塑料錨索在腐蝕環境中的力學性能試驗研究

張　慶， 劉　欣， 何錫存， 徐　輝， 陳良杰， 沈淑雯

(1. 寧波大學建筑工程與環境學院，浙江寧波 315211；2. 寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波 315211； 3. 浙江省電力設計院，浙江杭州 310012)

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塑料錨索在腐蝕環境中的力學性能試驗研究

張慶1， 劉欣1， 何錫存1， 徐輝2， 陳良杰1， 沈淑雯3

(1. 寧波大學建筑工程與環境學院，浙江寧波 315211；2. 寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波 315211； 3. 浙江省電力設計院，浙江杭州 310012)

【摘要】為研究塑料錨索在腐蝕環境中的力學性能并進行安全性評價，共完成了1組未經腐蝕的塑料錨索和4組經腐蝕的塑料錨索的試驗研究。通過試驗研究，著重考察塑料錨索的斷裂荷載、彈性模量、伸長率等力學性能及其隨時間的變化規律。試驗研究結果和GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術規范》技術要求對比，得到結論：受腐蝕后塑料錨索的斷裂荷載有一定程度降低，但后期下降速率變緩；在試驗周期中，彈性模量降低10.44 %左右；塑料錨索在長期腐蝕環境下可有效加固邊坡。

【關鍵詞】塑料錨索；腐蝕環境；力學性能

隨著我國經濟的快速發展和西部大開發進度加快，人們對自然環境的改進、利用要求越來越強烈[1-2]。山區高速公路建設、鐵路修建及大型水利樞紐修筑等，均涉及到邊坡工程的研究和整治問題。近年來我國邊坡災害頻發，對人民的財產和生命安全造成了極大的威脅。因此，邊坡穩固的重要性越來越受到重視[3-4]。

錨固技術是巖土工程中一種常見的邊坡加固技術[5]。所謂錨固技術，是指用錨索和金屬網對邊坡進行聯合支護，從而達到穩定邊坡的作用。而隨著錨固技術的發展及其在巖土工程中的廣泛應用，防腐問題隨之出現。已有工程實例證明[6]，對于鋼筋錨索銹蝕破壞的研究應該引起重視，鋼筋發生銹蝕破壞會使錨固體的極限承載力下降，對邊坡等錨固工程的安全性造成不利影響。同時每年大量的鋼筋消耗使得邊坡加固工程的經濟成本居高不下。因此研究塑料錨索在腐蝕環境中的力學性能并進行安全性評價，在工程中有很大的實際意義和社會效益。

1試驗準備

1.1材料選取

以實際應用的一種適用于土質緩坡的新型塑料錨索[1]進行耐腐蝕性試驗。

針對鋼筋錨索易腐蝕的特點，本實驗選取的材料必須是耐腐蝕的，同時應具備一定的抗拉拔能力。同時試驗采用控制變量和選擇對照的原則進行。最終選取的材料為回收利用的同批次塑料打包帶。另設一組空白變量作為對照。

1.2腐蝕土樣制備

選擇與工程現場實際環境接近的腐蝕試驗環境。取原始土樣分析得到：軟土含水量為27.2 %，pH值為0.233。土樣中腐蝕性物質含量主要為氯離子、硫酸根離子等，腐蝕等級為中等。

2試驗過程

2.1原始試樣力學性能試驗

取未經腐蝕的塑料錨索在萬能試驗機上進行拉伸試驗，每次分別進行三組試驗(圖1)。塑料打包帶性狀：截面面積為15.5mm×0.7mm，有效長度取80mm。試驗環境：室內試驗溫度25.2℃，塑料帶拉伸速率設置為8mm/min。前后不同時段若有較大溫度誤差應進行人為控制。

圖1　塑料打包帶拉伸試驗

對塑料錨索的拉伸試驗數據整理得到以下結論：

(1) 斷裂位置基本分布在塑料帶的兩端附近。拉伸過程大致可分為三個階段。第一階段為穩定階段，其特征為變形速度較慢，拉力增加較快；第二階段為變形階段，其特征為變形隨拉力變化基本上呈平緩的直線增加；第三階段為破壞階段，臨近破壞時變形增加較快，拉力增加緩慢，直至塑料帶拉斷。

(2) 試驗結果表明，塑料帶的斷裂應力大于52kPa，對照規范可知，其在土質緩坡中具有較大的可靠性。

(3) 塑料帶的最大延伸率約為10 %，但沒有較明顯的彈性階段和屈服階段。拉伸速率越大，斷裂應力越大，而延伸率越小。

2.2腐蝕試樣力學性能試驗

錨索腐蝕試驗采用與原始試樣同規格的塑料打包帶進行力學性能試驗。作為塑料錨索的主體結構，設計的錨索腐蝕試驗類型與試樣組數分別為(均為3根/組)：

第一種方案適宜渠道為總干渠一閘至四閘之間渠段與位于河套灌區上、中游烏蘭布和灌溉區域與解放閘灌溉區域干渠，上述渠道均為國管渠道、多有防滲措施、渠道水利用系數比較高，水量損失小，渠道斷面尺寸較大，能夠在停水期內儲存滴灌用水，在渠道兩岸農田可發展直接引黃滴灌。通過對河套灌區各級渠道調研及遙感分析，第二種方案基本是在烏蘭布和灌溉區域內沈烏干渠與東風渠兩側，有部分閑置荒地，可滿足建設調蓄水池條件。

(1)塑料錨索原狀樣1組；

(2)經腐蝕30d后的塑料錨索1組；

(3)經腐蝕60d后的塑料錨索1組；

(4)經腐蝕90d后的塑料錨索1組；

(5)經腐蝕120d后的塑料錨索1組。

對塑料錨索腐蝕試樣的取樣原則為：除原狀樣外，其余4種類型的腐蝕試樣，按間隔1個月各取一組進行力學性能試驗，并對其進行腐蝕情況檢查，同時對原狀樣進行同步檢測以控制變量。對塑料錨索腐蝕試樣進行了斷裂荷載、伸長率及彈性模量3個力學性能指標的試驗，試驗如圖2所示。

圖2　錨索塑料打包帶抗拉強度試驗設計

得到試驗數據整理并計算得到表1。

表1　錨索斷裂荷載時間變化

(a)斷裂荷載

(b)伸長率

(c) 彈性模量圖3　腐蝕試樣力學性能指標隨時間的變化曲線

對圖3進行分析可知：

(1) 塑料錨索的力學性能指標在前30～60d下降較快，60d之后力學性能指標下降速率明顯減慢。前120d塑料錨索的斷裂荷載和伸長率平均降低速率分別為6×10-3kN/d和5.33×10-3%/d。

(2) 由彈性模量的分析可知，斷裂荷載的降低速率比伸長率的降低速率小。

(3) 在一定較長時間內，塑料錨索的斷裂荷載依舊維持在2.8kN以上，故具有較好的穩定性。

2.3回歸分析

塑料錨索的安全性評價是其一項重要的評價指標。通過對腐蝕塑料錨索斷裂荷載與時間的變化關系進行回歸分析，得出非線性關系式：

y=3.594e-0.00168x

(1)

式中：y為錨索腐蝕試樣的斷裂荷載(kN)；x為錨索腐蝕試樣的腐蝕時間(d)。

根據式(1)計算出的塑料錨索斷裂荷載與實測斷裂荷載的R2=0.9634，說明實測曲線與非線性關系式曲線有較好的相關性。

通過對4組塑料錨索試樣的腐蝕試驗以及回歸分析，得出初步結論如下：

(1) 在整個試驗周期內，塑料錨索的斷裂荷載降低百分率為14.8 %，力學性能滿足特定的邊坡工程要求。

(2) 運用在較緩的土質邊坡中，塑料錨索的斷裂荷載降低速率和百分率較小，耐腐蝕性能較好，適用性強。

(3) 在進行多種不同腐蝕環境錨索斷裂荷載與腐蝕時間關系試驗的基礎上，可以通過錨索斷裂荷載與時間關系的回歸擬合曲線，推斷某一腐蝕條件下錨索的斷裂荷載，從而進行錨索的安全評價和壽命預測。

3結束語

近幾年邊坡錨索支護技術得到了迅猛發展，資源的節約化使用是未來的發展趨勢。利用新型材料、開發新型結構將對社會資源合理利用、邊坡綠化等起到關鍵作用。通過實驗分析，研究的基于資源節約型的塑料錨索，在土質邊坡強腐蝕環境中力學性能下降在控制范圍內，有較高的穩定性和安全性；同時采用回收利用的塑料打包帶，具有造價低、不易腐蝕、穩定性高等優點；塑料錨索施工過程中對邊坡及周邊環境影響小，能夠保證施工安全、達到加固工程的預期目的，應得到大力推廣應用。

(本文試驗研究課題來源于作者主持的寧波大學校級重點SRIP項目)

參考文獻

[1]方遙越, 鄧岳保, 陳良杰, 等 . 一種塑料錨索的開發與試驗研究[J]. 浙江建筑, 2015(6):54-58.

[2]鄭靜, 曾輝輝, 朱本珍. 腐蝕對錨索力學性能影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2010,29(12): 2469-2474.

[3]姚大鈞. 預應力錨桿的長期安全與腐蝕問題[J]. 巖土工程界, 2004, 7(12): 23-26.

[4]曾輝輝, 朱本珍, 高志華. 強腐蝕環境下錨索強度指標及表觀特性試驗研究[J]. 水利與建筑工程學報, 2011(9): 48-53.

[5]張志亮. 預應力錨索耐腐蝕性及失效研究[D] . 北京: 中國地質大學, 2008.

[6]DaiFC,LeeCF.Frequency-volumerelationandpredictionofrainfall-inducedlandslides[J].EngineeringGeology, 2001, 59: 253-266.

[基金項目]寧波大學校級重點SRIP項目《一種塑料錨索的開發與測試》

[作者簡介]張慶(1994～)，女，本科，研究領域為巖土邊坡工程及其防護處理。

【中圖分類號】TU94+2

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-12-29