水灰比對錨固材料力學性能影響研究

蔣帥旗,張世研

(1.永煤集團 城郊礦,河南 永城 476600;2.平頂山工業職業技術學院 資源開發學院,河南 平頂山 476033)

隨著我國淺部煤炭資源逐漸采掘完畢，煤炭資源開采已經由淺部向深部發展[1-2]。近年來，我國東部礦井相繼進入深部開采，采深以10～25 m/a的速度增加。在中國，超千米礦井不斷出現，其中，新汶孫村礦采深已達1 300 m[3]。隨著煤礦開采深度不斷增加，地應力強度也逐漸增大，巷道大變形問題越發嚴重，嚴重制約著煤礦安全開采。

國內外學者[4-6]研究發現控制水灰比等方式，可有效改善再生細骨料混凝土的抗壓強度；趙木子等[7]在考慮基體混凝土水灰比影響的再生粗(細)骨料混凝土徐變模型的研究中,發現基體混凝土水灰比對再生混凝土徐變的影響較大，甚至超過了再生混凝土水灰比對徐變的影響；高強度高預應力錨索支護是深部巷道圍巖支護最行之有效的支護方式之一[8-10]。但現有的錨固劑很難滿足施工需求，樹脂錨固劑易溶于水、攪拌阻力大等缺點，使錨固強度大大降低。傳統的水泥錨固劑韌性較差，抗剪能力較差，當受到強剪作用力時，錨固能力大大降低。

因此為本文通過控制變量研究了水灰比、養護時間對錨固材料力學性能和材料工況的影響，為開發一種新型的無機錨固劑材料具有指導意義。

1 實驗原材料、實驗方案及實驗設備

1.1 實驗原材料

錨固原材料來源于課題組初期開發的高強無收縮無機錨固材料，其主要成分是特種水泥、鋁酸鹽水泥、細骨料、外加劑等。

1.2 實驗方案

設置5個梯度的水灰比，水灰比分別為0.4、0.42、0.44、0.46、0.48、0.5時，分別研究不同水灰比對錨固材料的初終凝時間、抗壓抗折強度的影響。

1.3 實驗設備與方法

1) 按照試驗方案，對錨固材料攪拌均勻，將漿液倒進40 mm×40 mm×40 mm和40 mm×40 mm×160 mm模具內，脫模后,將試樣放入恒溫恒濕養護箱內，采用 TYE-300B 型壓力試驗機測試試樣抗壓抗折強度。

2) 按照試驗方案，對錨固材料攪拌均勻，將漿液倒進利用標椎維卡儀模具內，參考《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》，GB/T 1346-2011，對錨固材料在不同水灰比條件下的初終凝時間進行測試(圖1).

圖1 錨固材料的初終凝實驗

2 錨固材料力學性能影響實驗研究

2.1 水灰比對錨固原材料凝結時間影響實驗結果分析

不同水灰比條件下，錨固原材料的初凝時間和終凝時間見表1和圖2，由圖2水灰比與錨固材料凝結時間的關系可知，錨固材料的初終凝時間隨著水灰比的增加而增大，當水灰比為0.4時，錨固原材料的初終凝時間分別為5.32 min和10.61 min.并且通過實驗可知，當水灰比為0.4時，錨固材料的和易性性能比較好，攪拌阻力小，可以滿足工程施工的要求；當水灰比小于0.4時，此時由于水灰比較小使錨固材料粘稠度較大，攪拌阻力增大，且攪拌出來的漿料成渣，錨固原材料不能完全水化。

表1 不同水灰比對材料凝結時間的影響

圖2 水灰比與錨固材料凝結時間的關系

2.2 水灰比對錨固材料力學性能影響實驗結果分析

根據實驗方案設置的5個水灰比梯度，對錨固材料固化體1 d、3 d、7 d和28 d的抗壓抗折強度進行測試，每組試樣設置3個相同標椎試樣，共計120個標椎試樣(圖3).

圖3 標椎試樣的制作過程

不同水灰比條件下，錨固材料固化體單軸抗壓強度見表2，錨固材料固化體不同水灰比、不同齡期條件下的抗壓強度，從圖4和表3可以看出，隨著水灰比的增加，錨固材料的抗壓抗折強度逐漸減小；并且隨著固化時間的增加，錨固材料的早期強度增加迅速，后期增長緩慢。當水灰比為0.4時，1 d的單軸抗壓強度為35.15 MPa，是28 d抗壓強度的62.19%，抗折強度為6.25 MPa，是28 d的70.15%；隨著水灰比的增大，錨固材料的強度減小，這是由于錨固材料在大水灰比條件下，結石體中的自由水多，隨著水化反應的進行，逐漸消耗掉這部分自由水，在結石體中形成空隙或孔結構，導致錨固材料固化體密實度降低，因此固化體強度減小。

表2 錨固材料固化體單軸抗壓強度

圖4 水灰比對錨固材料單軸抗壓強度的相關影響

表3 錨固材料固化體抗折強度

2.3 養護時間對錨固材料力學性能影響實驗結果分析

不同水灰比條件影響下,養護時間對錨固材料力學性能的影響，如圖5所示。在水灰比一定的條件下，錨固材料抗壓抗折強度隨養護時間的增長而增加，并且由圖5(a)可知，當水灰比為0.4時，錨固材料抗壓強度3～7 d的增幅最大，增幅為11.36%；7～28 d抗壓強度增幅區域穩定。由圖5(b)可知，當水灰比為0.4時，錨固材料每個養護時間的抗折強度較大，并且抗折強度1～3 d的增長速度最快，因此，可知錨固材料初期韌性增長較快，具有較強的抗折能力。

3 結 語

1) 實驗表明，錨固材料的初、終凝時間隨著水灰比的增加而增大，當水灰比為0.4時，錨固原材料的初、終凝時間分別為5.32 min和10.61 min，并且錨固材料的和易性性能比較好，攪拌阻力小。

2) 當水灰比為0.4時，28 d的單軸抗壓強度為56.52 MPa，抗折強度為8.91 MPa.

3) 通過養護時間對錨固材料力學性能影響的研究發現，錨固材料初期力學性能增加較快，并且初期具有較高的韌性。