玄武岩纤维筋（BFRP）粘结剂配方
技术领域
本发明涉及非金属锚杆支护技术领域，尤其涉及玄武岩筋材（BFRP）锚杆与锚索具之间的粘结，具体为一种玄武岩纤维筋与锚索具粘结配方。
背景技术
锚索在地质灾害防护工程中具有广阔的应用前景，但目前锚固材料采用最多的为钢筋和水泥砂浆，该类锚索在正常环境条件下可具有良好的耐久性。但在高腐蚀的环境下，常常会因为钢筋和混凝土的腐蚀而影响结构的使用性能和耐久性。国内外有关专家和机构的调查表明，锚杆(索)的腐蚀已成为世界各国广泛关注的问题,目前常用解决这类问题的方法是在钢材的表面喷涂防腐剂,或通过改变钢材的物理化学成分提高钢材的耐腐蚀性,但是这些方法一方面会增加锚索安装操作的复杂性,另一方面会大大提高工程的造价。同时,由于锚固工程具有复杂性和高度隐蔽性,发现质量问题难,事故处理复杂。
为解决锚索的腐蚀问题,自上世纪90年代以来,国内外开始研究采用纤维增强材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)锚杆来替代传统的钢锚杆。纤维增强材料与传统钢材料相比，具有下列优势：（1）抗腐蚀性和耐久性好；（2）抗拉强度高（等于甚至高于高强钢筋）；（3）自重轻，只有钢筋的15%～20%；（4）低松弛性，荷载损失小；（5）抗疲劳性能优良，疲劳强度一般为钢材的3倍；（6）具有非磁性,可用于特殊要求的如雷达站、电台和国防工程等结构中；（7）轴向热膨胀系数低，能适应较大的气候变化。
利用该类非金属纤维筋作为受拉构件，其轴向的高抗拉强度可以得到较充分发挥；非金属材料的耐腐蚀能力可使锚固更耐久，并且不需做防腐处理；锚索的整体构造更为简单，运输、加工和安装等更便利，特别是对处于腐蚀性环境中的工程，这种优势更加明显；非金属材料的无磁性，可以克服金属锚索在防电磁武器打击方面的天然缺陷，使工程内部磁场环境不受影响，可广泛应用于一些对磁场特性要求较高的工程环境。
非金属锚索与钢筋相比，尽管在强度、耐久性和密度上具有明显的工程应用优势，但非金属锚索大多为脆性材料，其破坏形式为脆性破坏，破坏之前无明显征兆。纤维增强材料为脆性材料，因此，在工程应用时存在锚索与锚具之间的连接问题，选取合理的粘结配方，使其具有与纤维筋材料匹配的力学性能，并具有简单高效的施工工艺。
综上所述，非金属锚索研究具有重要的工程应用价值，为解决玄武岩纤维筋与锚具之间的连接问题，本发明提出了一种适用于玄武岩纤维筋（BFRP）与锚具之间的粘结剂配方。该配方结合相应的锚具使用，其力学性能满足要求，且施工工艺简单高效，可广泛应用于地质灾害防治工程中，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种达到玄武岩纤维筋锚固力学性能要求的粘结配方，使得玄武岩纤维筋锚索在工程应用中具有简单、经济、高效、稳定的锚固方法，弥补了玄武岩纤维筋材料脆性带来的不足，以解决上述背景中提出的技术问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一、锚具粘结材料确定
玄武岩纤维筋横向抗剪强度低，在与锚具连接处容易发生应力集中，从而导致部分纤维断裂，进而影响整个玄武岩纤维筋的整体强度。采用传统的预应力钢绞线夹片式锚具在端部容易出现应力集中，难以满足锚固的要求。本发明通过对12种不同配方的粘结方式进行拉拔试验研究，试验装置如图1所示。
本发明所需粘结材料包含环氧树脂、聚酰胺树脂、丙酮、固化剂、石英砂、玻璃纤维、钢纤维、玄武岩纤维，对采用不同配方的粘结方式进行试验，试验时端部夹片长度试验试件长度的三分之一。
二、粘结材料力学性能测试试验
锚具和夹片材料所采用的主要粘结材料为环氧树脂，其具体配方有一定的差异，锚具对应配方为环氧树脂1号，夹片对应配方为环氧树脂2号，图2为试验照片，对应图1中的2。试验时，先将玄武岩纤维筋放置在夹片中，采用环氧树脂2号配方，安装好试件；然后将安装好的试件、夹片、锚具静置24小时以上，该步骤目的是使得粘结剂完全固结；最后通过图1中的装置进行拉伸试验，经过多次试验，得到玄武岩纤维筋中部拉断破坏的试验结果。试验结果表明，粘结剂在一定配方下，具有较为匹配的强度。
三、粘结材料配方验证试验
选定锚具、夹片后，对粘结配方进行多次拉伸试验。试验结果显示，玄武岩纤维筋拉断破坏模式为“灯笼状”，从加载到完全拉断，加载过程中未出现屈服平台。当外加载荷达到极限抗拉强度时，玄武岩纤维筋积累的变性能瞬间释放，形成断裂处“灯笼状”破坏模式。
所述锚具制作，采用环氧树脂1号配方，制作时应配合具体夹片的几何尺寸，使其试验时能精确安装。由于玄武岩纤维筋具有较强的抗拉性能，建议试验时在锚具外层加装锚环进行保护，防止瞬间炸裂。
所述夹片制作，采用环氧树脂2号配方，制作时应根据具体玄武岩纤维筋直径确定夹片几何尺寸。夹片长度为试件长度三分之一，但不局限于三分之一。
所述玄武岩纤维筋试件安装，采用环氧树脂2号配方，安装前应采用丙酮进行清洗，安装后应静置24小时及以上。采用的试验装置为自制组装式拉伸装置，其中液压油源型号的选择，根据具体试件极限抗拉强度进行确定。抗拉试验也可在拉伸试验机上进行，见图3，但需重新设计夹片，使其匹配拉伸试验机的夹具尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的关键在于在多种粘结配方的试验的基础上，优化出两种可用于防护工程应用的理想配方，提出了两种粘结剂配方，分别为环氧树脂1号和环氧树脂2号。
本发明提出的两种定型配方，可应用于不同玄武岩纤维筋直径，只需调整锚具和夹片的几何尺寸，具有较强的可塑性，适合在工程实际中推广使用。
附图说明
图1为本发明粘结剂力学性能测试装置，图中1为玄武岩纤维筋，2为锚具，3为施力装置，4为千斤顶外壳，5为液压压力表。
图2为本发明夹片与锚具实物照片，夹片采用环氧树脂2号配方制作，锚具采用环氧树脂1号配方制作。
图3为本发明中另一种粘结剂力学性能测试装置，可以实时记录应力-应变关系。
具体实施方式
为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1～3所示，玄武岩纤维筋（BFRP）与锚具粘结剂配方，包括环氧树脂1号和环氧树脂2号两种，两种配方主要成分为环氧树脂、聚酰胺树脂、丙酮、固化剂、石英砂，根据具体制作对象，将主要成分中的材料按一定比例进行配置，环氧树脂1号和环氧树脂2号适用于两种不同的受力位置，其受力特点存在一定的差异性，根据其受力特点配置相应的粘结剂配方，两种不同配方应用于玄武岩纤维筋锚固工程中，可充分发挥玄武岩纤维筋高抗拉力学特征。
环氧树脂1号材料配比为：环氧树脂：聚酰胺树脂：丙酮：固化剂：石英砂=1:0.45:0.15:1:15，1号配方中没有加入纤维材料，也可以根据具体应用环境进行调整，纤维材料比例范围为0.2-0.5。
环氧树脂2号材料配比为：环氧树脂：聚酰胺树脂：丙酮：固化剂:石英砂：玄武岩纤维=1:0.5:0.1:1:15:0.4，2号配方中加入了玄武岩纤维材料，可以根据具体应用环境对玄武岩纤维含量进行调整，纤维材料调整比例范围为0.2-0.5。
参见附图1，锚具和夹片材料所采用的主要粘结材料为环氧树脂，其具体配方有一定的差异，锚具对应配方为环氧树脂1号，夹片对应配方为环氧树脂2号，图2为试验照片，对应图1中的2。试验时，先将玄武岩纤维筋放置在夹片中，采用环氧树脂2号配方，安装好试件；然后将安装好的试件、夹片、锚具静置24小时以上，该步骤目的是使得粘结剂完全固结；最后通过图1中的装置进行拉伸试验，经过多次试验，得到玄武岩纤维筋中部拉断破坏的试验结果。试验结果表明，粘结剂在一定配方下，具有较为匹配的强度。
参见附图2，锚具和夹片材料所采用的主要粘结材料为环氧树脂，其具体配方有一定的差异，锚具对应配方为环氧树脂1号，夹片对应配方为环氧树脂2号，图2为试验照片，对应图1中的2。试验时，先将玄武岩纤维筋放置在夹片中，采用环氧树脂2号配方，安装好试件；然后将安装好的试件、夹片、锚具静置24小时以上，该步骤目的是使得粘结剂完全固结；最后通过图1中的装置进行拉伸试验，经过多次试验，得到玄武岩纤维筋中部拉断破坏的试验结果。试验结果表明，粘结剂在一定配方下，具有较为匹配的强度。
参见附图3，锚具和夹片材料所采用的主要粘结材料为环氧树脂，其具体配方有一定的差异，锚具对应配方为环氧树脂1号，夹片对应配方为环氧树脂2号，图2为试验照片，对应图1中的2。试验时，先将玄武岩纤维筋放置在夹片中，采用环氧树脂2号配方，安装好试件；然后将安装好的试件、夹片、锚具静置24小时以上，该步骤目的是使得粘结剂完全固结；最后通过图1中的装置进行拉伸试验，经过多次试验，得到玄武岩纤维筋中部拉断破坏的试验结果。试验结果表明，粘结剂在一定配方下，具有较为匹配的强度。
实例1
环氧树脂1号材料配比为：环氧树脂：聚酰胺树脂：丙酮：固化剂：石英砂=1:0.45:0.15:1:15，1号配方中没有加入纤维材料，也可以根据具体应用环境进行调整，纤维材料比例范围为0.2-0.5。
环氧树脂2号材料配比为：环氧树脂：聚酰胺树脂：丙酮：固化剂:石英砂：玄武岩纤维=1:0.5:0.1:1:15:0.4，2号配方中加入了玄武岩纤维材料，可以根据具体应用环境对玄武岩纤维含量进行调整，纤维材料调整比例范围为0.2-0.5。
目前锚固材料多为钢筋和水泥砂浆，该类锚索在正常环境条件下可具有良好的耐久性。但在高腐蚀的环境下，常常会因为钢筋和混凝土的腐蚀而影响结构的使用性能和耐久性。本发明为解决工程实际中出现的锚杆耐久性问题，采用耐腐蚀的玄武岩纤维筋取代钢筋，玄武岩纤维筋极限抗拉强度大于钢筋，但是，玄武岩纤维筋为脆性材料。对于脆性材料，适用于钢筋材料的锚具无法满足力学性能要求，本发明提出两种粘结剂配方，分别为环氧树脂1号和环氧树脂2号，较好的解决了玄武岩纤维筋由于脆性难以用传统方法锚固的问题。本发明所提出的两种粘结剂方案，并不代表本发明只局限于玄武岩纤维筋一种脆性材料的粘结问题，试验结果也可适用于其他常用脆性材料。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
