高溫錨固實驗機械裝置設計與應用研究

蘇 蕾,任家駿,杜獻杰,楊宗一,張 鎖

(太原理工大學 a.機械工程學院,b.礦業工程學院,太原 030024)

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高溫錨固實驗機械裝置設計與應用研究

蘇 蕾a,任家駿a,杜獻杰b,楊宗一b,張 鎖b

(太原理工大學 a.機械工程學院,b.礦業工程學院,太原 030024)

為探討錨固材料在高溫下的錨固性能，采用理論分析、結構計算及實驗相結合的方法，在著重解決溫度可控、操作安全及結構合理等問題的基礎上，設計并制作了一種實驗過程安全便捷、客觀真實的高溫錨固同步實驗機械裝置。通過對樹脂錨固材料的高溫錨固實驗表明：20～250 ℃范圍，隨著溫度升高，錨固力增大到峰值70.9 kN；250～350 ℃，錨固力下降為49.7 kN；350～400 ℃期間，隨著錨固材料的熱解炭化，平均錨固力下降為14.6 kN；500～600 ℃時錨固力完全喪失。該實驗結果較客觀地反映了高溫下錨固材料的錨固力學性能，為錨固材料的實驗研究提供依據。

錨固材料；高溫錨固力學特性；實驗機械裝置；錨固實驗

錨固材料在煤礦巷道支護及巖土工程中起著至關重要的作用[1-2]。隨著地下工程不斷向深部延伸,勢必會遇到高地熱、煤層自燃等高溫環境[3]。尤其是當煤礦發生瓦斯爆炸以及建筑物突發火災時結構體溫度可達500～800 ℃[4-5],這就對錨固材料的高溫力學穩定性提出了更高的要求。錨固材料包括無機、有機及復合材料等3類,通常在高溫下材料的力學性能均會受到嚴重影響。比如,煤礦與建筑物常用的樹脂復合錨固材料,是由不飽和聚酯樹脂、石粉、固化劑等混合制成,其在高溫下的熱解會直接影響到材料的錨固力[6-7]。因此,對錨固材料高溫錨固實驗的研究十分必要。

要在500～800 ℃高溫條件下進行試驗,若近距離直接對試件進行拉力實驗,會對操作人員和實驗設備造成危脅[8-10]。現有錨固力實驗多在常溫條件下進行,通常只能等待試件冷卻后非同步進行,這勢必影響實驗數據的客觀真實性。筆者從溫度可控、操作安全、結構合理及數據準確等方面考慮,設計了一種高溫錨固同步測試實驗裝置,并對樹脂錨固材料進行了高溫錨固性能測定。本研究對錨固材料的實驗研究與工程應用具有實際意義。

1 實驗裝置設計思路

高溫錨固實驗是對錨固材料在高溫下的錨固拉拔力進行測定,首先要解決的是對錨固材料的加溫。依據建筑物火災、井下瓦斯爆炸及高溫地熱的溫度參數,加溫范圍宜設定在0～800 ℃；并且在加溫過程中,要實現溫度的可調、可控。如要求加溫速度控制在10 ℃/min,恒溫時間控制范圍20～50 min。因此,必須有可靠的加溫設施和準確的溫控系統。

錨固實驗是對不同條件下錨固材料錨固力的測定,因此錨固力測試系統是該實驗裝置的核心部分。其重點需要解決錨固試件的結構與系統的連接、實驗過程的加載，以及實驗數據的獲取等關鍵問題。如錨固試件結構在考慮試件加溫和與系統連接的同時,需要考慮試件的錨固長度。因為在錨固拉拔實驗中,通常錨固體系破壞的形式有多種可能,如桿體拉斷、界面滑移及錨固材料剪切破壞等。為能充分反映錨固材料的力學性能,需使拉拔破壞首先發生在錨固材料本身。實驗加載可借鑒常用的千斤頂加載方式,但需要與整體實驗系統相互銜接。

另一個關鍵問題是如何保證高溫加熱過程中實驗設備與操作人員的安全問題。要實現高溫下同步拉拔實驗,就必須在加熱的同時進行實驗加載與數據讀取等操作。實驗的溫度最高可達800 ℃,勢必對操作人員與設備帶來安全威脅。因此,若要實現安全操作,必須將高溫加熱區和實驗測試區分開,達到一定的安全距離。

2 實驗裝置系統設計

基于以上設計思路,首先利用杠桿加載原理，將高溫加熱區與測試操作區隔開一定的安全距離，這樣既可以實現高溫加熱與加載測試的同步進行,又可以保證操作人員和設備的安全。同時，通過運用杠桿加載原理,可以在施加較小實驗載荷的條件下獲得較大的拉拔力參數,并且有利于整體實驗裝置結構受力的穩定性。高溫錨固實驗機械裝置的整體結構如圖1所示。

圖1 高溫錨固實驗機械裝置結構示圖Fig.1 High temperature anchorage experiment mechanism structure figure

2.1 固定支承系統

圖2 固定支承結構示意圖Fig.2 Fixed support structure diagram

固定支撐系統是整體實驗裝置的支架與基座,用于連接和固定錨固測試系統,同時也起著實驗載荷的傳遞作用。固定支架采用L型結構設計,與傳力桿和千斤頂形成封閉性受力結構,是錨固實驗裝置的主要受力部分,如圖2所示。傳力桿6通過高強插銷7與支架5連接;基座上設有螺栓孔,用于支架與加熱保溫系統的連接;傳力桿設有螺栓孔,用于被測試件與傳力桿的連接。

2.2 加熱保溫系統

加熱保溫系統是整體實驗裝置的關鍵部件之一,主要用于對錨固試件加熱與保溫。依據實驗要求，加熱范圍為0～800 ℃,加熱速度要控制在10 ℃/min,溫控器測溫精度±3 ℃,控溫精度±5 ℃。結構示意如圖3所示。保溫系統由保溫材料8和方形外殼9構成,保溫材料既可防止內部高溫的散熱,又可以減少對人員和設備造成威脅。由于有機錨固材料高溫下具有爆裂現象,因此保溫室需留有卸壓孔10，同時兼做溫控線路通道。保溫材料體中部為圓孔結構,加熱裝置11沿圓孔周邊螺旋布置,以便放置錨固試件,溫控器12布置在圓孔下端部。加熱保溫裝置上部為高強蓋板13,通過高強螺桿將加熱保溫系統與固定支架結構連接。

圖3 加熱保溫系統結構示意圖Fig.3 Heat insulation system structure diagram

2.3 被測錨固試件

錨固試件的結構設計與制備是錨固實驗的關鍵環節,需要考慮錨固試件的破壞形態和影響因素。錨固長度的確定至關重要,為能充分反映出錨固材料的力學性能,需使錨固材料本身最先破壞。如圖4所示。將攪拌均勻的被測錨固材料15填充于錨桿與模擬鉆孔鋼管之間,以事先確定的錨固長度為準。當達到設計的強度之后,放于加熱保溫裝置中,并通過球型墊17用高強螺栓與傳力桿連接。模擬鉆孔鋼管16的內徑與錨桿14的外徑距離是10～20 mm。

2.4 實驗加載系統

實驗加載系統借助傳力桿與加熱區隔開一定距離。實驗加載采用液壓加載方式,載荷通過傳力桿對錨固試件施加拉拔力。為了保證垂直加載,在千斤頂的頂部增加一球型墊18，如圖5 所示。液壓加載系統由手動加載系統和液壓千斤頂19構成，且千斤頂缸桿設置有精確刻度。

圖4 錨固試件結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the anchoring specimen

圖5 液壓加載結構示意圖Fig.5 Hydraulic loading structure diagram

3 實驗裝置結構力學分析

實驗系統中的固定支架(如圖2)為封閉型受力結構設計,實驗過程中的加載力和拉拔力可通過傳力桿與基座相互抵消,無需做地面連接基礎,安裝使用方便。在錨固實驗各系統設計的基礎上,對實驗裝置的主要受力構件進行力學計算和選型,以保證實驗裝置的結構穩定與實驗安全。

3.1 傳力桿

圖2中傳力桿6為主要受力構件之一,設定Fmax為最大實驗錨固拉拔力；L=300 cm，為加載千斤頂手柄到高強插銷的距離；L2=60 cm，為測試錨桿孔到高強插銷的距離。將其簡化為簡支梁結構,受力簡圖如圖6所示。

圖6 傳力桿受力簡圖Fig.6 Dowel bar stress diagram

由設計可知,其最大剪力Fmax在被測錨固試件處,由此可得左端鉸接處作用力F1，F1=(4/5)Fmax;在作用力Fmax處最大彎矩Mmax=(4/25)FL,可知抗彎截面模量

(1)

式中:[σ]為許用彎曲正應力,MPa .

(2)

式中:Iz為截面慣性矩,cm4；d為腹板的厚度,mm；Sz*為距中性軸為Y的橫線以外部分的面積對中性軸的靜距,cm4；[τ]為許用切應力,MPa .

以Q235鋼為例,[σ]=170 MPa,[τ]=100 MPa。若設定錨固拉拔實驗測試范圍為0～100 kN,即最大拉拔力Fmax=105N。求解式(1)、式(2)可得,

Wz282.35cm3.

考慮到傳力桿上錨桿連接孔的影響,需留有一定富裕系數,故傳力桿選擇22a工字鋼。

3.2 支撐立柱

圖2中兩根支撐立柱為受壓構件,每根立柱受力大小F1/2=(2/5)Fmax,可知立柱橫截面積

(3)

以Q235鋼為例,[σ]=170 MPa,最大拉拔力Fmax=105N,求解式(3)可得

Azh2.352 9cm2.

所以,支撐立柱選擇2根10號工字鋼。

3.3 連接插銷

1)高強插銷桿剪切力驗證。圖2中高強插銷7為受剪切構件,所受剪切力F7=1/2F1=2/5Fmax.由此可知，插銷剪切面積

(4)

插銷選用HRB335高強鋼,[τ]=220 MPa,最大拉拔力Fmax=105N, 求解式(4)可得

AS2cm2,

dS0.637cm.

2) 高強插銷桿彎曲溫強驗證。高強插銷7為受彎桿件,所受集中力F1=(4/5)Fmax,在左端鉸接處的最大剪力F7=(2/5)Fmax,在作用力F1處的最大彎矩

(5)

式中:b1為22a工字鋼，寬11 cm；b2為10a工字鋼，寬6.8 cm.可知插銷桿抗彎截面模量

(6)

選用HRB335鋼作為高強插銷,[σ]=300 MPa,[τ]=220 MPa,最大拉拔力Fmax=105N,求解式(6)可得抗彎截面模量

(7)

求解式(7)可得

連接插銷選用?25mmHRB335高強插銷。

3.4 連接螺栓

用于保溫系統與底座(Fdz)的4根連接螺栓均為受拉螺栓,最大受力Fdz=Fmax/4, 可知截面積

(8)

選用HRB335鋼作為高強螺栓,[σ]=300 MPa,求解式(8)可得

A30.83cm2,

d30.265cm.

連接螺栓選用?2.5cmHRB335高強螺栓完全滿足受力要求。

3.5 底座

底座為受彎構件,受力與傳力桿類似,故底座構件的選擇參照傳力桿構件,同時為保證整體結構的穩定性,故選擇兩根22a工字鋼,在滿足受力要求的同時,并可有一定的余量。

4 實驗裝置測試

為了檢驗該實驗裝置的可行性與合理性,利用其對樹脂錨固材料進行高溫錨固性能試驗,以便為高溫下工程錨固結構穩定維護提供科學依據。

4.1 實驗過程

樹脂錨固材料試件的制備可參照MT146.2-2002標準,具體實驗過程如下。

1) 將制備好的被測樹脂錨固材料填充于模擬鉆孔鋼管中并打入錨桿,錨固劑占管體下端3/4,模擬鉆孔鋼管的內徑與錨桿的外徑距離是10～20 mm。

2) 將被測錨固試件置入加熱保溫系統中,并將錨桿(加球型墊)與傳力桿連接,之后開始加熱。溫度設定分別為20，100，200，250，300，350，400，500，600 ℃,待達到每個設定溫度后需保溫20 min。

3) 每個設定溫度保溫結束后,由液壓加載系統通過傳力桿對錨桿加載,加載至錨桿與被測錨固材料破壞后停止。

4) 觀察實驗過程,記錄各階段液壓加載力和加載位移,換算出錨固力和位移。

4.2 實驗結果分析

在加熱保溫實驗過程中,100～300 ℃加熱過程無明顯變化特征;300～350 ℃加熱范圍伴有少量白煙從蓋板卸壓縫冒出;加熱到400 ℃,保溫幾分鐘后，保溫裝置內發出較大爆裂聲,并冒出大量白煙,表明樹脂錨固材料熱解炭化嚴重;500，600 ℃組在升溫的過程中均發生爆裂破壞,且錨固材料完全炭化脫落。

在進行拉拔實驗時,20～350 ℃組試件破壞特征相同。首先,螺紋鋼與錨固材料間發生輕微的錯動滑移,握裹粘結被破壞;之后,錨固材料本身逐步發生剪切破壞,錨桿被拔出。500，600 ℃組試件已經完全喪失錨固性能。不同溫度最大錨固力隨溫度的變化曲線如圖7所示。

圖7 最大錨固力隨溫度變化曲線Fig.7 Curve of maximum pullout force with temperature

由圖7可知,常溫下樹脂錨固材料的錨固力為50.8 kN;隨著溫度的增加,250 ℃時達到峰值70.9 kN,較常溫時增大39.6%。分析認為，這是由于樹脂錨固材料內部充分固化的結果。350 ℃后下降為49.7 kN,表明熱解炭化加劇;400 ℃時,錨固力銳減為14.6 kN,較峰值衰減79.4%;500,600 ℃時,已完全喪失錨固力。

5 結論

該實驗裝置在滿足溫度可控、結構合理的基礎上,實現了高溫下錨固力的同步實驗測試,經試驗得到結論如下。

1) 高溫錨固實驗應用表明,該實驗裝置在加熱保溫、拉拔加載及數據獲取等過程中,設計合理、結構可靠、操作安全，且所得實驗數據真實合理。

2) 樹脂錨固材料高溫錨固力學實驗表明，常溫下其錨固力為50.8 kN;在250 ℃時達到峰值70.9 kN,較常溫時增幅39.6%;350～400 ℃之間錨固力銳減為14.6 kN,較常溫衰減79.4%;500,600 ℃時錨固力完全喪失。

3) 實驗表明,樹脂錨固材料會在350 ℃以上高溫下發生突變,快速失去錨固性能,并在密閉的空間內產生爆裂,實驗過程中應采取相應的安全措施。

綜合分析與實驗應用表明，該實驗裝置系統設計合理,高溫下可獲得較客觀的錨固材料力學性能指標。

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(編輯：龐富祥)

Research on Design and Application of Mechanical Device for High Temperature Anchorage Test

SU Leia,REN Jiajuna,DU Xianjieb,YANG Zongyib,ZHANG Suob

(a.CollegeofMechanicalEngineering;b.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Anchoring materials are widely used in Geotechnical reinforcement, but the mechanical characteristics of the anchorage will be changed greatly at high temperature.High temperature anchoring experiment is the main method to study the high temperature mechanical properties of anchoring materials. Using theoretical analysis, structural calculation and experimental application,and on the basis of solving the problems of adjustable temperature,safe operation and reasonable structure,this paper designed a test device with safe and convenient operation and synchronous measurement of anchoring force at high temperature. The mechanical test at high temperature of the resin anchoring material was carried out. The results show that:at 20～250 ℃, anchoring force increases to a peak 70.9 kN as the temperature rises;at 250～350 ℃ anchoring force drops to 49.7 kN;at 350～400 ℃, the average anchoring force drops to 14.6 kN;with the pyrolysis and charring of the anchoring material, the anchoring force completely disappears at 500～600 ℃.The test data objectively reflect the high temperature mechanical properties of the anchoring material.

anchoring material;temperature anchoring mechanical properties;mechanical device;anchorage test

1007-9432(2016)03-0309-05

2015-11-09

山西省自然科學基金資助項目：特厚煤層巷道高預應力錨固體結構特征研究(2015011066)

蘇蕾(1991-)，女，太原人，碩士生，主要從事機械設計與制造等方面的研究工作，(E-mail)494198853@qq.com

任家駿(1958-)，男，教授，主要從事機械工程領域的教學與研究工作,(E-mail)renjiajun@tyut.edu.cn

TH122

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.007