玄武巖纖維復(fù)合筋材在巖土工程中的應(yīng)用研究

高巖川， 賀 雄， 胡 熠

(1. 中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610052；2. 綠地集團西南事業(yè)部, 四川成都 610031)

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玄武巖纖維復(fù)合筋材在巖土工程中的應(yīng)用研究

高巖川1， 賀 雄2， 胡 熠1

(1. 中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610052；2. 綠地集團西南事業(yè)部, 四川成都 610031)

玄武巖纖維復(fù)合筋是以玄武巖纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，通過拉擠工藝形成的一種新型非金屬復(fù)合材料。 文章在正準確掌握玄武巖纖維復(fù)合筋材各項物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，在綠地中心基坑項目中利用玄武巖纖維復(fù)合筋材替換一般鋼筋對基坑邊坡巖土進行錨噴支護， 并對邊坡支護效果進行了長期觀測，驗證了玄武巖纖維復(fù)合筋材在巖土工程中作為錨桿及網(wǎng)筋的可行性。研究成果可以為今后玄武巖纖維復(fù)合筋材在工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供可借鑒的工程經(jīng)驗。

玄武巖纖維筋材； 巖土工程； 錨桿； 現(xiàn)場試驗

隨著目前國家對生態(tài)環(huán)境的重視和對污染控制力度的加大，在今后的建筑工程建設(shè)中，新型綠色環(huán)保材料的應(yīng)用必將成為一種發(fā)展新趨勢。玄武巖纖維復(fù)合筋(簡稱 BFRP)是以玄武巖纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，經(jīng)拉擠工藝形成的一種新型非金屬復(fù)合材料，該材料項目先后被列為國家863計劃和國家級火炬計劃。與普通鋼筋相比具有綠色環(huán)保、強度高、質(zhì)量輕、絕緣性好和抗腐蝕等優(yōu)點，在工程建設(shè)中非常適合替換現(xiàn)有普通鋼筋材料使用。特別是玄武巖纖維復(fù)合筋材防腐蝕的特性，非常適用于地下水具有一定腐蝕性的成都含膏紅層泥巖地區(qū)，擁有巨大的推廣應(yīng)用前景。鑒于上述情況，綠地集團與中國建筑西南勘察設(shè)計研究院以成都綠地東村8號地塊工程建設(shè)為依托，開展了玄武巖纖維復(fù)合筋材在巖土邊坡支護工程中的應(yīng)用研究。在正確掌握玄武巖纖維復(fù)合筋材各項物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，利用玄武巖纖維復(fù)合筋材替換一般鋼筋對基坑邊坡巖土進行錨噴支護， 并對邊坡支護效果進行了長期觀測，驗證了玄武巖纖維復(fù)合筋材在巖土工程中作為錨桿及網(wǎng)筋的可行性。本次應(yīng)用研究成果可以為今后玄武巖纖維復(fù)合筋材在工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供可借鑒的工程經(jīng)驗。

1 玄武巖纖維筋材物理力學(xué)特性

在將玄武巖纖維復(fù)合筋材作為巖土邊坡錨桿和面網(wǎng)之前，首先對玄武巖纖維復(fù)合筋材的物理力學(xué)特性進行了室內(nèi)測試試驗，測試內(nèi)容包括材料的抗拉強度、彈性模量、抗腐蝕性以及與砂漿粘結(jié)性能等，室內(nèi)試驗照片如圖1所示。

(a)張拉試件 (b)制備錨固試件圖1 玄武巖筋材粘結(jié)力試驗

根據(jù)室內(nèi)試驗測試結(jié)果可知，玄武巖纖維復(fù)合筋材密度約1.9～2.1 g/cm3。不同直徑玄武巖纖維筋材抗拉強度平均值約916.7～1 139.4 MPa，拉伸彈性模量平均值約46.3～54.3 GPa。實測耐堿強度保留率平均值為96.0 %，耐酸強度保留率平均值為92.6 %。對于常用尺寸的工程錨桿(φ10 mm以上)，玄武巖纖維復(fù)合筋材與M20、M30砂漿粘結(jié)強度約為5 MPa，與C30混凝土粘結(jié)強度約為8 MPa，且試驗筋材直徑越大則粘結(jié)強度越小。玄武巖纖維復(fù)合筋材與普通鋼筋物理力學(xué)特性對比如表1所示，從表中可以看出玄武巖纖維復(fù)合筋材抗拉強度、粘結(jié)強度和耐腐蝕性均優(yōu)于普通鋼筋。

2 現(xiàn)場應(yīng)用試驗方案

在掌握玄武巖纖維筋材的物理力學(xué)特性后選取適合的工程進行玄武巖纖維筋材現(xiàn)場應(yīng)用研究。成都綠地中心8號地塊基坑工程南側(cè)行車通道邊坡采用三道HRB335鋼筋錨桿+掛網(wǎng)噴漿支護，錨桿采用φ25 mm鋼筋，間距1.5 m，

表1 玄武巖筋材與普通鋼筋力學(xué)特性對比

面網(wǎng)采用φ8 mm鋼筋，間距150 mm。邊坡上部兩排錨桿長度為9 m，坡腳最下部錨桿長度為8 m。該邊坡的原支護設(shè)計方案非常適合采用玄武巖纖維筋材替換鋼筋，同時該邊坡穩(wěn)定性對基坑安全影響也較小，因此在考慮到安全性和不修改原邊坡支護方案的前提下選取了該邊坡為玄武巖筋材錨桿試驗邊坡。

由于玄武巖復(fù)合筋材還沒有可參考的相關(guān)設(shè)計規(guī)范，因此在設(shè)計中引用了普通鋼筋錨桿的設(shè)計理論，按照等強度原則使用玄武巖筋材替換鋼筋，然后再對玄武巖筋材的粘結(jié)強度進行驗算，同時保證滿足錨桿自身強度和錨固力的要求。根據(jù)上述設(shè)計原則，最終采用φ14 mm的玄武巖筋材替換原設(shè)計中φ25 mm的鋼筋錨桿，采用φ4 mm的玄武巖筋材替換φ8 mm的面網(wǎng)鋼筋。

為了對比分析玄武巖纖維筋材和普通鋼筋在邊坡支護中的差異性，在試驗邊坡中還留出了20 m邊坡采用原有的鋼筋錨桿支護方案進行施工。

3 玄武巖纖維筋材錨桿施工方法

相比普通鋼筋，玄武巖纖維筋材無法通過焊接的方式進行加長或連接。在本次應(yīng)用試驗施工中則采用了鋼筒管+粘接劑的方式實現(xiàn)了筋材相互間的連接問題。并對粘結(jié)強度進行了測試試驗，測試結(jié)果表明，采用工程中常用的喜利得植筋膠作為粘結(jié)劑時，筋材與鋼筒管間的抗剪強度約為3.56 MPa，按此粘結(jié)強度，若采用無任何處理的鋼筒管進行玄武巖纖維筋材的連接，根據(jù)各種規(guī)格筋材的極限抗拉強度，可計算出采用φ15 mm(內(nèi)徑)的鋼筒管，在不作任何鉗夾處理的條件下，滿足抗拉強度需要的錨具長度如表2所示。

表2 筋材筒管長度

由于玄武巖纖維筋材錨桿無法與面網(wǎng)焊接，因此制作的錨桿錨具也需要進行特別的加工處理。加工的錨具由鋼筒管和四根“L”型鋼筋對稱焊接而成，錨具與玄武巖纖維筋材則通過粘結(jié)劑固定，加工完成帶錨具的玄武巖筋材錨桿如圖2所示。

圖2 加工完成的玄武巖纖維筋材錨桿

為了對比玄武巖筋材錨桿和鋼筋錨桿的受力特征，在玄武巖筋材錨桿和鋼筋錨桿中分別安裝了應(yīng)力測試元件，測試元件間距2 m，如圖3所示。

圖3 應(yīng)力測試元件安裝

玄武巖筋材錨桿安裝完成后，錨具上的“L”型鋼筋將裸露并卡在孔口外側(cè)。將錨具上的“L”型鋼筋與面網(wǎng)筋材綁扎粘結(jié)固定，最后在坡面噴射混凝土硬化表面，完成邊坡支護施工。玄武巖筋材錨桿錨具與面網(wǎng)連接如圖4所示。

圖4 玄武巖筋材錨桿錨具

玄武巖筋材錨桿現(xiàn)場試驗邊坡現(xiàn)場施工期間和施工完成后的照片如圖5、圖6所示。

圖5 試驗邊坡施工

圖6 試驗邊坡完成后

4 錨桿受力及邊坡變形特征

在試驗邊坡使用期間對邊坡中玄武巖筋材錨桿和鋼筋錨桿拉力進行了長期監(jiān)測，兩種錨桿不同位置處的拉力隨時間變化曲線如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，兩種錨桿在使用初期拉力都比較小，但錨桿拉力隨時間的增加而增大，其中鋼筋錨桿最大拉力約為14.8 kN，玄武巖筋材錨桿最大拉力約為13.4 kN。在邊坡使用期間，兩種錨桿的拉力均小于設(shè)計值，處于安全范圍，但拉力大小并未變化趨于穩(wěn)定。

圖7 鋼筋錨桿拉力曲線

圖8 玄武巖筋材錨桿拉力曲線

在現(xiàn)場試驗邊坡中埋設(shè)測斜管，并在邊坡使用期間對邊坡變形進行了長期測量，兩邊坡的變形曲線如圖9、圖10所

示。從圖中可以看出，鋼筋錨桿邊坡最大變形約為1.7 mm，玄武巖筋材錨桿邊坡最大變形約為1.2 mm，不同類型錨桿支護的邊坡變形量總體都較小，處于安全范圍內(nèi)。

圖9 鋼筋錨桿邊坡變形曲線

圖10 玄武巖筋材錨桿邊坡變形曲線

5 結(jié) 論

根據(jù)玄武巖纖維筋材錨桿現(xiàn)場應(yīng)用及錨桿受力監(jiān)測結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)采用玄武巖筋材替換現(xiàn)有普通鋼筋，對巖土邊坡進行錨噴支護是可行的，玄武巖筋材錨桿同樣能夠有效保證邊坡安全。

(2)鋼筋錨桿和玄武巖筋材錨桿拉力測試結(jié)果表明，兩種錨桿的受力變化特征基本一致，且錨桿拉力都比較小，遠低于錨桿設(shè)計強度，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但錨桿拉力仍未穩(wěn)定。

[1] 陳良奎，李象范. 巖土錨固、土釘、噴射混凝土——原理、設(shè)計與應(yīng)用 [M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[2] 郭成鵬, 林學(xué)軍, 李濤, 等. 玄武巖纖維筋用作錨桿的適宜性研究[J]. 洛陽理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版， 2012， 22(4):24-27.

[3] 霍寶榮, 張向東. BFRP筋的力學(xué)性能試驗[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2011， 27 (4): 626-630.

中建股份科技研發(fā)課題(項目編號:CSCEC-2013-Z-25)

高巖川，男，高級工程師，主要從事巖土工程方面研究。

TU94+2

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[定稿日期]2016-01-28