砌體結(jié)構(gòu)耐久性研究進(jìn)展

薛憶天，李向民，高潤東，許清風(fēng)，彭 斌（.上海理工大學(xué)，上海 00093；.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司 ，上海 0003）

2010 年，西安建筑科技大學(xué)、湖南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、重慶市建筑科學(xué)研究院等對修建時(shí)間從十幾年到 100年、涵蓋 15 種類型的 100 多棟砌體結(jié)構(gòu)建筑的調(diào)研表明[1]：在南方，風(fēng)化嚴(yán)重的部位出現(xiàn)在接近地面干濕循環(huán)交替部位、水浸泡的地方，當(dāng)存在對砌體結(jié)構(gòu)有侵蝕作用的液體時(shí)，有的在使用后不到 20 年就必須進(jìn)行加固處理；在北方，凍融是墻面風(fēng)化的主因，風(fēng)化深度最大超過 100 mm。

近年來，我國砌體結(jié)構(gòu)房屋倒塌事件時(shí)有發(fā)生。2012年，浙江省寧波市江東區(qū)（今鄞州區(qū)）徐戎三村 2 號(hào)居民樓突然倒塌；2014 年，浙江省奉化市（今奉化區(qū)）大成路居敬小區(qū) 1 幢 5 F 居民樓發(fā)生倒塌；2015 年，貴州省遵義市匯川區(qū)高橋鎮(zhèn) 1 棟 7 F 居民樓倒塌；2015 年，遼寧省沈陽市 1 棟砌體結(jié)構(gòu)居民樓局部倒塌；2016 年，溫州市鹿城區(qū)一自建民房倒塌。這些砌體結(jié)構(gòu)房屋倒塌原因除了設(shè)計(jì)不充分、原材料質(zhì)量低下、私自改建等，還有一個(gè)原因必須引起重視，即隨著服役期的增長，受潮濕環(huán)境或凍融環(huán)境的影響，耐久性劣化不斷加重。

當(dāng)前，我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究較為充分，從設(shè)計(jì)到評(píng)估再到修復(fù)，已形成了比較完備的規(guī)范體系。但砌體結(jié)構(gòu)耐久性研究明顯不足，尚未形成一個(gè)關(guān)于耐久性的專門規(guī)范，導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)往往不充分，同時(shí)也嚴(yán)重制約了對砌體結(jié)構(gòu)耐久性損傷的評(píng)估與修復(fù)工作。本文系統(tǒng)總結(jié)了砌體結(jié)構(gòu)耐久性的研究進(jìn)展，并提出了進(jìn)一步發(fā)展的建議，希望對砌體結(jié)構(gòu)耐久性研究起到一定推動(dòng)作用。

1 砌體結(jié)構(gòu)耐久性損傷的環(huán)境影響因素

砌體結(jié)構(gòu)耐久性損傷是指在不同環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)的表面損傷，或者結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部或者外部發(fā)生了物理和化學(xué)作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。耐久性損傷使得結(jié)構(gòu)不能達(dá)到安全使用年限[2]。砌體結(jié)構(gòu)耐久性損傷影響因素主要包括風(fēng)化、泛霜、溫度變化、凍融破壞、堿集料反應(yīng)、化學(xué)侵蝕等。

1.1 風(fēng) 化

風(fēng)化對砌體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部外部均有影響。隨著時(shí)間的推移，砌體表面不斷劣化，表面變得粗糙、疏松。當(dāng)自然界的風(fēng)帶著顆粒擊打在砌體表面，即對砌體表面施加了壓力，使得砌體表面本來疏松的部分又受到了剝蝕，這樣會(huì)導(dǎo)致砌體有效截面尺寸減小，使得結(jié)構(gòu)的承載能力下降。干濕交替下的風(fēng)化是一種累積性的軟化作用，會(huì)加速砌體材料解體。

1.2 泛 霜

砌體發(fā)生泛霜的主要原因是砌體內(nèi)部存在可溶性鹽，研究表明[3]，砌體可溶性鹽的來源主要有 2 種途徑：一是存在于砌體內(nèi)部的可溶性鹽，如原料土或燒制時(shí)的水中含有可溶性鹽；二是外界可溶性鹽的侵入，如鹽霧或除冰鹽。當(dāng)砌體中含有足夠多的水分，可溶性鹽就會(huì)溶解，隨著砌體內(nèi)部水分的蒸發(fā)，可溶性鹽在砌體表面析出、結(jié)晶并沉積，表面看上去有斑點(diǎn)狀或成片的白色結(jié)晶，這會(huì)導(dǎo)致砌體表面疏松、剝落，從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力。

1.3 溫度變化

如果砌體結(jié)構(gòu)過長，就會(huì)因?yàn)闇夭钭饔玫挠绊懀沟媒ㄖ镒冃芜^大。特別是在北方，砌體建筑始終處于四季溫差、晝夜溫差環(huán)境中，也就是說砌體始終處于反復(fù)的熱脹冷縮狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)相互約束的狀態(tài)下，可能會(huì)造成砌體內(nèi)部的溫度應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生[4]。

1.4 凍融破壞

凍融引起的耐久性損傷通常是從砌體表面開始，隨著凍融次數(shù)的不斷增加，其表面開始變得疏松、剝落，減少了有效的截面尺寸，導(dǎo)致砌體承載能力下降。已有統(tǒng)計(jì)資料表明[5]，我國可發(fā)生凍融侵蝕的面積約為 127 萬 km2，占到國土總面積的 13.4% 左右。在反復(fù)凍融情況下，如果再耦合風(fēng)蝕，砌體的損傷將更為嚴(yán)重，其內(nèi)部的孔隙率、磚塊和砂漿的強(qiáng)度也會(huì)因此變化。

1.5 堿集料反應(yīng)

發(fā)生堿集料反應(yīng)首先要砌體內(nèi)部的含堿量高，其次是砂漿的細(xì)集料中有足夠的活性成分，同時(shí)砌體內(nèi)部還要含有一定量的水分。砌體材料中的堿性物質(zhì)與砂漿細(xì)集料中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致砌體內(nèi)部因?yàn)樯膳蛎浶郧治g產(chǎn)物而開裂[6]。堿集料反應(yīng)給砌體結(jié)構(gòu)帶來的危害一般比較嚴(yán)重。

1.6 化學(xué)侵蝕

化學(xué)侵蝕是砌體在所處的環(huán)境中接觸到了外部的酸性或硫酸鹽而受到侵蝕。在受到酸性介質(zhì)侵蝕時(shí)，砂漿中的Ca(OH)2與酸性介質(zhì)會(huì)發(fā)生中和反應(yīng)，破壞砂漿的凝膠體結(jié)構(gòu)，使得砂漿強(qiáng)度降低，從而影響砌體的強(qiáng)度。在受到外部硫酸鹽侵蝕時(shí)，砌體砂漿內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶型、石膏型或鈣礬石型膨脹性腐蝕物，內(nèi)部受到膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致砂漿開裂、強(qiáng)度下降。

2 砌體結(jié)構(gòu)耐久性研究進(jìn)展

2.1 材料層面

砌體結(jié)構(gòu)由塊材和砂漿材料組成，塊材和砂漿的耐久性對砌體結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要影響。截至目前，關(guān)于砌體結(jié)構(gòu)耐久性的研究大多集中在材料層面，主要研究不同的環(huán)境因素和材料性能對耐久性的影響。鄭怡等[7]對燒結(jié)普通磚在不同凍融循環(huán)次數(shù)下進(jìn)行對比試驗(yàn)，研究了材料的質(zhì)量、強(qiáng)度損失率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；曹新宇等[8]對古磚砌體進(jìn)行了凍融循環(huán)下的受壓破壞研究，凍融循環(huán)次數(shù)會(huì)影響古磚砌體的受壓破壞；劉瑋輝[9]通過對不同配合比的再生混凝土多孔磚進(jìn)行了不同凍融循環(huán)次數(shù)下的對比實(shí)驗(yàn)，提出了由質(zhì)量吸水率、抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)三個(gè)因素來表達(dá)磚塊的抗凍性能并采用磚的質(zhì)量吸水率與抗壓強(qiáng)度的比值來確定不同地區(qū)的磚的抗凍性能，為砌體結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。高潤東[10]等考慮到西北地區(qū)干燥，砌體老化損傷比較突出，進(jìn)行老化環(huán)境設(shè)計(jì)，用宏微觀結(jié)合的試驗(yàn)方法研究砌塊與砂漿老化損傷機(jī)理。張京街等[11]利用酸蝕試驗(yàn)來研究磚塊的耐久性，對比磚塊在 Na2SO4、工業(yè)酸液、自來水 3 種環(huán)境下的強(qiáng)度損失情況，并提出了磚塊表面腐蝕修復(fù)的方法。湯永凈等[12]針對古代磚砌體，通過 7 種工況研究了磚、灰漿、砌體抗壓、砌體抗剪強(qiáng)度的劣化規(guī)律，提出了古代磚砌體風(fēng)化程度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。劉衛(wèi)東等[13]為了弄清磚的物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化特征，對現(xiàn)役歷史保護(hù)建筑砌體用磚進(jìn)行抗凍融循環(huán)和風(fēng)化試驗(yàn)，研究兩種測試方法指標(biāo)之間的規(guī)律性，推算現(xiàn)役歷史保護(hù)建筑砌體用磚的耐久性，評(píng)估其剩余使用年限。LARBI J A[14]利用電子顯微鏡觀察了在硫酸鹽侵蝕、漿體鈣流失、鹽結(jié)晶侵蝕及凍融損傷后，磚砌體內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀層面的變化規(guī)律，研究同時(shí)表明微觀測試能夠快速診斷砌體損傷的原因和程度；MARTINS R O G 等[15]通過加速碳化作用研究了砌體砌筑砂漿的劣化特征，研究結(jié)果表明砂漿強(qiáng)度及砂漿保護(hù)層厚度對砌體耐久性能具有重要影響。GUNNEWEG J T M 等[16]研究了原材料性能和施工工藝對磚砌體界面雨水滲透性能的影響，研究結(jié)果表明滲透性越高，砌體耐久性能越差。WILLIAMS B 等[17]通過實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場測試研究了凍融作用對磚砌體耐久性的影響，砌體含水率越高，凍融損傷越嚴(yán)重，因此寒冷地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)的防水工作。FORABOSCHI P 等[18]研究了水分和鹽分對磚的抗壓強(qiáng)度影響，研究結(jié)果表明水分顯著降低了磚的抗壓強(qiáng)度，特別是磚內(nèi)鹽濃度相同的情況下，含水率越大，抗壓強(qiáng)度越低，但沒有水分的鹽則提高了磚的抗壓強(qiáng)度。GENTILINI C 等[19]采用NaCl 和 Na2SO4溶液加速侵蝕，研究了砌體抗剪強(qiáng)度的劣化機(jī)理。

2.2 構(gòu)件層面

與材料層面相比，從構(gòu)件層面研究砌體結(jié)構(gòu)的耐久性要復(fù)雜得多，因此，這方面的研究相對較少。商效瑀等[20]將砌體凍融循環(huán)下軸心受壓看作 2 個(gè)損傷過程，根據(jù)損傷力學(xué)和應(yīng)變等價(jià)原理，推導(dǎo)砌體凍融損傷演化方程和砌體軸心受壓損傷演化方程，建立砌體凍融循環(huán)下軸心受壓損傷本構(gòu)模型，為寒冷地區(qū)砌體耐久性評(píng)估提供理論基礎(chǔ)。位三棟等[21]對一定程度老化的歷史建筑砌體墻以及加固后的砌體墻進(jìn)行試驗(yàn)，采用 UHPC（超高性能混凝土）加固，比較了加固前后水平承載能力的變化、裂縫發(fā)展方式、破壞形式等，研究結(jié)果表明，使用 UHPC 面層加固時(shí)，墻體的損傷開裂對加固效果有一定程度影響，可以提高墻體的耐久性。鄭山鎖等[22]以 6 片磚砌體組合墻為研究對象，模擬酸雨環(huán)境侵蝕，然后對其進(jìn)行試驗(yàn)，研究其破壞形式、滯回曲線、骨架曲線，基于試驗(yàn)結(jié)果建立了在酸雨侵蝕環(huán)境下砌體墻循環(huán)退化指數(shù)模型及恢復(fù)力模型，研究了墻體在酸雨環(huán)境下的變形特征、剛度退化和能量消耗。湯永凈[23]研究了不同工況凍融下古磚砌體抗壓強(qiáng)度的變化情況，以及古磚開裂荷載與裂縫之間的關(guān)系。CARPINTERI A 等[24]對歷史磚砌復(fù)合材料和墻體的長期性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)對加固后墻體的損傷定位進(jìn)行評(píng)估，并對加固后墻體在疲勞試驗(yàn)中的破壞時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，研究表明，利用聲發(fā)射技術(shù)可以對受荷載作用的加固材料進(jìn)行耐久性評(píng)價(jià)。

2.3 結(jié)構(gòu)層面

結(jié)構(gòu)層面的耐久性試驗(yàn)要模擬外界影響因素太多，難度較大，所以一般以既有砌體結(jié)構(gòu)的檢測來代替試驗(yàn)。通過對砌體材料的表面情況以及材料強(qiáng)度的變化來分析結(jié)構(gòu)破壞程度，并根據(jù)材料強(qiáng)度的損失情況來推算結(jié)構(gòu)壽命。劉西光[25]在對不同氣候條件下的近百棟磚砌體結(jié)構(gòu)廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對磚砌體泛霜、磚砌體凍融、磚砌體干濕交替下風(fēng)化、砌筑砂漿粉化 4 種主要損傷類型，分析了發(fā)生機(jī)理及其影響因素，在此基礎(chǔ)上，以泛霜面積率、凍融深度、凍融面積率等為定量指標(biāo)，建立了磚砌體結(jié)構(gòu)耐久性綜合評(píng)判模型。GARAVAGLIA E 等[26]從保護(hù)歷史遺產(chǎn)的角度，對砌體材料的劣化過程進(jìn)行了探討，并從試驗(yàn)和數(shù)值的角度研究了歷史建筑的長期損傷規(guī)律，建立了基于概率統(tǒng)計(jì)的砌體結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測模型。

3 結(jié) 語

(1) 砌體結(jié)構(gòu)耐久性損傷影響主要因素包括風(fēng)化、泛霜、溫度變化、凍融破壞、堿集料反應(yīng)、化學(xué)侵蝕等。影響砌體結(jié)構(gòu)耐久性的因素往往不是獨(dú)立的，在進(jìn)行單因素影響研究的同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)多因素耦合侵蝕環(huán)境下砌體結(jié)構(gòu)耐久性的研究。

(2) 國內(nèi)外對砌體結(jié)構(gòu)耐久性的研究主要集中在材料層面，構(gòu)件層面次之，結(jié)構(gòu)層面比較少。材料層面宜注重研究砌體耐久性劣化機(jī)理；構(gòu)件層面宜加強(qiáng)研究耐久性劣化損傷對構(gòu)件承載能力和變形的影響；結(jié)構(gòu)層面宜在材料和構(gòu)件層面研究的基礎(chǔ)上，廣泛開展耐久性檢測實(shí)際工程，通過試驗(yàn)研究和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合，逐步建立合理的砌體結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估方法。

(3) 我國新建砌體結(jié)構(gòu)房屋越來越少，而量大面廣的既有砌體結(jié)構(gòu)經(jīng)過長期的服役，已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的耐久性損傷，但我國目前尚未有專門的砌體結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，宜在已有研究成果基礎(chǔ)上，盡快研究制定。