納米SiO2對注漿體及土釘受力性能的影響研究

吳慶勇， 張廣興， 潘曉燕

（1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310008；2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院土木工程系，浙江 嘉興 314051）

0 引言

常見的鉆孔注漿型土釘是在土中先鉆孔，成孔后插入帶肋鋼筋并在孔中注入水泥漿液，漿液硬化后將土釘體與周圍土體牢固粘結(jié)而構(gòu)成一個(gè)整體，共同抵抗土壓力和其他荷載［1］。

土釘?shù)目估阅軐ν玲攭Φ陌踩€(wěn)定至關(guān)重要，在土釘墻失穩(wěn)破壞案例中，土釘被拔出占較大比例，因此，土釘注漿體與釘側(cè)土體之間的粘結(jié)強(qiáng)度以及注漿體本身強(qiáng)度特性對土釘在荷載作用下受力性能的影響非常重要［2］。在土釘注漿的設(shè)計(jì)過程中，漿液水灰比、注漿量、注漿壓力等參數(shù)都會(huì)對土釘受力性狀產(chǎn)生影響［3-5］。土釘注入的漿液一般為純水泥漿或水泥砂漿，研究表明水泥中摻入一些外加劑會(huì)改變固化水泥石的受力特性，如一些納米材料。由于納米材料的填充效應(yīng)、化學(xué)活性和晶核效應(yīng)，水泥漿、混凝土、水泥土等水泥基材料中摻入二氧化硅、碳酸鈣等納米粉末后，材料的結(jié)構(gòu)更為致密、強(qiáng)度也明顯提高［6-8］。因此，如果采用納米材料改性水泥并用于土釘注漿將可能改善土釘?shù)氖芰π阅?，但這方面的試驗(yàn)研究還很少。

因此，通過在普通水泥漿液中摻入不同含量的親水性納米SiO2，研究納米SiO2含量變化對改性后水泥注漿體試件抗壓及抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律。并通過現(xiàn)場土釘抗拉試驗(yàn)，分析了不同水灰比的條件下，納米SiO2改性水泥注漿土釘與常規(guī)水泥注漿土釘在受拉荷載作用下性能的差異。

1 試驗(yàn)方案

為了研究水泥中納米SiO2摻量不同對注漿體抗壓及抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》，將不同摻量的改性水泥漿分別裝入三聯(lián)模中制成40×40×160mm試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至21d后，測定其抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度。按照納米SiO2摻入量分為5組試樣，每組6個(gè)抗壓強(qiáng)度試樣和3個(gè)抗折強(qiáng)度試樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，試驗(yàn)方案見表1。制作試件的水泥型號(hào)采用P·I42.5型，納米SiO2采用HN-SP200型，屬于親水性材料。制備時(shí)先將納米SiO2和水混合，形成均勻的漿液后再倒入水泥攪拌制備納米復(fù)合水泥漿體，水灰比為0.5。

表1 注漿體強(qiáng)度試驗(yàn)方案

為了研究摻入納米SiO2的改性水泥注漿土釘與未摻入納米SiO2的常規(guī)水泥注漿土釘在受拉荷載作用下性能的差異，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果中的SiO2最優(yōu)摻入比，對兩類土釘進(jìn)行了現(xiàn)場抗拉對比試驗(yàn)，場地土層情況見表2。土釘為鉆孔注漿型，即鉆孔后置入土釘筋體，再注入水泥漿液硬化后形成土釘。為了保證土釘漿體的均勻性及土釘?shù)某叽纾囼?yàn)土釘采用在地面垂直向下施工的方式，手工螺旋鉆成孔，成孔深度1m，孔徑10cm，成孔后將直徑12mm、長度1.5m的鋼筋置入孔中（露出地面0.5m，用于拉拔試驗(yàn)穿心千斤頂固定），鋼筋放在孔中心位置固定，然后將配置好的水泥漿液均勻倒入孔中直至與水平地面齊平。

表2 土層的參數(shù)

試驗(yàn)土釘共3組（每組水灰比不同），每組2根，其中1根注入普通水泥漿液，另1根注入納米SiO2改性的水泥漿液。注漿后齡期達(dá)到21d時(shí)，根據(jù)規(guī)范［9］對上述3組土釘進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，各試驗(yàn)土釘情況見表3。

表3 注漿土釘試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 納米SiO2摻量對水泥注漿體抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案，納米SiO2摻入量占水泥質(zhì)量的百分比為0.5%～2.5%，試驗(yàn)結(jié)果得到試件的抗壓強(qiáng)度隨納米SiO2摻入比的變化規(guī)律如圖1所示，納米SiO2改性水泥漿體相比純水泥漿體抗壓強(qiáng)度的提高百分比隨納米SiO2摻入比的變化規(guī)律見圖2。從圖1、圖2中可以看到，相比純水泥漿體試件S0，當(dāng)納米SiO2摻入量為0.5%時(shí)，試件S1的抗壓強(qiáng)度變化不大，僅增加0.6%，而納米SiO2摻入量達(dá)到1%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度開始顯著提高，提高幅度為21.3%，當(dāng)納米SiO2摻入量達(dá)到2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高幅度最大，達(dá)到41.8%。當(dāng)納米SiO2摻入量達(dá)到2.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高幅度為40.6%，略有下降。試驗(yàn)結(jié)果表明納米SiO2的摻入對提高水泥漿體的抗壓強(qiáng)度有較大影響，雖然摻入量很小時(shí)，發(fā)揮作用比較微弱，但當(dāng)摻入量達(dá)到一定值時(shí)，納米SiO2就會(huì)發(fā)成明顯的作用，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，納米SiO2的最優(yōu)摻入量可取為2%。

圖1 試件抗壓強(qiáng)度隨納米SiO2摻入比變化曲線

圖2 試件抗壓強(qiáng)度提高百分比隨納米SiO2摻入比變化曲線

2.2 納米SiO2摻量對水泥注漿體抗折強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案，納米SiO2摻入量占水泥質(zhì)量的百分比從0.5%～2.5%，試驗(yàn)結(jié)果得到試件的抗折強(qiáng)度隨納米SiO2摻入比的變化規(guī)律如圖3所示，納米SiO2改性水泥漿相比純水泥漿體抗折強(qiáng)度的提高百分比隨納米SiO2摻入比的變化規(guī)律見圖4。從圖3、圖4中可以看到，試件的抗折強(qiáng)度隨著納米SiO2含量的增大而提高，增長幅度為2.6%～22.1%，當(dāng)納米SiO2含量在1.5%以下時(shí)增速較慢，而含量達(dá)到2%時(shí)增速較快，從2%到2.5%增速又有所減緩。綜合抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，納米SiO2的最優(yōu)摻入量取為2%。

圖3 試件抗折強(qiáng)度隨納米SiO2摻入比變化曲線

圖4 試件抗折強(qiáng)度提高百分比隨納米SiO2摻入比變化曲線

2.3 不同水灰比下納米SiO2改性水泥注漿對土釘抗拉性能的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案完成3組土釘施工并達(dá)到要求齡期時(shí)，對3組土釘分別采用穿心千斤頂進(jìn)行了現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)，并采用百分表記錄土釘上拔量，最終得到各土釘?shù)纳习瘟εc上拔量之間的關(guān)系曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 第一組土釘荷載-位移曲線（水灰比0.4）

圖6 第二組土釘荷載-位移曲線（水灰比0.5）

圖7 第三組土釘荷載-位移曲線（水灰比0.6）

從圖5的第一組試驗(yàn)結(jié)果可以看到，水灰比為0.4，各級(jí)荷載作用下，摻入納米SiO2的水泥注漿土釘（N1#）的上拔量均小于普通水泥注漿土釘（Z1#）。當(dāng)上拔荷載達(dá)到6.1kN時(shí)，兩根土釘均出現(xiàn)了曲線斜率的陡增，兩者極限承載力均可取前一級(jí)荷載5.7kN，但此時(shí)N1#土釘?shù)纳习瘟繛?.78mm，而Z1#土釘?shù)纳习瘟繛?.7mm，N1#土釘上拔量比Z1#土釘減少了24.9%。

從圖6的第二組試驗(yàn)結(jié)果可以看到，水灰比為0.5，各級(jí)荷載作用下，摻入納米SiO2的水泥注漿土釘（N2#）的上拔量均小于普通水泥注漿土釘（Z2#）。當(dāng)上拔荷載達(dá)到6.1kN時(shí)，兩根土釘均出現(xiàn)了曲線斜率的陡增，兩者極限承載力均可取前一級(jí)荷載5.7kN，但此時(shí)N2#土釘?shù)纳习瘟繛?.67mm，而Z2#土釘?shù)纳习瘟繛?.16mm，N2#土釘上拔量比Z2#土釘減少35.8%。

從圖7的第三組試驗(yàn)結(jié)果可以看到，水灰比為0.6，當(dāng)荷載較小時(shí)（前三級(jí)荷載），摻入納米SiO2的水泥注漿土釘（N3#）的上拔量僅略小于普通水泥注漿土釘（Z3#），兩者十分接近。但隨著荷載的增大，N3#土釘?shù)纳习瘟縿t明顯小于Z3#土釘。當(dāng)上拔荷載達(dá)到6.1kN時(shí)，兩根土釘均出現(xiàn)了曲線斜率的陡增，兩者極限承載力均可取前一級(jí)荷載5.7kN，但此時(shí)N3#土釘?shù)纳习瘟繛?.65mm，而Z2#土釘?shù)纳习瘟繛?.62mm，N3#土釘上拔量比Z3#土釘減少35.1%。

以上三組試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，雖然每組的水灰比大小不同，但相同水灰比時(shí)，摻入納米SiO2的水泥注漿土釘?shù)目估阅芫黠@優(yōu)于普通水泥注漿土釘，由于試驗(yàn)土釘長度較短，各土釘?shù)臉O限承載力比較接近，但就極限承載力作用下土釘?shù)纳习瘟縼砜?，納米SiO2改性的水泥注漿土釘是明顯小于普通水泥注漿土釘?shù)?。由此也可以推斷，?dāng)土釘長度較大時(shí)，其優(yōu)勢也將更加明顯。

試驗(yàn)的三組土釘由于水灰比不同，水泥漿液的“濃”與“稀”就存在差異，摻入的納米SiO2對土釘受拉特性影響也有差異，三個(gè)試驗(yàn)組中在各級(jí)荷載作用下納米SiO2改性水泥注漿土釘相對普通水泥注漿土釘上拔量減小的百分比如圖8所示，從圖中可以看到，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，因第一級(jí)荷載很小，所以上拔量也很小，外界影響因素就相對較大，且上拔量微小的變化都會(huì)導(dǎo)致納米SiO2改性水泥土釘相對普通水泥注漿土釘上拔量減小的百分比變化較大。因此，這里不考慮第一級(jí)荷載，從第二級(jí)荷載（0.6kN）開始到極限荷載（5.7kN）區(qū)間內(nèi)，第二組土釘（水灰比0.5）中納米SiO2改性水泥注漿土釘相比普通水泥注漿土釘上拔量減小比例最大，這說明水灰比過大及過小時(shí)都沒有得到最大比例的改善效果。而實(shí)際工程中水灰比過小的水泥漿太稠流動(dòng)性差，而水灰比過大的水泥漿太稀影響釘體的強(qiáng)度從而使土釘抗拔力減弱，應(yīng)多采用0.5的水灰比。

圖8 納米SiO2改性水泥注漿土釘上拔量減小比例

3 結(jié)語

文中通過現(xiàn)場土釘抗拉試驗(yàn)，研究了在不同水灰比的條件下，納米SiO2改性水泥注漿土釘與未摻入納米SiO2的常規(guī)水泥注漿土釘在受拉荷載作用下性能的差異，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，得到了如下結(jié)論：

（1） 在試驗(yàn)范圍內(nèi)，納米SiO2摻入量占水泥質(zhì)量的百分比為0.5%～2.5%，與普通水泥注漿試件相比，其抗壓強(qiáng)度基本隨著納米SiO2含量的增大而提高，提高幅度為0.6%～41.8%，當(dāng)納米SiO2摻入量達(dá)到2%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度提高幅度最大，達(dá)到41.8%，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，納米SiO2的最優(yōu)摻入量可取為2%。

（2） 試件的抗折強(qiáng)度隨著納米SiO2含量的增大而提高，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，增長幅度為2.6%～22.1%，當(dāng)納米SiO2含量在1.5%以下時(shí)增速較慢，而含量達(dá)到2%時(shí)增加較快，從2%～2.5%增速又有所減緩。綜合抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，納米SiO2的最優(yōu)摻入量可取為2%。

（3） 在水泥漿液的水灰比分別為0.4、0.5、0.6的條件下，摻入納米SiO2的水泥注漿土釘抗拉性能均要明顯優(yōu)于普通水泥注漿土釘。水灰比為0.5時(shí)，納米SiO2改性水泥注漿土釘相比普通水泥注漿土釘上拔量減小比例最大，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，水灰比過大及過小時(shí)都沒有得到最大比例的改善效果。