膠粘劑在地下管廊施工中纖維錨桿的應用研究

朱俊峰，于 飛，陳 燕，朱云安，薛 超

（1南京市溧水區城鄉建設局，江蘇南京 210000；2南京溧水城市建設集團有限公司，江蘇南京 210000；3南京河西工程項目管理有限公司，江蘇南京 210000；4中鐵四局集團有限公司南京分公司，江蘇南京 210000）

為了防止地下管廊錨桿發生變化進而影響周圍圍巖變形產生災害等風險，需要對施工地下管廊進行支護防護，以提升其抵抗變形的能力，增加安全儲備。當前，多數地下管廊為抑制其易于開裂和承載力不足等問題，通常在地下管廊中加入碳纖維/鋼支撐錨桿結構以提升管廊承載能力和抵抗變形的能力，且研究表明該支撐方式效果較好[1]。而碳纖維與鋼屬于不同類型的結構材料，常用的焊接、鉚接等連接方式不并適用于二者，因為這些連接方式會對結構件產生損傷且質量難以穩定[2]，較為可行的是采用膠粘劑將二者進行連接。然而，碳纖維與錨桿的粘結過程中經常出現由于膠粘劑選擇不當、粘結層厚度控制不當而造成脫粘等問題[3-5]，這主要與碳纖維/錨桿界面粘結界面的粘結質量和穩定性等有關。目前，建筑地下管廊支護中的碳纖維/鋼結構也有采用線性膠粘劑進行粘結的應用，而關于非線性膠粘劑的報道較少，且粘結層厚度是否對粘結質量有影響及其作用規律不清楚[6-9]。基于此，本文研究了膠粘劑種類和厚度對碳纖維復合錨桿剪切性能的影響，通過基于界面斷裂能計算方法得到了界面極限承載力，并與實測值進行了對比，結果可對碳纖維復合錨桿試件的膠粘劑選擇和應用提供參考，并有助于提高地下管廊支護的穩定性和安全性。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

以市售Q345方鋼管(壁厚6mm、屈服強度365MPa、抗拉強度515MPa、斷后伸長率38%、彈性模量2.08×105、泊松比0.28)、碳纖維復合板(簡稱CFRP，厚度2mm、寬度25mm，拉伸強度1663MPa、斷后伸長率0.96、彈性模量174.51GPa)，Tc結構膠粘劑(非線性膠粘劑，彈性模量1.74GPa、拉伸強度39.81MPa、應變能2.01N/mm)和T1結構膠粘劑(線性膠粘劑，彈性模量3.16GPa、拉伸強度52.92MPa、應變能0.68N/mm)為實驗材料。

1.2 試樣制作

為了制備碳纖維復合錨桿試件，預先采用800#砂紙對碳纖維表面進行輕微打磨，清水沖洗后轉入丙酮溶液中超聲30min，取出干燥后備用；錨桿試樣依次進行除油和表面砂紙打磨，清水沖洗和丙酮清洗后在鋼基體上劃線以確定碳纖維板粘結區域。使用Tc和T1膠粘劑對碳纖維復合錨桿進行粘結，膠層厚度在0.5~1.5 mm，粘結過程中避免膠粘劑逸出，室溫固化3天后轉入烘箱中進行45℃/周期6天的固化處理，空冷后得到碳纖維復合錨桿試件[10]，并將試樣命名為膠粘劑種類-粘結層厚度-相同條件試件編碼形式，如Tc-0.5-1表示采用Tc膠粘劑、粘結層厚度0.5mm、編號為1的試件。

1.3 測試方法

采用單面剪切的方法對碳纖維復合錨桿試件進行剪切實驗[11]，實驗前在試件上預置應變片，碳纖維復合錨桿試件示意圖如圖1所示。采用MTS-810型萬能材料試驗系統對碳纖維復復合錨桿試件進行剪切實驗（位移加載）[12]，加載速度為0.1mm/min、頻率1Hz。

圖1 碳纖維復合錨桿試件示意圖Fig. 1 Schematic diagram of carbon fiber composite anchor specimen

2 結果與分析

表1為碳纖維復合錨桿試件的剪切試驗結果。可見，在膠粘劑為Tc前提下，當界面粘結層實際粘結厚度為0.5mm時，兩個平行纖維錨桿的界面極限承載力平均值為54.11kN，界面破壞模式為CFRP 板層間剪切破壞；厚度為1mm時，平均值為67.46kN，界面破壞模式為膠粘劑破壞+CFRP 板層間剪切破壞；厚度為1.5mm時，平均值為69.58kN，界面破壞模式為CFRP 板斷裂破壞+CFRP 板層間剪切破壞。在膠粘劑為T1前提下，當纖維錨桿界面粘結層實際粘結厚度為0.5mm時，兩個平行纖維錨桿的界面極限承載力平均值為48.86kN，界面破壞模式為CFRP 板層間剪切破壞；厚度為1mm時，平均值為48.74kN，界面破壞模式為CFRP 板層間剪切破壞；厚度為1.5mm時，平均值為45.17kN，界面破壞模式為CFRP 板層間剪切破壞。綜合而言，在相同粘結層厚度時，采用Tc的膠粘劑試件的界面極限承載力都高于T1膠粘劑試件；此外，隨著粘結層厚度增加，Tc為膠粘劑時試件的極限承載力平均值逐漸增大，而T1為膠粘劑時纖維錨桿的極限承載力平均值逐漸減小。根據膠粘劑的基本力學性能可知，Tc結構膠粘劑的拉伸強度為39.81MPa、T1結構膠粘劑的拉伸強度為52.92MPa，可見，并不是結構膠黏劑拉伸強度越大，碳纖維復合錨桿試件的極限承載力平均值越大。此外，Tc為膠粘劑時，粘結層厚度從1mm增加至1.5mm時，碳纖維復合錨桿試件的極限承載力變化幅度不大；T1為膠粘劑時，粘結層厚度從1mm增加至1.5mm時，碳纖維復合錨桿試件的極限承載力有所減小。因此，碳纖維復合錨桿試件適宜的Tc膠粘劑和T1膠粘劑的粘結層厚度都為1mm。

表1 碳纖維復合錨桿試件的剪切試驗結果Table 1 Shear test results of carbon fiber composite anchor specimens

圖2為碳纖維復合錨桿試件的荷載-位移曲線，分別列出了Tc為膠粘劑、T1為膠粘劑以及Tc/T1為膠粘劑時試件的荷載-位移曲線。在初始加載階段，碳纖維復合錨桿試件的荷載都會隨著位移增加而快速增大，但是不同碳纖維復合錨桿試件的荷載-位移曲線斜率存在明顯差異。當Tc為膠粘劑時，碳纖維復合錨桿試件的荷載-位移曲線斜率從大至小順序為：0.5mm>1mm>1.5mm，這也就說明碳纖維復合錨桿試件的剛度會隨著粘結層厚度增加而減小；此外，對比分析還可以發現，粘結層厚度為1mm和1.5mm時碳纖維復合錨桿試件的最大位移要大于粘結層厚度為0.5mm的試件，這說明粘結層厚度增加可以提升纖維錨桿的韌性和協調變形能力[13-14]。當T1為膠粘劑時，碳纖維復合錨桿試件的荷載-位移曲線斜率差異性較小，這也就說明此時粘結層厚度對纖維錨桿試件的剛度影響較小。對比Tc和T1為膠粘劑時碳纖維復合錨桿試件的荷載-位移曲線[圖(2c)]可知，T1為膠粘劑時碳纖維復合錨桿試件的剛度要相對Tc為膠粘劑時更大，結合前述的兩種膠粘劑的彈性模量可知，彈性模量更大的膠粘劑可以為碳纖維復合錨桿試件提供更大的剪切剛度，而T1為膠粘劑時碳纖維復合錨桿試件的最大位移要相對Tc為膠粘劑時更小，即Tc為膠粘劑時碳纖維復合錨桿試件的協調變形能力更強，這主要與后者的彈性模量較小，有助于提高纖維錨桿的韌性有關[15]。

圖2 碳纖維復合錨桿試件的荷載-位移曲線Fig. 2 Load displacement curve of carbon fiber composite anchor specimen

纖維錨桿的界面極限承載力主要受斷裂能控制[16]，而試驗過程中的界面斷裂能一方面主要通過滑移曲線與橫坐標的面積來測定，另一方面可以通過計算來獲得，具體界面極限承載力P的計算公式為[17]：

式（1）中，b為CFRP板厚度（mm），G為界面斷裂能（N?mm-1），E為CFRP板彈性模量，t為CFRP板厚。碳纖維復合錨桿試件的界面極限承載力試驗值與預測值列于表2。可見，無論是Tc為膠粘劑還是T1為膠粘劑，不同粘結層厚度碳纖維復合錨桿試件的界面極限承載力試驗值與預測值都較為接近，預測值/試驗值基本都保持在0.8以上；此外，計算得到的界面斷裂能結果表明，Tc-1和Tc-2試件的界面斷裂能要明顯大于其他，究其原因，這主要是因為Tc-1斷裂模式為膠粘劑破壞+CFRP 板層間剪切破壞，Tc-2斷裂模式為CFRP 板斷裂破壞+CFRP 板層間剪切破壞有關[18]；此外，Tc膠粘劑試件的界面斷裂能要大于相同粘結層厚度的T1試件，這主要與Tc為膠粘劑時碳纖維復合錨桿試件的協調變形能力更強、彈性模量較小、有助于提高試件的韌性有關[19]。

表2 碳纖維復合錨桿試件的界面極限承載力試驗值與預測值Table 2 Test and predictive values of the ultimate bearing capacity of the interface of carbon fiber composite anchor specimens

圖3為碳纖維復合錨桿試件的極限承載力試驗值與預測值關系曲線。可見，碳纖維復合錨桿試件的極限承載力試驗值與預測值較為吻合，預測值和試驗值的線性方程為y=0.93x，相關系數R2=0.86。眾多研究表明，相關系數R2值越接近1，擬合曲線的吻合度越高[20-21]。整體而言，碳纖維復合錨桿試件的極限承載力測試結果與基于界面斷裂能的測試結果較好吻合，可以有效對纖維錨桿的極限承載力進行預測。

圖3 碳纖維復合錨桿試件的極限承載力試驗值與預測值關系曲線Fig. 3 Relation curve between test value and predicted value of ultimate bearing capacity of carbon composite fiber anchor specimen

3 結論

（1）Tc為膠粘劑時，粘結層厚度從1mm增加至1.5mm時，纖維錨桿的極限承載力變化幅度不大；T1為膠粘劑時，粘結層厚度從1mm增加至1.5mm時，纖維錨桿力學性能呈下降趨勢；碳纖維復合錨桿試件適宜的Tc膠粘劑和T1膠粘劑的粘結層厚度都為1mm。

（2）當Tc為膠粘劑時，碳纖維復合錨桿試件的荷載-位移曲線斜率從大至小順序為：0.5mm>1mm>1.5mm；當T1為膠粘劑時，粘結層厚度對試件的剛度影響較小。T1為膠粘劑時碳纖維復合錨桿試件的剛度要相對Tc為膠粘劑時更大，彈性模量更大的膠粘劑可以為纖維錨桿提供更大的剪切剛度，而Tc為膠粘劑時纖維錨桿的協調變形能力更強。

（3）無論是Tc為膠粘劑還是T1為膠粘劑，不同粘結層厚度碳纖維復合錨桿試件的界面極限承載力試驗值與預測值都較為接近，預測值/試驗值基本都保持在0.8以上，可為碳纖維復合錨桿的極限承載力預測提供參考。