塑料锚索在腐蚀环境中的力学性能试验研究

张　庆， 刘　欣， 何锡存， 徐　辉， 陈良杰， 沈淑雯

(1. 宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波 315211；2. 宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315211； 3. 浙江省电力设计院，浙江杭州 310012)



塑料锚索在腐蚀环境中的力学性能试验研究

张庆1， 刘欣1， 何锡存1， 徐辉2， 陈良杰1， 沈淑雯3

(1. 宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波 315211；2. 宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315211； 3. 浙江省电力设计院，浙江杭州 310012)

【摘要】为研究塑料锚索在腐蚀环境中的力学性能并进行安全性评价，共完成了1组未经腐蚀的塑料锚索和4组经腐蚀的塑料锚索的试验研究。通过试验研究，着重考察塑料锚索的断裂荷载、弹性模量、伸长率等力学性能及其随时间的变化规律。试验研究结果和GB 50330—2002《建筑边坡工程技术规范》技术要求对比，得到结论：受腐蚀后塑料锚索的断裂荷载有一定程度降低，但后期下降速率变缓；在试验周期中，弹性模量降低10.44 %左右；塑料锚索在长期腐蚀环境下可有效加固边坡。

【关键词】塑料锚索；腐蚀环境；力学性能

随着我国经济的快速发展和西部大开发进度加快，人们对自然环境的改进、利用要求越来越强烈[1-2]。山区高速公路建设、铁路修建及大型水利枢纽修筑等，均涉及到边坡工程的研究和整治问题。近年来我国边坡灾害频发，对人民的财产和生命安全造成了极大的威胁。因此，边坡稳固的重要性越来越受到重视[3-4]。

锚固技术是岩土工程中一种常见的边坡加固技术[5]。所谓锚固技术，是指用锚索和金属网对边坡进行联合支护，从而达到稳定边坡的作用。而随着锚固技术的发展及其在岩土工程中的广泛应用，防腐问题随之出现。已有工程实例证明[6]，对于钢筋锚索锈蚀破坏的研究应该引起重视，钢筋发生锈蚀破坏会使锚固体的极限承载力下降，对边坡等锚固工程的安全性造成不利影响。同时每年大量的钢筋消耗使得边坡加固工程的经济成本居高不下。因此研究塑料锚索在腐蚀环境中的力学性能并进行安全性评价，在工程中有很大的实际意义和社会效益。

1试验准备

1.1材料选取

以实际应用的一种适用于土质缓坡的新型塑料锚索[1]进行耐腐蚀性试验。

针对钢筋锚索易腐蚀的特点，本实验选取的材料必须是耐腐蚀的，同时应具备一定的抗拉拔能力。同时试验采用控制变量和选择对照的原则进行。最终选取的材料为回收利用的同批次塑料打包带。另设一组空白变量作为对照。

1.2腐蚀土样制备

选择与工程现场实际环境接近的腐蚀试验环境。取原始土样分析得到：软土含水量为27.2 %，pH值为0.233。土样中腐蚀性物质含量主要为氯离子、硫酸根离子等，腐蚀等级为中等。

2试验过程

2.1原始试样力学性能试验

取未经腐蚀的塑料锚索在万能试验机上进行拉伸试验，每次分别进行三组试验(图1)。塑料打包带性状：截面面积为15.5mm×0.7mm，有效长度取80mm。试验环境：室内试验温度25.2℃，塑料带拉伸速率设置为8mm/min。前后不同时段若有较大温度误差应进行人为控制。

图1　塑料打包带拉伸试验

对塑料锚索的拉伸试验数据整理得到以下结论：

(1) 断裂位置基本分布在塑料带的两端附近。拉伸过程大致可分为三个阶段。第一阶段为稳定阶段，其特征为变形速度较慢，拉力增加较快；第二阶段为变形阶段，其特征为变形随拉力变化基本上呈平缓的直线增加；第三阶段为破坏阶段，临近破坏时变形增加较快，拉力增加缓慢，直至塑料带拉断。

(2) 试验结果表明，塑料带的断裂应力大于52kPa，对照规范可知，其在土质缓坡中具有较大的可靠性。

(3) 塑料带的最大延伸率约为10 %，但没有较明显的弹性阶段和屈服阶段。拉伸速率越大，断裂应力越大，而延伸率越小。

2.2腐蚀试样力学性能试验

锚索腐蚀试验采用与原始试样同规格的塑料打包带进行力学性能试验。作为塑料锚索的主体结构，设计的锚索腐蚀试验类型与试样组数分别为(均为3根/组)：

第一种方案适宜渠道为总干渠一闸至四闸之间渠段与位于河套灌区上、中游乌兰布和灌溉区域与解放闸灌溉区域干渠，上述渠道均为国管渠道、多有防渗措施、渠道水利用系数比较高，水量损失小，渠道断面尺寸较大，能够在停水期内储存滴灌用水，在渠道两岸农田可发展直接引黄滴灌。通过对河套灌区各级渠道调研及遥感分析，第二种方案基本是在乌兰布和灌溉区域内沈乌干渠与东风渠两侧，有部分闲置荒地，可满足建设调蓄水池条件。

(1)塑料锚索原状样1组；

(2)经腐蚀30d后的塑料锚索1组；

(3)经腐蚀60d后的塑料锚索1组；

(4)经腐蚀90d后的塑料锚索1组；

(5)经腐蚀120d后的塑料锚索1组。

对塑料锚索腐蚀试样的取样原则为：除原状样外，其余4种类型的腐蚀试样，按间隔1个月各取一组进行力学性能试验，并对其进行腐蚀情况检查，同时对原状样进行同步检测以控制变量。对塑料锚索腐蚀试样进行了断裂荷载、伸长率及弹性模量3个力学性能指标的试验，试验如图2所示。

图2　锚索塑料打包带抗拉强度试验设计

得到试验数据整理并计算得到表1。

表1　锚索断裂荷载时间变化

(a)断裂荷载

(b)伸长率

(c) 弹性模量图3　腐蚀试样力学性能指标随时间的变化曲线

对图3进行分析可知：

(1) 塑料锚索的力学性能指标在前30～60d下降较快，60d之后力学性能指标下降速率明显减慢。前120d塑料锚索的断裂荷载和伸长率平均降低速率分别为6×10-3kN/d和5.33×10-3%/d。

(2) 由弹性模量的分析可知，断裂荷载的降低速率比伸长率的降低速率小。

(3) 在一定较长时间内，塑料锚索的断裂荷载依旧维持在2.8kN以上，故具有较好的稳定性。

2.3回归分析

塑料锚索的安全性评价是其一项重要的评价指标。通过对腐蚀塑料锚索断裂荷载与时间的变化关系进行回归分析，得出非线性关系式：

y=3.594e-0.00168x

(1)

式中：y为锚索腐蚀试样的断裂荷载(kN)；x为锚索腐蚀试样的腐蚀时间(d)。

根据式(1)计算出的塑料锚索断裂荷载与实测断裂荷载的R2=0.9634，说明实测曲线与非线性关系式曲线有较好的相关性。

通过对4组塑料锚索试样的腐蚀试验以及回归分析，得出初步结论如下：

(1) 在整个试验周期内，塑料锚索的断裂荷载降低百分率为14.8 %，力学性能满足特定的边坡工程要求。

(2) 运用在较缓的土质边坡中，塑料锚索的断裂荷载降低速率和百分率较小，耐腐蚀性能较好，适用性强。

(3) 在进行多种不同腐蚀环境锚索断裂荷载与腐蚀时间关系试验的基础上，可以通过锚索断裂荷载与时间关系的回归拟合曲线，推断某一腐蚀条件下锚索的断裂荷载，从而进行锚索的安全评价和寿命预测。

3结束语

近几年边坡锚索支护技术得到了迅猛发展，资源的节约化使用是未来的发展趋势。利用新型材料、开发新型结构将对社会资源合理利用、边坡绿化等起到关键作用。通过实验分析，研究的基于资源节约型的塑料锚索，在土质边坡强腐蚀环境中力学性能下降在控制范围内，有较高的稳定性和安全性；同时采用回收利用的塑料打包带，具有造价低、不易腐蚀、稳定性高等优点；塑料锚索施工过程中对边坡及周边环境影响小，能够保证施工安全、达到加固工程的预期目的，应得到大力推广应用。

(本文试验研究课题来源于作者主持的宁波大学校级重点SRIP项目)

参考文献

[1]方遥越, 邓岳保, 陈良杰, 等 . 一种塑料锚索的开发与试验研究[J]. 浙江建筑, 2015(6):54-58.

[2]郑静, 曾辉辉, 朱本珍. 腐蚀对锚索力学性能影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010,29(12): 2469-2474.

[3]姚大钧. 预应力锚杆的长期安全与腐蚀问题[J]. 岩土工程界, 2004, 7(12): 23-26.

[4]曾辉辉, 朱本珍, 高志华. 强腐蚀环境下锚索强度指标及表观特性试验研究[J]. 水利与建筑工程学报, 2011(9): 48-53.

[5]张志亮. 预应力锚索耐腐蚀性及失效研究[D] . 北京: 中国地质大学, 2008.

[6]DaiFC,LeeCF.Frequency-volumerelationandpredictionofrainfall-inducedlandslides[J].EngineeringGeology, 2001, 59: 253-266.

[基金项目]宁波大学校级重点SRIP项目《一种塑料锚索的开发与测试》

[作者简介]张庆(1994～)，女，本科，研究领域为岩土边坡工程及其防护处理。

【中图分类号】TU94+2

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-12-29