矿物掺合料对水泥基锚固砂浆材料膨胀性能影响研究

季节，谢江南

(解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007)

在实际锚杆锚固工程中，随着水泥基锚固砂浆的水化，砂浆体会出现干收缩、自收缩、塑性收缩等一系列收缩，早期过大收缩极易使浆体内部产生大于其自身抗拉强度的拉应力［1］，导致砂浆体出现裂缝甚至破坏，造成了砂浆体与岩土层交界面、砂浆体与锚杆杆体粘结应力的损失，严重影响锚杆构件的使用安全性和耐久性。然而，倘若锚固砂浆具有一定的膨胀性能，一方面能对硬化过程中的一系列收缩进行补偿，避免自身因收缩而产生破坏;另一方面，由于锚杆孔洞的侧限作用，适当的膨胀性能能产生径向膨胀应力，能增加浆体与孔洞壁和浆体与锚杆杆体摩擦力，较大地提高锚杆锚固性能。因此，锚固砂浆的膨胀性能对锚杆的安全使用至关重要，理想中的膨胀性能应该是稳定且适当(1 d 大于0.02%［2］)，一是不随龄期增长而出现前期膨胀后期收缩，膨胀性能应长期稳定。二是膨胀量不宜过大(长期小于0.5 %)，过大膨胀量不仅造成砂浆体本身的破坏，也会影响锚杆孔洞周围土层和岩体应力分布。

1 试验原材料及其方法

1.1 主要原材料

水泥基锚固砂浆材料:普通硅酸盐水泥与砂按照1∶1 比例配制的砂浆材料;石膏:安徽庐江石膏矿石;铝矾土:安徽庐江铝矾土矿石。各原材料成份见表1。

表1 原材料成份组成(%)

1.2 试验方法

矿物外加剂按不同掺量、细度和配比进行对比试验，观测分析不同指标条件下竖向膨胀率的变化规律，并以此分析其对砂浆膨胀性能的影响，所用到矿物掺合料比例为所用材料同砂浆质量之比，水胶比为用水量与砂浆质量之比。

将砂浆搅拌均匀后灌入20 mm×20 mm×80 mm 模具中成型，见图1，模具的两端预留了孔洞，在浇注试件时预先将金属头放入模具中，在试块脱模后金属头便留在试块两端，便于试块长度的测量，测量方法如图2。

在试件脱模后，用比长仪测量其初始长度，记为L0，将拆模后试件置于水中养护，每天定时对其长度用比长仪进行测量，记为Ld，试件各龄期的竖向膨胀率按下式进行计算:

式中:εd为试件不同龄期的竖向膨胀率，%;L0为试件长度初始读数，mm;Ld为试件不同龄期长度读数，mm;L为试件高度基准读数，80 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 矿物外加剂掺量对膨胀性能影响

2.1.1 石膏掺量对膨胀性能影响

试验材料为砂浆、石膏配制而成，其中石膏细度为0.08 mm，掺量分别为9 %、6 %、3 %、0 %，水胶比为15 %，石膏掺量对于砂浆竖向膨胀率的影响见图3。

试验表明，随着石膏掺量的加大，砂浆材料硬化后的竖向膨胀率也随之增大:当石膏掺量超过9%时，其竖向膨胀率大于0.05%，体积稳定时间长。当石膏掺量较低时，竖向膨胀率较低，相对稳定时间短，尤其当砂浆材料不添加石膏时，其前期就表现出较大的体积收缩(7 d 时竖向收缩大于0.02%)。其原因在于:钙矾石作为水泥材料的膨胀源，而石膏在水泥水化反应生成钙矾石过程中提供离子，石膏掺量的不同势必影响钙矾石生成数量和速度，并在宏观上体现为砂浆材料硬化后膨胀率的大小及稳定时间的长短。

图1 试件成型

图2 比长仪测量

图3 石膏掺量对膨胀率影响

2.1.2 铝矾土掺量对膨胀性能影响

试验材料为砂浆、铝矾土配比而成，其中铝矾土细度为0.08 mm，掺量分别为6 %、4 %、2 %、0 %，水胶比为15 %，铝矾土掺量对于砂浆竖向膨胀率的影响见图4。

图4 铝矾土掺量对膨胀率影响

试验表明，砂浆材料硬化后的竖向膨胀率大小对于铝矾土掺量的变化并不敏感，初期(前4 d)表现出一定的膨胀量，尔后膨胀量迅速减少，尤其在7 d 以后膨胀率已基本趋于稳定，且膨胀率很小(几乎接近0)，当掺量很小时(小于2 %)甚至还会出现浆体硬化后的收缩，铝矾土掺量为0 %时，浆体硬化后就表现出明显后期收缩。原因:铝矾土作为一种活性成分，为水泥水化反应提供Al2O3，能加速水化反应［3］，水泥水化生成一定量的钙矾石，在宏观上表现为浆体的膨胀。随着水化反应的继续，SO2－4 离子减少，先前生成的钙矾石会与C3A 的水化产物C4AH13继续反应生成单硫型水化硫铝酸钙［4］，而其并不具有钙矾石的体积膨胀性能［5］，随着先前生成钙矾石的消耗，在宏观上表现为膨胀量的迅速减少，甚至于表现出一定的收缩。

2.2 矿物外加剂细度对膨胀性能影响

石膏与铝矾土按SO3/Al2O3=2.5 配比，与砂浆质量之比为12.5 %，矿物外加剂细度分别选取0.08 mm 和0.15 mm，水胶比为15 %，试验结果见图5。

图5 细度对膨胀率影响

从图5可以看出，当细度为0.08 mm 时，膨胀增长较快且稳定时间早(14 d 趋于稳定)，当细度为0.15 mm 时，膨胀发展缓慢且稳定时间长，具有较长时间的膨胀发展。原因在于矿物外加剂的细度直接关系其活性的大小，细度越小，比表面积越大，则活性越强，水泥水化反应越快，在水化初期即可生成一定大量的钙矾石，即表现为初期较快膨胀增长和较短的稳定时间，反之亦然。

2.3 矿物外加剂配比比例对膨胀性能影响

石膏与铝矾土按SO3/Al2O3=1∶1、2∶1、3∶1 配比，与砂浆质量之比为12.5 %，矿物外加剂细度选取0.08 mm，水胶比为15 %，试验结果见图6。

图6 掺量配比比例对膨胀率影响

试验表明，配比比例为1∶1 时膨胀发展稳定时间最短(7 d 后基本趋于稳定)，竖向膨胀率最低;配比比例为2∶1 时，膨胀发展稳定时间较1∶1 配比比例长(11 d 后基本趋于稳定);配比比例为3∶1 时，膨胀发展稳定时间最长，竖向膨胀率最高。原因分析:当SO3/Al2O3反应理论值为3∶1，当SO3/Al2O3的值大于3∶1 时(即石膏掺量过剩)，在水化反应中不能全部消耗完SO3，使其在后期与水泥中活性较低的Al2O3继续反应生成钙矾石，造成后期体积增长周期变长，甚至可能因膨胀过大而导致结构构件破坏;当SO3/Al2O3的值小于3∶1 时(即石膏掺量不足)，相对应活性Al2O3量变多，使水化反应变快，水化早期既能获得一定膨胀量，且体积膨胀稳定周期会明显变短［3］。

图7 硬化浆体1 d 时的XRD 图

图8 硬化浆体3 d 时XRD 图

图9 硬化浆体90 d 时的XRD 图

图10 硬化浆体3d 时SEM 图

对石膏与铝矾土按SO3/Al2O3=1∶1(即石膏掺量不足)配比砂浆进行XRD 分析和SEM 分析，1 d 龄期时砂浆内部就形成了一定量的AFt，并出现少量AFm(图7)。3 d 龄期时，AFt 和AFm 的量都有较大增长，同时石膏含量大量降低(图8 和图10)。90 d 龄期时，AFt 含量较之3 d 龄期时基本趋于稳定，但石膏含量急剧减少(图9)，在宏观上表现为膨胀速度快、发展稳定时间短。

3 结论

本文通过在锚固砂浆中掺入石膏、铝矾土等矿物外加剂，对矿物掺合料不同掺量、细度和配比对竖向膨胀率的发展影响进行比较，并通过微观分析进行进一步分析，试验表明:

(1)试验表明，在石膏与铝矾土组成的矿物外加剂中，对砂浆浆体竖向膨胀率大小起关键作用的为石膏掺入比例，但单独的石膏掺入对砂浆浆体膨胀发展作用有限(石膏掺量为9 %时，30 d 竖向膨胀率仅为0.052 %);铝矾土的加入，为水化反应提供了Al2O3等活性成分，加速了水泥水化反应，尤其对水化早期钙矾石的形成发挥了重要影响，直接决定了砂浆浆体体积膨胀发展的快慢和体积膨胀稳定时间的长短。

(2)矿物细度对于体积膨胀的影响在于其活性大小不同，矿物颗粒越细，活性越大，水化反应越快，最终主要体现为体积膨胀发展速度和稳定时间的差异，试验表明，细度为0.08 mm 膨胀发展效果较好。

(3)SO3/Al2O3的值对于浆体体积早期膨胀和膨胀发展稳定快慢影响最为关键，水化反应中SO3/Al2O3理论值为3，但本试验中SO3/Al2O3=2.5 时膨胀发展效果最好(11 d 时膨胀发展基本趋于稳定)，实际工程中可根据对膨胀率稳定时间长短的具体要求对其比值进行适当调整。

［1］杨文武，钱觉时，范英儒.混凝土早期收缩性能试验研究［J］.深圳大学学报(理工版)，2009(1)

［2］GB/T 50448—2008 水泥基灌浆材料应用技术规范［S］

［3］李悦，工胜先，陈兵，等.钙矾石型混凝土膨胀剂组成与性能的研究［J］.新型建筑材料，2001(2)

［4］李利坚.水泥工艺学［M］.武汉理工大学出版社，2005

［5］蒋亚清.混凝土外加剂应用基础［M］.北京:化学工业出版社，2004