隧道锚杆支护中锚固用结构胶粘剂的粘接性能测试

宋佳宁,曾庆伟,王安东

(陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000)

锚杆支护是隧道、桥梁、矿山等工程中常用的一种主动支护方式,可显著提升围岩的稳定性。锚杆支护中化学锚栓主要以锚固用结构胶粘剂与混凝土的粘接作用实现锚固,具有耐久性好、安装便捷、抗震性能好等优点,但很多锚固用结构胶粘剂的高温耐火性较差,随着温度的升高,胶粘剂的粘接强度损失严重。实际的隧道施工中,施工人员普遍担心如果发生火灾,胶粘型锚栓会出现胶粘剂高温失效问题,致使被锚固物松脱、围岩变形、隧道坍塌等,对人们的生命安全与公共财产造成严重威胁[1-2]。研究将一种锚固胶注入钢套筒试件内并植入配套的普通螺纹螺杆,采用电热炉进行高温恒载试验,对锚固用结构胶粘剂在高温下的粘接性能进行了测试,并基于有限元分析软件,对锚栓构件温度场分布进行了模拟,以期对锚杆支护中化学锚栓的安全评估提供参考。

1 隧道锚杆支护中锚固胶粘剂概述

锚杆支护是一种在边坡、岩土深基坑、隧道以及矿山等工程中广泛应用的加固支护方式。锚杆加固依赖锚杆与岩体之间的摩擦或胶体的粘接作用,以达到保持岩体稳定、增强岩土整体性、防止应力突然释放等作用。根据隧道工程的岩层状况和稳定状况,采用不同的锚固方式以达到预期的加固支护效果[3]。

常用的锚栓有膨胀型锚栓、扩底型锚栓、普通化学锚栓以及特殊倒锥形锚栓等。化学锚栓在隧道工程中应用广泛,但锚固用结构胶粘剂的高温稳定性差的问题,很可能使得火灾下锚栓连接失效,对人们的生命安全构成严重威胁。锚固用结构胶粘剂按照组分不同大致可分为无机和有机2大类结构胶,前者成分如磷酸盐和硅酸盐,后者成分如环氧树脂、丙烯酸酯树脂、聚氨基甲酸酯等。

近年来,国外研发出了多种新型丙烯酸酯化学锚栓,提升锚固性能的同时,也体现了其节能环保性。从高温耐火方面而言,相比于有机锚固用结构胶粘剂,无机结构胶的耐火性能更加优越,部分无机结构胶的耐热温度将近1 000 ℃,远高于普通有机锚固胶的120 ℃,完全可用于高温环境下。

2 锚固用结构胶粘剂高温试验

2.1 试验方案

采用垂直试验炉进行高温试验,炉内不同位置安装有热电偶检测炉温,以保证炉内温度按照要求进行升温。将锚固支护用锚栓试件倒扣置放,下方是耐火砖。螺杆与穿心千斤顶连接,采用穿心千斤顶进行剩余承载力的测试,数据采集系统自动采集螺杆的位移数据和承载力。恒载升温时,先加载到目标载荷,再加热锚栓试件,记录锚栓从加载升温到破坏过程中的温度、荷载以及位移信息[7-8]。试件的分组情况:常温极限荷载下5个试件;其他9组的设定荷载是从50 kN依次减小到10 kN,每组荷载比上一组小5 kN,每组也是5个试件。

2.2 试件准备

采用某公司的一种锚固型快固结构胶粘剂,配套使用该公司的M12普通螺纹螺杆。锚固深度过小无法保障螺杆的垂直度,在此将锚栓的埋深参数设定为70 mm。试验过程中炉温较高,故采用耐热不锈钢套管,为有效传递温度,钢套筒外径设定为24 mm。图1为试件设计图,底座凹槽与螺杆锥头相配合,均为圆锥形,保证螺杆植入的垂直性。

图1 试件设计

2.3 温度场分布测试

螺杆和钢套筒之间的胶体温度几乎无法简单、准确地测量到,因此,该试验的完成需要一项试验基础,就是加热时内部胶体处温度和套筒壁外温度之间的关系式,那么就可便捷地通过测量恒载升温试验过程中套筒壁外温度,再利用这一关系式,得到套筒壁内结构胶体的温度,进一步探究得到胶体粘接性能和温度因素之间的关系。升温时间与套筒壁内外温度的计算公式:

(1)

式中:Ti为套筒壁内温度;T0为套筒壁外温度;t为升温时间[9]。

2.4 高温下锚栓试件拉拔测试

锚栓试件制备完毕并养护一定时间后进行恒载升温试验,先以均匀连续的速度在几分钟内对试件加载到目标荷载,持续荷载一段时间保持荷载稳定后进行升温,电热炉以恒定升温速率升高温度,升温过程中应保持荷载的恒定,若荷载下降明显,幅度超出目标荷载的5%,应及时调整穿心千斤顶以调整对试件施加的荷载。使用锚杆拉力计对锚栓进行拉拔试验,测得锚栓高温环境下锚固用结构胶粘剂的剩余承载力[10-12]。若试验过程中出现螺杆明显变形、螺杆钢材被拉断,或者锚栓承载力突然下降至目标值85%以下,且无法恢复到目标荷载时,满足这两点其中一点即视为锚栓试件被破坏[13]。

3 试验结果分析

3.1 破坏现象

锚栓经拉拔后可能出现胶体破坏、钢材破坏或者混合破坏。在该试验中,虽然施加的荷载不同,锚栓发生破坏时的温度也不同;但破坏类别均统一为粘接破坏,不存在胶体和钢套筒之间粘接失效以及钢材本身的拉断破坏。表明这是一种有效评估锚固用结构胶粘剂的粘接性能的方法。荷载越大,试件的破坏时间越短。在锚栓出现滑移时,其初始位移随荷载的增加而加大,最终产生试件破坏[14]。

3.2 锚固用结构胶粘剂的粘接性能

根据温度场分布和胶粘型锚栓试验结果,由式(1)得出套筒壁内结构胶粘剂的温度,得到破坏荷载时刻的平均胶体温度。同时假设锚栓粘接应力沿螺杆的埋深方向均匀分布,可将试件承载力转换为胶粘剂的粘接强度,用τ表示胶体的粘接应力,其表达式:

(2)

式中:P为施加在锚栓上的荷载,kN;d为锚栓的直径,mm。hef为锚栓的实际锚固深度,mm。

结合式(1)、式(2),根据不同荷载下锚栓破坏时的温度,获得锚固用结构胶粘剂的粘接强度随温度变化的关系,进而得到胶体粘接强度与温度的拟合曲线,具体如图2所示[15]。

图2 锚固胶粘剂的粘接强度拟合曲线

由图2可知,高温作用对结构胶的粘接强度与锚栓的承载力影响非常大。结构胶的粘接抗剪强度最大值取自20 ℃条件下,为21.4 MPa;随着温度的升高,粘接强度迅速降低,此时锚栓的承载力会大幅下降。当温度达到300 ℃后,胶体的粘接强度过低,几乎失效。该试验中需要检验套筒内壁能否起到实际的混凝土孔壁的作用,进一步经过常温和高温条件下钢套筒试验与混凝土试验的对比,在同样的试验条件下进行混凝土试件的约束拉拔破坏试验,发现2种情况下锚栓均为螺栓-胶体界面的粘接破坏,极限承载力平均值相差较小,表明该试验方法能够用于检测常温与高温环境下混凝土试件中锚固用结构胶粘剂的粘接强度,其对结构胶粘剂的粘接强度测试是可信的[16]。

4 化学锚栓温度场有限元分析

发生火灾时,热量经热辐射和热对流方式传递到锚栓构件受火面,再经自身热传导将热量向内传导到试件胶体、试件内部。基于传热学理论基础,确定钢材和混凝土的热工参数、锚栓试件的尺寸和边界条件等,通过ABAQUS有限元软件,建立火灾后化学锚栓温度场计算模型,模拟锚固区温度场分布。为更好模拟和对比试验用混凝土试件,建立与实际构件非常相似的三维温度场分析模型。模型中锚栓和混凝土热传递单元的尺寸最小5 mm。锚栓试件是单面受火,从20 ℃开始升温,热对流系数设为1 500 W/(m2·℃),综合辐射系数设定为0.5[17-18]。

通过模拟计算试件内部温度场,受火时长总计120 min,一共进行了4次温度场云图的获取。选择3个测点,观察升温过程中试验测定结果与模拟分析结果是否存在差距,通过温度场云图发现:在30 min时,锚栓外露螺杆部分受火达到整个锚栓的最高温度,约700 ℃,混凝土试件表面大范围为500 ℃,从外向内温度逐渐降低,试件的背火面不受升温影响;受火时间越久,试件温度越高,受火面的温度升高幅度较大;相比于混凝土,钢材温度由外部向内部传导的速度更快,相同的横断面位置处,混凝土的温度较低[19];模拟值与试验值整体较为吻合,模拟值总是略微偏高,高出10%～20%。在有限元模拟中,模拟条件均按照理想状态考虑,而实际试验过程中,混凝土浇注密度是否均匀,过火后锚固用结构胶粘剂能否重新凝结等因素都会造成有限元模拟值无法完全代替试验值。此次有限元模拟所得温度场数值稍高于试验值,更加安全保守,在实际的隧道、桥梁等工程中可用于相关结构构件的温度场分析以及承载力评估[20]。

5 结语

实际的隧道工程中化学锚栓的应用性能和表现是难以预测的,为实现对胶粘型锚栓性能和承载力的有效分析,设计了高温下锚固用结构胶粘剂粘接性能测试实验,得出胶粘剂粘接强度随温度变化情况。并采用有限元分析软件进行锚栓温度场分布模拟,模拟值与试验值基本吻合,表明该方法可较好用于火灾下化学锚栓应用安全性的评估。