Bildung der Verankerungskraft von Harz-Ankerbolzen: Harzringdicke, Mischqualität und Grenzflächenhaftung

Ein Ankerbolzen aus Harz wird oft so bewertet, als ob die Verankerung eine einzelne Zahl wäre, die auf einer Harzkartusche aufgedruckt ist. Im Betrieb ist die Verankerung ein Lastpfad. Der Bolzen muss das Harz greifen, das Harz muss kontinuierlich und intakt bleiben, das Harz muss die Bohrlochwand greifen, und das Gestein muss die Last aufnehmen. Eine Schwachstelle irgendwo in dieser Kette verändert das Ergebnis, selbst wenn jede Komponente ihre eigene Spezifikation erfüllt.

Deshalb verdienen drei häufige Annahmen eine genaue Prüfung:

• Wenn der Stab eine hohe Zugfestigkeit hat, hat der installierte Anker eine hohe Tragfähigkeit.
• Wenn die Kartusche das Loch füllt, ist der Ringraum korrekt.
• Wenn der Bolzen während der Installation gedreht wurde, wurde das Harz richtig gemischt.

Jede Annahme enthält einen Teil der Wahrheit. Keine ist für sich genommen ausreichend.

Dieser Artikel behandelt Zweikomponenten-Polyesterharzkartuschen, die mit vorgebohrten Ankerbolzen im Berg- und Tunnelbau verwendet werden. Er behandelt nicht pumpbare Injektionsharze, zementäre Vergussmörtel oder allgemeine chemische Anker. Die folgenden Prinzipien gelten über diese Grenzen hinaus nur, nachdem das Produkt und die Installationsmethode überprüft wurden.

Verankerungskraft ist eine Systemeigenschaft

Der erste Schritt besteht darin, vier Größen zu trennen, die oft als austauschbar behandelt werden.

Größe	Was sie beschreibt	Was sie nicht festlegt
Zugfestigkeit des Stabes	Die axiale Spannung, die der Stahlstab tragen kann	Ob der installierte Anker diese Last auf das Gestein übertragen kann
Materialfestigkeit des Harzes	Das Verhalten einer ausgehärteten Harzprobe unter einem definierten Test	Ob das Harz das Bohrloch gefüllt, gemischt und verbunden hat
Verbundfestigkeit	Schubübertragung pro Einheit der Verbundlänge für eine bestimmte Testanordnung	Die Tragfähigkeit jeder Kombination aus Bolzen, Loch und Gestein
Verankerungskapazität	Die Last, die ein bestimmtes installiertes System tragen kann, bevor eine begrenzende Komponente oder Schnittstelle versagt	Eine universelle Produktbewertung

Die Verankerungskraft wird über eine Kette erzeugt: Stab, Stab-Harz-Grenzfläche, Harzringraum, Harz-Gestein-Grenzfläche und umgebendes Gestein. Die Last wird durch Schub entlang der Verbundlänge übertragen. Die Schubspannung ist vom Kranz bis zur Spitze nicht gleichmäßig. Das belastete Ende trägt einen unverhältnismäßigen Anteil, und mit fortschreitender Entkopplung wandert die Übertragungszone. Dies ist einer der Gründe, warum eine längere Verbundlänge nicht automatisch eine proportionale Erhöhung der Kapazität erzeugt.

Die praktische Konsequenz ist einfach: Der installierte Anker wird durch sein schwächstes Glied begrenzt, nicht durch die stärkste Komponente im Katalog. Ein hochfester Stab kann eine unvollständige Verkapselung nicht ausgleichen. Eine hohe Verbundfestigkeit kann eine Gebirgsmasse nicht ausgleichen, die die Last nicht aufnehmen kann. Ein Harz mit ausgezeichneter Laborfestigkeit kann einen Mischvorgang nicht ausgleichen, der Teile der Kartusche ungemischt lässt.

Die Dicke des Harzringraums ist zuerst Geometrie, dann Volumen

Der Harzringraum ist der Raum zwischen dem Bolzen und der Bohrlochwand, den das gemischte Harz füllen muss. Seine radiale Dicke beträgt:

t = (D_Loch - D_Stab) / 2

wobei D_Loch der tatsächliche Bohrlochdurchmesser und D_Stab der tatsächliche Stabdurchmesser am Verbundquerschnitt ist.

Die Unterscheidung zwischen radialer Dicke und diametralem Spiel ist wichtig. Ein 32-mm-Loch mit einem 25-mm-Stab hat einen Durchmesserunterschied von 7 mm, aber einen nominalen radialen Ringraum von 3,5 mm. Wenn ein Dokument einen 7-mm-Ringraum und ein anderes 3,5 mm für dasselbe Paar angibt, beschreiben sie möglicherweise unterschiedliche Abmessungen. Fragen Sie, welche Definition verwendet wird, bevor Sie Zahlen vergleichen.

Die Kartusche ist nicht der Ringraum

Eine Harzkartusche hat ihren eigenen Durchmesser, ihre eigene Länge und ihren eigenen Folienaufbau. Sie muss in das Bohrloch passen, vom Bolzen durchstochen und zerkleinert werden und Harz und Katalysator in den Ringraum freisetzen. Der Kartuschendurchmesser beeinflusst daher das Einführen, Mischen und Füllen, ist aber nicht dasselbe wie der endgültige Harzringraum.

Das Ringraumvolumen kann wie folgt angenähert werden:

V = (pi / 4) x (D_Loch^2 - D_Stab^2) x L_b

wobei L_b die Verbundlänge ist. In der Praxis muss das erforderliche Harzvolumen auch Bohrlochunregelmäßigkeiten, Hohlräume, Risse und Harzverluste berücksichtigen. Die Fülltabelle eines Herstellers enthält einen Zuschlag von 15 % für Bohrlochunregelmäßigkeiten, aber dieser Zuschlag ist spezifisch für dessen Tabelle und Produktpalette. Er ist kein universeller Faktor.

Deshalb sollte eine Kartusche aus einer dokumentierten Stab-Loch-Kartuschen-Kombination ausgewählt werden, nicht allein aus dem Kartuschendurchmesser. Eine lange Kartusche erzeugt nicht unbedingt eine lange Verbundlänge, und eine große Kartusche erzeugt nicht automatisch einen besseren Ringraum.

Die Nenngröße des Lochs ist nicht die tatsächliche Lochgröße

Die Bohrergröße ist ein Ausgangspunkt, keine Messung des fertigen Lochs. Bohrerverschleiß, Überbruch, Aufweiten, weiches oder gebräches Gestein, Lochkonvergenz und Bohrtechnik können den tatsächlichen Durchmesser verändern. Eine konzentrische Berechnung auf der Grundlage einer nominalen Bohrergröße kann daher den tatsächlichen Ringraum über- oder unterschätzen.

Das gleiche Problem gilt für den Stab. Der Nenndurchmesser beschreibt möglicherweise nicht das Profil am Verbundquerschnitt, insbesondere wenn Rippen, Gewinde oder Oberflächenbehandlungen vorhanden sind. Der Ringraum ist ein lokaler Zustand entlang des Bolzens, kein einzelner perfekter Zylinder.

Exzentrizität fügt eine weitere Variable hinzu. Liegt der Stab an einer Seite des Lochs an, ist der lokale Ringraum auf dieser Seite kleiner und auf der anderen Seite größer. Die durchschnittliche radiale Dicke kann akzeptabel aussehen, während die Harzverteilung nicht gleichmäßig ist. In einem gebrächen Loch kann Harz auch in Hohlräume entweichen und Teile der vorgesehenen Verbundlänge ohne durchgehende Verkapselung lassen.

Warum veröffentlichte optimale Bereiche unterschiedlich sind

Es gibt keine einzelne Ringraumdicke, die auf jedes Harz, jeden Stab, jedes Gestein und jedes Bohrsystem angewendet werden kann.

Eine südafrikanische Richtlinie für Firstenankerung berichtet, dass in einer Testreihe die höchsten Verbundfestigkeiten mit einem Ringraum zwischen etwa 2,5 mm und 3,8 mm erzielt wurden, während ein Ringraum unter 2 mm die Verbundfestigkeit zu verringern schien. Dasselbe Dokument stellt fest, dass diese Ringräume aus gemessenen Loch- und Bolzendurchmessern berechnet wurden, nicht aus der Bohrergröße. Andere Testprogramme und praktische Anleitungen haben unterschiedliche bevorzugte Bereiche berichtet, einschließlich eines breiteren praktischen Bereichs um 4 bis 6 mm in einigen Arbeiten im Zusammenhang mit Hagans Forschung.

Diese Zahlen sind keine konkurrierenden universellen Spezifikationen. Sie spiegeln unterschiedliche Testmethoden, Stabprofile, Harzsysteme und Gesteinsbedingungen wider. Die nützliche Schlussfolgerung ist nicht „wählen Sie 3 mm“ oder „wählen Sie 5 mm“. Sie lautet:

• Der Ringraum muss zusammen mit dem Stab und der Kartusche entworfen werden.
• Der tatsächliche Lochdurchmesser sollte gemessen oder kontrolliert werden, nicht vom Bohrer angenommen werden.
• Die ausgewählte Kombination sollte durch Produktdaten und, bei ungewöhnlichen Bedingungen, durch standspezifische Verifizierung gestützt werden.

Ein Ringraum, der zu klein ist, kann den Einführungswiderstand erhöhen, das vollständige Mischen verhindern oder eine vollständige Verkapselung erschweren. Ein Ringraum, der zu groß ist, erhöht das Volumen, das gefüllt werden muss, und die Möglichkeit von Hohlräumen, Exzentrizität oder unvollständiger Verkapselung. Beide Richtungen verdienen Aufmerksamkeit. Ein größerer Ringraum ist nicht automatisch ein sichererer Ringraum.

Mischqualität ist ein Prozessfenster, kein längeres Drehen

Eine Zweikomponenten-Harzkartusche hält die Harzmasse und den Katalysator bis zur Installation getrennt. Der Bolzen muss die Kartusche aufbrechen, die Folie zerkleinern und die beiden Komponenten mischen, während er sich durch die Harzsäule bewegt. Die chemische Reaktion wandelt das gemischte Material dann in einen lastübertragenden Festkörper um.

Diese Abfolge enthält mehrere verschiedene Phasen, und die Branche verwendet die Begriffe nicht immer einheitlich.

Begriff	Worauf er sich bezieht	Was er nicht bedeutet
Drehzeit	Die Rotationsperiode, die zum Mischen von Harz und Katalysator verwendet wird	Vollständige Aushärtung oder Erlaubnis, den Bolzen zu belasten
Haltezeit	Die Mindestruhezeit nach dem Mischen vor dem Spannen oder Belasten	Die Zeit, die erforderlich ist, um die gesamte Langzeitfestigkeit zu entwickeln
Gelierzeit	Die Zeit vom Mischen bis zum Beginn der Aushärtung	Eine universelle Installationszeit, die für jedes Produkt und jede Temperatur gilt

Hersteller definieren und berichten diese Werte unterschiedlich. Ein technisches Dokument von J-LOK besagt, dass die Drehzeit plus Haltezeit im Allgemeinen nahe der Gelierzeit liegt. Es beschreibt die Drehzeit als die Zeit, die benötigt wird, um eine vollständige Mischung bei einer typischen Ankerdrehung von 400 bis 600 U/min zu erreichen.

Ein Datenblatt von Minova Lokset gibt produktspezifische Dreh- und Haltewerte an. Es warnt auch davor, dass die Zeiten mit der Temperatur, den Bergbaubedingungen, der Ausrüstung, dem Loch-zu-Bolzen-Ringraum, dem Alter der Kapsel und den Lagerbedingungen variieren. Ein weiteres Datenblatt von Minova spezifiziert eine Mindestanzahl von Umdrehungen für seine jeweilige Kapsel, anstatt eine feste Anzahl von Sekunden als universell zu behandeln.

Diese Unterschiede sind kein Widerspruch. Sie zeigen, warum eine von einem Produktblatt kopierte Zeit nicht auf ein anderes System übertragen werden kann.

Zeit ist nicht dasselbe wie Mischenergie

Die Anzahl der Umdrehungen ist genauso wichtig wie die Uhr. Ein Bolzen, der 15 Sekunden lang mit 300 U/min gedreht wird, macht etwa 75 Umdrehungen. Dieselben 15 Sekunden bei 600 U/min ergeben etwa 150 Umdrehungen. Wenn der Mischer langsamer ist oder der Bolzen nicht wie erwartet durch die Kartusche vordringt, kann eine reine Zeitvorgabe nicht dasselbe Mischergebnis erzielen.

Deshalb enthält eine nützliche Installationsspezifikation die Ausrüstung, die Rotationsgeschwindigkeit, den Vorschub, die Einführmethode und den Zeitpunkt, an dem die Drehperiode beginnt. Sie sollte auch angeben, was der Bediener beobachten soll, z. B. dass der Bolzen das hintere Ende des Lochs erreicht und die Kartusche vollständig durchstochen wurde.

Unter- und Überdrehen führen auf unterschiedliche Weise zum Versagen

Unterdrehen lässt Harz und Katalysator unvollständig vermischt. Das Ergebnis können weiche oder ungemischte Taschen, schlechte Festigkeitsentwicklung und unvollständige Verbindung sein. In einer Studie im Hartgesteinsbergbau waren 37,5 %