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寒区工程抗冻拔负泊松比材料锚杆研发

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一、负泊松比材料锚杆基材选择及3D打印参数设计试验内容

基材选用形状记忆环氧树脂，增强材料选用连续碳纤维长丝。研究温度、层厚、扫描间距等3D打印工艺参数纤维体积分数、负泊松比特性和形状记忆效应的影响规律，优化锚杆3D打印工艺。开展以下试验研究工作：

1. 形状记忆环氧树脂拉伸试验不少于5组、压缩试验不少于5组、低温拉伸试验不少于5组、低温压缩试验不少于5组，符合规范GB/T 2567-2008； DSC试验不少于3组（符合规范DSC Q100）；   DMA试验不少于3组、形状记忆回复试验不少于3组（符合规范DMA Q800）；基于以上试验获取形状记忆环氧树脂不同温度条件下的拉伸模量、拉伸强度、压缩模量、压缩强度等力学性能，探究温度对于树脂力学性能的影响规律；通过DSC、DMA试验获取树脂的玻璃化转变温度和热分解温度，通过形状记忆回复试验表征树脂的形状固定率和回复率。

2. 碳纤维浸胶纱拉伸试验不少于5组（符合规范ASTM D4018）；获取碳纤维的拉伸模量、拉伸强度等，为负泊松比结构设计和锚杆力学性能设计提供数据基础。

3. 3D打印增强复合材料拉伸试验不少于5×3组（符合规范ASTM D3039）、 纤维体积分数测试不少于5×3组（符合规范TGA Q500）、形状记忆回复试验不少于3组（符合规范DMA Q800）（3D打印增强复合材料按照不同温度、不同层厚、不同打印间距完成至少3组试验，每组5个试样）；获取不同打印温度、不同层厚以及不同打印间距等参数对于3D打印增强复合材料纤维体积分数、力学性能和形状回复率的影响规律。

二、不同负泊松比结构对比试验内容

对内凹六边形、旋转多边形、手性结构三种负泊松比结构开展试验（符合规范ASTM D638），对比不同负泊松比结构的特征。内凹六边形结构拉伸试验不少于5组；旋转多边形拉伸试验不少于5组；手性结构拉伸试验不少于5组；获取不同结构参数和材料性能对于不同负泊松比结构性能的影响规律。

三、形状记忆负泊松比锚杆力学性能测试

形状记忆负泊松比锚杆常温拉伸试验不少于3组、低温拉伸试验不少于5个温度（-40℃~0℃）且每个温度下不少于3组（符合规范MT/T 1061-2008）；常温锚杆拉拔试验不少于3组、低温锚杆拉拔试验不少于5个温度（-40℃~0℃）且每个温度下不少于3组（符合规范MT 146.2-2002）；获取温度对于锚杆的极限承载力、泊松比、抗拔力的影响规律。

四、负泊松比锚杆施工工艺

对锚杆表面进行不同方式的粗糙处理（表面磨砂划痕、加箍等），增强锚杆与土体的摩擦力。测试增加锚杆粗糙度、钻孔孔壁粗糙度，增加锚杆以及孔壁粗糙度的抗拉拔效果，与未处理的锚杆、孔壁进行对比，研究施工工艺对于抗拉拔性能的影响。主要内容为：不同粗糙度（不少于3个粗糙度）下常温锚杆拉拔试验不少于3组、不同粗糙度（不少于3个粗糙度）下低温锚杆拉拔试验不少于5个温度（-40℃~0℃）且每个温度不少于3组（符合规范MT 146.2-2002）。

五、性能指标要求

1. 锚杆用形状记忆聚合物性能指标：

（1）聚合物类型：形状记忆，环氧树脂；

（2） 室温条件下，拉伸弹性模量≥3.5GPa，拉伸强度≥80MPa；低温条件下（-40℃），拉伸弹性模量≥4.0GPa，拉伸强度≥100MPa；

（3）玻璃化转变温度≥100℃；

（4）热分解温度≥350℃；

（5）形状固定率≥99%；

（6）形状回复率≥99%。

2. 锚杆用碳纤维性能指标：

碳纤维拉伸模量≥230GPa，拉伸强度≥4.9GPa，断裂伸长率≥1.6%。

3. 抗冻拔负泊松比材料锚杆性能指标：

（1）常温条件下，锚杆极限承载力≥350kN；低温条件下（-40℃），锚杆极限承载力≥300kN；

（2）锚杆拉伸载荷条件下最小泊松比≤-1；

（3）锚杆纤维体积分数≥40%；

（4）锚杆回收利用率≥99%。

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