摘　要：應用紅外探測技術，對玻璃鋼錨桿進行了單向拉伸的紅外輻射實驗研究，結果表明：玻璃鋼錨桿拉伸過程中，其紅外輻射溫度隨著荷載的增加而增加，彈性階段溫升變化微小，塑性階段溫升明顯，尤其是臨近破裂時，溫度升高快，大溫升值為0.3℃ 。利用玻璃鋼錨桿材料的紅外輻射溫度特征，可以反演該種材料的錨桿與圍巖相互作用過程中的應力、應變以及變形等力學性質。
關鍵詞：玻璃鋼錨桿；紅外熱像；輻射溫度

1　引言

　　玻璃鋼錨桿是一種由復合材料制成的錨桿。20世紀80年代，為了使煤巷錨桿具有可切割性能，降低錨桿支護成本，國內外采礦技術發達積極探索在煤幫錨桿中采用新型材料代替鋼錨桿，其中高分子復合材料，特別是樹脂基體復合材料是主要的攻關方向。90年代，試制以玻璃纖維為增強材料的絞合式聚合材料錨桿，1991年生產批并進行了井下工業性試驗，之后又成功地推出了全螺紋錨桿、注漿錨桿和全螺紋錨索，在礦山、隧道等工程領域得到應用，取得了可喜進展。
　　我國近年來也相繼試驗以玻璃鋼為桿體材料的錨桿。煤炭科學研究總院、礦業大學、杭州環境保護研究所、平頂山礦業集團公司等單位對玻璃鋼錨桿的結構、配方和力學性能都進行了廣泛深入的研究，認為玻璃鋼錨桿具有良好的可切割性、優良的耐化學腐蝕性、良好的表面性能，同時還有抗拉強度高、質量輕、可設計性和成型工藝性好等優點，可彌補其他材料的缺陷，是良好的煤幫錨桿替代品。然而，玻璃鋼錨桿在我國尚未得到廣泛應用，主要原因是現有玻璃鋼錨桿在技術上還存在一些問題：產品力學性能較低、桿體材料配方需要進一步改進、結構設計還不十分合理等，其中衡量錨桿力學性能好壞的重要指標是錨桿的抗拉伸能力。本文應用紅外探測技術，研究玻璃鋼錨桿在加載過程中紅外輻射溫度和紅外熱像的變化，探索玻璃鋼錨桿紅外輻射特性與變形和應力之間的關系，為進一步推動玻璃鋼錨桿應用研究，揭示錨桿支護作用機理，掌握錨桿與圍巖相互作用過程紅外輻射規律，提供基礎實驗資料。

2　實驗方法

　　玻璃鋼錨桿的樹脂桿體一般抗拉強度非常高，而橫向抗壓強度及層間剪切強度很低，如果把玻璃鋼錨桿直接夾在材料試驗機的夾頭上進行測試，工作區還沒有拉斷，夾持部位早已被壓碎；當增大夾持直徑時，對橫向抗壓強度有所提高，但由于縱向層間剪切強度較低，實驗中一般容易出現“抽芯”現象。為了克服這一問題，試驗前專門設計了一種夾具，用于完成玻璃鋼錨桿拉伸實驗。該夾具主要由卡爪、卡盤和實心套管三部分組成，如圖1所示。

　　玻璃鋼錨桿拉伸實驗采用標準試件形式，總長度為195mm，其中兩端30mm為夾具夾持區，中間130mm為工作區，試件直徑為10mm。將玻璃鋼錨桿試件放入專用夾具中，旋轉手柄，鎖緊夾具，試件拉伸實驗采用長春產CSS-2200電子萬能試驗機，載荷精度在顯示值的0.5％以內；紅外探測設備使用TVS-8100MKⅡ型紅外熱像儀，其溫度靈敏度為0.025℃ ，圖像分辨率320×240，圖像采集速度可達60幀／s，測量波段為3.6―4.6μm。將紅外熱像儀放置在正對玻璃鋼錨桿試件1m左右的距離上，觀察記錄試件在拉伸過程中紅外輻射溫度和紅外熱像的變化情況，如圖2所示。加載方式為勻速加載，加載速率為0.03mm／s，為了對紅外熱像和應力-應變曲線進行對比，兩者的采樣速率設計為相等，都為1次／s，且同時開始記錄。

3　實驗結果與分析

　　圖3(a)～(d)所示分別為玻璃鋼錨桿拉伸過程中紅外熱像系列圖。從圖中可以看出，在加載初期，金屬夾具與錨桿桿體密切接觸，壓緊夾實，錨桿紅外輻射溫度無變化，如圖3(a)所示；隨著荷載的增加，錨桿進入彈性變形階段，紅外輻射溫度變化微小，如圖3(b)所示；荷載繼續加大，錨桿進人塑性變形階段，紅外輻射溫度出現明顯的升溫現象，其特點是：錨桿兩端先升溫，然后逐步向錨桿中間部位擴展，如圖3(c)所示；當荷載增加到大值時，錨桿兩端出現宏觀裂紋，溫度升高值達到高點，大溫升值約為0.3℃，如圖3(d)所示；當逐步卸載時，錨桿溫度并沒有立即降低，而是保持一段原有溫度，然后緩慢降溫，紅外輻射溫度的變化稍滯后于力學狀態的變化，溫度變化越大，滯后效應越明顯，這是由于玻璃鋼錨桿為熱的不良導體，應力導致的溫度變化需要一個轉化過程。

　　如圖4所示為玻璃鋼錨桿拉伸變形至破裂過程中，其紅外輻射溫度與軸向應力的關系曲線。

　　通過分析實驗結果，可以發現，玻璃鋼錨桿拉伸過程中，其紅外輻射溫度隨著荷載的增加而增加，彈性階段紅外輻射溫升變化微小，塑性階段溫升明顯，尤其是臨近破裂時，紅外輻射溫度升高快，從開始加載到玻璃鋼錨桿破裂，大溫度升高約0.3℃。因此，利用玻璃鋼錨桿材料的上述紅外輻射溫度特性，可以反演該種材料的錨桿與圍巖相互作用過程中的應力、應變以及變形等力學性質，推動玻璃鋼錨桿應用研究，揭示錨桿支護作用機理。

4　結論

　　通過對玻璃鋼錨桿拉伸過程中紅外輻射特性實驗研究，得出以下結論：玻璃鋼錨桿紅外輻射溫度隨著荷載的增加而增加，加載初期，玻璃鋼錨桿紅外輻射溫度無變化；錨桿進入彈性變形階段，紅外輻射溫度變化微??；塑性變形階段，玻璃鋼錨桿紅外輻射溫度出現明顯的升溫現象；當荷載增加到大時，溫度升高值達到高點，大溫升值為0.3℃。當逐步卸載時，玻璃鋼錨桿溫度并沒有立即降低，而是保持一段原有溫度，然后緩慢降溫，紅外輻射溫度的變化稍滯后于力學狀態的變化，溫度變化越大，滯后效應越明顯。