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)
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。
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
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
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
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
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。