以化学方法加固钻井中的锚固件所用的砂浆桶

本发明涉及以化学方法加固钻孔中的锚固件 (Verankerungsmittel)所用的一种砂浆桶，这种砂浆桶包含一个 基本上为圆柱形的外部容器。在锚固件沉降时可破坏此容器。在此 容器内装有包含粘合剂和填料在内的一种多组分砂浆的各种组 分。

化学加固技术主要用于采矿业、隧道工程，用于建筑铁路交通 线时的特殊加固，用于非常潮湿的基础中有腐蚀危险之处，用于重 负荷锚固等等。借助于化学加固技术可完成具有高支承强度的无扩 张压力的加固。为了加固锚固件，例如锚杆(Ankerstangen)、 内螺纹套筒或加固在岩石中或混凝土中的钢筋，一般使用套筒。这 些套筒具有用来分开保存多组分砂浆的成分的两个或多个空腔。这 种多组分砂浆通常包含有机或无机粘合剂或这两种粘合剂的混合 物以及填料。这些填料在时效硬化的砂浆中起支撑和加固作用，因 此赋予砂浆需要的强度。可将这种套筒插入钻孔中，并通过锚固件 冲击扭转来破坏套筒或套筒的空腔。在此情况下多组分砂浆的反应 组分被混合，并引发硬化反应。这种时效硬化的多组分砂浆使得可 能无扩张压力地将负荷导入地基中。在过去已证明这样的组合锚栓 对重荷锚固也特别有效。

在EP-B-0150555中说明了套筒的或砂浆桶的各种不同结 构方案，这些套筒或砂浆桶具有两个彼此分开的空腔，在这些空腔 中装有一种由环氧丙烯酯树脂和硬化剂组成的粘合剂。砂浆桶还可 装有各直至为粘合剂五倍重量的粗填料和细填料。砂浆桶外面具有 一个玻璃容器，在这玻璃容器内装有第二个玻璃容器。在冲击扭转 引进锚固件时这两个玻璃容器都被破坏，而且或多或少被磨碎。这 些玻璃碎片构成了这些填料的一种成分，并和这些填料一起加固 了这种时效硬化树脂，赋予这种树脂必要的强度。当然无法预料的 是，在引进锚固件时玻璃在多大程度上被粉碎。玻璃碎片的大小随 加固点的不同而不同。一次将玻璃破碎成相对较大的碎片，另一次 将碎片磨碎得很细。但玻璃碎片的不同大小直接影响到砂浆的强 度。锚固的负荷量从一加固点至另一加固点是不同的，而且不能再 满意地加以控制。

由于这个玻璃容器在各加固点被粉碎成大小不同的碎片，因此 在引进锚固件时也出现大小不同的沉降阻力。这种沉降阻力确定了 能多快将一种锚固件，例如将一根杆引进钻孔中。如果考虑到要通 过这根冲击旋转的加固杆将粘合剂组分，例如将活性树脂和硬化剂 混合均匀，容易理解的是，太快地将锚杆引进钻孔中只能使这些粘 合剂的反应组分得到不充分的混合。因此这种活性树脂时效硬化不 完全，锚固达不到需要的负荷量。由于混匀不充分，这些填料也只 能很不均匀地分布于粘合剂中，这能使时效硬化的人造树脂的强度 受到削弱，还能进一步降低锚固的负荷量。另一方面从应用方面来 看希望尽可能快地将锚固件引进钻孔中，而且希望从一加固点至另 一加固点总是持续大约相等长的时间。

已知的这个砂浆桶的玻璃容器是易碎的，因此必须很小心地加 以包装，防止在存放和操作时造成危害和令人厌恶的污染。如果打 碎里面的玻璃容器，人造树脂和硬化剂就彼此进行化合，并引起意 外硬化反应。通常是把越来越多的玻璃套筒存放在一个尽可能避免 碰撞的纸板包装盒内。如果在包装盒内的一个玻璃套筒被完全破坏 并引起硬化反应，那么，包装盒内的所有玻璃套筒都不能用了。在 EP-B-0150555中虽然已提出用一个塑料袋代替外面的玻璃容 器，在塑料袋里放置内玻璃容器。但塑料袋里面的内玻璃容器还总 是意外地被打坏，从而使粘合剂的这两种组分互相进行化合并引起 硬化反应。也可能发生的是，已被打碎的里面的玻璃容器碎片损坏 塑料袋，然后反应组分，例如树脂和硬化剂流出来，流到例如保存 在一个纸板盒内的其它砂浆桶上并进行时效硬化，因此纸板盒内的 所有砂浆桶都不能用。塑料袋在扭转冲击引进锚固件时的特性在文 献中没有更详细说明。但顾虑的是，把塑料袋紧贴到钻孔壁上导致 只有很少承重力的加固，这种加固对用户来说通常是不能接受的。

从US-A-3，474，898中已知砂浆桶的各种不同的实施 方案，这种砂浆桶包含具有一个或多个空腔的、用塑料涂层的金属 箔制成的软袋。这些空腔是优选通过将这种软袋密封来制成的。密 封缝可通过对软袋揉捏再打开，因此可将原来分开的人造树脂和硬 化剂进行混合。用手充分揉捏这个软袋之后，可将它推入钻孔中。 将一锚固件，随后例如将一根锚杆推入钻孔中，这时软袋开裂。在 轴向上将这根锚杆推入钻孔中时，人造树脂-硬化剂混合物被从软 袋中挤压出来。继续将软袋推入钻孔中，一起推到钻孔底。在这些 已知的软袋包装中只通过用手揉捏把包含人造树脂和硬化剂的这 种粘合剂进行不充分的混匀。因此会出现粘合剂不完全时效硬化， 这就降低了锚固的支承强度。通过揉捏大大改变了砂浆桶形状， 这可在把软袋推入钻孔时造成困难。必须把钻孔钻得比较深，因 为它必须容纳一起被推到钻孔底的软袋。也可能出现软袋不是完 全被墩实，而是软袋的一部份被夹在钻孔壁和锚固件之间，这些 方面就不再有助于锚固的支承强度，而且不再能达到所要求抽出 值(Auszugswerte)。

因此本发明的任务是开发出用于锚固件的化学加固技术的一 种砂浆桶。这种砂浆桶确保在要加固的锚固件和钻孔壁之间有尽 可能好的结合。该砂浆桶应该可简单贮存，简便使用，尤其可简 单地用于钻孔。它应对振动不敏感，在由于疏忽使容器掉落地板 上时也不应引起砂浆的硬化反应。

装有多组分砂浆中各组分的这个可破坏的容器应对加固的支 承强度没有不利影响。这个容器在扭转冲击地引进锚固件时应该 被充分粉碎，碎片应尽可能均匀地分布在多组分砂浆中。粘合剂 的各反应组分在砂浆桶的存放过程中不应该互相发生反应，在引 进锚固件时应被尽可能混合均匀，为的是保证砂浆均匀地硬化。 在已时效硬化的砂浆中的填料应贯穿整个井深起到均匀支承的和／ 或加固的作用。基本上决定砂浆强度的填料在涉及其粒度和粒子 特性方面大多数应该是可控制的。锚固部件的下沉速度基本上应 该是可预定的，而且从一加固点到另一加固定的下沉速度基本上 应该是相同的。

此任务的解决办法在于：在钻孔中以化学方法加固锚固件所用 的一个砂浆桶中包含一个基本上为圆柱形的外部容器，这个容器在 锚固件沉降时是可破坏的，在这个容器里装有包含粘合剂和填料的 多组分砂浆的各种成分。这个容器由一种柔韧的材料组成，这种材 料的体积份量少于砂浆桶总体积的15％，在此粘合剂和填料的体 积份量分别为砂浆桶总体积的约15％至约60％和约35％至约70 ％。容器的柔韧材料确保砂浆桶有良好的可操作性。此容器是足够 坚固的，在其保存时即使不采用预防措施也能可靠地保存粘合剂和 填料。此容器对振动很不敏感，即使由于疏忽掉落在地板上也不打 破。尽管如此该容器在扭转冲击地引进锚固件时，例如在扭转冲击 引进锚杆、内螺纹套筒或钢筋时仍然可打破和粉碎。在此情况下， 少于砂浆桶总体积的15％的这种容器材料的小体积份量可保证粉 碎了的容器不对锚固的支承强度产生不利影响。粘合剂和填料的体 积份量分别为砂浆桶总体积的约15％至约60％和约35％至约70 ％。通过所选择的体积比保证了在扭转冲击引进锚固件时有足够高 的沉降阻力。全部填料在涉及其性能和结构时可预先确定。被粉碎 了的容器本身不是填料的成分。因此可目标明确地控制沉降阻力， 达到多组份砂浆各组分的充分混匀，尤其是粘合剂的反应组分的充 分混匀。这种充分的混匀和容器的柔韧的及可破坏的材料的仅仅小 体积份量一起使得容器的组分很均匀地分布在砂浆中。由于所有填 料在涉及其性能和结构方面基本上可预先确定，因此也能使此全部 填料与容器的材料性能相协调，为的是例如在扭转冲击引进锚固件 时促进容器材料的粉碎。可使全部填料和所使用的粘合剂相匹配， 而且可目标明地根据时效硬化的砂浆的需要的强度来选择全部填 料。以此方法来保证在要加固的锚固件和钻井壁之间有尽可能好的 结合。

作为填料最好选择一些对粘合剂尽可能呈惰性的粗分散的材 料，这些材料具有莫氏硬度＞4，密度≥2克／厘米3。为了在扭转冲 击引进锚固件时不被磨碎，这些材料应具有足够的自身稳定性。通 过混合它们均匀地分布在粘合剂的基体中，从而赋予时效硬化的多 组分砂浆所需要的强度。它们优选具有粒状的和有棱角的粒子外 形。这些粒子的至少80％(重量)具有其数值约为砂浆桶外直径 的约5％至约25％的当量直径。当锚固件被扭转冲击地引进钻井 时，这种粒状的和有棱角的粒子外形有助于组成容器的材料的粉 碎。目标明确地选择当量直径分布较小的和某种密度的粒子可以控 制沉降阻力和控制粒子在砂浆中的分布。用这种方法可把时效硬化 的砂浆强度确定在较狭窄的范围内，因而可达到需要的锚固负荷 量。在此情况下是把一个等体积的球体的直径看作是造形不规则的 填料粒子的当量直径。

此容器的壁厚约为砂浆桶外直径的0．1％至3％。容器的材料 是一种薄膜，这种薄膜具有小于原来薄膜长度的300％的撕裂伸 长。这种尺寸和撕裂伸长保证了此容器一方面具有足够的强度，可 简易和安全操作，不必担心容器意外破裂，漏出其中的东西。另一 方面容器的材料强度也正好只大到在扭转冲击引进锚固件时，例如 在扭转冲击引进锚固杆时材料能可靠地被粉碎。

特别容易制造的容器包含两个彼此连接的壳层。这两个壳层最 好是由薄膜吹制或深冲成的。这里作为薄膜材料可考虑的有：聚酰 胺、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酯和／或这些材料的复合物或由纸与可 密封的聚合物制成的复合物。此容器密封缝的宽度在砂浆桶外直径 的5％和50％这间。这一宽度一方面提供密封缝足够的坚牢性， 另一方面这些密封缝在扭转冲击引进锚固件时对容器的粉碎只有 无足轻重的妨碍。

本发明的砂浆桶包含填料和粘合剂。可使用无机或有机粘合剂 或这两种粘合剂的混合物。这种粘合剂优选包含至少两种组分，在 砂浆桶的整个长度上基本上都安置有这些组分。这里一方面把在硬 化反应中反应成粘合剂分子的那些物质称为反应组分。另一方面反 应组分也可能是这样一些物质，这些物质通过其存在或通过自身的 反应使能够进行硬化反应，可引起、加速、抑制硬化反应或对硬化 反应起催化作用。作为例子提到的是活性树脂和硬化剂在有机体系 中的混合物，在这些有机体系中硬化剂虽然引发聚合反应，但自 已不参加反应。这样的一些粘合剂在现有技术中是已知的。而且在 有关的使用中经受过考验。反应组分基本上遍及容器的整个长度的 分布有助于这些反应组分的均匀混合，保证粘合剂很好地和完全地 硬化。

在本发明的砂浆桶的一种优选的方案中是将这些反应组分的 一种固定在增强纤维织物载体或非织造织物载体上，这些载体这样 被加到容器的材料中，以致固定在载体上的反应组分在容器破坏时 才与第二组分化合。这两种反应组分分开存在直到有意打破此容 器。这两种反应组分的意外混合实际上是绝不可能的。以这种方法 保证了多组分砂浆只在钻孔中在引进锚固件之后才进行时效硬 化。

在本发明的砂浆桶的其它特别有利的结构方案中使这些反应 组分的一种和惰性辅助材料一起结合成粒子形附聚物，这些附聚物 具有的密度约为填料密度的约60％至约120％，具有的当量直径 约为多数填料粒子的当量直径的约0．5倍至约4倍。这些附聚物被 直接埋入第二种反应组分中，而且被对这些反应组分呈惰性的涂层 分隔开。通过所选择的附聚物的密度和所确定的附聚物粒子的当量 直径来保证在砂浆桶里的这些附聚物是固定位置排列的，不会由于 对砂浆桶的操作而积聚在容器的一端。选择这些附聚物的密度和附 聚物粒子的当量直径正好使这些附聚物粒子不由于重力作用而沉 积在填料中，而且也不会漂浮在粘合剂的第二反应组分中。通过对 两种反应组分都呈惰性的一种涂层来分隔开粘合剂的反应组分。

在本发明的一优选结构方案中惰性辅助材料构成了填料的一 种成分，而且以这种方式在时效硬化的多组分砂浆中还起到补充支 承和／或加固的作用。例如可使用玻璃、陶瓷、高强度的聚合物等等 作为适合于此目的的惰性辅助材料。

在本发明砂浆桶的一优选结构方案中粘合剂反应组分包括乙 烯基酯尿烷树脂和从属的硬化剂，其中树脂和硬化剂的体积份量总 计为砂浆桶总体积的约25％至约55％，填料份量约为砂浆桶总体 积的约40％至约70％。这种有机体系和该体系有利的其它组成描 述于DE-A-4111828中。

在本发明的一有利方案中，粘合剂包括一个无机体系的反应组 分，在此反应组分是基于以下组分的、在水存在下凝固和硬化的物 料，

a)含有细分的SiO2或细分的SiO2和Al2O3的混合物，

b)至少部分水溶性的碱金属硅酸盐和／或硅酸铵和／或碱金属氧 化物或碱金属氢氧化物和无定形的分散粉末状硅酸作为碱金属硅 酸盐-产物母体(Prekursoren)，

c)在与水接触时显示出加速物料硬化的强热效应的这样一些无 机化合物和／或有机金属化合物和

d)必要时含有发泡剂以及类似物。这种一种无机粘合剂及其有 利的其它组成是US-A-5，228，319的发明对象。

下面根据示意图中所示的实施例更详细地说明本发明及属于 本发明的所有重要细节。以下表示：

图1为以部分纵断面表示的本发明砂浆桶的第一个实施例，

图2为按图1所示的砂浆桶的横断面，

图3为本发明砂浆桶的第二个实施例。

图1和图2图示出本发明砂浆桶的第一个实施例，而且各用标 号1标出。这个砂浆桶包含外直径为d的一个大致圆柱形的容器2， 这个容器是用一种柔韧的薄膜确切地说用复合薄膜3，4制成的。 作为薄膜材料可考虑聚酰胺、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酯和／或这些 材料的复合物或由纸和可密封的聚合物制成的复合物。在端部以及 在侧沿复合薄膜3、4不透液密封。在此情况下密封缝5具有宽度 W，该宽度W在砂浆桶外直径d的5％和50％之间。复合薄膜3、 4的壁厚t约为砂浆桶1的外直径d的约0．1％至约3％。复合薄膜 的撕裂伸长小于原薄膜长度的300％。容器的材料3，4的体积份 量少于砂浆桶总体积的15％。在容器2的里面装有粘合剂6，8 和填料7。粘合剂6，8的体积份量和填料的体积份量分别为砂浆 桶总体积的约15％至约60％和约35％至约70％。

粘合剂体系至少包含两种反应组分6及8。反应组分中的一种 组分8固定在优选增强纤维的织物载体或非织造织物载体9上。这 些优选的增强纤维的织物载体或非织造织物载体9是装在复合薄膜 的单层3及4之间，并扩展到容器2的大致整个长度。以这种方式 把这两种反应组分6、8彼此分隔开，只在扭转冲击引进锚固件而 破坏容器2时它们才互相化合。

粘合剂6、8可包含一个无机体系或一个有机体系或者也可能 是无机体系和有机体系的混合物。作为无机体系优选的是一个反应 组分体系，该反应组分体系包括基于以下组份的在水存在下凝固和 硬化的物料，即在：

a)含有细分的SiO2或细分的SiO2和Al2O3的混合物，

b)至少部分水溶性的碱金属硅酸盐和／或硅酸铵和／或碱金属氧 化物或碱金属氢氧化物和无定形的分散粉末状硅酸作为碱金属硅 酸盐-产物母体，

c)在与水接触时显示出加速物料硬化的强热效应的这样一些无 机化合物和／或有机金属化合物和

d)必要时含有发泡剂以及类似物。这样一种无机粘合剂和这种 粘合剂的有利的其它组成是US-A-5，228，913的发明对象。

作为有机体系首先优选包含乙烯基酯尿烷树脂和附属硬化剂 的反应组分，在这些组分中树脂和硬化剂的体积份量总计为砂浆桶 1的总体积的约25％至约55％，填料体积份量为砂浆桶1的总体 积的约40％至约70％。这种有机体系和同一有机体系的有利的其 它组成描述于DE-A-4111828中。

容易理解的是，在有机体系和无机体系的混合物作为粘合剂 6、8时必须相应地调整反应组分的体积比。但粘合剂6、8、填 料7和容器2的材料3、4之间体积比要全部保持不变。

填料7最好是一些粗分散的材料，这些材料对粘合剂6、8尽 可能是惰性的，具有莫氏硬度＞4和密度≥2克／厘米3。填料7具有 粒状的和有棱角的粒子外形。至少80％(重量)填料粒子具有其 数值为砂浆桶1的外直径d的约5％至约25％的当量直径。这里 把等体积的一个球体的直径看作是一个不规则造形的填料粒子的 当量直径。

在图3中图示的本发明砂浆桶1的第二实施例中，容器2包括 两个彼此连接的壳层，这两个壳层最好是由薄膜材料深冲成的。把 这两个半壳层沿着密封区5相互不透液地连接起来。反应组分8的 一个组分和惰性辅助材料一起结合成粒子形的附聚体10，该附聚 体的密度为填料7的密度的约60％至约120％，当量直径为大多 数填料粒子的当量直径的约0．5倍至约4倍。这些附聚体10被直接 埋入第二反应组分6中，它们被一层对反应组分6、8都呈惰性的 涂层11彼此分隔开。通过所选择的附聚体10的密度和所确定的附 聚体10的当量直径来保证附聚体10在砂浆桶1内所处位置固定， 不会由于操作砂浆桶1而聚积在容器2的一端。选择附聚体10的 密度和当量直径正好使这些附聚体不会由于重力作用能沉积在填 料7中，而且也不会漂浮于粘合剂的第二反应组分6中。

用对两组分都呈惰性的涂层11来分隔粘合剂的反应组分6、 8。作为惰性的辅助材料可使用例如玻璃、陶瓷、高强度的聚合物 等等。在这种情况下此惰性的辅助材料成为填料7的一个组成成 分，并在时效硬化的多组分砂浆中起附加支承／加固作用。作为惰性 的辅助材料也可使用例如白垩、石膏、碱土金属氧化物和以聚二羧 酸酯及诸如此类化合物为基础的增塑剂。

在本发明的其它可能的结构方案中，此砂浆桶也可包含两个或 需要时甚至包含多个长薄膜袋，这些薄膜袋是互相交错和／或互相平 行排列的。各反应组分在这些薄膜袋中被彼此分开保存直到砂浆桶 下沉时破坏这些薄膜袋为止。填料装在这些薄膜袋的一个袋中或分 配在几个袋内。

本发明的砂浆桶的组成保证在要加固的锚固件和钻孔壁之间 有好的连接。由于容器材料的柔韧性，因此对砂浆桶的操作是没有 问题的。此容器是足够坚固的，在其保存时或在运输过程中不用特 殊的预防措施也能可靠地保留粘合剂和填料。此容器对振动很不敏 感，即使由于疏忽掉落在地上也不打破。尽管如此，此容器在扭转 冲击引进锚固件时，例如在扭转冲击引进锚杆、内螺纹套筒或钢筋 时相当容易被打破或被粉碎。在此情况下少于砂浆桶总体积的15 ％的这种容器材料的小体积份量可保证粉碎了的容器不对锚固的 支承强度产生不利影响。粘合剂和填料的体积份量分别为砂浆桶总 体积的约15％至约60％和约35％至约70％。通过所选择的体积 比保证了在扭转冲击引进锚固件时有足够高的沉降阻力。全部填料 在涉及其性能和结构时是可预先确定的。被粉碎了的容器本身不是 填料的成分。因此可目标明确地控制沉降阻力，使多组分砂浆的各 组分达到充分的混匀，尤其是粘合剂反应组分的充分混匀。这种充 分的混匀和容器的柔韧的及可破坏的材料的所占的仅仅小体积份 量一起使得容器的成分很均匀地分布在砂浆中。由于所有填料在 涉及其性能和结构方面基本上可预先确定全部填料，因此也能使此 全部填料与容器的材料性能相匹配，为的是例如在扭转冲击引进锚 固件时促进容器材料的粉碎。可使全部填料和所使用的粘合剂相匹 配，而且目标明确地根据时效硬化的砂浆的需要的强度来选择全部 填料。以此方式来保证在要加固的锚固件和钻孔壁之间有尽可能好 的连接。