玄武岩纤维复合筋材在岩土工程中的应用研究

2016-11-22高岩川

四川建筑 2016年5期

关键词：筋材玄武岩拉力

高岩川，贺雄，胡熠

(1. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052；2. 绿地集团西南事业部, 四川成都 610031)

玄武岩纤维复合筋材在岩土工程中的应用研究

高岩川1，贺雄2，胡熠1

(1. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052；2. 绿地集团西南事业部, 四川成都 610031)

玄武岩纤维复合筋是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，通过拉挤工艺形成的一种新型非金属复合材料。文章在正准确掌握玄武岩纤维复合筋材各项物理力学特性的基础上，在绿地中心基坑项目中利用玄武岩纤维复合筋材替换一般钢筋对基坑边坡岩土进行锚喷支护，并对边坡支护效果进行了长期观测，验证了玄武岩纤维复合筋材在岩土工程中作为锚杆及网筋的可行性。研究成果可以为今后玄武岩纤维复合筋材在工程建设中的推广应用提供可借鉴的工程经验。

玄武岩纤维筋材；岩土工程；锚杆；现场试验

随着目前国家对生态环境的重视和对污染控制力度的加大，在今后的建筑工程建设中，新型绿色环保材料的应用必将成为一种发展新趋势。玄武岩纤维复合筋(简称 BFRP)是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，经拉挤工艺形成的一种新型非金属复合材料，该材料项目先后被列为国家863计划和国家级火炬计划。与普通钢筋相比具有绿色环保、强度高、质量轻、绝缘性好和抗腐蚀等优点，在工程建设中非常适合替换现有普通钢筋材料使用。特别是玄武岩纤维复合筋材防腐蚀的特性，非常适用于地下水具有一定腐蚀性的成都含膏红层泥岩地区，拥有巨大的推广应用前景。鉴于上述情况，绿地集团与中国建筑西南勘察设计研究院以成都绿地东村8号地块工程建设为依托，开展了玄武岩纤维复合筋材在岩土边坡支护工程中的应用研究。在正确掌握玄武岩纤维复合筋材各项物理力学特性的基础上，利用玄武岩纤维复合筋材替换一般钢筋对基坑边坡岩土进行锚喷支护，并对边坡支护效果进行了长期观测，验证了玄武岩纤维复合筋材在岩土工程中作为锚杆及网筋的可行性。本次应用研究成果可以为今后玄武岩纤维复合筋材在工程建设中的推广应用提供可借鉴的工程经验。

1 玄武岩纤维筋材物理力学特性

在将玄武岩纤维复合筋材作为岩土边坡锚杆和面网之前，首先对玄武岩纤维复合筋材的物理力学特性进行了室内测试试验，测试内容包括材料的抗拉强度、弹性模量、抗腐蚀性以及与砂浆粘结性能等，室内试验照片如图1所示。

(a)张拉试件 (b)制备锚固试件图1 玄武岩筋材粘结力试验

根据室内试验测试结果可知，玄武岩纤维复合筋材密度约1.9～2.1 g/cm3。不同直径玄武岩纤维筋材抗拉强度平均值约916.7～1 139.4 MPa，拉伸弹性模量平均值约46.3～54.3 GPa。实测耐碱强度保留率平均值为96.0 %，耐酸强度保留率平均值为92.6 %。对于常用尺寸的工程锚杆(φ10 mm以上)，玄武岩纤维复合筋材与M20、M30砂浆粘结强度约为5 MPa，与C30混凝土粘结强度约为8 MPa，且试验筋材直径越大则粘结强度越小。玄武岩纤维复合筋材与普通钢筋物理力学特性对比如表1所示，从表中可以看出玄武岩纤维复合筋材抗拉强度、粘结强度和耐腐蚀性均优于普通钢筋。

2 现场应用试验方案

在掌握玄武岩纤维筋材的物理力学特性后选取适合的工程进行玄武岩纤维筋材现场应用研究。成都绿地中心8号地块基坑工程南侧行车通道边坡采用三道HRB335钢筋锚杆+挂网喷浆支护，锚杆采用φ25 mm钢筋，间距1.5 m，

表1 玄武岩筋材与普通钢筋力学特性对比

面网采用φ8 mm钢筋，间距150 mm。边坡上部两排锚杆长度为9 m，坡脚最下部锚杆长度为8 m。该边坡的原支护设计方案非常适合采用玄武岩纤维筋材替换钢筋，同时该边坡稳定性对基坑安全影响也较小，因此在考虑到安全性和不修改原边坡支护方案的前提下选取了该边坡为玄武岩筋材锚杆试验边坡。

由于玄武岩复合筋材还没有可参考的相关设计规范，因此在设计中引用了普通钢筋锚杆的设计理论，按照等强度原则使用玄武岩筋材替换钢筋，然后再对玄武岩筋材的粘结强度进行验算，同时保证满足锚杆自身强度和锚固力的要求。根据上述设计原则，最终采用φ14 mm的玄武岩筋材替换原设计中φ25 mm的钢筋锚杆，采用φ4 mm的玄武岩筋材替换φ8 mm的面网钢筋。

为了对比分析玄武岩纤维筋材和普通钢筋在边坡支护中的差异性，在试验边坡中还留出了20 m边坡采用原有的钢筋锚杆支护方案进行施工。

3 玄武岩纤维筋材锚杆施工方法

相比普通钢筋，玄武岩纤维筋材无法通过焊接的方式进行加长或连接。在本次应用试验施工中则采用了钢筒管+粘接剂的方式实现了筋材相互间的连接问题。并对粘结强度进行了测试试验，测试结果表明，采用工程中常用的喜利得植筋胶作为粘结剂时，筋材与钢筒管间的抗剪强度约为3.56 MPa，按此粘结强度，若采用无任何处理的钢筒管进行玄武岩纤维筋材的连接，根据各种规格筋材的极限抗拉强度，可计算出采用φ15 mm(内径)的钢筒管，在不作任何钳夹处理的条件下，满足抗拉强度需要的锚具长度如表2所示。

表2 筋材筒管长度

由于玄武岩纤维筋材锚杆无法与面网焊接，因此制作的锚杆锚具也需要进行特别的加工处理。加工的锚具由钢筒管和四根“L”型钢筋对称焊接而成，锚具与玄武岩纤维筋材则通过粘结剂固定，加工完成带锚具的玄武岩筋材锚杆如图2所示。

图2 加工完成的玄武岩纤维筋材锚杆

为了对比玄武岩筋材锚杆和钢筋锚杆的受力特征，在玄武岩筋材锚杆和钢筋锚杆中分别安装了应力测试元件，测试元件间距2 m，如图3所示。

图3 应力测试元件安装

玄武岩筋材锚杆安装完成后，锚具上的“L”型钢筋将裸露并卡在孔口外侧。将锚具上的“L”型钢筋与面网筋材绑扎粘结固定，最后在坡面喷射混凝土硬化表面，完成边坡支护施工。玄武岩筋材锚杆锚具与面网连接如图4所示。

图4 玄武岩筋材锚杆锚具

玄武岩筋材锚杆现场试验边坡现场施工期间和施工完成后的照片如图5、图6所示。

图5 试验边坡施工

图6 试验边坡完成后

4 锚杆受力及边坡变形特征

在试验边坡使用期间对边坡中玄武岩筋材锚杆和钢筋锚杆拉力进行了长期监测，两种锚杆不同位置处的拉力随时间变化曲线如图7、图8所示。从图中可以看出，两种锚杆在使用初期拉力都比较小，但锚杆拉力随时间的增加而增大，其中钢筋锚杆最大拉力约为14.8 kN，玄武岩筋材锚杆最大拉力约为13.4 kN。在边坡使用期间，两种锚杆的拉力均小于设计值，处于安全范围，但拉力大小并未变化趋于稳定。