基于應(yīng)用的GFRP錨桿拉伸和剪切性能試驗(yàn)研究

黃 軍,葉義成，王文杰，王水平，魯炳強(qiáng)

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.武鋼礦業(yè)公司金山店鐵礦, 湖北 黃石 435116)

在錨固工程中，錨桿一般采用抗拉強(qiáng)度較高的鋼材，如高強(qiáng)度螺紋鋼筋、鋼絞線或高強(qiáng)度鋼絲等。但國內(nèi)外錨固工程實(shí)踐表明，鋼錨桿在錨固工程中的質(zhì)量問題，主要是由錨桿腐蝕引起的[1]。在礦山應(yīng)用方面，鋼錨桿腐蝕后需進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，大大增加了支護(hù)成本。而鋼錨桿的防腐保護(hù)，使錨固工程工作量大、耗材多、施工復(fù)雜[2]；鋼錨桿重量大，在生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝過程中勞動強(qiáng)度大；在巷道發(fā)生較大垮冒需要二次支護(hù)時(shí)，垮冒而外露的鋼錨桿很難處理；鋼錨桿在回采工程中難以從礦石中清除，對后續(xù)的運(yùn)輸皮帶和破碎磨礦設(shè)備損壞嚴(yán)重。基于上述原因，武鋼礦業(yè)公司金山店鐵礦根據(jù)采場實(shí)際情況，擬采用力學(xué)性能較好的非金屬錨桿來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺紋鋼錨桿，以改善錨桿支護(hù)水平和降低支護(hù)成本。

玻璃鋼纖維增強(qiáng)塑料(glass fiber reinforced plymer，GFRP)錨桿是一種典型的非金屬錨桿，目前已在一些煤礦的應(yīng)用中獲得成功，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。然而，GFRP錨桿在國內(nèi)金屬礦山實(shí)踐應(yīng)用方面，尚沒有工程實(shí)例。GFRP桿材的力學(xué)性能，隨材料的配比不同而有顯著的差異，即便同成分GFRP材料和不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的錨桿的力學(xué)性能可能差別很大，而且相關(guān)力學(xué)實(shí)驗(yàn)并未有統(tǒng)一國家或地方標(biāo)準(zhǔn)[3]。為確保使用安全，首先需對GFRP錨桿進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)的研究，以便科學(xué)的確定錨桿的支護(hù)參數(shù)和相應(yīng)的施工操作制度。

1 桿體拉伸實(shí)驗(yàn)

巷道支護(hù)中，錨桿的基本受力狀態(tài)是受拉，而拉伸試驗(yàn)是獲取錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的手段。由于GFRP是由兩種基本材料復(fù)合而成的非均勻材料，縱向的纖維方向力學(xué)性能強(qiáng)，垂直纖維方向的力學(xué)性能弱，所以在進(jìn)行拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需對經(jīng)典拉伸試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行改進(jìn)達(dá)到試驗(yàn)的成功。

試驗(yàn)材料選擇南京鋒暉復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的GFRP錨桿，包括桿體(Φ18×1800mm)、托盤和螺母，其中托盤和螺母均為工程塑料，桿體表面經(jīng)過噴砂處理，并且纏繞纖維。試驗(yàn)用錨桿出廠基本參數(shù)為：桿體抗拉(MPa)≥500 、桿體抗剪(MPa)≥140 。該錨桿采用拉擠一次成型技術(shù)，玻璃纖維含量77.5%，樹脂含量22.5%。

(1)試件的制作

對于GFRP錨桿桿體的拉伸試驗(yàn)，困難在于試件夾頭部分被試驗(yàn)機(jī)的夾具夾碎而產(chǎn)生滑移。主要原因是GFRP桿材抗壓強(qiáng)度較小，且試驗(yàn)機(jī)夾頭與試件并非全面接觸，試件拉伸時(shí)，夾具壓應(yīng)力很大。試驗(yàn)研究中，采用對GFRP錨桿試件端部夾持部分套用鋼管和填充環(huán)氧樹脂的方法，通過環(huán)氧樹脂的高強(qiáng)粘結(jié)力和鋼套管的抗壓承載力，能有效避免試件端頭部分表層破壞滑移，使試驗(yàn)?zāi)軌蛉〉贸晒Αｄ撎坠懿捎脙?nèi)徑為25mm、外徑為35 mm、長度為250mm的無縫鋼管(內(nèi)有刻痕)。環(huán)氧樹脂采用藍(lán)星新材料無錫樹脂廠生產(chǎn)的鳳凰牌環(huán)氧樹脂和配套T31固化劑，按3∶1的比例進(jìn)行配置。試件端頭形狀如圖1所示。考慮到兩端錨固的長度、試驗(yàn)機(jī)的最大行程及桿體的拉伸性能，選定試件的總長度為700mm。

圖1 GFRP錨桿試件端部設(shè)計(jì)

(2)試驗(yàn)設(shè)備

電子萬能試驗(yàn)機(jī)、千分尺等。

(3)試驗(yàn)過程及試件破壞形態(tài)分析

在整個(gè)拉伸破壞過程中，試件兩端錨固可靠，未發(fā)生錨桿從鋼套中滑出的現(xiàn)象。試件的破壞形態(tài)為：試件被拉裂部分纖維被拉斷，試件破壞為脆性破壞，試件的破壞范圍在整段長度上，破壞斷面呈現(xiàn) “劈裂”破壞形式(圖2)。試件在破壞過程中，隨著荷載值的平穩(wěn)增大，剛開始在GFRP錨桿外表面出現(xiàn)細(xì)微膠合劑剝落，能聽到少量纖維剝離樹脂的響聲，但隨著荷載的繼續(xù)增加，纖維剝離樹脂的響聲消失，表現(xiàn)出一定的彈性特性。當(dāng)加載到極限荷載的80%左右時(shí)，纖維剝離樹脂的響聲又出現(xiàn)并持續(xù)增大，此時(shí)，試件表面沿縱向逐漸出現(xiàn)白斑狀裂紋，之后突然分散，承載能力降低，纖維分批拉斷，破壞斷處為纖維交叉斷裂，破壞范圍集中在GFRP錨桿中間位置，并持續(xù)在整段長度上。

圖2 GFRP拉伸破壞形態(tài)

(4)應(yīng)力時(shí)間關(guān)系

典型拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-時(shí)間曲線的實(shí)測值見圖3。

圖3 拉伸試驗(yàn)力-時(shí)間曲線圖

從圖3可見，GFRP錨桿的應(yīng)力-時(shí)間曲線沒有明顯的屈服點(diǎn)，整個(gè)試驗(yàn)過程基本是彈性變形。

(5)試驗(yàn)結(jié)果與分析

十組拉伸實(shí)驗(yàn)的極限抗拉強(qiáng)度值見表1。

表1 GFRP桿體極限拉伸強(qiáng)度

2 桿體剪切試驗(yàn)

剪切過程中，首先用普通剪切試驗(yàn)用的剪具進(jìn)行了三組試驗(yàn)，采用CMT5105萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，以2mm/min的加載速度加載至試件破壞，記錄最大荷載值。試驗(yàn)過程中反映出彎剪共同作用下，即在非純剪切試驗(yàn)過程中，破壞形態(tài)為所有受剪部位出現(xiàn)纖維開裂破壞。通過所測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，僅為生產(chǎn)廠商提供基本參數(shù)的50%左右。其主要原因在于剪切過程中，產(chǎn)生了較大的彎曲變形，反映出了GFRP錨桿在彎剪共同作用下的力學(xué)性能較弱。非純剪切破壞斷面如圖4所示。根據(jù)底座的尺寸重新加工剪刀，盡可能使剪刀與基座之間的間隙接近零后重做以上試驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果。純剪切破壞斷面形態(tài)見圖5所示。表2 列出了十組試件實(shí)驗(yàn)的極限抗剪強(qiáng)度值。

圖4 非純剪切破壞斷面

圖5 純剪切破壞斷面

表2 GFRP桿體極限抗剪強(qiáng)度

在巖體內(nèi)部主要提供兩方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪。由于錨桿與鉆孔間有較大的空隙，所以錨桿的抗剪能力只有在巖層發(fā)生較大錯(cuò)動后才能發(fā)揮出來。但在施工中，應(yīng)注意GFRP錨桿的抗剪性能較弱的缺陷。

3 結(jié) 論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合井下實(shí)際情況得出如下結(jié)論：①試驗(yàn)的Φ18mmGFRP錨桿的抗拉性能高于巷道支護(hù)中常用的Φ16mm的螺紋鋼錨桿；②GFRP錨桿的極限抗剪強(qiáng)度僅為極限抗拉強(qiáng)度的1/3左右，可以考慮節(jié)理面明顯且產(chǎn)生明顯滑動的圍巖中，采用螺紋鋼錨桿和GFRP錨桿相互排列的支護(hù)方式解決。③在運(yùn)輸和施工過程中，要防止GFRP受彎破壞。

[1] Benmokcrane B，Xu H X，Bellavance E.Bond strength of cementgrouted glass fibre reinforced plastic(GFRP)anchor bolts[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences andGeomechanics Abstracts，1996，33(5)：455-465.

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