膨胀螺栓在煤矸石多孔砖墙体中拉拔力试验研究

曹夫利，张锋剑，李树山，张 远，武海荣，张文明，王启源，花炬齐

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045；2.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山467036)

近年来国家高度重视环保工作，节能减排成为行业共识，建筑工程中也越来越多地使用新型环保建筑材料，煤矸石多孔砖砌体就是其中之一，因其良好的保温性、防潮性，被越来越多地应用于承重墙及填充墙中。膨胀螺栓作为墙体中常用的小型标准件，具有钻孔小、拉力大、使用后外露端头平整且拆除后仍可保持墙面平整等优点。由于以上诸多优势，膨胀螺栓的用量显著增多，膨胀螺栓在多孔砖墙体中的应用也越来越广泛。

秦士洪等对专用膨胀螺栓在烧结页岩多孔砖砌体中的锚固性能进行了拉拔试验[1]，研究结果表明，专用膨胀螺栓锚固于多孔砖砌体的不同位置均可形成“自螺母效应”，从而达到并略超过其产品拉拔力设计值，满足工程使用要求；范建洲、陈荣康等对膨胀螺栓在混凝土中的拉拔力进行了试验[2-3]，阐述了试验对象、试验方法和试验设计准则，并对影响膨胀螺栓拉拔性能的因素进行了分析和评价；黄榜彪等以城市污泥为原料制备城市污泥烧结页岩砖，研究了膨胀螺栓在砖体中的拉拔承载力[4]，通过分析膨胀螺栓在静载作用下的破坏状态，得出了螺栓直径、锚固部位、砂浆强度等对其锚固性能的影响规律；李砚波等对埋置于CS板内的膨胀螺栓进行了拉拔试验和剪切试验[5]，确定了膨胀螺栓在CS板内用做紧固件时，其抗拔与抗剪承载力的允许值，分析了混凝土面层厚度对承载力的影响，并根据极限状态下膨胀螺栓的破坏特征，提出了CS板内埋置膨胀螺栓的抗拔与抗剪承载力理论公式，为工程应用提供了依据；杨东平通过对化学锚栓与膨胀螺栓进行的拉拔承载力试验[6]，测定了膨胀螺栓极限抗拉状态下的承载力，分析试验现象，总结了两种螺栓的锚固机理，并得出其极限抗拉状态下的受力性能，为更进一步的研究奠定了基础。

国内已有的膨胀螺栓拉拔试验大多是在混凝土和实心砖砌体中进行的，针对煤矸石多孔砖砌体中的膨胀螺栓拉拔试验研究较少。本文利用正交试验，研究膨胀螺栓在煤矸石多孔砖墙体中的拉拔承载力，综合考虑墙体及螺栓的破坏形态，研究膨胀螺栓的直径、埋入深度及其对应锚固位置对拉拔受力性能的影响，为实际工程提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验材料及试件制作

1.1.1 膨胀螺栓

试验所用膨胀螺栓规格为M8、M10、M12和M14，长度均为150 mm，尺寸和强度均符合国家标准。膨胀螺栓由沉头螺栓、胀管、平垫圈、弹簧垫和六角螺母组成。膨胀螺栓的工作原理是将其打到墙面孔洞后，从外部紧固六角螺母，将螺杆从墙体中拔出，带动另一端的楔形沉头，使胀管在孔洞中缓慢膨胀，从而将膨胀螺栓锚固在墙体内部。

1.1.2 煤矸石多孔砖

试验用砖为KP1型烧结煤矸石多孔砖，强度等级MU10，孔洞率25%，孔型为圆孔，规格为240 mm×115 mm×90 mm。按照《砌墙砖试验方法》[7]中的规定，随机抽取10块多孔砖作为试样，逐一进行抗压强度试验，计算其抗压强度平均值，根据《烧结多孔砖和多孔砌块》[8]中规定，计算该批试样的抗压强度标准值，见表1。结合规范要求，强度等级为MU10的多孔砖抗压强度平均值不小于10.0 MPa，抗压强度标准值不小于6.5 MPa，该批次煤矸石多孔砖强度合格，可以用于试验。

1.1.3 砌筑砂浆

砌筑墙体使用M10水泥砂浆，砌筑墙体时，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[9]中的规定，预留尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的砂浆试块，并进行编号，试块放置在实验室内自然养护24 h后拆模，拆模后将所有试块放入标准养护室中养护，测试所有试块28 d立方体抗压强度，见表2。

1.1.4 试件制作

先制作地梁，在地梁上砌筑墙体，采取梅花丁砌筑形式，墙体与构造柱连接处预留马牙槎。墙体圈梁及构造柱使用C30混凝土浇筑，构件制作完成后，采用毛毡覆盖，并定期向试件洒水，保持试验墙体的温湿状态，满足养护条件。

表1 煤矸石多孔砖抗压强度指标

表2 砂浆抗压强度指标

1.2 试验方案设计

正交试验表采用L16(43)正交设计试验方案，正交试验三因素四水平见表3，每组拉拔4个膨胀螺栓，承载力取4次试验平均值。

表3 正交试验三因素四水平

1.3 膨胀螺栓拉拔试验

图1 膨胀螺栓锚固位置示意图

进行膨胀螺栓拉拔试验时，采用XH-10T型锚杆拉力计，该仪器由高压手动泵、穿心千斤顶、数显压力表、高压胶管等部件构成。拉力计的千斤顶最大拉拔力为100 kN，最大行程60 mm，中心最大孔径27 mm。使用GBH2-26型电锤在墙体上打孔，针对试验中不同规格的膨胀螺栓，为电锤配备直径分别为12 mm、14 mm、16 mm及18 mm的钻头。

先使用电锤在墙体上钻孔，再用铁锤将膨胀螺栓打入对应孔洞，螺栓被埋入指定深度后，使用扳手将螺母拧紧，固定膨胀螺栓，膨胀螺栓锚固位置见图1。图1中：1号位置为顺砖中心，2号位置为丁砖中心，3号位置为竖缝中心，4号位置为横缝中心。

将膨胀螺栓外露的螺杆部分与拉杆连接，加入合适的夹片使拉杆与拉力计的夹头衔接稳固。缓慢按压手动泵对膨胀螺栓进行加载，活塞杆顶住夹头向外运动，直至数显表上出现稳定增大的数值，此时千斤顶向外的拉力可稳定作用于被测螺栓，压力表读数为膨胀螺栓对应的极限荷载峰值，膨胀螺栓拉拔试验结果见表4。

表4 膨胀螺栓拉拔力正交试验表及结果

2 试验结果分析

2.1 试验现象分析

膨胀螺栓的拉拔试验中，螺栓有两种破坏形式。形式1为螺栓和胀管整体被拔出，如图2所示，加载初期压力泵读数迅速增大，随后拉拔力数值趋于稳定且无明显变化，可以听到螺栓被拔出时与墙体摩擦发出沙沙声，直至螺栓被完整拔出，试验结束，砖体表面孔洞周围出现裂纹并剥落形成锥状小坑。形式2为螺栓的螺杆被拔出，胀管仍留在墙体中，如图3所示，试验初期，膨胀螺栓拉拔承载力持续增大后趋于稳定，与形式1中的数值变化保持一致，压力泵读数稳定后不久，拉拔力突然再次增大，墙体中不再有金属与墙体挤压的摩擦声，直至螺杆突然被拔出，发出嘣的一声，此时胀管仍留在墙体中，胀管端部开裂，但胀管周围的墙面较为完整，没有剥落现象。

通过对比两种膨胀螺栓的破坏现象与实测数据，破坏形式1，膨胀螺栓整体被拔出时的拉拔承载力较低，锚固端完好，且此情况发生在砖体中较多，原因是打孔对砖肋和内部造成了损伤，螺栓与墙体锚固点强度产生折减，锚固节点强度不足导致螺栓失效被拔出。破坏形式2，膨胀螺栓的螺杆从胀管中被拔出时膨胀螺栓实测拉拔力数值较大，且破坏形态较为完整。

图2 膨胀螺栓破坏形式1

图3 膨胀螺栓破坏形式2

2.2 试验数据处理与分析

2.2.1 正交试验的极差分析与方差分析

对膨胀螺栓的拉拔正交试验数据进行极差分析，结果见表5。计算极差R值大小并进行比较，对于影响膨胀螺栓锚固能力的3个因素中，直径(A因素)的极差最大，是影响抗拔承载力的主要因素；埋入深度(B因素)极差次之，是重要因素；锚固位置(C因素)极差最小，是次要因素，对承载力影响最小。

表5 膨胀螺栓拉拔承载力极差分析

对膨胀螺栓的拉拔正交试验数据进行方差分析，见表6。F为某个因素的均方与误差的平均离差平方和的比值，α为检验水平，临界值取α=0.05时的F值。

表6 膨胀螺栓拉拔承载力方差分析

通过对正交试验结果的极差分析和方差分析，膨胀螺栓的直径是影响其在煤矸石多孔砖墙体中拉拔承载力的主要因素，埋入深度为重要因素，锚固位置为次要因素。极差分析与方差分析的优选方案相同，最优组合为A4、B4、C3。

2.2.2 正交试验的点图分析

以各因素水平为横坐标，试验指标的平均值k值为纵坐标，绘制各因素与膨胀螺栓锚固能力关系曲线，见图4，反映出拉拔过程中膨胀螺栓的抗拔承载力随各因素水平变化的趋势。

图4 膨胀螺栓拉拔承载力与各因素水平关系图

膨胀螺栓直径对其锚固能力的影响：膨胀螺栓在煤矸石多孔砖墙体上的锚固能力受其直径的影响最为明显，随着膨胀螺栓的直径增大，其承载力呈现上升趋势，且增长较快，直径达到M14时，拉拔承载力达到最大。

埋入深度对膨胀螺栓锚固能力的影响：随膨胀螺栓埋入深度的增加，其锚固性能越来越好，在整个试验阶段，膨胀螺栓的抗拔承载力呈正增长趋势，试验初期增速较快，埋入深度为115 mm时增速变慢，埋入深度达130 mm时，膨胀螺栓拉拔承载力最大，此时胀管全长均被埋入墙体中，达到最佳工作状态。

锚固位置对膨胀螺栓锚固性能的影响：膨胀螺栓锚固在竖向灰缝中的极限荷载最大，横向灰缝锚固点处强度次之，而锚固于墙体丁砖和顺砖中的极限荷载最小。

2.2.3 膨胀螺栓拉拔承载力公式

结合试验结果分析的各因素的影响程度，并参考文献[5]，给出膨胀螺栓在煤矸石多孔砖墙体中的拉拔承载力计算公式：

(1)

(1)式中：F为拉拔承载力(N)，d为胀管外径(mm)，h为膨胀螺栓埋入深度(mm)，fck为砌体抗压强度(MPa)。其中胀管外径d取螺杆直径加4 mm。

将试验得出的设计值与按公式计算得出的计算值相比(见表4)，二者较为吻合，并具有一定安全储备，说明膨胀螺栓在煤矸石多孔砖墙体中的拉拔承载力公式能够为工程实际应用提供理论计算依据。

3 结论及建议

(1)正交试验分析结果表明，膨胀螺栓的直径是影响其在煤矸石多孔砖墙体中的锚固性能的主要因素，埋入深度是重要因素，锚固位置是次要因素，当膨胀螺栓直径为14 mm，埋入深度取130 mm且锚固于竖向灰缝中时为最优组合。

(2)煤矸石多孔砖墙体中，应优先选择竖向灰缝作为膨胀螺栓的锚固点，其次为横向灰缝锚固点和砖体锚固点，膨胀螺栓锚固在灰缝处的承载力较高。

(3)提出了煤矸石多孔砖墙体内置膨胀螺栓的拉拔承载力计算公式，计算值与膨胀螺栓承载力设计值基本吻合，可以为工程应用提供计算依据。