纳米SiO2对注浆体及土钉受力性能的影响研究

吴庆勇， 张广兴， 潘晓燕

（1.浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310008；2.同济大学浙江学院土木工程系，浙江 嘉兴 314051）

0 引言

常见的钻孔注浆型土钉是在土中先钻孔，成孔后插入带肋钢筋并在孔中注入水泥浆液，浆液硬化后将土钉体与周围土体牢固粘结而构成一个整体，共同抵抗土压力和其他荷载［1］。

土钉的抗拉性能对土钉墙的安全稳定至关重要，在土钉墙失稳破坏案例中，土钉被拔出占较大比例，因此，土钉注浆体与钉侧土体之间的粘结强度以及注浆体本身强度特性对土钉在荷载作用下受力性能的影响非常重要［2］。在土钉注浆的设计过程中，浆液水灰比、注浆量、注浆压力等参数都会对土钉受力性状产生影响［3-5］。土钉注入的浆液一般为纯水泥浆或水泥砂浆，研究表明水泥中掺入一些外加剂会改变固化水泥石的受力特性，如一些纳米材料。由于纳米材料的填充效应、化学活性和晶核效应，水泥浆、混凝土、水泥土等水泥基材料中掺入二氧化硅、碳酸钙等纳米粉末后，材料的结构更为致密、强度也明显提高［6-8］。因此，如果采用纳米材料改性水泥并用于土钉注浆将可能改善土钉的受力性能，但这方面的试验研究还很少。

因此，通过在普通水泥浆液中掺入不同含量的亲水性纳米SiO2，研究纳米SiO2含量变化对改性后水泥注浆体试件抗压及抗折强度的影响规律。并通过现场土钉抗拉试验，分析了不同水灰比的条件下，纳米SiO2改性水泥注浆土钉与常规水泥注浆土钉在受拉荷载作用下性能的差异。

1 试验方案

为了研究水泥中纳米SiO2掺量不同对注浆体抗压及抗折强度的影响规律，按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》，将不同掺量的改性水泥浆分别装入三联模中制成40×40×160mm试件，标准养护至21d后，测定其抗压强度及抗折强度。按照纳米SiO2掺入量分为5组试样，每组6个抗压强度试样和3个抗折强度试样，试验结果取平均值，试验方案见表1。制作试件的水泥型号采用P·I42.5型，纳米SiO2采用HN-SP200型，属于亲水性材料。制备时先将纳米SiO2和水混合，形成均匀的浆液后再倒入水泥搅拌制备纳米复合水泥浆体，水灰比为0.5。

表1 注浆体强度试验方案

为了研究掺入纳米SiO2的改性水泥注浆土钉与未掺入纳米SiO2的常规水泥注浆土钉在受拉荷载作用下性能的差异，根据上述试验结果中的SiO2最优掺入比，对两类土钉进行了现场抗拉对比试验，场地土层情况见表2。土钉为钻孔注浆型，即钻孔后置入土钉筋体，再注入水泥浆液硬化后形成土钉。为了保证土钉浆体的均匀性及土钉的尺寸，试验土钉采用在地面垂直向下施工的方式，手工螺旋钻成孔，成孔深度1m，孔径10cm，成孔后将直径12mm、长度1.5m的钢筋置入孔中（露出地面0.5m，用于拉拔试验穿心千斤顶固定），钢筋放在孔中心位置固定，然后将配置好的水泥浆液均匀倒入孔中直至与水平地面齐平。

表2 土层的参数

试验土钉共3组（每组水灰比不同），每组2根，其中1根注入普通水泥浆液，另1根注入纳米SiO2改性的水泥浆液。注浆后龄期达到21d时，根据规范［9］对上述3组土钉进行抗拉试验，各试验土钉情况见表3。

表3 注浆土钉试验方案

2 试验结果及分析

2.1 纳米SiO2掺量对水泥注浆体抗压强度的影响

根据试验方案，纳米SiO2掺入量占水泥质量的百分比为0.5%～2.5%，试验结果得到试件的抗压强度随纳米SiO2掺入比的变化规律如图1所示，纳米SiO2改性水泥浆体相比纯水泥浆体抗压强度的提高百分比随纳米SiO2掺入比的变化规律见图2。从图1、图2中可以看到，相比纯水泥浆体试件S0，当纳米SiO2掺入量为0.5%时，试件S1的抗压强度变化不大，仅增加0.6%，而纳米SiO2掺入量达到1%时，试件的抗压强度开始显著提高，提高幅度为21.3%，当纳米SiO2掺入量达到2%时，抗压强度提高幅度最大，达到41.8%。当纳米SiO2掺入量达到2.5%时，抗压强度提高幅度为40.6%，略有下降。试验结果表明纳米SiO2的掺入对提高水泥浆体的抗压强度有较大影响，虽然掺入量很小时，发挥作用比较微弱，但当掺入量达到一定值时，纳米SiO2就会发成明显的作用，在试验范围内，纳米SiO2的最优掺入量可取为2%。

图1 试件抗压强度随纳米SiO2掺入比变化曲线

图2 试件抗压强度提高百分比随纳米SiO2掺入比变化曲线

2.2 纳米SiO2掺量对水泥注浆体抗折强度的影响

根据试验方案，纳米SiO2掺入量占水泥质量的百分比从0.5%～2.5%，试验结果得到试件的抗折强度随纳米SiO2掺入比的变化规律如图3所示，纳米SiO2改性水泥浆相比纯水泥浆体抗折强度的提高百分比随纳米SiO2掺入比的变化规律见图4。从图3、图4中可以看到，试件的抗折强度随着纳米SiO2含量的增大而提高，增长幅度为2.6%～22.1%，当纳米SiO2含量在1.5%以下时增速较慢，而含量达到2%时增速较快，从2%到2.5%增速又有所减缓。综合抗压强度与抗剪强度的试验结果，在试验范围内，纳米SiO2的最优掺入量取为2%。

图3 试件抗折强度随纳米SiO2掺入比变化曲线

图4 试件抗折强度提高百分比随纳米SiO2掺入比变化曲线

2.3 不同水灰比下纳米SiO2改性水泥注浆对土钉抗拉性能的影响

根据试验方案完成3组土钉施工并达到要求龄期时，对3组土钉分别采用穿心千斤顶进行了现场拉拔试验，并采用百分表记录土钉上拔量，最终得到各土钉的上拔力与上拔量之间的关系曲线，试验结果如图5～图7所示。

图5 第一组土钉荷载-位移曲线（水灰比0.4）

图6 第二组土钉荷载-位移曲线（水灰比0.5）

图7 第三组土钉荷载-位移曲线（水灰比0.6）

从图5的第一组试验结果可以看到，水灰比为0.4，各级荷载作用下，掺入纳米SiO2的水泥注浆土钉（N1#）的上拔量均小于普通水泥注浆土钉（Z1#）。当上拔荷载达到6.1kN时，两根土钉均出现了曲线斜率的陡增，两者极限承载力均可取前一级荷载5.7kN，但此时N1#土钉的上拔量为2.78mm，而Z1#土钉的上拔量为3.7mm，N1#土钉上拔量比Z1#土钉减少了24.9%。

从图6的第二组试验结果可以看到，水灰比为0.5，各级荷载作用下，掺入纳米SiO2的水泥注浆土钉（N2#）的上拔量均小于普通水泥注浆土钉（Z2#）。当上拔荷载达到6.1kN时，两根土钉均出现了曲线斜率的陡增，两者极限承载力均可取前一级荷载5.7kN，但此时N2#土钉的上拔量为2.67mm，而Z2#土钉的上拔量为4.16mm，N2#土钉上拔量比Z2#土钉减少35.8%。

从图7的第三组试验结果可以看到，水灰比为0.6，当荷载较小时（前三级荷载），掺入纳米SiO2的水泥注浆土钉（N3#）的上拔量仅略小于普通水泥注浆土钉（Z3#），两者十分接近。但随着荷载的增大，N3#土钉的上拔量则明显小于Z3#土钉。当上拔荷载达到6.1kN时，两根土钉均出现了曲线斜率的陡增，两者极限承载力均可取前一级荷载5.7kN，但此时N3#土钉的上拔量为3.65mm，而Z2#土钉的上拔量为5.62mm，N3#土钉上拔量比Z3#土钉减少35.1%。

以上三组试验结果表明，在试验范围内，虽然每组的水灰比大小不同，但相同水灰比时，掺入纳米SiO2的水泥注浆土钉的抗拉性能均要明显优于普通水泥注浆土钉，由于试验土钉长度较短，各土钉的极限承载力比较接近，但就极限承载力作用下土钉的上拔量来看，纳米SiO2改性的水泥注浆土钉是明显小于普通水泥注浆土钉的。由此也可以推断，当土钉长度较大时，其优势也将更加明显。

试验的三组土钉由于水灰比不同，水泥浆液的“浓”与“稀”就存在差异，掺入的纳米SiO2对土钉受拉特性影响也有差异，三个试验组中在各级荷载作用下纳米SiO2改性水泥注浆土钉相对普通水泥注浆土钉上拔量减小的百分比如图8所示，从图中可以看到，在试验范围内，因第一级荷载很小，所以上拔量也很小，外界影响因素就相对较大，且上拔量微小的变化都会导致纳米SiO2改性水泥土钉相对普通水泥注浆土钉上拔量减小的百分比变化较大。因此，这里不考虑第一级荷载，从第二级荷载（0.6kN）开始到极限荷载（5.7kN）区间内，第二组土钉（水灰比0.5）中纳米SiO2改性水泥注浆土钉相比普通水泥注浆土钉上拔量减小比例最大，这说明水灰比过大及过小时都没有得到最大比例的改善效果。而实际工程中水灰比过小的水泥浆太稠流动性差，而水灰比过大的水泥浆太稀影响钉体的强度从而使土钉抗拔力减弱，应多采用0.5的水灰比。

图8 纳米SiO2改性水泥注浆土钉上拔量减小比例

3 结语

文中通过现场土钉抗拉试验，研究了在不同水灰比的条件下，纳米SiO2改性水泥注浆土钉与未掺入纳米SiO2的常规水泥注浆土钉在受拉荷载作用下性能的差异，在试验范围内，得到了如下结论：

（1） 在试验范围内，纳米SiO2掺入量占水泥质量的百分比为0.5%～2.5%，与普通水泥注浆试件相比，其抗压强度基本随着纳米SiO2含量的增大而提高，提高幅度为0.6%～41.8%，当纳米SiO2掺入量达到2%时，试件抗压强度提高幅度最大，达到41.8%，在试验范围内，纳米SiO2的最优掺入量可取为2%。

（2） 试件的抗折强度随着纳米SiO2含量的增大而提高，在试验范围内，增长幅度为2.6%～22.1%，当纳米SiO2含量在1.5%以下时增速较慢，而含量达到2%时增加较快，从2%～2.5%增速又有所减缓。综合抗压强度与抗剪强度的试验结果，在试验范围内，纳米SiO2的最优掺入量可取为2%。

（3） 在水泥浆液的水灰比分别为0.4、0.5、0.6的条件下，掺入纳米SiO2的水泥注浆土钉抗拉性能均要明显优于普通水泥注浆土钉。水灰比为0.5时，纳米SiO2改性水泥注浆土钉相比普通水泥注浆土钉上拔量减小比例最大，在试验范围内，水灰比过大及过小时都没有得到最大比例的改善效果。