CN1182065C - 一种快锚型无机粘结灌注材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

快锚型无机粘结灌注材料及其制备工艺，涉及一种锚固粘结灌注材料及其制备工艺。它是由硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥为主要组分，掺入磨细石膏、抗裂剂、分散剂、缓凝剂在混合机中共同混合而成的均匀粉料。本发明主要作为锚杆、预应力锚索的粘结材料进行快速锚固施工。本灌注材料凝结前自流、不泌水、可灌注入孔、自密实性能好；凝结时间在1小时至4小时之间可调，硬化后立即产生较高的强度，1天及中、后期强度高，与锚杆杆体、孔壁的粘结力强；使锚杆安装快、承载快、抗拔力高；对破碎岩体或地层有固结作用，特别适合洞室较低温度下施工；生产制备工艺简单、无毒、无害，不污染环境；易于储存、运输；使用方便、施工快捷、容易掌握。

Description

一种快锚型无机粘结灌注材料及其制备工艺
技术领域本发明涉及一种锚固粘结灌注材料及其制备工艺，主要作为锚杆、预应力锚索的粘结材料进行快速锚固施工的锚固注浆材料及其制备工艺。
背景技术在岩土工程中使用锚固技术在国际上始于20世纪20年代。国内外大量实践证明，锚固技术对于地表、地下的各种大、中、小型岩土加固工程，的确是一种高效、经济的加固措施。近年来，随着岩土锚固理论研究的深入，锚固技术得到了迅速发展和广泛的应用，几乎触及到土木建筑、水利水电等领域的各个角落，如矿山井巷、隧道工程和地下洞室等地下工程的锚杆支护以及道桥基础加固、高陡边坡稳固、大型弧门闸墩加固坝基加固和各种现有建筑物的补强与加固等方面。锚固技术的发展，使锚固方式越来越多，目前有机械式锚固、粘结式锚固、摩擦式锚固、预应力锚固等多种形式，其中以使用粘结式锚固所占的比例最大，我国目前工程中使用的粘结式锚固材料主要有水泥砂浆、快硬水泥药卷和树脂药卷三种类型。
水泥砂浆锚固材料是以普通硅酸盐水泥为主材，必要时掺入一定量的外加剂，如早强剂、减水剂、缓凝剂、膨胀剂和抗泌剂等。其特点是采用注浆法施工，成本低，但其早期强度低，不能及时产生粘结力和握裹力，即使是掺有早强剂、减水剂等外加剂的水泥砂浆也难以在3～6小时内提供足够的拉拔力。同时，温度对普通水泥水化反应速度影响较大，且施工质量不易保证。一般来说，普通水泥砂浆锚杆需要经过7天以上才能满足设计的抗拔力要求，严重影响下一道工序的施工进度。普通水泥砂浆注浆时，水灰比的影响很大，水灰比过小，可注性差，也容易堵管，影响注浆作业的进行：水灰比过大，杆体插入后，砂浆易往外流淌，孔内砂浆不饱满，影响锚固效果。水泥砂浆锚杆注浆时还容易造成砂浆空洞、浆体不密实，早强强度低、锚固力提供慢、一般不能施加预应力的问题。
快硬水泥药卷一般是在氟铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥中添加早强剂或在普通硅酸盐水泥中添加速凝剂、膨胀剂等制成的具有快凝、快硬、早强、微膨胀、初期锚固力大的药卷式锚固材料，它既可用于端头锚固，也可用于全长粘结式锚固。普通硅酸盐水泥快硬药卷一般1～3小时抗压强度为4～20MPa，1天抗压强度25～35MPa，快硬硫铝酸盐水泥药卷一般0.5～1h抗压强度为20～25MPa，2h抗压强度30MPa以上。这两种快硬水泥药卷一般初凝时间小于5min，终凝小于10min，0.5～1h锚固力根据岩层不同一般可达40～120KN，1d的拉拔力一般可超过锚杆杆体的拉断力。快硬水泥药卷在使用中仍然存在一定问题，如其结构复杂，制作工艺要求高；直径需根据现场需要来定作：制作成本较高，运输、储存不便等问题。使用时要求水泥与水混合均匀，水灰比适宜，因此对药卷浸水时间控制非常严格，因为当水泥药卷浸水时间超过水泥终凝时间，水泥药卷会发热、变硬，只能报废，故浸水后的药卷应立即用杆体送入孔底，不能有任何延迟，并且锚杆安装还要求机械连续搅拌，因此快硬水泥药卷锚杆的安装存在可操作时间短、可操作性差，对施工组织管理要求非常严格，一旦某一环节出错，不仅锚固失效，而且废掉孔洞和浪费药卷。
树脂药卷是以不饱和聚酯树脂及固化剂等组成，其特点是固化时间短(由几十秒到几分钟)，强度增长快(半小时抗压强度可达28d强度的65％～96％)，强度高(最终抗压强度达60～120MPa)，因此能及时提供支护能力，因其成本高，故一般只用作端头锚固。树脂药卷与水泥药卷一样制作比较复杂，安装树脂锚杆的搅拌机具需用旋转式锚杆机或风动搅拌器，以迅速推锚杆入孔位并将树脂和固化剂搅拌均匀，施工环境温度和湿度对树脂固化速度和锚固效果影响大，还存在有毒，储存期长易失效、容易老化的问题。
为此，提供一种能把水泥砂浆锚杆的注浆施工简便和快硬水泥(树脂)药卷锚杆初期锚固力高的优点结合起来，可采用注浆法进行方便施工，又能产生较大初期强度的快锚型无机粘结灌注材料尤为必要。
发明内容  本发明的目的是针对现有水泥砂浆锚杆、快硬水泥药卷锚杆和树脂药卷锚杆所存在的问题和不足，旨在提供一种可灌、快硬，硬化后初期强度增长快，1天、后期强度高，微膨胀、耐水、耐久性好，施工简便、价格低廉，使锚杆或锚索安装快、承载快、安全可靠的快锚型无机粘结灌注材料。
本发明目的的实现方式为，一种快锚型无机粘结灌注材料，其特征在于它是由硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥为主要组分，掺入适量的磨细石膏、抗裂剂、分散剂、缓凝剂在混合机中共同混合而成的均匀粉料，各成分的重量配比％范围为：
硫铝酸盐水泥：60％～85％     硅酸盐水泥：10％～30％
石膏：1.5％～5％             抗裂剂：1.5％～5％
分散剂：0.6％～1.6％         缓凝剂：0％～0.6％
其中：
抗裂剂为明矾石膨胀剂、UEA膨胀剂或石灰膨胀剂，
分散剂为萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂粉剂，三聚氰胺甲醛树脂粉剂或磺化古马龙树脂粉剂，
缓凝剂为硼酸、硼砂、酒石酸、柠檬酸或木质素磺酸钙。
一种快锚型无机粘结灌注材料的生产工艺为，将重量配比为：60％～85％的硫铝酸盐水泥、10％～30％硅酸盐水泥、1.5％～5％磨细石膏、1.5％～5％抗裂剂、0.6％～1.6％分散剂、0％～0.6％缓凝剂粉料按先加比例大的物料，后加比例小的物料的投料顺序加入到混合机或球磨机中，在常温常压下，混合10min～30min，至均匀，其细度为：0.08mm方孔筛筛余不大于10％，勃氏比表面积不低于325m2/kg。
其中：
抗裂剂为明矾石膨胀剂、UEA膨胀剂或石灰膨胀剂，
分散剂为萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂粉剂，三聚氰胺甲醛树脂粉剂或磺化古马龙树脂粉剂，
缓凝剂为硼酸、硼砂、酒石酸、柠檬酸或木质素磺酸钙。
本发明的硫铝酸盐水泥为快硬硫酸盐水泥、快硬铁铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥或膨胀铁铝酸盐水泥，要求标号不低于425号。硫铝酸盐水泥主要为快锚型无机粘结灌注材料提供早期粘结性能和硬化初期的强度，一般其掺量多，凝结硬化时间短，硬化初期强度产生快。
硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥或纯硅酸盐水泥，要求强度等级不低于42.5MPa。硅酸盐水泥水化产生的Ca(OH)2为硫铝酸盐水泥的水化提供了碱性环境，可以加速后者的水化进程，因此硅酸盐水泥的作用不仅是提供了后期强度，更重要的是可以加快硬化初期强度的产生。硅酸盐水泥掺量不仅影响凝结时间，还对强度，特别是早期强度产生重要影响。随着硅酸盐水泥掺量增加，一开始是凝结硬化时间变短，3～6h强度增加，当其掺量增加到一定程度后，硅酸盐水泥掺量增加凝结又延长，3～6h强度降低。这从表1中清楚可见。
表1  硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥相对掺量对快锚型无机粘结灌注材料凝结与强度性能的影响
                (采用525快硬硫铝酸盐水泥和42.5普通硅酸盐水泥)
           掺量(％)     凝结时间(min)     抗压强度(MPa)
硫铝酸盐水泥 普通硅酸盐水泥     初凝     终凝     3h     6h
    90     10     85     110     14.5     26.3
75 25 50 75 21.2 45.8
    60     40     40     60     18.8     38.5
    50     50     20     30     15.6     31.6
25 75 35 50 6.0 12.1
    15     85     125     170     2.5     6.9
掺入石膏主要影响水化产物的相对数量和膨胀性能，即对强度和抗裂性产生一定程度影响。
加入抗裂剂的主要作用是补偿快锚型无机粘结灌注材料硬化体的收缩，防止开裂。
分散剂包括萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂粉剂(国内产品代号有UNF、NNO、FDN、NF、建1、JN、ZB-1、AF、SN等)，三聚氰胺甲醛树脂粉剂(代号SM)、磺化古马龙树脂粉剂(代号CRS)等。加入分散剂的作用是提高快锚型无机粘结灌注材料的流动度、降低灌注材料水料比、改善灌注材料均匀性和浆体孔结构，从而提高灌注材料的可灌性和强度。
缓凝剂掺量根据工程的实际需要掺加，用于调节灌注材料的凝结硬化时间，从而满足灌注施工和强度要求。一般掺量越大，凝结越长，硬化初期强度越低，而后期强度有所增加。
本发明各组分原材料均可以从生产厂家或市场上购买到。
快锚型无机粘结灌注材料的施工方法与普通水泥浆液或砂浆锚杆类似。使用时水料比为0.29～0.32，灰砂比为1∶(0～0.8)，采用砂浆搅拌机进行搅拌，搅拌时间不少于2min，注浆设备与普通水泥浆液或水泥砂浆相同。
本发明主要作为锚杆、预应力锚索的粘结材料进行快速锚固施工，包括水电、矿山、建筑、国防等领域的岩土工程的锚杆锚固、锚喷支护和混凝土植筋加固，以及混凝土工程紧急抢修施工等。本快锚型无机粘结灌注材料与传统的水泥砂浆和快硬水泥药卷、树脂药卷等粘结锚固材料比较，主要优点表现在：
(1)浆体凝结前自流、不泌水、可灌注入孔、自密实性能好，凝结时间在1小时至4小时之间可调，使用方便、施工快捷、容易掌握。
(2)浆体硬化后立即产生强度，1天强度及中、后期强度高，解决了现有水泥药卷因提高早期强度而损失中、后强度的问题，且硬化体有一定量的微膨胀，提高了硬化体与锚杆杆体、孔壁的粘结力，使锚杆安装快、承载快、抗拔力高。3h抗压强度大于20MPa，6h抗压强度大于35MPa；1d抗压强度大于50MPa，28d抗压强度大于60MPa。3h～6h的抗拔力大于80KN，1d后的拉拔力基本上可超过锚杆杆体的拉断力。
(3)由于浆液颗粒细小、流动性好、固结能力强，因此在一定注浆压力下渗透性好，可同时起到固结破碎岩体或固结地层的作用。
(4)硬化体在较低温度(如10～15℃)下，强度发展受影响小，特别适合洞室较低温度下施工。
(5)材料生产制备工艺简单、无毒、无害，不污染环境，易于储存、运输，综合成本低于快硬水泥药卷，比树脂药卷低得更多。
具体实施方式以525标号快硬硫铝酸盐水泥、42.5强度等级普通硅酸盐水泥、磨细二水石膏、UEA-I膨胀剂、FDN型萘磺酸盐甲醛缩合物高浓高效减水剂、硼酸为原材料制备本快锚型无机粘结灌注材料的具体实施例见表2。
表2快锚型无机粘结灌注材料的重量配比实施例
Figure C0213877700081
生产工艺及参数为：各种原材料按预定比例准确称量后，按先加比例大的物料、后加比例小的物料的投料顺序依次加入一个VSH-0.5m3型悬臂双螺旋锥形混合机中进行混合搅拌，混合20min即得到均匀的产品。
表3列出5#配比试样和8#配比试样主要物理力学性能测定结果。
               表3快锚型无机粘结灌注材料主要物理力学性能结果
  性能指标                    试样5#                   试样8#
  水料比                     0.31                    0.30
  自流度(mm)                     320                    305
 容重(kg/m3)                     1895                    1987
  凝结时间(min)     初凝     终凝     初凝     终凝
    55     80     175     210
  可灌时间(min) 30～35 90～100
  抗压强度(MPa)     3h     6h     1d     28d     3h     6h     1d     28d
    25.3     41.8     54.0     66.3     /     40.6     57.9     70.3
  抗折强度(MPa)     3h     6h     1d     28d     3h     6h     1d     28d
    4.6     6.1     8.3     10.6     /     5.6     9.1     11.3
  锚杆抗拔力(KN)   实验室锚杆试验     3h     1d 工地现场锚杆试验     6h     1d
φ20螺纹钢，孔径48mm，孔深500mm，岩层C30混凝土。 80～97.7 180～拉断   φ28螺纹钢，孔径52mm，孔深5m，围岩级别II级。 ＞85 ＞124
线膨胀率(％)          1d           3d          1d           3d
         0.14           0.32          0.22           0.35
从表3结果可以看出：本发明的5#配比试样凝结时间在55min～80min之间，可灌时间30min～35min，这为现场施工提供了比较充足的时间，可避免堵泵堵管。另外，其自流性和粘聚性很好，因此可以加速注浆速度，改善浆液与孔壁和钢筋的粘结性能。实验结果表明，在灌注入孔3h后其抗压强度可达到25MPa，3h抗拔力大于80MPa，24h抗拔时大多数钢筋拉断，最小抗拔力也达到180KN。因此，从性能结果来看，5#配方试样能够满足3h抗拔要求的锚固工程。
将5#配比试样加入粒径小于2.5mm的河砂，同样进行力学试验和锚杆试验，灰砂比1∶0.50，水灰比0.32。试验结果为：凝结时间略有延长，初凝78min，终凝115min，3h抗压强度降低为15.4MPa，6h抗压强度降为31.6MPa，1d和后期强度影响不大，6h锚杆抗拔力测定结果为125KN以上。
从表3结果可以看出：8#配比试样比5#配比试样有更长的凝结时间和可灌时间，因此更有利于现场从容施工。虽然8#配比试样3h未能产生强度，但其6h抗压强度非常高，达到40MPa以上。由于锚杆试验是在某一水电工程的交通洞进行生产试验，达到设计抗拔力(设计值120KN，6h要求达到最终抗拔力的70％)即停止拉拔。由表3可以看出，6h抗拔力在85MPa以上，1d抗拔力124MPa以上，完全能满足6h抗拔要求。这样一个结果是采用普通水泥砂浆注浆3～7d内才可能满足的。
将8#配比试样加入粒径小于2.5mm的河砂，同样进行力学试验和现场锚杆试验，灰砂比1∶0.5，水灰比0.31。实验结果为：初凝结时间延长至190min，终凝延长至240min，6h抗压强度为34.4MPa，1d和后期强度影响不大，6h抗拔力同样达到85MPa以上，满足设计要求。

Claims (4)

1、一种快锚型无机粘结灌注材料，其特征在于它是由硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥为主要组分，掺入适量的磨细石膏、抗裂剂、分散剂、缓凝剂在混合机中共同混合而成的均匀粉料，各成分的重量配比范围为：
硫铝酸盐水泥：60％～85％    硅酸盐水泥：10％～30％
石膏：1.5～5％              抗裂剂：1.5％～5％
分散剂：0.6％～1.6％        缓凝剂：0％～0.6％
其中：
抗裂剂为明矾石膨胀剂、UEA膨胀剂或石灰膨胀剂，
分散剂为萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂粉剂、三聚氰胺甲醛树脂粉剂或磺化古马龙树脂粉剂，
缓凝剂为硼酸、硼砂、酒石酸、柠檬酸或木质素磺酸钙。
2、根据权利要求1所述的灌注材料，其特征在于硫铝酸盐水泥为快硬硫酸盐水泥、快硬铁铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥或膨胀铁铝酸盐水泥。
3、根据权利要求1所述的灌注材料，其特征在于硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥或纯硅酸盐水泥。
4、一种快锚型无机粘结灌注材料的生产工艺，其特征在于将重量配比为：60％～85％的硫铝酸盐水泥、10％～30％硅酸盐水泥、1.5％～5％磨细石膏、1.5％～5％抗裂剂、0.6％～1.6％分散剂、0％～0.6％缓凝剂粉料按先加比例大的物料，后加比例小的物料的投料顺序加入到混合机或球磨机中，在常温常压下，混合10min～30min，至均匀，其细度为：0.08mm方孔筛筛余不大于10％，勃氏比表面积不低于325m2/kg，
抗裂剂为明矾石膨胀剂、UEA膨胀剂或石灰膨胀剂，
分散剂为萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂粉剂、三聚氰胺甲醛树脂粉剂或磺化古马龙树脂粉剂，
缓凝剂为硼酸、硼砂、酒石酸、柠檬酸或木质素磺酸钙。
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