曹夫利，張鋒劍，李樹山，張 遠，武海榮，張文明，王啟源，花炬齊

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045；2.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山467036)

近年來國家高度重視環(huán)保工作，節(jié)能減排成為行業(yè)共識，建筑工程中也越來越多地使用新型環(huán)保建筑材料，煤矸石多孔磚砌體就是其中之一，因其良好的保溫性、防潮性，被越來越多地應用于承重墻及填充墻中。膨脹螺栓作為墻體中常用的小型標準件，具有鉆孔小、拉力大、使用后外露端頭平整且拆除后仍可保持墻面平整等優(yōu)點。由于以上諸多優(yōu)勢，膨脹螺栓的用量顯著增多，膨脹螺栓在多孔磚墻體中的應用也越來越廣泛。

秦士洪等對專用膨脹螺栓在燒結頁巖多孔磚砌體中的錨固性能進行了拉拔試驗[1]，研究結果表明，專用膨脹螺栓錨固于多孔磚砌體的不同位置均可形成“自螺母效應”，從而達到并略超過其產(chǎn)品拉拔力設計值，滿足工程使用要求；范建洲、陳榮康等對膨脹螺栓在混凝土中的拉拔力進行了試驗[2-3]，闡述了試驗對象、試驗方法和試驗設計準則，并對影響膨脹螺栓拉拔性能的因素進行了分析和評價；黃榜彪等以城市污泥為原料制備城市污泥燒結頁巖磚，研究了膨脹螺栓在磚體中的拉拔承載力[4]，通過分析膨脹螺栓在靜載作用下的破壞狀態(tài)，得出了螺栓直徑、錨固部位、砂漿強度等對其錨固性能的影響規(guī)律；李硯波等對埋置于CS板內的膨脹螺栓進行了拉拔試驗和剪切試驗[5]，確定了膨脹螺栓在CS板內用做緊固件時，其抗拔與抗剪承載力的允許值，分析了混凝土面層厚度對承載力的影響，并根據(jù)極限狀態(tài)下膨脹螺栓的破壞特征，提出了CS板內埋置膨脹螺栓的抗拔與抗剪承載力理論公式，為工程應用提供了依據(jù)；楊東平通過對化學錨栓與膨脹螺栓進行的拉拔承載力試驗[6]，測定了膨脹螺栓極限抗拉狀態(tài)下的承載力，分析試驗現(xiàn)象，總結了兩種螺栓的錨固機理，并得出其極限抗拉狀態(tài)下的受力性能，為更進一步的研究奠定了基礎。

國內已有的膨脹螺栓拉拔試驗大多是在混凝土和實心磚砌體中進行的，針對煤矸石多孔磚砌體中的膨脹螺栓拉拔試驗研究較少。本文利用正交試驗，研究膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體中的拉拔承載力，綜合考慮墻體及螺栓的破壞形態(tài)，研究膨脹螺栓的直徑、埋入深度及其對應錨固位置對拉拔受力性能的影響，為實際工程提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及試件制作

1.1.1 膨脹螺栓

試驗所用膨脹螺栓規(guī)格為M8、M10、M12和M14，長度均為150 mm，尺寸和強度均符合國家標準。膨脹螺栓由沉頭螺栓、脹管、平墊圈、彈簧墊和六角螺母組成。膨脹螺栓的工作原理是將其打到墻面孔洞后，從外部緊固六角螺母，將螺桿從墻體中拔出，帶動另一端的楔形沉頭，使脹管在孔洞中緩慢膨脹，從而將膨脹螺栓錨固在墻體內部。

1.1.2 煤矸石多孔磚

試驗用磚為KP1型燒結煤矸石多孔磚，強度等級MU10，孔洞率25%，孔型為圓孔，規(guī)格為240 mm×115 mm×90 mm。按照《砌墻磚試驗方法》[7]中的規(guī)定，隨機抽取10塊多孔磚作為試樣，逐一進行抗壓強度試驗，計算其抗壓強度平均值，根據(jù)《燒結多孔磚和多孔砌塊》[8]中規(guī)定，計算該批試樣的抗壓強度標準值，見表1。結合規(guī)范要求，強度等級為MU10的多孔磚抗壓強度平均值不小于10.0 MPa，抗壓強度標準值不小于6.5 MPa，該批次煤矸石多孔磚強度合格，可以用于試驗。

1.1.3 砌筑砂漿

砌筑墻體使用M10水泥砂漿，砌筑墻體時，按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[9]中的規(guī)定，預留尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的砂漿試塊，并進行編號，試塊放置在實驗室內自然養(yǎng)護24 h后拆模，拆模后將所有試塊放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，測試所有試塊28 d立方體抗壓強度，見表2。

1.1.4 試件制作

先制作地梁，在地梁上砌筑墻體，采取梅花丁砌筑形式，墻體與構造柱連接處預留馬牙槎。墻體圈梁及構造柱使用C30混凝土澆筑，構件制作完成后，采用毛氈覆蓋，并定期向試件灑水，保持試驗墻體的溫濕狀態(tài)，滿足養(yǎng)護條件。

表1 煤矸石多孔磚抗壓強度指標

表2 砂漿抗壓強度指標

1.2 試驗方案設計

正交試驗表采用L16(43)正交設計試驗方案，正交試驗三因素四水平見表3，每組拉拔4個膨脹螺栓，承載力取4次試驗平均值。

表3 正交試驗三因素四水平

1.3 膨脹螺栓拉拔試驗

圖1 膨脹螺栓錨固位置示意圖

進行膨脹螺栓拉拔試驗時，采用XH-10T型錨桿拉力計，該儀器由高壓手動泵、穿心千斤頂、數(shù)顯壓力表、高壓膠管等部件構成。拉力計的千斤頂最大拉拔力為100 kN，最大行程60 mm，中心最大孔徑27 mm。使用GBH2-26型電錘在墻體上打孔，針對試驗中不同規(guī)格的膨脹螺栓，為電錘配備直徑分別為12 mm、14 mm、16 mm及18 mm的鉆頭。

先使用電錘在墻體上鉆孔，再用鐵錘將膨脹螺栓打入對應孔洞，螺栓被埋入指定深度后，使用扳手將螺母擰緊，固定膨脹螺栓，膨脹螺栓錨固位置見圖1。圖1中：1號位置為順磚中心，2號位置為丁磚中心，3號位置為豎縫中心，4號位置為橫縫中心。

將膨脹螺栓外露的螺桿部分與拉桿連接，加入合適的夾片使拉桿與拉力計的夾頭銜接穩(wěn)固。緩慢按壓手動泵對膨脹螺栓進行加載，活塞桿頂住夾頭向外運動，直至數(shù)顯表上出現(xiàn)穩(wěn)定增大的數(shù)值，此時千斤頂向外的拉力可穩(wěn)定作用于被測螺栓，壓力表讀數(shù)為膨脹螺栓對應的極限荷載峰值，膨脹螺栓拉拔試驗結果見表4。

表4 膨脹螺栓拉拔力正交試驗表及結果

2 試驗結果分析

2.1 試驗現(xiàn)象分析

膨脹螺栓的拉拔試驗中，螺栓有兩種破壞形式。形式1為螺栓和脹管整體被拔出，如圖2所示，加載初期壓力泵讀數(shù)迅速增大，隨后拉拔力數(shù)值趨于穩(wěn)定且無明顯變化，可以聽到螺栓被拔出時與墻體摩擦發(fā)出沙沙聲，直至螺栓被完整拔出，試驗結束，磚體表面孔洞周圍出現(xiàn)裂紋并剝落形成錐狀小坑。形式2為螺栓的螺桿被拔出，脹管仍留在墻體中，如圖3所示，試驗初期，膨脹螺栓拉拔承載力持續(xù)增大后趨于穩(wěn)定，與形式1中的數(shù)值變化保持一致，壓力泵讀數(shù)穩(wěn)定后不久，拉拔力突然再次增大，墻體中不再有金屬與墻體擠壓的摩擦聲，直至螺桿突然被拔出，發(fā)出嘣的一聲，此時脹管仍留在墻體中，脹管端部開裂，但脹管周圍的墻面較為完整，沒有剝落現(xiàn)象。

通過對比兩種膨脹螺栓的破壞現(xiàn)象與實測數(shù)據(jù)，破壞形式1，膨脹螺栓整體被拔出時的拉拔承載力較低，錨固端完好，且此情況發(fā)生在磚體中較多，原因是打孔對磚肋和內部造成了損傷，螺栓與墻體錨固點強度產(chǎn)生折減，錨固節(jié)點強度不足導致螺栓失效被拔出。破壞形式2，膨脹螺栓的螺桿從脹管中被拔出時膨脹螺栓實測拉拔力數(shù)值較大，且破壞形態(tài)較為完整。

圖2 膨脹螺栓破壞形式1

圖3 膨脹螺栓破壞形式2

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.1 正交試驗的極差分析與方差分析

對膨脹螺栓的拉拔正交試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，結果見表5。計算極差R值大小并進行比較，對于影響膨脹螺栓錨固能力的3個因素中，直徑(A因素)的極差最大，是影響抗拔承載力的主要因素；埋入深度(B因素)極差次之，是重要因素；錨固位置(C因素)極差最小，是次要因素，對承載力影響最小。

表5 膨脹螺栓拉拔承載力極差分析

對膨脹螺栓的拉拔正交試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，見表6。F為某個因素的均方與誤差的平均離差平方和的比值，α為檢驗水平，臨界值取α=0.05時的F值。

表6 膨脹螺栓拉拔承載力方差分析

通過對正交試驗結果的極差分析和方差分析，膨脹螺栓的直徑是影響其在煤矸石多孔磚墻體中拉拔承載力的主要因素，埋入深度為重要因素，錨固位置為次要因素。極差分析與方差分析的優(yōu)選方案相同，最優(yōu)組合為A4、B4、C3。

2.2.2 正交試驗的點圖分析

以各因素水平為橫坐標，試驗指標的平均值k值為縱坐標，繪制各因素與膨脹螺栓錨固能力關系曲線，見圖4，反映出拉拔過程中膨脹螺栓的抗拔承載力隨各因素水平變化的趨勢。

圖4 膨脹螺栓拉拔承載力與各因素水平關系圖

膨脹螺栓直徑對其錨固能力的影響：膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體上的錨固能力受其直徑的影響最為明顯，隨著膨脹螺栓的直徑增大，其承載力呈現(xiàn)上升趨勢，且增長較快，直徑達到M14時，拉拔承載力達到最大。

埋入深度對膨脹螺栓錨固能力的影響：隨膨脹螺栓埋入深度的增加，其錨固性能越來越好，在整個試驗階段，膨脹螺栓的抗拔承載力呈正增長趨勢，試驗初期增速較快，埋入深度為115 mm時增速變慢，埋入深度達130 mm時，膨脹螺栓拉拔承載力最大，此時脹管全長均被埋入墻體中，達到最佳工作狀態(tài)。

錨固位置對膨脹螺栓錨固性能的影響：膨脹螺栓錨固在豎向灰縫中的極限荷載最大，橫向灰縫錨固點處強度次之，而錨固于墻體丁磚和順磚中的極限荷載最小。

2.2.3 膨脹螺栓拉拔承載力公式

結合試驗結果分析的各因素的影響程度，并參考文獻[5]，給出膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體中的拉拔承載力計算公式：

(1)

(1)式中：F為拉拔承載力(N)，d為脹管外徑(mm)，h為膨脹螺栓埋入深度(mm)，fck為砌體抗壓強度(MPa)。其中脹管外徑d取螺桿直徑加4 mm。

將試驗得出的設計值與按公式計算得出的計算值相比(見表4)，二者較為吻合，并具有一定安全儲備，說明膨脹螺栓在煤矸石多孔磚墻體中的拉拔承載力公式能夠為工程實際應用提供理論計算依據(jù)。

3 結論及建議

(1)正交試驗分析結果表明，膨脹螺栓的直徑是影響其在煤矸石多孔磚墻體中的錨固性能的主要因素，埋入深度是重要因素，錨固位置是次要因素，當膨脹螺栓直徑為14 mm，埋入深度取130 mm且錨固于豎向灰縫中時為最優(yōu)組合。

(2)煤矸石多孔磚墻體中，應優(yōu)先選擇豎向灰縫作為膨脹螺栓的錨固點，其次為橫向灰縫錨固點和磚體錨固點，膨脹螺栓錨固在灰縫處的承載力較高。

(3)提出了煤矸石多孔磚墻體內置膨脹螺栓的拉拔承載力計算公式，計算值與膨脹螺栓承載力設計值基本吻合，可以為工程應用提供計算依據(jù)。