以傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料的手工青磚砌體抗剪強度試驗研究*

丁 偉， 王占雷， 劉 波， 劉 超

(1河北省建筑科學(xué)研究院有限公司， 石家莊 050021； 2 河北建研建筑設(shè)計有限公司， 石家莊 050021)

0 引言

2000年以后，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，中國文物保護事業(yè)進入了一個蓬勃發(fā)展的時期，通過第三次全國文物普查工作，我國不可移動文物數(shù)量達到了76萬余處[1]，其中包含大量的砌體結(jié)構(gòu)文物建筑。為了詳細了解這些砌體結(jié)構(gòu)文物建筑墻體的抗剪性能，本文結(jié)合多項砌體結(jié)構(gòu)重點文物保護單位項目，開展了以純白灰(即素灰)、白灰砂漿、摻灰泥等傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料的手工青磚砌體抗剪性能試驗研究。

1 試驗概況

1.1 砌筑試件材料

通過對河北省地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)文物建筑的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其磚砌體普遍以傳統(tǒng)工藝燒制而成的手工青磚為塊材、以白灰基傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料，故本文砌筑試件所采用原材料如下：塊材采用以黏土為主要原料，按傳統(tǒng)工藝燒制成的同一批次的手工青磚[2-3]，規(guī)格尺寸為長280mm、寬140mm、厚65mm；粘結(jié)材料采用傳統(tǒng)灰漿，傳統(tǒng)灰漿采用氧化鎂含量4.2%、氧化鈣和氧化鎂總含量79.3%的生石灰以及黃土、中砂、自來水制備成的純白灰或1∶1摻灰泥(體積比)或1∶1白灰砂漿(體積比)或1∶3白灰砂漿(體積比)。

1.2 試件設(shè)計

本文砌體試件采用糙磚、仿絲縫兩種方式砌筑，其中糙磚砌筑試件為本文主要研究對象，按照灰漿類型分組，設(shè)計4組，每組試件9個，以純白灰為粘結(jié)材料的試件編號為JA1～JA9，以1∶1白灰砂漿為粘結(jié)材料的試件編號為JC1～JC9，以1∶3白灰砂漿為粘結(jié)材料的試件編號為JD1～JD9，以1∶1摻灰泥為粘結(jié)材料的試件編號為JE1～JE9；仿絲縫砌筑試件是為研究古建筑中等級較高的絲縫墻力學(xué)性能所設(shè)計的對比試件，僅設(shè)計以純白灰為粘結(jié)材料的試件1組(9個試件)，編號為JB1～JB9。

1.3 試件制作

參照《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》(GB/T 50129—2011)[4]相關(guān)規(guī)定，采用由9塊青磚組成的雙剪試件，如圖1所示。

圖1 試件

試件的齡期到達預(yù)期水平后，將試件立放，先后對承壓面和加荷面采用不小于10mm厚的1∶3水泥砂漿找平。試件找平層施工過程中，采用水平尺和直角尺控制和檢查其平整度，使上下找平層相互平行并垂直于受剪面的灰縫。

1.4 試件砌筑材料強度

1.4.1 手工青磚抗壓強度

在砌筑試件所采用的手工青磚中隨機抽取磚樣10塊，依據(jù)《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)[5]中有關(guān)砌墻磚試驗方法規(guī)定，并參考丁偉等[6]的研究成果，對所抽取手工青磚抗壓強度進行試驗，實測其抗壓強度平均值為7.6MPa。

1.4.2 灰漿抗壓強度

依據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》(GB/T 50129—2011)[4]的規(guī)定，在試件的砌筑過程中，將每種灰漿制作立方體抗壓試塊1組，每組灰漿試塊數(shù)量為6個，灰漿試塊底模采用砌筑試件用的手工青磚，養(yǎng)護條件與試件相同(自然養(yǎng)護)，灰漿試塊抗壓試驗與砌筑試件抗剪試驗同時進行。所制作灰漿試塊抗壓強度按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準》(JGJ/T 70—2009)[7]的有關(guān)規(guī)定進行試驗，實測各灰漿試塊抗壓強度，并計算出每種灰漿試塊抗壓強度平均值，結(jié)果列于表1。

灰漿抗壓強度試驗結(jié)果匯總 表1

1.5 加荷架設(shè)計

本文試驗所采用的加荷架、荷載分配梁在項目現(xiàn)場自制，加荷架具有足夠的強度、剛度及穩(wěn)定性，且橫梁能上下調(diào)節(jié)高度，詳見圖2。

圖2 加荷架示意圖

2 試驗過程及試驗現(xiàn)象

2.1 試驗過程

試件抗剪強度試驗采用50kN螺旋式千斤頂施加荷載，在千斤頂與試件之間放置力傳感器，讀取加載力。試驗時試件齡期約為90d。

試驗前，按照《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》(GB/T 50129—2011)的規(guī)定測量受剪面尺寸。試件就位后，采用勻速連續(xù)加荷方法對試件施加荷載，控制試件在1～3min內(nèi)破壞，記錄破壞荷載和破壞特征，并測量、記錄受剪破壞面的砂漿飽滿度。

2.2 試驗現(xiàn)象

5組試件的試驗破壞現(xiàn)象相似，試驗從加載至破壞前，試件未產(chǎn)生明顯破壞現(xiàn)象，直至加載至破壞荷載時，試件突然沿灰縫斷裂，脆性破壞特征明顯。試件破壞形式有單剪破壞和雙剪破壞2種形式，未出現(xiàn)青磚破損的情況，其中部分試件破壞情況如圖3所示。

圖3 典型試件破壞形式

不同破壞類型試件的數(shù)量及占比統(tǒng)計結(jié)果見表2。

不同破壞類型試件數(shù)量及占比統(tǒng)計結(jié)果 表2

由表2可見，有接近一半比例的試件出現(xiàn)單剪破壞，其原因是：1)加載試驗時三個受力面不能達到真正意義上的平行，兩條灰縫的受力存在差異；2)試件砌筑時無法保證兩條灰縫的厚度、均勻性及灰漿飽滿度完全一致，兩條灰縫的抗力存在差異。

3 試驗結(jié)果及其分析

3.1 試驗結(jié)果

5組試件全部完成試驗后，對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計計算，結(jié)果列于表3～7。

砌體JA組試件抗剪試驗結(jié)果 表3

砌體JB組試件抗剪試驗結(jié)果 表4

砌體JC組試件抗剪試驗結(jié)果 表5

砌體JD組試件抗剪試驗結(jié)果 表6

砌體JE組試件抗剪試驗結(jié)果 表7

根據(jù)表1、表3～7試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除JB組試件灰漿飽滿度在40.1%～50.9%之間外，其他各組試件灰漿飽滿度均在80%以上。5組試件抗剪強度中JA組最高，JE組最低，JB組試件抗剪強度明顯低于同是純白灰砌筑的JA組試件。除JB組試件外，其他4組試件抗剪強度的大小與灰漿強度呈正相關(guān)關(guān)系，很好地驗證了灰漿強度是影響砌體抗剪強度的主要因素之一。JB組試件抗剪強度明顯低于JA組試件的主要原因是，灰縫厚度的顯著減小不利于灰漿粘結(jié)強度的發(fā)揮，不利于保證灰漿飽滿度，這一點在工程運用中要加以注意。

3.2 砌體抗剪強度平均值表達式

《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)[8]中規(guī)定，磚砌體抗剪強度平均值fv,m采用下式計算：

(1)

式中：fv,m為砌體抗剪強度平均值；k5為不同種類砌體影響系數(shù)；f2為砂漿抗壓強度平均值。

砌體試件抗剪強度結(jié)果 表8

由表8可見，5組試件的實測抗剪強度平均值均明顯低于規(guī)范(式(1))計算值，其中，JB組試件抗剪強度明顯低于同是純白灰砌筑的JA組試件。5組試件實測抗剪強度平均值明顯低于規(guī)范(式(1))計算值的主要原因是：1)傳統(tǒng)白灰基灰漿與青磚的粘接性能明顯低于水泥基砂漿；2)灰漿內(nèi)部強度受表層硬化的阻止作用增長緩慢，較表層強度低。

根據(jù)試驗結(jié)果及其分析，規(guī)范(式(1))已不能準確預(yù)估該類砌體的抗剪強度，計算結(jié)果不安全。根據(jù)JA，JC，JD，JE試件的試驗結(jié)果，采用最小二乘法對式(1)進行修正，修正后計算公式如式(2)所示[9-10]。

(2)

此外，對于絲縫砌筑砌體，應(yīng)在砌筑灰漿飽滿度為0.4～0.8之間時，其抗剪強度平均值均應(yīng)在式(2)計算值基礎(chǔ)上乘以一個0.6～1.0的折減系數(shù)。

由于受到試件數(shù)量、齡期及灰漿強度限制，本文式(2)僅適用于灰漿強度在0.3～2.0MPa的手工青磚砌體的抗剪強度平均值的計算。當(dāng)灰漿強度大于2.0MPa時，式(2)的合理性仍然需要大量試驗數(shù)據(jù)來完善和驗證。

3.3 砌體抗剪強度設(shè)計值

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)規(guī)定，砌體的抗剪強度設(shè)計值計算公式如下：

fv=fvk/γf

(3)

fvk=fv,m(1-1.645δ)

(4)

式中：fv為砌體抗剪強度設(shè)計值；fvk為砌體抗剪強度標(biāo)準值；γf為砌體材料強度分項系數(shù)，當(dāng)施工質(zhì)量控制等級為B級時，取=1.6；δ為試件抗剪強度變異系數(shù)，出于安全考慮，采用最大值0.19。

根據(jù)式(2)～(4)，可得到以純白灰、白灰砂漿、摻灰泥為粘結(jié)材料的手工青磚砌體抗剪強度設(shè)計值，見表9。對于絲縫砌筑砌體的抗剪強度設(shè)計值，應(yīng)根據(jù)實際灰漿飽滿度情況，在式(3)計算值基礎(chǔ)上乘以一個0.6～1.0的折減系數(shù)。

手工青磚砌體抗剪強度設(shè)計值/MPa 表9

4 結(jié)論

(1)以純白灰、白灰砂漿以及摻灰泥為粘結(jié)材料的手工青磚砌體的受剪破壞具有脆性破壞特征，其破壞形式有單剪破壞和雙剪破壞2種形式。

(2)以純白灰、白灰砂漿、摻灰泥為粘結(jié)材料的手工青磚砌體試件的抗剪強度平均值均明顯低于燒結(jié)普通磚砌體規(guī)范公式計算值，尤以純白灰仿絲縫砌筑的JB組試件最低。