FRP锚杆灌浆锚固料性能的试验研究

刘纪峰，张会芝，崔秀琴

（1.三明学院建筑工程学院，福建 三明 365004；2.密歇根州立大学工程学院，美国 密歇根 48823）

FRP锚杆灌浆锚固料性能的试验研究

刘纪峰1，2，张会芝1，崔秀琴1

（1.三明学院建筑工程学院，福建 三明 365004；2.密歇根州立大学工程学院，美国 密歇根 48823）

为研究纤维增强复合塑料锚杆锚固料的性质及其工程应用的可行性，对不同配合比的纤维增强复合塑料锚杆锚固料的抗压强度、抗冻、抗渗等参数进行了测试，优选5组配合比，对不同直径的玻璃纤维锚杆和玄武岩纤维锚杆进行了30 cm深度的锚固拉拔试验。试验结果表明：优选的配合比具有较好的施工性，能自密实，达到C35～C45，F150，P6级别；适量掺加钢纤维或玻璃纤维有利于提高锚固料的抗压强度和锚固性能；试验的纤维增强复合塑料锚杆破坏模式均为拉拔仪与纤维增强复合塑料锚杆接触部位的挤压破坏，表面形状对纤维增强复合塑料锚杆的极限抗拉强度有一定影响，纤维增强复合塑料锚杆单位表面积的极限抗拉强度为4.0～6.5 MPa，可达到工程应用的相关要求。

纤维增强复合塑料锚杆；灌浆锚固料；性能；试验研究

0 引言

复合纤维增强塑料筋（FRP）由树脂基材和高性能纤维组成，根据高性能纤维种类的不同，可分为玻璃纤维增强塑料筋（GFRP筋）、玄武岩纤维增强塑料筋（BFRP筋）、碳纤维增强塑料筋（CFRP筋）等，具有轻质高强、耐腐蚀、低松弛性、性价比高等优点，可作用锚杆解决传统钢锚杆锈蚀导致的结构安全性和耐久性问题。

文献［1］对GFRP锚杆力学性和经济性进行了对比，对采用GFRP锚杆进行边坡支护的可行性进行了论证；文献［2］对复合材料自锁式锚固体系力学性能进行了试验研究，试验结果表明锚头形式对碳纤维布断裂形式影响最大；文献［3］研制了用于FRP锚杆螺纹耦合半模钢夹具，经试验检测具有较好性能；文献［4］采用有限元软件ANSYS建立模型，分析了在正常使用状态下，锚固系统各组件之间界面上的应力分布，对影响锚固性能的因素进行了探讨；文献［5－6］的试验研究显示灌浆材料性质对FRP锚杆抗拔力有显著影响；文献［7］采用ANSYS软件，对不卸载时预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受力变形性能进行了非线性有限元计算分析；文献［8］进行了FRP螺旋锚的现场拉拔试验，并将研究成果成功应用于实际工程；文献［9］进行了FRP土钉的试验，试验表明长FRP土钉与灌浆体黏结强度取决于后者的抗剪强度；文献［10］提出了FRP锚杆锚固性能分析的数值计算方法；文献［11－12］进行了国产GFRP和BFRP的锚固性能测试，并基于现行国家标准探讨了FRP用于工程锚杆的可行性。

目前，FRP材料在结构加固方面得到了广泛应用，但在岩土锚固应用方面的研究相对较少。对钢筋锚杆的试验结果表明：提高灌浆材料的强度尤其是其抗剪强度，对于提高FRP锚杆与灌浆材料的平均黏结强度及拉拔承载力、改善锚杆拉拔承载时与灌浆材料间的剪应力集中特性具有非常明显的作用，但对FRP锚杆灌浆锚固料的性能及两者共同作用机理方面的系统研究较少，因此，本文进行了高强度钢纤维细石混凝土和玻璃纤维细石混凝土等灌浆锚固料的物理力学性能试验研究，以探求适用于FRP锚杆锚固的高性能灌浆材料。

1 灌浆锚固料配合比设计

试验原材料：粗骨料为5～10 mm的连续级配的细石，取自福建磐石混凝土有限公司生产线，经检验各项指标符合国家标准要求。水泥为福建省生产的建福牌P·O42.5级水泥。砂为大田中砂，细度模数为2.7，表观密度为2 764 kg／m3。减水剂为聚羧酸系减水剂，掺量为减水剂和水泥的质量比（见表1）。水为饮用自来水。玻璃纤维和钢纤维从市场采购普通规格的产品。

参考《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2000）进行灌浆锚固料细石混凝土的配合比试配，综合考虑新拌混凝土的坍落度、7 d和28 d抗压强度等指标，最终确定每立方米混凝土中的材料用量为：水220 kg，水泥385 kg，粉煤灰165 kg，细石1 024 kg，中砂683 kg，减水剂和纤维掺量详见表1。

表1 灌浆锚固料配合比

2 灌浆锚固料的性能试验

按表1配合比，对应每组试验共制作了混凝土抗压试模3组，抗渗试模2组，抗冻试模4组。灌浆锚固料的搅拌方法为：在搅拌混凝土前，先用水将搅拌机润湿清洗干净，在搅拌状态先加入砂、粉煤灰和水泥，再加入石子和纤维，搅拌均匀，加料及搅拌时间不超过2 m in，最后加入水和减水剂，搅拌3 m in后测其坍落度。若坍落度满足要求将混凝土拌和物注入相应的试模，并放置在水平桌面上自密实，注意及时抹平，收浆后再抹一次。要求表面与试模边缘的高低差，不得超过0.5 mm，放置在湿度较高、温度适宜的地方，24 h后拆模，立即放入标准养护室（温度20±2℃、湿度95%以上）里养护相应龄期后取出试件进行物理力学性能试验。

抗压强度依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T 50081—2002）进行测试，抗冻、抗渗性能试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB／T 50082—2009）进行测试，试验结果见表2和图1。

表2 灌浆锚固料的性能试验结果

由表2可知：

（1）新拌锚固料的坍落度为243～263 mm，能达到自密实混凝土的各项指标。

（2）适量掺加钢纤维和玻璃纤维能提高锚固料的抗压强度，但钢纤维和玻璃纤维分别增加到94 kg／m3和2.3 kg／m3时，锚固料的强度反而降低；掺加钢纤维导致新拌锚固料坍落度降低，掺加玻璃纤维则使得新拌锚固料坍落度增大。

（3）各配合比的28 d强度为37～47 MPa，除5号配合比之外，其余各组配合比强度达到C40以上，坍落度为243～260 mm，说明上述灌浆锚固料配合比具有较好的工作性能和较高的强度，能够满足工程应用。

（4）各配合比的抗冻试验表明，在150次冻融循环后，各配合比的相对动弹性模量为未冻融之前的90.5%以上，质量损失率在0.5%以下，表明上述配合比均能达到F150抗冻级别。

（5）抗渗试验结果表明，各配合比灌浆锚固料均能承受0.6 MPa的渗水压力，抗渗达到P6级别，表明灌浆锚固料具有较好的自密实性能。

经冻融循环之后，试样的抗压强度峰值对应的变形降低，以1号配合比试样为例（见图1），未冻融试样的抗压强度峰值对应的变形为2.9 mm，而50次冻融循环试样抗压强度峰值对应的变形为1.35 mm，继续增加冻融次数，峰值强度对应的变形继续降低，但降低幅度减小。其他试样有类似规律，说明经冻融循环后，试样变得更脆。

图1 1号锚固料50次冻融循环前后的力－变形曲线

3 FRP锚杆锚固性能试验

选用3种直径分别为8 mm、10 mm和12 mm的GFRP和BFRP锚杆，均为浙江海宁安捷复合材料有限责任公司的产品，委托厂家进行了性能测试，GFRP和BFRP的规格被抗拉强度详见文献［11］。为研究上述配合比灌浆锚固料对FRP锚杆的锚固性能，制作了3块1.5 m（长）×1.5 m（宽）×0.4 m（高）的C40混凝土基材，同条件养护下实测28 d立方体抗压强度43.2 MPa。每块基材上钻9个30 cm深、直径5 cm的孔，孔间距30 cm，分别用表1中所示配合比灌浆料进行3种直径的GFRP和BFRP锚杆进行锚固试验，养护28 d以上龄期，进行拉拔测试。

试验过程中，所有规格的GFRP和BFRP均没有出现锚杆拉拔破坏或者灌浆锚固料与围岩摩擦力失效导致锚固料拔出形式的破坏，而是在拉拔仪的锥头锚固夹片处出现FRP锚杆自身的挤压破坏，需要注意的是，此种类型的破坏是锥头锚固夹片与FRP锚杆接触面积偏小而造成的，破坏时FRP并没有达到相应的极限抗拉强度。

首轮拉拔27组试验完成后，6组试验由于FRP锚杆滑脱，没测到所需数据，在原混凝土基材上重新钻孔补充了12组试验，测得不同锚固料配合比时全部规格的GFRP和BFRP锚杆拉力－应变曲线，如图2和图3所示，图中BFRP-1表示锚杆类型为BFRP，锚固料配合比编号为1（见表1），余同。

图2 φ8 FRP锚杆拉力－变形曲线

图3 φ10 FRP锚杆拉力－变形曲线

由图2和图3可知：

（1）本次试验条件下，未达到FRP的极限抗拉强度和锚固料与围岩的极限摩擦力，合理设计适用于FRP锚杆的锚具，有利于进一步发挥FRP锚杆优异的抗拉性能。

（2）随锚固料强度增加，FRP锚杆抗拉强度有进一步增大的趋势，但因未出现FRP锚杆自身或者锚固料拔出形式的破坏，此趋势有待于进一步试验验证。

（3）相同条件下，极限拉力随锚杆直径增加而增大，这是因为本次试验破坏模式均为FRP锚杆本身的挤压破坏，锚杆直径增加，相应抵抗拉拔仪夹片挤压能力有所提高，测得的极限拉力较大，但单位表面积（总拉力／锚固段FRP锚杆的表面积）的极限抗拉强度［11］随锚杆直径增加而降低。

（4）锚固料中添加适量钢纤维或玻璃纤维，有助于提高FRP锚杆的极限拉力，但锚固料中玻璃纤维掺量在2.3 kg／m3时，FRP锚杆极限拉力反而降低，说明FRP锚固料中纤维掺量并不是越多越好，而要根据工程需要适当添加。

（5）FRP锚杆表面形状对极限抗拉强度有一定影响，本次试验条件下，FRP锚杆单位表面积的极限抗拉强度为4.0～6.5 MPa，GFRP锚杆表面纹路较BFRP的浅，相应的单位表面积极限抗拉强度低，为0.1～0.4 MPa。FRP锚杆单位表面积的极限抗拉强度能满足工程需要，为下一步推广应用提供了试验数据。

4 结论

通过对FRP新型锚杆锚固料的配合比设计及其物理力学性能测试，优选出了5组具有较好施工性能的配合比，进行了其抗压强度、抗冻、抗渗各项参数以及不同配合比锚固料与不同直径的BFRP锚杆和GFRP锚杆的锚固性能等测试，通过以上试验测试，可得出以下结论：

（1）所选配合比锚固料坍落度为24.3～26.3 cm，具有自密实性能，抗压强度为C35～C45，能满足F150抗冻级别和P6抗渗级别要求。

（2）适量掺加钢纤维或玻璃纤维有利于提高锚固料的抗压强度和锚固性能，但钢纤维和玻璃纤维的掺加量分别提高到94 kg／m3和2.3 kg／m3，新拌锚固料的强度反而有所降低。掺加钢纤维会减小新拌锚固料的坍落度，掺加玻璃纤维则会增大新拌锚固料的坍落度。

（3）本次试验的FRP锚杆破坏模式为拉拔仪的锥头夹片与FRP锚杆接触部位的挤压破坏，破坏时FRP锚杆自身抗拉强度以及锚固料与围岩之间的摩擦力均没有达到极限状态，设计合适的锚固装置，有利于进一步发挥FRP锚杆和锚固料的性能。

（4）FRP锚杆表面形状对极限抗拉强度有一定影响。相同条件下，极限拉力随锚杆直径增加而增大，但单位表面积（总拉力／锚固段FRP锚杆的表面积）的极限抗拉强度随锚杆直径增加而降低。

（5）本次试验条件下，FRP锚杆单位表面积的极限抗拉强度为4.0～6.5 MPa，可达到工程应用的相关要求。

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TU59

A

1672－6871（2014）02－0067－04

福建省高等学校学科带头人培养计划基金项目（FETU）；福建省属高校科研专项计划基金项目（JK2013049）

刘纪峰（1979－），男，河南沈丘人，副教授，博士，研究方向为新型建筑材料和城市地下工程.

2013－09－15