置換砂漿強(qiáng)度及深度對置換砂漿加固砌體抗剪性能影響的試驗(yàn)研究*

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)院土木工程系， 廈門 361005； 2 廈門市交通運(yùn)輸局， 廈門 361005；3 廈門合立道工程設(shè)計集團(tuán)股份有限公司， 廈門 361005)

0 引言

我國砌體結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，數(shù)量繁多，尤其是一些歷史保護(hù)性建筑的結(jié)構(gòu)多為無筋砌體結(jié)構(gòu)。部分歷史建筑砌體結(jié)構(gòu)由于修建年代較早，且所采用的砂漿多為石灰砂漿、黏土砂漿和石膏砂漿[1]，隨著時間的久遠(yuǎn)，砂漿強(qiáng)度變低，導(dǎo)致其承載力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，可以采用置換砂漿加固法[2-3]增強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)抗震承載力。

目前關(guān)于置換砂漿加固砌體結(jié)構(gòu)的研究，西南交通大學(xué)魏智輝[4]做過相關(guān)試驗(yàn)研究,其根據(jù)不同勾縫深度和加固砂漿強(qiáng)度，設(shè)計了12個勾縫加固砌體構(gòu)件和3個未加固構(gòu)件，并對其進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，勾縫加固后的砌體構(gòu)件破壞荷載比未加固的砌體構(gòu)件均有提高，提高幅度與勾縫深度、加固砂漿強(qiáng)度有關(guān)，最大的達(dá)到30%，而破壞形態(tài)和過程類似。廈門大學(xué)鄧華[5]針對砂漿強(qiáng)度低引起的砌體強(qiáng)度不足，提出了砌體灰縫注漿加固法，通過灰縫注漿，改善灰縫砂漿的力學(xué)性能，從而提高砌體的抗震能力。其試驗(yàn)表明，采用注漿加固方法替換灰縫砂漿后，砌體試件抗剪強(qiáng)度能夠提高209%、抗壓強(qiáng)度能夠提高25%。華僑大學(xué)郭子雄[6]根據(jù)條石砌筑石墻的砌筑和構(gòu)造特點(diǎn)，提出了采用聚合物砂漿對石墻進(jìn)行嵌縫抗震加固的方法。其雙剪試驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物砂漿嵌縫加固能有效提高石墻灰縫的抗剪承載能力和剪切變形能力。

在地震作用下，砌體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生三種受剪破壞形式，即沿水平灰縫破壞、沿齒縫破壞和沿階梯形縫破壞[7]，其中沿階梯形縫破壞是砌體墻體最常見的破壞形式。所以，國內(nèi)外部分學(xué)者采用了對角加載剪切試驗(yàn)對砌體抗剪強(qiáng)度展開了相關(guān)研究。四川大學(xué)梁鑫曉[8]為了研究燒結(jié)空心磚砌體的抗剪性能，設(shè)計了實(shí)際尺寸為990mm×980mm×200mm(長×高×厚)的抗剪試件。并通過對角加載剪切試驗(yàn)得出，燒結(jié)空心磚砌體的抗剪強(qiáng)度主要與砂漿和塊體的界面特性有關(guān)，剪切破壞發(fā)生于灰縫，現(xiàn)行規(guī)范給出的砌體抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式適用于燒結(jié)空心磚砌體。國外A.Gabor[9]對空心磚砌體面板的平面內(nèi)抗剪性能進(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)分析，通過對角受壓試驗(yàn)設(shè)計了實(shí)際尺寸為870mm×840mm×100mm(長×高×厚)的對角受壓試件，同時考慮灰縫的彈塑性，利用ANSYS建立非線性模型進(jìn)行數(shù)值模擬。最后得出，沿壓縮對角線試驗(yàn)測得的應(yīng)變與通過建模測得的應(yīng)變之間的最大差異為：彈性區(qū)為6%，極限荷載為25%。

本文為研究置換砂漿強(qiáng)度以及置換深度對砌體結(jié)構(gòu)對角剪切強(qiáng)度的影響，設(shè)計了5個試件，基于對角加載剪切試驗(yàn)，分析了不同因素下試件的破壞模式以及對抗剪性能的影響，為歷史建筑砌體結(jié)構(gòu)加固修繕提供一定的參考依據(jù)。

1 砌體試驗(yàn)試件

1.1 試件材料性能

本次試驗(yàn)的材料主要包括：1)黏土混合砂漿；2)特制的置換水泥砂漿；3)置換灌漿料；4)普通燒結(jié)磚。

相關(guān)調(diào)研及鑒定表明，鼓浪嶼上歷史風(fēng)貌建筑砌體結(jié)構(gòu)大多采用黏土混合砂漿，其砂漿主要由殼灰、黏土、砂等材料拌制而成，實(shí)測抗壓強(qiáng)度多數(shù)為1MPa左右。由于黏土混合砂漿的強(qiáng)度較低，所以根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)，分別在黏土混合砂漿硬化后拆模，并于7d和28d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)[10]，測得的平均抗壓強(qiáng)度為0.625MPa。

特制的置換水泥砂漿的主要成分有水泥、中砂、水以及華千素，其性能滿足各方面要求，已成功運(yùn)用至鼓浪嶼鹿礁路99號、思明南路78-86號等實(shí)際工程項(xiàng)目上，現(xiàn)場效果較好，未出現(xiàn)泛堿等不利影響。特制的置換水泥砂漿7d實(shí)測抗壓強(qiáng)度為6.2MPa，28d實(shí)測抗壓強(qiáng)度為11.1MPa，28d實(shí)測抗折強(qiáng)度為4.0MPa[11]，稠度為91.5mm。

置換灌漿料的7d實(shí)測抗壓強(qiáng)度為37.8MPa，28d實(shí)測抗壓強(qiáng)度為55.0MPa，28d實(shí)測抗折強(qiáng)度為9.5MPa，稠度為83.0mm。

特制的置換水泥砂漿和置換灌漿料，收縮率為0.09%，收縮率在允許范圍內(nèi)，達(dá)到了對于置換砂漿無收縮或微膨脹的要求。

普通燒結(jié)磚采用市面上常見的燒結(jié)普通黏土磚，合理預(yù)估磚的數(shù)量，使得磚塊在同一批次內(nèi)生產(chǎn)，根據(jù)測量，磚塊實(shí)際平均規(guī)格為225mm×104mm×47mm。燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度平均值為12.31MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為8.96MPa，變異系數(shù)0.15，故燒結(jié)磚的強(qiáng)度等級為MU10。

1.2 試件設(shè)計

依據(jù)單一變量原則，為探究置換砂漿強(qiáng)度和置換深度對砌體抗剪性能的影響，一共設(shè)計了5個試件，試驗(yàn)試件如圖1所示。參照美國試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E519/E519 M-15[13]對本次試驗(yàn)試件進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)磚塊的實(shí)際尺寸與標(biāo)準(zhǔn)普通磚的差異以及試驗(yàn)條件限制等因素，對試件的實(shí)際尺寸進(jìn)行調(diào)整，1#～5#試件的實(shí)際尺寸L(長)×H(高)×B(寬)均為700mm×700mm×225mm，砌筑方式為一順一丁。

圖1 試驗(yàn)試件

本次試驗(yàn)采用的置換形式為雙面X形交叉置換砂漿形式，X形帶寬為225mm，1#試件的砂漿未置換，2#和3#試件置換深度均為40mm，4#和5#試件置換深度分別為30mm和50mm，置換區(qū)域示意圖如圖2所示。根據(jù)灰縫中砂漿面積可算出2#和3#試件中置換砂漿占全部砂漿的比例分別約為21%，4#和5#試件中置換砂漿占全部砂漿的比例分別約為16%和26%。具體試件參數(shù)如表1所示。

圖2 置換區(qū)域示意圖

剪壓試驗(yàn)試件設(shè)計 表1

1.3 試驗(yàn)加載方案

本試驗(yàn)的加載設(shè)備選用廈門大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室的YAW-800型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、伺服液壓系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。如圖3所示。

圖3 YAW-8000型電液伺服柱壓力試驗(yàn)機(jī)

本次試驗(yàn)參照美國試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E519/E519 M-15[13]，采用對角加載剪切試驗(yàn)，并根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)要求，采用分級均勻加載，具體加載數(shù)值見文獻(xiàn)[14]。同時在每個試件的正面均設(shè)置測點(diǎn)以得到試件加載時產(chǎn)生的橫向和豎向變形，加載過程中當(dāng)加載力達(dá)到峰值即力-位移曲線不再上升時，視為試件喪失承載能力而破壞，應(yīng)當(dāng)立即停止加載[15]，試驗(yàn)試件加載示意圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)試件加載示意圖

2 不同置換砂漿強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過程

在加載過程中，1#試件黏土混合砂漿擠壓均勻，而2#和3#試件的黏土混合砂漿和置換砂漿呈現(xiàn)不同程度的擠壓。3個試件的第一道裂縫均出現(xiàn)在試件的中部，隨著荷載的不斷增大，試件內(nèi)部細(xì)小的裂縫不斷發(fā)展，最后在試件內(nèi)部形成貫通裂縫，試件喪失承載能力，其破壞形式屬于剪切滑移破壞[16]。

由圖5～7的1#～3#試件破壞過程可以看出，1#和2#試件破壞時的貫通裂縫長度分別為933mm和875mm，貫通裂縫呈階梯形，其中2#試件貫通裂縫跨過置換區(qū)域的長度為583mm，可初步推斷，試件最終破壞的貫通裂縫長度比較接近。3#試件破壞時的實(shí)際貫通裂縫長度為933mm，其中貫通裂縫跨過置換區(qū)域的長度為758mm。與2#試件相比，3#試件實(shí)際破壞時貫通裂縫的長度較為接近，而貫通裂縫跨過置換砂漿區(qū)域的長度較大，主要原因?yàn)楣酀{料強(qiáng)度較大且大于磚塊強(qiáng)度，故傳力路徑主要在加固區(qū)域內(nèi)。

圖5 1#試件破壞過程圖

圖6 2#試件破壞過程圖

圖7 3#試件破壞過程圖

1#未置換砂漿試件灰縫內(nèi)部為均勻的黏土混合砂漿，黏土混合砂漿的強(qiáng)度、剛度較低，加載過程中黏土混合砂漿不斷被壓緊，裂縫集中在黏土混合砂漿上，磚表面未見明顯裂縫，最終破壞時呈現(xiàn)明顯的階梯形裂縫[17]。2#置換水泥砂漿試件灰縫內(nèi)部存在兩種強(qiáng)度、剛度相差較大的砂漿，加固區(qū)的強(qiáng)度、剛度較大，根據(jù)剛度分配原則，力總是沿著剛度較大的路徑傳遞，所以加固區(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，故裂縫主要集中在試件的垂直受力方向并且大部分處于加固區(qū)內(nèi)[18]。

與2#試件相比，3#試件的差別體現(xiàn)在置換砂漿強(qiáng)度上，其置換砂漿強(qiáng)度遠(yuǎn)大于磚塊強(qiáng)度，故試件破壞時形成的貫通裂縫跨過置換區(qū)的長度較大，即跨過置換區(qū)的比例較高，裂縫集中在加固區(qū)，且部分磚塊角部有壓碎的現(xiàn)象。由于3#試件中灌漿料起到了關(guān)鍵傳力作用，但其占全部砂漿的比例有限，所以試件承載力提高的幅度相對較小。由此可見，不同置換砂漿強(qiáng)度的試件破壞時形成的貫通裂縫有一定的差異。

2.2 荷載-位移曲線分析

從圖8可以看出，1#，2#，3#試件的荷載峰值分別為47.6，108.2，64.2kN，對應(yīng)的位移分別是5.10，5.50，4.70mm。

圖8 不同置換砂漿強(qiáng)度的試件的荷載-位移曲線

從1#，2#，3#試件的荷載-位移曲線可以看出，當(dāng)試件荷載達(dá)到峰值后曲線均開始下降，且當(dāng)位移超過3.50mm時，1#試件和2#，3#試件的荷載-位移曲線的變化趨勢截然不同，1#試件在達(dá)到荷載峰值附近時，其荷載-位移曲線具有明顯的水平趨勢，呈現(xiàn)出一定的塑性階段。2#，3#試件的荷載-位移曲線均在荷載達(dá)到峰值后劇烈下降，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。可初步推斷這是由于灰縫砂漿不同引起的差異，置換砂漿后改變了試件的剛度和強(qiáng)度，從而提高了試件的承載力。而2#與3#試件荷載-位移曲線的變化趨勢有一定的相似性，但不同強(qiáng)度的置換砂漿提高試件承載力的幅度有一定的差異。

3 不同置換深度的試驗(yàn)結(jié)果

3.1 破壞過程

與1#和2#試件類似，4#和5#試件的第一道裂縫均出現(xiàn)在試件中部，隨著荷載不斷增大，試件內(nèi)部細(xì)小裂縫不斷發(fā)展，最后在試件內(nèi)部形成貫通裂縫，試件喪失承載能力。

由圖9、圖10的試件破壞過程可以看出，4#，5#試件破壞時的貫通裂縫長度分別為933，875mm，貫通裂縫呈階梯形，其中4#和5#試件貫通裂縫跨過置換區(qū)的長度分別為583，467mm。由此可見，不同置換深度的試件在破壞時的貫通裂縫長度以及貫通裂縫跨過置換區(qū)的長度較為接近，說明其破壞模式具有一定的相似性。

圖9 4#試件破壞過程圖

圖10 5#試件破壞過程圖

2#，5#，4#試件灰縫內(nèi)部均存在兩種強(qiáng)度、剛度相差較大的砂漿，三者的區(qū)別在于置換深度不同，從而導(dǎo)致置換面積率也不同。3個試件的加固區(qū)與非加固區(qū)之間強(qiáng)度、剛度相差較大，裂縫主要集中在試件的垂直受力方向且大部分處于加固區(qū)內(nèi)。

3.2 荷載-位移曲線分析

從圖11可以看出，由于置換深度不同，故試件的承載力有所不同，1#，2#，4#，5#試件的荷載峰值分別為47.6，108.2，76.8，101.0kN，對應(yīng)的位移分別為5.10，5.50，4.30，4.60mm。

圖11 不同置換深度的試件荷載-位移曲線

由圖11的4個試件的荷載-位移曲線可以看出，當(dāng)試件荷載達(dá)到峰值后荷載-位移曲線均開始下降。4#，5#試件與2#試件的荷載-位移曲線的發(fā)展趨勢具有一定的相似性，均在荷載達(dá)到峰值后曲線劇烈下降，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。置換砂漿后試件的對角剪切強(qiáng)度明顯得到提高，不同置換深度試件的對角剪切強(qiáng)度提高幅度不同。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與總結(jié)

根據(jù)美國試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ATSM E519/E519 M-15[13]，計算砌體墻的對角剪切強(qiáng)度，如式(1)所示：

fshear=Pcosα/An

(1)

式中：P為砌體墻的極限荷載；α為磚縫與加載方向之間的夾角；An為墻面的毛面積，mm2，An=(w+h)tn/2，w為砌體墻的寬度，h為砌體墻的高度，t為砌體墻的厚度，n為砌體墻的毛面積率，本試驗(yàn)n取為1。 換算得出本次試驗(yàn)試件的對角剪切強(qiáng)度，如表2、表3所示。

4.1 不同置換砂漿強(qiáng)度的影響

對比表2中1#和2#試件的數(shù)據(jù)可以看出，2#試件置換特制的水泥砂漿之后，其對角剪切強(qiáng)度比1#試件提高了127.31%，說明置換砂漿X形加固后的試件的對角剪切強(qiáng)度提高明顯。置換砂漿后，試件加固區(qū)的強(qiáng)度和剛度均變大，且形成了有效的傳力路徑，從而提高了對角剪切強(qiáng)度。

而對比表2中1#和3#的數(shù)據(jù)可以看出，3#試件置換灌漿料之后，其對角剪切強(qiáng)度比1#試件提高了34.87%，相比2#試件，提高的幅度相對較小。砌體結(jié)構(gòu)中的砂漿起著粘結(jié)、襯墊和傳遞應(yīng)力的作用，根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)[19]，砂漿強(qiáng)度不應(yīng)大于磚塊強(qiáng)度。而3#試件灌漿料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于磚塊強(qiáng)度，在加載過程中砂漿傳遞的應(yīng)力更大，不符合常規(guī)砌體砌筑要求，且灌漿料與磚塊的粘結(jié)性更好，導(dǎo)致試件破壞時部分磚塊角部被壓壞，破壞時的位移更小，脆性破壞更迅速，所以3#試件對角剪切強(qiáng)度提高的幅度相對較小。

不同置換砂漿強(qiáng)度試件對角剪切強(qiáng)度對比 表2

不同置換深度試件對角剪切強(qiáng)度對比 表3

4.2 不同置換深度的影響

對比表3中的數(shù)據(jù)可以看出，2#置換深度40mm的試件對角剪切強(qiáng)度比1#未置換砂漿試件提高了127.31%，4#置換深度30mm的試件對角剪切強(qiáng)度比1#未置換砂漿試件提高了61.34%，5#置換深度50mm的試件對角剪切強(qiáng)度比1#未置換砂漿試件提高了112.18%。由此可見，置換砂漿能明顯有效地提高試件的對角剪切強(qiáng)度。

2#，4#，5#試件的對角剪切強(qiáng)度大小為：2#試件>5#試件>4#試件，可見，不同置換深度提高砌體對角剪切強(qiáng)度的幅度不同，上述3個試件的對角剪切強(qiáng)度沒有隨置換深度的變大而變大，其中置換深度為40mm的試件效果最好。

4.3 對角剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值與計算值的差異

根據(jù)施楚賢、劉桂秋[20]等的觀點(diǎn)，當(dāng)σy/fm≤0.32時(σy為墻體內(nèi)的豎向壓應(yīng)力，fm為砌體抗壓強(qiáng)度平均值)，砌體呈剪切滑移破壞，砌體抗剪強(qiáng)度平均值fv,m可由下式確定：

fv,m=fv0,m+0.5σy

(2)

由于試件受力方向與磚縫之間的角度為45°，所以σy在數(shù)值上與試件的對角剪切強(qiáng)度相等，在此基礎(chǔ)上，可以算出各試件對角剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值與計算值之間的差異，如表4所示。

各試件對角剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值與計算值對比 表4

由表5可以看出，1#，2#，4#試件對角剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值與計算值之間的誤差較小，均在10%以內(nèi)，較為理想；而5#試件對角剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值與計算值之間的誤差為10.5%，相對較大；3#試件對角剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值與計算值之間的誤差25.0%，最大。初步分析可得，3#試件是由于置換灌漿料強(qiáng)度太大，遠(yuǎn)大于磚塊強(qiáng)度，且與磚塊粘結(jié)性更好，使得加載過程中磚塊角部被壓壞，實(shí)際破壞時裂縫局部跨過磚塊，從而導(dǎo)致對角剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值比計算值小了25.0%。而5#試件置換深度50mm，由于置換深度相對較大，在置換過程中灰縫內(nèi)部很難保證砂漿填充飽滿，反而無法較好地保證砂漿與磚塊的粘結(jié)性，從而導(dǎo)致加固效果略低于置換深度40mm的試件，其對角剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值比計算值低了10.5%。

5 結(jié)論

(1)置換砂漿強(qiáng)度不應(yīng)超過砌塊強(qiáng)度，置換砂漿強(qiáng)度與提高砌體結(jié)構(gòu)抗剪性能的幅度之間存在復(fù)雜的關(guān)系，置換砂漿強(qiáng)度越高，加固效果不一定越好。置換砂漿強(qiáng)度的取值范圍應(yīng)綜合考慮原結(jié)構(gòu)砂漿強(qiáng)度、磚塊強(qiáng)度和置換形式等因素。在黏土混合砂漿強(qiáng)度小于1MPa、磚塊強(qiáng)度等級為MU10、置換形式為雙面X形的工況下，建議采用特制的置換水泥砂漿。

(2)置換深度對提高砌體抗剪性能有明顯作用，不同置換深度的試件抗剪性能存在一定的差異。置換深度與提高砌體結(jié)構(gòu)抗剪性能的幅度之間同樣存在著復(fù)雜的關(guān)系，存在某個特定置換深度使得加固效果最好?？紤]實(shí)際加固工程的施工可操作性和可識別性，建議置換深度取40mm。

(3)通過試驗(yàn)結(jié)果分析可得，置換砂漿法是一種有效可行的加固方法。在對角剪切作用下，置換砂漿強(qiáng)度和置換深度均對置換砂漿法加固砌體影響顯著，且并非獨(dú)立影響，二者相互之間存在一定的聯(lián)系與影響。因此，在采用置換砂漿法加固實(shí)際工程中，建議采用特制的置換水泥砂漿，同時置換深度為40mm。且應(yīng)進(jìn)一步深入研究置換砂漿對磚塊抗折強(qiáng)度的影響。