硫磺锚固剂中掺石屑和石粉的力学性能

传统的硫磺砂浆道钉锚固剂以硫磺、适当粒径的砂子、水泥、石蜡为原料，经合理配比(硫磺∶砂子∶水泥∶石蜡＝1∶1．2∶0．4∶0．03）于120℃～130℃温度下熬制搅拌均匀而成。规范中要求此锚固剂试件抗压强度不低于35.0MPa，抗拉强度不低于4.0MPa，锚固后的道钉抗拨力不低于60kN。由于硫磺经熔融后，在冷却凝固过程中，收缩性很大，容易出现裂纹，因此掺加一定数量的砂子作为锚固剂中的骨架以抵抗硫磺锚固剂凝固过程中出现的过大收缩，同时加入少量石蜡用以减缓硫磺冷却过程中的晶型转换使锚固剂的收缩得以进一步的限制。锚固剂中的水泥起着微集料的作用，填充砂粒的空隙，节约了硫磺粘结剂，并起着改善锚固浆液和易性的作用，防止硫磺砂浆浇注时分层离析。鉴于砂子在硫磺砂浆中的骨架作用，砂子的用量及质量对锚固剂的性能起着举足轻重的作用，同时砂粒表面状况也直接影响到硫磺与砂粒的粘结能力。目前砂子多采用河砂，表面较光滑，而且有些施工地区如云南某些山区缺乏优质砂源，因此急需一种质量较优的材料取代砂子，而采石场碎石石屑杂质含量少，表面粗糙，不失为一种较好的候选材料，且其中的粉状物可代替锚固剂中的水泥而使硫磺砂浆的配料简单，因此控制好石屑石粉的颗粒大小、级配及掺量，便可一材两代，变废为宝，节约水泥，减少投资。

1 试验方式

1.1 试验用材料

1)硫磺：工业用块状硫磺，粉碎后过5mm筛； 2)水泥：普通硅酸盐水泥，标号不限； 3)砂子：正定滹沱河中砂。试验时按需求过2.5、1.25、0.63、0.315、0.16mm筛(见表1)并筛除粒径大于2.5mm砂粒。

表1 砂子各级筛分计筛余百分率(%)

筛孔尺寸(mm) 2．5 1．25 0．63 0．315 0．16 分计筛余率(%) 0 26．5 31．6 19．1 22．8

4）石屑和石粉：石家庄某采石场，石灰岩质，烘干后按试验要求过2.5、1.25、0.63、0.315、0.16mm筛，配制出几种粒级和级配的石屑石粉并测其空隙率，见表2。

表2 石屑石粉级配及空隙率

空隙率 编号 2．5 1．25 0．63 0．315 0．16 ＜0．16mm (%) 各级筛分计筛余百分率 (%) S－1 S－2 S－3 S－4 S－5 S－6 0 24．0 20．4 20．4 11．2 0 18．0 21．5 13．0 15．5 0 10．0 12．4 33．6 20．0 0 0 12．8 31．2 28．0 0 0 7．0 38．0 26．0 0 0 0 51．0 21．0 24．0 32．0 24．0 28．0 29．0 28．0 42．2 44．1 42．8 45．4 46．1 48．2

5)石蜡：工业石蜡，配制前打成碎块。 1.2 仪器

1)抗压强用2.5cm×2.5cm×2．5cm标准试模并联三块； 2)抗拉强度用“8”字试模每组八个。 1.3 锚固试件制作

按选定的配比称好各种材料，先将砂子或石屑(粒径大于0.16mm)放入铁锅内翻拌并加热至100～120℃，加入水泥或石粉(粒径小于0.16mm)炒拌并加热至130℃，再加入硫磺和石蜡，继续加热搅拌使混合料拌合均匀，当混合料由稀变稠成液胶状时，温度升高至160℃即可浇注成抗压或抗拉试件，冷却后拆模，室温放置3～4h后进行抗压或抗拉强度的测试。

2 试验结果及分析

2.1 硫磺砂浆锚固剂中砂子、水泥分别由石屑、石粉取代的可行性 石屑、石粉分别取代砂子、水泥后锚固试件的抗压、抗拉强度的试验结果如表3。

表3 两种锚固剂的强度

锚固剂种类 配合比 抗压强抗拉强度度(MPa) (MPa) 3．66 4．03 48．6 硫磺∶砂子∶水泥∶石蜡 1∶1.2∶0.4∶0.03 38．1 硫磺∶(石屑＋石粉)∶石蜡 1∶1．6∶0．03

经比较可以看出，用砂子粒径、级配相当的石屑代替硫磺砂浆锚固剂中的砂子，石粉替代水泥后，锚固试件的抗压强度、抗拉强度分别提高了27．9％、10．1%。分析其原因，可以认为石屑系石子破碎而成，较之同等粒径的砂子表面粗糙，表面积大且洁净，故于硫磺胶结剂间的胶结面及胶结能力大从而使强度提高。由此得知，硫磺砂浆中的砂子和水泥分别用石屑和石粉取代不仅可行，而且其力学性能也得以提高，同时还节省了水泥，减少了投资。 2.2 石屑粒径、级配的影响

固定石屑石粉的掺量［硫磺∶(石屑＋石粉)∶石蜡＝

1∶1．6∶0．03］，改变石屑粒径、级配，锚固试件强度的试验结果见

表4及图1、图2

表4 石屑粒径、级配对抗压、抗拉强度的影响

编 号 抗压强度／MPa 抗拉强度／MPa 1 2 3 4 5 6 石屑石粉粒径、级配 S－1 S－2 S－3 S－4 S－5 S－6 40．1 48．6 54．0 54．7 43．6 36．5 3．69 4．03 4．07 4．18 3．87 3．67

图1 石屑粒径、级配对抗压强度的影响 图2 石屑粒径、级配对抗拉

强度的影响

(注：图中编号与表4中同) 可以看出，随着石屑颗粒中较大粒径及总平均粒径的减少，锚固试件的抗压和抗拉强度都有所提高，如4号比1号试件的抗压强度提高了36.4%，抗拉强度提高了13.3%，但如果石屑中缺乏较大粒径的颗粒(如5号和6号试件中的石屑)，试件的抗压抗拉强度则下降。分析其中原因，可以认为①石屑骨料与硫磺的膨胀系数及弹性模量不同，在锚固剂的冷却固化过程中，骨料收缩很小，而包裹骨科的硫磺收缩却很大，随骨料粒径的增大，收缩差值也增大，收缩差值也增大，由此在界面上形成拉应力出现较大的界面裂缝致使界面的粘结强度下降；②石屑粒径较大，硫磺与石屑的粘结面积较小，并且加热搅拌时颗粒不能均匀悬浮，浇注时易发生离析而使试件内部材料分布不均导致试件的强度变差。但是石屑中缺乏有效的粗粒级或石屑粒径过小，一则不能有效地起到骨架作用降低硫磺冷却时较大的收缩而产生收缩裂缝，二则石屑中缺乏大小粒级的搭配而使石屑的空隙率增大，如S—6，S—5石屑空隙率高达48.2%、46.1%，总表面积也增大，造成硫磺粘结剂的不足，最终导致锚固试件的抗拉抗压强度下降。因此，在选用石屑时应筛除粒径大于2.5mm的颗粒，同时应注意石屑大小颗粒的搭配，使选择的石屑级配良好。 2.3 石屑含量的影响

在石屑粒径、级配合理时，锚固剂中石屑含量的变化对试件强度影响的试验结果见表5。

表5 石屑含量的影响

S—2 编 号 S—3 抗压强 度／MPa 36．4 40．4 46．5 54．0 47．9 40．5 硫磺：(石屑 抗拉抗压强 抗拉强 ＋石粉)：石蜡 强 度／度／度／MPa MPa MPa 1∶1．3∶0．03 3．1 1∶1．4∶0．03 3．25 1∶1．5∶0．03 3．57 1∶1．6∶0．03 4．03 1∶1．7∶0．03 3．94 1∶1．8∶0．03 3．78 34．0 39．8 42．7 48．6 41．8 38．7 3．22 3．37 3．67 4．07 3．97 3．86 7 8 9 10 11 12

可以看出，石屑含量过多或过少，都会使锚固试件的抗拉抗压强度下降。由于硫磺包裹在石屑表面，起润滑和填充石屑空隙作用，使锚固剂具有一定的流动性便于浇注。石屑石粉量过多，锚固浆液会过于干稠，甚至有些石屑颗粒直接接触使锚固浆液不易搅拌均匀且在浇注时流动性不好致使固化后的锚固试件内部孔隙率大大增加，石屑颗粒间的胶结层薄弱，界面粘结强度大大降低。但石屑含量少，硫磺浆液冷却固化时的收缩过大甚至出现收缩缝隙导致锚固体强度下降。因此，为获得力学性能较佳的硫磺锚固剂，硫磺与石屑石粉之比应控制在适当的范围内。经本试验探索，笔者认为硫磺∶(石屑＋石粉)＝1∶(1．5～1．7）较佳。 本次试验由于条件的限制，未作轨枕抗拨力的测试。

3 结 论

传统硫磺砂浆道钉锚固剂中的砂子用其他材料如石屑、慢冷矿渣替代不仅可行，且力学性能更优。

2)传统硫磺砂浆锚固剂中的水泥因无水分参与不能产生水化反应，因此可用石粉、粉煤灰、矿渣等材料所替代。这样不仅能节约水泥，减少投资，变废为宝，而且还能减少环境污染。

3)用石屑石粉替代传统锚固剂中的砂子水泥制作石屑道钉锚固剂，其较佳的颗粒级配为：＞2．5 mm∶0%;1.25～2.5mm∶0%～20%;0.63～1.25mm∶10%～20%;0.315～0.63mm∶15%～35%;0.16～0.315mm∶18%～28%;0.16mm以下∶25%～32％。 4）石屑石粉道钉锚固剂中，硫磺∶(石屑＋石粉)∶石蜡＝1∶（1．5～1．7）∶0．03。