灰縫厚度及水泥砂漿抹面對歷史建筑砌體結(jié)構(gòu)性能的影響

石建光，鄭雪鋒，林樹枝,2，謝益人

(1. 廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建廈門 361005； 2. 廈門市建設(shè)局，福建廈門 361005；3. 廈門合立道工程設(shè)計集團股份有限公司，福建廈門 361004)

0 引 言

當(dāng)歷史建筑結(jié)構(gòu)安全性不足，需要進行結(jié)構(gòu)修繕與加固時，結(jié)構(gòu)技術(shù)的選擇要考慮建筑保護的真實性原則、最小干預(yù)原則、可識別性原則及可逆性原則[1-2]，盡可能復(fù)建原有結(jié)構(gòu)體系，采用符合傳統(tǒng)做法的結(jié)構(gòu)加固方法。目前用于砌體結(jié)構(gòu)的保護技術(shù)有許多種，其中砂漿置換法就是把砌體結(jié)構(gòu)中的部分低強度砂漿用高性能砂漿置換，形成新舊2種砂漿組成的砌體結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的目的[3]。

目前國內(nèi)外對置換砂漿法的研究還未形成統(tǒng)一的規(guī)范，大多數(shù)處于試驗階段。例如，西南交通大學(xué)魏智輝等[4]通過砌體抗壓強度試驗得出，置換砂漿后的砌體構(gòu)件破壞荷載比未置換的砌體構(gòu)件均有提高，提高幅度與置換深度、置換砂漿強度有關(guān)，最大的達(dá)到30%。廈門大學(xué)鄧華[5]針對砂漿強度低引起的砌體強度不足，研究了采用不連續(xù)替換砂漿層注漿加固砌體結(jié)構(gòu)的方法，試驗表明砌體試件的抗剪、抗壓承載力都明顯提高。

以鼓浪嶼歷史建筑砌體結(jié)構(gòu)為工程背景進行研究，發(fā)現(xiàn)鼓浪嶼存在大量不同灰縫厚度以及單雙面水泥砂漿抹面的砌體結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)當(dāng)充分考慮灰縫厚度以及水泥砂漿抹面對砌體結(jié)構(gòu)性能的影響。

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50203—2011)，磚砌體的灰縫應(yīng)橫平豎直，厚薄均勻，水平灰縫厚度及豎向灰縫寬度宜為10 mm，但不應(yīng)小于8 mm，也不應(yīng)大于12 mm[6]。當(dāng)砌體處于受壓狀態(tài)時，灰縫厚度越大，砂漿的橫向變形就越大，磚內(nèi)橫向拉應(yīng)力也越大，從而一定程度上加劇了砌體內(nèi)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，磚內(nèi)拉應(yīng)力就隨之增大。當(dāng)水平灰縫厚度過小時，常常由于磚表面的不平整，不足以改善砌體內(nèi)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，因而砌體抗壓強度也降低[7]。

在恒定的豎向壓力和水平反復(fù)剪力的作用下，由經(jīng)過一定程度風(fēng)化的灰縫砂漿連接的砌塊結(jié)點破壞可以用加“帽子”的庫侖準(zhǔn)則來描述[8]。根據(jù)上海理工大學(xué)彭斌等[9]的試驗表明，在常見的范圍內(nèi)，灰縫厚度對其壓剪破壞準(zhǔn)則的影響并不明顯，且壓剪狀態(tài)下灰縫砂漿可采用庫侖破壞準(zhǔn)則，適用于由灰縫處產(chǎn)生貫通斜裂縫而導(dǎo)致失去抗剪承載力的砂漿破壞。

水泥砂漿面層加固法是一種砌體結(jié)構(gòu)抗震加固常用的有效方法，能夠提高墻體的抗震能力。《砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50702—2011)給出了水泥砂漿面層加固磚墻的抗震受剪承載力計算公式，如式(1)所示[10]。

(1)

式中：V為考慮地震組合的墻體剪力設(shè)計值；VME為原砌體抗震受剪承載力；Vsj為采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固后提高的抗震受剪承載力；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)；f為砂漿軸心抗壓強度設(shè)計值；b為砂漿面層厚度；h為墻體水平方向長度；fy為水平向鋼筋的設(shè)計強度值；As為水平向單排鋼筋截面面積；s為水平向鋼筋的間距。

公式(1)可看作是磚砌體、鋼筋及面層砂漿三部分承載力之和，其中面層砂漿的承載力為Vms=0.02fbh。

清華大學(xué)李明等[11]通過8片低強度砂漿磚砌體經(jīng)鋼筋網(wǎng)砂漿抹面加固后的抗側(cè)力對比試驗，得出了鋼筋網(wǎng)水泥砂漿抹面加固低強度磚砌體可以顯著提高墻體的水平承載能力和抗側(cè)移剛度。天津大學(xué)黃忠邦[12]通過水泥砂漿及鋼筋水泥砂漿面層加固磚砌體試驗，得出了雙面水泥砂漿面層加固磚墻后，一般可比原磚墻的抗剪能力提高1倍。

不同的灰縫厚度以及單雙面水泥砂漿抹面對砌體結(jié)構(gòu)具有一定程度的影響。現(xiàn)有的研究建立在砌體基本力學(xué)性能試驗方法上，其試驗結(jié)果具有一定的局限性。本文通過設(shè)計6個砌體試件在剪壓復(fù)合受力下的試驗，分析了不同因素下試件的破壞模式以及對承載力的影響，更好地模擬了實際工況，為歷史建筑砌體結(jié)構(gòu)的加固提供一定的參考依據(jù)。

1 砌體試驗試件

1.1 試件設(shè)計

根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)范[13-14]和磚塊的實際尺寸等因素，設(shè)計了實際尺寸為700 mm×700 mm×225 mm的剪壓試件，試驗試件如圖1所示。

圖1 試驗試件Fig.1 Test Specimens

設(shè)計的試驗試件考慮因素包括：①灰縫厚度；②單雙面水泥砂漿抹面。第1組灰縫砂漿的置換形式為X形交叉換縫形式，X形區(qū)域內(nèi)置換水平縫和豎縫，X形帶寬為225 mm，深度為40 mm，由此可估算置換砂漿占全部砂漿的比例約為20.53%；第2組未置換灰縫砂漿，其水泥砂漿抹面厚度為10 mm。共設(shè)計了6個試件，試件參數(shù)如表1所示。

表1 剪壓試驗試件參數(shù)Tab.1 Parameters of Shear-compression Test Specimens

1.2 試件材料性能與加載

砂漿性能：此次試驗用到的砂漿分為舊砂漿和置換砂漿2種。舊砂漿為黏土混合砂漿，其平均強度為0.625 MPa[15]。置換砂漿為水泥砂漿，其稠度為91.5 mm，7 d強度為6.2 MPa，28 d強度為11.1 MPa[16]。此次試驗試件砌筑時采用的是舊砂漿，換縫以及抹面均采用置換砂漿。

磚的性能：此次試驗所用磚的抗壓強度平均值為12.31 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為8.96 MPa，變異系數(shù)為0.15，故強度等級為MU10[17]。

此次試驗過程中6個試件均采用位移控制，加載速度控制在0.5 mm·min-1，同時通過位移計測量了試件的水平變形和豎向變形(圖2)，加載過程中當(dāng)承載力達(dá)到峰值，力-位移曲線不再上升時即停止加載[18]。

圖2 試驗試件加載Fig.2 Loading of Test Specimens

2 灰縫厚度變化的試驗結(jié)果

2.1 破壞過程

灰縫厚度變化的加載過程中，3個試件的舊砂漿與置換砂漿均受到不同程度的擠壓，且第1道裂縫都出現(xiàn)在試件的中部，接著裂縫不斷發(fā)展，最后在試件內(nèi)部形成貫通裂縫，試件承載力失效。表2為灰縫厚度變化的試驗破壞過程。由表2的破壞形態(tài)可看出，試件的實際破壞階梯形縫長度均可以看作1道水平通縫與數(shù)道豎縫的長度之和，估算可得1#，2#，3#試件破壞時的實際階梯形縫長度分別為875，992，933 mm，其中跨過置換砂漿區(qū)域的長度分別為583，758，817 mm，可初步推斷試件最終破壞時的貫通裂縫長度比較接近。

表2 灰縫厚度變化的試驗破壞過程Tab.2 Test Failure Process for Specimens with Varying Mortar Thickness

1#試件加固區(qū)的強度和剛度比較大，裂縫主要集中在試件的垂直受力方向并且處于加固區(qū)內(nèi)，但未見明顯的階梯形裂縫。2#試件整體受到一定程度擠壓，擠壓過后磚塊之間發(fā)生滑移現(xiàn)象，裂縫呈現(xiàn)多道明顯階梯形。3#試件加固區(qū)與非加固區(qū)的強度和剛度相差較大，加固區(qū)所分配的荷載較大，加固區(qū)裂縫不斷發(fā)展延伸至非加固區(qū)直至貫通，最終呈現(xiàn)出一道明顯的階梯形裂縫。

2.2 力-位移曲線分析

圖3 不同灰縫厚度的試件力-位移曲線Fig.3 Force-displacement Curves of Test Specimens with Varying Mortar Thickness

從圖3可以看出，1#，2#，3#試件的承載力峰值分別為108.2，34.0，98.8 kN，達(dá)到峰值時的位移分別是5.50，5.10，3.75 mm。各個試件承載力達(dá)到峰值后曲線下降劇烈，均屬于脆性破壞，加載過程中未出現(xiàn)明顯的開裂聲音。1#與3#試件力-位移曲線形狀相似，具有一定的重合度，說明破壞模式相似；而2#試件灰縫厚度為5 mm，試件中舊砂漿與置換砂漿各自所占的比例分別約為79.47%和20.53%，而舊砂漿的黏結(jié)強度較低以及磚塊本身的不平整性，從而導(dǎo)致磚塊之間未能形成可靠有效的黏結(jié)，使得試件出現(xiàn)了一定的滑移，最終的承載力與位移均與1#和3#相差較大。

3 單雙面水泥砂漿抹面試件試驗結(jié)果

3.1 破壞過程

單雙面水泥砂漿抹面試件均未置換砂漿，所以在加載過程中，試件的砂漿層不斷被壓緊，裂縫均集中在舊砂漿上發(fā)展并最終貫通，磚塊表面未見明顯裂縫。由于磚砌體及抹面砂漿二者的材料性質(zhì)不同，因而達(dá)到各自最大強度值的時間有先后，此次試驗中當(dāng)抹面砂漿一開裂，試件即裂通破壞。與灰縫厚度變化試驗類似，第1道裂縫都出現(xiàn)在試件的中部，隨著裂縫的不斷發(fā)展，直至在試件內(nèi)部形成貫通裂縫，試件承載力失效，屬于剪壓破壞[19]。

由表3的破壞形態(tài)可估算出：4#，5#，6#試件破壞時的實際階梯形縫長度分別為933，875，933 mm，其中跨過的區(qū)域均為舊砂漿，可以看出，3個試件的貫通裂縫較為接近。4#和5#試件裂縫均呈現(xiàn)一定的階梯形，6#試件由于外立面被水泥砂漿包裹著，裂縫未見明顯階梯形。

表3 單雙面水泥砂漿抹面試件破壞過程Tab.3 Failure Process of Specimens Strengthened with Single or Double-faced Cement Mortar

3.2 力-位移曲線分析

圖4 單雙面水泥砂漿抹面試件力-位移曲線Fig.4 Force-displacement Curves of Specimens Strengthened with Single or Double-faced Cement Mortar

從圖4可以看出，4#，5#，6#試件的承載力峰值分別為47.6，54.0，58.2 kN，達(dá)到峰值時的位移分別是5.10，4.45，4.40 mm。各個試件達(dá)到峰值后承載力開始下降，4#試件由于是純舊砂漿且外立面無水泥砂漿抹面，故相比之下整體的延性較大；5#和6#試件力-位移曲線形狀相似，重合度較高，說明破壞模式也相似；試件外立面存在水泥砂漿抹面，與內(nèi)部的舊砂漿相比剛度較大，故達(dá)到承載力峰值時的位移較小。

4 試驗結(jié)果分析與總結(jié)

從不同灰縫厚度、單雙面水泥砂漿抹面的砌體試件在剪壓復(fù)合受力下的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試件往往形成階梯形裂縫而剪壞，是由于砌體單元所受的主拉應(yīng)力大于砌體的抗拉強度而導(dǎo)致剪切破壞[20]。根據(jù)主拉應(yīng)力破壞理論，只要試件破壞的裂縫經(jīng)過加固區(qū)，加固就有效果。通過對比1#與4#試件可知，X形置換砂漿使試件的剪壓承載力提高了127.3%，初步說明置換砂漿對試件的剪壓承載力具有明顯的提高作用。各試件的試驗加載結(jié)果如表4所示。

表4 剪壓試驗加載結(jié)果Tab.4 Loading Results of Shear-compression Test

4.1 灰縫厚度的影響

初步分析試驗數(shù)據(jù)可得，以10 mm灰縫厚試件為基準(zhǔn)，5 mm灰縫厚的試件承載力之所以較低，是由于該試件內(nèi)79.47%的灰縫為舊砂漿，黏結(jié)力很低，同時磚塊表面較為不平整，所以砂漿無法使磚塊之間形成有效的連接，最終導(dǎo)致試件的承載力較低且試驗過程中出現(xiàn)了滑移。

根據(jù)彭斌等[9]的試驗結(jié)果可知，在常見的范圍內(nèi)，灰縫厚度對壓剪破壞準(zhǔn)則的影響并不明顯，故1#與3#試件的破壞準(zhǔn)則一致。根據(jù)規(guī)范[6]可知灰縫厚度大于10 mm時，其抗壓承載力將會有一定程度的下降。本次試驗中20 mm灰縫厚的試件承載力比10 mm灰縫厚的試件低了8.7%，降低的幅度較小，主要原因可從以下4點分析：①灰縫由不同的砂漿組成，兩者的強度和剛度相差較大，且置換砂漿對試件的剪壓承載力有明顯的提高作用；②本次加載為剪壓復(fù)合受力試驗，在一定的豎向壓力作用下，試件的抗剪承載力將有一定程度的提高；③計算值應(yīng)有安全儲備，一般應(yīng)比試驗值??；④本次試驗的試件制作工藝不同于一般的非加固試件，試件歷經(jīng)置換局部砂漿等一系列工藝，非一次成形，對其承載力可能存在一定的影響。

4.2 單雙面水泥砂漿抹面的影響

以4#試件為基準(zhǔn)，將5#和6#試件的數(shù)據(jù)與其進行對比可知，5#單面水泥砂漿抹面的試件承載力比4#試件提高了13.4%，6#雙面水泥砂漿抹面的試件承載力比4#試件提高了19.6%。從圖4可以看出，當(dāng)達(dá)到承載力峰值時4#試件的位移相對大一些，是由于試件內(nèi)部全是舊砂漿，與磚塊之間的匹配性較好，舊砂漿受到擠壓剪切，故呈現(xiàn)出比較大的位移。5#與6#試件承載力達(dá)到峰值時的位移有所降低，是由于水泥砂漿面層比灰縫舊砂漿的剛度與強度要高，約束了灰縫的一部分變形，從而導(dǎo)致位移降低。

在磚砌體的外立面抹上水泥砂漿之后，水泥砂漿與試件咬合在一起，將會對砌體結(jié)構(gòu)起到一定的約束作用，約束內(nèi)部砂漿層的部分變形，使其抗剪能力有一定提高，所以經(jīng)水泥砂漿面層加固后的試件承載力提高。當(dāng)水泥砂漿抹面的厚度一定時，其覆蓋面積越大，約束作用越明顯，試件承載力提高越明顯。

根據(jù)公式(1)，面層砂漿的抗震受剪承載力為Vms=0.02fbh。將本次試驗的數(shù)據(jù)代入式(1)可得，5#試件受剪承載力提高1.4 kN，6#試件受剪承載力提高2.8 kN，而本次試驗單面和雙面剪壓承載力提高的幅度分別為6.4 kN和10.6 kN。試驗值明顯大于計算值，主要原因為：①本次加載為剪壓復(fù)合受力試驗，在一定的豎向壓力作用下，試件的抗剪承載力將有一定程度的提高；②水泥砂漿面層的強度和剛度與灰縫砂漿相差較大，約束了試件部分變形的同時，承擔(dān)了一部分外荷載；③計算值應(yīng)考慮安全系數(shù)，一般比試驗值小；④面層水泥砂漿與試件表面咬合比較好，起到一定的協(xié)作性，提高了試件承載力，故呈現(xiàn)出試驗值大于計算值的試驗結(jié)果。

5 結(jié)語

(1)在置換砂漿深度都是40 mm的情況下，灰縫厚度對砌體結(jié)構(gòu)抗剪性能的影響十分顯著。由于5 mm灰縫厚的試件砂漿無法使磚塊之間形成有效的連接，產(chǎn)生了滑移，故5 mm灰縫厚的試件比10 mm灰縫厚的試件承載力下降68.6%。20 mm灰縫厚的試件比10 mm灰縫厚的試件承載力僅下降了8.7%，主要是因為不同砂漿、加載方案以及制作工藝的影響。

(2)在未置換砂漿的情況下，單面水泥砂漿抹面的試件比未抹面的試件承載力提高了13.4%，雙面水泥砂漿抹面的試件比未抹面的試件承載力提高了19.6%。單面和雙面水泥砂漿面層加固對承載力的提高程度均大于理論計算值，主要是因為加載方案、面層水泥砂漿與灰縫砂漿強度、剛度相差較大，且面層砂漿與磚砌體表面接觸咬合較好。

(3)綜合來看，灰縫厚度為10 mm時，加固效果最好。同時，在探究單雙面水泥砂漿抹面對砌體結(jié)構(gòu)性能的影響時，可以發(fā)現(xiàn)單雙面試件的承載力僅相差6.2%，而單面比雙面更經(jīng)濟，故在承載力許可的情況下，建議實際工程可考慮單面水泥砂漿抹面。

(4)為獲得更完善的破壞機理，進一步的研究應(yīng)設(shè)計更多不同參數(shù)變化的試件，并增加同種參數(shù)下試件的數(shù)量。