以傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料的手工青磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究*

丁 偉， 王占雷， 吉立朋

(河北省建筑科學(xué)研究院有限公司， 石家莊 050021)

0 引言

通過第三次全國文物普查工作，從2000年到2015年，被認(rèn)定為不可移動文物的數(shù)量從30余萬處增加到了76萬余處[1]，其中以傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料的手工青磚砌體結(jié)構(gòu)文物建筑占較大比例。目前國內(nèi)外尚無該類砌體彎曲抗拉強(qiáng)度方面的系統(tǒng)研究成果，本文結(jié)合河北地區(qū)多項(xiàng)文物建筑保護(hù)修繕項(xiàng)目，制備以純白灰、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試件，進(jìn)行沿通縫截面及沿齒縫截面的彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究，為該類砌體的評估提供基礎(chǔ)指標(biāo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料的選取

試件砌筑用手工青磚采用出自同一批次，物理性質(zhì)基本相同，以傳統(tǒng)工藝燒制而成的小停泥磚，規(guī)格為280mm×140mm×65mm。

根據(jù)河北地區(qū)現(xiàn)存文物建筑砌體砌筑灰漿大多為以石灰為基礎(chǔ)及采用素白灰或摻入不同摻合料制備的現(xiàn)狀，本文彎曲抗拉砌體試件采用純白灰、體積比為1∶1白灰砂漿、體積比為1∶3白灰砂漿、體積比為1∶1摻灰泥等四種灰漿。配置傳統(tǒng)灰漿所用原材料為生石灰、中砂、黃土、自來水，其中生石灰經(jīng)檢驗(yàn)其氧化鎂含量4.2%、氧化鈣和氧化鎂總含量79.3%。

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

本文彎曲抗拉砌體試件以所選用小停泥磚為塊材，以純白灰、體積比為1∶1白灰砂漿、體積比為1∶3白灰砂漿、體積比為1∶1摻灰泥四種灰漿為粘結(jié)材料，以糙磚方式砌筑。為研究古建筑中等級較高的絲縫砌體的彎曲抗拉性能，制備以純白灰為粘結(jié)材料、以仿絲縫方式砌筑試件，進(jìn)行對比試驗(yàn)。共設(shè)計(jì)5組沿通縫截面彎曲抗拉試驗(yàn)試件及5組沿齒縫截面彎曲抗拉試驗(yàn)試件，每組設(shè)計(jì)試件9個，共計(jì)45個沿通縫截面彎曲抗拉試件及45個沿齒縫截面彎曲抗拉試件，試件設(shè)計(jì)及分組編號見表1。

試件設(shè)計(jì)及分組編號 表1

參照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)[2](簡稱GB/T 50129—2011)相關(guān)規(guī)定，仿絲縫砌筑沿通縫截面彎曲抗拉試件設(shè)計(jì)尺寸為280mm×280mm×860mm，沿齒縫截面彎曲抗拉試件設(shè)計(jì)尺寸為280mm×265mm×1 290mm；糙磚砌筑沿通縫截面彎曲抗拉試件設(shè)計(jì)尺寸為280mm×280mm×900mm，沿齒縫截面彎曲抗拉試件設(shè)計(jì)尺寸為280mm×280mm×1 320mm，如圖1所示。

圖1 彎曲抗拉試件示意圖

彎曲抗拉試件由一名中等技術(shù)砌筑水平的砌筑工完成。沿通縫彎曲抗拉試件，采用立砌的方式砌筑，試驗(yàn)時將試件放平，再安裝到試驗(yàn)臺座上。沿齒縫彎曲抗拉試件，采用平砌并采用一順一丁的砌筑形式，試驗(yàn)時以長邊為軸旋轉(zhuǎn)90°，平移至試驗(yàn)臺座上。在試件支座處和荷載作用處，預(yù)先采用1∶3水泥砂漿找平，找平層厚度10mm、寬度不小于50mm，當(dāng)加荷設(shè)備的荷載作用面與試件受荷面接觸不密合時，使用快硬石膏墊平。固定鉸支座的固定鉸采用邊長70mm等邊角鋼，滾動鉸支座的滾軸采用直徑50mm圓形鋼棒，調(diào)整固定鉸支座與滾動鉸支座頂部處于同一水平面。

1.3 試件砌筑材料強(qiáng)度試驗(yàn)

1.3.1 手工青磚抗壓強(qiáng)度

在砌筑彎曲抗拉試件的手工青磚中，隨機(jī)抽取青磚10塊，參照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)[3]的相關(guān)規(guī)定及丁偉等[4]的研究成果，對所抽取手工青磚進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)測青磚抗壓強(qiáng)度平均值為7.6MPa，推定強(qiáng)度等級MU7.5。

1.3.2 灰漿抗壓強(qiáng)度

參照GB/T 50129—2011的相關(guān)規(guī)定，在砌筑彎曲抗拉試件的過程中，每種灰漿制作1組以砌筑用青磚為底模的同條件養(yǎng)護(hù)立方體試塊，每組試塊數(shù)量6個?；覞{試塊抗壓試驗(yàn)與彎曲抗拉試件試驗(yàn)同時進(jìn)行。依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)[5]的規(guī)定，實(shí)測各灰漿的抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算每種灰漿抗壓強(qiáng)度平均值，結(jié)果見表2。

砌筑試件用灰漿抗壓強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果/MPa 表2

1.4 加荷系統(tǒng)

本試驗(yàn)加荷架及荷載分配梁在廣宗官署正堂修繕項(xiàng)目現(xiàn)場自制，主框架采用工字鋼制作，節(jié)點(diǎn)以高強(qiáng)螺栓連接，并在鋼柱內(nèi)側(cè)設(shè)置多排可調(diào)節(jié)鋼梁高度的螺栓孔，詳見文獻(xiàn)[6]中的圖2。采用自制試驗(yàn)臺座、5t螺旋式千斤頂、力值傳感器等組成的加荷系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)過程及試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 試驗(yàn)過程

砌體彎曲抗拉試驗(yàn)在自制的加荷架上進(jìn)行，試驗(yàn)齡期約90d。按照GB/T 50129—2011的規(guī)定，試驗(yàn)前，在試件上標(biāo)出支座與荷載作用線的垂直位置，并在純彎區(qū)段的中部測量并記錄截面尺寸；隨機(jī)選取3個試件，測其自重并計(jì)算平均值；按簡支梁三分點(diǎn)集中加荷的要求使試件準(zhǔn)確就位。試件就位后，采用勻速連續(xù)加荷方式加載，控制試件在3min內(nèi)破壞。試件破壞后，立即記錄破壞荷載值和破壞特征。

2.2 試驗(yàn)調(diào)整及試驗(yàn)現(xiàn)象

開始試驗(yàn)時，首先對TA-1，TC-3，TD-3試件，以及CA-1，CD-2，CD-3試件進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，這些試件均在移動或安放到試驗(yàn)臺的過程中出現(xiàn)斷裂破壞。破壞原因主要為試件彎曲抗拉強(qiáng)度較低，不足以支撐試件自重。故本文將剩余沿通縫截面彎曲抗拉試件計(jì)算跨度由800mm調(diào)整為690mm，沿齒縫截面彎曲抗拉試件計(jì)算跨度由1 230mm調(diào)整為970mm。

調(diào)整后，對剩余的全部試件進(jìn)行了試驗(yàn)， TB及CB組試件均在移動或安放到試驗(yàn)臺的過程中斷裂破壞，故未采集到數(shù)據(jù)，TA及CA組、TC及CC組、TD及CD組、TE及CE組的少部分試件在移動或安放到試驗(yàn)臺的過程中也出現(xiàn)斷裂破壞的情況，未采集到數(shù)據(jù)；大部分試件完成了試驗(yàn)，但破壞荷載較小，試件在純彎區(qū)斷裂破壞，脆性特征明顯。最終破壞特征為：沿通縫彎曲抗拉試件均在青磚和灰漿的界面處拉斷破壞；沿齒縫彎曲抗拉試件亦是沿灰縫的斷裂破壞。其中TC-1及CC-2試件破壞形態(tài)如圖2、圖3所示。

圖2 TC-1試件試驗(yàn)前及破壞后照片

圖3 CC-2試件試驗(yàn)前及破壞后照片

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)GB/T 50129—2011規(guī)定，單個砌體試件沿通縫截面或沿齒縫截面的彎曲抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算：

(1)

式中：ft,i為試件的彎曲抗拉強(qiáng)度；Nt為試件的抗彎破壞荷載；G為試件的自重；L為試件的計(jì)算跨度；b為試件的截面寬度；h為試件的截面高度。

彎曲抗拉試驗(yàn)完成后，由式(1)可以計(jì)算得到單個試件的彎曲抗拉強(qiáng)度，并對每組試件彎曲抗拉強(qiáng)度平均值及變異系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果列于表3～6。

TA和TC組試件沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 表3

TD和TE組試件沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 表4

CA和CC組試件沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 表5

CD和CE組試件沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 表6

由表3、表4可知，TA組試件彎曲抗拉強(qiáng)度平均值最高，TE組試件彎曲抗拉強(qiáng)度平均值最低，采集到的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值在0.025～0.033MPa之間。由表5、表6可知，CA組試件彎曲抗拉強(qiáng)度平均值最高，CE組試件彎曲抗拉強(qiáng)度平均值最低，采集到的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值在0.051～0.067MPa之間。

分析TB組及CB組試件彎曲抗拉強(qiáng)度明顯低于采用同種灰漿砌筑的TA組及CA組試件的主要原因是，灰縫厚度的顯著減小及粘接面的切削打磨不利于灰漿粘結(jié)強(qiáng)度的發(fā)揮，不利于保證灰漿飽滿度。灰漿飽滿度是影響試件彎曲抗拉強(qiáng)度的一個主要因素，這一點(diǎn)在工程運(yùn)用中要加以注意。

3.2 砌體彎曲抗拉強(qiáng)度平均值表達(dá)式

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)[7](簡稱GB 50003—2011)規(guī)定，砌體彎曲抗拉強(qiáng)度平均值ftm,m采用下式計(jì)算：

(2)

式中：k4為取值系數(shù)，對于燒結(jié)普通磚、燒結(jié)多孔磚、混凝土普通磚、混凝土多孔磚，計(jì)算其沿通縫截面抗彎強(qiáng)度時取0.125，計(jì)算其沿齒縫截面抗彎強(qiáng)度時取0.250；f2為砂漿抗壓強(qiáng)度平均值。

手工青磚是按傳統(tǒng)工藝制坯燒制而成的青灰色燒結(jié)磚，故計(jì)算沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度時取k4=0.125，計(jì)算沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度時取k4=0.250，按照式(2)計(jì)算的各組試件彎曲抗拉強(qiáng)度平均值列于表7及表8。表7及表8中同時列出了表3～6中實(shí)測彎曲抗拉強(qiáng)度平均值ft,m。

沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 表7

沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 表8

由表7及表8可見，除TB組及CB組試件因彎曲抗拉強(qiáng)度低而未采集到數(shù)據(jù)外，TA，TC，TD，TE組沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試件及CA，CC，CD，CE組沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試件的實(shí)測彎曲抗拉強(qiáng)度平均值均明顯低于規(guī)范公式(2)計(jì)算的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值，兩者比值在0.25～0.30之間。分析實(shí)測彎曲抗拉強(qiáng)度明顯低于規(guī)范公式(2)計(jì)算彎曲抗拉強(qiáng)度的主要原因是：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)由于石灰氣硬性的特性，使得灰漿內(nèi)部強(qiáng)度受表層硬化的阻止作用，增長緩慢，較表層強(qiáng)度低。

根據(jù)上述分析可見，規(guī)范計(jì)算公式(2)已不能準(zhǔn)確預(yù)估以摻灰泥、白灰砂漿、純白灰為粘結(jié)材料的手工青磚砌體的彎曲抗拉強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果是不安全的。本文根據(jù)表3～8中灰漿強(qiáng)度及彎曲抗拉強(qiáng)度實(shí)測值，利用最小二乘法進(jìn)行回歸分析[8-10]，求出適合該類砌體的類別系數(shù)k4分別為0.034(通縫)和0.069(齒縫)，即得到回歸公式為：

通縫：

(3)

齒縫：

(4)

但由于本次試驗(yàn)試件齡期較短，對彎曲抗拉強(qiáng)度較低的部分試件未采集到數(shù)值，故導(dǎo)致所采集到的彎曲抗拉強(qiáng)度實(shí)測平均值偏大，則所得回歸公式(3)，(4)計(jì)算值亦偏大，需對k4進(jìn)行折減。本文綜合考慮試驗(yàn)情況，確定折減系數(shù)取為0.85是適宜的，將折減系數(shù)代入式(3)及式(4)，得到修正后回歸公式如下：

通縫：

(5)

齒縫：

(6)

3.3 砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

根據(jù)GB 50003—2011規(guī)定，砌體的彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft的計(jì)算公式如下：

ft=ftk/γf

(7)

ftk=ftm,m(1-1.645δ)

(8)

式中：ftk為砌體彎曲抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；γf為砌體材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)施工質(zhì)量控制等級為B級時，取=1.6；δ為試件彎曲抗拉強(qiáng)度變異系數(shù)，為安全起見取表3～6中最大值0.20。

由式(5)～(8)計(jì)算可得，手工青磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)果列于表9。此外，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，對于絲縫砌筑的手工青磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，應(yīng)根據(jù)實(shí)際灰漿飽滿度情況，以表9中數(shù)值給予一定折減后采用，否則將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不安全，在實(shí)際工程運(yùn)用中需加以注意。

青磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/MPa 表9

4 結(jié)論

(1)以純白灰、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，彎曲抗拉破壞均是在純彎區(qū)沿青磚和灰漿的界面處斷裂破壞，脆性特征明顯。

(3)建議了適用于以純白灰、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彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值。

(4)仿絲縫砌筑砌體灰縫厚度的顯著減小不利于灰漿粘結(jié)強(qiáng)度的發(fā)揮、不利于保證灰漿飽滿度，對于以該類砌筑方式砌筑的砌體，應(yīng)以本文式(5)～(6)計(jì)算所得彎曲抗拉強(qiáng)度平均值或建議的彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為基礎(chǔ)，再給予一定折減后采用，否則將造成計(jì)算結(jié)果不安全。