武曉雷，魏艷卿，代貞偉，付小林，程建華，郭進軍，杜志剛

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454002；2.洛陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；3.中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心(中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心)，湖北 武漢 430205)

0 引言

中國三峽庫區(qū)劣化帶巖體破碎嚴(yán)重，危巖體普遍存在，嚴(yán)重威脅著長江黃金航道的通航安全。目前，庫區(qū)兩岸危巖體的防護與加固，常采用鋼制錨索，然而當(dāng)?shù)貧夂驖駸幔牡刭|(zhì)條件復(fù)雜，在航道水位周期性漲落期間，傳統(tǒng)鋼制錨索易于銹蝕，常常造成錨固工程失效，支護效果不佳[1-3]。玄武巖纖維筋(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)是一種密度小、強度高、耐腐蝕的新型材料，其作為錨索索體代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼質(zhì)索體可明顯提高錨索的抗腐蝕能力，尤其適用于各種極端環(huán)境條件[4-7]。但由于BFRP是一種橫觀各向同性材料，抗剪強度較低，直接照搬傳統(tǒng)鋼制錨索錨具，在張拉過程中筋材端頭易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，常造成筋材極限強度尚未充分發(fā)揮便發(fā)生剪切破壞，使得錨固問題成為BFRP錨索在工程應(yīng)用中遇到的最大困難[8]。

目前，纖維筋(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)錨具的開發(fā)研究已取得一定成果，根據(jù)錨固機理不同，主要分為機械夾持式錨具與粘結(jié)式錨具，其中粘結(jié)式錨具能更有效解決FRP錨固時易折斷、易咬傷等問題[9-13]。文獻[14]證明了粘結(jié)錨固系統(tǒng)的最終承載力不僅取決于筋材本身的強度，更取決于錨固系統(tǒng)各部分的強度。文獻[15]證明了隨著溫度升高或浸泡時間延長，錨具極限承載力和界面平均抗剪強度降低。為了提高錨固性能，文獻[16]通過改變錨具內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用有限元模擬與試驗相結(jié)合的方法，提出一種“直筒+內(nèi)錐型”粘結(jié)式錨具，并成功應(yīng)用于實橋中。文獻[17]運用灰色關(guān)聯(lián)理論分析了錨固根數(shù)、錨固長度與錨具內(nèi)傾角等影響因素對粘結(jié)強度的關(guān)聯(lián)度。文獻[18]證明了FRP絞線粘結(jié)段的錨固形式對錨固性能影響顯著。文獻[19]采用膨脹水泥對FRP錨具進行了粘結(jié)介質(zhì)改進，但該錨具易于銹蝕，不適用于三峽等臨水邊坡的永久支護。

本文以玄武巖纖維筋作為錨索索體材料，以耐腐蝕環(huán)氧樹脂膠作為粘結(jié)介質(zhì)，用直筒型錨具進行筋材端頭粘結(jié)，研發(fā)了系列玄武巖纖維筋粘結(jié)式錨索，并對其力學(xué)性能與破壞形式進行了系統(tǒng)研究。

1 試驗

1.1 BFRP的物理力學(xué)性能

試驗所用BFRP由山西晉投玄武巖有限公司提供，筋材表面粘砂并用尼龍絲纏繞成肋，肋間距9.6 mm。BFRP力學(xué)性能由廠商給出，見表1。

表1 BFRP力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 粘結(jié)介質(zhì)的配制與抗壓強度試驗

試驗采用的環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)介質(zhì)按來源分為自配與成品兩種，其配合比設(shè)計見表2。自配環(huán)氧樹脂膠分別為樹脂1型、2型與3型，樹脂1型主要成分為普通環(huán)氧樹脂，樹脂2型在其基礎(chǔ)上添加足量長度為1 cm左右的玄武巖纖維絲，樹脂3型與粘鋼膠主要成分為韌性更優(yōu)的雙酚A環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂膠體黏稠，為使玄武巖纖維絲在其中均勻分布，應(yīng)在拌和過程中逐漸撒入，且拌和時順同一方向勻速攪拌，使各組分之間充分融合，避免因氣泡導(dǎo)致養(yǎng)護后膠層脫空或拌和不均勻?qū)е履z體抗壓強度下降。膠體的攪拌時間不宜過長，且時刻注意其流動性變化，在初凝前完成試塊灌注。試塊尺寸為長×寬×高=5 cm×4 cm×4 cm，在室溫(18±2)℃環(huán)境下分別養(yǎng)護7 d、14 d與28 d后，用千斤頂進行單軸壓縮試驗，每組試驗進行3次，記錄每組試塊的平均抗壓強度，結(jié)果見表2。

表2 粘結(jié)介質(zhì)配合比設(shè)計與抗壓強度

由表2可知：樹脂1型的 28 d抗壓強度為24 MPa，添加纖維絲后，樹脂2型的抗壓強度為63 MPa，提高了162.5%，因為玄武巖纖維絲在膠體內(nèi)起到“骨架”作用，在受壓過程中減緩了膠體變形，提高了膠體的抗壓強度與彈性模量。樹脂3型與粘鋼膠使用雙酚A環(huán)氧樹脂，28 d的抗壓強度分別為91 MPa和105 MPa，與普通環(huán)氧樹脂相比強度提高約4倍，故雙酚A環(huán)氧樹脂抗壓強度高于普通環(huán)氧樹脂。粘鋼膠中固化劑的含量高于樹脂3型的，前者的抗壓強度比和28 d抗壓強度均高于后者，說明適量增加固化劑有助于加快其與環(huán)氧樹脂的化學(xué)反應(yīng)速度，并充分促進化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，增加生成物含量，提高固化后的抗壓強度。粘鋼膠養(yǎng)護7 d的抗壓強度可達28 d強度的80%，固化時間短，有利于工程實際應(yīng)用。

1.3 試驗參數(shù)與試件設(shè)計

本試驗設(shè)計的粘結(jié)式錨具由鋼錨管與螺母配套組成，鋼錨管的外部加螺紋用來固定螺母，通過對鋼錨管上的螺母施加預(yù)應(yīng)力進行錨索張拉，鋼錨管內(nèi)部采用間距為1 mm的螺紋全長分布，增大了鋼錨管內(nèi)壁與填充介質(zhì)的接觸面積和粗糙程度。鋼錨管樣式見圖1。試驗參數(shù)為不同環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)介質(zhì)類型、錨固形式與索體束數(shù)。錨固形式分為未處理的普通錨固與將錨固段中部筋材縮頸削細為6 mm×6 mm方形的削細錨固。削細錨固形式見圖2。圖2a為對3束組合下的錨索錨固段中部筋材縮頸削細處理，圖2b為對單束錨索錨固段中部筋材縮頸削細處理。索體束分為單束與3束組合。試件參數(shù)設(shè)計見表3，每組試件進行3～5次試驗。

圖1 鋼錨管樣式

(a) 3束索體錨固段中部削細

表3 試件參數(shù)設(shè)計表

1.4 試驗方法與裝置

試驗加載裝置見圖3。本試驗以錨索的理論拉力作為最大控制力，通過穿心式千斤頂進行分級加載，每級加載持荷10 min后繼續(xù)加載下一級，BFRP錨索試件所受拉力由穿心式傳感器測量。百分表固定于試驗錨具的端部，用于測量錨索試件總伸長量。試驗過程中記錄每級荷載的荷載值與伸長量。

圖3 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件破壞形式

試件破壞形式結(jié)果見表3。試件主要發(fā)生4種主要破壞形式，見圖4。

(a) 索體炸斷

2.1.1 索體炸斷

索體炸斷破壞是BFRP筋的典型破壞形式，筋材的樹脂基體被拉裂，纖維絲從中部斷開，呈“燈籠狀”炸散，見圖4a。試驗加載后期，開始出現(xiàn)纖維絲與樹脂剝離的響聲，并隨著荷載的增大而增大。BFRP索體表面逐漸出現(xiàn)白斑狀裂紋，部分纖維絲發(fā)生斷裂，隨即一聲巨響，BFRP索體中部呈“燈籠狀”炸散。索體炸斷的試件極限承載力由BFRP的極限承載力決定，是理想的破壞形式。

2.1.2 膠體滑移

膠體滑移破壞是在張拉過程中，粘結(jié)介質(zhì)從鋼錨管中拔出，見圖4b。隨著荷載的增大，環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)介質(zhì)與鋼錨管的化學(xué)膠結(jié)力過早失效，此時的主要作用力為鋼錨管與粘結(jié)介質(zhì)間的機械咬合力與摩擦力。當(dāng)加荷到一定程度時，錨管內(nèi)部開始有響聲，粘結(jié)介質(zhì)在錨管螺紋中的凸起部分被鋼螺紋擠壓磨損，一聲巨響后膠體脫出。膠體滑移的試件極限承載力取決于粘結(jié)介質(zhì)與鋼錨管的界面粘結(jié)強度，且該界面粘結(jié)強度小于筋材的極限承載力。

2.1.3 鋼錨管斷裂

鋼錨管斷裂是張拉過程中，位于螺母處的鋼錨管突然發(fā)生斷裂，見圖4c。以螺母為界，錨固段靠近自由段部分的鋼錨管受拉力，遠離自由段部分的鋼錨管受壓力。試件5與試件6的錨管壁厚與其他試件相比至少薄2.5 mm，在受到相同的拉力時，更容易達到45#鋼的屈服強度而發(fā)生破壞。

2.1.4 索體抽芯破壞

索體抽芯破壞是筋材先從粘結(jié)介質(zhì)中發(fā)生滑移，隨后削細部分斷裂，見圖4d。錨固段中部縮頸削細的錨固形式造成粘結(jié)界面及粘結(jié)段橫截面減小，筋材受到的粘結(jié)力減小。隨著荷載增大，BFRP與粘結(jié)介質(zhì)的化學(xué)膠結(jié)力過早失效，此時的主要作用力為筋材表面的肋與粘結(jié)介質(zhì)間的機械咬合力和摩擦力。當(dāng)加荷到一定程度時，筋材的凸起部分與粘結(jié)介質(zhì)的凸起部分相互擠壓破壞，發(fā)出一聲響后，筋材發(fā)生較大滑移，繼續(xù)加荷，筋材的肋按節(jié)數(shù)滑動又發(fā)出幾聲響動。當(dāng)筋材的削細部分所受拉力超過其極限承載力后，削細部分發(fā)生斷裂。在機械咬合力與摩擦力的作用下，BFRP肋間的粘結(jié)介質(zhì)被磨平，筋材的肋與表面的石英砂同時因粘結(jié)介質(zhì)的摩擦而削弱。

2.2 粘結(jié)介質(zhì)的影響

圖5為不同粘結(jié)介質(zhì)對錨具荷載-滑移量的影響。由圖5結(jié)合試件的破壞形式可知：試件2與試件4在每級荷載下的錨具滑移量均勻穩(wěn)定，未產(chǎn)生大幅度滑移，故試件發(fā)生索體炸斷破壞。試件3在第4級荷載下的錨具滑移量激增，約為上級荷載的2倍滑移量，說明錨具在該級荷載下產(chǎn)生較大滑移，故試件3發(fā)生膠體滑移破壞。試件1在前兩級荷載下的每級滑移量約為0.6 mm，在第3級荷載下滑移量突然上升至2 mm左右，故試件1發(fā)生膠體滑移破壞。在其他參數(shù)相同的條件下，采用樹脂2型與粘鋼膠作為粘結(jié)介質(zhì)時，錨索端頭粘結(jié)性能最優(yōu)，其次是樹脂3型，最后是樹脂1型。

圖5 不同粘結(jié)介質(zhì)對錨具荷載-滑移量的影響

當(dāng)荷載較大時，鋼錨管內(nèi)壁螺紋中的粘結(jié)介質(zhì)與螺紋擠壓后磨損，試件膠體產(chǎn)生滑移。粘結(jié)介質(zhì)的抗壓強度越大，則錨具的滑移量越小越均勻，故粘結(jié)介質(zhì)的抗壓強度對錨索錨固端的粘結(jié)性能有影響，抗壓強度越大，則粘結(jié)性能越強。由表2可知：粘結(jié)介質(zhì)抗壓強度由大到小依次為粘鋼膠、樹脂3型、樹脂2型和樹脂1型，與粘結(jié)性能優(yōu)劣近似，但樹脂2型例外。樹脂2型28 d的抗壓強度為63 MPa，小于樹脂3型的91 MPa，但試件2卻發(fā)生炸斷破壞。結(jié)合表2中材料組成可知：樹脂2型以環(huán)氧樹脂為基底，加入了大量的短切玄武巖纖維絲，使其彈性模量遠高于其他環(huán)氧樹脂膠，故膠體與鋼錨管發(fā)生相對滑移的趨勢較弱，且樹脂2型的材料成分與BFRP類似，兩者彈性模量相近，使其與BFRP具有良好的協(xié)調(diào)變形能力，故試件2可以發(fā)生炸斷破壞。

用于支護的錨索除具有較高的極限承載力外，還應(yīng)具有較好的延伸性來適應(yīng)邊坡變形能力。在錨索力學(xué)性能相同的情況下，通過加大錨具與索體之間的滑移量可提高錨索整體延伸性。試件4的錨具滑移量大于試件2，故粘鋼膠作為錨具粘結(jié)介質(zhì)優(yōu)于樹脂2型。

2.3 錨固形式的影響

由于BFRP在張拉過程中存在剪滯效應(yīng)，筋材橫截面外部所受拉應(yīng)力大于內(nèi)部，故外部樹脂先達到屈服強度發(fā)生破壞，隨后內(nèi)部樹脂因承載能力減弱而破壞，使筋材最終呈“燈籠狀”炸斷。為使BFRP均勻受力，改善剪滯效應(yīng)，提高錨索的極限承載力，將錨固段中部筋材縮頸削細為6 mm×6 mm的方形，并與普通錨固形式進行了3組拉伸試驗對比分析。

3束組合錨索中，削細錨固的試件9與普通錨固的試件10極限承載力同為389.61 kN，皆發(fā)生索件炸斷破壞，錨索的極限承載力并無提高，說明削細錨固并不能改善BFRP的剪滯效應(yīng)。單束錨索中，削細錨固的試件6極限承載力為 133.03 kN，作為對比的試件5則直接錨固，其極限承載力為126.45 kN，削細后錨索承載力提高了6.58 kN，但錨固段筋材從錨具中抽出后拉斷；其余參數(shù)相同下，削細錨固的試件8極限承載力為133.03 kN，普通錨固的試件7極限承載力為139.61 kN，削細縮頸使極限承載力降低了6.58 kN，因為試件7為筋材炸斷破壞，試件8發(fā)生了筋材抽芯破壞。由以上分析可知，單束錨索的削細錨固造成了錨索承載能力降低。

因為錨固段存在有效錨固長度，當(dāng)錨固段小于有效錨固長度時，試件的極限承載力降低；當(dāng)錨固段大于有效錨固長度時，試件的極限承載力不變。單束錨索的錨固長度為300 mm，縮頸削細處理造成了錨固段粘結(jié)面積與筋材橫截面減小，單束錨索因?qū)嶋H錨固長度不足發(fā)生筋材抽芯破壞，錨索極限承載力降低；3束組合錨索的錨固長度為400 mm，削細后的錨固長度仍大于有效錨固長度，所以對試件的破壞形式與極限承載力無影響，3束組合錨索的400 mm錨固長度可進一步優(yōu)化縮短。

2.4 索體束數(shù)的影響

發(fā)生炸斷破壞的單束試件2、4與7的極限承載力分別為143.55 kN、148.38 kN與139.61 kN，其平均值為143.85 kN，接近廠家提供的極限承載力145 kN，為該極限承載力名義值提供校核。試件9與試件10的極限承載力皆為389.61 kN。在發(fā)生炸斷破壞的情況下，索體3束組合錨固與單束錨固相比，發(fā)生效率折減，效率折減系數(shù)為389.61/(3×143.85)=0.9。

3 結(jié)論

(1)對于玄武巖纖維筋粘結(jié)式錨索，環(huán)氧樹脂膠作為錨索粘結(jié)介質(zhì)時粘結(jié)力主要受其彈性模量與抗壓強度影響，當(dāng)粘結(jié)介質(zhì)采用彈性模量小、抗壓強度高或者彈性模量與BFRP相近的環(huán)氧樹脂膠時，錨索的極限承載力較大。

(2)錨固段中部筋材縮頸削細的錨固形式不能改善BFRP的剪滯效應(yīng)，提高錨索的極限承載力，且容易造成筋材因縮頸導(dǎo)致錨固長度不足而發(fā)生抽芯破壞，降低其承載力。

(3)由于筋材的脆性特征，錨索張拉過程中達極限強度后筋材易發(fā)生炸裂式破壞；玄武巖纖維筋粘結(jié)式錨索單束BFRP平均極限承載力達143.85 kN，3束組合情況下極限承載力達389.61 kN，每束筋材發(fā)生效率折減，效率折減系數(shù)為0.9。