FRP錨桿灌漿錨固料性能的試驗研究

劉紀峰，張會芝，崔秀琴

（1.三明學院建筑工程學院，福建 三明 365004；2.密歇根州立大學工程學院，美國 密歇根 48823）

FRP錨桿灌漿錨固料性能的試驗研究

劉紀峰1，2，張會芝1，崔秀琴1

（1.三明學院建筑工程學院，福建 三明 365004；2.密歇根州立大學工程學院，美國 密歇根 48823）

為研究纖維增強復合塑料錨桿錨固料的性質及其工程應用的可行性，對不同配合比的纖維增強復合塑料錨桿錨固料的抗壓強度、抗凍、抗?jié)B等參數(shù)進行了測試，優(yōu)選5組配合比，對不同直徑的玻璃纖維錨桿和玄武巖纖維錨桿進行了30 cm深度的錨固拉拔試驗。試驗結果表明：優(yōu)選的配合比具有較好的施工性，能自密實，達到C35～C45，F(xiàn)150，P6級別；適量摻加鋼纖維或玻璃纖維有利于提高錨固料的抗壓強度和錨固性能；試驗的纖維增強復合塑料錨桿破壞模式均為拉拔儀與纖維增強復合塑料錨桿接觸部位的擠壓破壞，表面形狀對纖維增強復合塑料錨桿的極限抗拉強度有一定影響，纖維增強復合塑料錨桿單位表面積的極限抗拉強度為4.0～6.5 MPa，可達到工程應用的相關要求。

纖維增強復合塑料錨桿；灌漿錨固料；性能；試驗研究

0 引言

復合纖維增強塑料筋（FRP）由樹脂基材和高性能纖維組成，根據(jù)高性能纖維種類的不同，可分為玻璃纖維增強塑料筋（GFRP筋）、玄武巖纖維增強塑料筋（BFRP筋）、碳纖維增強塑料筋（CFRP筋）等，具有輕質高強、耐腐蝕、低松弛性、性價比高等優(yōu)點，可作用錨桿解決傳統(tǒng)鋼錨桿銹蝕導致的結構安全性和耐久性問題。

文獻［1］對GFRP錨桿力學性和經(jīng)濟性進行了對比，對采用GFRP錨桿進行邊坡支護的可行性進行了論證；文獻［2］對復合材料自鎖式錨固體系力學性能進行了試驗研究，試驗結果表明錨頭形式對碳纖維布斷裂形式影響最大；文獻［3］研制了用于FRP錨桿螺紋耦合半模鋼夾具，經(jīng)試驗檢測具有較好性能；文獻［4］采用有限元軟件ANSYS建立模型，分析了在正常使用狀態(tài)下，錨固系統(tǒng)各組件之間界面上的應力分布，對影響錨固性能的因素進行了探討；文獻［5－6］的試驗研究顯示灌漿材料性質對FRP錨桿抗拔力有顯著影響；文獻［7］采用ANSYS軟件，對不卸載時預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的受力變形性能進行了非線性有限元計算分析；文獻［8］進行了FRP螺旋錨的現(xiàn)場拉拔試驗，并將研究成果成功應用于實際工程；文獻［9］進行了FRP土釘?shù)脑囼?，試驗表明長FRP土釘與灌漿體黏結強度取決于后者的抗剪強度；文獻［10］提出了FRP錨桿錨固性能分析的數(shù)值計算方法；文獻［11－12］進行了國產(chǎn)GFRP和BFRP的錨固性能測試，并基于現(xiàn)行國家標準探討了FRP用于工程錨桿的可行性。

目前，F(xiàn)RP材料在結構加固方面得到了廣泛應用，但在巖土錨固應用方面的研究相對較少。對鋼筋錨桿的試驗結果表明：提高灌漿材料的強度尤其是其抗剪強度，對于提高FRP錨桿與灌漿材料的平均黏結強度及拉拔承載力、改善錨桿拉拔承載時與灌漿材料間的剪應力集中特性具有非常明顯的作用，但對FRP錨桿灌漿錨固料的性能及兩者共同作用機理方面的系統(tǒng)研究較少，因此，本文進行了高強度鋼纖維細石混凝土和玻璃纖維細石混凝土等灌漿錨固料的物理力學性能試驗研究，以探求適用于FRP錨桿錨固的高性能灌漿材料。

1 灌漿錨固料配合比設計

試驗原材料：粗骨料為5～10 mm的連續(xù)級配的細石，取自福建磐石混凝土有限公司生產(chǎn)線，經(jīng)檢驗各項指標符合國家標準要求。水泥為福建省生產(chǎn)的建福牌P·O42.5級水泥。砂為大田中砂，細度模數(shù)為2.7，表觀密度為2 764 kg／m3。減水劑為聚羧酸系減水劑，摻量為減水劑和水泥的質量比（見表1）。水為飲用自來水。玻璃纖維和鋼纖維從市場采購普通規(guī)格的產(chǎn)品。

參考《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ55—2000）進行灌漿錨固料細石混凝土的配合比試配，綜合考慮新拌混凝土的坍落度、7 d和28 d抗壓強度等指標，最終確定每立方米混凝土中的材料用量為：水220 kg，水泥385 kg，粉煤灰165 kg，細石1 024 kg，中砂683 kg，減水劑和纖維摻量詳見表1。

表1 灌漿錨固料配合比

2 灌漿錨固料的性能試驗

按表1配合比，對應每組試驗共制作了混凝土抗壓試模3組，抗?jié)B試模2組，抗凍試模4組。灌漿錨固料的攪拌方法為：在攪拌混凝土前，先用水將攪拌機潤濕清洗干凈，在攪拌狀態(tài)先加入砂、粉煤灰和水泥，再加入石子和纖維，攪拌均勻，加料及攪拌時間不超過2 m in，最后加入水和減水劑，攪拌3 m in后測其坍落度。若坍落度滿足要求將混凝土拌和物注入相應的試模，并放置在水平桌面上自密實，注意及時抹平，收漿后再抹一次。要求表面與試模邊緣的高低差，不得超過0.5 mm，放置在濕度較高、溫度適宜的地方，24 h后拆模，立即放入標準養(yǎng)護室（溫度20±2℃、濕度95%以上）里養(yǎng)護相應齡期后取出試件進行物理力學性能試驗。

抗壓強度依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB／T 50081—2002）進行測試，抗凍、抗?jié)B性能試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB／T 50082—2009）進行測試，試驗結果見表2和圖1。

表2 灌漿錨固料的性能試驗結果

由表2可知：

（1）新拌錨固料的坍落度為243～263 mm，能達到自密實混凝土的各項指標。

（2）適量摻加鋼纖維和玻璃纖維能提高錨固料的抗壓強度，但鋼纖維和玻璃纖維分別增加到94 kg／m3和2.3 kg／m3時，錨固料的強度反而降低；摻加鋼纖維導致新拌錨固料坍落度降低，摻加玻璃纖維則使得新拌錨固料坍落度增大。

（3）各配合比的28 d強度為37～47 MPa，除5號配合比之外，其余各組配合比強度達到C40以上，坍落度為243～260 mm，說明上述灌漿錨固料配合比具有較好的工作性能和較高的強度，能夠滿足工程應用。

（4）各配合比的抗凍試驗表明，在150次凍融循環(huán)后，各配合比的相對動彈性模量為未凍融之前的90.5%以上，質量損失率在0.5%以下，表明上述配合比均能達到F150抗凍級別。

（5）抗?jié)B試驗結果表明，各配合比灌漿錨固料均能承受0.6 MPa的滲水壓力，抗?jié)B達到P6級別，表明灌漿錨固料具有較好的自密實性能。

經(jīng)凍融循環(huán)之后，試樣的抗壓強度峰值對應的變形降低，以1號配合比試樣為例（見圖1），未凍融試樣的抗壓強度峰值對應的變形為2.9 mm，而50次凍融循環(huán)試樣抗壓強度峰值對應的變形為1.35 mm，繼續(xù)增加凍融次數(shù)，峰值強度對應的變形繼續(xù)降低，但降低幅度減小。其他試樣有類似規(guī)律，說明經(jīng)凍融循環(huán)后，試樣變得更脆。

圖1 1號錨固料50次凍融循環(huán)前后的力－變形曲線

3 FRP錨桿錨固性能試驗

選用3種直徑分別為8 mm、10 mm和12 mm的GFRP和BFRP錨桿，均為浙江海寧安捷復合材料有限責任公司的產(chǎn)品，委托廠家進行了性能測試，GFRP和BFRP的規(guī)格被抗拉強度詳見文獻［11］。為研究上述配合比灌漿錨固料對FRP錨桿的錨固性能，制作了3塊1.5 m（長）×1.5 m（寬）×0.4 m（高）的C40混凝土基材，同條件養(yǎng)護下實測28 d立方體抗壓強度43.2 MPa。每塊基材上鉆9個30 cm深、直徑5 cm的孔，孔間距30 cm，分別用表1中所示配合比灌漿料進行3種直徑的GFRP和BFRP錨桿進行錨固試驗，養(yǎng)護28 d以上齡期，進行拉拔測試。

試驗過程中，所有規(guī)格的GFRP和BFRP均沒有出現(xiàn)錨桿拉拔破壞或者灌漿錨固料與圍巖摩擦力失效導致錨固料拔出形式的破壞，而是在拉拔儀的錐頭錨固夾片處出現(xiàn)FRP錨桿自身的擠壓破壞，需要注意的是，此種類型的破壞是錐頭錨固夾片與FRP錨桿接觸面積偏小而造成的，破壞時FRP并沒有達到相應的極限抗拉強度。

首輪拉拔27組試驗完成后，6組試驗由于FRP錨桿滑脫，沒測到所需數(shù)據(jù)，在原混凝土基材上重新鉆孔補充了12組試驗，測得不同錨固料配合比時全部規(guī)格的GFRP和BFRP錨桿拉力－應變曲線，如圖2和圖3所示，圖中BFRP-1表示錨桿類型為BFRP，錨固料配合比編號為1（見表1），余同。

圖2 φ8 FRP錨桿拉力－變形曲線

圖3 φ10 FRP錨桿拉力－變形曲線

由圖2和圖3可知：

（1）本次試驗條件下，未達到FRP的極限抗拉強度和錨固料與圍巖的極限摩擦力，合理設計適用于FRP錨桿的錨具，有利于進一步發(fā)揮FRP錨桿優(yōu)異的抗拉性能。

（2）隨錨固料強度增加，F(xiàn)RP錨桿抗拉強度有進一步增大的趨勢，但因未出現(xiàn)FRP錨桿自身或者錨固料拔出形式的破壞，此趨勢有待于進一步試驗驗證。

（3）相同條件下，極限拉力隨錨桿直徑增加而增大，這是因為本次試驗破壞模式均為FRP錨桿本身的擠壓破壞，錨桿直徑增加，相應抵抗拉拔儀夾片擠壓能力有所提高，測得的極限拉力較大，但單位表面積（總拉力／錨固段FRP錨桿的表面積）的極限抗拉強度［11］隨錨桿直徑增加而降低。

（4）錨固料中添加適量鋼纖維或玻璃纖維，有助于提高FRP錨桿的極限拉力，但錨固料中玻璃纖維摻量在2.3 kg／m3時，F(xiàn)RP錨桿極限拉力反而降低，說明FRP錨固料中纖維摻量并不是越多越好，而要根據(jù)工程需要適當添加。

（5）FRP錨桿表面形狀對極限抗拉強度有一定影響，本次試驗條件下，F(xiàn)RP錨桿單位表面積的極限抗拉強度為4.0～6.5 MPa，GFRP錨桿表面紋路較BFRP的淺，相應的單位表面積極限抗拉強度低，為0.1～0.4 MPa。FRP錨桿單位表面積的極限抗拉強度能滿足工程需要，為下一步推廣應用提供了試驗數(shù)據(jù)。

4 結論

通過對FRP新型錨桿錨固料的配合比設計及其物理力學性能測試，優(yōu)選出了5組具有較好施工性能的配合比，進行了其抗壓強度、抗凍、抗?jié)B各項參數(shù)以及不同配合比錨固料與不同直徑的BFRP錨桿和GFRP錨桿的錨固性能等測試，通過以上試驗測試，可得出以下結論：

（1）所選配合比錨固料坍落度為24.3～26.3 cm，具有自密實性能，抗壓強度為C35～C45，能滿足F150抗凍級別和P6抗?jié)B級別要求。

（2）適量摻加鋼纖維或玻璃纖維有利于提高錨固料的抗壓強度和錨固性能，但鋼纖維和玻璃纖維的摻加量分別提高到94 kg／m3和2.3 kg／m3，新拌錨固料的強度反而有所降低。摻加鋼纖維會減小新拌錨固料的坍落度，摻加玻璃纖維則會增大新拌錨固料的坍落度。

（3）本次試驗的FRP錨桿破壞模式為拉拔儀的錐頭夾片與FRP錨桿接觸部位的擠壓破壞，破壞時FRP錨桿自身抗拉強度以及錨固料與圍巖之間的摩擦力均沒有達到極限狀態(tài)，設計合適的錨固裝置，有利于進一步發(fā)揮FRP錨桿和錨固料的性能。

（4）FRP錨桿表面形狀對極限抗拉強度有一定影響。相同條件下，極限拉力隨錨桿直徑增加而增大，但單位表面積（總拉力／錨固段FRP錨桿的表面積）的極限抗拉強度隨錨桿直徑增加而降低。

（5）本次試驗條件下，F(xiàn)RP錨桿單位表面積的極限抗拉強度為4.0～6.5 MPa，可達到工程應用的相關要求。

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TU59

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1672－6871（2014）02－0067－04

福建省高等學校學科帶頭人培養(yǎng)計劃基金項目（FETU）；福建省屬高?？蒲袑ｍ椨媱澔痦椖浚↗K2013049）

劉紀峰（1979－），男，河南沈丘人，副教授，博士，研究方向為新型建筑材料和城市地下工程.

2013－09－15