石结构抗震灌浆加固新材料研究

石结构抗震灌浆加固新材料研究

1抗冲突性和抗震性能差石头结构是石材生产中的一种传统形式。它的独特融合深受人们的喜爱，并长期得到保护和发展，形成了独特的石材文化。然而,石砌体富余的抗压强度、绝佳的耐久性等优点掩盖其脆弱的抗震性能,尤其是采用传统的施工方法和未经科学设计的石结构,其抗震抗剪强度很低,导致在历次地震中破坏严重。本文在充分试验和研究的基础上,提出一种适用石结构抗震灌浆加固的新型材料,以及加固后的抗震抗剪强度理论,寓抗震防灾与环境保护于一体,为对现役石结构的抗震鉴定与加固提供科学的技术指标,也为有关部门进行防灾决策提供科学的依据。2灌浆材料的筛选针对现役石结构的特点,经综合分析后,认为采用压力灌浆加固法更适合于石结构的抗震加固。目前的灌浆材料可分为水泥砂浆型和化学材料型两大类,其中水泥砂浆型质量密度大,易泌水和沉淀,流动性差,灌浆效果不理想;而化学灌浆型可灌性好,但价格高,特别是均带有对人体有害的毒性,显然两者均非理想材料,为此本文提出一种新型的灌浆材料。2.1人工石粉灌浆材料应关注的根本目的,在一般有机粉现在天然石材的用途十分广泛,在精加工中产生大量石粉,严重污染环境,亟待寻找有效途径加以治理和利用。经充分调研发现,可以石粉为集料,制作浆体(称之为新型灌浆材料),用于抗震灌浆加固。既解决现有石结构的抗震设防,又治理一种新型污染源,并加以科学利用。2.2石粉外加剂a外加剂b0.3225510510810251081021081081021021021081081021010810810210810810210810210810810810810210101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010经对比试验并考虑施工及经济因素,得出新型灌浆材料的配合比为水泥(PO.32.5R)∶石粉∶外加剂A∶外加剂B∶=10∶30∶2∶1,另外加0.02%的灰浆塑化剂水溶液。该灌浆材料具有良好的流动性(13～14cm)和保水性,带有微膨胀性且性能良好,浆体稳定,抗压强度高(大于5.0MPa),粘结力强,可灌性好,抗剪强度高。3水平灰缝封孔施工施灌工艺直接关系到灌浆质量和加固效果,因此应按规则进行。(1)灌浆设备:可选用HB6-3型灰浆泵,也可自行研制,要求压力大于0.2MPa。(2)灌孔布置:在石墙面一侧沿水平灰缝每隔600mm左右钻一个圆孔,孔径ϕ15,并在墙端另设排气孔。孔点呈梅花性分布,详见图1。(3)施灌顺序:自墙体下部开始,自下而上,从墙体一端至另一端逐缝施灌,直至灌毕。(4)施灌控制:灌浆压力控制在0.2MPa左右,逐孔施灌,待水平方向下一个孔穴溢出浆体,马上堵塞该孔,继续灌浆直至灌不进去为止,稍息片刻补灌一次,按此方式依序进行。(5)堵孔材料:要求堵塞紧密,可选用塑性较好的粘性土,亦可采用毛纸加木屑。(6)用量控制:每立方米石墙用浆量应大于85kg,灌浆后砂浆饱满度应大于80%。4沿水平连接的坍塌结构的抗切割强度4.1复合砂浆强度等级石墙砌筑中所用的砂浆称为原始砂浆,强度等级为f1212,饱满度为B12;灌浆材料的强度等级为f2222;灌浆材料经施灌挤进原始砂浆的空隙,与之结合形成复合型材料,称之为复合砂浆,强度等级为f2,饱满度为B2,经过试验和研究,可得复合砂浆强度等级的计算公式为f2=[f12﹒B12+f22﹒(B2-B12)]/B2(1)f2=[f12﹒B12+f22﹒(B2−B12)]/B2(1)式中f1212,f2222,B1212和B2均由试验及分析确定,研究结果见表1。4.2沿水平连接的拉伸石的抗剪强度4.2.1充填浆厚度试件采用两皮料石叠砌而成并钻两个灌浆孔(如图2所示),料石规格为240mm×220mm×500mm,灰缝厚度分别为20～30mm(有垫片)10～20mm(无垫片),砂浆稠度为30～70mm。试验装置如图3所示,沿水平通缝的破坏形态如图4所示。4.2.2无垫片与砾石体fvm的强度等级经对50组试件的试验得到灌浆石砌体试件沿水平通缝的抗剪强度试验值fv(详见表2)。经回归分析得到抗剪强度平均值fvm,即(1)灌浆无垫片石砌体fvm=0.18√f2fvm=0.18f2−−√(MPa),(Cr=0.056,r=1.000)(2)(2)灌浆有垫片石砌体fvm=0.21√f2fvm=0.21f2−−√(MPa),(CV=0.048,r=1.000)(3)式中f2为复合砂浆的强度等级,按表1取用;CV为变异系数;r为相关系数。5拉伸率抗修剪强度5.1试验总结试验装置如图5所示,图中代号的意义详见图5下方所示。5.2试验结果试件破坏均出现阶梯形贯通斜裂缝,其中绝大部分为单向型,也有一些为双向型(如图6所示)试验数据详见表3和表4。5.3数据分析的回归分析经分析发现,灌浆石墙抗剪强度符合剪摩理论,故定义为fVE=Afv+B⋅σ0(4)fVE=Afv+B⋅σ0(4)式中fVE为灌浆石墙的抗剪强度;fv为灌浆石墙沿通缝的抗剪强度;A为与石墙几何尺度及通缝抗剪强度有关的系数;B为与石墙几何尺度和材料摩擦特征有关的系数;σ0为石墙上竖向正压应力。由表3和表4的数据进行回归分析,得到灌浆无垫片石墙:fVEm=0.67fVm+0.74σ0,(r=0.986,σ=0.121)(5)灌浆有垫片石墙:fVEm=0.73fVm+0.69σ0,(r=0.990,σ=0.145)(6)式中fVEm、fVm分别为灌浆石墙抗剪强度平均值和沿通缝的抗剪强度平均值;σ0为灌浆石墙上竖向正压应力;r为相关系数;σ为标准差。6抗剪强度参数fv的法抗震抗剪强度fv与平均强度fm和标准强度的关系为fk=fm(1-1.645δf);fV=fk/rf,式中δf和rf分别为砌体强度的变异系数和材料性能的分项系数,取σf=0.20,rf=1.5,则fk=0.67fm,fV=0.45fm,故式(2)、(3)分别转化为fV=0.08√f2fV=0.08f2−−√和fV=0.09√f2,具体取值详见表5。同理,式(5)、(6)转化为抗震抗剪强度表达式为(1)灌浆无垫片石墙:fVE=0.67fV+0.33σ0(7)(2)灌浆有垫片石墙:fVE=0.73fV+0.31σ0(8)以通用形式表示如下fVE=ξN·fV(9)式中,ξN为抗震抗剪强度的影响系数,对应式(7)和式(8),其值分别为ξN=0.67+0.33(σ0/fV)和ξN=0.73+0.31(σ0/fV)。考虑到几何尺寸、地震经验和施工条件等因素,引入0.9的综合折减系数,则(1)灌浆无垫片石墙:ξN=0.60+0.30(σ0/fV)(10)(2)灌浆有垫片石墙ξN=0.66+0.28(σ0/fV)(11)具体取值详见表6。7抗剪强度设计通过本文的研究工作,得出如下结论:(1)提出一种适用于石墙抗震加固的新型