GFRP筋錨桿錨固體漿液研發(fā)及錨固性能試驗研究

劉軍，魏杰，劉鵬，陳達，鄭仔弟，劉展伊

（1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044；2.北京市市政四建設工程有限責任公司，北京 100176）

0 引言

傳統(tǒng)預應力錨索以鋼絞線作為桿體，該桿體要侵入紅線外且切除困難、切除中易出現(xiàn)繃斷進而危及作業(yè)人員安全，我國多地已限制或不允許基坑工程使用鋼絞線預應力錨索[1]。

GFRP筋為一種新型的建筑材料，綠色低碳，其具有可切割性好、抗拉強度高、質量輕等諸多優(yōu)點，是替代鋼筋的理想材料，已在土木工程中獲得了廣泛的應用[2-3]。采用GFRP筋作為基坑工程的錨桿支護在國內外已有諸多研究成果[4-5]?；庸こ虨榕R時性工程，基坑使用壽命結束后，侵入紅線外的GFRP筋錨桿可輕易被切割，因此對鄰近工程施工，特別是盾構施工幾乎沒有影響[6]。錨固體是GFRP筋錨桿支護中極為重要的組成部分，相比普通鋼絞線，GFRP筋材與混凝土砂漿之間的粘結強度低[7-8]，且筋材與砂漿的粘結性能規(guī)律也不同于傳統(tǒng)鋼筋[9-10]。已有試驗表明玻璃纖維筋與混凝土之間的粘結強度只有鋼筋與混凝土粘結強度的65%左右[11]。因此，根據GFRP筋的特點研發(fā)錨固體漿液就顯得極為迫切。為提高錨桿的工作性能，國內外學者大多從漿液的水灰比及外加物質的角度進行注漿材料的研發(fā)[12-13]，但以往研究中對錨桿注漿材料的泌水率關注較少，而泌水率是錨桿注漿漿液的重要性能指標。傳統(tǒng)水泥漿液在凝固過程中，會在筋材與錨固體界面析出水分，導致接觸界面的粘結力大幅降低[14]。

為解決GFRP筋與錨固體間粘結力發(fā)揮的問題，本文研發(fā)一種無泌水、快硬早強的新型漿液，可大幅縮短預應力張拉施工的等待工期，滿足錨固體的性能要求；同時進行了新型漿液錨固體與GFRP筋的粘結性能試驗并采用數值模擬方法研究了錨固體內粘結強度的分布規(guī)律，為GFRP筋的進一步應用研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：市售P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；速凝劑：北京世紀路佳建材公司產，HZ-9型噴射混凝土用速凝劑，干粉狀；減水劑：北京健翔化工有限公司產，SN-HPWP型聚羧酸減水劑，減水率25%~28%，固含量15%；膨脹劑：北京世紀路佳建材公司產，HZ-12型混凝土膨脹劑，白色粉末狀，氧化鎂含量1.15%。

結合工程應用實際，選擇新型漿液水灰比為0.45。速凝劑摻量為2.0%~2.5%，膨脹劑摻量為10%~14%，減水劑摻量為1%~2%。

1.2 試驗方法

為保證注漿固結體的粘結效果，需要新型漿液無泌水，流動性好、快硬早強，1 d強度能達到施加預應力的標準，且具有適當的膨脹率，防止注漿體收縮形成的空隙削弱錨固性能。依據工程現(xiàn)場的使用要求，最終確定新型漿液需滿足的預期性能指標，見表1。

表1 新型漿液的預期性能指標

流動度：按照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》選用流錐進行測試；凝結時間：根據GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》使用維卡儀進行測試；抗壓強度：根據GB/T 17671—2020《水泥膠砂強度檢驗方法》測試1 d和28 d抗壓強度；膨脹率：根據GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》漿液自由膨脹率的測試方法進行測試；泌水率：依據TB/T 3192—2008《鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿劑技術條件》進行測試。

2 結果與分析

2.1 速凝劑與減水劑對漿液性能的影響

各試驗組配比及試驗結果如表2所示，表中分組標號形式為：J-速凝劑摻量-膨脹劑摻量；J表示新型漿液，膨脹劑為內摻，速凝劑和減水劑為外摻，試驗結果取3次平均值。

表2 流動度試驗漿液配比及結果

2.1.1 速凝劑與減水劑對漿液流動度的影響

由表2可知，速凝劑摻量增加對漿液的早期流動度影響較為顯著，同時關注到不同速凝劑摻量，需調整減水劑摻量以控制漿液流動度符合要求；如若減水劑摻量保持1.8%不變，則速凝劑摻量達到2.5%時，漿液流動度數值是表中結果的1倍以上導致漿液無法使用，故未在表中列出?？梢娝倌齽┡c減水劑需結合使用以滿足GFRP筋錨桿錨固體漿液的流動度要求。

2.1.2 速凝劑與減水劑對漿液凝結時間與抗壓強度的影響

由表2可得，初凝時間與1 d抗壓強度二者相關系數為-0.92，顯然漿液凝結時間與早期抗壓強度呈負相關。凝結時間與抗壓強度指標，分別對應速凝劑與減水劑的摻量，但兩者共同使用時相互影響，減水劑導致了速凝劑的作用在初凝時無法充分發(fā)揮。在錨桿注漿固結的早期，漿液抗壓強度對注漿固結體握裹力的影響顯著，所以凝結時間短，特別是終凝時間短的漿液，早期強度具有明顯優(yōu)勢，對比速凝劑摻量2%的漿液J-2-10組，J-2.25-10組的終凝時間由15.2 h縮短至8.5 h，縮短44%；1 d強度由11.1 MPa提高至18.0 MPa，提高到1.6倍。可見速凝劑摻量對初凝時間影響較小，而在終凝時間中得到了充分體現(xiàn)；在漿液的長期強度發(fā)展過程中，改變外加劑摻量未對28 d抗壓強度產生明顯影響，長期強度較為穩(wěn)定。因此選用J-2.25-10組的2.25%速凝劑摻量進行后續(xù)試驗。

2.2 膨脹劑對漿液膨脹率的影響

固定速凝劑摻量為2.25%，調整膨脹劑摻量分別為10%、12%和14%，水泥及膨脹劑總量不變，研究膨脹劑摻量對漿液膨脹率的影響，結果如圖1所示。

圖1 膨脹劑摻量對漿液膨脹率的影響

由圖1可知，試件的膨脹主要發(fā)生在硬化早期，在漿液成型7 d內已經發(fā)生大部分的硬化膨脹，之后膨脹率增長速度逐漸放緩；膨脹劑摻量的增加對漿液試件的膨脹率影響很小，選擇10%摻量的膨脹劑即可。

2.3 減水劑調整對泌水率的影響

泌水率是體現(xiàn)漿液保水性能的重要指標，水泥基材料的泌水一般集中在注漿料表面或內部筋材的表面，影響筋材與注漿固結體的粘結性能，將直接降低錨桿的錨固性能。為此，需測試漿液自身表層的自由泌水率、漿液與筋材表面的毛細泌水率以及注漿時產生的壓力泌水率，如圖2所示。泌水率試驗漿液配比及結果見表3。

圖2 泌水率測試

表3 泌水率試驗漿液配比及結果

由表3可知，通過調整減水劑的摻量可以實現(xiàn)泌水率為0的性能指標；試驗得到的漿液自由泌水率與毛細泌水率均為0，未施加壓力時均無泌水現(xiàn)象，這說明漿液從攪拌完成后至凝結硬化前，始終處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，漿液保水能力良好，壓力泌水率約為1%，遠低于TB/T 3192—2008規(guī)范中小于3.5%的質量檢驗要求；減水劑摻量的改變對漿液壓力泌水率的影響較為明顯，減水劑摻量增加致使壓力泌水率增大，壓力泌水率對減水劑摻量的變化較為敏感，而減水率摻量降低會對漿液流動度造成較大影響，因此選用J-2.25-10組漿液速凝劑摻量為2.25%，膨脹劑摻量為10%，減水劑摻量為1.8%，能夠滿足泌水率為0的要求。

2.4 錨固體漿液工作性能分析

新型漿液在泌水性、流動性、早期強度和膨脹性方面均具有良好的表現(xiàn)，但減水劑與速凝劑的相互作用及對漿液性能指標的影響是復合的，如圖3所示，研制時需不斷調整以滿足漿液的各項性能指標。該新型漿液快硬早強，1 d強度即可達到錨桿施加預應力的標準，能夠充分節(jié)約工期；漿液的早期流動性好和微膨脹，保證了錨桿注漿過程中能夠充填鉆孔和巖土體裂隙，且漿液的泌水率為0，這些都為錨桿與錨固體的粘結性能提供了可靠保證。

圖3 外加劑及其對性能指標的影響

2.5 GFRP筋錨桿與錨固體的性能

2.5.1 錨固體漿液成型試塊強度試驗

對與錨固體試件同條件養(yǎng)護的漿液試塊，分別測試傳統(tǒng)漿液（水灰比0.45的純水泥漿，下同）、新型漿液（J-2.25-10組，下同）的抗壓、抗折強度。試件選用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，2類漿液制作成型試塊各3組，養(yǎng)護時間為3 d，使用SANS液壓試驗機進行強度測試。

測得傳統(tǒng)水泥漿液的3 d抗壓、抗折強度分別為16.8、4.82 MPa，新型漿液的3 d抗壓、抗折強度分別為26.0、5.12 MPa。由于GFRP錨桿注漿主要依靠漿液的抗壓強度，新型漿液早期抗壓強度顯著提高，其強度增長速度遠大于傳統(tǒng)水泥漿液，但在抗折強度方面兩者差別不大。

2.5.2 GFRP筋錨桿與錨固體的錨固性能

通過錨固體加載試驗，測試GFRP筋錨桿與錨固體的粘結工作性能。根據工程實際，分別使用傳統(tǒng)水泥漿液和新型漿液制作GFRP筋錨桿錨固體試件，用以對比兩者的錨固性能差異。

錨固體為圓柱形，直徑為200 mm，長度為640 mm；單根GFRP筋錨桿的公稱直徑為32 mm，長度2.2 m，埋置于錨固體的中間位置，錨固體試件養(yǎng)護3 d后用穿心千斤頂進行張拉，同步監(jiān)測拉力荷載和筋材位移，如圖4所示。GFRP筋錨桿錨固體試件的破壞荷載與破壞時位移如圖5所示。

圖4 加載與測試過程

圖5 不同漿液試驗組的荷載-位移曲線

由圖5可知，采用新型漿液的試件最大破壞荷載為283 kN，相比傳統(tǒng)漿液的252 kN，提高約13%，最大破壞位移由35 mm減小至13 mm，破壞時的位移減小至傳統(tǒng)漿液的37%；相同荷載條件下，使用新型漿液的筋材位移顯著小于傳統(tǒng)漿液，表現(xiàn)出全過程的位移穩(wěn)定性，新型漿液使得筋材螺紋間注漿固結體的抗壓強度及漿液與筋材的粘結性能提高，為桿件提供持久穩(wěn)定的機械咬合力和摩擦力，顯著減小了筋材的滑移。

2.6 GFRP筋錨桿與錨固體的錨固性能分析

運用FLAC3D軟件建立GFRP筋錨桿與錨固體數值計算模型，模型采用前述試驗原型的尺寸參數，均使用實體單元建立，如圖6所示。將錨固體側面周邊及后底面設置為固定約束，其余界面為自由，錨桿與注漿體界面設置接觸面并賦值，分別對使用傳統(tǒng)漿液和新型漿液兩種工況進行加載模擬。兩者參數差異主要表現(xiàn)在漿液的彈性模量和粘聚力。由錨固體試驗結果可知，新型漿液在單位拉拔力作用下筋材與錨固體的相對位移減小，即彈性模量較大，約為傳統(tǒng)漿液的1.6倍；由配比試驗可知新型漿液在泌水率等方面亦有明顯優(yōu)勢，故相應提高了粘聚力等參數值。模擬接觸面參數的賦值見表4，分析2種工況的受力破壞過程。錨固體應力云圖如圖7所示，在錨固體中間位置做切片，可見錨固體內部各位置的位移分布如圖8所示。

圖6 錨桿與錨固體模型

表4 2種工況下的接觸面參數

圖7 錨固體應力云圖

由圖7可知，隨著荷載的增大，錨固體前端處的錨桿出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，對比可知，使用傳統(tǒng)漿液的錨固體在該位置截面粘結應力作用下，網格流動破壞更為明顯，傳統(tǒng)漿液由于粘聚力和彈性模量相對較小而更易破壞，與錨固體試驗現(xiàn)象與結果相吻合。

由圖8可知，傳統(tǒng)漿液的注漿體內部位移云圖分布不夠平滑，存在明顯的錐形開裂面，位移過渡不連續(xù)，說明其內部的粘聚力較弱，在應力由筋材向錨固體傳遞的過程中，不能很好地限制筋材位移，且隨荷載增大該現(xiàn)象愈加明顯，錨固體易發(fā)生開裂，加大了筋材拔出破壞的風險；采用新型漿液時，位移云圖分布平滑，在較大荷載的作用下，不同深度的注漿體仍能協(xié)同發(fā)揮粘結作用，能很好地控制筋材位移并提供足夠的承載力，這也與錨固體試驗相互驗證。

圖8 錨固體位移云圖

5 結論

（1）針對GFRP筋材的特性，新型漿液通過調節(jié)減水劑、速凝劑和膨脹劑的摻量，實現(xiàn)漿液的自由泌水率、毛細泌水率均為0，注漿條件下的壓力泌水率遠優(yōu)于規(guī)范要求，有效保證筋材與錨固體的緊密結合，控制漿液硬化收縮，提高了筋材咬合時漿液的抗壓強度，最終使得GFRP筋材與錨固體的粘結性能得到提高。

（2）通過對漿液流動性、凝結時間及早期強度進行關聯(lián)分析，得出減水劑與速凝劑作用呈負相關，二者需結合使用，且減水劑摻量對新型漿液的多項性能尤其是泌水率的影響較為敏感。平衡兩者用量后可使?jié){液能快硬早強、無泌水，1 d抗壓強度即可達到預應力施加標準，能縮短工期。

（3）以錨固體加載試驗和數值模擬相互驗證，得出新型漿液彈性模量和粘結性能的提高，使荷載作用下GFRP筋錨桿錨固體內部位移分布更加平滑，可有效發(fā)揮協(xié)同變形的作用，從而使錨固體承載力得到提升，破壞時的位移顯著減小。