GFRP筋锚杆锚固体浆液研发及锚固性能试验研究
时间：2023-02-08 19:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘军，魏杰，刘鹏，陈达，郑仔弟，刘展伊
（1.北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044；
2.北京市市政四建设工程有限责任公司，北京 100176）
传统预应力锚索以钢绞线作为杆体，该杆体要侵入红线外且切除困难、切除中易出现绷断进而危及作业人员安全，我国多地已限制或不允许基坑工程使用钢绞线预应力锚索[1]。
GFRP筋为一种新型的建筑材料，绿色低碳，其具有可切割性好、抗拉强度高、质量轻等诸多优点，是替代钢筋的理想材料，已在土木工程中获得了广泛的应用[2-3]。采用GFRP筋作为基坑工程的锚杆支护在国内外已有诸多研究成果[4-5]。基坑工程为临时性工程，基坑使用寿命结束后，侵入红线外的GFRP筋锚杆可轻易被切割，因此对邻近工程施工，特别是盾构施工几乎没有影响[6]。锚固体是GFRP筋锚杆支护中极为重要的组成部分，相比普通钢绞线，GFRP筋材与混凝土砂浆之间的粘结强度低[7-8]，且筋材与砂浆的粘结性能规律也不同于传统钢筋[9-10]。已有试验表明玻璃纤维筋与混凝土之间的粘结强度只有钢筋与混凝土粘结强度的65%左右[11]。因此，根据GFRP筋的特点研发锚固体浆液就显得极为迫切。为提高锚杆的工作性能，国内外学者大多从浆液的水灰比及外加物质的角度进行注浆材料的研发[12-13]，但以往研究中对锚杆注浆材料的泌水率关注较少，而泌水率是锚杆注浆浆液的重要性能指标。传统水泥浆液在凝固过程中，会在筋材与锚固体界面析出水分，导致接触界面的粘结力大幅降低[14]。
为解决GFRP筋与锚固体间粘结力发挥的问题，本文研发一种无泌水、快硬早强的新型浆液，可大幅缩短预应力张拉施工的等待工期，满足锚固体的性能要求；
同时进行了新型浆液锚固体与GFRP筋的粘结性能试验并采用数值模拟方法研究了锚固体内粘结强度的分布规律，为GFRP筋的进一步应用研究提供参考。
1.1 原材料
水泥：市售P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；
速凝剂：北京世纪路佳建材公司产，HZ-9型喷射混凝土用速凝剂，干粉状；
减水剂：北京健翔化工有限公司产，SN-HPWP型聚羧酸减水剂，减水率25%~28%，固含量15%；
膨胀剂：北京世纪路佳建材公司产，HZ-12型混凝土膨胀剂，白色粉末状，氧化镁含量1.15%。
结合工程应用实际，选择新型浆液水灰比为0.45。速凝剂掺量为2.0%~2.5%，膨胀剂掺量为10%~14%，减水剂掺量为1%~2%。
1.2 试验方法
为保证注浆固结体的粘结效果，需要新型浆液无泌水，流动性好、快硬早强，1 d强度能达到施加预应力的标准，且具有适当的膨胀率，防止注浆体收缩形成的空隙削弱锚固性能。依据工程现场的使用要求，最终确定新型浆液需满足的预期性能指标，见表1。
表1 新型浆液的预期性能指标
流动度：按照GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》选用流锥进行测试；
凝结时间：根据GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》使用维卡仪进行测试；
抗压强度：根据GB/T 17671—2020《水泥胶砂强度检验方法》测试1 d和28 d抗压强度；
膨胀率：根据GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》浆液自由膨胀率的测试方法进行测试；
泌水率：依据TB/T 3192—2008《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆剂技术条件》进行测试。
2.1 速凝剂与减水剂对浆液性能的影响
各试验组配比及试验结果如表2所示，表中分组标号形式为：J-速凝剂掺量-膨胀剂掺量；
J表示新型浆液，膨胀剂为内掺，速凝剂和减水剂为外掺，试验结果取3次平均值。
表2 流动度试验浆液配比及结果
2.1.1 速凝剂与减水剂对浆液流动度的影响
由表2可知，速凝剂掺量增加对浆液的早期流动度影响较为显著，同时关注到不同速凝剂掺量，需调整减水剂掺量以控制浆液流动度符合要求；
如若减水剂掺量保持1.8%不变，则速凝剂掺量达到2.5%时，浆液流动度数值是表中结果的1倍以上导致浆液无法使用，故未在表中列出。可见速凝剂与减水剂需结合使用以满足GFRP筋锚杆锚固体浆液的流动度要求。
2.1.2 速凝剂与减水剂对浆液凝结时间与抗压强度的影响
由表2可得，初凝时间与1 d抗压强度二者相关系数为-0.92，显然浆液凝结时间与早期抗压强度呈负相关。凝结时间与抗压强度指标，分别对应速凝剂与减水剂的掺量，但两者共同使用时相互影响，减水剂导致了速凝剂的作用在初凝时无法充分发挥。在锚杆注浆固结的早期，浆液抗压强度对注浆固结体握裹力的影响显著，所以凝结时间短，特别是终凝时间短的浆液，早期强度具有明显优势，对比速凝剂掺量2%的浆液J-2-10组，J-2.25-10组的终凝时间由15.2 h缩短至8.5 h，缩短44%；
1 d强度由11.1 MPa提高至18.0 MPa，提高到1.6倍。可见速凝剂掺量对初凝时间影响较小，而在终凝时间中得到了充分体现；
在浆液的长期强度发展过程中，改变外加剂掺量未对28 d抗压强度产生明显影响，长期强度较为稳定。因此选用J-2.25-10组的2.25%速凝剂掺量进行后续试验。
2.2 膨胀剂对浆液膨胀率的影响
固定速凝剂掺量为2.25%，调整膨胀剂掺量分别为10%、12%和14%，水泥及膨胀剂总量不变，研究膨胀剂掺量对浆液膨胀率的影响，结果如图1所示。
图1 膨胀剂掺量对浆液膨胀率的影响
由图1可知，试件的膨胀主要发生在硬化早期，在浆液成型7 d内已经发生大部分的硬化膨胀，之后膨胀率增长速度逐渐放缓；
膨胀剂掺量的增加对浆液试件的膨胀率影响很小，选择10%掺量的膨胀剂即可。
2.3 减水剂调整对泌水率的影响
泌水率是体现浆液保水性能的重要指标，水泥基材料的泌水一般集中在注浆料表面或内部筋材的表面，影响筋材与注浆固结体的粘结性能，将直接降低锚杆的锚固性能。为此，需测试浆液自身表层的自由泌水率、浆液与筋材表面的毛细泌水率以及注浆时产生的压力泌水率，如图2所示。泌水率试验浆液配比及结果见表3。
图2 泌水率测试
表3 泌水率试验浆液配比及结果
由表3可知，通过调整减水剂的掺量可以实现泌水率为0的性能指标；
试验得到的浆液自由泌水率与毛细泌水率均为0，未施加压力时均无泌水现象，这说明浆液从搅拌完成后至凝结硬化前，始终处于较为稳定的状态，浆液保水能力良好，压力泌水率约为1%，远低于TB/T 3192—2008规范中小于3.5%的质量检验要求；
减水剂掺量的改变对浆液压力泌水率的影响较为明显，减水剂掺量增加致使压力泌水率增大，压力泌水率对减水剂掺量的变化较为敏感，而减水率掺量降低会对浆液流动度造成较大影响，因此选用J-2.25-10组浆液速凝剂掺量为2.25%，膨胀剂掺量为10%，减水剂掺量为1.8%，能够满足泌水率为0的要求。
2.4 锚固体浆液工作性能分析
新型浆液在泌水性、流动性、早期强度和膨胀性方面均具有良好的表现，但减水剂与速凝剂的相互作用及对浆液性能指标的影响是复合的，如图3所示，研制时需不断调整以满足浆液的各项性能指标。该新型浆液快硬早强，1 d强度即可达到锚杆施加预应力的标准，能够充分节约工期；
浆液的早期流动性好和微膨胀，保证了锚杆注浆过程中能够充填钻孔和岩土体裂隙，且浆液的泌水率为0，这些都为锚杆与锚固体的粘结性能提供了可靠保证。
图3 外加剂及其对性能指标的影响
2.5 GFRP筋锚杆与锚固体的性能
2.5.1 锚固体浆液成型试块强度试验
对与锚固体试件同条件养护的浆液试块，分别测试传统浆液（水灰比0.45的纯水泥浆，下同）、新型浆液（J-2.25-10组，下同）的抗压、抗折强度。试件选用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体，2类浆液制作成型试块各3组，养护时间为3 d，使用SANS液压试验机进行强度测试。
测得传统水泥浆液的3 d抗压、抗折强度分别为16.8、4.82 MPa，新型浆液的3 d抗压、抗折强度分别为26.0、5.12 MPa。由于GFRP锚杆注浆主要依靠浆液的抗压强度，新型浆液早期抗压强度显著提高，其强度增长速度远大于传统水泥浆液，但在抗折强度方面两者差别不大。
2.5.2 GFRP筋锚杆与锚固体的锚固性能
通过锚固体加载试验，测试GFRP筋锚杆与锚固体的粘结工作性能。根据工程实际，分别使用传统水泥浆液和新型浆液制作GFRP筋锚杆锚固体试件，用以对比两者的锚固性能差异。
锚固体为圆柱形，直径为200 mm，长度为640 mm；
单根GFRP筋锚杆的公称直径为32 mm，长度2.2 m，埋置于锚固体的中间位置，锚固体试件养护3 d后用穿心千斤顶进行张拉，同步监测拉力荷载和筋材位移，如图4所示。GFRP筋锚杆锚固体试件的破坏荷载与破坏时位移如图5所示。
图4 加载与测试过程
图5 不同浆液试验组的荷载-位移曲线
由图5可知，采用新型浆液的试件最大破坏荷载为283 kN，相比传统浆液的252 kN，提高约13%，最大破坏位移由35 mm减小至13 mm，破坏时的位移减小至传统浆液的37%；
相同荷载条件下，使用新型浆液的筋材位移显著小于传统浆液，表现出全过程的位移稳定性，新型浆液使得筋材螺纹间注浆固结体的抗压强度及浆液与筋材的粘结性能提高，为杆件提供持久稳定的机械咬合力和摩擦力，显著减小了筋材的滑移。
2.6 GFRP筋锚杆与锚固体的锚固性能分析
运用FLAC3D软件建立GFRP筋锚杆与锚固体数值计算模型，模型采用前述试验原型的尺寸参数，均使用实体单元建立，如图6所示。将锚固体侧面周边及后底面设置为固定约束，其余界面为自由，锚杆与注浆体界面设置接触面并赋值，分别对使用传统浆液和新型浆液两种工况进行加载模拟。两者参数差异主要表现在浆液的弹性模量和粘聚力。由锚固体试验结果可知，新型浆液在单位拉拔力作用下筋材与锚固体的相对位移减小，即弹性模量较大，约为传统浆液的1.6倍；
由配比试验可知新型浆液在泌水率等方面亦有明显优势，故相应提高了粘聚力等参数值。模拟接触面参数的赋值见表4，分析2种工况的受力破坏过程。锚固体应力云图如图7所示，在锚固体中间位置做切片，可见锚固体内部各位置的位移分布如图8所示。
图6 锚杆与锚固体模型
表4 2种工况下的接触面参数
图7 锚固体应力云图
由图7可知，随着荷载的增大，锚固体前端处的锚杆出现明显的应力集中现象，对比可知，使用传统浆液的锚固体在该位置截面粘结应力作用下，网格流动破坏更为明显，传统浆液由于粘聚力和弹性模量相对较小而更易破坏，与锚固体试验现象与结果相吻合。
由图8可知，传统浆液的注浆体内部位移云图分布不够平滑，存在明显的锥形开裂面，位移过渡不连续，说明其内部的粘聚力较弱，在应力由筋材向锚固体传递的过程中，不能很好地限制筋材位移，且随荷载增大该现象愈加明显，锚固体易发生开裂，加大了筋材拔出破坏的风险；
采用新型浆液时，位移云图分布平滑，在较大荷载的作用下，不同深度的注浆体仍能协同发挥粘结作用，能很好地控制筋材位移并提供足够的承载力，这也与锚固体试验相互验证。
图8 锚固体位移云图
（1）针对GFRP筋材的特性，新型浆液通过调节减水剂、速凝剂和膨胀剂的掺量，实现浆液的自由泌水率、毛细泌水率均为0，注浆条件下的压力泌水率远优于规范要求，有效保证筋材与锚固体的紧密结合，控制浆液硬化收缩，提高了筋材咬合时浆液的抗压强度，最终使得GFRP筋材与锚固体的粘结性能得到提高。
（2）通过对浆液流动性、凝结时间及早期强度进行关联分析，得出减水剂与速凝剂作用呈负相关，二者需结合使用，且减水剂掺量对新型浆液的多项性能尤其是泌水率的影响较为敏感。平衡两者用量后可使浆液能快硬早强、无泌水，1 d抗压强度即可达到预应力施加标准，能缩短工期。
（3）以锚固体加载试验和数值模拟相互验证，得出新型浆液弹性模量和粘结性能的提高，使荷载作用下GFRP筋锚杆锚固体内部位移分布更加平滑，可有效发挥协同变形的作用，从而使锚固体承载力得到提升，破坏时的位移显著减小。
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