CN102493450A

CN102493450A - 一种玻璃钢纤维工程锚杆及其制造方法

Info

Publication number: CN102493450A
Application number: CN2011104414604A
Authority: CN
Inventors: 魏隽; 李永利; 张海东; 袁勇; 沈利
Original assignee: China Railway Shanghai Design Institute Group Co Ltd
Current assignee: China Railway Shanghai Design Institute Group Co Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明涉及工程建筑建材领域，属新材料范畴，具体涉及一种玻璃钢纤维工程锚杆及其制造方法，其特征在于：所述原料主要由玻璃纤维、树脂及添加剂组成，其中所述的玻璃纤维占原料重量百分比为70%-85%。本发明的优点是：FRP材料具有轻质高强、抗腐蚀、易切割、绝缘性（不导电、不导磁）、阻燃性、耐低温、抗疲劳等等优点。利用FRP材料的特点，可局部替代钢筋，达到节约钢材、人工费用的目的，可大大提高劳动效率，节约成本；可长期应用于腐蚀性介质侵袭严重的环境中，可保持强度和使用寿命，满足结构耐久性要求；可用于有特殊要求的结构中；可以降低由于混凝土徐变和收缩引起的预应力损失，还可减小由于预应力筋松弛引起的预应力损失。

Description

一种玻璃钢纤维工程锚杆及其制造方法

技术领域

本发明涉及工程建筑建材领域，属新材料范畴，具体涉及一种玻璃钢纤维工程锚杆及其制造方法。

背景技术

一直以来，制作锚杆的材料首选钢材，而钢材的锈蚀等问题日益成为影响锚固体系安全性和耐久性的突出问题，特别是在一些腐蚀性严重的山区，以及地下水富集的软土地区和高铁工程建设中，钢材的锈蚀问题更加严重。解决这类问题的传统做法是在钢材的表面喷涂防腐剂，或是改变钢材的物理化学成分提高钢材的耐腐蚀性，但是这种做法一方面会增加锚杆安装操作的复杂性，另一方面会提高工程的成本造价。因此，有必要寻求其它的解决途径。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种玻璃钢纤维工程锚杆及其制造方法，以更好的解决锚杆在腐蚀性严重的山区以及地下水富集的软土地区的腐蚀性、松弛性问题，并且使锚杆具有更好的强度和更长的使用寿命。

本发明是把玻璃纤维材料应用于工程锚杆中，属新材料推广应用型发明。

本发明的实现由以下技术方案完成：玻璃纤维材料在工程锚杆中的应用。

含玻璃纤维70%~85%的玻璃纤维增强聚合物材料应用于工程锚杆的制造。

一种玻璃钢纤维锚杆，其特征在于：所述原料主要由玻璃纤维、树脂及添加剂组成，其中所述的玻璃纤维占原料重量百分比为70%-85%。

一种玻璃钢纤维工程锚杆的制造方法，涉及权利要求3所述原料组分及其配比，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：通过牵引机的牵引将玻璃纤维束连续通过含有树脂及添加剂的浸胶槽进行浸胶处理，之后预成型处理，之后在模具经过加热固化定型，最后切割成规定长度。

所述的树脂为聚酰氨树脂、聚乙烯树脂或环氧树脂的一种或至少两种的组合。

本发明的优点是：

本发明所采用的材料为FRP材料，其具有轻质高强（重量约为普通钢筋的1/5，强度约为普通钢筋的1.5 倍）、抗腐蚀、易切割、绝缘性（不导电、不导磁）、阻燃性、耐低温、抗疲劳等等优点。

利用FRP 筋轻质高强和易切割的特点，可局部替代钢筋，达到节约钢材、人工费用的目的，可大大提高劳动效率，节约成本；

利用FRP 具有较好的抗腐蚀能力的特点，可长期应用于腐蚀性介质侵袭严重的环境中，可保持强度和使用寿命，满足结构耐久性规范要求；

利用FRP绝缘性（不导电、不导磁）的特点，可用于有特殊要求的结构中，如高铁隧道桥梁工程以及雷达站工程中；

利用FRP预应力筋低松弛且弹性模量较小的特点，可以降低由于混凝土徐变和收缩引起的预应力损失，还可减小由于预应力筋松弛引起的预应力损失。

附图说明

图1是本发明杆体抗拉强度试验试件示意图；

图2是本发明杆体抗剪强度试验试件受力图；

图3是本发明的自钻式全螺纹GFRP锚杆扭矩测试台加载系统示意图；

图4是本发明的自钻式全螺纹GFRP锚杆扭矩测试试件示意图；

图5是本发明的普通全螺纹GFRP锚杆的端板锚固力拉力架示意图；

图6是本发明的螺纹钢杆体及其附件结构示意图；

图7是本发明的麻花杆体结构示意图；

图8是本发明公称直径为22mm的杆体直径检测结果图；

图9是本发明公称直径为24mm的杆体直径检测结果图；

图10是本发明公称直径为25mm的杆体直径检测结果图；

图11是本发明公称直径为27mm的杆体直径检测结果图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图3所示，其中标号1~5：回转机构1、锚杆杆体2、托扶器3、加载机构4、扭矩转速测试仪5。

实施例：本发明采用玻璃钢制品产用的生产工艺属拉挤成型，机械化程度及生产效率高，可以生产连续长度的全螺纹式玻璃钢锚杆。产品可以是实心和空心，也可以是表面无螺纹的直杆，还可以生产异形筋。产品直径规格可以根据需要进行设计。本发明所采用的FRP材料是由多股纤维（如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）采用基底材料（聚酰氨树脂、聚乙烯树脂或环氧树脂等）胶合后，经过特制的模具挤压、拉拔成型的。

本发明的原料为GFRP材料，即玻璃纤维增强聚合物，主要由玻璃纤维、树脂及添加剂经特殊加工复合而成，玻璃纤维含量一般在70-85%左右（质量百分比），因而具有优良的机械性能。

生产时通过专用牵引机的牵引，一定数量的玻璃纤维连续通过树脂浸胶槽，树脂浸润充分，再经过特殊模具，并加热固化，然后经切割机按照一定长度连续切割，经过后续处理后即可包装入库。此方法为一次成型法，即从玻璃纤维成型并且加热固化后无需经过及加工步骤。

本发明的抗拉强度试验：

测试设备：杆体抗拉强度试验采用1000kN屏显液压式万能试验机，GFRP锚杆杆体拉伸变形采用试验机自带大变形测量仪测量，由数据采集系统自动采集试验所有数据。试验参数主要内容如下：

试验环境：温度23±2℃，相对湿度50±5%；

试件形状及尺寸：如图1所示；

试件数量：每组试样不少于5个,并保证同批有5个有效式样；

测量试件直径和标距，测量精确到0.01mm；

加载速度为250MPa/s；

安装测量变形的设备仪表，施加初载（约为破坏荷载的5%）检查并调整试样及变形测量系统，使其处于正常工作状态；

连续加载至试样破坏，记录最大荷载值及试样破坏形式，测量抗拉强度、拉伸弹性模量、极限延伸率及应力～应变曲线等材料性能指标。

试件制作：GFRP拉伸试件总长L=1100mm，标距L0=600mm，两端采用套管锚固，锚固长度L1=220mm。套管采用镀锌铁管，外径32mm，壁厚3mm，端部与锥形铸铁大小头螺纹连接，锚固剂采用HC植筋胶。将制备好的GFRP筋在切割机上截取所需长度，将HC植筋胶配好灌入套管内，充满整个套管，然后将截取的GFRP筋试件一端旋入套管内，使其充分粘结，对中、固化；待完全固化后将试件的另一端以同样的方法进行锚固，完全固化后进行试验。试件形状及尺寸如图1所示。

为保证杆件拉拔时，加载装置与杆体之间不发生打滑，在每段杆件的端头采用套上钢套筒，并用环氧树脂充分粘结，提供足够的剪力和端头刚度。

测试结果：通过实验证实GFRP锚杆强度高、与混凝土变形协调好等力学性能，如果替代钢材锚杆应用在地下工程加固中，能够解决钢筋材料腐蚀问题，具有广阔的应用前景。与螺纹钢的力学性能、性价比等指标进行对比，GFRP材料不仅有良好的力学性能，也有很好的性价比。

本发明的抗剪强度试验：

测试设备：参考《纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法》（GB/T1450.2-2005）、《销剪切试验方法》（GB/T13683-92），锚杆杆体抗剪强度实验采用CMT系列微机控制50kN电子万能试验机并配以压式剪切器进行剪切试验。具体试验方法如下：

试验标准环境条件：温度：（23±2）℃；相对湿度：（50±10）%。

试样外观检查、状态调节按GB1446第2、3章规定；

测量试样尺寸，测量精度精确到0.01mm；

加载速度2mm/min，连续加载至试样发生剪切破坏；

记录试样破坏后的最大荷载和破坏形式，测量破坏（剪切）面的高度，精确到0.01mm。可任选一个破坏面测量剪切面高度；

有明显缺陷的试样应予以作废，每组有效试样至少5个，不足5个时，应重做试验；

切口夹具，用于加工式样切口。

试件制作：GFRP筋通过连续成型工艺得到，连续成型工艺就是从原材料开始，经过侵润、压模、挤压、拉拔、固化、切割等得到的制品，整个工艺是连续不断进行的。

剪切试件在连续GFRP筋上截取，根据压式剪切器相关参数截取试件长度L=130mm，试件尺寸和受力图如图2所示。

测试结果汇总：GFRP筋试件的破坏均为整体缓慢切断，断口较整齐，且都有不同程度的挤压变形，没有发生脆性的剪断，这说明GFRP筋中的树脂性能较好，纵向纤维对横向剪切具有一定的作用。

本发明的自钻式全螺纹GFRP锚杆扭矩测试：

测试设备：自钻式全螺纹GFRP锚杆扭矩测试采用微机控制扭转试验机。微机控制电子式扭转试验机主要用于金属和非金属材料、机械零部件的扭转性能试验，能够自动测量扭转强度、屈服点，而且能够自动记录扭矩与转角的曲线。试验机配有全数字测量系统，性能稳定、精度高。

将杆体2（全长）安装在锚杆扭矩试验台上，如图3所示，锚尾与回转机构1连接，锚头与扭矩和转速传感器5连接，杆体中部加装托扶器3，防止杆体产生弯曲变形。将回转机构转速调至200r/min~300r/min，使杆体处于空负载旋转状态，调整加载装置4，在8s之内，使负载平稳升至规定扭矩（40N.m），并运转40s，杆体不应产生断裂和严重变形等异常。

试件制作：实验为常温扭转实验，试验试件的具体尺寸如图4所示。试件标距300mm，直径7mm。

试件数量：每组试样不少于5个,并保证同批有5个有效式样。

测试结果汇总：从实验结果可以看出，玻璃纤维锚杆是一种脆性材料。材料的线弹性关系明确，材料的抗拉强度（与同面积的钢材抗拉强度相对），抗剪和抗扭强度低。

本发明的普通全螺纹GFRP锚杆的端板锚固力测试：

测试设备：普通全螺纹GFRP锚杆的端板锚固力测试采用分度值不大于3.5k N相应量程锚杆拉力计，或普通万能材料试验机，并配以特制拉力架。特制拉力架示意图见图5。型式检验时，采用锚杆专用试验台，以3次试验的算术平均值为准。

测定环境条件：环境温度(22±1)℃。

采用锚固段最大径向尺寸与孔径差为4~6 mm,锚长大于15 d (d为杆径)的杆体，型式检验时，采用配套长杆体。

采用相应孔径的除锈厚壁钢管或抗压强度30 MPa以上的混凝土块或中硬岩体为锚固体，钢管长度或锚杆孔深度应等于锚头长度再加长50~150 mm,型式检验时，锚固体固定在试验台一端，杆体尾部固定在试验台另一端加载油缸上。

搅拌安装时采用1.2 k W 煤电钻，边旋转搅拌边推进到孔底。搅拌时间为超快速型锚固剂8~15s ;其他锚固剂20~35 s搅拌停止后，应等候到凝胶后，才能松开电钻和连接装置。

按规定的龄期进行锚固力测试。型式检验时还需记录整体锚杆的载荷—位移特性曲线及锚杆拉拔破坏情况。

试件制作：杆体主要有螺纹钢杆体和圆钢麻花杆体，其结构如图6和图7所示：

用内径27mm，长度450mm的厚壁钢管模拟锚孔，用符合MT146.1-2002规定的述职锚固剂锚固，将锚固剂放入模拟锚孔中，用煤电钻将杆体安装在锚孔中保证杆体在孔的中心位置，达到MT146.1-2002规定的锚固龄期后，在拉伸试验机（万能材料试验机或锚杆拉拔计）上以3kN/s及加载速率至最大荷载。结果以千牛为单位。

如图8~11所示，本实施例经过抗拉强度试验，抗剪强度试验，扭矩测试，锚固力测试得出，采用玻璃钢纤维即FRP材料所制作的各个型号的锚杆都符合技术要求，并且相比目前现有技术的锚杆具有轻质、高强、耐腐蚀、不导电、不导磁等优良特性。

Claims

1.玻璃纤维材料在工程锚杆中的应用。

2.含玻璃纤维70%-85%的玻璃纤维增强聚合物材料应用于工程锚杆的制造。

3.一种玻璃钢纤维锚杆，其特征在于：所述原料主要由玻璃纤维、树脂及添加剂组成，其中所述的玻璃纤维占原料重量百分比为70%-85%。

4.一种玻璃钢纤维工程锚杆的制造方法，涉及权利要求3所述原料组分及其配比，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：通过牵引机的牵引将玻璃纤维束连续通过含有树脂及添加剂的浸胶槽进行浸胶处理，之后预成型处理，之后在模具经过加热固化定型，最后切割成规定长度。

5.根据权利要求4所述的一种玻璃钢纤维工程锚杆的制造方法，其特征在于：所述的树脂为聚酰氨树脂、聚乙烯树脂或环氧树脂的一种或至少两种的组合。