硫磺錨固劑中摻石屑和石粉的力學(xué)性能

傳統(tǒng)的硫磺砂漿道釘錨固劑以硫磺、適當(dāng)粒徑的砂子、水泥、石蠟為原料，經(jīng)合理配比（硫磺：砂子：水泥：石蠟=1：1.2：0.4：0.03）于120°C?130°C溫度下熬制攪拌均勻而成。規(guī)范中要求此錨固劑試件抗壓強(qiáng)度不低于35.0MPa，抗拉強(qiáng)度不低于4.0MPa，錨固后的道釘抗撥力不低于60kN。由于硫磺經(jīng)熔融后，在冷卻凝固過程中，收縮性很大，容易出現(xiàn)裂紋，因此摻加一定數(shù)量的砂子作為錨固劑中的骨架以抵抗硫磺錨固劑凝固過程中出現(xiàn)的過大收縮，同時加入少量石蠟用以減緩硫磺冷卻過程中的晶型轉(zhuǎn)換使錨固劑的收縮得以進(jìn)一步的限制。錨固劑中的水泥起著微集料的作用，填充砂粒的空隙，節(jié)約了硫磺粘結(jié)劑，并起著改善錨固漿液和易性的作用，防止硫磺砂漿澆注時分層離析。鑒于砂子在硫磺砂漿中的骨架作用，砂子的用量及質(zhì)量對錨固劑的性能起著舉足輕重的作用，同時砂粒表面狀況也直接影響到硫磺與砂粒的粘結(jié)能力。目前砂子多采用河砂，表面較光滑，而且有些施工地區(qū)如云南某些山區(qū)缺乏優(yōu)質(zhì)砂源，因此急需一種質(zhì)量較優(yōu)的材料取代砂子，而采石場碎石石屑雜質(zhì)含量少，表面粗糙，不失為一種較好的候選材料，且其中的粉狀物可代替錨固劑中的水泥而使硫磺砂漿的配料簡單，因此控制好石屑石粉的顆粒大小、級配及摻量，便可一材兩代，變廢為寶，節(jié)約水泥，減少投資。1試驗(yàn)方式1.1試驗(yàn)用材料1） 硫磺：工業(yè)用塊狀硫磺，粉碎后過5mm篩；2） 水泥：普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號不限；3） 砂子:正定滹沱河中砂。試驗(yàn)時按需求過2.5、1.25、0.63、0.315、0.16mm篩（見表1）并篩除粒徑大于2.5mm砂粒。表1砂子各級篩分計篩余百分率（%）篩孔尺寸（mm）2.51.250.630.3150.16分計篩余率（%）026.531.619.122.84）石屑和石粉：石家莊某采石場，石灰?guī)r質(zhì)，烘干后按試驗(yàn)要求過2.5、1.25、0.63、0.315、0.16mm篩，配制出幾種粒級和級配的石屑石粉并測其空隙率，見表2。表2石屑石粉級配及空隙率編號各級篩分計篩余百分率（%）空隙率（%）2.51.250.630.3150.16V0.16mmS-1024.020.420.411.224.042.2S-2018.021.513.015.532.044.1S-3010.012.433.620.024.042.8S-40012.831.228.028.045.4S-5007.038.026.029.046.1S-600051.021.028.048.25）石蠟：工業(yè)石蠟，配制前打成碎塊。1.2儀器1） 抗壓強(qiáng)用2.5cmX2.5cmX2.5cm標(biāo)準(zhǔn)試模并聯(lián)三塊；2） 抗拉強(qiáng)度用“8”字試模每組八個。1.3錨固試件制作按選定的配比稱好各種材料，先將砂子或石屑（粒徑大于0.16mm）放入鐵鍋內(nèi)翻拌并加熱至100?120°C，加入水泥或石粉（粒徑小于0.16mm）炒拌并加熱至130C，再加入硫磺和石蠟，繼續(xù)加熱攪拌使混合料拌合均勻，當(dāng)混合料由稀變稠成液膠狀時，溫度升高至160C即可澆注成抗壓或抗拉試件，冷卻后拆模，室溫放置3?4h后進(jìn)行抗壓或抗拉強(qiáng)度的測試。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1硫磺砂漿錨固劑中砂子、水泥分別由石屑、石粉取代的可行性石屑、石粉分別取代砂子、水泥后錨固試件的抗壓、抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表3。表3兩種錨固劑的強(qiáng)度錨固劑種類配合比抗壓強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）硫磺：砂子：水泥：石蠟1：1.2：0.4：0.0338.13.66硫磺：（石屑+石粉）：石蠟1：1.6：0.0348.64.03經(jīng)比較可以看出，用砂子粒徑、級配相當(dāng)?shù)氖即媪蚧巧皾{錨固劑中的砂子，石粉替代水泥后，錨固試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別提高了27.9%、10.1%。分析其原因，可以認(rèn)為石屑系石子破碎而成，較之同等粒徑的砂子表面粗糙，表面積大且潔凈，故于硫磺膠結(jié)劑間的膠結(jié)面及膠結(jié)能力大從而使強(qiáng)度提高。由此得知，硫磺砂漿中的砂子和水泥分別用石屑和石粉取代不僅可行，而且其力學(xué)性能也得以提高，同時還節(jié)省了水泥，減少了投資。2.2石屑粒徑、級配的影響固定石屑石粉的摻量［硫磺：（石屑+石粉）：石蠟=1：1.6：0.03］，改變石屑粒徑、級配，錨固試件強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖1、圖2表4石屑粒徑、級配對抗壓、抗拉強(qiáng)度的影響編號123456石屑石粉粒徑、級配S-1S-2S-3S-4S-5S-6抗壓強(qiáng)度/MPa40.148.654.054.743.636.5抗拉強(qiáng)度/MPa3.694.034.074.183.873.67圖1石屑粒徑、級配對抗壓強(qiáng)度的影響圖2石屑粒徑、級配對抗拉

強(qiáng)度的影響（注：圖中編號與表4中同）可以看出，隨著石屑顆粒中較大粒徑及總平均粒徑的減少，錨固試件的抗壓和抗拉強(qiáng)度都有所提高，如4號比1號試件的抗壓強(qiáng)度提高了36.4%，抗拉強(qiáng)度提高了13.3%，但如果石屑中缺乏較大粒徑的顆粒（如5號和6號試件中的石屑），試件的抗壓抗拉強(qiáng)度則下降。分析其中原因，可以認(rèn)為①石屑骨料與硫磺的膨脹系數(shù)及彈性模量不同，在錨固劑的冷卻固化過程中，骨料收縮很小，而包裹骨科的硫磺收縮卻很大，隨骨料粒徑的增大，收縮差值也增大，收縮差值也增大，由此在界面上形成拉應(yīng)力出現(xiàn)較大的界面裂縫致使界面的粘結(jié)強(qiáng)度下降；②石屑粒徑較大，硫磺與石屑的粘結(jié)面積較小，并且加熱攪拌時顆粒不能均勻懸浮，澆注時易發(fā)生離析而使試件內(nèi)部材料分布不均導(dǎo)致試件的強(qiáng)度變差。但是石屑中缺乏有效的粗粒級或石屑粒徑過小，一則不能有效地起到骨架作用降低硫磺冷卻時較大的收縮而產(chǎn)生收縮裂縫，二則石屑中缺乏大小粒級的搭配而使石屑的空隙率增大，如S—6，S—5石屑空隙率高達(dá)48.2%、46.1%，總表面積也增大，造成硫磺粘結(jié)劑的不足，最終導(dǎo)致錨固試件的抗拉抗壓強(qiáng)度下降。因此，在選用石屑時應(yīng)篩除粒徑大于2.5mm的顆粒，同時應(yīng)注意石屑大小顆粒的搭配，使選擇的石屑級配良好。2.3石屑含量的影響在石屑粒徑、級配合理時，錨固劑中石屑含量的變化對試件強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果見表5。表5石屑含量的影響編號硫磺：（石屑+石粉）：石蠟S—2S—3抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa71：1.3：0.033.134.03.2236.481：1.4：0.033.2539.83.3740.491：1.5：0.033.5742.73.6746.5101：1.6：0.034.0348.64.0754.0111：1.7：0.033.9441.83.9747.9121：1.8：0.033.7838.73.8640.5可以看出，石屑含量過多或過少，都會使錨固試件的抗拉抗壓強(qiáng)度下降。由于硫磺包裹在石屑表面，起潤滑和填充石屑空隙作用，使錨固劑具有一定的流動性便于澆注。石屑石粉量過多，錨固漿液會過于干稠，甚至有些石屑顆粒直接接觸使錨固漿液不易攪拌均勻且在澆注時流動性不好致使固化后的錨固試件內(nèi)部孔隙率大大增加，石屑顆粒間的膠結(jié)層薄弱，界面粘結(jié)強(qiáng)度大大降低。但石屑含量少，硫磺漿液冷卻固化時的收縮過大甚至出現(xiàn)收縮縫隙導(dǎo)致錨固體強(qiáng)度下降。因此，為獲得力學(xué)性能較佳的硫磺錨固劑，硫磺與石屑石粉之比應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。經(jīng)本試驗(yàn)探索，筆者認(rèn)為硫磺：（石屑+石粉）=1：（1.5?1.7）較佳。本次試驗(yàn)由于條件的限制，未作軌枕抗撥力的測試。3結(jié)論傳統(tǒng)硫磺砂漿道釘錨固劑中的砂子用其他材料如石屑、慢冷礦渣替代不僅可行，且力學(xué)性能更優(yōu)。2） 傳統(tǒng)硫磺砂漿錨固劑中的水泥因無水分參與不能產(chǎn)生水化反應(yīng)，因此可用石粉、粉煤灰、礦渣等材料所替代。這樣不僅能節(jié)約水泥，減少投資，變廢為寶，而且還能減少環(huán)境污染。3） 用石屑石粉替代傳統(tǒng)錨固劑中的砂子水泥制作石屑道釘錨