水灰比对锚固材料力学性能影响研究

蒋帅旗,张世研

(1.永煤集团 城郊矿,河南 永城 476600;2.平顶山工业职业技术学院 资源开发学院,河南 平顶山 476033)

随着我国浅部煤炭资源逐渐采掘完毕，煤炭资源开采已经由浅部向深部发展[1-2]。近年来，我国东部矿井相继进入深部开采，采深以10～25 m/a的速度增加。在中国，超千米矿井不断出现，其中，新汶孙村矿采深已达1 300 m[3]。随着煤矿开采深度不断增加，地应力强度也逐渐增大，巷道大变形问题越发严重，严重制约着煤矿安全开采。

国内外学者[4-6]研究发现控制水灰比等方式，可有效改善再生细骨料混凝土的抗压强度；赵木子等[7]在考虑基体混凝土水灰比影响的再生粗(细)骨料混凝土徐变模型的研究中,发现基体混凝土水灰比对再生混凝土徐变的影响较大，甚至超过了再生混凝土水灰比对徐变的影响；高强度高预应力锚索支护是深部巷道围岩支护最行之有效的支护方式之一[8-10]。但现有的锚固剂很难满足施工需求，树脂锚固剂易溶于水、搅拌阻力大等缺点，使锚固强度大大降低。传统的水泥锚固剂韧性较差，抗剪能力较差，当受到强剪作用力时，锚固能力大大降低。

因此为本文通过控制变量研究了水灰比、养护时间对锚固材料力学性能和材料工况的影响，为开发一种新型的无机锚固剂材料具有指导意义。

1 实验原材料、实验方案及实验设备

1.1 实验原材料

锚固原材料来源于课题组初期开发的高强无收缩无机锚固材料，其主要成分是特种水泥、铝酸盐水泥、细骨料、外加剂等。

1.2 实验方案

设置5个梯度的水灰比，水灰比分别为0.4、0.42、0.44、0.46、0.48、0.5时，分别研究不同水灰比对锚固材料的初终凝时间、抗压抗折强度的影响。

1.3 实验设备与方法

1) 按照试验方案，对锚固材料搅拌均匀，将浆液倒进40 mm×40 mm×40 mm和40 mm×40 mm×160 mm模具内，脱模后,将试样放入恒温恒湿养护箱内，采用 TYE-300B 型压力试验机测试试样抗压抗折强度。

2) 按照试验方案，对锚固材料搅拌均匀，将浆液倒进利用标椎维卡仪模具内，参考《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》，GB/T 1346-2011，对锚固材料在不同水灰比条件下的初终凝时间进行测试(图1).

图1 锚固材料的初终凝实验

2 锚固材料力学性能影响实验研究

2.1 水灰比对锚固原材料凝结时间影响实验结果分析

不同水灰比条件下，锚固原材料的初凝时间和终凝时间见表1和图2，由图2水灰比与锚固材料凝结时间的关系可知，锚固材料的初终凝时间随着水灰比的增加而增大，当水灰比为0.4时，锚固原材料的初终凝时间分别为5.32 min和10.61 min.并且通过实验可知，当水灰比为0.4时，锚固材料的和易性性能比较好，搅拌阻力小，可以满足工程施工的要求；当水灰比小于0.4时，此时由于水灰比较小使锚固材料粘稠度较大，搅拌阻力增大，且搅拌出来的浆料成渣，锚固原材料不能完全水化。

表1 不同水灰比对材料凝结时间的影响

图2 水灰比与锚固材料凝结时间的关系

2.2 水灰比对锚固材料力学性能影响实验结果分析

根据实验方案设置的5个水灰比梯度，对锚固材料固化体1 d、3 d、7 d和28 d的抗压抗折强度进行测试，每组试样设置3个相同标椎试样，共计120个标椎试样(图3).

图3 标椎试样的制作过程

不同水灰比条件下，锚固材料固化体单轴抗压强度见表2，锚固材料固化体不同水灰比、不同龄期条件下的抗压强度，从图4和表3可以看出，随着水灰比的增加，锚固材料的抗压抗折强度逐渐减小；并且随着固化时间的增加，锚固材料的早期强度增加迅速，后期增长缓慢。当水灰比为0.4时，1 d的单轴抗压强度为35.15 MPa，是28 d抗压强度的62.19%，抗折强度为6.25 MPa，是28 d的70.15%；随着水灰比的增大，锚固材料的强度减小，这是由于锚固材料在大水灰比条件下，结石体中的自由水多，随着水化反应的进行，逐渐消耗掉这部分自由水，在结石体中形成空隙或孔结构，导致锚固材料固化体密实度降低，因此固化体强度减小。

表2 锚固材料固化体单轴抗压强度

图4 水灰比对锚固材料单轴抗压强度的相关影响

表3 锚固材料固化体抗折强度

2.3 养护时间对锚固材料力学性能影响实验结果分析

不同水灰比条件影响下,养护时间对锚固材料力学性能的影响，如图5所示。在水灰比一定的条件下，锚固材料抗压抗折强度随养护时间的增长而增加，并且由图5(a)可知，当水灰比为0.4时，锚固材料抗压强度3～7 d的增幅最大，增幅为11.36%；7～28 d抗压强度增幅区域稳定。由图5(b)可知，当水灰比为0.4时，锚固材料每个养护时间的抗折强度较大，并且抗折强度1～3 d的增长速度最快，因此，可知锚固材料初期韧性增长较快，具有较强的抗折能力。

3 结 语

1) 实验表明，锚固材料的初、终凝时间随着水灰比的增加而增大，当水灰比为0.4时，锚固原材料的初、终凝时间分别为5.32 min和10.61 min，并且锚固材料的和易性性能比较好，搅拌阻力小。

2) 当水灰比为0.4时，28 d的单轴抗压强度为56.52 MPa，抗折强度为8.91 MPa.

3) 通过养护时间对锚固材料力学性能影响的研究发现，锚固材料初期力学性能增加较快，并且初期具有较高的韧性。