土壤聚合物水泥砂浆在多层砖混结构抗震加固中的应用

刘 波，邹向阳，王 坦，胡 浩，任红亮

（长春工程学院吉林省土木工程抗震减灾重点实验室，长春130012）

1 概述

由于世界各地地震的频发，对老旧房屋进行结构抗震加固越来越重要了，特别是几十年的多层砖混结构房屋，其抗震能力较低，不满足当今房屋的抗震标准要求。于是各地方都开始了抗震加固的工程。就长春地区而言，2010年—2011年，长春地区就针对中小学的多层砖混结构进行了大规模的结构抗震加固工程。该工程的大概内容是：建筑主体新增构造柱和圈梁，钢筋网水泥砂浆面层加固墙体两面，其中内墙上下两层的钢筋网是用贯穿过楼板的竖向钢筋（简称“穿板连接筋”）进行绑扎或焊接连接的，穿板连接筋采用直径为12mm的二级钢。但在实际工程中会遇到一些情况，并不全部适合用穿板连接筋来连接，给施工造成了困难。具体情况如下：

（1）由于老旧建筑体历史的原因，经过几次改造或者修缮造成上下两层纵墙或者横墙错位并不在同一垂直线上，造成穿板之后的钢筋离墙体较远无法与钢筋网进行连接，即使勉强弯折与钢筋网进行连接，也会影响到后期水泥砂浆面层的施工。再者钻孔施工时，由于机器工作面的局限，很难紧贴墙面向楼板钻孔，施工起来不方便，稍有不慎就偏离了墙体，造成无法与上层或者下层的钢筋网进行连接。见图1、图2为位置正确的穿板连接筋，这样很容易与墙体上的钢筋网进行绑扎或焊接。图3、图4为位置错误的穿板连接筋，明显可以看出离墙体较远，这样很难与墙体上的钢筋网进行绑扎或焊接，造成这样的结果可能是上下层墙体位置不在同一垂直线上或者施工操作时钻孔位置有偏差。

图1 位置正确的穿板连接筋（楼板下）

图2 位置正确的穿板连接筋（楼板上）

（2）穿板连接筋要贯穿过楼板，待加固的建筑物本身大都是多层砖混结构，采用的是预制空心楼板。如果间隙过小且连续贯穿楼板，可能会影响整个楼板的强度，造成主体结构存在安全隐患。还有采用集中配筋的方式穿过楼板时，很难避开预制板内的配筋，这样会容易伤及原有的钢筋，对楼板造成伤害。即使避开钢筋进行钻孔，但插入钢筋后留下的空隙较小，也很难用水泥砂浆填实，这样也会影响整个楼板的强度。

图3 位置错误的穿板连接筋（墙体左侧）

图4 位置错误的穿板连接筋（墙体右侧）

以上在施工中遇到的这些情况，并不适合用穿板连接筋直接来连接钢筋网，我们可以用在楼板上下分别植筋的方法来代替穿板连接筋。但是这种方法不同于一般的建筑改造、扩建的植筋方法，一般方法植筋效果的好坏与钢筋直径、基础强度、锚固长度、钻孔孔径、植筋胶的质量都有很大的关系。但对于在预制空心楼板上植筋就有很多局限性。因为是在楼板厚度不大，钻孔锚固长度较小，并且尽量减少对楼板损坏的前提下，进行对预制空心楼板植筋，所以较难达到预期效果。我们要采用一种特殊的植筋方法，就是用一种高强度并具有很好的界面黏结能力的胶凝材料，选择合适的钻孔位置，在深度较小且具有一定形状的孔洞内，利用这种胶凝材料把钢筋牢牢地锚固在楼板上达到和穿板连接筋一样的效果。土壤聚合物水泥就是这种合适的材料，它具有以下特点：

（1）收缩小：土聚水泥表现出完全不同于普通硅酸盐水泥的水化机理，普通硅酸盐水泥水化后，产生较大的化学收缩，而土聚水泥水化后表现出较好的体积稳定性，收缩远小于普通硅酸盐水泥。

（2）耐高温性能好：土聚水泥的熔点约为1 250°，显示了较好的高温力学强度，其耐火耐热性能远远优于普通硅酸盐水泥。

（3）早期强度高：与一般的碱胶凝材料一样，土聚水泥表现了较高的早期强度，水化4h，抗压强度可达20MPa以上，28d抗压强度可达到100MPa以上。

（4）较高的界面结合强度：普通硅酸盐水泥在与骨料结合的界面上容易出现富含氢氧化钙及钙矾石等粗大结晶的过渡区，造成界面结合力薄弱，而土聚水泥和骨料界面结合紧密，不会出现类似的过渡区[1]。

根据以上土壤聚合物水泥的性能特点，把它作为主要原料在配以适合的骨料完全可以作为快硬高强的修补材料进行开发，应用于建筑设施的植筋锚固、修补等。

2 理论根据

对于土壤聚合物水泥，国内外材料科学界有大量的研究和报道，主要是用碎石、锅炉渣或高炉矿渣磨细，或生石灰加磨细高炉矿渣，或以锻烧成一定细度的黏土加一定量的矿渣和石灰为主要原料，再用NaOH溶液或水玻璃溶液进行调制，得到强度很高（100MPa以上）、稳定性好的胶凝材料。在分析该碱胶凝材料水化硬化后的产物时，发现其不但含有高碱度的C－S－H凝胶，还含有相当一部分结构类似沸石、长石、霞石等无机聚合物，与土壤中的沉积岩的组成相似。因此把这种与硅酸盐水化产物相差较大的胶凝材料命名为土壤水泥或土壤聚合物水泥（简称土聚水泥）[2]。

土壤聚合物水泥水化反应过程，简要可分为3个阶段：

第1阶段：主要原料中玻璃体的Si—O—Si受OH－作用而解体生成—Si—OH和—Si—O—，但它是过渡化合物，Al—O—Al也有同样的过程。此时断裂的—Si—O—键具有很高的活性。在 Na＋、OH－共同催化作用下，阻止了断键再聚合回来的反应。从而断键反应加速，数量增加，如果有大量活性Ca2＋的存在，将继续发生剧烈的反应与断裂的—Si—O—键重新结合形成水化硅酸钙凝胶和沸石类的矿物。

第2阶段：部分断裂的—Al—O—，—Si—O—形成无机的硅—氧四面体、铝—氧四面体及硅铝长链结构。硅—氧四面体和铝—氧四面体通过共用一个氧连接起来，构成三维网状结构。阳离子（Na＋、Ca2＋、Mg2＋……）存在于三维网状结构的空腔内以平衡负电荷，达到稳定结构[3]。此时土聚物长链结构形成，—Si—O—的重新聚合，提高了材料的胶结强度。为防止过剩的OH－使聚合后的硅—氧键和铝—氧键再次断裂，需要碱土元素与氢氧根离子结合成不易溶于水的产物，使OH－的质量浓度降低，从而避免了—Si—O—和—Al—O—键再次断裂[4]。

第3阶段：上述最初形成的少量固相和胶体微粒形成晶体，导致水泥石的结构形成，产生强度。

以上就是水化反应的简要过程，总体上是[SiO4]4－解聚—聚合的过程。

3 试验研究

3.1 拉拔试验钢筋的选用

为了提高试验研究的准确性。选取的钢筋是通钢产的同一批次直径为12mm的二级钢，均为合格品。

3.2 配制土壤聚合物水泥的原料

3.2.1 矿渣

采用的是矿渣微粉，它是土聚水泥的主要原料。所谓矿渣微粉就是粒化高炉矿渣磨细后的细粉。粒化高炉矿渣是熔化后的矿渣，在高温状态迅速水淬而成。经水淬急冷后的矿渣，其中玻璃体含量多，结构处在高能量状态不稳定、潜在活性大，但须磨细才能使潜在的活性发挥出来。粉磨矿渣是提高其活性极为有效的技术措施[5]。所以，本试验采用的矿渣微粉是通过超细磨来获得的。

3.2.2 碱激发剂

本试验采用强碱NaOH固体颗粒作为矿渣的碱激发剂。

3.2.3 水玻璃

用碱性水玻璃代替水来拌和，进行水化反应，增加界面黏结力。还可以提供大量早期水化用的OH－。

3.2.4 外加剂

固化剂1：主要含有碱土金属氧化物材料即钙质材料，提供Ca2＋。

固化剂2：主要含有碱土金属氧化物材料即镁质材料，提供Mg2＋。

3.3 试验方法

由于植筋的孔洞较大，植筋胶采用的材料是以土壤聚合物水泥为主要原料的砂浆，砂子采用的是中国ISO标准砂，保证砂浆配制的准确性。按土聚水泥∶标准砂∶水玻璃＝1∶3∶0.5配制土壤聚合物水泥砂浆。为了保证工程按时完工，要求植筋的拉拔强度要在短时间内达到一定的强度，不耽误墙体钢筋网进行砂浆抹面，且最终拉拔强度要超过标准规定的二级钢极限强度。这就要求填埋钢筋的土聚水泥砂浆要具有高强快硬的特点。作为砂浆主要原料的土聚水泥，其快硬高强的特性与碱激发剂、固化剂1、固化剂2等组成成分含量有关。因此利用正交设计的原理，找出最佳组合，得到最快硬高强的土聚水泥。

为了更好地提高植筋效果，把钢筋弯折成“L型”，短边长度大约为50mm左右，长边长度大约为200mm左右。植筋孔洞的形状是一个梯形体，位于墙体与楼板的交接处并延伸到墙体一段距离。尺寸为：上底约50×40mm，下底约100×50mm，深约50mm（一般不超过楼板厚度的一半），两边斜面坡度约为60°。模拟施工现场环境，把L型钢筋（短边）放置于梯形体底部，钢筋垂直部分与墙面净距≥5mm（按照抗震加固设计要求，穿板连接筋与其一起连接的钢筋网要与墙面净距≥5mm），具体如图5所示。

图5 “L型”钢筋植筋位置示意图

3.4 试验结果分析

把土壤聚合物水泥的主要原料，碱激发剂x1、固化剂x2、固化剂x3作为影响因素，利用正交设计原理安排试验。x1、x2、x3分别为碱激发剂、固化剂1、固化剂2占矿渣总量的百分数。每个组合都要进行不同时间段的多根拉拔试验，具体正交设计试验结果见表1。

表1 正交设计试验结果

从以上试验结果不难看出，试验号6为最佳组合，其各时间段的拉拔强度均为最高，且最终28d拉拔强度520MPa超过了标准规定的二级钢极限强度，和穿板连接筋起到了同样的作用，并且早期拉拔强度也较高，具有一定的强度达到了极限强度的40%左右，不耽误墙体钢筋网砂浆抹面施工。综上所述，符合该结构抗震加固的设计要求。

4 拉拔强度的影响因素

（1）孔洞的清洁程度。凿开后的孔洞里边建筑材料碎块较多，不清理干净将影响砂浆浆体与孔洞内壁的黏结。

（2）砂浆浆体的密实程度。要进行插捣密实，注意把梯形体下底的4个底角全部填实，这个非常关键，这样才能形成完整的梯形体楔入墙体与楼板之中，与墙体和楼板整体构成一个牢固的梯形体基础。

（3）砂浆浆体的养护。土壤聚合物水泥砂浆也是水硬性胶凝材料，要定期喷湿养护，强度才能达到预期的效果。

（4）填实孔洞之前，要先用水喷湿孔洞的内壁，防止浆体水分流失，影响硬化。

5 结语

本文利用正交设计原理进行试验。通过大量试验结果的研究分析，最佳组合条件下的植筋拉拔强度值可以达到并超过二级钢标准规定的极限强度。考虑到抗震加固钢筋网上下的整体性和原设计穿板连接筋施工工艺流程的简便性，可以将植筋和穿板连接筋综合起来使用。在适合的条件下用植筋的方法部分代替穿板连接筋，而不是全部。这样就可以更好地满足抗震加固的设计要求，保证抗震加固的整体效果。

[1]代新祥，文梓芸.土壤聚合物水泥[J].新型建筑材料，2001（6）：34－35.

[2]杨南如.碱胶凝材料形成的物理化学基础（Ⅰ）[J].硅酸盐学报，1996，24（02）：209－215.

[3]杨南如.碱胶凝材料形成的物理化学基础（Ⅱ）[J].硅酸盐学报，1996，24（04）：459－462.

[4]陈立军，张丹，邢士俊，等.碱矿渣无机涂料的研究[J].新型建筑材料，2001（12）：41－43.

[5]张雄.建筑功能外加剂[M].北京：化学工业出版社，2004：188－189.