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.浙江大學建筑設計研究院有限公司，杭州 310008；2.同濟大學浙江學院土木工程系，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而構成一個整體，共同抵抗土壓力和其他荷載［1］。

土釘的抗拉性能對土釘墻的安全穩定至關重要，在土釘墻失穩破壞案例中，土釘被拔出占較大比例，因此，土釘注漿體與釘側土體之間的粘結強度以及注漿體本身強度特性對土釘在荷載作用下受力性能的影響非常重要［2］。在土釘注漿的設計過程中，漿液水灰比、注漿量、注漿壓力等參數都會對土釘受力性狀產生影響［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、化學活性和晶核效應，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，材料的結構更為致密、強度也明顯提高［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的受力性能，但這方面的試驗研究還很少。

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度的影響規律。并通過現場土釘抗拉試驗，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水泥注漿土釘在受拉荷載作用下性能的差異。

1 試驗方案

為了研究水泥中納米SiO2摻量不同對注漿體抗壓及抗折強度的影響規律，按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢測方法》，將不同摻量的改性水泥漿分別裝入三聯模中制成40×40×160mm試件，標準養護至21d后，測定其抗壓強度及抗折強度。按照納米SiO2摻入量分為5組試樣，每組6個抗壓強度試樣和3個抗折強度試樣，試驗結果取平均值，試驗方案見表1。制作試件的水泥型號采用P·I42.5型，納米SiO2采用HN-SP200型，屬于親水性材料。制備時先將納米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合水泥漿體，水灰比為0.5。

表1 注漿體強度試驗方案

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的常規水泥注漿土釘在受拉荷載作用下性能的差異，根據上述試驗結果中的SiO2最優摻入比，對兩類土釘進行了現場抗拉對比試驗，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的尺寸，試驗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

試驗土釘共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。注漿后齡期達到21d時，根據規范［9］對上述3組土釘進行抗拉試驗，各試驗土釘情況見表3。

表3 注漿土釘試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 納米SiO2摻量對水泥注漿體抗壓強度的影響

根據試驗方案，納米SiO2摻入量占水泥質量的百分比為0.5%～2.5%，試驗結果得到試件的抗壓強度隨納米SiO2摻入比的變化規律如圖1所示，納米SiO2改性水泥漿體相比純水泥漿體抗壓強度的提高百分比隨納米SiO2摻入比的變化規律見圖2。從圖1、圖2中可以看到，相比純水泥漿體試件S0，當納米SiO2摻入量為0.5%時，試件S1的抗壓強度變化不大，僅增加0.6%，而納米SiO2摻入量達到1%時，試件的抗壓強度開始顯著提高，提高幅度為21.3%，當納米SiO2摻入量達到2%時，抗壓強度提高幅度最大，達到41.8%。當納米SiO2摻入量達到2.5%時，抗壓強度提高幅度為40.6%，略有下降。試驗結果表明納米SiO2的摻入對提高水泥漿體的抗壓強度有較大影響，雖然摻入量很小時，發揮作用比較微弱，但當摻入量達到一定值時，納米SiO2就會發成明顯的作用，在試驗范圍內，納米SiO2的最優摻入量可取為2%。

圖1 試件抗壓強度隨納米SiO2摻入比變化曲線

圖2 試件抗壓強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度的影響

根據試驗方案，納米SiO2摻入量占水泥質量的百分比從0.5%～2.5%，試驗結果得到試件的抗折強度隨納米SiO2摻入比的變化規律如圖3所示，納米SiO2改性水泥漿相比純水泥漿體抗折強度的提高百分比隨納米SiO2摻入比的變化規律見圖4。從圖3、圖4中可以看到，試件的抗折強度隨著納米SiO2含量的增大而提高，增長幅度為2.6%～22.1%，當納米SiO2含量在1.5%以下時增速較慢，而含量達到2%時增速較快，從2%到2.5%增速又有所減緩。綜合抗壓強度與抗剪強度的試驗結果，在試驗范圍內，納米SiO2的最優摻入量取為2%。

圖3 試件抗折強度隨納米SiO2摻入比變化曲線

圖4 試件抗折強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

根據試驗方案完成3組土釘施工并達到要求齡期時，對3組土釘分別采用穿心千斤頂進行了現場拉拔試驗，并采用百分表記錄土釘上拔量，最終得到各土釘的上拔力與上拔量之間的關系曲線，試驗結果如圖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的第一組試驗結果可以看到，水灰比為0.4，各級荷載作用下，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#）。當上拔荷載達到6.1kN時，兩根土釘均出現了曲線斜率的陡增，兩者極限承載力均可取前一級荷載5.7kN，但此時N1#土釘的上拔量為2.78mm，而Z1#土釘的上拔量為3.7mm，N1#土釘上拔量比Z1#土釘減少了24.9%。

從圖6的第二組試驗結果可以看到，水灰比為0.5，各級荷載作用下，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#）。當上拔荷載達到6.1kN時，兩根土釘均出現了曲線斜率的陡增，兩者極限承載力均可取前一級荷載5.7kN，但此時N2#土釘的上拔量為2.67mm，而Z2#土釘的上拔量為4.16mm，N2#土釘上拔量比Z2#土釘減少35.8%。

從圖7的第三組試驗結果可以看到，水灰比為0.6，當荷載較小時（前三級荷載），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#土釘的上拔量則明顯小于Z3#土釘。當上拔荷載達到6.1kN時，兩根土釘均出現了曲線斜率的陡增，兩者極限承載力均可取前一級荷載5.7kN，但此時N3#土釘的上拔量為3.65mm，而Z2#土釘的上拔量為5.62mm，N3#土釘上拔量比Z3#土釘減少35.1%。

以上三組試驗結果表明，在試驗范圍內，雖然每組的水灰比大小不同，但相同水灰比時，摻入納米SiO2的水泥注漿土釘的抗拉性能均要明顯優于普通水泥注漿土釘，由于試驗土釘長度較短，各土釘的極限承載力比較接近，但就極限承載力作用下土釘的上拔量來看，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的。由此也可以推斷，當土釘長度較大時，其優勢也將更加明顯。

試驗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，三個試驗組中在各級荷載作用下納米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，在試驗范圍內，因第一級荷載很小，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導致納米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，這里不考慮第一級荷載，從第二級荷載（0.6kN）開始到極限荷載（5.7kN）區間內，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都沒有得到最大比例的改善效果。而實際工程中水灰比過小的水泥漿太稠流動性差，而水灰比過大的水泥漿太稀影響釘體的強度從而使土釘抗拔力減弱，應多采用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 結語

文中通過現場土釘抗拉試驗，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的常規水泥注漿土釘在受拉荷載作用下性能的差異，在試驗范圍內，得到了如下結論：

（1） 在試驗范圍內，納米SiO2摻入量占水泥質量的百分比為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%，當納米SiO2摻入量達到2%時，試件抗壓強度提高幅度最大，達到41.8%，在試驗范圍內，納米SiO2的最優摻入量可取為2%。

（2） 試件的抗折強度隨著納米SiO2含量的增大而提高，在試驗范圍內，增長幅度為2.6%～22.1%，當納米SiO2含量在1.5%以下時增速較慢，而含量達到2%時增加較快，從2%～2.5%增速又有所減緩。綜合抗壓強度與抗剪強度的試驗結果，在試驗范圍內，納米SiO2的最優摻入量可取為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于普通水泥注漿土釘。水灰比為0.5時，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，在試驗范圍內，水灰比過大及過小時都沒有得到最大比例的改善效果。