礦物摻合料對水泥基錨固砂漿材料膨脹性能影響研究

季節，謝江南

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007)

在實際錨桿錨固工程中，隨著水泥基錨固砂漿的水化，砂漿體會出現干收縮、自收縮、塑性收縮等一系列收縮，早期過大收縮極易使漿體內部產生大于其自身抗拉強度的拉應力［1］，導致砂漿體出現裂縫甚至破壞，造成了砂漿體與巖土層交界面、砂漿體與錨桿桿體粘結應力的損失，嚴重影響錨桿構件的使用安全性和耐久性。然而，倘若錨固砂漿具有一定的膨脹性能，一方面能對硬化過程中的一系列收縮進行補償，避免自身因收縮而產生破壞;另一方面，由于錨桿孔洞的側限作用，適當的膨脹性能能產生徑向膨脹應力，能增加漿體與孔洞壁和漿體與錨桿桿體摩擦力，較大地提高錨桿錨固性能。因此，錨固砂漿的膨脹性能對錨桿的安全使用至關重要，理想中的膨脹性能應該是穩定且適當(1 d 大于0.02%［2］)，一是不隨齡期增長而出現前期膨脹后期收縮，膨脹性能應長期穩定。二是膨脹量不宜過大(長期小于0.5 %)，過大膨脹量不僅造成砂漿體本身的破壞，也會影響錨桿孔洞周圍土層和巖體應力分布。

1 試驗原材料及其方法

1.1 主要原材料

水泥基錨固砂漿材料:普通硅酸鹽水泥與砂按照1∶1 比例配制的砂漿材料;石膏:安徽廬江石膏礦石;鋁礬土:安徽廬江鋁礬土礦石。各原材料成份見表1。

表1 原材料成份組成(%)

1.2 試驗方法

礦物外加劑按不同摻量、細度和配比進行對比試驗，觀測分析不同指標條件下豎向膨脹率的變化規律，并以此分析其對砂漿膨脹性能的影響，所用到礦物摻合料比例為所用材料同砂漿質量之比，水膠比為用水量與砂漿質量之比。

將砂漿攪拌均勻后灌入20 mm×20 mm×80 mm 模具中成型，見圖1，模具的兩端預留了孔洞，在澆注試件時預先將金屬頭放入模具中，在試塊脫模后金屬頭便留在試塊兩端，便于試塊長度的測量，測量方法如圖2。

在試件脫模后，用比長儀測量其初始長度，記為L0，將拆模后試件置于水中養護，每天定時對其長度用比長儀進行測量，記為Ld，試件各齡期的豎向膨脹率按下式進行計算:

式中:εd為試件不同齡期的豎向膨脹率，%;L0為試件長度初始讀數，mm;Ld為試件不同齡期長度讀數，mm;L為試件高度基準讀數，80 mm。

2 試驗結果與討論

2.1 礦物外加劑摻量對膨脹性能影響

2.1.1 石膏摻量對膨脹性能影響

試驗材料為砂漿、石膏配制而成，其中石膏細度為0.08 mm，摻量分別為9 %、6 %、3 %、0 %，水膠比為15 %，石膏摻量對于砂漿豎向膨脹率的影響見圖3。

試驗表明，隨著石膏摻量的加大，砂漿材料硬化后的豎向膨脹率也隨之增大:當石膏摻量超過9%時，其豎向膨脹率大于0.05%，體積穩定時間長。當石膏摻量較低時，豎向膨脹率較低，相對穩定時間短，尤其當砂漿材料不添加石膏時，其前期就表現出較大的體積收縮(7 d 時豎向收縮大于0.02%)。其原因在于:鈣礬石作為水泥材料的膨脹源，而石膏在水泥水化反應生成鈣礬石過程中提供離子，石膏摻量的不同勢必影響鈣礬石生成數量和速度，并在宏觀上體現為砂漿材料硬化后膨脹率的大小及穩定時間的長短。

圖1 試件成型

圖2 比長儀測量

圖3 石膏摻量對膨脹率影響

2.1.2 鋁礬土摻量對膨脹性能影響

試驗材料為砂漿、鋁礬土配比而成，其中鋁礬土細度為0.08 mm，摻量分別為6 %、4 %、2 %、0 %，水膠比為15 %，鋁礬土摻量對于砂漿豎向膨脹率的影響見圖4。

圖4 鋁礬土摻量對膨脹率影響

試驗表明，砂漿材料硬化后的豎向膨脹率大小對于鋁礬土摻量的變化并不敏感，初期(前4 d)表現出一定的膨脹量，爾后膨脹量迅速減少，尤其在7 d 以后膨脹率已基本趨于穩定，且膨脹率很小(幾乎接近0)，當摻量很小時(小于2 %)甚至還會出現漿體硬化后的收縮，鋁礬土摻量為0 %時，漿體硬化后就表現出明顯后期收縮。原因:鋁礬土作為一種活性成分，為水泥水化反應提供Al2O3，能加速水化反應［3］，水泥水化生成一定量的鈣礬石，在宏觀上表現為漿體的膨脹。隨著水化反應的繼續，SO2－4 離子減少，先前生成的鈣礬石會與C3A 的水化產物C4AH13繼續反應生成單硫型水化硫鋁酸鈣［4］，而其并不具有鈣礬石的體積膨脹性能［5］，隨著先前生成鈣礬石的消耗，在宏觀上表現為膨脹量的迅速減少，甚至于表現出一定的收縮。

2.2 礦物外加劑細度對膨脹性能影響

石膏與鋁礬土按SO3/Al2O3=2.5 配比，與砂漿質量之比為12.5 %，礦物外加劑細度分別選取0.08 mm 和0.15 mm，水膠比為15 %，試驗結果見圖5。

圖5 細度對膨脹率影響

從圖5可以看出，當細度為0.08 mm 時，膨脹增長較快且穩定時間早(14 d 趨于穩定)，當細度為0.15 mm 時，膨脹發展緩慢且穩定時間長，具有較長時間的膨脹發展。原因在于礦物外加劑的細度直接關系其活性的大小，細度越小，比表面積越大，則活性越強，水泥水化反應越快，在水化初期即可生成一定大量的鈣礬石，即表現為初期較快膨脹增長和較短的穩定時間，反之亦然。

2.3 礦物外加劑配比比例對膨脹性能影響

石膏與鋁礬土按SO3/Al2O3=1∶1、2∶1、3∶1 配比，與砂漿質量之比為12.5 %，礦物外加劑細度選取0.08 mm，水膠比為15 %，試驗結果見圖6。

圖6 摻量配比比例對膨脹率影響

試驗表明，配比比例為1∶1 時膨脹發展穩定時間最短(7 d 后基本趨于穩定)，豎向膨脹率最低;配比比例為2∶1 時，膨脹發展穩定時間較1∶1 配比比例長(11 d 后基本趨于穩定);配比比例為3∶1 時，膨脹發展穩定時間最長，豎向膨脹率最高。原因分析:當SO3/Al2O3反應理論值為3∶1，當SO3/Al2O3的值大于3∶1 時(即石膏摻量過剩)，在水化反應中不能全部消耗完SO3，使其在后期與水泥中活性較低的Al2O3繼續反應生成鈣礬石，造成后期體積增長周期變長，甚至可能因膨脹過大而導致結構構件破壞;當SO3/Al2O3的值小于3∶1 時(即石膏摻量不足)，相對應活性Al2O3量變多，使水化反應變快，水化早期既能獲得一定膨脹量，且體積膨脹穩定周期會明顯變短［3］。

圖7 硬化漿體1 d 時的XRD 圖

圖8 硬化漿體3 d 時XRD 圖

圖9 硬化漿體90 d 時的XRD 圖

圖10 硬化漿體3d 時SEM 圖

對石膏與鋁礬土按SO3/Al2O3=1∶1(即石膏摻量不足)配比砂漿進行XRD 分析和SEM 分析，1 d 齡期時砂漿內部就形成了一定量的AFt，并出現少量AFm(圖7)。3 d 齡期時，AFt 和AFm 的量都有較大增長，同時石膏含量大量降低(圖8 和圖10)。90 d 齡期時，AFt 含量較之3 d 齡期時基本趨于穩定，但石膏含量急劇減少(圖9)，在宏觀上表現為膨脹速度快、發展穩定時間短。

3 結論

本文通過在錨固砂漿中摻入石膏、鋁礬土等礦物外加劑，對礦物摻合料不同摻量、細度和配比對豎向膨脹率的發展影響進行比較，并通過微觀分析進行進一步分析，試驗表明:

(1)試驗表明，在石膏與鋁礬土組成的礦物外加劑中，對砂漿漿體豎向膨脹率大小起關鍵作用的為石膏摻入比例，但單獨的石膏摻入對砂漿漿體膨脹發展作用有限(石膏摻量為9 %時，30 d 豎向膨脹率僅為0.052 %);鋁礬土的加入，為水化反應提供了Al2O3等活性成分，加速了水泥水化反應，尤其對水化早期鈣礬石的形成發揮了重要影響，直接決定了砂漿漿體體積膨脹發展的快慢和體積膨脹穩定時間的長短。

(2)礦物細度對于體積膨脹的影響在于其活性大小不同，礦物顆粒越細，活性越大，水化反應越快，最終主要體現為體積膨脹發展速度和穩定時間的差異，試驗表明，細度為0.08 mm 膨脹發展效果較好。

(3)SO3/Al2O3的值對于漿體體積早期膨脹和膨脹發展穩定快慢影響最為關鍵，水化反應中SO3/Al2O3理論值為3，但本試驗中SO3/Al2O3=2.5 時膨脹發展效果最好(11 d 時膨脹發展基本趨于穩定)，實際工程中可根據對膨脹率穩定時間長短的具體要求對其比值進行適當調整。

［1］楊文武，錢覺時，范英儒.混凝土早期收縮性能試驗研究［J］.深圳大學學報(理工版)，2009(1)

［2］GB/T 50448—2008 水泥基灌漿材料應用技術規范［S］

［3］李悅，工勝先，陳兵，等.鈣礬石型混凝土膨脹劑組成與性能的研究［J］.新型建筑材料，2001(2)

［4］李利堅.水泥工藝學［M］.武漢理工大學出版社，2005

［5］蔣亞清.混凝土外加劑應用基礎［M］.北京:化學工業出版社，2004