CN104458436B - 锚固材料高温拉拔实验装置及其实验方法 - Google Patents
锚固材料高温拉拔实验装置及其实验方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种锚固材料高温拉拔实验装置及其实验方法，包括将锚固材料填充于锚杆与模拟钻孔钢管间构成被测试件，并将所述被测试件置于0～1000℃的加热保温装置中足以使被测试件通过足够长的传力杆及其液压加载装置对所述锚杆进行施力拉拔，实现锚固材料高温拉拔实验的全过程结构。本发明设计的实验装置巧妙地利用杠杆原理将高温加热区与拉拔测试操作区安全隔开并实现同步进行，有效地解决了高温拉拔实验的危险性，既方便准确，又安全可靠；同时通过运用杠杆原理，使加载较小的载荷可测试较大的拉拔力，使得拉拔力和位移计量更容易获得，具有实际应用推广价值。
Description
技术领域
本发明是一种锚固材料高温下拉拔力实验装置及其方法，涉及煤矿、铁路、公路等岩石岩土工程以及建筑加固等领域。并可运用到树脂、水泥、混凝土等多种锚固材料的拉拔力测试。
背景技术
随着国家基础建设的加快，煤矿、铁路、公路、建筑等大面积开展。随着工程量的增多，工程条件越来越复杂，遇到的工程问题也越来越多，对工程材料的要求也越来越苛刻。其中随着煤矿、铁路、公路、以及国防等地下工程不断向深部1000m以下延伸，由于地热、煤层自燃等原因，使得地下工程围岩温度较高。尤其当煤矿发生瓦斯爆炸以及地上或建筑物突发火灾时结构体的温度可达500℃～800℃，这就对锚固材料在高温下的力学稳定性提出了更高的要求。
锚固材料分为无机锚固材料、有机锚固材料、有机复合材料三类。无机锚固材料包括水泥、混凝土等，水泥、混凝土等在高温下会发生质的变化，严重降低材料的力学性能；有机锚固材料多为高分子复合材料往往具有高温热解特性，其高温下的力学性能影响更为严重。例如不饱和树脂锚固材料是由不饱和聚酯树脂、CaCO₃石粉、固化剂等混合制成，因其胶凝快、强度高被广泛应用于煤矿巷道支护与建筑物加固等。但是不饱和聚酯树脂在达到一定温度（350～400℃）后会热解，因此不饱和聚酯树脂内锚固材料会在高温下逐渐失去锚固力。研究高温下锚固材料的力学性能具有其必要性，可以为进一步研发适应深部地下工程及建筑加固的耐高温锚固材料提供科学依据。
现有锚固力拉拔装置大多在常温下进行，若近距离直接对高温试件进行拉拔实验，对操作人员和设备会存在巨大危险，只能等待试件冷却后非同步进行，而在高温下的拉拔力同步测试较难实现，且具有很大的危险性。
鉴于以上各种情况，如何设计一种安全可靠、方便简捷的用于锚固材料的高温下拉拔力实验装置，已是极为迫切和需要。
发明内容
针对高温拉拔力实验过程中的高温加热与拉拔力实验人员的安全问题，本发明提供一种锚固材料高温拉拔实验装置及其实验方法，本发明有效地解决了0～1000℃高温拉拔力实验过程中的这一问题，使加热高温区远离拉拔实验区并使得高温加热与拉拔力实验同步进行，既方便准确，又安全可靠。同时通过运用杠杆原理，使加载较小的载荷可测试较大的拉拔力，使得拉拔力和位移计量更容易获得，具有实际应用推广价值。
为了实现上述目的，本发明所采得技术方案如下。
一种锚固材料高温拉拔实验装置，包括将被测锚固材料填充于锚杆与模拟钻孔钢管间构成被测试件，其特征在于：将被测试件置于0～1000℃的加热保温结构中足以使被测试件通过足够长的传力杆及其液压加载结构对其所述锚杆进行施力拉拔，实现被测锚固材料在高温下进行拉拔实验的全过程。
进一步地技术方案如下。
所述实验装置包括固定支架、加热保温结构、被测试件和液压加载结构；其中，所述固定支架是L型结构，在L型结构侧水平设置有所述加热保温结构，并将所述被测试件垂直固定于所述加热保温结构中，被测试件的端头通过足够长的传力杆及其液压加载结构对所述锚杆进行施力拉拔，实现被测锚固材料在高温下的拉拔实验全过程。
所述加热保温结构是筒型结构，所述筒型结构是由外壳和保温材料构成筒体，在筒体的中心线周围设置有加热器及其温控器，在筒体的上端由高强盖板覆盖构成。
所述加热保温结构的高度是被测试件的高度的1/2～5/8。
所述液压加载结构(是水平设置于足够远的固定支架的一端头，由手动液压千斤顶及顶部球型垫构成，所述千斤顶上设置有顶升刻度、压力表活和手动液压加载手柄。
所述模拟钻孔钢管的内径与锚杆的外径距离是10～20mm。
所述温控器的测温精度±3℃，控温精度±5℃。
所述实现被测锚固材料在高温下的拉拔实验是由千斤顶的顶升力与拉拔位移通过杠杆原理和几何关系换算为锚固试件的拉拔力与位移量。
一种上述的锚固材料高温拉拔实验装置的实验方法，其所述实验方法步骤如下：
（一）将搅拌均匀的被测锚固材料填充于锚杆与模拟钻孔钢管间的底部～3/4处构成被测试件，模拟钻孔钢管的内径与锚杆的外径距离是10～20mm；
（二）将被测试件置入加热保温结构中，并将被测试件的锚杆端头通过球型垫连接件与传力杆连接，然后按设定温度0～1000℃加热升温，待达到设定温度后保温20分钟；
（三）保温结束后由液压加载结构通过传力杆对锚杆进行施力拉拔，直至所述锚杆与被测锚固材料在高温拉拔实验下破坏分离后停止加载；
（四）观察被测锚固材料在高温拉拔实验记录的全过程，并读取被测锚固材料破坏时的液压加载结构的加载力P1和加载位移W1；
（五）运用杠杆原理和几何关系，将液压加载结构(4)的加载力P1和加载位移W1按公式换算为被测试件的拉拔力P和拉拔位移W；其中P=(L1/L2)×P1，W=W1/(L1/L2)。
实施上述本发明所提供的一种用于锚固材料高温下拉拔力实验装置及其实验方法，与现有技术相比，本发明实现了在0～1000℃高温下各种锚固材料的同步拉拔力学实验，客观地反映了被测试锚固材料在高温下的力学状态和破坏特征；同时本发明设计的实验系统巧妙地利用杠杆原理将高温加热区与拉拔测试操作区安全隔开，有效解决了1000℃以内高温加热与实验设备保护以及拉拔力测试人员操作安全问题，使得高温拉拔实验中加热保温与拉拔力测试分区同步进行，既方便准确，又安全可靠；加热温度0～1000℃，可实现逐级加热，精确控制，误差范围小；同时通过运用杠杆原理，使加载较小的载荷可测试较大的拉拔力，使得拉拔力和位移更容易准确获得，并且同步记录被测锚固材料的拉拔力和位移，较准确地获得拉拔力P与位移W变化曲线。
附图说明
图1是本发明锚固材料高温拉拔力实验装置的结构示意图。
图2是本发明图1的固定支架结构示意图。
图3是本发明图1的加热保温结构示意图。
图4是本发明图1的被测试件结构示意图。
图5是本发明图1的液压加载结构示意图。
图中：1：固定支架；2：加热保温结构；3：被测试件； 4：液压加载结构；5：固定轴销；6：传力杆； 7：高强螺栓孔；8：加热器；9：温控器 ；10：保温材料；11：外壳；12：高强盖板；13：球型垫连接件；14：锚杆；15：被测锚固材料；16：模拟钻孔钢管；17：顶部球型垫； 18：位移刻度； 19：压力表；20：手动液压加载手柄。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
具体实施方式1
如附图1所述，实施本发明上述所提供的一种锚固材料高温拉拔实验装置，该装置包括有将被测锚固材料15填充于锚杆14与模拟钻孔钢管16间构成被测试件3，其模拟钻孔钢管16的内径与锚杆14的外径距离是10～20mm。 其构成关系在于：首先将被测试件3垂直放在0～1000℃的加热保温结构2中，且足以使被测试件3能够通过足够长的传力杆6及其液压加载结构4对其所述锚杆14进行施力拉拔， 其拉拔实验是由千斤顶的顶升力与拉拔位移通过杠杆原理和几何关系换算为锚固试件的拉拔力与位移量。以此实现被测锚固材料15在高温下进行拉拔实验的全过程。
具体实施方式2
如附图1和附图2所述，实施一种锚固材料高温拉拔实验装置，该实验装置包括固定支架1、加热保温结构2、被测试件3和液压加载结构4； 其中：
所述固定支架1是L型结构，在L型结构侧左部水平设置有所述加热保温结构2，并将所述被测试件3垂直固定于所述加热保温结构2中，被测试件3的端头通过足够长的传力杆6及其液压加载结构4对所述锚杆14进行施力拉拔，其拉拔实验是由千斤顶的顶升力与拉拔位移通过杠杆原理和几何关系换算为锚固试件的拉拔力与位移量。以此实现被测锚固材料15在高温下进行拉拔实验的全过程。其中所述足够长的传力杆6是使施力加载结构远离加热保温结构2，使实验人员在加载时，远离加热保温结构2，给拉拔实验人员一个安全稳定的工作环境。
具体实施方式3
如附图1和附图3所述，实施一种锚固材料高温拉拔实验装置的加热保温结构，该加热保温结构是筒型结构，或者是方形结构均可实施，其所述筒型结构是由外壳11和保温材料10构成主体筒体结构，在筒体结构的中心线周围设置有加热器8及其温控器9，在筒体的上端由高强盖板12覆盖构成。其中，加热保温结构2的高度是被测试件3的高度的1/2～5/8，其高度主要是根据实验条件决定对锚固材料的高温进行拉拔实验高度。加热器8是围绕在所述被测锚固材料15的周围，采用均匀缠绕式电阻丝结构对其进行加热，同时，在加热器8的底部还设置有温控器9，其温控器9的控温精度±5℃，测温精度是±3℃。
视实验要求而定，以便灵活控制电阻丝的加热温度，实现在高温下进行拉拔实验的全过程。
具体实施方式4
如附图1和附图4所述，实施一种锚固材料高温拉拔实验装置的液压加载结构4是水平固定设置在远离加热保温结构2的固定支架1的基板一端头，由手动液压千斤顶及其顶部球型垫17构成，其顶部球型垫17对其传力杆6的端头进行施力拉拔加载，实现被测锚固材料15在高温下的拉拔实验全过程。其中，所述千斤顶上设置有位移刻度18、压力表19和手动液压加载手柄20。
具体实施方式5
在上述锚固材料高温拉拔实验装置的实施例基础上，对所述锚固材料高温拉拔实验装置的实验方法作出如下说明，具体方法步骤如下：
步骤一、将搅拌均匀的被测锚固材料15填充于锚杆14与模拟钻孔钢管16间的底部4/5～3/4处构成被测试件，模拟钻孔钢管16的内径与锚杆14的外径距离是10～20mm。
步骤二、将被测试件置入加热保温结构2中，并将被测试件3的锚杆14端头通过球型垫连接件13与传力杆6连接，然后按设定温度0～1000℃加热升温，待达到设定温度后保温20分钟。
步骤三、保温结束后由液压加载结构4通过传力杆6对锚杆14进行施力拉拔，直至所述锚杆14与被测锚固材料15在高温拉拔实验下破坏分离后停止加载。
步骤四、观察被测锚固材料15在高温拉拔实验记录的全过程，并读取被测锚固材料15破坏时的液压加载结构4的加载力P1和加载位移W1。
步骤五、运用杠杆原理和几何关系，将液压加载结构4的加载力P1和加载位移W1按公式换算为被测试件的拉拔力P和拉拔位移W；其中P=(L1/L2)×P1，W=W1/(L1/L2)。
上述本发明具体实施方式的优点与积极效果还集中体现在如下几点
（1）实现高温加热与拉拔测试同步进行，客观地反映了被测试锚固材料在高温下的力学状态和破坏特征。
（2）在保证高温加热的同时，保证了试验设备与操作人员的安全，巧妙利用杠杆原理将加热高温区与拉拔测试区安全隔开，既方便准确，又安全可靠。
（3）加热温度为0～1000℃，实现了逐级加热，精确控制，误差范围小。
（4）通过运用杠杆原理，使加载较小的载荷测试较大的拉拔力，使得拉拔力和位移计量更容易获得。
（5）同步记录被测锚固材料的拉拔力和位移，较准确地获得了拉拔力P与位移W变化曲线。
Claims (7)
1.一种锚固材料高温拉拔实验装置，包括将被测锚固材料(15)填充于锚杆(14)与模拟钻孔钢管(16)间构成被测试件，其特征在于：将被测试件(3)置于0～1000℃的加热保温结构(2)中足以使被测试件(3)通过足够长的传力杆(6)及其液压加载结构(4)对其所述锚杆(14)进行施力拉拔，实现被测锚固材料(15)在高温下进行拉拔实验的全过程；
所述实验装置包括固定支架(1)、加热保温结构(2)、被测试件(3)和液压加载结构(4)；所述固定支架(1)是L型结构，在L型结构侧水平设置有所述加热保温结构(2)，并将所述被测试件(3)垂直固定于所述加热保温结构(2)中，被测试件(3)的端头通过足够长的传力杆(6)及其液压加载结构(4)对所述锚杆(14)进行施力拉拔，实现被测锚固材料(15)在高温下的拉拔实验全过程；
所述加热保温结构(2)是筒型结构，所述筒型结构是由外壳(11)和保温材料(10)构成筒体，在筒体的中心线周围设置有加热器(8)及其温控器(9)，在筒体的上端由高强盖板(12)覆盖构成。
2.如权利要求或1所述的锚固材料高温拉拔实验装置，其特征在于：所述加热保温结构(2)的高度是被测试件(3)的高度的1/2～5/8。
3.如权利要求1所述的锚固材料高温拉拔实验装置，其特征在于：所述液压加载结构(4)是水平设置于足够远的固定支架(1)的一端头，由手动液压千斤顶及顶部球型垫（17）构成，所述千斤顶上设置有位移刻度（18）、压力表（19）活和手动液压加载手柄（20）。
4.如权利要求1所述的锚固材料高温拉拔实验装置，其特征在于：所述模拟钻孔钢管(16)的内径与锚杆(14)的外径距离是10～20mm。
5.如权利要求1所述的锚固材料高温拉拔实验装置，其特征在于：所述温控器(9)的测温精度±3℃，控温精度±5℃。
6.如权利要求1所述的锚固材料高温拉拔实验装置，其特征在于：所述实现被测锚固材料(15)在高温下的拉拔实验是由千斤顶的顶升力与拉拔位移通过杠杆原理和几何关系换算为锚固试件的拉拔力与位移量。
7.一种如权利要求1所述的锚固材料高温拉拔实验装置的实验方法，其所述方法步骤如下：
（一）将搅拌均匀的被测锚固材料(15)填充于锚杆(14)与模拟钻孔钢管(16)间的底部～3/4处构成被测试件，模拟钻孔钢管(16)的内径与锚杆(14)的外径距离是10～20mm；
（二）将被测试件置入加热保温结构(2)中，并将被测试件(3)的锚杆(14)端头通过球型垫连接件(13)与传力杆(6)连接，然后按设定温度0～1000℃加热升温，待达到设定温度后保温20分钟；
（三）保温结束后由液压加载结构(4)通过传力杆（6)对锚杆(14)进行施力拉拔，直至所述锚杆(14)与被测锚固材料(15)在高温拉拔实验下破坏分离后停止加载；
（四）观察被测锚固材料(15)在高温拉拔实验记录的全过程，并读取被测锚固材料(15)破坏时的液压加载结构(4)的加载力P1和加载位移W1；
（五）运用杠杆原理和几何关系，将液压加载结构(4)的加载力P1和加载位移W1按公式换算为被测试件的拉拔力P和拉拔位移W；其中P=(L1/L2)×P1，W=W1/(L1/L2)。
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