高温锚固实验机械装置设计与应用研究

苏 蕾,任家骏,杜献杰,杨宗一,张 锁

(太原理工大学 a.机械工程学院,b.矿业工程学院,太原 030024)



高温锚固实验机械装置设计与应用研究

苏 蕾a,任家骏a,杜献杰b,杨宗一b,张 锁b

(太原理工大学 a.机械工程学院,b.矿业工程学院,太原 030024)

为探讨锚固材料在高温下的锚固性能，采用理论分析、结构计算及实验相结合的方法，在着重解决温度可控、操作安全及结构合理等问题的基础上，设计并制作了一种实验过程安全便捷、客观真实的高温锚固同步实验机械装置。通过对树脂锚固材料的高温锚固实验表明：20～250 ℃范围，随着温度升高，锚固力增大到峰值70.9 kN；250～350 ℃，锚固力下降为49.7 kN；350～400 ℃期间，随着锚固材料的热解炭化，平均锚固力下降为14.6 kN；500～600 ℃时锚固力完全丧失。该实验结果较客观地反映了高温下锚固材料的锚固力学性能，为锚固材料的实验研究提供依据。

锚固材料；高温锚固力学特性；实验机械装置；锚固实验

锚固材料在煤矿巷道支护及岩土工程中起着至关重要的作用[1-2]。随着地下工程不断向深部延伸,势必会遇到高地热、煤层自燃等高温环境[3]。尤其是当煤矿发生瓦斯爆炸以及建筑物突发火灾时结构体温度可达500～800 ℃[4-5],这就对锚固材料的高温力学稳定性提出了更高的要求。锚固材料包括无机、有机及复合材料等3类,通常在高温下材料的力学性能均会受到严重影响。比如,煤矿与建筑物常用的树脂复合锚固材料,是由不饱和聚酯树脂、石粉、固化剂等混合制成,其在高温下的热解会直接影响到材料的锚固力[6-7]。因此,对锚固材料高温锚固实验的研究十分必要。

要在500～800 ℃高温条件下进行试验,若近距离直接对试件进行拉力实验,会对操作人员和实验设备造成危胁[8-10]。现有锚固力实验多在常温条件下进行,通常只能等待试件冷却后非同步进行,这势必影响实验数据的客观真实性。笔者从温度可控、操作安全、结构合理及数据准确等方面考虑,设计了一种高温锚固同步测试实验装置,并对树脂锚固材料进行了高温锚固性能测定。本研究对锚固材料的实验研究与工程应用具有实际意义。

1 实验装置设计思路

高温锚固实验是对锚固材料在高温下的锚固拉拔力进行测定,首先要解决的是对锚固材料的加温。依据建筑物火灾、井下瓦斯爆炸及高温地热的温度参数,加温范围宜设定在0～800 ℃；并且在加温过程中,要实现温度的可调、可控。如要求加温速度控制在10 ℃/min,恒温时间控制范围20～50 min。因此,必须有可靠的加温设施和准确的温控系统。

锚固实验是对不同条件下锚固材料锚固力的测定,因此锚固力测试系统是该实验装置的核心部分。其重点需要解决锚固试件的结构与系统的连接、实验过程的加载，以及实验数据的获取等关键问题。如锚固试件结构在考虑试件加温和与系统连接的同时,需要考虑试件的锚固长度。因为在锚固拉拔实验中,通常锚固体系破坏的形式有多种可能,如杆体拉断、界面滑移及锚固材料剪切破坏等。为能充分反映锚固材料的力学性能,需使拉拔破坏首先发生在锚固材料本身。实验加载可借鉴常用的千斤顶加载方式,但需要与整体实验系统相互衔接。

另一个关键问题是如何保证高温加热过程中实验设备与操作人员的安全问题。要实现高温下同步拉拔实验,就必须在加热的同时进行实验加载与数据读取等操作。实验的温度最高可达800 ℃,势必对操作人员与设备带来安全威胁。因此,若要实现安全操作,必须将高温加热区和实验测试区分开,达到一定的安全距离。

2 实验装置系统设计

基于以上设计思路,首先利用杠杆加载原理，将高温加热区与测试操作区隔开一定的安全距离，这样既可以实现高温加热与加载测试的同步进行,又可以保证操作人员和设备的安全。同时，通过运用杠杆加载原理,可以在施加较小实验载荷的条件下获得较大的拉拔力参数,并且有利于整体实验装置结构受力的稳定性。高温锚固实验机械装置的整体结构如图1所示。

图1 高温锚固实验机械装置结构示图Fig.1 High temperature anchorage experiment mechanism structure figure

2.1 固定支承系统

图2 固定支承结构示意图Fig.2 Fixed support structure diagram

固定支撑系统是整体实验装置的支架与基座,用于连接和固定锚固测试系统,同时也起着实验载荷的传递作用。固定支架采用L型结构设计,与传力杆和千斤顶形成封闭性受力结构,是锚固实验装置的主要受力部分,如图2所示。传力杆6通过高强插销7与支架5连接;基座上设有螺栓孔,用于支架与加热保温系统的连接;传力杆设有螺栓孔,用于被测试件与传力杆的连接。

2.2 加热保温系统

加热保温系统是整体实验装置的关键部件之一,主要用于对锚固试件加热与保温。依据实验要求，加热范围为0～800 ℃,加热速度要控制在10 ℃/min,温控器测温精度±3 ℃,控温精度±5 ℃。结构示意如图3所示。保温系统由保温材料8和方形外壳9构成,保温材料既可防止内部高温的散热,又可以减少对人员和设备造成威胁。由于有机锚固材料高温下具有爆裂现象,因此保温室需留有卸压孔10，同时兼做温控线路通道。保温材料体中部为圆孔结构,加热装置11沿圆孔周边螺旋布置,以便放置锚固试件,温控器12布置在圆孔下端部。加热保温装置上部为高强盖板13,通过高强螺杆将加热保温系统与固定支架结构连接。

图3 加热保温系统结构示意图Fig.3 Heat insulation system structure diagram

2.3 被测锚固试件

锚固试件的结构设计与制备是锚固实验的关键环节,需要考虑锚固试件的破坏形态和影响因素。锚固长度的确定至关重要,为能充分反映出锚固材料的力学性能,需使锚固材料本身最先破坏。如图4所示。将搅拌均匀的被测锚固材料15填充于锚杆与模拟钻孔钢管之间,以事先确定的锚固长度为准。当达到设计的强度之后,放于加热保温装置中,并通过球型垫17用高强螺栓与传力杆连接。模拟钻孔钢管16的内径与锚杆14的外径距离是10～20 mm。

2.4 实验加载系统

实验加载系统借助传力杆与加热区隔开一定距离。实验加载采用液压加载方式,载荷通过传力杆对锚固试件施加拉拔力。为了保证垂直加载,在千斤顶的顶部增加一球型垫18，如图5 所示。液压加载系统由手动加载系统和液压千斤顶19构成，且千斤顶缸杆设置有精确刻度。

图4 锚固试件结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the anchoring specimen

图5 液压加载结构示意图Fig.5 Hydraulic loading structure diagram

3 实验装置结构力学分析

实验系统中的固定支架(如图2)为封闭型受力结构设计,实验过程中的加载力和拉拔力可通过传力杆与基座相互抵消,无需做地面连接基础,安装使用方便。在锚固实验各系统设计的基础上,对实验装置的主要受力构件进行力学计算和选型,以保证实验装置的结构稳定与实验安全。

3.1 传力杆

图2中传力杆6为主要受力构件之一,设定Fmax为最大实验锚固拉拔力；L=300 cm，为加载千斤顶手柄到高强插销的距离；L2=60 cm，为测试锚杆孔到高强插销的距离。将其简化为简支梁结构,受力简图如图6所示。

图6 传力杆受力简图Fig.6 Dowel bar stress diagram

由设计可知,其最大剪力Fmax在被测锚固试件处,由此可得左端铰接处作用力F1，F1=(4/5)Fmax;在作用力Fmax处最大弯矩Mmax=(4/25)FL,可知抗弯截面模量

(1)

式中:[σ]为许用弯曲正应力,MPa .

(2)

式中:Iz为截面惯性矩,cm4；d为腹板的厚度,mm；Sz*为距中性轴为Y的横线以外部分的面积对中性轴的静距,cm4；[τ]为许用切应力,MPa .

以Q235钢为例,[σ]=170 MPa,[τ]=100 MPa。若设定锚固拉拔实验测试范围为0～100 kN,即最大拉拔力Fmax=105N。求解式(1)、式(2)可得,

Wz282.35cm3.

考虑到传力杆上锚杆连接孔的影响,需留有一定富裕系数,故传力杆选择22a工字钢。

3.2 支撑立柱

图2中两根支撑立柱为受压构件,每根立柱受力大小F1/2=(2/5)Fmax,可知立柱横截面积

(3)

以Q235钢为例,[σ]=170 MPa,最大拉拔力Fmax=105N,求解式(3)可得

Azh2.352 9cm2.

所以,支撑立柱选择2根10号工字钢。

3.3 连接插销

1)高强插销杆剪切力验证。图2中高强插销7为受剪切构件,所受剪切力F7=1/2F1=2/5Fmax.由此可知，插销剪切面积

(4)

插销选用HRB335高强钢,[τ]=220 MPa,最大拉拔力Fmax=105N, 求解式(4)可得

AS2cm2,

dS0.637cm.

2) 高强插销杆弯曲温强验证。高强插销7为受弯杆件,所受集中力F1=(4/5)Fmax,在左端铰接处的最大剪力F7=(2/5)Fmax,在作用力F1处的最大弯矩

(5)

式中:b1为22a工字钢，宽11 cm；b2为10a工字钢，宽6.8 cm.可知插销杆抗弯截面模量

(6)

选用HRB335钢作为高强插销,[σ]=300 MPa,[τ]=220 MPa,最大拉拔力Fmax=105N,求解式(6)可得抗弯截面模量

(7)

求解式(7)可得

连接插销选用∅25mmHRB335高强插销。

3.4 连接螺栓

用于保温系统与底座(Fdz)的4根连接螺栓均为受拉螺栓,最大受力Fdz=Fmax/4, 可知截面积

(8)

选用HRB335钢作为高强螺栓,[σ]=300 MPa,求解式(8)可得

A30.83cm2,

d30.265cm.

连接螺栓选用∅2.5cmHRB335高强螺栓完全满足受力要求。

3.5 底座

底座为受弯构件,受力与传力杆类似,故底座构件的选择参照传力杆构件,同时为保证整体结构的稳定性,故选择两根22a工字钢,在满足受力要求的同时,并可有一定的余量。

4 实验装置测试

为了检验该实验装置的可行性与合理性,利用其对树脂锚固材料进行高温锚固性能试验,以便为高温下工程锚固结构稳定维护提供科学依据。

4.1 实验过程

树脂锚固材料试件的制备可参照MT146.2-2002标准,具体实验过程如下。

1) 将制备好的被测树脂锚固材料填充于模拟钻孔钢管中并打入锚杆,锚固剂占管体下端3/4,模拟钻孔钢管的内径与锚杆的外径距离是10～20 mm。

2) 将被测锚固试件置入加热保温系统中,并将锚杆(加球型垫)与传力杆连接,之后开始加热。温度设定分别为20，100，200，250，300，350，400，500，600 ℃,待达到每个设定温度后需保温20 min。

3) 每个设定温度保温结束后,由液压加载系统通过传力杆对锚杆加载,加载至锚杆与被测锚固材料破坏后停止。

4) 观察实验过程,记录各阶段液压加载力和加载位移,换算出锚固力和位移。

4.2 实验结果分析

在加热保温实验过程中,100～300 ℃加热过程无明显变化特征;300～350 ℃加热范围伴有少量白烟从盖板卸压缝冒出;加热到400 ℃,保温几分钟后，保温装置内发出较大爆裂声,并冒出大量白烟,表明树脂锚固材料热解炭化严重;500，600 ℃组在升温的过程中均发生爆裂破坏,且锚固材料完全炭化脱落。

在进行拉拔实验时,20～350 ℃组试件破坏特征相同。首先,螺纹钢与锚固材料间发生轻微的错动滑移,握裹粘结被破坏;之后,锚固材料本身逐步发生剪切破坏,锚杆被拔出。500，600 ℃组试件已经完全丧失锚固性能。不同温度最大锚固力随温度的变化曲线如图7所示。

图7 最大锚固力随温度变化曲线Fig.7 Curve of maximum pullout force with temperature

由图7可知,常温下树脂锚固材料的锚固力为50.8 kN;随着温度的增加,250 ℃时达到峰值70.9 kN,较常温时增大39.6%。分析认为，这是由于树脂锚固材料内部充分固化的结果。350 ℃后下降为49.7 kN,表明热解炭化加剧;400 ℃时,锚固力锐减为14.6 kN,较峰值衰减79.4%;500,600 ℃时,已完全丧失锚固力。

5 结论

该实验装置在满足温度可控、结构合理的基础上,实现了高温下锚固力的同步实验测试,经试验得到结论如下。

1) 高温锚固实验应用表明,该实验装置在加热保温、拉拔加载及数据获取等过程中,设计合理、结构可靠、操作安全，且所得实验数据真实合理。

2) 树脂锚固材料高温锚固力学实验表明，常温下其锚固力为50.8 kN;在250 ℃时达到峰值70.9 kN,较常温时增幅39.6%;350～400 ℃之间锚固力锐减为14.6 kN,较常温衰减79.4%;500,600 ℃时锚固力完全丧失。

3) 实验表明,树脂锚固材料会在350 ℃以上高温下发生突变,快速失去锚固性能,并在密闭的空间内产生爆裂,实验过程中应采取相应的安全措施。

综合分析与实验应用表明，该实验装置系统设计合理,高温下可获得较客观的锚固材料力学性能指标。

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(编辑：庞富祥)

Research on Design and Application of Mechanical Device for High Temperature Anchorage Test

SU Leia,REN Jiajuna,DU Xianjieb,YANG Zongyib,ZHANG Suob

(a.CollegeofMechanicalEngineering;b.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Anchoring materials are widely used in Geotechnical reinforcement, but the mechanical characteristics of the anchorage will be changed greatly at high temperature.High temperature anchoring experiment is the main method to study the high temperature mechanical properties of anchoring materials. Using theoretical analysis, structural calculation and experimental application,and on the basis of solving the problems of adjustable temperature,safe operation and reasonable structure,this paper designed a test device with safe and convenient operation and synchronous measurement of anchoring force at high temperature. The mechanical test at high temperature of the resin anchoring material was carried out. The results show that:at 20～250 ℃, anchoring force increases to a peak 70.9 kN as the temperature rises;at 250～350 ℃ anchoring force drops to 49.7 kN;at 350～400 ℃, the average anchoring force drops to 14.6 kN;with the pyrolysis and charring of the anchoring material, the anchoring force completely disappears at 500～600 ℃.The test data objectively reflect the high temperature mechanical properties of the anchoring material.

anchoring material;temperature anchoring mechanical properties;mechanical device;anchorage test

1007-9432(2016)03-0309-05

2015-11-09

山西省自然科学基金资助项目：特厚煤层巷道高预应力锚固体结构特征研究(2015011066)

苏蕾(1991-)，女，太原人，硕士生，主要从事机械设计与制造等方面的研究工作，(E-mail)494198853@qq.com

任家骏(1958-)，男，教授，主要从事机械工程领域的教学与研究工作,(E-mail)renjiajun@tyut.edu.cn

TH122

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.007