鍍鋅層厚度對井下支護材料抗拉強度的影響分析

0 引言

隨著礦井深度的不斷增加和地質條件的日益復雜化，并下工程結構的安全性和耐久性面臨新的挑戰(zhàn)。錨桿作為常用的井下支護材料，可以提高井下支護結構的整體穩(wěn)定性[1]。由于錨桿技術原理簡便、造價低廉、效果可靠等優(yōu)勢，在公路、水利、煤礦等領域得到了廣泛運用。近年來，各國加大了對錨桿支護技術的研究。

錨桿加固主要用于增強井下巖土體的穩(wěn)定性，防正滑坡、塌方等地質災害。然而，傳統(tǒng)鋼筋錨桿或鋼絞線錨索容易銹蝕，導致錨固系統(tǒng)失效[2]。為了防止錨桿銹蝕，延長其使用壽命，可選用耐腐蝕性能好的材料，如不銹鋼、高強度耐腐蝕合金等，但此類金屬價格昂貴，性價比低[3]，嚴重限制了進一步的發(fā)展應用。此外，也可以對錨桿進行鍍鋅處理，鍍鋅層可有效隔離錨桿與外界環(huán)境的接觸，防止銹蝕，顯著提高其耐腐蝕性能[4-5]。雖然，鍍鋅處理可提高錨桿的使用壽命，很好的解決巖土錨固工程中錨桿桿體材料的腐蝕問題，但鍍鋅層對錨桿力學性能，特別是抗拉強度的影響規(guī)律尚不明確。

本文研究了鍍鋅層厚度、結合力等因素對錨桿抗拉強度和屈服強度的影響規(guī)律，論述了鍍鋅層均勻性、質量優(yōu)劣等對錨桿抗拉強度的作用機理，旨在為高性能錨桿的制備及工程應用奠定良好的理論基礎。

1 試驗部分

1.1 原材料

錨桿采用直徑為 16mm 的Q235鋼、45#鋼，長度為 200mm ，將其兩端各 20mm 處加工成螺紋狀，其元素組成見表1。鍍鋅層通過電鍍鋅方法，厚度、質量等指標均通過鍍鋅的時間及精度來控制實現(xiàn)。

表1錨桿試件元素分析 (%)

1.2 試驗方法

錨桿抗拉強度、屈服強度的測試方法依據(jù)文獻報道中的方法進行[，錨桿與鍍鋅層結合的微觀結構通過掃描電鏡（SEM）進行觀察，結合力測試按照文獻中的方法進行[7]

2 結果與分析

2.1鍍鋅層厚度對錨桿抗拉強度的影響分析

錨桿的抗拉強度主要由構成材料屬性和外在因素（鍍層等）決定。電鍍鋅所形成的鍍鋅層厚度較薄，一般在 2～25μm 之間。鍍鋅層的厚度會影響錨桿的抗拉強度，通常，鍍鋅層越厚，錨桿抗拉強度越高。鍍鋅層厚度對錨桿抗拉強度的影響規(guī)律見圖1。由圖可知，錨桿的極限抗拉強度隨鍍鋅層厚度的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。當鍍鋅層達到最大厚度 20μm 時，錨桿抗拉強度相比對照組（ 0% ）提高了 9.5% 。特別指出的是，當鍍鋅層厚度增加到 12μm 后，抗拉強度發(fā)展曲線的斜率有所降低，表明其增幅明顯有所減緩。此外，鍍鋅層厚度對錨桿屈服強度的影響規(guī)律基本同抗拉強度一致，隨著厚度的增加，強度有所提升。當鍍鋅層厚度達到 20μm 時，屈服強度達到最大值，增幅為 14% 。鍍鋅層對錨桿強度的影響主要是由于鍍鋅層可以對錨桿起到一定程度的保護作用，能減少其表面的缺陷和損傷，提高抗拉強度。

圖1鍍鋅層厚度對錨桿力學性能的影響

2.2鍍鋅層與錨桿之間結合力對抗拉強度的影響 分析

電鍍鋅后，鋅與錨桿之間會形成一層金屬結合層，其結合力的好壞會直接影響錨桿的抗拉強度。當鋅與錨桿結合層緊密牢固時，可以提高錨桿的抗拉強度；反之，結合力差，則會降低錨桿的抗拉強度。錨桿與鍍鋅層結合面的SEM見圖2。從圖中可以看出，錨桿表面覆蓋一層略粗糙的鋅層，兩者之間并無顯著的斷裂面，表明結合良好。

圖2鍍鋅層與錨桿結合表面的SEM

結合力對錨桿抗拉強度的影響結果見圖3。如圖所示，隨著鍍鋅層與錨桿結合力的提高，錨桿抗拉強度呈現(xiàn)上升趨勢。當結合力達到測試最大值 0.8MPa 時，錨桿的抗拉強度相比對照組提高了 8% 。這主要是由于鍍鋅層與錨桿結合良好的情況下，當承受極限荷載時，鋅層會分擔部分荷載，從而有助于提高抗拉強度。但同時也要控制好鍍鋅溫度和時間，以確保鋅層與錨桿之間結合力良好。

圖3鍍鋅層與錨桿結合力對抗拉強度的影響

2.3其他因素對錨桿抗拉強度的影響分析

鍍鋅層厚度、鍍鋅層與錨桿之間的結合力均會顯著影響錨桿的抗拉強度。此外，鍍鋅層的均勻性、質量與錨桿抗拉強度也息息相關。電鍍鋅過程中，鍍鋅層的均勻性會對錨桿的抗拉強度產(chǎn)生影響如圖4所示。若鍍鋅層均勻，可以提高錨桿的抗拉強度；若出現(xiàn)不均勻的情況，鍍鋅層有可能會存在缺陷或凸起，從而導致錨桿強度降低。電鍍鋅后所形成的鍍鋅層質量也是影響錨桿抗拉強度的關鍵因素。質量優(yōu)良、致密的鍍鋅層可以有效防正錨桿金屬基材的腐蝕，從而提高錨桿的抗拉強度；而質量較差的鍍鋅層則可能存在孔隙、氣泡等缺陷，進而降低錨桿的抗拉強度。

圖4錨桿質量宏觀圖

綜上所述，鍍鋅層可以對錨桿的抗拉強度產(chǎn)生綜合影響。通過控制鍍鋅層厚度、提高鋅與錨桿基材的結合力、保證鍍鋅層的均勻性和質量，可以有效提高錨桿的抗拉強度。

3結論

（1）隨著鍍鋅層厚度的增加，錨桿的極限抗拉強度和屈服強度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。當鍍鋅層厚度達到最大值 20μm 時，錨桿的抗拉強度和屈服強度分別提高了 9.5% 和 14% 。錨桿抗拉強度隨鍍鋅層與錨桿結合力的提高而增加。當結合力達到 0.8MPa 時，錨桿的抗拉強度提高了 8% 。

（2）錨桿表面的鍍鋅均勻性及優(yōu)異的質量會提高錨桿的抗拉強度，反之，則會降低抗拉強度。這主要是由于不良的鍍鋅層可能存在缺陷或凸起等質量問，從而降低錨桿的抗拉強度。

參考文獻：

[1］林健，康紅普．螺紋鋼樹脂錨桿的研究現(xiàn)狀與趨勢［J].煤礦開采，2009，14（4)：1-4.

[2]楊偉．深基坑支護施工技術在建筑工程中的實踐探究[J]．居業(yè)，2024（10)：40-42.

[3］褚曉威．煤礦錨桿錨索腐蝕特征及失效機理研究［D].北京：中國礦業(yè)大學，2022

[4］李帥乾，杜兆文．礦井錨桿腐蝕研究綜述：因素、機理及防腐技術[J].化工礦物與加工，2024，53（8)：62-72.

[5］孫放．建筑工程施工中深基坑支護的施工技術探討［J].居業(yè)，2022 (5)：13-15.

[6]張黎明，李勇，趙明，等.BFRP錨桿與鋼筋錨桿現(xiàn)場拉拔試驗對比分析［J]．路基工程，2017（5)：86-89.

［7］張浩，丁志敏，蘇葦，等．合金化時間對熱鍍鋅鍍層相結構與結合力的影響[J].材料科學與工藝，2015（2)：98-102.