錨桿(索)與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)及實(shí)測

方樹林

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

在煤礦領(lǐng)域，錨桿噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)(簡稱錨噴支護(hù))常用于井筒、井底車場及主要開拓、準(zhǔn)備巷道的永久支護(hù)。在井下施工現(xiàn)場，混凝土噴射到已經(jīng)打設(shè)錨桿和錨索的巷道圍巖表面，從開始的粘結(jié)初凝到最后的凝固硬化，混凝土噴層與錨桿、錨索的粘結(jié)作用至關(guān)重要[1]。粘結(jié)強(qiáng)度過小或喪失，噴層無法發(fā)揮其封閉水氣、支承圍巖、柔性卸壓等作用，也無法達(dá)到與錨桿、錨索及其構(gòu)件的協(xié)調(diào)受力效果。因此，粘結(jié)強(qiáng)度是衡量噴射混凝土力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)。通過試驗(yàn)準(zhǔn)確測定混凝土噴層與錨桿、錨索的粘結(jié)強(qiáng)度，不但能為噴射混凝土力學(xué)性能研究提供實(shí)驗(yàn)手段，還可為巷道錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 國內(nèi)外研究綜述

目前，國內(nèi)外對煤礦行業(yè)混凝土與錨桿、錨索粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究鮮見報(bào)道[2]，而對建筑、巖土行業(yè)混凝土與鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究較多。其中，國外對混凝土粘結(jié)試驗(yàn)研究較早，R.M.Main[3]早在1951年就采用在鋼筋內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變片的試驗(yàn)方法，得到光圓鋼筋和變形鋼筋的應(yīng)力分布，提出了粘結(jié)強(qiáng)度由化學(xué)膠合力、摩擦力和機(jī)械咬合力三部分組成；后期J.M.Plowman[4]，Robins，P.J.[5]，Hwang Shyh-Jiann[6]，T.Ichinose[7]，M.A.M.Aboobucker[8]等人分別采用摩擦粘結(jié)試驗(yàn)方法、側(cè)向壓力試驗(yàn)方法、梁式試驗(yàn)方法及搭接試驗(yàn)方法，研究了試件尺寸等各種因素對鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

國內(nèi)對混凝土粘結(jié)試驗(yàn)研究較晚，徐有鄰等[9]在上個世紀(jì)80年代通過分析大量試驗(yàn)結(jié)果，建立了各種鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的實(shí)用計(jì)算公式；趙羽習(xí)[10]、徐港[11]、魏志剛[12]、徐鋒[13]、謝劍[14]，王亞宇[15]等諸多學(xué)者分別研究了不同位置變化、不同銹蝕量及不同溫度等級條件下的鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能；方樹林、康紅普等[16]對煤礦錨噴支護(hù)軟巖大巷的混凝土噴層受力情況進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，這是比較少見的煤礦行業(yè)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)道之一。

上述試驗(yàn)方法，按照試驗(yàn)原理可以歸結(jié)為：中心拔出試驗(yàn)、梁式試驗(yàn)以及局部粘結(jié)-滑移試驗(yàn)。這些方法雖然試驗(yàn)原理簡單，但試驗(yàn)裝置復(fù)雜、試件尺寸龐大、實(shí)驗(yàn)過程耗時(shí)費(fèi)力，尚無法在實(shí)驗(yàn)室大規(guī)模應(yīng)用。另外，這些試驗(yàn)的對象基本上都是普通鋼筋，與煤礦用的錨桿、錨索在形狀上還有區(qū)別，前者普通鋼筋是光圓狀，后者錨桿是左旋無縱筋螺紋狀，錨索是擰成麻花狀的鋼絞線束。因此，有必要對以前的試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)，使其能在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)對錨桿、錨索與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的測試。

2 試驗(yàn)原理

混凝土噴射到錨桿(索)上，與錨桿(索)外露端緊密包裹，二者的接觸面沿著錨桿(索)端部周邊，呈柱狀。為模擬這種接觸，在實(shí)驗(yàn)室通過拉拔填有混凝土和錨桿(索)的套筒來實(shí)現(xiàn)。具體做法是，先在一個開孔的套筒中間插上一定長度的錨桿或錨索(錨桿或錨索一端插入套筒底部的定位孔中，另一端套上活動的套盤，以保證居中)，然后往套筒里面填滿混凝土并置于振動臺上振搗密實(shí)、做成試件，待混凝土養(yǎng)護(hù)一定齡期、凝結(jié)硬化后，利用拉拔裝置將錨桿或錨索從裝滿混凝土的套筒內(nèi)拉出，所得拉拔力(F)即可表示混凝土與錨桿、錨索的粘結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 混凝土與錨桿、錨索粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)原理示意

可見，本試驗(yàn)的力學(xué)本質(zhì)是軸拉法。通過以上試驗(yàn)過程測得拉拔力F后，采用下述公式計(jì)算混凝土與錨桿或錨索的粘結(jié)強(qiáng)度：

τ=F/πdl

(1)

式中，τ為混凝土與錨桿或錨索的粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；F為錨桿或錨索從混凝土中被拔出時(shí)的最大載荷，kN；d為錨桿或錨索的直徑，m；l為錨桿或錨索在混凝土中的埋置長度，m。

需要指出的是，本試驗(yàn)拉拔裝置采用錨桿拉拔計(jì)或錨索張拉計(jì)，其內(nèi)置穿心式液壓千斤頂。錨桿拉拔計(jì)配有螺桿和壓蓋螺母，螺桿一端設(shè)有內(nèi)螺紋，另一端設(shè)有外螺紋，螺桿穿過所述千斤頂，內(nèi)螺紋一端連接錨桿螺紋伸出端，外螺紋一端連接壓蓋螺母，通過擰緊壓蓋螺母固定所述錨桿和所述千斤頂，供壓時(shí)千斤頂活塞前移，頂住所述套筒敞口，千斤頂油缸相對活塞后移，帶動壓蓋螺母拉著螺桿及錨桿向后運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)向外拉拔錨桿的過程。

錨索張拉計(jì)配有能夠卡住所述錨索伸出端的錐形錨具，供壓時(shí)千斤頂活塞前移，推動圓錐形錨具的錐頭收縮鎖緊錨索，并頂住所述套筒敞口，千斤頂油缸相對活塞后移，帶動錨具卡著錨索向外運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)向外張拉錨索的過程。

3 試驗(yàn)材料與儀器

為模擬現(xiàn)場情況，試驗(yàn)錨桿、錨索(圖2)采用目前井下應(yīng)用最普遍的材料截制而成，錨桿規(guī)格為直徑22mm、長度350mm、屈服強(qiáng)度為335MPa、桿體左旋無縱筋螺紋鋼、底部螺紋M24，錨索規(guī)格為直徑22mm、長度350mm、破斷載荷為600kN、材質(zhì)1×19股鳥籠式鋼絞線。選擇試驗(yàn)材料長度為350mm，既考慮了錨桿、錨索在混凝土中的埋置長度，又為拉拔裝置的夾持預(yù)留了足夠長度。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比

圖2 粘結(jié)試驗(yàn)用錨桿和錨索

為模擬錨桿、錨索與混凝土的粘結(jié)，試驗(yàn)制作了專用粘結(jié)裝置(圖3)，粘結(jié)裝置由套筒和套盤組成。套筒為柱狀空心鋼圓筒，內(nèi)徑55mm、外徑60mm、長度200mm(選擇此長度的原因是煤礦現(xiàn)場噴射混凝土的厚度一般在200mm左右)，頂端敞口、底端開有直徑為25mm的中心小孔(用于錨桿、錨索的定位)。套筒內(nèi)裝上混凝土振動時(shí)，為保證錨桿、錨索的居中度，套筒頂端還需套上一個同樣開有直徑為25mm小孔的套盤，套盤尺寸為直徑60mm、厚度5mm。套盤和套筒通過內(nèi)、外螺紋連接，套盤相當(dāng)于套筒的“瓶蓋”，錨桿或錨索一端插入套筒底部的定位孔中，另一端穿過活動的套盤，套盤套至套筒的頂部，可以保證在振動混凝土?xí)r錨桿或錨索能夠在套筒內(nèi)居中。

圖3 粘結(jié)試驗(yàn)用套筒和套盤示意

拉拔裝置采用圖4所示的錨桿或錨索拉力計(jì)，型號為LDZ300-180，最大拉拔力300kN，行程180mm。為方便讀取拉力數(shù)值，拉力計(jì)上同時(shí)裝有YS-1型數(shù)顯式壓力表，其具有峰值保持、存儲和查詢功能。

圖4 錨桿、錨索拉拔裝置示意

4 試驗(yàn)過程

(1)試件制作與養(yǎng)護(hù) 先在套筒中間插上試驗(yàn)錨桿(索)，一端穿過套筒底部定位孔，另一端套上套盤，保持錨桿或錨索居中，然后往套筒里填滿預(yù)先拌制好的混凝土，并置于振動臺上振搗密實(shí)，然后將振搗完畢、混凝土初凝后的試件置于標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，待套筒內(nèi)的混凝土完全凝固后，最終制成的標(biāo)準(zhǔn)試件如圖5所示。

圖5 混凝土與錨桿、錨索粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件

(2)安裝試件 按圖1和圖4所示安裝拉拔計(jì)和試件，將錨桿(索)外露端插入千斤頂內(nèi)槽，上好托盤、螺母或鎖具，用膠管連接油缸和千斤頂，打開壓力表準(zhǔn)備讀數(shù)。

(3)拉拔 打開油缸閥門，調(diào)節(jié)油閥保持拉拔計(jì)連續(xù)均勻加力，加力速度控制在20～40N/s，同時(shí)觀察壓力表讀數(shù)變化，直到試件被拔出。

(4)讀數(shù) 當(dāng)壓力表讀數(shù)不再變化、試件被完全拔出時(shí)，停止施力，最后記錄拉拔荷載。

錨桿、錨索從混凝土套筒中被拔出的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 混凝土與錨桿、錨索粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

測出混凝土與錨桿及錨索的拉拔破壞載荷后，統(tǒng)計(jì)二者在不同齡期下的粘結(jié)強(qiáng)度大小，詳見表2。

表2 混凝土與錨桿、錨索粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

運(yùn)用最小二乘法對表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到粘結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。

圖7 混凝土與錨桿、錨索粘結(jié)強(qiáng)度變化曲線

對曲線進(jìn)行回歸分析，得出混凝土與錨桿、錨索粘結(jié)強(qiáng)度的表達(dá)式分別為：

τbb=10.94ln(t)-1.40

(2)

τba=8.90ln(t)+2.22

(3)

式中，τbb為混凝土與錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；τba為混凝土與錨索的粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；t為混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期，d。

由此可見：

(1)混凝土與錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間呈明顯的對數(shù)增長規(guī)律，前期增長迅速、后期增長緩慢，第7天的強(qiáng)度增幅高達(dá)454%，第28天的強(qiáng)度增幅僅為26%。

(2)混凝土與錨索的粘結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間也呈對數(shù)增長規(guī)律，但增長幅度沒有錨桿明顯，前期增幅較大，如第7天強(qiáng)度比第1天強(qiáng)度增長289%，后期強(qiáng)度幾乎不再增長，第28天強(qiáng)度增長幅度僅為0.3%。

(3)從縱向方面看，混凝土不管與錨桿還是與錨索，粘結(jié)強(qiáng)度都超過20MPa，這樣高的粘結(jié)強(qiáng)度說明混凝土噴射到圍巖表面，與錨桿、錨索端部緊密包裹，可以起到很好的粘結(jié)作用，同時(shí)與二者粘為一體，起到傳遞預(yù)緊力的作用，增加對圍巖的支護(hù)效果，這與鋼筋混凝土的作用機(jī)理相似。

(4)從橫向方面比較，混凝土與錨桿、錨索的粘結(jié)強(qiáng)度是有差異的，表現(xiàn)為前期混凝土與錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度小于與錨索的粘結(jié)強(qiáng)度，如第1天強(qiáng)度前者僅為后者的40%，后期混凝土與錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度超過與錨索的粘結(jié)強(qiáng)度，如第28天強(qiáng)度前者是后者的1.2倍，這與錨桿、錨索的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)差異有關(guān)。

6 結(jié) 論

混凝土噴射到錨桿(索)上，與錨桿(索)外露端緊密包裹，二者的接觸面沿著錨桿(索)端部周邊，呈柱狀。為模擬這種接觸狀態(tài)，文章通過在實(shí)驗(yàn)室拉拔填有混凝土和錨桿(索)的套筒來測量二者的粘結(jié)強(qiáng)度，從而快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對混凝土粘結(jié)性能指標(biāo)的測試。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1)混凝土與錨桿、錨索的粘結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間均呈對數(shù)增長規(guī)律，均表現(xiàn)出前期增長迅速、后期增長緩慢的特點(diǎn)，但混凝土與錨索粘結(jié)強(qiáng)度的增長幅度沒有錨桿明顯，第7天強(qiáng)度前者增幅289%，后者增幅高達(dá)454%；第28天強(qiáng)度前者增幅僅為0.3%，后者增幅為26%。

(2)混凝土與錨桿、錨索的粘結(jié)強(qiáng)度的變化速率不一樣。前期混凝土與錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度小于與錨索的粘結(jié)強(qiáng)度，第1天強(qiáng)度前者僅為后者的40%；后期混凝土與錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度超過與錨索的粘結(jié)強(qiáng)度，第28天強(qiáng)度前者是后者的1.2倍。這與錨桿、錨索的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)差異有關(guān)。

(3)混凝土不管與錨桿還是與錨索，最終粘結(jié)強(qiáng)度都超過20MPa，這樣高的粘結(jié)強(qiáng)度說明混凝土噴射到圍巖表面，與錨桿、錨索端部緊密包裹，可以起到很好的粘結(jié)作用。