張旭升 杜小軍 郭 健 黃 棟 汪忠波 石 亮

(1.陜西中機(jī)巖土工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710061;2.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西 西安710061)

錨桿是采用金屬件、聚合物件、木件或其他原材料加工制作而成的桿狀構(gòu)件,因其能比較充分地調(diào)動(dòng)巖土體自身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于各類巖土支護(hù)工程[1]。然而傳統(tǒng)錨桿的耐久性較差、材料強(qiáng)度較低,致使其實(shí)際應(yīng)用面臨嚴(yán)峻問題,例如錨桿銹蝕,傳統(tǒng)巖錨結(jié)構(gòu)面臨嚴(yán)重的耐久性問題。巖錨作為一種地下結(jié)構(gòu),所處環(huán)境復(fù)雜,易受地質(zhì)條件影響,在氣候多變的山區(qū)和地下水富集的軟土地區(qū),巖錨結(jié)構(gòu)的耐久性問題尤為突出[2]。另外,傳統(tǒng)錨桿材料強(qiáng)度較低,導(dǎo)致制作巖錨的材料用量較大,較長(zhǎng)的地下錨固長(zhǎng)度加大了鉆孔深度,會(huì)引起一系列復(fù)雜的地質(zhì)處理問題,地下工程量也會(huì)相應(yīng)增大[3]。鑒于目前所使用的傳統(tǒng)巖錨結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)的一系列問題,人們對(duì)其安全性與耐久性問題愈發(fā)關(guān)注,探尋更為高效、經(jīng)濟(jì)的巖錨結(jié)構(gòu)形式的研究不斷涌現(xiàn)。其中,新型高性能材料的相關(guān)研究獲得了廣泛關(guān)注[4]。

目前,3D打印技術(shù)作為一種創(chuàng)新的增材制造技術(shù)已經(jīng)在制造業(yè)、醫(yī)療、建筑和藝術(shù)設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),采用塑料、金屬等粉末狀材料,通過逐層打印的方式制作成型。相對(duì)于傳統(tǒng)制造方法,3D打印技術(shù)獨(dú)特的工藝可以提高生產(chǎn)效率,節(jié)省時(shí)間。此外,3D打印通過使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),減少了生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)和消耗[5]。

近年來,3D打印技術(shù)在巖土力學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。Gell等[7]利用3D打印技術(shù)模擬真實(shí)巖石的可行性,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在巖石力學(xué)應(yīng)用方面具有潛力。Ju等[8]利用3D打印技術(shù)重構(gòu)天然煤巖物理模型并進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),結(jié)果表明其破壞模式與煤巖試樣相似。鞠楊等[9]采用3D打印技術(shù)制備煤巖模型,成功實(shí)現(xiàn)了煤巖內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場(chǎng)的可視化。江權(quán)等[10]以石膏粉末為打印材料制作類巖體,通過力學(xué)試驗(yàn)證明3D打印技術(shù)用于巖土工程室內(nèi)試驗(yàn)的有效性和可行性。劉泉聲等[11]通過研究不同黏著劑濃度及干燥時(shí)間對(duì)3D打印試樣強(qiáng)度的影響,并提出了3D打印巖石的最優(yōu)方案。張濤等[12]通過3D打印技術(shù)制作了含不同傾角預(yù)制柱狀節(jié)理的巖石試樣,并研究了含柱狀節(jié)理打印巖石的各向異性力學(xué)特性。

而在3D打印金屬錨桿方面也開展了較多研究。例如,Kempen等[13]采用3D打印技術(shù)制造了Al-Si10Mg合金構(gòu)件,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示,該構(gòu)件的致密度高達(dá)99.5%,抗拉強(qiáng)度達(dá)到400MPa。馮曉巍等[14-16]運(yùn)用3D打印技術(shù),制作了3種不同金屬粉末材料的錨桿,并在拉伸試驗(yàn)、SEM和金相測(cè)試等方面進(jìn)行了探究。結(jié)果表明,不銹鋼粉末成型技術(shù)制造的錨桿在強(qiáng)度和變形方面更接近于真實(shí)錨桿。張成文等[17]研究結(jié)果顯示,通過特殊的加工工藝,結(jié)合先進(jìn)的螺紋加工技術(shù),可以顯著提高金屬高強(qiáng)度粗尾錨桿的整體性能。其中,增加錨桿尾部的延伸率是提升錨桿性能的重要方法之一,這樣可以顯著改善錨尾的塑性特性和整體強(qiáng)度。

然而目前對(duì)于3D打印錨桿的研究?jī)H限于進(jìn)行較為單一的力學(xué)性能測(cè)試,并未對(duì)其與混凝土之間的粘結(jié)性能進(jìn)行深入研究?；诖?本研究旨在通過比較研究不同金屬粉末材質(zhì)的3D打印錨桿與真實(shí)錨桿的力學(xué)性能差異,確定適用于模擬真實(shí)錨桿的材質(zhì)。隨后,通過拉拔試驗(yàn)研究其與混凝土之間的粘結(jié)性能,為3D打印錨桿應(yīng)用研究提供一種新的思路和方法。

1 3D打印錨桿的制作

1.1 3D打印技術(shù)原理

3D打印錨桿是通過選擇性激光熔化技術(shù)(SLM)打印技術(shù)制作成型。用于打印的原材料是金屬粉末,它的打印原理如圖1所示。打印步驟如下:① 送粉柱塞上升將金屬粉末從粉料缸中微微頂出;② 鋪粉輥滾動(dòng)將粉末推至成型缸,使粉末覆蓋工作平臺(tái);③ 激光束根據(jù)計(jì)算機(jī)的文件信息熔化并燒結(jié)當(dāng)前層;④ 制造柱塞向下移帶動(dòng)成型缸下降一個(gè)打印層厚度;⑤ 重復(fù)步驟①～④,直至打印完成[18]。打印過程在充滿惰性氣體的工作室內(nèi)進(jìn)行,以防止金屬粉末在高溫下氧化。

圖1 SLM打印原理Fig.1 SLM printing principle

1.2 錨桿的設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)所用錨桿是通過HK-M125型3D打印機(jī)打印而成,打印層厚度在0.2～0.5 mm范圍內(nèi),完全滿足錨桿打印精度需求。在進(jìn)行打印工作之前,用KSCAN20掃描儀對(duì)其掃描建模,掃描儀的掃描精度為0.02 mm,分辨率為0.05 mm,滿足錨桿建模的精度要求。通過使用Geomagic Wrap軟件對(duì)掃描儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,去除原始數(shù)據(jù)中的浮點(diǎn)和雜點(diǎn),并填充未采集到的數(shù)據(jù)。在完成數(shù)據(jù)處理后,導(dǎo)出數(shù)據(jù)模型文件(stl文件)。打印材料選擇不銹鋼粉末、鋁合金粉末、模具鋼粉末,打印成型的3D打印錨桿如圖2所示,真實(shí)錨桿及3D打印錨桿的相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。

表1 真實(shí)錨桿及3D打印錨桿的物理參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of physical parameters of real bolt and 3D printed bolt

圖2 真實(shí)錨桿、錨桿數(shù)字模型及3D打印錨桿Fig.2 Real bolt,bolt digital model and 3D printed bolt

1.3 3D打印錨桿拉伸性能測(cè)試

錨桿的極限抗拉強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)變對(duì)其支護(hù)能力都非常重要。在設(shè)計(jì)錨桿時(shí),需要綜合考慮材料的強(qiáng)度、應(yīng)變等因素,以確保錨桿具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,從而發(fā)揮其最大的支護(hù)作用[19]。

試驗(yàn)采用WAW31000微機(jī)伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)真實(shí)錨桿及3D打印錨桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)采用位移控制的加載方式,加載速率為0.05 mm/s。得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖可知,3D打印模具鋼、不銹鋼、鋁合金錨桿和真實(shí)錨桿的抗拉強(qiáng)度分別為929.07、599.96、299.21和532.47 MPa。其峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分別為0.05、0.14、0.03和0.17。結(jié)果表明,3D打印不銹鋼錨桿在極限抗拉強(qiáng)度與極限拉伸應(yīng)變上與真實(shí)錨桿相似;3D打印模具鋼錨桿極限抗拉強(qiáng)度雖高于其他組,但其應(yīng)變遠(yuǎn)低于真實(shí)錨桿;3D打印鋁合金錨桿在拉伸性能方面與真實(shí)錨桿相差較大。因此,3D打印不銹鋼錨桿適合作為模擬真實(shí)錨桿的材料進(jìn)行更深一步的試驗(yàn)研究。

2 3D打印不銹鋼錨桿的粘結(jié)性能

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)主要研究3D打印不銹鋼錨桿、真實(shí)錨桿與混凝土之間的粘結(jié)性能。試驗(yàn)分為2組,即3D打印不銹鋼錨桿組和真實(shí)錨桿組。每組分別制備3個(gè)試件,混凝土試塊的尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm。試驗(yàn)中考慮了不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)(C30、C40)對(duì)粘結(jié)性能的影響。

2.2 試驗(yàn)材料

在試驗(yàn)中使用的混凝土采用了P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料選用的是粒徑在5～20 mm范圍內(nèi)的碎石骨料,而細(xì)骨料則是河砂,其細(xì)度模數(shù)為2.7。拌合水采用自來水,減水劑選擇聚羧酸減水劑,其減水率為20%。具體的混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土的配合比Table 2 Mix ratio of concrete

2.3 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

拔出試件如圖4所示,模具底部開設(shè)孔洞,確保錨桿可以固定在試模內(nèi)。將錨桿埋入不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試塊中,錨桿的粘結(jié)長(zhǎng)度設(shè)置為5d,其余段采用PVC管包裹且開口處仍伸出一段,防止試塊加載端處的混凝土在拉拔過程中受到混凝土的局部擠壓,導(dǎo)致其端口附近的錨桿與試塊中的錨桿應(yīng)力狀態(tài)差別過大,影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試件采用垂直澆筑的方式進(jìn)行制備,在澆筑24 h后進(jìn)行拆模,然后將試件放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行28 d的養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后,進(jìn)行拉拔試驗(yàn)[20]。

圖4 試件示意圖Fig.4 Schematic diagram of specimen

2.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用WAW31000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載,加載速率為0.5 mm/min。將養(yǎng)護(hù)28 d的試件置于反力架上,在錨桿的自由端安裝位移計(jì),由其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,記錄試件自由端的位移值。固定裝置如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)加載裝置Fig.5 Test loading device

3 結(jié)果與分析

3.1 破壞模式分析

抗拔試驗(yàn)的破壞模式主要有:錨桿拔出、混凝土劈裂破壞(表3)。錨桿被拔出破壞:加載過程中,混凝土表面沒有明顯的變化,錨桿肋間的混凝土被碾碎,破壞了錨桿與混凝土之間的粘結(jié),導(dǎo)致錨桿被拔出,如圖6(a)?；炷僚哑茐?加載初期,觀察到試塊并沒有明顯的變形,且錨桿的滑移值很小;隨著加載端施加的拉力增大,錨桿的滑移量開始增大,在接近拉力的峰值時(shí),混凝土塊表面開始出現(xiàn)裂紋,裂紋隨著施加的力的增加而開始逐步擴(kuò)展,當(dāng)拉力達(dá)到峰值時(shí),試樣發(fā)出聲響。伴隨著混凝土的斷裂聲,混凝土出現(xiàn)明顯的裂縫,應(yīng)力開始下降,試件發(fā)生破壞,如圖6(b)所示。

表3 3D打印錨桿與真實(shí)錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Drawing test results of 3D printed bolt and real bolt

圖6 試件的破壞形態(tài)Fig.6 Failure patterns of specimens

從試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,錨桿的類型對(duì)破壞模式有明顯影響。與真實(shí)錨桿相比,3D打印不銹鋼錨桿試件的裂縫寬度相對(duì)較寬,且破壞現(xiàn)象更明顯。分析其原因是由于3D打印不銹鋼錨桿是通過金屬顆粒燒結(jié)熔化制成的,其表面相對(duì)于真實(shí)錨桿來說較為粗糙。這種粗糙表面的形式導(dǎo)致試件的機(jī)械咬合力和摩擦力增大,同時(shí)錨桿肋間凹槽的摩擦阻力也增大,出現(xiàn)了明顯的摩擦現(xiàn)象。這些因素導(dǎo)致錨桿肋間的混凝土殘留物迅速增多,如圖6(c)所示。

3.2 粘結(jié)強(qiáng)度

為方便對(duì)比3D打印不銹鋼錨桿、真實(shí)錨桿與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度,采用錨桿粘結(jié)長(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)的最大平均粘結(jié)應(yīng)力作為3D打印不銹鋼錨桿與混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度,最大平均粘結(jié)強(qiáng)度(應(yīng)力)計(jì)算公式如下式所示。

式中,τ為平均粘結(jié)強(qiáng)度,MPa;P為加載端所受的拉拔力,N;d為錨桿的直徑,mm;l為錨桿的錨固長(zhǎng)度,mm。其粘結(jié)強(qiáng)度、破壞形式、峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移值如表3所示。

3.3 3D打印不銹鋼錨桿粘結(jié)強(qiáng)度影響分析

3.3.1 錨桿類型對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

對(duì)比分析錨桿類型對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明,3D打印不銹鋼錨桿、真實(shí)錨桿與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度方面均有不同程度的提升。相對(duì)于真實(shí)錨桿,3D打印不銹鋼錨桿與C30、C40混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了1.73%和1.64%。這說明3D打印不銹鋼錨桿混凝土的粘結(jié)錨固作用強(qiáng)于真實(shí)錨桿,分析其原因是3D打印不銹鋼錨桿表面的粗糙度大于真實(shí)錨桿,使其與混凝土的機(jī)械咬合力與摩擦力提高,繼而提高了錨桿表面與混凝土交界面的粘結(jié)強(qiáng)度。

圖7 錨桿類型對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.7 Influence of bolt type on bond strength

3.3.2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

對(duì)比分析混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖8所示。結(jié)果顯示:無論是3D打印不銹鋼錨桿還是真實(shí)錨桿,它們與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度都隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大。相較于真實(shí)錨桿與C30、C40混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度,3D打印不銹鋼錨桿與C30、C40混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了5.7%和5.9%。分析其原因是隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高,錨桿與混凝土之間的化學(xué)膠著力和機(jī)械咬合力增大,混凝土與錨桿之間的粘結(jié)力增強(qiáng),使得混凝土具有更好的抗劈裂能力,減慢了混凝土內(nèi)部破壞的速度,因此混凝土粘結(jié)強(qiáng)度得到增強(qiáng)。

圖8 混凝土強(qiáng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.8 Influence of concrete strength on bond strength

3.4 3D打印不銹鋼錨桿、真實(shí)錨桿與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度-滑移曲線分析

在對(duì)試塊進(jìn)行拉拔試驗(yàn)后,通過對(duì)數(shù)據(jù)采集箱得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,繪制出2種類型的錨桿與混凝土的平均粘結(jié)強(qiáng)度-滑移曲線如圖9所示。其中每組拉拔試件選取一個(gè)代表性試件進(jìn)行分析。從曲線中可以觀察到錨桿與混凝土的τ-s曲線分為微滑移階段、滑移階段、下降階段和殘余階段。需要注意的是,只發(fā)生劈裂破壞的試件在曲線上只有微滑移階段和滑移階段。

圖9 3D打印不銹鋼錨桿、真實(shí)錨桿與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度-滑移曲線Fig.9 Bonding slip curves between 3D printed stainless steel bolt and real bolt and concrete

微滑移階段(圖9AB段):曲線呈線性變化。在這個(gè)階段,粘結(jié)力主要由化學(xué)膠著力提供。試塊沒有明顯的變化,自由端也沒有明顯的位移,加載過程中只產(chǎn)生微小的滑移現(xiàn)象。這意味著錨桿與混凝土之間的粘結(jié)處于初始階段,化學(xué)膠著力起主導(dǎo)作用,試件整體保持相對(duì)穩(wěn)定。

滑移階段(圖9BC段):隨著荷載的不斷增加,化學(xué)膠著力逐漸減小至零。在這個(gè)階段,粘結(jié)力主要由摩擦力和機(jī)械咬合力提供,此時(shí)試件的自由端開始出現(xiàn)滑移。這意味著錨桿與混凝土之間的化學(xué)膠著力已經(jīng)無法抵抗加載力,粘結(jié)由摩擦和咬合力維持。

下降階段(圖9CD段):試樣表面開始出現(xiàn)裂縫,導(dǎo)致試樣中的摩擦力和機(jī)械咬合力開始下降。在這個(gè)階段,粘結(jié)力仍然由摩擦力和機(jī)械咬合力提供,但其數(shù)值持續(xù)減小。加載段和自由端的滑移不斷增大。

殘余階段(圖9D點(diǎn)之后):粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最低點(diǎn)。在這個(gè)階段中,粘結(jié)力仍然由摩擦力和機(jī)械咬合力提供。隨著滑移量的繼續(xù)增加,錨桿最終被完全拔出,試塊發(fā)生破壞[20-21]。

由圖9可知,在相同條件下,3D打印不銹鋼錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度高于真實(shí)錨桿,且3D打印不銹鋼錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度-滑移曲線的斜率大于真實(shí)錨桿的斜率。分析其原因可能是3D打印不銹鋼錨桿特殊的制作方式,導(dǎo)致其與混凝土之間的摩擦力和機(jī)械咬合力大于真實(shí)錨桿。在這種條件下,3D打印不銹鋼錨桿達(dá)到峰值粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),滑移值相對(duì)于真實(shí)錨桿要小一些。

從圖9中可以清晰地看出,隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提升,3D打印不銹鋼錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度提高,粘結(jié)強(qiáng)度-滑移曲線的斜率增大,峰值滑移量減小。當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越低時(shí),3D打印不銹鋼錨桿與混凝土粘結(jié)交界處越容易開裂,導(dǎo)致錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度降低。隨著混凝土強(qiáng)度提升,3D打印不銹鋼錨桿的機(jī)械咬合力和膠著力大大提高,混凝土的抗劈裂強(qiáng)度也隨之提升,從而提高了錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度,使得峰值滑移所對(duì)應(yīng)的滑移量減小。

4 結(jié) 論

(1)3D打印鋁合金錨桿在應(yīng)力和應(yīng)變上小于其他類型的錨桿;3D打印模具鋼的拉伸強(qiáng)度高于其他類型的錨桿,但在應(yīng)變上小于真實(shí)錨桿;3D打印不銹鋼錨桿在拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變上與真實(shí)錨桿接近,因此適合做模擬真實(shí)錨桿的材料。

(2)在相同條件下,3D打印不銹鋼錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度高于真實(shí)錨桿;當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)分別為C30、C40時(shí),3D打印不銹鋼錨桿相比于真實(shí)錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度分別提升了1.73%、1.64%。

(3)相比于真實(shí)錨桿,3D打印不銹鋼錨桿與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度-滑移曲線的上升段斜率相對(duì)較大,峰值粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移值相對(duì)較小;隨著混凝土強(qiáng)度的增加,3D打印不銹鋼錨桿與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度增大,粘結(jié)強(qiáng)度-滑移曲線上升段的斜率增大,峰值粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移值減小。