錨桿注漿漿液參數(shù)優(yōu)化研究

李紅娜

(中鐵隧道集團(tuán)科研所，河南洛陽 471009)

0 引言

在巖土錨固工程中錨桿的支護(hù)作用，除縫管錨桿、水漲錨桿等摩擦式錨桿及樹脂卷錨桿外，多是通過在安裝孔內(nèi)注漿、待其硬化后在錨桿體與安裝孔間形成堅(jiān)實(shí)的注漿層而發(fā)揮出來的。注漿就是以壓力的形式把液態(tài)水泥質(zhì)漿體以一定的壓力注入到安裝有錨桿的地(巖)層鉆孔中的施工過程。錨桿注漿形成的錨固段提高了錨桿的承載力和安裝后的抗拔力;同時(shí)，一定壓力的注漿可以使注漿體滲入地(巖)層的裂隙和縫隙中，提高錨桿周圍地層的強(qiáng)度和力學(xué)指標(biāo)，從而起到固結(jié)地(巖)層、提高地(巖)層承載力的作用。此外包裹在錨桿體上的注漿層還對錨桿體起到隔離防護(hù)和防腐保護(hù)的效果。

由于水泥漿注漿材料具備的經(jīng)濟(jì)、方便和易操作性等諸多有利條件，目前在錨桿的安裝施工中，已被國內(nèi)外廣泛采用，且水泥漿的質(zhì)量直接影響到錨桿的錨固性能和永久性，其重要參數(shù)之一就是水泥漿液的配合比。

中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會頒布的標(biāo)準(zhǔn)CECS 22 2005《巖土錨桿技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定:注漿材料應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，不得對桿體產(chǎn)生不良影響，宜選用灰砂比1∶0.5 ～1∶1 的水泥砂漿或水灰比0.45 ～0.50 的純水泥漿，必要時(shí)可加入一定量的外加劑或摻合料［1］;而在GB 50086—2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定:水泥砂漿錨桿的水灰比宜為 0.38～0.45，同時(shí)一些有關(guān)錨固與注漿技術(shù)的書刊中多推薦最適宜的水灰比為0.40～0.45。為了更好地指導(dǎo)施工，取得合適的漿液配合比，筆者單位通過試驗(yàn)，認(rèn)為采用較小的注漿液水灰比更適合于錨桿注漿，較大的水灰比的漿液雖有易于充填所鉆孔中的裂隙的優(yōu)點(diǎn)，但其不利的弊端更多。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1)水泥。同力牌42.5，普通硅酸鹽水泥。

2)河砂。粒徑0.5 ～2 mm，細(xì)度模數(shù)1.3。

3)速凝劑。河南鞏義跨越2000，液體。

4)水。生活用水。

1.2 試驗(yàn)方法

1)凝結(jié)時(shí)間。按照J(rèn)GJ 70—90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定。

2)漿液流動度。按照T 0507—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進(jìn)行測定。

3)漿液稠度。按照J(rèn)GJ 70—90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定。

4)抗壓強(qiáng)度。按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測定。水泥凈漿的試模尺寸為70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm;水泥砂漿的試模尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

試驗(yàn)器材見圖1和圖2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 漿液各組成參數(shù)對漿液凝結(jié)時(shí)間的影響

在參照規(guī)范及文獻(xiàn)［2－3］的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水灰比過小的時(shí)候漿液流動性太差，不滿足注漿要求，水灰比過大的時(shí)候凝結(jié)時(shí)間過長，不滿足早強(qiáng)效果要求，只有4組試驗(yàn)分別滿足初凝時(shí)間在10 min左右，終凝時(shí)間在1 h之內(nèi)。

2.1.1 水泥凈漿漿液組成參數(shù)對漿液凝結(jié)時(shí)間影響

見圖3和圖4。

由圖3和圖4可以看出采用水灰比為0.4的水泥漿液在采用較小的速凝劑摻量時(shí)就可以滿足初凝時(shí)間10 min，終凝時(shí)間1 h的凝結(jié)時(shí)間，并且隨速凝劑摻量的增加終凝時(shí)間可以縮短更多，有利于漿液凝結(jié)時(shí)間控制，在早期達(dá)到黏結(jié)強(qiáng)度。

2.1.2 水泥砂漿漿液組成參數(shù)對漿液凝結(jié)時(shí)間影響見圖5和圖6。

圖5 水灰比0.4，灰砂比1.0的漿液不同速凝劑對漿液凝結(jié)時(shí)間的影響曲線Fig.5 Curves of setting time of grout with 0.4 water-cement ratio，1 cement-sand ration and different accelerating admixtures

圖6 水灰比0.4，灰砂比0.8的漿液不同速凝劑對漿液凝結(jié)時(shí)間的影響曲線Fig.6 Curves of setting time of grout with 0.4 water-cement ratio，0.8 cement-sand ration and different accelerating admixtures

由圖5和圖6可以看出采用水灰比為0.4的水泥砂漿同樣可以很好地滿足凝結(jié)時(shí)間限制。

2.2 漿液各組成參數(shù)對漿液流動度的影響

2.2.1 漿液各組成參數(shù)對漿液瞬間流動度的影響

見圖7和圖8。

由圖7和圖8可以看出隨著速凝劑摻量的增加，注漿材料的瞬間流動度損失很大。為了更好地保證注漿效果，速凝劑的摻量應(yīng)控制在5%以下。

2.2.2 漿液各組成參數(shù)對漿液各時(shí)間段流動度的影響

見圖9和圖10。

由圖9和圖10可知在速凝劑摻量為5%時(shí)，漿液在10 min后基本上可以滿足初凝條件，具備早強(qiáng)性。

2.3 漿液各組成參數(shù)對漿液稠度的影響

見圖11和圖12。

圖11 水灰比0.4，灰砂比1.0的漿液不同速凝劑對漿液瞬時(shí)稠度的影響曲線Fig.11 Denseness of grout with 0.4 water-cement ratio，1 cement-sand ration and different accelerating admixtures

圖12 水灰比0.4，灰砂比0.8的漿液不同速凝劑對漿液瞬時(shí)稠度的影響曲線Fig.11 Denseness of grout with 0.4 water-cement ratio，0.8 cement-sand ration and different accelerating admixtures

由圖11和12可以看出隨灰砂比的減小，漿液的稠度會明顯降低。在注漿過程中為了控制漿液的稠度，可以選用灰砂比相對較小的漿液。

2.4 漿液各組成參數(shù)對收縮比的影響

見圖13。

圖13 注漿材料收縮比隨水灰比變化曲線Fig.13 Curve shows the relationship between the constringency of the grouting materials and water-cement ratios

由圖13可以看出隨水灰比的增大，注漿材料凝結(jié)后的收縮百分比越大，越不利于充填空隙，降低錨桿的黏結(jié)力，所以應(yīng)選擇水灰比相對小的注漿材料。

2.5 漿液各組成參數(shù)對漿液抗壓強(qiáng)度的影響

2.5.1 水泥凈漿各組成參數(shù)對漿液抗壓強(qiáng)度的影響

見表1—4。

表1 水灰比0.45，速凝劑5%的漿液抗壓強(qiáng)度Table 1 Compressive strength of grout with 0.45 water-cement ratio and 5%accelerating admixture

表2 水灰比0.45，速凝劑4%的漿液抗壓強(qiáng)度Table 2 Compressive strength of grout with 0.45 water-cement ratio and 4%accelerating admixture

表3 水灰比0.40，速凝劑4%的漿液抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strength of grout with 0.40 water-cement ratio and 4%accelerating admixture

表4 水灰比0.40，速凝劑3%的漿液抗壓強(qiáng)度Table 4 Compressive strength of grout with 0.40 water-cement ratio and 3%accelerating admixture

由表1到表4各配合比漿液的抗壓強(qiáng)度可以看出，采用小水灰比0.4的漿液的抗壓強(qiáng)度要大于采用水灰比0.45漿液的抗壓強(qiáng)度。由表4可以看出采用0.4水灰比漿液的抗壓強(qiáng)度在1 d后就可以到達(dá)22MPa，滿足水泥基注漿材料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。由表1至表4各表可以看出速凝劑摻量對漿液抗壓強(qiáng)度的影響較大，速凝劑的摻量越大，漿液的抗壓強(qiáng)度越小，所以在注漿過程中要控制速凝劑的摻量。為了更好地滿足凝結(jié)時(shí)間限制，選用較小水灰比的漿液。

2.5.2 水泥砂漿各組成參數(shù)對漿液抗壓強(qiáng)度的影響

見表5和表6。

表5 水灰比0.40，灰砂比1.0，速凝劑5%的漿液抗壓強(qiáng)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，速凝劑5%的漿液抗壓強(qiáng)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可以看出采用較小水灰比，同樣滿足水泥注漿材料的強(qiáng)度要求。

3 工程實(shí)踐

蘭渝鐵路木寨嶺隧道DK177+700～DK192+170段以軟質(zhì)板巖為主，夾極軟巖炭質(zhì)板巖，受構(gòu)造影響巖體破碎，該地段同時(shí)處于高地應(yīng)力區(qū)。該地段由于巖土破碎，地應(yīng)力較高，在開挖后極易發(fā)生較大變形，所以必須要及早支護(hù)，對注漿錨桿漿液凝結(jié)時(shí)間有更高的要求。通過實(shí)驗(yàn)，水泥靜漿采用水灰比為0.4的水泥漿液在采用較小的速凝劑摻量時(shí)(3% ～4%)，或者水灰比為0.45的水泥漿液，速凝劑摻量4% ～5%，就可以滿足初凝時(shí)間10 min，終凝時(shí)間1 h的凝結(jié)時(shí)間;水泥砂漿采用水灰比0.4，灰砂比1.0的，速凝劑摻量采用4% ～5%，或者采用水灰比0.4，灰砂比0.8的，速凝劑摻量采用5%～6%，在該地段工程應(yīng)用中取得了極大的成功，有效地控制了圍巖變形，后期圍巖監(jiān)測變形在20 mm之內(nèi)。

4 結(jié)論與討論

水泥漿或水泥砂漿的配合比直接影響漿體的強(qiáng)度、密實(shí)性和注漿作業(yè)的順利進(jìn)行。水灰比太小，可注性差，易堵管，常影響注漿作業(yè)正常進(jìn)行;水灰比太大，漿液易離析，注漿體密實(shí)度不易保證，硬化過程中易收縮，漿體強(qiáng)度損失較大，常影響錨固效果。因此，采用相對較小的水灰比，適當(dāng)?shù)乃倌齽梢愿玫貪M足工程需要。

［1］ 國家人民防空辦公室.GB 50086—2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2001.

［2］ 楊卓，陳洪光.盾構(gòu)隧道同步注漿漿液配比分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.隧道建設(shè)，2009，29(S2):29 －32.

［3］ 賀雄飛，王光輝.單液活性同步注漿漿液的配合比試驗(yàn)［J］.隧道建設(shè)，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))