王英芳，蔣亞

（1.成都現(xiàn)代萬(wàn)通錨固技術(shù)有限公司，成都 610000；2.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031）

1 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 3209-2008）中對(duì)中空錨桿的抗拉能力和延伸率等力學(xué)性能提出了較高要求。目前傳統(tǒng)中空錨桿產(chǎn)品采用錨桿熱軋式的生產(chǎn)方式，為滿(mǎn)足鐵路標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度要求，只能通過(guò)采用較厚的鋼管作為熱軋材料，增加了中空錨桿的壁厚，導(dǎo)致其內(nèi)部空間較小，內(nèi)部注漿變得困難，注漿壓力衰減損失巨大，影響其性能。同時(shí)由于加大鋼材用量，增加了生產(chǎn)成本。本文從錨桿本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和加工方法入手，開(kāi)發(fā)新型高強(qiáng)度輕型中空錨桿[1]。該錨桿采用鋼號(hào)45的無(wú)縫鋼管，控制軋制的生產(chǎn)方式，將加熱裝置、控制軋制裝置以及多個(gè)溫度感應(yīng)裝置全部設(shè)置安裝在同一條智能生產(chǎn)線(xiàn)上，使得加熱、控制軋制、冷卻三個(gè)步驟在同一生產(chǎn)線(xiàn)上一次完成。生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)不斷的溫度檢測(cè)、反饋，對(duì)加熱設(shè)備、軋制設(shè)備和熱處理的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以提高錨桿本體的力學(xué)強(qiáng)度。另一方面，如圖1(a)所示,在錨桿體設(shè)置多個(gè)旋轉(zhuǎn)膨脹機(jī)構(gòu)和自由段(隔離護(hù)套中的錨桿體)。轉(zhuǎn)動(dòng)錨桿體使旋轉(zhuǎn)膨脹結(jié)構(gòu)膨脹與錨孔壁相互擠壓形成支點(diǎn)，錨桿即刻形成對(duì)圍巖的支護(hù)作用。然后通過(guò)高壓注漿充實(shí)錨孔和圍巖，同時(shí)使這些支點(diǎn)和錨固材料（通常為水泥漿或水泥砂漿）結(jié)合形成穩(wěn)固的錨固段，錨固段與其間的自由段構(gòu)成一個(gè)完整的錨固單元。當(dāng)圍巖膨脹變形或是滑移時(shí)，錨固段承擔(dān)荷載，而其間的自由段則受拉變形，在高荷載水平下均勻伸長(zhǎng)，吸收圍巖變形過(guò)程中釋放的能量，使巖體逐步進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的低能態(tài)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)錨桿的柔性支護(hù)。為適應(yīng)不同軟、硬種類(lèi)的圍巖，膨脹結(jié)構(gòu)可選擇不同形式，圖1(b)顯示為A型膨脹結(jié)構(gòu)，適用于較硬圍巖；圖1(c)顯示為B型膨脹結(jié)構(gòu)，適用于較軟圍巖。每個(gè)錨固單元獨(dú)立發(fā)揮支護(hù)功能，任何一個(gè)單元受到破壞不影響另一單元的錨固功能，充分利用錨桿。普通錨桿的錨固力大小與形成時(shí)間與錨固劑材料凝結(jié)性能有關(guān)。但無(wú)論選用哪種錨固劑都不可能立即形成錨固力，而多支點(diǎn)吸能錨桿由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，在將錨桿插入錨孔后，只需旋轉(zhuǎn)錨桿，膨脹結(jié)構(gòu)就可以立即形成錨固力，這可大大提升工程施工的安全性。多支點(diǎn)吸能錨桿完全失效需要吸收三種能量，即：彈性形變吸收能量、塑性變形吸收能量和頸縮變形吸收能量，具有很強(qiáng)的支護(hù)能力，而普通錨桿僅能在彈性變形區(qū)發(fā)揮作用。

圖1 多支點(diǎn)吸能錨桿結(jié)構(gòu)圖

2 錨桿試件原料及試驗(yàn)方法

本文采用試件為45號(hào)鋼材質(zhì) (見(jiàn)表1)，試樣直徑為Φ25mm。試驗(yàn)方法為GB/T 228.1-2010,采用標(biāo)準(zhǔn)為GB50086-2015，測(cè)試儀器為SCS032-1型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

表1 試件材質(zhì)元素分析(%)

3 試件制備與性能測(cè)試

工藝路線(xiàn)：熱處理無(wú)縫鋼管→中頻感應(yīng)加熱→三軸錨桿滾軋機(jī)→ 控溫軋制（進(jìn)口溫度650～700oC，出口溫度350～400oC)→冷卻→錨桿→鋸切→錨桿拉伸。

無(wú)縫鋼管經(jīng)高溫正火或球化退火后軋制加工螺紋，軋輥傾角≈7o，軋輥轉(zhuǎn)速≈50轉(zhuǎn)/分，加熱電流≈50A。試樣1、2為一組，通過(guò)正火與退火處理；試樣3、4為一組，只通過(guò)正火處理；試樣5、6為一組，通過(guò)退火處理。

表2 錨桿試件熱處理?xiàng)l件及其力學(xué)性能數(shù)據(jù)

4 結(jié)果與分析

錨桿試樣的力學(xué)性能主要受到熱處理?xiàng)l件和軋制條件的影響[2，3]，本文選擇軋制溫度為700℃ 以下，既考慮到利用變形組織的再結(jié)晶過(guò)程提高塑形，也考慮到保留熱處理后材料強(qiáng)度，因此確定生產(chǎn)工藝中軋制進(jìn)口溫度為650-700℃[4]，而主要討論熱處理?xiàng)l件對(duì)性能的影響。

從6組試樣的熱處理?xiàng)l件及其對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)來(lái)看，第1、2號(hào)試樣進(jìn)行了高溫正火以及球化退火，然后軋制加工得到，所得到的產(chǎn)品平均屈服強(qiáng)度約為444 MPa、平均抗拉強(qiáng)度約為706 MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率約為21%。第3、4號(hào)試樣只進(jìn)行了高溫正火，然后軋制加工得到，所得到的產(chǎn)品平均屈服強(qiáng)度約為383 MPa、平均抗拉強(qiáng)度約為620 MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率約為15%。第5、6號(hào)試樣沒(méi)有進(jìn)行高溫正火，只進(jìn)行了球化退火，然后軋制加工得到，所得到的產(chǎn)品平均屈服強(qiáng)度約為445 MPa、平均抗拉強(qiáng)度約為704 MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率約為22%。6組試樣的抗拉強(qiáng)度均大幅優(yōu)于其他同尺寸中空錨桿485 MPa的抗拉強(qiáng)度值[5]。

進(jìn)行高溫正火和球化退火都是為了便于其后錨桿螺紋的軋制加工，同時(shí)正火和球化退火溫度都能有效降低無(wú)縫鋼管制備過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力[6]。球化退火可使冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的片狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w，有效降低硬度，為其后的軋制加工提供條件，減少材質(zhì)基體內(nèi)部的尖端裂紋，提高塑形變形能力。軋輥機(jī)上軋制螺紋后，表面形變強(qiáng)化提高基體強(qiáng)度。試樣3、4只進(jìn)行了高溫正火處理，其屈服、抗拉強(qiáng)度和變形能力都比較小，因?yàn)樵摐囟认?，奧氏體晶粒充分生長(zhǎng)而尺寸偏大，基體強(qiáng)度因晶間缺陷較多而下降。而試樣1、2的屈服、抗拉強(qiáng)度和形變數(shù)值有所上升，表明球化退火能減輕部分高溫正火帶來(lái)的不利因素。在球化退火過(guò)程中，滲碳體球化，減輕了片狀珠光體對(duì)基體材料的割裂程度，使試樣的強(qiáng)度和變形能力都有所提高。試樣5、6的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等數(shù)據(jù)與試樣1、2的數(shù)據(jù)相近，表明球化退火對(duì)試樣強(qiáng)度和形變能力起到主要作用。在后續(xù)的錨桿螺紋軋制過(guò)程中，軋機(jī)進(jìn)口溫度設(shè)置為650～700oC，出口溫度350～400oC，使熱處理影響因素終獲得較高強(qiáng)度和較大變形能力的錨桿產(chǎn)品。

圖2 錨桿使用效果圖

現(xiàn)有普通中空錨桿的結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，安裝完成的中空錨桿和錨孔壁相接觸的僅有錨頭和

止?jié){塞，兩個(gè)配件承受了所有端面壓力，當(dāng)錨孔內(nèi)形成1MPa壓力，則會(huì)對(duì)錨桿及止?jié){塞產(chǎn)生約1300N(約130kg)拉拔力，壓力越高，錨頭和止?jié){塞越難以長(zhǎng)期保持錨固能力。文獻(xiàn)報(bào)道：對(duì)普通錨桿可通過(guò)熱處理材料本身和加粗錨桿尾部的方式提高錨桿性能[7]，且實(shí)際效果顯著，類(lèi)似本文采用熱處理基體材料和特殊膨脹結(jié)構(gòu)增大錨固面。多支點(diǎn)吸能錨桿如圖2(b)所示，在錨孔內(nèi)有多個(gè)膨脹結(jié)構(gòu)錨固點(diǎn)的支撐，錨桿體鎖緊之后能夠承受超過(guò)50000N（約5000 kg）以上拉拔力，即使是超高壓注漿和保壓也均可順利實(shí)施。即使部分支點(diǎn)間發(fā)生斷裂，其余支點(diǎn)間的錨固作用仍能發(fā)揮。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)多支點(diǎn)吸能錨桿抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的研究，得到以下主要結(jié)論：試驗(yàn)的熱處理?xiàng)l件對(duì)錨桿強(qiáng)度和形變能力有明顯的影響，高溫正火處理獲得的平均屈服強(qiáng)度383 MPa、平均抗拉強(qiáng)度620 MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率15%，低于球化退火處理后獲得的平均屈服強(qiáng)度445 MPa、平均抗拉強(qiáng)度704MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率22%。提高后的力學(xué)性能，配合多支點(diǎn)吸能錨桿的特殊結(jié)構(gòu)，能有效提高錨桿的支護(hù)能力。