CN104692751B - 基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料 - Google Patents

Abstract

一种基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料，由黏土、粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶、水、生石灰系膨胀剂和双组份水性氟组成，并且各物料的比例为8～10:8～10:0.5～1.5:0.7～1:8～10:1.5～2.5:4～5。所述的比例为质量比。本发明与周围土体材料在成分、理化及力学性能方面有一致性，在固化剂水性氟及植筋胶的作用下能融为一体，与周围夯土层有兼容性，同时，该材料中含有水性氟、植筋胶等，与胶木锚杆中的棉麻纤维及酚醛树脂性质相近，有较好的相容性，并缩短了固化时间，有利于填充锚固。

Description

基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料

技术领域

本发明涉及文物土遗址保护技术领域，具体是一种基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆材料。

背景技术

采用灌浆技术解决工程的有关技术问题，至今已有一个多世纪的历史，随着灌浆技术的广泛应用，灌浆材料得到较大的发展。郑守仁院士指出，灌浆材料的环保问题、耐久性问题以及适应不同环境开发新品种材料是今后灌浆材料研究的方向。因此，渗透性强、可注性好、无污染、固结体强度较高、凝结时间易于控制和施工方面等综合性能指标高的灌浆材料，是灌浆材料的方向和趋势。

目前，灌浆材料可分为粒状灌浆材料、化学灌浆材料等类型。而粒状灌浆材料包括两大类，即水泥基浆材和非水泥基浆材。由于黏土浆和非水泥基浆材应用较少，如不做特殊说明，粒状灌浆材料仅指水泥基浆材，其可灌性明显受到粒子尺寸的限制，粒度大，可灌性低，难以满足各种地层类型的不同要求。从水泥中溶出的离子会形成碱式碳酸盐盐华，水泥中的可溶性Na₂O会形成泡碱(Na₂CO₃·10H₂O)，泡碱与空气中的硫酸污染物反应形成芒硝(Na₂SO₄·10H₂O)，易在湿度变化的过程中反复结晶-溶解，对文物本体造成不可挽回的损失。且主要成分与土遗址土体材料成分差异太大，加固区与未加固区在色度、质地、透水性、热膨胀性能等方面也出现巨大的差别，导致不同的环境相应，因此易对土遗址都有潜在的危害，现代文物保护工程中严禁使用水泥，使用水泥直接加固文物，甚至被认为是一种破坏行为。

化学灌浆材料是溶液，粘度低、可灌性好，能灌0.1mm以上的缝隙，凡是水能渗入的地方，它也能渗入。而目前较为流行的化学灌浆材料有四类，即水玻璃、聚氨酯、丙烯酸盐和环氧树脂。

1、水玻璃浆材发展最早，品种最多，应用最广，但其反应机理至今未有明确的解析。该材料固结强度低，且生成的凝胶产物对环境有一定的污染。早在19世纪就报道了水玻璃加固石质文物失败的事例：水玻璃会形成坚固的外壳，加速剥离进程。水玻璃与水反应后，产生自身重量30％的碳酸钠和20％的碳酸钾，碳酸钾与碱土金属盐反应后，最终转化为硫酸钾、氯化钾或硝酸钾之后，因为吸湿性能的降低就可能在通常情况下发生结晶。

2、聚氨酯浆材的端异氰酸基(-NCO)遇水后能迅速反应并放出大量的CO₂，因此在灌浆时，可以产生二次较大的压力，促使浆液进一步扩散，增加浆液的扩散范围，但在密闭的环境下具有负面作用。

3、丙烯酸盐反应机理是典型的自由集聚合反应，其聚合物是一种网状结构的高分子凝胶体，由于其中含有大量的亲水集团，能容纳几倍于自身体积的水，其反应时间可控，但强度较低。

4、环氧树脂浆材的反应本质是胺类固化剂中的活泼氢对环氧基团的开环、交联而成紧密联结的三维网状结构，因此环氧浆材强度高、耐久性好，总体性能较优异，但开环是逐步的，因此环氧浆材凝结时间较缓慢。

岩土锚固灌浆技术成为岩土工程领域的重要分支，它的主要特点为充分发挥和提高岩土体的自身强度和自稳能力，结构物的体积和质量得以大幅度缩减，因其施工安全、加固效果理想。

目前，粘接性锚杆在土木工程和文物保护工程中使用较为普遍，土遗址锚固灌浆材料强度对锚杆锚固力影响较大。土遗址加固与一般工程加固不同，不需要太高的强度，且需要与原土质性质接近，因此，应选择强度适中，适合土遗址锚杆灌浆加固的材料。

根据《中国文物古迹保护准则》第22条指出：“按照保护要求使用保护技术。独特的传统工艺技术必须保留。所有的新材料和新工艺都必须经过前期试验和研究，证明是最有效的，对文物古迹是无害的，才可使用。”

关于《中国文物古迹保护准则》若干重要文件的阐述第11.2.2页中指出，“所有的保护补强材料和施工方法，都必须先在实验室进行试验，取得可行的结果后，才允许在被保护的实物上作局部的中间试验......得到完全可靠的效果以后，才允许大范围使用。”这也是文物保护中保护修复材料与工艺筛选研究应该遵循的基本原则。

通常情况下，灌浆体强度越大，锚固力就越大。文物保护工程中，对于土遗址保护材料，应符合以下要求：材料粘度小，流动性强且可调，收缩性小，渗透性强，结合力适中，结构上与土质较为接近。材料的耐水性要好，一般要求材料结构中含有一定的憎水集团，土遗址被加固后其耐水性得到明显的增强。材料固化后有很好的透气性及防尘吸附性。室温固化、固化期适中，便于施工。材料的耐候性好，对土遗址本身没有较多的影响。价格较为低廉，施工工艺简单。

随着新材料的研发，土遗址可选用的灌浆材料也越来越丰富。而传统的水泥混凝土材料因与遗址土体物性差异较大、具有较强的化学腐蚀性、色泽发差较大。目前，土遗址保护应用较多的是水泥砂浆、烧料礓石石英砂浆液、烧料礓石粉煤灰浆液、氧化钙、PS-F等灌浆材料。水泥砂浆则不利于应用于土遗址文物本体，而无机类的灌浆材料锚固力不够大。因此，研究一种与遗址土体及锚杆物性差异小、具有良好的抗老化性能、环保型的锚固浆液。

通过国内外论文及专利的检索，还未发现胶木棒锚杆锚固灌浆材料的应用，本发明以ZB-F600双组份水性氟胶粘剂为主剂，以粉煤灰为填充剂，纳米二氧化硅为增强剂，配以生石灰系膨胀剂，并利用植筋胶作为过渡材料，与胶木棒能有效的结合，充分起到锚杆锚固作用。

发明内容

为克服现有技术中存在的固结强度与周围土体及锚杆的强度不适应和固化时间长的不足，本发明提出了一种基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料。

本发明由黏土、粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶、水、生石灰系膨胀剂和双组份水性氟组成，并且各物料的比例为8～10:8～10:0.5～1.5:0.7～1:8～10:1.5～2.5:4～5。所述的比例为质量比。

所述的黏土过60目筛。

所述的双组份水性氟采用ZB-F600双组份水性氟。

本发明遵循保护修复程序和修复原则，使用传统材料，首选该领域通过鉴定或已推广使用的材料，以土遗址保存现状调查、土遗址制作材料与工艺研究、病害机理研究等成果为基础，通过室内筛选和现场试验两个研究阶段完成。

本发明选用的灌浆材料具备无毒无味、无腐蚀、密度小、透气性好、收缩率小、强度适中、流动性好等特点，浆液可灌性好。

锚杆锚固浆料要保证锚杆与锚固夯土粘结牢固，才能起到锚固作用。锚杆材料由过渡材料和锚固灌浆材料组成。

所述的过渡材料是涂布在锚杆上的一层植筋胶，在锚杆上形成粗糙不平的表面，既能与锚杆粘结牢固，又能保证其与锚固灌浆材料粘结牢固。本发明中采用的过渡材料为派尔科超强建筑植筋胶(又称锚固剂)，具有常温固化快，粘结强度高，锚固力可靠，耐老化的优点。

所述的锚固灌浆材料是根据锚杆锚固的要求，对锚固灌浆材料的性能进行了顶层设计，即5个条件：

a、与过渡层、夯土同时粘结兼容。与过渡层、夯土同时粘结兼容，才能起到锚固作用。

b、强度与夯土层接近。锚固灌浆材料强度与夯土层强度接近，不会引起强度失衡，有助于锚固。

c、完全填充锚洞空间，灌浆材料在固化前属于浆状，设计填充工具，使其完全填充锚洞空间，有助于锚固。

d、固化时间适宜。灌浆材料填充于锚洞中，为封闭空间，水分极难挥发。如果不固化，起不到锚固作用；如固化过快，影响填充和锚固操作。必须使其在适当的时间内固化，有助于锚固。

e、有利于施工和填充锚固。灌浆锚固浆料为浆状混合物，过稀、过稠均不利于施工和锚固操作，必须有适当的稠度。

灌浆锚固浆料配比组分筛选：

根据上述要求，经过多次选择，分别选择了粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶、生石灰系膨胀剂和ZB-F600双组份水性氟为加固材料。

经测试，本发明配方能起到较好的锚固效果。所含的黏土和生石灰，均与周围土体材料在成分、理化及力学性能方面有一致性，在固化剂水性氟及植筋胶的作用下能融为一体，与周围夯土层有兼容性，同时，该材料中含有水性氟、植筋胶等，与胶木锚杆中的棉麻纤维及酚醛树脂性质相近，有较好的相容性，所以该锚固浆料能与锚杆及周围土体兼容粘结；经测定，锚固强度适中，与夯土层强度接近，不会因太弱而起不到锚固效果，同时克服了现有技术中存在的因锚固浆料强度过大，与周围土体及锚杆之间的强度差距太大，导致理化性能、力学性能的极大反差，出现开裂等现象的不足，同时，与现有技术比较，本发明的缩短了固化时间，有利于填充锚固，给施工带来极大方便。

以下为测试的数据:

一、物理化学性质

1、主剂。

制备好的较纯的ZB-F600双组份水性氟是一种基本无色透明的粘稠胶体，与较为流行的聚合物类灌浆材料-水性聚氨酯对比，所测粘度、PH、接触角、色差和透气性见下表：

测试项目	粘度(mPa.s)	PH	接触角(℃)	色差(ΔE)	透气性(g/m2·d)
						水性氟	12	7.58	62.6	0.98	263.23
水性聚氨酯	5	8.26	66.9	2.01	262.14

2、填充剂

填充剂是一种固体添加剂，又称填料，是胶粘剂重要的助剂之一，具有补强、增稠、增硬、增韧，降低收缩性，增加触变性、耐水性等功能。

粉煤灰：主要成分是以空心球状二氧化硅组成的硅线石，其特点是颗粒小、密度小，其中所含少量的碳粉性能稳定，质轻而滑腻，使灌浆材料浆液和易性好、流动性大、可灌性也好，能保证灌浆的密实而不堵塞。

3、增强剂

增强剂，又称增强材材料，是指加入到胶粘剂中能够显著提高粘接强度的物质。无机纳米材料具有增强、增韧、增刚的效能，在胶粘剂和密封胶中添加纳米SiO₂，其粘接性能提高程度较高。纳米二氧化硅为无定形白色超细粉末，微粒结构非常特殊，颗粒表面存在着不饱和的残键及不同键合状态的羟基，其分子状态是三维链状结构。用作胶粘剂的增强剂，3-5份即可明显提高力学性能。

4、膨胀剂

膨胀剂由生石灰和硬脂酸按一定比例共同磨细而成，硬脂酸黏附于生石灰表面起到憎水隔离的作用，延缓了CaO的水化速度，从起到控制膨胀速率的作用。

二、浆液性能

水性氟灌浆材料浆液粘度测试按照GB/T10247中旋转黏度计法在(23±2)℃下测定。

凝胶时间从灌浆材料各组分按配比全部混合后开始计时，同时用玻璃棒搅拌浆液使之均匀，当浆液经反应失去流动性时计时结束，该时间即为灌浆材料的凝胶时间。

指标	初始黏度mPa.s	接触角°	胶凝时间d
				测试结果	7～10	15～20	3～5

三、材料的物理力学性能测试

研究结果表明本发明提出的灌浆材料流动性好，并且可以通过水性氟的浓度和填充料配比来调节浆液结石体的强度，这样可以满足土遗址需要，因此只对灌浆结石体做了抗折、抗压及膨胀性测试。用与灌浆相同的材料和配方将配好的浆液在0.16m*0.04m*0.04m的模具内成型，待其凝固后从模具内取出，测量并计算膨胀率。待试块完全干燥后以测定其抗折和抗压的物理常数和性能。

1)膨胀率

灌浆材料硬化后必须填充密实，增加与基材的粘结强度，提高其抗裂防渗效果，这就不能产生收缩，必须具有适宜的膨胀。

膨胀率试验参照“规范”(GB50119-2003)中膨胀剂部分，灌浆用膨胀砂浆的试验方法，空气中是指仍然带模放在室温(20±3)℃，相对湿度为(60±5)％的环境中测试的结果。由下表可见，灌浆材料的竖向膨胀率，1d(1天)基本符合规范规定，3d(3天)基本处于稳定，28d(28天)趋于稳定，膨胀安全可靠。

-3d、7d、28d依次为三天、七天、二十八天

2)抗折、抗压性能

所述3d、7d、28d依次分布为三天、七天、二十八天。

3)抗拉测试

从拉力测试结果分析，试块一般都破坏于非粘结面，拉力都较大，说明浆液结石体的强度远大于墙体和地仗的强度。

4)剖析

经过对模拟空鼓灌浆的剖析检验，结果表明，以水性氟为主剂，粉煤灰为填充料的灌浆材料均能顺利地填充到预留的空鼓中，浆液在孔隙中充填效果好，结石体与块石墙体、夯土墙体间连接紧密，具有较大的抗拉强度，达到了紧密结合的灌浆效果。

5)复杂裂隙灌浆效果

裂隙充填灌浆时使用稠浆或掺加混合料的浆液直接向土体内的大孔隙、大孔洞及裂隙灯空间灌浆，灌浆浆液固化后成为具有一定强度的固结体，充填了原有的空间。充填灌浆也不改变岩土的原有结构，渗透方式采用紊流的方式。浆液在裂隙中的流动阻力与裂隙面的粗糙度有关。为了进一步验证锚浆材料对复杂夯土裂隙的锚固作用，将一夯土块打击至裂后，用锚杆和灌浆材料进行了灌浆锚固，效果如下：

6)锚固拉拔测试

锚杆作为支护结构的核心组成部分，应具有足够的安全度和耐久性。在岩土工程中，锚杆使用的材料类型有很多种类，常见的有木质锚杆、钢筋锚杆、钢绞线锚杆和土工聚合物。在文物保护领域常用的锚杆材料有木棒、楠竹、钢筋、楠竹加筋复合材料。

本实验选取胶木棒、楠竹棒、钢筋等作为对比实验，分别用水性氟灌浆材料进行灌浆后，进行拉拔实验，实验数据测得如下：

经过对比测试，不难发现，设计的胶木棒锚杆平均破坏荷载为66kN，达到了设计要求，满足土遗址保护的要求，可看出水性氟灌浆材料与胶木棒锚杆固结度较好。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料，包括60目的黏土、粉煤灰、二氧化硅、植筋胶、水、生石灰系膨胀剂和双组份水性氟，并且各物料的比例为8～10:8～10:0.5～1.5:0.7～1:8～10:1.5～2.5:4～5。所述的比例为质量比。

本实施例中，各物料的比例为8:8:0.5:0.7:8:1.5:4，由经过筛60目的黏土3200g、粉煤灰3200g、纳米二氧化硅200g、植筋胶280ml、水3200ml，生石灰系膨胀剂600g和双组份水性氟1600ml组成。

具体实施过程中，先将水与称量好的生石灰系膨胀剂，质量比例为5.3：1，混合均匀，得到生石灰浆料。在得到的生石灰浆料中加入称量好的黏土、粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶和双组份水性氟并搅拌均匀，得到所述基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料。

使用时，通过推板将锚浆液推入锚孔中，并充分填充孔洞。当锚孔中填满后，将锚杆***锚孔并摇动，使锚孔里的浆液充分填实。向锚孔中补充锚浆液，使锚杆与锚浆液充分接触，缓慢凝固后，在锚固段内形成锚固体。

为验证本实施例的效果，进行了实验验证，实验结果如下：

胶凝时间为3天，凝期的抗压强度为6.98MPa，抗折强度为4.26Mpa，抗拉值为2.567KN，膨胀率为0.112％；胶凝时间为7天，抗压强度为7.18Mpa，抗折强度为4.58Mpa，膨胀率为0.118％；胶凝时间28天抗压强度为8.86MPa，抗折强度为4.67MPa，膨胀率为0.149％。

现场试验效果：通过现场锚固基本试验测试，通过拉拔测试结果显示，破坏荷载为64KN，剖面观察锚固部分色泽与周围土体基本一致，完全达到锚固效果。

实施例2

本实施例是一种基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料，包括60目的黏土、粉煤灰、二氧化硅、植筋胶、水、生石灰系膨胀剂和双组份水性氟，并且各物料的比例为8～10:8～10:0.5～1.5:0.7～1:8～10:1.5～2.5:4～5。所述的比例为质量比。

本实施例中，各物料的比例为10:10:1.5:1:10:2.5:5，由经过筛60目的黏土2000g、粉煤灰2000g、纳米二氧化硅300g、植筋胶200ml、水2000ml、生石灰系膨胀剂500g和双组份水性氟1000ml组成。

具体实施过程中，先将水与称量好的生石灰系膨胀剂，质量比例为4:1，混合均匀，得到生石灰浆料。在得到的生石灰浆料中加入称量好的黏土、粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶和双组份水性氟并搅拌均匀，得到所述基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料。

使用时，通过推板将锚浆液推入锚孔中，并充分填充孔洞。当锚孔中填满后，将锚杆***锚孔并摇动，使锚孔里的浆液充分填实。向锚孔中补充锚浆液，使锚杆与锚浆液充分接触，缓慢凝固后，在锚固段内形成锚固体。

为验证本实施例的效果，进行了实验验证，实验结果如下：

胶凝时间为3天，凝期的抗压强度为6.56MPa，抗折强度为4.05Mpa，抗拉值为2.121KN，膨胀率为0.128％；胶凝为时间7天，抗压强度为7.02Mpa，抗折强度为4.13Mpa，膨胀率为0.132％；胶凝时间28天，抗压强度为8.42MPa，抗折强度为4.32MPa，膨胀率为0.155％。

现场试验效果：通过现场锚固基本试验测试，通过拉拔测试结果显示，破坏荷载为66KN，剖面观察锚固部分色泽与周围土体基本一致，完全达到锚固效果。

实施例3

本实施例是一种基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料，包括60目的黏土、粉煤灰、二氧化硅、植筋胶、水、生石灰系膨胀剂和双组份水性氟，并且各物料的比例为8～10:8～10:0.5～1.5:0.7～1:8～10:1.5～2.5:4～5。所述的比例为质量比。

本实施例中，各物料的比例为9:8:1.2:1:9:1.8:4，由经过筛60目的黏土1800g、粉煤灰1600g、纳米二氧化硅240g、植筋胶200ml、水1800ml、生石灰系膨胀剂360g和双组份水性氟800ml组成。

具体实施过程中，先将水与称量好的生石灰系膨胀剂，质量比例为4:1，混合均匀，得到生石灰浆料。在得到的生石灰浆料中加入称量好的黏土、粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶和双组份水性氟并搅拌均匀，得到所述基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料。

使用时，通过推板将锚浆液推入锚孔中，并充分填充孔洞。当锚孔中填满后，将锚杆***锚孔并摇动，使锚孔里的浆液充分填实。向锚孔中补充锚浆液，使锚杆与锚浆液充分接触，缓慢凝固后，在锚固段内形成锚固体。

为验证本实施例的效果，进行了实验验证，实验结果如下：

胶凝时间为3天，凝期的抗压强度为6.62MPa，抗折强度为4.03Mpa，抗拉值为2.213KN，膨胀率为0.110％；胶凝为时间7天，抗压强度为7.12Mpa，抗折强度为4.16Mpa，膨胀率为0.121％；胶凝时间28天，抗压强度为8.53MPa，抗折强度为4.21MPa，膨胀率为0.143％。

现场试验效果：通过现场锚固基本试验测试，通过拉拔测试结果显示，破坏荷载为65KN，剖面观察锚固部分色泽与周围土体基本一致，完全达到锚固效果。

实施例4

本实施例是一种基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料，包括60目的黏土、粉煤灰、二氧化硅、植筋胶、水、生石灰系膨胀剂和双组份水性氟，并且各物料的比例为8～10:8～10:0.5～1.5:0.7～1:8～10:1.5～2.5:4～5。所述的比例为质量比。

本实施例中，各物料的比例为8.5:8.5:1:0.9:8.5:1.6:4.5，由经过筛60目的黏土1700g、粉煤灰1700g、纳米二氧化硅200g、植筋胶180ml、水1700ml、生石灰系膨胀剂320g和双组份水性氟900ml组成。

具体实施过程中，先将水与称量好的生石灰系膨胀剂，质量比例为8.5:1，混合均匀，得到生石灰浆料。在得到的生石灰浆料中加入称量好的黏土、粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶和双组份水性氟并搅拌均匀，得到所述基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料。

使用时，通过推板将锚浆液推入锚孔中，并充分填充孔洞。当锚孔中填满后，将锚杆***锚孔并摇动，使锚孔里的浆液充分填实。向锚孔中补充锚浆液，使锚杆与锚浆液充分接触，缓慢凝固后，在锚固段内形成锚固体。

为验证本实施例的效果，进行了实验验证，实验结果如下：

胶凝时间为3天，凝期的抗压强度为6.69MPa，抗折强度为4.02Mpa，抗拉值为2.113KN，膨胀率为0.101％；胶凝为时间7天，抗压强度为7.15Mpa，抗折强度为4.28Mpa，膨胀率为0.118％；胶凝时间28天，抗压强度为8.32MPa，抗折强度为4.27MPa，膨胀率为0.137％。

现场试验效果：通过现场锚固基本试验测试，通过拉拔测试结果显示，破坏荷载为64KN，剖面观察锚固部分色泽与周围土体基本一致，完全达到锚固效果。

Claims (3)

1.一种基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料，其特征在于，由黏土、粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶、水、生石灰系膨胀剂和双组份水性氟组成，并且各物料的比例为8～10:8～10:0.5～1.5:0.7～1:8～10:1.5～2.5:4～5；所述的比例为质量比。

2.如权利要求1所述基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料，其特征在于，所述的黏土过60目筛。

3.如权利要求1所述基于水性氟的纤维胶木棒锚固锚杆土遗址灌浆料，其特征在于，所述的双组份水性氟采用ZB-F600双组份水性氟。