加的百分比看，前两个月锚杆质量增加明显，以后稳定于3.1%左右。水溶液并没有对SSAB产生影响反而质量有所增加，从锚杆的拉拔测试结果以杆体断裂为主，不影响锚杆锚固力大小，说明水对锚杆锚固力影响较小。

图15 水溶腐蚀前后重量变化Fig.15 Weight change before and after water-soluble corrosion

4 结论

1)介绍了自膨胀锚杆的结构组成，主要是由药柱模具、自膨胀锚固剂、牛皮纸、海绵等组成。

2)自膨胀锚杆通过膨胀锚固剂自身的膨胀性能，在有限的钻孔空间内对钻孔壁产生挤压作用，将锚杆与钻孔紧密结合，当围岩发生松动破坏时，托盘受到围岩松动产生的拖拽作用，带动杆体向外移动，这是锚杆与钻孔内壁产生摩擦作用，可以有效的控制围岩大变形，进而起到加固围岩的作用。

3)自膨胀锚杆经过水溶液6个月侵蚀后，水溶液对自膨胀锚杆锚固剂几乎没有影响，水溶液并不能改变膨胀锚固剂的锚固性能。体现在自膨胀锚杆的断裂都是以杆体断裂的形式破坏，且经过细观成分分析，水侵蚀后膨胀锚固剂的成分基本无变化，产生的碳酸钙主要是由于与空气接触吸收二氧化碳导致的，由于膨胀锚固剂遇水化合在轴向约束的情况下径向产生大的膨胀力致使分子间引力增大致密，所以水对自膨胀锚杆锚固力影响较小。