膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體中拉拔力試驗(yàn)研究

曹夫利，張鋒劍，李樹(shù)山，張 遠(yuǎn)，武海榮，張文明，王啟源，花炬齊

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山467036)

近年來(lái)國(guó)家高度重視環(huán)保工作，節(jié)能減排成為行業(yè)共識(shí)，建筑工程中也越來(lái)越多地使用新型環(huán)保建筑材料，煤矸石多孔磚砌體就是其中之一，因其良好的保溫性、防潮性，被越來(lái)越多地應(yīng)用于承重墻及填充墻中。膨脹螺栓作為墻體中常用的小型標(biāo)準(zhǔn)件，具有鉆孔小、拉力大、使用后外露端頭平整且拆除后仍可保持墻面平整等優(yōu)點(diǎn)。由于以上諸多優(yōu)勢(shì)，膨脹螺栓的用量顯著增多，膨脹螺栓在多孔磚墻體中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

秦士洪等對(duì)專用膨脹螺栓在燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體中的錨固性能進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)[1]，研究結(jié)果表明，專用膨脹螺栓錨固于多孔磚砌體的不同位置均可形成“自螺母效應(yīng)”，從而達(dá)到并略超過(guò)其產(chǎn)品拉拔力設(shè)計(jì)值，滿足工程使用要求；范建洲、陳榮康等對(duì)膨脹螺栓在混凝土中的拉拔力進(jìn)行了試驗(yàn)[2-3]，闡述了試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并對(duì)影響膨脹螺栓拉拔性能的因素進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)；黃榜彪等以城市污泥為原料制備城市污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚，研究了膨脹螺栓在磚體中的拉拔承載力[4]，通過(guò)分析膨脹螺栓在靜載作用下的破壞狀態(tài)，得出了螺栓直徑、錨固部位、砂漿強(qiáng)度等對(duì)其錨固性能的影響規(guī)律；李硯波等對(duì)埋置于CS板內(nèi)的膨脹螺栓進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)[5]，確定了膨脹螺栓在CS板內(nèi)用做緊固件時(shí)，其抗拔與抗剪承載力的允許值，分析了混凝土面層厚度對(duì)承載力的影響，并根據(jù)極限狀態(tài)下膨脹螺栓的破壞特征，提出了CS板內(nèi)埋置膨脹螺栓的抗拔與抗剪承載力理論公式，為工程應(yīng)用提供了依據(jù)；楊東平通過(guò)對(duì)化學(xué)錨栓與膨脹螺栓進(jìn)行的拉拔承載力試驗(yàn)[6]，測(cè)定了膨脹螺栓極限抗拉狀態(tài)下的承載力，分析試驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)了兩種螺栓的錨固機(jī)理，并得出其極限抗拉狀態(tài)下的受力性能，為更進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)已有的膨脹螺栓拉拔試驗(yàn)大多是在混凝土和實(shí)心磚砌體中進(jìn)行的，針對(duì)煤矸石多孔磚砌體中的膨脹螺栓拉拔試驗(yàn)研究較少。本文利用正交試驗(yàn)，研究膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體中的拉拔承載力，綜合考慮墻體及螺栓的破壞形態(tài)，研究膨脹螺栓的直徑、埋入深度及其對(duì)應(yīng)錨固位置對(duì)拉拔受力性能的影響，為實(shí)際工程提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及試件制作

1.1.1 膨脹螺栓

試驗(yàn)所用膨脹螺栓規(guī)格為M8、M10、M12和M14，長(zhǎng)度均為150 mm，尺寸和強(qiáng)度均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。膨脹螺栓由沉頭螺栓、脹管、平墊圈、彈簧墊和六角螺母組成。膨脹螺栓的工作原理是將其打到墻面孔洞后，從外部緊固六角螺母，將螺桿從墻體中拔出，帶動(dòng)另一端的楔形沉頭，使脹管在孔洞中緩慢膨脹，從而將膨脹螺栓錨固在墻體內(nèi)部。

1.1.2 煤矸石多孔磚

試驗(yàn)用磚為KP1型燒結(jié)煤矸石多孔磚，強(qiáng)度等級(jí)MU10，孔洞率25%，孔型為圓孔，規(guī)格為240 mm×115 mm×90 mm。按照《砌墻磚試驗(yàn)方法》[7]中的規(guī)定，隨機(jī)抽取10塊多孔磚作為試樣，逐一進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，計(jì)算其抗壓強(qiáng)度平均值，根據(jù)《燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊》[8]中規(guī)定，計(jì)算該批試樣的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，見(jiàn)表1。結(jié)合規(guī)范要求，強(qiáng)度等級(jí)為MU10的多孔磚抗壓強(qiáng)度平均值不小于10.0 MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于6.5 MPa，該批次煤矸石多孔磚強(qiáng)度合格，可以用于試驗(yàn)。

1.1.3 砌筑砂漿

砌筑墻體使用M10水泥砂漿，砌筑墻體時(shí)，按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]中的規(guī)定，預(yù)留尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的砂漿試塊，并進(jìn)行編號(hào)，試塊放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，拆模后將所有試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，測(cè)試所有試塊28 d立方體抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表2。

1.1.4 試件制作

先制作地梁，在地梁上砌筑墻體，采取梅花丁砌筑形式，墻體與構(gòu)造柱連接處預(yù)留馬牙槎。墻體圈梁及構(gòu)造柱使用C30混凝土澆筑，構(gòu)件制作完成后，采用毛氈覆蓋，并定期向試件灑水，保持試驗(yàn)墻體的溫濕狀態(tài)，滿足養(yǎng)護(hù)條件。

表1 煤矸石多孔磚抗壓強(qiáng)度指標(biāo)

表2 砂漿抗壓強(qiáng)度指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)表采用L16(43)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，正交試驗(yàn)三因素四水平見(jiàn)表3，每組拉拔4個(gè)膨脹螺栓，承載力取4次試驗(yàn)平均值。

表3 正交試驗(yàn)三因素四水平

1.3 膨脹螺栓拉拔試驗(yàn)

圖1 膨脹螺栓錨固位置示意圖

進(jìn)行膨脹螺栓拉拔試驗(yàn)時(shí)，采用XH-10T型錨桿拉力計(jì)，該儀器由高壓手動(dòng)泵、穿心千斤頂、數(shù)顯壓力表、高壓膠管等部件構(gòu)成。拉力計(jì)的千斤頂最大拉拔力為100 kN，最大行程60 mm，中心最大孔徑27 mm。使用GBH2-26型電錘在墻體上打孔，針對(duì)試驗(yàn)中不同規(guī)格的膨脹螺栓，為電錘配備直徑分別為12 mm、14 mm、16 mm及18 mm的鉆頭。

先使用電錘在墻體上鉆孔，再用鐵錘將膨脹螺栓打入對(duì)應(yīng)孔洞，螺栓被埋入指定深度后，使用扳手將螺母擰緊，固定膨脹螺栓，膨脹螺栓錨固位置見(jiàn)圖1。圖1中：1號(hào)位置為順磚中心，2號(hào)位置為丁磚中心，3號(hào)位置為豎縫中心，4號(hào)位置為橫縫中心。

將膨脹螺栓外露的螺桿部分與拉桿連接，加入合適的夾片使拉桿與拉力計(jì)的夾頭銜接穩(wěn)固。緩慢按壓手動(dòng)泵對(duì)膨脹螺栓進(jìn)行加載，活塞桿頂住夾頭向外運(yùn)動(dòng)，直至數(shù)顯表上出現(xiàn)穩(wěn)定增大的數(shù)值，此時(shí)千斤頂向外的拉力可穩(wěn)定作用于被測(cè)螺栓，壓力表讀數(shù)為膨脹螺栓對(duì)應(yīng)的極限荷載峰值，膨脹螺栓拉拔試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 膨脹螺栓拉拔力正交試驗(yàn)表及結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

膨脹螺栓的拉拔試驗(yàn)中，螺栓有兩種破壞形式。形式1為螺栓和脹管整體被拔出，如圖2所示，加載初期壓力泵讀數(shù)迅速增大，隨后拉拔力數(shù)值趨于穩(wěn)定且無(wú)明顯變化，可以聽(tīng)到螺栓被拔出時(shí)與墻體摩擦發(fā)出沙沙聲，直至螺栓被完整拔出，試驗(yàn)結(jié)束，磚體表面孔洞周圍出現(xiàn)裂紋并剝落形成錐狀小坑。形式2為螺栓的螺桿被拔出，脹管仍留在墻體中，如圖3所示，試驗(yàn)初期，膨脹螺栓拉拔承載力持續(xù)增大后趨于穩(wěn)定，與形式1中的數(shù)值變化保持一致，壓力泵讀數(shù)穩(wěn)定后不久，拉拔力突然再次增大，墻體中不再有金屬與墻體擠壓的摩擦聲，直至螺桿突然被拔出，發(fā)出嘣的一聲，此時(shí)脹管仍留在墻體中，脹管端部開(kāi)裂，但脹管周圍的墻面較為完整，沒(méi)有剝落現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)比兩種膨脹螺栓的破壞現(xiàn)象與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，破壞形式1，膨脹螺栓整體被拔出時(shí)的拉拔承載力較低，錨固端完好，且此情況發(fā)生在磚體中較多，原因是打孔對(duì)磚肋和內(nèi)部造成了損傷，螺栓與墻體錨固點(diǎn)強(qiáng)度產(chǎn)生折減，錨固節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不足導(dǎo)致螺栓失效被拔出。破壞形式2，膨脹螺栓的螺桿從脹管中被拔出時(shí)膨脹螺栓實(shí)測(cè)拉拔力數(shù)值較大，且破壞形態(tài)較為完整。

圖2 膨脹螺栓破壞形式1

圖3 膨脹螺栓破壞形式2

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.1 正交試驗(yàn)的極差分析與方差分析

對(duì)膨脹螺栓的拉拔正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。計(jì)算極差R值大小并進(jìn)行比較，對(duì)于影響膨脹螺栓錨固能力的3個(gè)因素中，直徑(A因素)的極差最大，是影響抗拔承載力的主要因素；埋入深度(B因素)極差次之，是重要因素；錨固位置(C因素)極差最小，是次要因素，對(duì)承載力影響最小。

表5 膨脹螺栓拉拔承載力極差分析

對(duì)膨脹螺栓的拉拔正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，見(jiàn)表6。F為某個(gè)因素的均方與誤差的平均離差平方和的比值，α為檢驗(yàn)水平，臨界值取α=0.05時(shí)的F值。

表6 膨脹螺栓拉拔承載力方差分析

通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析和方差分析，膨脹螺栓的直徑是影響其在煤矸石多孔磚墻體中拉拔承載力的主要因素，埋入深度為重要因素，錨固位置為次要因素。極差分析與方差分析的優(yōu)選方案相同，最優(yōu)組合為A4、B4、C3。

2.2.2 正交試驗(yàn)的點(diǎn)圖分析

以各因素水平為橫坐標(biāo)，試驗(yàn)指標(biāo)的平均值k值為縱坐標(biāo)，繪制各因素與膨脹螺栓錨固能力關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4，反映出拉拔過(guò)程中膨脹螺栓的抗拔承載力隨各因素水平變化的趨勢(shì)。

圖4 膨脹螺栓拉拔承載力與各因素水平關(guān)系圖

膨脹螺栓直徑對(duì)其錨固能力的影響：膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體上的錨固能力受其直徑的影響最為明顯，隨著膨脹螺栓的直徑增大，其承載力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且增長(zhǎng)較快，直徑達(dá)到M14時(shí)，拉拔承載力達(dá)到最大。

埋入深度對(duì)膨脹螺栓錨固能力的影響：隨膨脹螺栓埋入深度的增加，其錨固性能越來(lái)越好，在整個(gè)試驗(yàn)階段，膨脹螺栓的抗拔承載力呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)，試驗(yàn)初期增速較快，埋入深度為115 mm時(shí)增速變慢，埋入深度達(dá)130 mm時(shí)，膨脹螺栓拉拔承載力最大，此時(shí)脹管全長(zhǎng)均被埋入墻體中，達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

錨固位置對(duì)膨脹螺栓錨固性能的影響：膨脹螺栓錨固在豎向灰縫中的極限荷載最大，橫向灰縫錨固點(diǎn)處強(qiáng)度次之，而錨固于墻體丁磚和順磚中的極限荷載最小。

2.2.3 膨脹螺栓拉拔承載力公式

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析的各因素的影響程度，并參考文獻(xiàn)[5]，給出膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體中的拉拔承載力計(jì)算公式：

(1)

(1)式中：F為拉拔承載力(N)，d為脹管外徑(mm)，h為膨脹螺栓埋入深度(mm)，fck為砌體抗壓強(qiáng)度(MPa)。其中脹管外徑d取螺桿直徑加4 mm。

將試驗(yàn)得出的設(shè)計(jì)值與按公式計(jì)算得出的計(jì)算值相比(見(jiàn)表4)，二者較為吻合，并具有一定安全儲(chǔ)備，說(shuō)明膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體中的拉拔承載力公式能夠?yàn)楣こ虒?shí)際應(yīng)用提供理論計(jì)算依據(jù)。

3 結(jié)論及建議

(1)正交試驗(yàn)分析結(jié)果表明，膨脹螺栓的直徑是影響其在煤矸石多孔磚墻體中的錨固性能的主要因素，埋入深度是重要因素，錨固位置是次要因素，當(dāng)膨脹螺栓直徑為14 mm，埋入深度取130 mm且錨固于豎向灰縫中時(shí)為最優(yōu)組合。

(2)煤矸石多孔磚墻體中，應(yīng)優(yōu)先選擇豎向灰縫作為膨脹螺栓的錨固點(diǎn)，其次為橫向灰縫錨固點(diǎn)和磚體錨固點(diǎn)，膨脹螺栓錨固在灰縫處的承載力較高。

(3)提出了煤矸石多孔磚墻體內(nèi)置膨脹螺栓的拉拔承載力計(jì)算公式，計(jì)算值與膨脹螺栓承載力設(shè)計(jì)值基本吻合，可以為工程應(yīng)用提供計(jì)算依據(jù)。