CN114804789B - 一种速凝型水泥卷锚固剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种速凝型水泥卷锚固剂及其制备方法，属于建筑工程锚固材料技术领域。所述速凝型水泥卷锚固剂包括以下原料：10～30wt％普通硅酸盐水泥，40～60wt％硫铝酸盐水泥，10～40wt％改性矿物掺合料，3～10wt％膨胀剂，0.05～0.3wt％复合缓凝剂，0.01～0.2wt％早强剂，0.02～0.1wt％消泡剂；所述改性矿物掺合料由吸水树脂和矿物掺合料改性制备。将所有原料按照质量百分比混合均匀后，用包装袋封装成需要规格的圆柱形锚固包即为速凝型水泥卷锚固剂。本发明提供的速凝型水泥卷锚固剂能够解决现有水泥卷锚固剂在泡水阶段因吸水效率不够导致芯部缺水而造成锚固力不足的问题，且无需现场配制砂浆，施工简便，抗压强度大，锚固快速可靠，短时间即可与锚杆等刚性杆体共同承受荷载。

Description

一种速凝型水泥卷锚固剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑工程锚固材料技术领域，具体涉及一种速凝型水泥卷锚固剂及其制备方法。

背景技术

我国山岭隧道大都采用新奥法施工，其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡。锚杆支护是新奥法支护体系中的重要组成部分，能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性，有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展，充分发挥围岩自身的支撑作用，锚固质量直接关系到隧道结构服役状态及运营安全。

砂浆锚杆在干燥隧道或少量渗水的隧道中可以正常施工，但是遇到涌水、漏水、渗水量大的隧道中，砂浆容易被水稀释和冲刷，导致砂浆强度降低和施工困难，造成砂浆锚杆无法施工，此时需要一种快速凝固、强度高、水稳定性好的材料替代砂浆进行锚固，而锚固剂就是最佳材料选择，其具有造价低廉、施工快速、稳定性好等优点，在有大量水的隧道(洞)施工中常常作为砂浆的替代产品。但是目前铁路隧道施工中采用不带锚头和垫板的水泥砂浆锚杆，存在填充不密实、凝结时间慢、锚固强度低、施工工序繁琐等不足之处。特别是在地质条件差、存在渗漏水的情况下，施工质量难以保证，易形成工程隐患，影响施工进度。在水泥砂浆锚杆的施工中，需要现场配制水泥砂浆，通常存在外加剂适应性不良的缺点，造成注浆材料存在稳定性差、流动性差、浆体泌水、力学性能不达标等问题，且对现场施工人员要求高，这些问题会严重影响锚杆支护的支护效果，进而威胁隧道的运营安全。

中国专利申请CN111848064A中公开了一种快硬防水型锚固剂，按重量份计包括：水泥900～1300份、硅粉40～60份、石灰石500～700份、偏铝酸钠30～50份、碳酸钠20～40份、添加剂120～176份；所述锚固剂浆体性能良好，凝固后结构体积不缩小，具有一定膨胀量，满足现场施工堵漏或砂浆锚杆锚固使用各项要求；凝结时间短，浆体硬化速度快，凝结时间比规范要求时间短2～3min，抗压强度高出规范要求1.5～2倍，其良好施工性能和力学性能能够最大限度满足规范及现场使用要求。但是，该专利申请中公开的快硬防水型锚固剂在使用时需要现场称量加水并进行搅拌，凝结时间过快，操作繁琐、不容易掌握搅拌时间、开放时间短，在隧道锚杆锚固施工过程中没有留出充足的操作时间，容易出现质量问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种速凝型水泥卷锚固剂极其制备方法，所述速凝型锚固剂通过改变原料组成，达到了调节凝结时间、抗开裂、膨胀小、提高早期强度、提高锚固力的目的。为了实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

一种速凝型水泥卷锚固剂，以质量分数计，包括以下原料：10％～30％普通硅酸盐水泥，40％～60％硫铝酸盐水泥，10％～40％改性矿物掺合料，3％～10％膨胀剂，0.05％～0.3％复合缓凝剂，0.01％～0.2％早强剂，0.02％～0.1％消泡剂；所述改性矿物掺合料的制备方法为：将吸水树脂与水按质量比1:100混合，以900～1200r/min速度搅拌分散4～6min，然后加入矿物掺合料，以4800～5200r/min速度搅拌4～6min，再加入无水乙醇继续搅拌3～5min得到改性矿物掺合料分散液，干燥后进行粉磨得到粒径不超过20μm的改性矿物掺合料；所述矿物掺合料为超细矿粉、灰钙粉、玻璃微珠、粉煤灰、硅灰中的至少一种；所述矿物掺合料的质量与所述吸水树脂的质量比为100:(1～5)，所述无水乙醇的加入量为所述水的用量的20wt％。

本发明的速凝型水泥卷锚固剂由普通硅酸盐水泥与硫铝水泥按一定的比例复合加工而成，其中采用普通硅酸盐水泥与硫铝水泥复合可以调节凝结时间；掺入适量的早强剂，可以保证速凝型水泥卷锚固剂的早期强度较高，达到施工要求；改性矿物掺合料相较于简单地掺入吸水树脂具有更高的吸水效率，能够保证速凝型水泥卷锚固剂在较短时间内吸收足量的水参与水泥水化反应，其它助剂一起共同作用可以使产品达到调节凝结时间、抗开裂、微膨胀及提高早期强度的性能。

优选的，所述速凝型水泥卷锚固剂以质量分数计，包括以下原料：24.59％普通硅酸盐水泥，60％硫铝酸盐水泥，10％改性矿物掺合料，5％膨胀剂，0.18％复合缓凝剂，0.2％早强剂，0.03％消泡剂。

优选的，所述矿物掺合料的质量与所述吸水树脂的质量比为100:1。

优选的，所述复合缓凝剂为酒石酸和葡萄糖酸钠，或所述复合缓凝剂为硼砂和葡糖糖酸钠，或所述复合缓凝剂为酒石酸和柠檬酸。

由于胶凝材料主要为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，因此复合缓凝剂选择分别与普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥更适配的缓凝剂进行配合使用，会达到更好的效果。

进一步优选的，所述复合缓凝剂为酒石酸和葡萄糖酸钠时，所述酒石酸和所述葡萄糖酸钠的质量比为(4～4.5):1；所述复合缓凝剂为硼砂和葡糖糖酸钠时，所述硼砂和所述葡糖糖酸钠的质量比为(10～15):1；所述复合缓凝剂为酒石酸和柠檬酸时，所述酒石酸和所述柠檬酸的质量比为(4～4.5):1。

进一步优选的，所述复合缓凝剂为酒石酸和葡糖糖酸钠按质量比4.5:1配制。

优选的，所述的吸水树脂为聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺、丙烯酸-丙烯酰胺共聚物、聚乙烯酸-丙烯酸接枝共聚物中的至少一种。

优选的，所述膨胀剂为氧化钙类、硫铝酸盐类、氧化镁类膨胀剂中的至少一种。

优选的，所述早强剂为硫酸锂或/和碳酸锂。

上述任一项所述的速凝型水泥卷锚固剂的制备方法为：将所述普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、改性矿物掺合料、膨胀剂、复合缓凝剂、早强剂、消泡剂混合均匀后，用包装袋封装成需要规格的圆柱形锚固包。

所述锚固剂的规格按照标准Q/CR9248-2020《铁路隧道锚杆支护技术规范》制备；优选锚固剂的直径为33mm或37mm或47mm。

优选的，所述包装袋材料为透水材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在包装材料吸水效率相同的情况下，添加强吸水性材料能够有效提高水泥卷锚固剂的吸水效率，掺入的改性矿物掺合料具有极强的吸水能力，相较于简单地掺入吸水树脂具备更高的吸水效率，能够保证速凝型水泥卷锚固剂能够在短时间内吸收足量的水参与水泥水化反应，解决了现有的水泥卷锚固剂在泡水阶段因水泥卷锚固剂吸水效率不够导致芯部缺水而造成锚固力低的问题。

(2)本发明制备的锚固剂无需现场配制砂浆，可取消注浆泵，施工简便，受干扰小，对施工环境适应性广，成本低廉，锚固快速可靠，短时间即可与锚杆等刚性杆体共同承受荷载；可用于隧道、矿山巷道、水工市政隧洞等地下工程的锚杆支护，还可用于建(构)筑物维护、设备安装等工程。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。本领域技术人员依据以下实施方式所作的任何等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

以下实施例和对比例中，普通硅酸盐水泥标号为P·O 42.5水泥，采购自华新水泥公司；硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥R·SAC 42.5，采购自唐山北极熊建材有限公司。超细矿粉、灰钙粉、玻璃微珠、粉煤灰、硅灰的比表面积均不小于400m²/kg。消泡剂选用市面上常用的聚醚类消泡剂，采购自江苏兆佳科技股份有限公司。膨胀剂的原料由武汉三源特种建材有限公司自产(国标Ⅱ型)。酒石酸采购自吴江市汇通化工有限公司，葡萄糖酸钠采购自苏州德曼利化工科技有限公司，硼砂采购自武汉市恒成化工有限公司，柠檬酸采购自苏州华航化工科技有限公司。吸水树脂均采购自河南万山新材料科技有限公司。早强剂均采购自河南祥发化工产品有限公司。

实施例1

本实施例提供的速凝型水泥卷锚固剂，包括以下原料：

10wt％普通硅酸盐水泥，40wt％硫铝酸盐水泥，40wt％改性矿物掺合料，9.87wt％氧化镁膨胀剂，0.1wt％复合缓凝剂，0.01wt％碳酸锂，0.02wt％消泡剂；所述复合缓凝剂为酒石酸和葡萄糖酸钠按质量比4:1配制；所述改性矿物掺合料的制备方法如下：将聚丙烯酰胺吸水树脂与水按照质量比1:100混合，在1000rpm转速下搅拌5min，然后加入超细矿粉，以5000rpm转速搅拌5min，再加入无水乙醇继续以5000rpm搅拌4min得到改性矿物掺合料分散液，在110℃干燥，然后粉磨得到粒径不超过20μm的改性矿物掺合料；所述所述超细矿粉的质量与所述聚丙烯酰胺吸水树脂的质量比为100:3，所述无水乙醇的质量为所述水的质量的20wt％。

将所述普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、改性矿物掺合料、氧化镁膨胀剂、复合缓凝剂、碳酸锂、消泡剂混合后搅拌均匀，用包装袋封装成直径为33mm的圆柱形锚固包即为速凝型水泥卷锚固剂。

实施例2

本实施例提供的速凝型水泥卷锚固剂，包括以下原料：

30wt％普通硅酸盐水泥，56.4wt％硫铝酸盐水泥，10wt％改性矿物掺合料，3wt％硫铝酸盐类膨胀剂，0.3wt％复合缓凝剂，0.2wt％硫酸锂，0.1wt％消泡剂；所述复合缓凝剂为硼酸和葡萄糖酸钠按质量比10:1配制；所述改性矿物掺合料的制备方法如下：将聚丙烯酸盐吸水树脂与水按照质量比1:100混合，在900rpm转速下搅拌6min，然后加入灰钙粉和玻璃微珠按质量比1:1配制的矿物掺合料，以4800rpm转速搅拌6min，再加入无水乙醇继续以5000rpm搅拌5min得到改性矿物掺合料分散液，在110℃干燥，然后粉磨得到粒径不超过20μm的改性矿物掺合料；所述矿物掺合料的质量与所述聚丙烯酸盐吸水树脂的质量比为100:4，所述无水乙醇的质量为所述水的质量的20wt％。

将所述普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、改性矿物掺合料、硫铝酸盐类膨胀剂、复合缓凝剂、硫酸锂、消泡剂混合后搅拌均匀，用包装袋封装成直径为37mm的圆柱形锚固包即为速凝型水泥卷锚固剂。

实施例3

本实施例提供的速凝型水泥卷锚固剂，包括以下原料：

20wt％普通硅酸盐水泥，40wt％硫铝酸盐水泥，34.91wt％改性矿物掺合料，5wt％氧化钙膨胀剂，0.05wt％复合缓凝剂，0.01wt％碳酸锂，0.03wt％消泡剂；所述复合缓凝剂为酒石酸和柠檬酸按质量比4.5:1配制；所述改性矿物掺合料的制备方法如下：将聚丙烯酸-丙烯酰胺共聚物与水按照质量比1:100混合，在1200rpm转速下搅拌4min，然后加入硅灰，以5200rpm转速搅拌4min，再加入无水乙醇继续以5000rpm搅拌5min得到改性矿物掺合料分散液，在110℃干燥，然后粉磨得到粒径不超过20μm的改性矿物掺合料；所述硅灰的质量与所述丙烯酸-丙烯酰胺共聚物的质量比为100:5，所述无水乙醇的质量为所述水的质量的20wt％。

将所述普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、改性矿物掺合料、膨胀剂、复合缓凝剂、硫酸锂、消泡剂混合后搅拌均匀，用包装袋封装成直径为47mm的圆柱形锚固包即为速凝型水泥卷锚固剂。

实施例4

本实施例提供的速凝型水泥卷锚固剂，包括以下原料：

24.59wt％普通硅酸盐水泥，60wt％硫铝酸盐水泥，10wt％改性矿物掺合料，5wt％氧化镁膨胀剂，0.18wt％复合缓凝剂，0.2wt％硫酸锂，0.03wt％消泡剂；所述复合缓凝剂为酒石酸和葡萄糖酸钠按质量比4.5:1配制；所述改性矿物掺合料的制备方法如下：将聚乙烯酸-丙烯酸接枝共聚物与水按照质量比1:100混合，在900rpm转速下搅拌6min，然后加入粉煤灰，以5200rpm转速搅拌4min，再加入无水乙醇继续以5000rpm搅拌5min得到改性矿物掺合料分散液，在110℃干燥，然后粉磨得到粒径不超过20μm的改性矿物掺合料；所述粉煤灰的质量与所述聚乙烯酸-丙烯酸接枝共聚物的质量比为100:1，所述无水乙醇的质量为所述水的质量的20wt％。

速凝型水泥卷锚固剂的制备方法与实施例1相同。

对比例1

本对比例提供的速凝型水泥卷锚固剂的组成与实施例1相同，不同之处在于：

所述改性矿物掺合料的制备方法如下：将聚丙烯酰胺吸水树脂与水按照质量比1:100混合，在1000rpm转速下搅拌5min，然后加入超细矿粉，以5000rpm转速搅拌5min得到改性矿物掺合料分散液，在110℃干燥，然后粉磨得到粒径不超过20μm的改性矿物掺合料。即与实施例1相比，所述改性矿物掺合料的制备步骤中不加入无水乙醇处理。

对比例2

本对比例提供的速凝型水泥卷锚固剂的组成与实施例1相同，不同之处在于：

所述改性矿物掺合料的制备方法如下：将聚丙烯酰胺吸水树脂与水按照质量比0.5:100混合。即与实施例1相比，吸水树脂的用量不同。

对比例3

本对比例提供的速凝型水泥卷锚固剂的组成与实施例1相同，不同之处在于：

所述改性矿物掺合料的制备方法如下：将聚丙烯酰胺吸水树脂与水按照质量比8:100混合。即与实施例1相比，吸水树脂的用量不同。

对比例4

本对比例提供的速凝型水泥卷锚固剂，包括以下原料：

10wt％普通硅酸盐水泥，40wt％硫铝酸盐水泥，39.6wt％超细矿粉，0.4％聚丙烯酰胺吸水树脂，9.87wt％氧化镁膨胀剂，0.1wt％复合缓凝剂，0.01wt％碳酸锂，0.02wt％消泡剂；所述复合缓凝剂为酒石酸和葡萄糖酸钠按质量比4:1配制。即与实施例1相比，不同之处在于未将超细矿粉与聚丙烯酰胺吸水树脂先进行改性，而是直接分别将二者作为单独的原料。

将所述普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、超细矿粉、聚丙烯酰胺吸水树脂、氧化镁膨胀剂、复合缓凝剂、碳酸锂、消泡剂混合后搅拌均匀，用包装袋封装成直径为33mm的圆柱形锚固包即为速凝型水泥卷锚固剂。

对比例5

本对比例提供的速凝型水泥卷锚固剂的组成与实施例1相同，不同之处在于：所述矿物掺合料的质量与所述聚丙烯酰胺吸水树脂的质量比为100:0.5。

对比例6

本对比例提供的速凝型水泥卷锚固剂的组成与实施例1相同，不同之处在于：所述矿物掺合料的质量与所述聚丙烯酰胺吸水树脂的质量比为100:6。

性能测试

按照标准Q/CR 9248-2020《铁路隧道锚杆支护技术规范》对各个实施例和对比例制备的速凝型水泥卷锚固剂进行检测，测得的初凝时间、终凝时间、0.5h抗压强度、1h抗压强度、1d抗压强度、0.5h锚固力、1d锚固力、7d限制膨胀率、28d限制膨胀率的结果如表1所示。

表1速凝型水泥卷锚固剂性能测试结果

从表1中可以看出，与实施例1相比，对比例1中制备改性矿物掺合料时没有使用无水乙醇处理，制备的锚固剂的锚固力明显降低；对比例2、3、5、6中分别调整了吸水树脂的用量比例，结果显示吸水树脂用量过多或过少都会对锚固剂的锚固力和抗压强度产生明显的不利影响；对比例4中则是将矿物掺合料和吸水树脂分别单独作为原料，虽然得到的锚固剂的抗压强度比实施例1高，但是锚固力却比实施例1明显降低；因此考虑锚固剂的综合性能，将吸水树脂与水的质量比控制为1:100，矿物掺合料与吸水树脂的质量比控制为100:(1～5)。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。对于任何熟悉本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。任何依据本发明申请保护范围及说明书内容所作的简单的等效变化和修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种速凝型水泥卷锚固剂，其特征在于，以质量分数计，包括以下原料：10％～30％普通硅酸盐水泥，40％～60％硫铝酸盐水泥，10％～40％改性矿物掺合料，3％～10％膨胀剂，0.05％～0.3％复合缓凝剂，0.01％～0.2％早强剂，0.02％～0.1％消泡剂；所述改性矿物掺合料的制备方法为：将吸水树脂与水按质量比1:100混合，以900～1200r/min速度搅拌分散4～6min，然后加入矿物掺合料，以4800～5200r/min速度搅拌4～6min，再加入无水乙醇继续搅拌3～5min得到改性矿物掺合料分散液，干燥后进行粉磨得到粒径不超过20μm的改性矿物掺合料；所述矿物掺合料为超细矿粉、灰钙粉、玻璃微珠、粉煤灰、硅灰中的至少一种；所述矿物掺合料的质量与所述吸水树脂的质量比为100:(1～5)，所述无水乙醇的加入量为所述水的用量的20wt％；所述矿物掺合料的质量与所述吸水树脂的质量比为100:1。

2.根据权利要求1所述的速凝型水泥卷锚固剂，其特征在于，以质量分数计，包括以下原料：24.59％普通硅酸盐水泥，60％硫铝酸盐水泥，10％改性矿物掺合料，5％膨胀剂，0.18％复合缓凝剂，0.2％早强剂，0.03％消泡剂。

3.根据权利要求1所述的速凝型水泥卷锚固剂，其特征在于，所述复合缓凝剂为酒石酸和葡萄糖酸钠，或所述复合缓凝剂为硼砂和葡糖糖酸钠，或所述复合缓凝剂为酒石酸和柠檬酸。

4.根据权利要求3所述的速凝型水泥卷锚固剂，其特征在于，所述复合缓凝剂为酒石酸和葡萄糖酸钠时，所述酒石酸和所述葡萄糖酸钠的质量比为(4～4.5):1；所述复合缓凝剂为硼砂和葡糖糖酸钠时，所述硼砂和所述葡萄糖酸钠的质量比为(10～15):1；所述复合缓凝剂为酒石酸和柠檬酸时，所述酒石酸和所述柠檬酸的质量比为(4～4.5):1。

5.根据权利要求1所述的速凝型水泥卷锚固剂，其特征在于，所述的吸水树脂为聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺、丙烯酸-丙烯酰胺共聚物、聚乙烯酸-丙烯酸接枝共聚物中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的速凝型水泥卷锚固剂，其特征在于，所述膨胀剂为氧化钙类、硫铝酸盐类、氧化镁类膨胀剂中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的速凝型水泥卷锚固剂，其特征在于，所述早强剂为硫酸锂或/和碳酸锂。

8.权利要求1～7任一项所述的速凝型水泥卷锚固剂的制备方法，其特征在于，将所述普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、改性矿物掺合料、膨胀剂、复合缓凝剂、早强剂、消泡剂混合均匀后，用包装袋封装成需要规格的圆柱形锚固包即为所述速凝型水泥卷锚固剂。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述包装袋的材料为透水材料。