劉軍，魏杰，劉鵬，陳達，鄭仔弟，劉展伊

（1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100176）

0 引言

傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索以鋼絞線作為桿體，該桿體要侵入紅線外且切除困難、切除中易出現(xiàn)繃斷進而危及作業(yè)人員安全，我國多地已限制或不允許基坑工程使用鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索[1]。

GFRP筋為一種新型的建筑材料，綠色低碳，其具有可切割性好、抗拉強度高、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點，是替代鋼筋的理想材料，已在土木工程中獲得了廣泛的應(yīng)用[2-3]。采用GFRP筋作為基坑工程的錨桿支護在國內(nèi)外已有諸多研究成果[4-5]?；庸こ虨榕R時性工程，基坑使用壽命結(jié)束后，侵入紅線外的GFRP筋錨桿可輕易被切割，因此對鄰近工程施工，特別是盾構(gòu)施工幾乎沒有影響[6]。錨固體是GFRP筋錨桿支護中極為重要的組成部分，相比普通鋼絞線，GFRP筋材與混凝土砂漿之間的粘結(jié)強度低[7-8]，且筋材與砂漿的粘結(jié)性能規(guī)律也不同于傳統(tǒng)鋼筋[9-10]。已有試驗表明玻璃纖維筋與混凝土之間的粘結(jié)強度只有鋼筋與混凝土粘結(jié)強度的65%左右[11]。因此，根據(jù)GFRP筋的特點研發(fā)錨固體漿液就顯得極為迫切。為提高錨桿的工作性能，國內(nèi)外學(xué)者大多從漿液的水灰比及外加物質(zhì)的角度進行注漿材料的研發(fā)[12-13]，但以往研究中對錨桿注漿材料的泌水率關(guān)注較少，而泌水率是錨桿注漿漿液的重要性能指標(biāo)。傳統(tǒng)水泥漿液在凝固過程中，會在筋材與錨固體界面析出水分，導(dǎo)致接觸界面的粘結(jié)力大幅降低[14]。

為解決GFRP筋與錨固體間粘結(jié)力發(fā)揮的問題，本文研發(fā)一種無泌水、快硬早強的新型漿液，可大幅縮短預(yù)應(yīng)力張拉施工的等待工期，滿足錨固體的性能要求；同時進行了新型漿液錨固體與GFRP筋的粘結(jié)性能試驗并采用數(shù)值模擬方法研究了錨固體內(nèi)粘結(jié)強度的分布規(guī)律，為GFRP筋的進一步應(yīng)用研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：市售P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；速凝劑：北京世紀(jì)路佳建材公司產(chǎn)，HZ-9型噴射混凝土用速凝劑，干粉狀；減水劑：北京健翔化工有限公司產(chǎn)，SN-HPWP型聚羧酸減水劑，減水率25%~28%，固含量15%；膨脹劑：北京世紀(jì)路佳建材公司產(chǎn)，HZ-12型混凝土膨脹劑，白色粉末狀，氧化鎂含量1.15%。

結(jié)合工程應(yīng)用實際，選擇新型漿液水灰比為0.45。速凝劑摻量為2.0%~2.5%，膨脹劑摻量為10%~14%，減水劑摻量為1%~2%。

1.2 試驗方法

為保證注漿固結(jié)體的粘結(jié)效果，需要新型漿液無泌水，流動性好、快硬早強，1 d強度能達到施加預(yù)應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)，且具有適當(dāng)?shù)呐蛎浡?，防止注漿體收縮形成的空隙削弱錨固性能。依據(jù)工程現(xiàn)場的使用要求，最終確定新型漿液需滿足的預(yù)期性能指標(biāo)，見表1。

表1 新型漿液的預(yù)期性能指標(biāo)

流動度：按照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》選用流錐進行測試；凝結(jié)時間：根據(jù)GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》使用維卡儀進行測試；抗壓強度：根據(jù)GB/T 17671—2020《水泥膠砂強度檢驗方法》測試1 d和28 d抗壓強度；膨脹率：根據(jù)GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》漿液自由膨脹率的測試方法進行測試；泌水率：依據(jù)TB/T 3192—2008《鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿劑技術(shù)條件》進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 速凝劑與減水劑對漿液性能的影響

各試驗組配比及試驗結(jié)果如表2所示，表中分組標(biāo)號形式為：J-速凝劑摻量-膨脹劑摻量；J表示新型漿液，膨脹劑為內(nèi)摻，速凝劑和減水劑為外摻，試驗結(jié)果取3次平均值。

表2 流動度試驗漿液配比及結(jié)果

2.1.1 速凝劑與減水劑對漿液流動度的影響

由表2可知，速凝劑摻量增加對漿液的早期流動度影響較為顯著，同時關(guān)注到不同速凝劑摻量，需調(diào)整減水劑摻量以控制漿液流動度符合要求；如若減水劑摻量保持1.8%不變，則速凝劑摻量達到2.5%時，漿液流動度數(shù)值是表中結(jié)果的1倍以上導(dǎo)致漿液無法使用，故未在表中列出?？梢娝倌齽┡c減水劑需結(jié)合使用以滿足GFRP筋錨桿錨固體漿液的流動度要求。

2.1.2 速凝劑與減水劑對漿液凝結(jié)時間與抗壓強度的影響

由表2可得，初凝時間與1 d抗壓強度二者相關(guān)系數(shù)為-0.92，顯然漿液凝結(jié)時間與早期抗壓強度呈負相關(guān)。凝結(jié)時間與抗壓強度指標(biāo)，分別對應(yīng)速凝劑與減水劑的摻量，但兩者共同使用時相互影響，減水劑導(dǎo)致了速凝劑的作用在初凝時無法充分發(fā)揮。在錨桿注漿固結(jié)的早期，漿液抗壓強度對注漿固結(jié)體握裹力的影響顯著，所以凝結(jié)時間短，特別是終凝時間短的漿液，早期強度具有明顯優(yōu)勢，對比速凝劑摻量2%的漿液J-2-10組，J-2.25-10組的終凝時間由15.2 h縮短至8.5 h，縮短44%；1 d強度由11.1 MPa提高至18.0 MPa，提高到1.6倍?？梢娝倌齽搅繉Τ跄龝r間影響較小，而在終凝時間中得到了充分體現(xiàn)；在漿液的長期強度發(fā)展過程中，改變外加劑摻量未對28 d抗壓強度產(chǎn)生明顯影響，長期強度較為穩(wěn)定。因此選用J-2.25-10組的2.25%速凝劑摻量進行后續(xù)試驗。

2.2 膨脹劑對漿液膨脹率的影響

固定速凝劑摻量為2.25%，調(diào)整膨脹劑摻量分別為10%、12%和14%，水泥及膨脹劑總量不變，研究膨脹劑摻量對漿液膨脹率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 膨脹劑摻量對漿液膨脹率的影響

由圖1可知，試件的膨脹主要發(fā)生在硬化早期，在漿液成型7 d內(nèi)已經(jīng)發(fā)生大部分的硬化膨脹，之后膨脹率增長速度逐漸放緩；膨脹劑摻量的增加對漿液試件的膨脹率影響很小，選擇10%摻量的膨脹劑即可。

2.3 減水劑調(diào)整對泌水率的影響

泌水率是體現(xiàn)漿液保水性能的重要指標(biāo)，水泥基材料的泌水一般集中在注漿料表面或內(nèi)部筋材的表面，影響筋材與注漿固結(jié)體的粘結(jié)性能，將直接降低錨桿的錨固性能。為此，需測試漿液自身表層的自由泌水率、漿液與筋材表面的毛細泌水率以及注漿時產(chǎn)生的壓力泌水率，如圖2所示。泌水率試驗漿液配比及結(jié)果見表3。

圖2 泌水率測試

表3 泌水率試驗漿液配比及結(jié)果

由表3可知，通過調(diào)整減水劑的摻量可以實現(xiàn)泌水率為0的性能指標(biāo)；試驗得到的漿液自由泌水率與毛細泌水率均為0，未施加壓力時均無泌水現(xiàn)象，這說明漿液從攪拌完成后至凝結(jié)硬化前，始終處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，漿液保水能力良好，壓力泌水率約為1%，遠低于TB/T 3192—2008規(guī)范中小于3.5%的質(zhì)量檢驗要求；減水劑摻量的改變對漿液壓力泌水率的影響較為明顯，減水劑摻量增加致使壓力泌水率增大，壓力泌水率對減水劑摻量的變化較為敏感，而減水率摻量降低會對漿液流動度造成較大影響，因此選用J-2.25-10組漿液速凝劑摻量為2.25%，膨脹劑摻量為10%，減水劑摻量為1.8%，能夠滿足泌水率為0的要求。

2.4 錨固體漿液工作性能分析

新型漿液在泌水性、流動性、早期強度和膨脹性方面均具有良好的表現(xiàn)，但減水劑與速凝劑的相互作用及對漿液性能指標(biāo)的影響是復(fù)合的，如圖3所示，研制時需不斷調(diào)整以滿足漿液的各項性能指標(biāo)。該新型漿液快硬早強，1 d強度即可達到錨桿施加預(yù)應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)，能夠充分節(jié)約工期；漿液的早期流動性好和微膨脹，保證了錨桿注漿過程中能夠充填鉆孔和巖土體裂隙，且漿液的泌水率為0，這些都為錨桿與錨固體的粘結(jié)性能提供了可靠保證。

圖3 外加劑及其對性能指標(biāo)的影響

2.5 GFRP筋錨桿與錨固體的性能

2.5.1 錨固體漿液成型試塊強度試驗

對與錨固體試件同條件養(yǎng)護的漿液試塊，分別測試傳統(tǒng)漿液（水灰比0.45的純水泥漿，下同）、新型漿液（J-2.25-10組，下同）的抗壓、抗折強度。試件選用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，2類漿液制作成型試塊各3組，養(yǎng)護時間為3 d，使用SANS液壓試驗機進行強度測試。

測得傳統(tǒng)水泥漿液的3 d抗壓、抗折強度分別為16.8、4.82 MPa，新型漿液的3 d抗壓、抗折強度分別為26.0、5.12 MPa。由于GFRP錨桿注漿主要依靠漿液的抗壓強度，新型漿液早期抗壓強度顯著提高，其強度增長速度遠大于傳統(tǒng)水泥漿液，但在抗折強度方面兩者差別不大。

2.5.2 GFRP筋錨桿與錨固體的錨固性能

通過錨固體加載試驗，測試GFRP筋錨桿與錨固體的粘結(jié)工作性能。根據(jù)工程實際，分別使用傳統(tǒng)水泥漿液和新型漿液制作GFRP筋錨桿錨固體試件，用以對比兩者的錨固性能差異。

錨固體為圓柱形，直徑為200 mm，長度為640 mm；單根GFRP筋錨桿的公稱直徑為32 mm，長度2.2 m，埋置于錨固體的中間位置，錨固體試件養(yǎng)護3 d后用穿心千斤頂進行張拉，同步監(jiān)測拉力荷載和筋材位移，如圖4所示。GFRP筋錨桿錨固體試件的破壞荷載與破壞時位移如圖5所示。

圖4 加載與測試過程

圖5 不同漿液試驗組的荷載-位移曲線

由圖5可知，采用新型漿液的試件最大破壞荷載為283 kN，相比傳統(tǒng)漿液的252 kN，提高約13%，最大破壞位移由35 mm減小至13 mm，破壞時的位移減小至傳統(tǒng)漿液的37%；相同荷載條件下，使用新型漿液的筋材位移顯著小于傳統(tǒng)漿液，表現(xiàn)出全過程的位移穩(wěn)定性，新型漿液使得筋材螺紋間注漿固結(jié)體的抗壓強度及漿液與筋材的粘結(jié)性能提高，為桿件提供持久穩(wěn)定的機械咬合力和摩擦力，顯著減小了筋材的滑移。

2.6 GFRP筋錨桿與錨固體的錨固性能分析

運用FLAC3D軟件建立GFRP筋錨桿與錨固體數(shù)值計算模型，模型采用前述試驗原型的尺寸參數(shù)，均使用實體單元建立，如圖6所示。將錨固體側(cè)面周邊及后底面設(shè)置為固定約束，其余界面為自由，錨桿與注漿體界面設(shè)置接觸面并賦值，分別對使用傳統(tǒng)漿液和新型漿液兩種工況進行加載模擬。兩者參數(shù)差異主要表現(xiàn)在漿液的彈性模量和粘聚力。由錨固體試驗結(jié)果可知，新型漿液在單位拉拔力作用下筋材與錨固體的相對位移減小，即彈性模量較大，約為傳統(tǒng)漿液的1.6倍；由配比試驗可知新型漿液在泌水率等方面亦有明顯優(yōu)勢，故相應(yīng)提高了粘聚力等參數(shù)值。模擬接觸面參數(shù)的賦值見表4，分析2種工況的受力破壞過程。錨固體應(yīng)力云圖如圖7所示，在錨固體中間位置做切片，可見錨固體內(nèi)部各位置的位移分布如圖8所示。

圖6 錨桿與錨固體模型

表4 2種工況下的接觸面參數(shù)

圖7 錨固體應(yīng)力云圖

由圖7可知，隨著荷載的增大，錨固體前端處的錨桿出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對比可知，使用傳統(tǒng)漿液的錨固體在該位置截面粘結(jié)應(yīng)力作用下，網(wǎng)格流動破壞更為明顯，傳統(tǒng)漿液由于粘聚力和彈性模量相對較小而更易破壞，與錨固體試驗現(xiàn)象與結(jié)果相吻合。

由圖8可知，傳統(tǒng)漿液的注漿體內(nèi)部位移云圖分布不夠平滑，存在明顯的錐形開裂面，位移過渡不連續(xù)，說明其內(nèi)部的粘聚力較弱，在應(yīng)力由筋材向錨固體傳遞的過程中，不能很好地限制筋材位移，且隨荷載增大該現(xiàn)象愈加明顯，錨固體易發(fā)生開裂，加大了筋材拔出破壞的風(fēng)險；采用新型漿液時，位移云圖分布平滑，在較大荷載的作用下，不同深度的注漿體仍能協(xié)同發(fā)揮粘結(jié)作用，能很好地控制筋材位移并提供足夠的承載力，這也與錨固體試驗相互驗證。

圖8 錨固體位移云圖

5 結(jié)論

（1）針對GFRP筋材的特性，新型漿液通過調(diào)節(jié)減水劑、速凝劑和膨脹劑的摻量，實現(xiàn)漿液的自由泌水率、毛細泌水率均為0，注漿條件下的壓力泌水率遠優(yōu)于規(guī)范要求，有效保證筋材與錨固體的緊密結(jié)合，控制漿液硬化收縮，提高了筋材咬合時漿液的抗壓強度，最終使得GFRP筋材與錨固體的粘結(jié)性能得到提高。

（2）通過對漿液流動性、凝結(jié)時間及早期強度進行關(guān)聯(lián)分析，得出減水劑與速凝劑作用呈負相關(guān)，二者需結(jié)合使用，且減水劑摻量對新型漿液的多項性能尤其是泌水率的影響較為敏感。平衡兩者用量后可使?jié){液能快硬早強、無泌水，1 d抗壓強度即可達到預(yù)應(yīng)力施加標(biāo)準(zhǔn)，能縮短工期。

（3）以錨固體加載試驗和數(shù)值模擬相互驗證，得出新型漿液彈性模量和粘結(jié)性能的提高，使荷載作用下GFRP筋錨桿錨固體內(nèi)部位移分布更加平滑，可有效發(fā)揮協(xié)同變形的作用，從而使錨固體承載力得到提升，破壞時的位移顯著減小。