結(jié)構(gòu)膠增強(qiáng)磚石砌體的抗剪性能試驗(yàn)研究與分析

孫雋驍,段緒勝,王少杰

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018

結(jié)構(gòu)膠增強(qiáng)磚石砌體的抗剪性能試驗(yàn)研究與分析

孫雋驍,段緒勝*,王少杰

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018

磚石砌體是由磚石塊材和砂漿砌筑而成的，由于灰縫砂漿的抗剪強(qiáng)度低，嚴(yán)重影響了磚石砌體的抗剪性能。本文提出對(duì)灰縫鉆孔灌注建筑結(jié)構(gòu)膠，提高灰縫砂漿抗剪強(qiáng)度的新方法。經(jīng)試驗(yàn)和分析，硅酮結(jié)構(gòu)膠可以提高塊間粘連度，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠可以提高灰縫的抗剪強(qiáng)度。

磚石砌體;結(jié)構(gòu)膠;抗剪強(qiáng)度

磚石建筑是中國(guó)古代建筑的重要組成部分，其歷史與中國(guó)古建筑的歷史興衰密切相關(guān)。磚石建筑是指利用磚石塊材、以一定結(jié)構(gòu)形式砌筑的建筑物或構(gòu)筑物[1]。在我國(guó)一些古村落里，磚石更是傳統(tǒng)民居的重要建筑材料。近年來(lái)，我國(guó)地震頻發(fā)，因此對(duì)磚石類(lèi)傳統(tǒng)民居、文化遺跡的加固及修繕技術(shù)研究尤為必要。

為了增強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)的抗剪性能，蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院宋彧教授提出了采用斜拉筋加固墻體的措施[2]，新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院提出了以鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固墻體的方法[3]，以上加固方法均為對(duì)墻體進(jìn)行整體加固。但是，在加固傳統(tǒng)石砌房屋的同時(shí)應(yīng)保證其原本建筑的形式和風(fēng)格[4]。Paulo B. Lourenco[5]等通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，灰縫砂漿是影響砌體抗剪強(qiáng)度的重要因素。本文采用對(duì)灰縫砂漿置換補(bǔ)強(qiáng)的方法，使用建筑結(jié)構(gòu)膠對(duì)石砌體灰縫鉆孔注膠。此加固方法具有工藝簡(jiǎn)單、施工方便、工期短、造價(jià)低等特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果研究，磚石砌體的抗剪性能有很大提高，并且不破壞石砌墻體的原本建筑形式和整體風(fēng)格。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作與設(shè)計(jì)

磚石建筑中使用的塊材事先需要經(jīng)過(guò)加工、打磨，使其形狀比較規(guī)則、美觀。本試驗(yàn)采用混凝土砌塊和石塊。本試驗(yàn)采用的混凝土實(shí)心砌塊在形狀、質(zhì)量、強(qiáng)度（強(qiáng)度等級(jí)C40）及表面粗糙度（事先經(jīng)過(guò)了鑿毛）都接近磚石建筑中使用的塊材，而且混凝土實(shí)心砌塊本身也是一種比較堅(jiān)硬的磚石塊材。對(duì)于一些現(xiàn)役的磚石建筑，砌筑時(shí)間比較久遠(yuǎn)，在當(dāng)時(shí)砌筑使用的砂漿強(qiáng)度都比較低，有些古老的磚石建筑更是使用灰漿進(jìn)行砌筑。所以，本試驗(yàn)使用強(qiáng)度等級(jí)M 2.5以下的砌筑砂漿（抗壓強(qiáng)度為0.14 MPa）。

結(jié)構(gòu)膠增強(qiáng)磚石砌體的抗剪性能試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4組試件，其編號(hào)為SQ、PQ、GQ、HQ。其中，SQ試件是由石塊和砂漿組成；PQ試件是由混凝土砌塊和砂漿組成；GQ試件是由混凝土砌塊、硅酮結(jié)構(gòu)膠和砂漿組成；HQ試件是由混凝土砌塊、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠和砂漿組成。采用的石塊尺寸為b×t×h=240mm×180 mm×200 mm，混凝土砌塊尺寸為b×t×h=300 mm×200 mm×200 mm。試件主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 受剪試件主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the sheared specimens

對(duì)砌筑完成的試件，依據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50129—2011）[6]的規(guī)定，對(duì)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件養(yǎng)護(hù)完成后，對(duì)灰縫進(jìn)行鉆孔注膠，如圖1所示。試驗(yàn)使用了兩種建筑結(jié)構(gòu)膠，分別是硅酮結(jié)構(gòu)膠（密封膠）、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠（植筋膠）。硅酮結(jié)構(gòu)膠常用于玻璃幕墻的密封[7]，抗撕裂性能良好；環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂，在結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用廣泛[8]。

圖1 注膠后的試件示意圖Fig.1 The schematic specimen after drilling structure adhesive

1.2 加載裝置和測(cè)量方案

本實(shí)驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)大廳完成。加載裝置示意圖，如圖2所示。

圖2 加載裝置示意圖Fig.2 The schematic of loading device

試件安裝就位后，首先對(duì)試件施加0.1 kN的水平荷載，用以檢查試驗(yàn)儀器的靈敏度及安裝牢固性。采用勻速連續(xù)加載對(duì)受剪試件施加荷載，保證試件在2～3 min內(nèi)破壞，加載過(guò)程中保持加載速率不變。當(dāng)受剪面被剪壞即認(rèn)為試件破壞，記錄試件的破壞荷載，觀察試件破壞特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

PQ系列試件和SQ系列試件加載初期，試件表面及灰縫處無(wú)明顯破損，直到加載力達(dá)到破壞荷載時(shí)，試件突然沿灰縫斷裂。PQ系列試件和SQ系列試件破壞形態(tài)一樣，如圖3、4所示，表現(xiàn)為明顯的脆性破壞，在試件加載過(guò)程中從灰縫的開(kāi)裂至完全分離，整個(gè)過(guò)程時(shí)間較短。而且，兩組試件的破壞受剪面，均發(fā)生在砂漿層的受剪面。

圖3 PQ系列試件破壞形態(tài)圖Fig.3 The modes failed by PQ masonries

圖4 SQ系列試件破壞形態(tài)圖Fig.4 The modes failed by SQ masonries

對(duì)于GQ系列試件，加載力達(dá)到破壞荷載時(shí)，灰縫砂漿出現(xiàn)通縫破壞，此時(shí)砂漿退出工作。根據(jù)GQ系列試件的破壞形態(tài)圖，如圖5所示，與PQ系列試件對(duì)比，GQ系列試件從砂漿開(kāi)裂到完全裂開(kāi)的過(guò)程時(shí)間也比較短。但是，與PQ試件不同的是，GQ試件的砂漿雖然裂開(kāi)，硅酮結(jié)構(gòu)膠扔然對(duì)上下砌塊起著拉結(jié)作用。

圖5 GQ系列試件破壞形態(tài)圖Fig.5 The modes failed by GQ masonries

對(duì)于HQ系列試件的加載破壞過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，初始加載階段，砂漿開(kāi)裂環(huán)氧結(jié)構(gòu)并未開(kāi)裂，隨著加載力繼續(xù)增大進(jìn)入第二階段，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠開(kāi)始開(kāi)裂，最后形成通縫。在整個(gè)加載過(guò)程中磚石砌塊并沒(méi)有破壞，而是磚石砌塊間的灰縫砂漿出現(xiàn)裂縫。根據(jù)HQ系列試件的破壞形態(tài)圖可知，與PQ試件對(duì)比，其受剪面是由砂漿受剪面和環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠受剪面共同組成，如圖6所示。

圖6 HQ系列試件破壞形態(tài)圖Fig.6 The modes failed by HQ masonries

2.2 砌體抗剪強(qiáng)度

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50003—2011）[9]的規(guī)定，砌塊砌體抗剪強(qiáng)度平均值采用式（1）進(jìn)行計(jì)算

fv,m—試件的抗剪強(qiáng)度平均值（N/mm2）；

k—與砌體種類(lèi)有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于混凝土砌塊取0.069，毛料石取0.188；

f1—砂漿抗壓強(qiáng)度平均值（N/mm2）。

SQ系列試件和PQ系列試件的抗剪強(qiáng)度，根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50003—2011）[6]中規(guī)定，采用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

fv,i—試件的抗剪強(qiáng)度（N/mm2）；

V—試件的破壞荷載值（kN）；

A—試件的受剪面積（mm2）。

SQ系列試件和PQ系列試件的抗剪強(qiáng)度規(guī)范算值與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 SQ系列試件、PQ系列試件的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results from SQ and PQ specimens in the shearing resistance test

從表2中可以看到SQ試件和PQ試件的試驗(yàn)值與規(guī)范值擬合較好。

GQ系列試件的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 GQ系列試件的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results from GQ specimen in the shearing resistance test

通過(guò)對(duì)表2和表3的分析，硅酮結(jié)構(gòu)膠對(duì)砌塊的抗剪承載能力提高很小，但是增強(qiáng)了塊間粘連度（破壞位移）。20 mm鉆孔深度時(shí)塊間粘連度增加了20 mm，40 mm鉆孔深度時(shí)塊間粘連度增加了30 mm。

為了求出加入環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的砌塊的抗剪強(qiáng)度，這里引入置換率、復(fù)合強(qiáng)度兩個(gè)變量。置換率指結(jié)構(gòu)膠有效受剪面積占總受剪截面面積的百分比。復(fù)合強(qiáng)度指對(duì)注入結(jié)構(gòu)膠的砌體，結(jié)構(gòu)膠與砂漿共同工作時(shí)，提供的抗壓強(qiáng)度。

對(duì)加入結(jié)構(gòu)膠的砌體的抗剪強(qiáng)度采用式（3）進(jìn)行計(jì)算：

fv—試件的抗剪強(qiáng)度（N/mm2）；

V—試件的破壞荷載值（kN）；

A—試件的受剪面積。

對(duì)加入結(jié)構(gòu)膠的砌體的置換率采用式（4）進(jìn)行計(jì)算，復(fù)合強(qiáng)度采用式（5）進(jìn)行計(jì)算：

f—試件的復(fù)合強(qiáng)度（N/mm2）；

f1—試件的砂漿抗壓強(qiáng)度（N/mm2）；

f2—試件的結(jié)構(gòu)膠抗壓強(qiáng)度（N/mm2）；

β—試件的置換率（%）；

A1—結(jié)構(gòu)膠的受剪面積（mm2）；

A—試件的受剪面積（mm2）。

其中，砂漿的抗壓強(qiáng)度為0.14 MPa，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的抗壓強(qiáng)度為8.0 MPa。HQ系列試件的復(fù)合強(qiáng)度見(jiàn)表4。

表4 HQ系列試件的復(fù)合強(qiáng)度Table 4 The combined strength of HQ specimens

表4中，結(jié)構(gòu)膠的受剪面積是HQ試件破壞后，用網(wǎng)格尺對(duì)結(jié)構(gòu)膠受剪面進(jìn)行量取的有效面積。

HQ系列試件的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 HQ系列試件的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results from HQ specimens in the shearing resistance test

根據(jù)表3、表4中的數(shù)據(jù)，確定加入環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠砌體的抗剪強(qiáng)度值平均值fvm，采用式（6）進(jìn)行計(jì)算

fvm—試件的抗剪強(qiáng)度平均值（N/mm2）；

a—待定系數(shù)；

f—砂漿抗壓強(qiáng)度平均值（N/mm2）。

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)值的回歸分析，得出加入環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠砌體的抗剪強(qiáng)度平均值為

標(biāo)準(zhǔn)差s=0.0027，變異系數(shù)Cv=0.014。

根據(jù)式（1）中的參數(shù)k，混凝土砌塊為0.069，毛料石為0.188，加入環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的砌體為0.194。環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠可以提高磚石砌體的灰縫抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）提出了該種注膠加固磚石砌體的新方法。

（2）揭示了兩種不同膠在加固中的破壞模式，即硅酮結(jié)構(gòu)膠是大變形破壞、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠是強(qiáng)度破壞。

（3）提出了環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠與砂漿共同工作的抗剪極限強(qiáng)度計(jì)算方法。

[1]侯衛(wèi)東.中國(guó)古代磚石建筑及其保護(hù)修復(fù)概述[J].中國(guó)文物科學(xué)研究,2012(2):50-53

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[6]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50129-2011砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011

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Experimental Research and Analysis of the Shear Behavior of Masonry Strengthened by StructureAdhesive

SUN Jun-xiao,DUAN Xu-sheng*,WANG Shao-jie
College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China

Stone masonry is made of stone and mortar.The shear behavior is seriously affected by weak shear strength of mortar joint.The mortar joint is drilled and implanted structure to improve the shear strength of mortar joint.After tests and study,the silicone structure adhesive improved the tenacity of mortar joint,the epoxy structure adhesive improved the shear strength of mortar joint.

Stone masonry;structure adhesive;shear strength

TU501

:A

:1000-2324(2017)01-0079-05

2016-10-14

:2016-11-03

孫雋驍(1988-),男,研究生,主要從事結(jié)構(gòu)鑒定與加固.E-mail:shunxiao@126.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:HuangSheng@qq.com