基于应用的GFRP锚杆拉伸和剪切性能试验研究

黄 军,叶义成，王文杰，王水平，鲁炳强

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081；2.武钢矿业公司金山店铁矿, 湖北 黄石 435116)

在锚固工程中，锚杆一般采用抗拉强度较高的钢材，如高强度螺纹钢筋、钢绞线或高强度钢丝等。但国内外锚固工程实践表明，钢锚杆在锚固工程中的质量问题，主要是由锚杆腐蚀引起的[1]。在矿山应用方面，钢锚杆腐蚀后需进行二次补强支护，大大增加了支护成本。而钢锚杆的防腐保护，使锚固工程工作量大、耗材多、施工复杂[2]；钢锚杆重量大，在生产、运输和安装过程中劳动强度大；在巷道发生较大垮冒需要二次支护时，垮冒而外露的钢锚杆很难处理；钢锚杆在回采工程中难以从矿石中清除，对后续的运输皮带和破碎磨矿设备损坏严重。基于上述原因，武钢矿业公司金山店铁矿根据采场实际情况，拟采用力学性能较好的非金属锚杆来代替传统的螺纹钢锚杆，以改善锚杆支护水平和降低支护成本。

玻璃钢纤维增强塑料(glass fiber reinforced plymer，GFRP)锚杆是一种典型的非金属锚杆，目前已在一些煤矿的应用中获得成功，并取得了良好的经济效益和社会效益。然而，GFRP锚杆在国内金属矿山实践应用方面，尚没有工程实例。GFRP杆材的力学性能，随材料的配比不同而有显著的差异，即便同成分GFRP材料和不同生产工艺生产的锚杆的力学性能可能差别很大，而且相关力学实验并未有统一国家或地方标准[3]。为确保使用安全，首先需对GFRP锚杆进行力学性能试验的研究，以便科学的确定锚杆的支护参数和相应的施工操作制度。

1 杆体拉伸实验

巷道支护中，锚杆的基本受力状态是受拉，而拉伸试验是获取锚杆支护设计参数的手段。由于GFRP是由两种基本材料复合而成的非均匀材料，纵向的纤维方向力学性能强，垂直纤维方向的力学性能弱，所以在进行拉伸力学实验时，需对经典拉伸试验模型进行改进达到试验的成功。

试验材料选择南京锋晖复合材料有限公司生产的GFRP锚杆，包括杆体(Φ18×1800mm)、托盘和螺母，其中托盘和螺母均为工程塑料，杆体表面经过喷砂处理，并且缠绕纤维。试验用锚杆出厂基本参数为：杆体抗拉(MPa)≥500 、杆体抗剪(MPa)≥140 。该锚杆采用拉挤一次成型技术，玻璃纤维含量77.5%，树脂含量22.5%。

(1)试件的制作

对于GFRP锚杆杆体的拉伸试验，困难在于试件夹头部分被试验机的夹具夹碎而产生滑移。主要原因是GFRP杆材抗压强度较小，且试验机夹头与试件并非全面接触，试件拉伸时，夹具压应力很大。试验研究中，采用对GFRP锚杆试件端部夹持部分套用钢管和填充环氧树脂的方法，通过环氧树脂的高强粘结力和钢套管的抗压承载力，能有效避免试件端头部分表层破坏滑移，使试验能够取得成功。钢套管采用内径为25mm、外径为35 mm、长度为250mm的无缝钢管(内有刻痕)。环氧树脂采用蓝星新材料无锡树脂厂生产的凤凰牌环氧树脂和配套T31固化剂，按3∶1的比例进行配置。试件端头形状如图1所示。考虑到两端锚固的长度、试验机的最大行程及杆体的拉伸性能，选定试件的总长度为700mm。

图1 GFRP锚杆试件端部设计

(2)试验设备

电子万能试验机、千分尺等。

(3)试验过程及试件破坏形态分析

在整个拉伸破坏过程中，试件两端锚固可靠，未发生锚杆从钢套中滑出的现象。试件的破坏形态为：试件被拉裂部分纤维被拉断，试件破坏为脆性破坏，试件的破坏范围在整段长度上，破坏断面呈现 “劈裂”破坏形式(图2)。试件在破坏过程中，随着荷载值的平稳增大，刚开始在GFRP锚杆外表面出现细微胶合剂剥落，能听到少量纤维剥离树脂的响声，但随着荷载的继续增加，纤维剥离树脂的响声消失，表现出一定的弹性特性。当加载到极限荷载的80%左右时，纤维剥离树脂的响声又出现并持续增大，此时，试件表面沿纵向逐渐出现白斑状裂纹，之后突然分散，承载能力降低，纤维分批拉断，破坏断处为纤维交叉断裂，破坏范围集中在GFRP锚杆中间位置，并持续在整段长度上。

图2 GFRP拉伸破坏形态

(4)应力时间关系

典型拉伸试验应力-时间曲线的实测值见图3。

图3 拉伸试验力-时间曲线图

从图3可见，GFRP锚杆的应力-时间曲线没有明显的屈服点，整个试验过程基本是弹性变形。

(5)试验结果与分析

十组拉伸实验的极限抗拉强度值见表1。

表1 GFRP杆体极限拉伸强度

2 杆体剪切试验

剪切过程中，首先用普通剪切试验用的剪具进行了三组试验，采用CMT5105万能试验机进行加载，以2mm/min的加载速度加载至试件破坏，记录最大荷载值。试验过程中反映出弯剪共同作用下，即在非纯剪切试验过程中，破坏形态为所有受剪部位出现纤维开裂破坏。通过所测数据发现，仅为生产厂商提供基本参数的50%左右。其主要原因在于剪切过程中，产生了较大的弯曲变形，反映出了GFRP锚杆在弯剪共同作用下的力学性能较弱。非纯剪切破坏断面如图4所示。根据底座的尺寸重新加工剪刀，尽可能使剪刀与基座之间的间隙接近零后重做以上试验，取得了较好的结果。纯剪切破坏断面形态见图5所示。表2 列出了十组试件实验的极限抗剪强度值。

图4 非纯剪切破坏断面

图5 纯剪切破坏断面

表2 GFRP杆体极限抗剪强度

在岩体内部主要提供两方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪。由于锚杆与钻孔间有较大的空隙，所以锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来。但在施工中，应注意GFRP锚杆的抗剪性能较弱的缺陷。

3 结 论

根据以上实验结果，并结合井下实际情况得出如下结论：①试验的Φ18mmGFRP锚杆的抗拉性能高于巷道支护中常用的Φ16mm的螺纹钢锚杆；②GFRP锚杆的极限抗剪强度仅为极限抗拉强度的1/3左右，可以考虑节理面明显且产生明显滑动的围岩中，采用螺纹钢锚杆和GFRP锚杆相互排列的支护方式解决。③在运输和施工过程中，要防止GFRP受弯破坏。

[1] Benmokcrane B，Xu H X，Bellavance E.Bond strength of cementgrouted glass fibre reinforced plastic(GFRP)anchor bolts[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences andGeomechanics Abstracts，1996，33(5)：455-465.

[2] ACI Committee.Guide for the Design and Construction of ConcreteReinforced with FRP Bars(ACI 440)[S].[s.l.]：ACI Committee，2000.

[3] 刘汉东，于新政，李国维，等. GFRP锚杆拉伸力学性能试验研究[J].2005(10)：3719-3723.

[4] 张乐文，汪稔.岩土锚固理论研究之现状[J].岩土力学，2002，23(5)：627-631.