隧道錨桿支護中錨固用結構膠粘劑的粘接性能測試

宋佳寧,曾慶偉,王安東

(陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000)

錨桿支護是隧道、橋梁、礦山等工程中常用的一種主動支護方式,可顯著提升圍巖的穩定性。錨桿支護中化學錨栓主要以錨固用結構膠粘劑與混凝土的粘接作用實現錨固,具有耐久性好、安裝便捷、抗震性能好等優點,但很多錨固用結構膠粘劑的高溫耐火性較差,隨著溫度的升高,膠粘劑的粘接強度損失嚴重。實際的隧道施工中,施工人員普遍擔心如果發生火災,膠粘型錨栓會出現膠粘劑高溫失效問題,致使被錨固物松脫、圍巖變形、隧道坍塌等,對人們的生命安全與公共財產造成嚴重威脅[1-2]。研究將一種錨固膠注入鋼套筒試件內并植入配套的普通螺紋螺桿,采用電熱爐進行高溫恒載試驗,對錨固用結構膠粘劑在高溫下的粘接性能進行了測試,并基于有限元分析軟件,對錨栓構件溫度場分布進行了模擬,以期對錨桿支護中化學錨栓的安全評估提供參考。

1 隧道錨桿支護中錨固膠粘劑概述

錨桿支護是一種在邊坡、巖土深基坑、隧道以及礦山等工程中廣泛應用的加固支護方式。錨桿加固依賴錨桿與巖體之間的摩擦或膠體的粘接作用,以達到保持巖體穩定、增強巖土整體性、防止應力突然釋放等作用。根據隧道工程的巖層狀況和穩定狀況,采用不同的錨固方式以達到預期的加固支護效果[3]。

常用的錨栓有膨脹型錨栓、擴底型錨栓、普通化學錨栓以及特殊倒錐形錨栓等?；瘜W錨栓在隧道工程中應用廣泛,但錨固用結構膠粘劑的高溫穩定性差的問題,很可能使得火災下錨栓連接失效,對人們的生命安全構成嚴重威脅。錨固用結構膠粘劑按照組分不同大致可分為無機和有機2大類結構膠,前者成分如磷酸鹽和硅酸鹽,后者成分如環氧樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚氨基甲酸酯等。

近年來,國外研發出了多種新型丙烯酸酯化學錨栓,提升錨固性能的同時,也體現了其節能環保性。從高溫耐火方面而言,相比于有機錨固用結構膠粘劑,無機結構膠的耐火性能更加優越,部分無機結構膠的耐熱溫度將近1 000 ℃,遠高于普通有機錨固膠的120 ℃,完全可用于高溫環境下。

2 錨固用結構膠粘劑高溫試驗

2.1 試驗方案

采用垂直試驗爐進行高溫試驗,爐內不同位置安裝有熱電偶檢測爐溫,以保證爐內溫度按照要求進行升溫。將錨固支護用錨栓試件倒扣置放,下方是耐火磚。螺桿與穿心千斤頂連接,采用穿心千斤頂進行剩余承載力的測試,數據采集系統自動采集螺桿的位移數據和承載力。恒載升溫時,先加載到目標載荷,再加熱錨栓試件,記錄錨栓從加載升溫到破壞過程中的溫度、荷載以及位移信息[7-8]。試件的分組情況:常溫極限荷載下5個試件;其他9組的設定荷載是從50 kN依次減小到10 kN,每組荷載比上一組小5 kN,每組也是5個試件。

2.2 試件準備

采用某公司的一種錨固型快固結構膠粘劑,配套使用該公司的M12普通螺紋螺桿。錨固深度過小無法保障螺桿的垂直度,在此將錨栓的埋深參數設定為70 mm。試驗過程中爐溫較高,故采用耐熱不銹鋼套管,為有效傳遞溫度,鋼套筒外徑設定為24 mm。圖1為試件設計圖,底座凹槽與螺桿錐頭相配合,均為圓錐形,保證螺桿植入的垂直性。

圖1 試件設計

2.3 溫度場分布測試

螺桿和鋼套筒之間的膠體溫度幾乎無法簡單、準確地測量到,因此,該試驗的完成需要一項試驗基礎,就是加熱時內部膠體處溫度和套筒壁外溫度之間的關系式,那么就可便捷地通過測量恒載升溫試驗過程中套筒壁外溫度,再利用這一關系式,得到套筒壁內結構膠體的溫度,進一步探究得到膠體粘接性能和溫度因素之間的關系。升溫時間與套筒壁內外溫度的計算公式:

(1)

式中:Ti為套筒壁內溫度;T0為套筒壁外溫度;t為升溫時間[9]。

2.4 高溫下錨栓試件拉拔測試

錨栓試件制備完畢并養護一定時間后進行恒載升溫試驗,先以均勻連續的速度在幾分鐘內對試件加載到目標荷載,持續荷載一段時間保持荷載穩定后進行升溫,電熱爐以恒定升溫速率升高溫度,升溫過程中應保持荷載的恒定,若荷載下降明顯,幅度超出目標荷載的5%,應及時調整穿心千斤頂以調整對試件施加的荷載。使用錨桿拉力計對錨栓進行拉拔試驗,測得錨栓高溫環境下錨固用結構膠粘劑的剩余承載力[10-12]。若試驗過程中出現螺桿明顯變形、螺桿鋼材被拉斷,或者錨栓承載力突然下降至目標值85%以下,且無法恢復到目標荷載時,滿足這兩點其中一點即視為錨栓試件被破壞[13]。

3 試驗結果分析

3.1 破壞現象

錨栓經拉拔后可能出現膠體破壞、鋼材破壞或者混合破壞。在該試驗中,雖然施加的荷載不同,錨栓發生破壞時的溫度也不同;但破壞類別均統一為粘接破壞,不存在膠體和鋼套筒之間粘接失效以及鋼材本身的拉斷破壞。表明這是一種有效評估錨固用結構膠粘劑的粘接性能的方法。荷載越大,試件的破壞時間越短。在錨栓出現滑移時,其初始位移隨荷載的增加而加大,最終產生試件破壞[14]。

3.2 錨固用結構膠粘劑的粘接性能

根據溫度場分布和膠粘型錨栓試驗結果,由式(1)得出套筒壁內結構膠粘劑的溫度,得到破壞荷載時刻的平均膠體溫度。同時假設錨栓粘接應力沿螺桿的埋深方向均勻分布,可將試件承載力轉換為膠粘劑的粘接強度,用τ表示膠體的粘接應力,其表達式:

(2)

式中:P為施加在錨栓上的荷載,kN;d為錨栓的直徑,mm。hef為錨栓的實際錨固深度,mm。

結合式(1)、式(2),根據不同荷載下錨栓破壞時的溫度,獲得錨固用結構膠粘劑的粘接強度隨溫度變化的關系,進而得到膠體粘接強度與溫度的擬合曲線,具體如圖2所示[15]。

圖2 錨固膠粘劑的粘接強度擬合曲線

由圖2可知,高溫作用對結構膠的粘接強度與錨栓的承載力影響非常大。結構膠的粘接抗剪強度最大值取自20 ℃條件下,為21.4 MPa;隨著溫度的升高,粘接強度迅速降低,此時錨栓的承載力會大幅下降。當溫度達到300 ℃后,膠體的粘接強度過低,幾乎失效。該試驗中需要檢驗套筒內壁能否起到實際的混凝土孔壁的作用,進一步經過常溫和高溫條件下鋼套筒試驗與混凝土試驗的對比,在同樣的試驗條件下進行混凝土試件的約束拉拔破壞試驗,發現2種情況下錨栓均為螺栓-膠體界面的粘接破壞,極限承載力平均值相差較小,表明該試驗方法能夠用于檢測常溫與高溫環境下混凝土試件中錨固用結構膠粘劑的粘接強度,其對結構膠粘劑的粘接強度測試是可信的[16]。

4 化學錨栓溫度場有限元分析

發生火災時,熱量經熱輻射和熱對流方式傳遞到錨栓構件受火面,再經自身熱傳導將熱量向內傳導到試件膠體、試件內部?；趥鳠釋W理論基礎,確定鋼材和混凝土的熱工參數、錨栓試件的尺寸和邊界條件等,通過ABAQUS有限元軟件,建立火災后化學錨栓溫度場計算模型,模擬錨固區溫度場分布。為更好模擬和對比試驗用混凝土試件,建立與實際構件非常相似的三維溫度場分析模型。模型中錨栓和混凝土熱傳遞單元的尺寸最小5 mm。錨栓試件是單面受火,從20 ℃開始升溫,熱對流系數設為1 500 W/(m2·℃),綜合輻射系數設定為0.5[17-18]。

通過模擬計算試件內部溫度場,受火時長總計120 min,一共進行了4次溫度場云圖的獲取。選擇3個測點,觀察升溫過程中試驗測定結果與模擬分析結果是否存在差距,通過溫度場云圖發現:在30 min時,錨栓外露螺桿部分受火達到整個錨栓的最高溫度,約700 ℃,混凝土試件表面大范圍為500 ℃,從外向內溫度逐漸降低,試件的背火面不受升溫影響;受火時間越久,試件溫度越高,受火面的溫度升高幅度較大;相比于混凝土,鋼材溫度由外部向內部傳導的速度更快,相同的橫斷面位置處,混凝土的溫度較低[19];模擬值與試驗值整體較為吻合,模擬值總是略微偏高,高出10%～20%。在有限元模擬中,模擬條件均按照理想狀態考慮,而實際試驗過程中,混凝土澆注密度是否均勻,過火后錨固用結構膠粘劑能否重新凝結等因素都會造成有限元模擬值無法完全代替試驗值。此次有限元模擬所得溫度場數值稍高于試驗值,更加安全保守,在實際的隧道、橋梁等工程中可用于相關結構構件的溫度場分析以及承載力評估[20]。

5 結語

實際的隧道工程中化學錨栓的應用性能和表現是難以預測的,為實現對膠粘型錨栓性能和承載力的有效分析,設計了高溫下錨固用結構膠粘劑粘接性能測試實驗,得出膠粘劑粘接強度隨溫度變化情況。并采用有限元分析軟件進行錨栓溫度場分布模擬,模擬值與試驗值基本吻合,表明該方法可較好用于火災下化學錨栓應用安全性的評估。