劉 波，鄒向陽，王 坦，胡 浩，任紅亮

（長春工程學院吉林省土木工程抗震減災重點實驗室，長春130012）

1 概述

由于世界各地地震的頻發(fā)，對老舊房屋進行結(jié)構抗震加固越來越重要了，特別是幾十年的多層磚混結(jié)構房屋，其抗震能力較低，不滿足當今房屋的抗震標準要求。于是各地方都開始了抗震加固的工程。就長春地區(qū)而言，2010年—2011年，長春地區(qū)就針對中小學的多層磚混結(jié)構進行了大規(guī)模的結(jié)構抗震加固工程。該工程的大概內(nèi)容是：建筑主體新增構造柱和圈梁，鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固墻體兩面，其中內(nèi)墻上下兩層的鋼筋網(wǎng)是用貫穿過樓板的豎向鋼筋（簡稱“穿板連接筋”）進行綁扎或焊接連接的，穿板連接筋采用直徑為12mm的二級鋼。但在實際工程中會遇到一些情況，并不全部適合用穿板連接筋來連接，給施工造成了困難。具體情況如下：

（1）由于老舊建筑體歷史的原因，經(jīng)過幾次改造或者修繕造成上下兩層縱墻或者橫墻錯位并不在同一垂直線上，造成穿板之后的鋼筋離墻體較遠無法與鋼筋網(wǎng)進行連接，即使勉強彎折與鋼筋網(wǎng)進行連接，也會影響到后期水泥砂漿面層的施工。再者鉆孔施工時，由于機器工作面的局限，很難緊貼墻面向樓板鉆孔，施工起來不方便，稍有不慎就偏離了墻體，造成無法與上層或者下層的鋼筋網(wǎng)進行連接。見圖1、圖2為位置正確的穿板連接筋，這樣很容易與墻體上的鋼筋網(wǎng)進行綁扎或焊接。圖3、圖4為位置錯誤的穿板連接筋，明顯可以看出離墻體較遠，這樣很難與墻體上的鋼筋網(wǎng)進行綁扎或焊接，造成這樣的結(jié)果可能是上下層墻體位置不在同一垂直線上或者施工操作時鉆孔位置有偏差。

圖1 位置正確的穿板連接筋（樓板下）

圖2 位置正確的穿板連接筋（樓板上）

（2）穿板連接筋要貫穿過樓板，待加固的建筑物本身大都是多層磚混結(jié)構，采用的是預制空心樓板。如果間隙過小且連續(xù)貫穿樓板，可能會影響整個樓板的強度，造成主體結(jié)構存在安全隱患。還有采用集中配筋的方式穿過樓板時，很難避開預制板內(nèi)的配筋，這樣會容易傷及原有的鋼筋，對樓板造成傷害。即使避開鋼筋進行鉆孔，但插入鋼筋后留下的空隙較小，也很難用水泥砂漿填實，這樣也會影響整個樓板的強度。

圖3 位置錯誤的穿板連接筋（墻體左側(cè)）

圖4 位置錯誤的穿板連接筋（墻體右側(cè)）

以上在施工中遇到的這些情況，并不適合用穿板連接筋直接來連接鋼筋網(wǎng)，我們可以用在樓板上下分別植筋的方法來代替穿板連接筋。但是這種方法不同于一般的建筑改造、擴建的植筋方法，一般方法植筋效果的好壞與鋼筋直徑、基礎強度、錨固長度、鉆孔孔徑、植筋膠的質(zhì)量都有很大的關系。但對于在預制空心樓板上植筋就有很多局限性。因為是在樓板厚度不大，鉆孔錨固長度較小，并且盡量減少對樓板損壞的前提下，進行對預制空心樓板植筋，所以較難達到預期效果。我們要采用一種特殊的植筋方法，就是用一種高強度并具有很好的界面黏結(jié)能力的膠凝材料，選擇合適的鉆孔位置，在深度較小且具有一定形狀的孔洞內(nèi)，利用這種膠凝材料把鋼筋牢牢地錨固在樓板上達到和穿板連接筋一樣的效果。土壤聚合物水泥就是這種合適的材料，它具有以下特點：

（1）收縮小：土聚水泥表現(xiàn)出完全不同于普通硅酸鹽水泥的水化機理，普通硅酸鹽水泥水化后，產(chǎn)生較大的化學收縮，而土聚水泥水化后表現(xiàn)出較好的體積穩(wěn)定性，收縮遠小于普通硅酸鹽水泥。

（2）耐高溫性能好：土聚水泥的熔點約為1 250°，顯示了較好的高溫力學強度，其耐火耐熱性能遠遠優(yōu)于普通硅酸鹽水泥。

（3）早期強度高：與一般的堿膠凝材料一樣，土聚水泥表現(xiàn)了較高的早期強度，水化4h，抗壓強度可達20MPa以上，28d抗壓強度可達到100MPa以上。

（4）較高的界面結(jié)合強度：普通硅酸鹽水泥在與骨料結(jié)合的界面上容易出現(xiàn)富含氫氧化鈣及鈣礬石等粗大結(jié)晶的過渡區(qū)，造成界面結(jié)合力薄弱，而土聚水泥和骨料界面結(jié)合緊密，不會出現(xiàn)類似的過渡區(qū)[1]。

根據(jù)以上土壤聚合物水泥的性能特點，把它作為主要原料在配以適合的骨料完全可以作為快硬高強的修補材料進行開發(fā)，應用于建筑設施的植筋錨固、修補等。

2 理論根據(jù)

對于土壤聚合物水泥，國內(nèi)外材料科學界有大量的研究和報道，主要是用碎石、鍋爐渣或高爐礦渣磨細，或生石灰加磨細高爐礦渣，或以鍛燒成一定細度的黏土加一定量的礦渣和石灰為主要原料，再用NaOH溶液或水玻璃溶液進行調(diào)制，得到強度很高（100MPa以上）、穩(wěn)定性好的膠凝材料。在分析該堿膠凝材料水化硬化后的產(chǎn)物時，發(fā)現(xiàn)其不但含有高堿度的C－S－H凝膠，還含有相當一部分結(jié)構類似沸石、長石、霞石等無機聚合物，與土壤中的沉積巖的組成相似。因此把這種與硅酸鹽水化產(chǎn)物相差較大的膠凝材料命名為土壤水泥或土壤聚合物水泥（簡稱土聚水泥）[2]。

土壤聚合物水泥水化反應過程，簡要可分為3個階段：

第1階段：主要原料中玻璃體的Si—O—Si受OH－作用而解體生成—Si—OH和—Si—O—，但它是過渡化合物，Al—O—Al也有同樣的過程。此時斷裂的—Si—O—鍵具有很高的活性。在 Na＋、OH－共同催化作用下，阻止了斷鍵再聚合回來的反應。從而斷鍵反應加速，數(shù)量增加，如果有大量活性Ca2＋的存在，將繼續(xù)發(fā)生劇烈的反應與斷裂的—Si—O—鍵重新結(jié)合形成水化硅酸鈣凝膠和沸石類的礦物。

第2階段：部分斷裂的—Al—O—，—Si—O—形成無機的硅—氧四面體、鋁—氧四面體及硅鋁長鏈結(jié)構。硅—氧四面體和鋁—氧四面體通過共用一個氧連接起來，構成三維網(wǎng)狀結(jié)構。陽離子（Na＋、Ca2＋、Mg2＋……）存在于三維網(wǎng)狀結(jié)構的空腔內(nèi)以平衡負電荷，達到穩(wěn)定結(jié)構[3]。此時土聚物長鏈結(jié)構形成，—Si—O—的重新聚合，提高了材料的膠結(jié)強度。為防止過剩的OH－使聚合后的硅—氧鍵和鋁—氧鍵再次斷裂，需要堿土元素與氫氧根離子結(jié)合成不易溶于水的產(chǎn)物，使OH－的質(zhì)量濃度降低，從而避免了—Si—O—和—Al—O—鍵再次斷裂[4]。

第3階段：上述最初形成的少量固相和膠體微粒形成晶體，導致水泥石的結(jié)構形成，產(chǎn)生強度。

以上就是水化反應的簡要過程，總體上是[SiO4]4－解聚—聚合的過程。

3 試驗研究

3.1 拉拔試驗鋼筋的選用

為了提高試驗研究的準確性。選取的鋼筋是通鋼產(chǎn)的同一批次直徑為12mm的二級鋼，均為合格品。

3.2 配制土壤聚合物水泥的原料

3.2.1 礦渣

采用的是礦渣微粉，它是土聚水泥的主要原料。所謂礦渣微粉就是?；郀t礦渣磨細后的細粉。?；郀t礦渣是熔化后的礦渣，在高溫狀態(tài)迅速水淬而成。經(jīng)水淬急冷后的礦渣，其中玻璃體含量多，結(jié)構處在高能量狀態(tài)不穩(wěn)定、潛在活性大，但須磨細才能使?jié)撛诘幕钚园l(fā)揮出來。粉磨礦渣是提高其活性極為有效的技術措施[5]。所以，本試驗采用的礦渣微粉是通過超細磨來獲得的。

3.2.2 堿激發(fā)劑

本試驗采用強堿NaOH固體顆粒作為礦渣的堿激發(fā)劑。

3.2.3 水玻璃

用堿性水玻璃代替水來拌和，進行水化反應，增加界面黏結(jié)力。還可以提供大量早期水化用的OH－。

3.2.4 外加劑

固化劑1：主要含有堿土金屬氧化物材料即鈣質(zhì)材料，提供Ca2＋。

固化劑2：主要含有堿土金屬氧化物材料即鎂質(zhì)材料，提供Mg2＋。

3.3 試驗方法

由于植筋的孔洞較大，植筋膠采用的材料是以土壤聚合物水泥為主要原料的砂漿，砂子采用的是中國ISO標準砂，保證砂漿配制的準確性。按土聚水泥∶標準砂∶水玻璃＝1∶3∶0.5配制土壤聚合物水泥砂漿。為了保證工程按時完工，要求植筋的拉拔強度要在短時間內(nèi)達到一定的強度，不耽誤墻體鋼筋網(wǎng)進行砂漿抹面，且最終拉拔強度要超過標準規(guī)定的二級鋼極限強度。這就要求填埋鋼筋的土聚水泥砂漿要具有高強快硬的特點。作為砂漿主要原料的土聚水泥，其快硬高強的特性與堿激發(fā)劑、固化劑1、固化劑2等組成成分含量有關。因此利用正交設計的原理，找出最佳組合，得到最快硬高強的土聚水泥。

為了更好地提高植筋效果，把鋼筋彎折成“L型”，短邊長度大約為50mm左右，長邊長度大約為200mm左右。植筋孔洞的形狀是一個梯形體，位于墻體與樓板的交接處并延伸到墻體一段距離。尺寸為：上底約50×40mm，下底約100×50mm，深約50mm（一般不超過樓板厚度的一半），兩邊斜面坡度約為60°。模擬施工現(xiàn)場環(huán)境，把L型鋼筋（短邊）放置于梯形體底部，鋼筋垂直部分與墻面凈距≥5mm（按照抗震加固設計要求，穿板連接筋與其一起連接的鋼筋網(wǎng)要與墻面凈距≥5mm），具體如圖5所示。

圖5 “L型”鋼筋植筋位置示意圖

3.4 試驗結(jié)果分析

把土壤聚合物水泥的主要原料，堿激發(fā)劑x1、固化劑x2、固化劑x3作為影響因素，利用正交設計原理安排試驗。x1、x2、x3分別為堿激發(fā)劑、固化劑1、固化劑2占礦渣總量的百分數(shù)。每個組合都要進行不同時間段的多根拉拔試驗，具體正交設計試驗結(jié)果見表1。

表1 正交設計試驗結(jié)果

從以上試驗結(jié)果不難看出，試驗號6為最佳組合，其各時間段的拉拔強度均為最高，且最終28d拉拔強度520MPa超過了標準規(guī)定的二級鋼極限強度，和穿板連接筋起到了同樣的作用，并且早期拉拔強度也較高，具有一定的強度達到了極限強度的40%左右，不耽誤墻體鋼筋網(wǎng)砂漿抹面施工。綜上所述，符合該結(jié)構抗震加固的設計要求。

4 拉拔強度的影響因素

（1）孔洞的清潔程度。鑿開后的孔洞里邊建筑材料碎塊較多，不清理干凈將影響砂漿漿體與孔洞內(nèi)壁的黏結(jié)。

（2）砂漿漿體的密實程度。要進行插搗密實，注意把梯形體下底的4個底角全部填實，這個非常關鍵，這樣才能形成完整的梯形體楔入墻體與樓板之中，與墻體和樓板整體構成一個牢固的梯形體基礎。

（3）砂漿漿體的養(yǎng)護。土壤聚合物水泥砂漿也是水硬性膠凝材料，要定期噴濕養(yǎng)護，強度才能達到預期的效果。

（4）填實孔洞之前，要先用水噴濕孔洞的內(nèi)壁，防止?jié){體水分流失，影響硬化。

5 結(jié)語

本文利用正交設計原理進行試驗。通過大量試驗結(jié)果的研究分析，最佳組合條件下的植筋拉拔強度值可以達到并超過二級鋼標準規(guī)定的極限強度?？紤]到抗震加固鋼筋網(wǎng)上下的整體性和原設計穿板連接筋施工工藝流程的簡便性，可以將植筋和穿板連接筋綜合起來使用。在適合的條件下用植筋的方法部分代替穿板連接筋，而不是全部。這樣就可以更好地滿足抗震加固的設計要求，保證抗震加固的整體效果。

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

[2]楊南如.堿膠凝材料形成的物理化學基礎（Ⅰ）[J].硅酸鹽學報，1996，24（02）：209－215.

[3]楊南如.堿膠凝材料形成的物理化學基礎（Ⅱ）[J].硅酸鹽學報，1996，24（04）：459－462.

[4]陳立軍，張丹，邢士俊，等.堿礦渣無機涂料的研究[J].新型建筑材料，2001（12）：41－43.

[5]張雄.建筑功能外加劑[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004：188－189.