古磚砌體凍融循環(huán)下軸心受壓試驗及超聲波測試

孫 磊 湯永凈,2,*

(1.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092; 2.同濟巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海 200092)

0 引 言

寒冷地區(qū)在役磚砌體結(jié)構(gòu)長期受到不同氣候條件的影響,其中凍融循環(huán)作用是十分不利的因素,會對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及力學性能產(chǎn)生不可逆的劣化。

軸心受壓試驗是進行寒冷地區(qū)在役砌體結(jié)構(gòu)力學性能評估的重要手段,該試驗測得的抗壓強度和彈性模量對古建筑磚砌體的保護有重要參考意義。國內(nèi)外學者主要以凍融循環(huán)次數(shù)作為變量,研究凍融循環(huán)次數(shù)對砌體試件的作用,Uranjek和Bokan-Bosiljkov[1]根據(jù)砌體試件凍融試驗結(jié)果提出,達到一定凍融循環(huán)次數(shù)后,砌體試件外部裂縫增加、抹灰脫落,彈性模量下降。鄭山鎖等[2]的實驗數(shù)據(jù)表明隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,再生混凝土磚砌體對應的峰值應力在不斷減小、彈性模量在急劇下降且峰值應變迅速增大。商效瑀[3]提出了凍融循環(huán)下軸心受壓磚砌體的損傷本構(gòu)模型,并通過試驗數(shù)據(jù)分析指出凍融循環(huán)和軸心受壓均可以通過材料內(nèi)部微觀變化使砌體產(chǎn)生損傷。

但在實際應用中,因保護需要,無法提供足夠數(shù)量、滿足常規(guī)力學方法要求的磚石文物建筑的砌體樣品,因此有損檢測就具有很大的局限性。超聲法作為無損檢測的方法之一,在磚材的研究中取得了重要進展[4-8],可用于評估磚材的彈性模量和抗壓強度,因此為檢測古建筑砌體結(jié)構(gòu)的強度水平,可采用超聲法。

目前,對于古建筑磚砌體結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下力學性能劣化的研究嚴重不足;國內(nèi)外學者也很少將砌體結(jié)構(gòu)作為復合整體,討論超聲波波速與其力學性能的關(guān)系。

因此,本文對凍融后的古磚砌體試件進行軸心受壓試驗,根據(jù)試驗結(jié)果討論砌體試件凍融循環(huán)次數(shù)對砌體試件抗壓強度和彈性模量的影響;結(jié)合凍融前后砌體試件的超聲波測試結(jié)果,研究超聲波波速的變化規(guī)律;分析超聲波波速與砌體試件抗壓強度和彈性模量的關(guān)系。

1 材料及實驗方法

1.1 試驗材料

本文用于砌筑砌體試件的古磚為實心黏土人工磚,來自山西東南部長治市平順縣拆遷的古民居(建于清代道光3年),其所處環(huán)境氣候與該地區(qū)文物建筑一致,因此古民居的磚塊為磚石古建筑的維護研究提供了條件,其尺寸與現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的砌墻磚不同,為280 mm×135 mm×70 mm (長×寬×厚);天然水硬性石灰在幾千年前的古城墻和古代房屋中也有使用,與傳統(tǒng)的磚石建筑適應性較好[9],專用于磚石建筑的修繕,故砌筑砂漿采用天然水硬性石灰、河砂、水,根據(jù)JGJ 98—2000《建筑砂漿配合比速查手冊》和JGJT 98—2011《砌筑砂漿配合比設(shè)計規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定,按石灰與河砂用量體積3:7配制,其中水根據(jù)實際情況調(diào)整,保證砂漿飽滿度大于95%,砂漿試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

按照GBJ 129—90《砌體基本力學性能試驗方法標準》中的規(guī)定,棱柱體作為標準受壓試樣。采用古磚和砂漿砌筑砌體試件,作為復合整體,共砌筑16個試樣。古磚砌體受壓試件由33塊古磚砌成,砂漿厚度為10 mm,外形尺寸為280 mm×425 mm×870 mm,高厚比約為3,如圖1所示。所有受壓試件均由1名中等熟練瓦工嚴格按照GB 5203—2011《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》砌筑完成并養(yǎng)護。

圖1 古磚砌體試件(單位：mm)Fig.1 Ancient brick masonry specimen (Unit:mm)

1.2 凍融循環(huán)實驗

目前尚未有針對砌體結(jié)構(gòu)抗凍性能試驗的標準和規(guī)范,本試驗參照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》、JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》和GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》以及氣候環(huán)境模擬室使用范圍及凈腔尺寸,設(shè)定凍融程序:從降溫至-20 ℃開始計算凍融時間,-20 ℃持續(xù)5 h,然后升溫至+20 ℃,升溫及持續(xù)時間為3 h,之后降溫1 h至10 ℃持續(xù)噴淋2 h,噴淋完畢后降溫至-20 ℃,即為一次循環(huán)結(jié)束,其中古民居所在山西省長治市年降雨量580 mm,最大雨滴直徑4.7 mm,年平均氣溫9.7[10],因此噴淋強度參數(shù)選用雨滴最大粒徑4.7 mm,方向垂直向下,強度1 mm/min,水溫10 ℃[11]。升降溫度值采用試樣表面溫度傳感器顯示溫度為準。

由GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》可知,抗凍耐久性試驗中,當樣品的強度、質(zhì)量呈現(xiàn)明顯破壞時,凍融試驗應該停止。因此,可通過凍融預試驗確定極限凍融次數(shù):結(jié)果顯示,第35次凍融時,砂漿、部分古磚試件呈現(xiàn)粉化、斷裂,故選定凍融循環(huán)35次時終止凍融試驗?？紤]到古磚、砂漿及砌體之間可能存在較大離散性,凍融試驗設(shè)置7種工況,分別凍融5次、10次、15次、20次、25次、30次、35次,用D5、D10、D15、D20、D25、D30、D35代碼表示凍融循環(huán)實驗的工況,未凍融的基準比對試樣代碼為D0。

1.3 超聲波測試

本次超聲波測試采用NM-4B非金屬超聲檢測分析儀。在砌體自然養(yǎng)護完成后、軸心受壓試驗前,標記各砌體試件的超聲波測點位置,超聲波測試采用對測法,即兩端的測點連線要穿過砌體且保持在一條直線(圖2),測試時把超聲檢測分析儀的兩個傳感器與測點處的砌體表面貼合。各超聲波測試段間距相同,但在砌體試件上的布置方式有兩種:測試段內(nèi)僅包含一塊完整古磚的(下文簡記為“單磚測點”)和測試段內(nèi)包含一條灰縫和兩塊古磚的測點(下文簡記為“含灰縫測點”)。

圖2 直接測量法檢測波速Fig.2 Direct measurement of ultrasonic velocity

測點布置在上、中、下三個部分(圖3),單磚測點在砌體試件的上、中、下部各有1個,含灰縫測點在砌體試件的上、中、下部各有2個,共9個測試段,即每個試件的超聲波測試為9點對測,測試間距為280 mm。在進行凍融試驗前后,分別對砌體試件進行超聲波測試。

圖3 測點布置及砌體試件尺寸(單位：mm)Fig.3 Testing point arrangement and masonry specimen dimension (Unit:mm)

1.4 受壓試驗

1.4.1古磚和砂漿試件抗壓強度試驗

將40塊古磚試件(D0、D5、D10、D15、D20、D25、D30、D35八種凍融循環(huán)工況下各5塊)以及灰漿試樣共48塊(對應上述八種凍融循環(huán)工況每個工況各6塊)放置在氣候環(huán)境模擬室,按上述內(nèi)容進行凍融循環(huán)試驗,然后對古磚和灰漿試件分別進行抗壓強度試驗。

1.4.2砌體試件軸心受壓試驗

在古磚已存在初始缺陷的情況下,該試驗可用于評估(以水硬性石灰為基料的)砂漿和古磚砌筑的砌體試件受凍融循環(huán)作用后抗壓強度和彈性模量的變化規(guī)律,為古建筑磚砌體的保護和修復提供參考。每組受壓試件凍融循環(huán)結(jié)束后,按照GBJ 129—90《砌體基本力學性能試驗方法標準》對砌體試件進行軸心受壓試驗。加載設(shè)備為同濟大學重點實驗室型號為YAW-3000G的微型控制電液伺服巖石試驗機,最大試驗力為3 000 kN。試驗前,根據(jù)實測古磚和砂漿試件的抗壓強度,預估砌體試件的破壞荷載并據(jù)此進行分級加載。砌體在試驗機上安裝完畢后,為測量試樣的軸向變形,在試樣兩個寬側(cè)面的豎向中線上,粘貼附于試樣表面的位移計;測橫向變形時,在寬側(cè)面的水平中線上安裝位移計,位移計測點與試樣邊緣的距離不應小于50 mm (圖4)。

圖4 試件加載及傳感器布置Fig.4 Specimen test set-up and layout of sensors

2 實驗結(jié)果分析

2.1 受壓試驗結(jié)果分析

2.1.1古磚和砂漿試件

古磚和砂漿是組成古磚砌體的兩種重要材料,砌體試件的抗壓強度與古磚、砂漿抗壓強度相關(guān)。將不同凍融工況下古磚、砂漿以及古磚砌體試件的抗壓強度取平均值,結(jié)果如表1所示。

表1抗壓強度平均值

Table 1Average compressive strength MPa

由表1可知,古磚強度在8.40～11.40 MPa范圍,砂漿強度在3.94～6.48 MPa范圍,古磚強度大于砂漿。

根據(jù)古磚和砂漿的強度結(jié)果,繪制凍融次數(shù)與抗壓強度的擬合曲線(圖5、圖6)。

圖5 古磚試件抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship of compressive strength of brick samples and freeze-thaw cycles

圖6 砂漿試件抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship of compressive strength of mortar samples and freeze-thaw cycles

由圖5可知,古磚抗壓強度隨著凍融次數(shù)增加總體上呈現(xiàn)遞減規(guī)律,究其原因主要是在凍融試驗過程中,古磚孔隙孔徑和孔隙率增大,孔徑分布發(fā)生改變[12]古磚內(nèi)部孔隙水反復地凍結(jié)、融化,使其內(nèi)部的微裂縫和空洞不斷發(fā)展擴大,內(nèi)部承壓面積減少,從而引起強度下降。圖6中,砂漿抗壓強度隨凍融次數(shù)增加出現(xiàn)明顯的先增后減的趨勢,這是由于新制的砂漿以天然水硬性石灰為基料,與水泥相比,這種材料固化較慢[9],若按現(xiàn)有規(guī)范要求的齡期進行養(yǎng)護,砂漿的強度仍有較大的增長潛力,因此可以認為凍融試驗的雨淋過程使其內(nèi)部得到水分補充,繼續(xù)產(chǎn)生水化反應,強度提高;但受凍融循環(huán)的影響,砂漿的強度在未達到一個穩(wěn)定的峰值時即出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象,說明在進行凍融試驗時,砂漿試件的固化和劣化過程是同時發(fā)生的,凍融初期,水化固化作用明顯大于凍融劣化的影響,砂漿強度提高;在達到一定凍融次數(shù)后(20次),凍融劣化作用占了主導,因而又出現(xiàn)了砂漿強度逐漸減小的趨勢。

2.1.2古磚砌體試件

由于古磚稀少,每個工況只有兩個砌體試件,在分析凍融循環(huán)對試驗結(jié)果的影響時,對工況進行適當合并,合并后試件分為三組,定義每組凍融循環(huán)次數(shù)的平均值為該組名義凍融循環(huán)次數(shù)(MD)。第一組名義凍融循環(huán)次數(shù)為MD2.5,由D0和D5組成;第二組MD15由D10、D15和D20組成;第三組MD30由D25、D30和D35組成(表2)。

表2古磚砌體試件軸心受壓試驗結(jié)果

Table 2Results of axial compression test of ancient brick masonry specimens

由表2可知,古磚砌體試件抗壓強度和彈性模量隨凍融次數(shù)增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢,結(jié)合古磚、砂漿凍融試驗后的強度變化規(guī)律,凍融試驗對古磚砌體的影響包括古磚劣化、灰縫砂漿劣化、灰縫砂漿固化等,即在凍融試驗過程中,砌體試件的劣化和強度、剛度的提高也是同時發(fā)生的。當凍融工況在MD2.5-MD15時,受灰縫砂漿水化固化作用的影響,古磚砌體中橫向灰縫的強度、灰縫與古磚的粘結(jié)力提高,約束了古磚的橫向變形,使古磚受到的拉應力減小,充分發(fā)揮了古磚的抗壓性能,且古磚和砂漿自身的凍融劣化影響小于這種強化作用,因此砌體整體的抗壓強度增加;同時,豎向灰縫的剛度提升、變形減小,約束了古磚的豎向變形,使砌體試件的彈性模量隨凍融次數(shù)增加而增加。在MD15-MD30工況,古磚和灰縫砂漿的凍融劣化占主導作用,強度隨凍融次數(shù)增加而減少,造成砌體試件強度降低,且在進行抗壓試驗時,砂漿橫向變形增大,可能會增大古磚內(nèi)部的拉應力,加速古磚的開裂過程,因而進一步降低砌體強度[13];此外,各砌體試件中古磚和砂漿的孔隙、微裂縫逐漸增多,內(nèi)部缺陷相互連接,導致砌體剛度下降,彈性模量因此逐漸降低。

2.2 凍融前后單磚測點和含灰縫測點超聲波波速比較

凍融前后超聲波檢測結(jié)果如表3所示。由表3可知,凍融循環(huán)試驗前,不同工況下單磚測點的初始超聲波波速不同,波速值在1.80～2.07 km/s范圍內(nèi),含灰縫測點的超聲波波速值在1.65～1.95 km/s范圍內(nèi);凍融循環(huán)試驗后,單磚測點的超聲波波速下降,波速值在1.72～1.94 km/s范圍內(nèi),含灰縫測點的超聲波波速下降,波速值在1.64～1.88 km/s范圍內(nèi)。

表3凍融前后古磚砌體的單磚測點、含灰縫測點波速

Table 3Ultrasonic velocity of one-brick and mortar joint testing point of ancient brick masonry before and after freeze-thaw cycles km/s

比較單磚、含灰縫測點的波速可知,凍融試驗前單磚測點的超聲波波速大于含灰縫測點的超聲波波速。一方面,由表1可知,古磚強度大于砂漿;另一方面,劉桂秋[14]根據(jù)大量砌體試驗資料指出,磚和砂漿的彈性模量均與其抗壓強度密切相關(guān),隨抗壓強度的提高而增加,并且對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸后提出磚和砂漿彈性模量與抗壓強度關(guān)系的表達式如下:

(1)

(2)

式中:Eb為磚的計算彈性模量;f1為磚的抗壓強度;Em為砂漿的計算彈性模量;f2為砂漿的抗壓強度。

將表1中古磚和砂漿的抗壓強度分別代入式(1)、式(2),計算所得古磚和砂漿的彈性模量分別在7 000～8 000 MPa和3 000～5 000 MPa范圍內(nèi),可以認為本試驗中的古磚比砂漿更密實、強度和剛度更高,因此單磚測點超聲波波速大于含灰縫測點波速。

圖7根據(jù)表3的試驗結(jié)果繪制。由圖7可知,就單一砌體試件而言,經(jīng)過凍融試驗后,各工況下單磚測點及含灰縫測點的超聲波波速都要低于未經(jīng)凍融試驗時測得的波速。戴仕炳[4]在做古建筑燒結(jié)黏土磚性能檢測的超聲試驗時提出“物體內(nèi)部的裂痕及破損會改變波的傳播路線,使超聲波折射繞過其中的空隙,從而延長波傳播所需時間導致波速降低”,可見,凍融作用會導致砌體內(nèi)部的裂痕、空隙增多,破壞砌體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部完整性。就所有砌體試件而言,由于凍融試驗前各試件的超聲波波速有差異,不宜直接比較凍融試驗后超聲波波速隨凍融次數(shù)增加的變化規(guī)律,但相比于凍融前,含灰縫測點超聲波波速與單磚測點波速的差值在凍融循環(huán)初期(D0-D25)隨凍融次數(shù)增加而逐漸縮小,尤其在凍融工況為D20、D25時,含灰縫測點超聲波波速大于單磚測點超聲波波速,在凍融后期(D30-D35)含灰縫測點波速再次小于單磚測點波速,且兩者差值有逐漸增大的趨勢,結(jié)合表1中隨凍融次數(shù)增加古磚強度逐漸下降、砂漿強度先增后減的規(guī)律可知,凍融循環(huán)對古磚砌體中不同組成成分的劣化影響不同,利用超聲波波速可以反映砌體內(nèi)部的這種劣化差異。

2.3 古磚砌體試件抗壓強度、彈性模量與超聲波波速的關(guān)系

古磚砌體是古磚和砂漿砌筑而成的復合整體,為綜合反映凍融前后砌體的內(nèi)部特征,以試件9個測點(3個單磚測點、6個含灰縫測點)波速的平均值表示試件的超聲波波速值(表4)。

圖7 凍融前后單磚測點和含灰縫測點的波速

表4凍融前后古磚砌體波速值

Table 4Ultrasonic velocity of ancient brick masonrybefore and after freeze-thaw cycles km/s

為討論凍融試驗后,古磚砌體強度、剛度和波速的關(guān)系,結(jié)合表2、表4,繪制砌體試件的抗壓強度、彈性模量和超聲波波速的線性擬合曲線(圖8)。

圖8 古磚砌體試件抗壓強度、彈性模量與超聲波波速的關(guān)系Fig.8 Relationship of elastic modulus/compressive strength and ultrasonic velocity of ancient brick masonry

由圖8可知,試件的彈性模量、抗壓強度與超聲波波速呈正相關(guān),即當彈性模量越高,對應超聲波波速也越高。這是因為超聲波波速與砌體試件的密實性、砌筑質(zhì)量緊密相關(guān),當砌體試件內(nèi)部缺陷較少、砌筑質(zhì)量較好時,古磚和砂漿的強度、剛度能夠在受壓過程中得以充分發(fā)揮,對應砌體試件的抗壓強度和彈性模量也較高,因此波速可以反映砌體的強度、剛度水平。

但是由擬合結(jié)果可以看出,抗壓強度和彈性模量的線性擬合相關(guān)性系數(shù)的平方R2分別為0.447 4和0.610 2,相關(guān)性一般,分析原因如下:一方面,砌體試件選用的古磚來源于古民居,是經(jīng)長期使用過的、受力情況不一致的古建筑材料,其內(nèi)部完整性具有一定的隨機性,而本試驗所用古磚砌體試件數(shù)量較少,因此各砌體試件抗壓強度、彈性模量也具有一定的隨機性;另一方面,本試驗所用的古磚為人工磚,在制作、保存以及使用的過程中其厚度方向長期受壓,使古磚內(nèi)部的微觀材料分布具有一定的方向性,從而引起古磚長度、厚度、寬度三個方向超聲波波速的差異,戴仕炳[4]也通過對古磚的超聲波試驗指出厚度方向的波速能夠反映古磚的抗壓強度,但由于本試驗考慮實際工程測量的可行性,僅對砌體試件的厚度方向進行了超聲波檢測,并未檢測另外兩個方向的超聲波波速;此外,肖煌俊[5]通過試驗證明“超聲波波速、幅值與強度的三維擬合精度高于單純用波速和強度的擬合結(jié)果,且超聲回彈綜合法的擬合效果也要好于單純用超聲法或回彈法”,可見在超聲波測試時引入其他超聲參數(shù)或綜合其他無損檢測方法對古磚砌體的抗壓強度、彈性模量進行擬合,精度更高。

3 結(jié) 論

新制的灰縫砂漿(以天然水硬性石灰為原料)在凍融作用下受水化反應的影響,使古磚砌體試件的強度和彈性模量隨凍融次數(shù)的增加出現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律。

各凍融工況對應的單磚測點波速均大于含灰縫測點波速;凍融試驗后,砌體試件單磚測點和含灰縫測點的超聲波波速下降。

凍融初期,灰縫砂漿水化作用使含灰縫測點波速的下降幅度小于單磚測點波速的下降幅度。凍融后期,凍融劣化占主導作用,含灰縫測點波速的下降幅度逐漸大于單磚測點的下降幅度。

超聲波波速可以反映古磚砌體的強度和剛度水平;但為更好地檢測古磚砌體的抗壓強度和彈性模量,建議在超聲波測試時引入其他超聲參數(shù)或綜合其他無損檢測方法系統(tǒng)討論。