中國(guó)古代磚砌體力學(xué)性能研究綜述

夏 倩，孫源清，李琰君，李懿卿

(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安 710048；2.陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，陜西西安 710021；3.西安建大維固工程檢測(cè)鑒定有限公司，陜西西安 710054)

0 引 言

古建筑作為歷史文化的載體，反映了國(guó)家歷史的輝煌，展現(xiàn)了以往中國(guó)文化藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)的偉大成就[1]。要以發(fā)展的眼光來(lái)研究保護(hù)古建筑及其被賦予的歷史文化屬性，讓古建筑文化保存于世[2]。磚石材料是現(xiàn)存古建筑中占比較大的材料類型之一，磚石古建筑是歷史發(fā)展和建筑文化的見證者。磚石古建筑一旦破損毀壞，所承載的歷史信息也難以失而再得。因此，研究磚石古建筑材料的基本力學(xué)性能和損傷機(jī)理，對(duì)古建筑修繕保護(hù)有著重要意義。

本工作將從古代磚砌體材料(磚、灰漿、砌體)性能及砌筑方法、古磚砌體的材料力學(xué)性能以及古建筑砌體的研究方法和進(jìn)展等方面總結(jié)分析中國(guó)古代磚砌體材料基本力學(xué)性能研究現(xiàn)狀。

1 古磚砌體組成材料及砌筑方法

砌體結(jié)構(gòu)是指將由塊體和砂漿砌筑而成的墻、柱作為建筑物主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系[3]。

1.1 中國(guó)古磚材料特性及制備工藝

1.1.1古磚材料特性 中國(guó)的古建筑(例如長(zhǎng)城、故宮、大雁塔等)其砌體承重結(jié)構(gòu)材料大多以黏土磚為主[4]。主要原料為黏土，通常黏土含有高嶺石、蒙脫石、伊利石等含水鋁硅酸鹽礦物等[5]。黏土制模后燒制成的磚，以灰漿等膠結(jié)材料粘接，具有較好的耐久性、抗壓性，在中國(guó)建筑史上不可或缺[6]。磚是最早用于建筑的材料之一，主要用于我國(guó)古代建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)，如防水及易磨損的部位。由于其良好的物理性能及經(jīng)濟(jì)性，燒結(jié)黏土磚是中國(guó)古建筑主要建筑材料[7]，與現(xiàn)代工藝生產(chǎn)的水泥及混凝土相比，古磚內(nèi)部成分結(jié)構(gòu)更為均勻[8]。磚材本身具有隔熱防火、性能穩(wěn)定等良好的物理化學(xué)性能和足夠的抗壓強(qiáng)度等良好的力學(xué)性能[9]，同時(shí)制磚材料能就地取材、耐久性好，磚材大小尺寸規(guī)格化、模數(shù)化，保證砌筑方便和砌體規(guī)整等優(yōu)越性。

1.1.2古磚制作工藝 宋應(yīng)星撰寫的《天工開物》[10]對(duì)古磚的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹(圖1)：掘地辯驗(yàn)土色，或藍(lán)、或白、或紅、或黃(福建、廣東多紅泥，江蘇、浙江多藍(lán)色)。土以“粘而不散、粉而不沙者為上”，然后“汲水滋土、踏成稠泥﹑填滿木框、而成坯形、裝入窯中、用木柴或煤炭燃燒”。為了提高磚的強(qiáng)度和硬度，古人還采用“淬火”技術(shù)，對(duì)窯中高溫中的磚坯“灌水其上、水火相濟(jì)、其質(zhì)千秋也”[11]。

圖1 《天工開物》中描述的磚瓦燒制過(guò)程[10]

我國(guó)傳統(tǒng)燒結(jié)磚制作工藝是：預(yù)熱排潮(烘窯)；焙燒升溫(發(fā)大火)；焙燒保溫(燒后火)。黏土中含有鐵，燒制過(guò)程中鐵完全氧化時(shí)生成Fe2O3呈紅色，即紅磚；在燒制過(guò)程中加水冷卻，使黏土中的鐵不完全氧化(Fe3O4)則呈青色，即青磚[12]。青磚中的鐵不完全氧化，使其抵御氧化、風(fēng)化、水化等特性優(yōu)于紅磚，耐久性更好[13]?，F(xiàn)行古建筑磚料名稱及規(guī)格見表1。

表1 現(xiàn)行古建筑磚料名稱及規(guī)格[14]

1.2 膠凝材料特點(diǎn)及類型

1.2.1石灰基膠凝材料特點(diǎn) 能將砂石、磚塊和石材等粘結(jié)成整體的材料統(tǒng)稱為膠凝材料[15]，包括泥漿、灰漿、橡膠和瀝青等。其中，石灰基膠凝材料的應(yīng)用較多[15]。根據(jù)硬化和固結(jié)條件的不同，凝膠材料可分為氣硬性凝膠材料和水硬性凝膠材料，其中氣硬性凝膠材料如石灰、石膏，水硬性凝膠材料如水泥等[16]。石灰是中國(guó)古代最早使用的重要膠凝材料，主要成分是氫氧化鈣、氧化鈣，廣泛應(yīng)用于房屋、墓葬、城墻、堤壩等古代建筑工程中[17]。在歷史文物保護(hù)修復(fù)中，使用高強(qiáng)度、孔隙度低的水泥，與古建筑本體材料不兼容，且會(huì)引入可溶性鹽對(duì)古建筑造成損傷[18]?！靶夼f如舊”、盡可能不改變?cè)瓉?lái)的材料和工藝技術(shù)已經(jīng)成為古建筑修復(fù)的一條基本原則。保存至今的磚石古建筑大都使用了石灰基膠凝材料[19]。宋代《宋會(huì)要》一書中記載：公元1170年南宋乾道六年修筑和州城“其城壁表里各用磚灰五層包砌，糯米粥調(diào)灰輔砌城墻，經(jīng)久堅(jiān)固”。由此可見，由糯米粥和石灰調(diào)治的古代砌筑砂漿具有很好的強(qiáng)度和耐久性能。以石灰、糯米漿等材料制成的石灰基膠凝材料，如糯米灰漿和三合土，在固化粘結(jié)過(guò)程中石灰和糯米漿相互協(xié)同，具有較好的粘結(jié)性能和耐久性，與建筑本體和環(huán)境諧調(diào)[20]?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)驗(yàn)證了“糯米漿的主要成分為支鏈淀粉……和碳酸鈣顆粒一起形成了有機(jī)/無(wú)機(jī)協(xié)同作用的復(fù)合結(jié)構(gòu)……猶如人和動(dòng)物的骨骼和牙齒……表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和韌性”[21]。

1.2.2膠凝材料類型 中國(guó)古代建筑采用石灰摻有機(jī)物的膠凝材料，如“石灰-糯米”“石灰-血料”“石灰-桐油”“石灰-白技”以及“石灰-糯米-明礬”等。

1)傳統(tǒng)糯米灰漿。明朝的《天工開物》[10]對(duì)糯米灰漿的組成、制作方法和性能都有詳細(xì)記載：“灰一分入河砂，黃土二分，用糯米、羊桃藤汁和勻，經(jīng)筑堅(jiān)固，永不隳壞，名曰三合土”。糯米漿摻入三合土，即為糯米灰漿，其強(qiáng)度、耐久性較好[22]。糯米灰漿制作方法雖然略有差別，但其制備工藝并不復(fù)雜。糯米漿與石灰混合制成的糯米灰漿，其粘結(jié)性能、抗壓強(qiáng)度、防滲性及耐久性等較好，表明糯米灰漿應(yīng)用的科學(xué)性及合理性[23]。

2)血料灰漿。血料灰漿是將動(dòng)物血和石灰混合而成的，具有一定粘結(jié)性能，表面光潔，防滲性及耐久性好。血料灰漿最初用于涂抹地面防潮抗裂，后來(lái)逐步改進(jìn)，和桐油、蛋白質(zhì)等物質(zhì)復(fù)配，增加粘結(jié)性和耐久性等協(xié)同作用，大量應(yīng)用于彩畫地仗、漆器等方面[24]。

3)桐油灰漿。桐油灰漿主要由灰漿和熟桐油制成，主要成分為碳酸鈣和羧酸鈣(桐油和氫氧化鈣的反應(yīng)產(chǎn)物)，摻入熟桐油能加快早期灰漿的凝結(jié)固化過(guò)程，使其具有較好的粘結(jié)性能及防水防滲性，廣泛應(yīng)用于勾縫、墓葬、水利等工程[19]。

另外在石灰中加入蛋白質(zhì)、植物汁液(如楊桃藤汁、蓼葉汁和白芨漿)等具有良好的粘結(jié)性能，多用于古建筑、木船和木結(jié)構(gòu)等[21]。

1.3 古磚砌體類型及砌筑方法

中國(guó)古代磚建筑按使用類型可分為磚墓室、磚塔、磚城墻、磚拱橋、磚窯洞和磚砌無(wú)梁殿等；按結(jié)構(gòu)形式主要分為梁板式、拱券式、穹窿式和條磚砌體等[25]。除宮廷建筑與寺廟建筑，中國(guó)古建筑絕大部分是傳統(tǒng)民居建筑[26]。

古建筑墻磚的擺置方式有臥磚、陡板磚、甃磚、線道磚、疊澀等幾種[27]。其中，臥磚墻最為常見，磚大面朝上平放，長(zhǎng)身面露明；陡板磚，磚立放，陡板面露明，這種擺放方式多見于南方建筑與民居中；甃磚，磚立放，丁頭面露明，多見于臺(tái)階、臺(tái)明、南方建筑墻身、窗臺(tái)等部分；線道磚，磚擺放時(shí)，從外皮向內(nèi)層層收進(jìn)，多見于城墻；疊澀，磚擺放時(shí)，從里皮向外層層挑出，使用不多，見于無(wú)量殿。磚的擺置方式見圖2。

圖2 古建筑墻磚的擺置方式[27]

古建筑墻面常用的組砌方式有：十字縫、一順一丁式、三順一丁式、五順一丁式、落落丁(全丁式)、多順一丁式(多層順磚，一層丁磚)[27]。

1)十字縫：又稱“全順式”，順磚砌筑，上下層磚錯(cuò)縫搭接，磚縫呈十字形，該做法節(jié)省磚材，墻面平整。

2)一順一丁式：又稱“梅花丁”，多用于明代墻體砌筑，同一層順磚和丁磚交替，該做法拉結(jié)性好，但比較費(fèi)磚。

3)三順一丁式：又稱“三七縫”，三塊順磚與一塊丁磚相間排列，此做法兼具十字縫和一順一丁式的優(yōu)點(diǎn)，墻體拉結(jié)性較好，墻面效果也較完整。

4)五順一丁式：五塊順磚與一塊丁磚相間排列，該做法拉結(jié)性低于三順一丁式，使用較少。

5)落落?。河址Q“全丁式”，一般僅用于糙磚墻，多見于城墻、宮殿及王府院墻中。

6)多順一丁式：多層順磚與一層丁磚相間排列，多見于地方建筑。

古建筑磚墻面常見的組砌方式見圖3。

圖3 古建筑墻磚的組砌方式[27]

2 古砌體組成材料基本力學(xué)性能

對(duì)古代磚石材料的力學(xué)性能研究，是目前對(duì)古代磚石建筑合理科學(xué)保護(hù)的基礎(chǔ)要求。常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)需要足夠的磚石文物樣品，由于古建筑的特殊性，破損檢測(cè)具有較大局限性，大多研究更多采用無(wú)破損的方法?，F(xiàn)存的古代磚石建筑均存在各種由于長(zhǎng)期風(fēng)化、酸雨、環(huán)境振動(dòng)等不可抗拒因素造成的損傷，盡管各個(gè)相關(guān)文物保護(hù)部門及相關(guān)組織對(duì)古建筑加強(qiáng)保護(hù)工作，仍有大量古建筑遭到破壞。科學(xué)合理的保護(hù)措施及修繕加固工作顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)古代磚砌體的研究，獲得古砌體組成材料的基本力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)相關(guān)測(cè)試方法，可為古建筑相關(guān)研究和保護(hù)工作提供參照和指導(dǎo)。

2.1 古代磚力學(xué)性能及檢測(cè)方法

磚的力學(xué)性能是指磚在自然條件下，承受外部施加的載荷時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、彈性模量與泊松比等。

2.1.1古代磚強(qiáng)度 磚的強(qiáng)度又可分為抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等[28]。磚抗壓強(qiáng)度指外力施加壓力時(shí)的強(qiáng)度極限。檢測(cè)磚抗壓強(qiáng)度可采用燒結(jié)磚回彈法、取樣法[29]。GB/T 5101—2017《燒結(jié)普通磚》[30]規(guī)范規(guī)定燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)按照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》[28]進(jìn)行，同時(shí)取消了強(qiáng)度等級(jí)評(píng)定方法中抗壓強(qiáng)度平均值和單塊最小值評(píng)定方法(見2003年版5.3)，采用抗壓強(qiáng)度平均值和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)定方法，即根據(jù)抗壓強(qiáng)度平均值和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值綜合評(píng)定單磚強(qiáng)度[31]。鑒于我國(guó)對(duì)歷史文物建筑的保護(hù)秉持試驗(yàn)不破壞古文物的原則，目前對(duì)古建筑的研究測(cè)試多采用無(wú)損檢測(cè)方法，砌墻磚抗壓強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)方法可采用回彈法、超聲回彈綜合法等[31-32]。

肖煌俊等[32]通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法(回彈法、超聲法以及超聲回彈綜合法)測(cè)定古建筑磚的強(qiáng)度，對(duì)比分析認(rèn)為超聲回彈綜合法測(cè)得結(jié)果更為精確，但無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)得結(jié)果誤差較大，可采用多種檢測(cè)方法相互驗(yàn)證。

肖煌俊等[33]對(duì)某拆遷古建筑磚材按照規(guī)范進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得人工磚平均抗壓強(qiáng)度為16.28 MPa，結(jié)果離散性較小。

馬成理[34]對(duì)平遙古城墻中明代與清代兩朝代古磚采用超聲回彈綜合法進(jìn)行測(cè)定，由于材料強(qiáng)度、砌筑水平、養(yǎng)護(hù)條件等影響因素較多，導(dǎo)致古磚砌體結(jié)果離散性較大，古磚強(qiáng)度主要集中在6.06～11.13 MPa之間。與康錦霞等[35]測(cè)定結(jié)果(清代磚的抗壓強(qiáng)度平均值為11.02 MPa，明代磚的平均值為11.60 MPa)出入較大，主要原因是材料離散性較大且測(cè)定區(qū)域不同。

趙鵬[36]對(duì)對(duì)江浙皖地區(qū)青磚樣品組分、結(jié)構(gòu)及物理性能進(jìn)行現(xiàn)代技術(shù)分析檢測(cè)，結(jié)果表明古青磚抗壓強(qiáng)度介于6～21 MPa之間，離散性較大。

基于以上研究發(fā)現(xiàn)，各位學(xué)者用無(wú)損方法測(cè)得的磚抗壓強(qiáng)度在10～20 MPa范圍，與孫磊等[37]在實(shí)驗(yàn)室所得磚抗壓強(qiáng)度10.23 MPa接近。古砌體磚抗壓強(qiáng)度對(duì)比見表2。

表2 古砌體材料抗壓強(qiáng)度對(duì)比

2.1.2彈性模量與泊松比 砌體是由磚和砂漿兩種性質(zhì)不同的材料組砌而成，其彈性模量與泊松比顯然與磚和砂漿的彈性模量與泊松比密切相關(guān)[40]，然而國(guó)內(nèi)外對(duì)于磚、砂漿的彈性模量研究較少，有待系統(tǒng)研究完善。從宏觀角度來(lái)說(shuō)，彈性模量可以衡量材料抵抗彈性變形的能力，從微觀角度來(lái)說(shuō)是材料在彈性階段應(yīng)力-應(yīng)變的比值，利用有限元法對(duì)組成砌體的各個(gè)組成部分的各種破壞機(jī)理作進(jìn)一步應(yīng)力分析，則必須提供磚和砂漿的彈性模量、泊松比，將磚和砂漿層分開模擬[41]。劉桂秋[41]通過(guò)統(tǒng)計(jì)相關(guān)研究結(jié)果，認(rèn)為磚的彈性模量(Eb)與其抗壓強(qiáng)度(f1)呈正相關(guān)，同時(shí)推導(dǎo)出磚的彈性模量表達(dá)式：

Eb=4 467f10.22

(1)

古代單磚的強(qiáng)度試驗(yàn)是用較小尺寸且僅有一道仔細(xì)填平的水平灰縫而沒有豎向灰縫的試件進(jìn)行的，因此，單磚的受壓工作條件與砌體中的完全不同，單磚是脆性材料，主要承受壓應(yīng)力，而彎剪應(yīng)力則很??；而磚砌體處于壓縮、剪切、受拉的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。所以，砌體在遠(yuǎn)小于單磚的抗壓強(qiáng)度時(shí)就開始產(chǎn)生裂縫。隨著不斷加載，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，在砌體中形成貫通裂縫，最后由于局部失穩(wěn)而使構(gòu)件破壞，所以砌體的抗壓強(qiáng)度低于磚的抗壓強(qiáng)度。

2.1.3磚材料性能劣化因素 湯永凈等[4]研究了氣候環(huán)境因素對(duì)中國(guó)古代塔磚材料性能劣化影響，指出氣候環(huán)境因素影響主要改變古磚的孔隙率和孔徑大小，孔隙率增量和孔徑增量是氣候環(huán)境因素影響中國(guó)古代塔磚材料性能劣化的根本原因。

孫磊等[37]通過(guò)氣候環(huán)境模擬室內(nèi)對(duì)古磚砌體試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：凍融作用會(huì)對(duì)寒冷地區(qū)的古建筑磚砌體造成不可逆的劣化，抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化可以反映砌體的劣化程度。

王亮等[42]從凍融環(huán)境、風(fēng)化、酸性物質(zhì)侵蝕、微生物侵蝕、鹽類作用以及地下水滲透等方面研究了黏土磚腐蝕劣化的機(jī)理，認(rèn)為黏土磚的腐蝕劣化是多種因素耦合作用的結(jié)果。

朱小麗等[43]對(duì)漢畫像磚吸水、抗鹽、抗融凍性能及劣化機(jī)理進(jìn)行分析研究，并以現(xiàn)代青磚和紅磚作對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為由于可溶鹽以及微生物等作用，磚的內(nèi)部孔隙變大，吸水率增加，其抗壓、抗鹽、抗融凍性能均較差。

雷小娟[44]根據(jù)三個(gè)控制性指標(biāo)(泛霜、石灰爆裂、抗凍性能)分析對(duì)黃河淤泥燒結(jié)多孔磚整體耐久性的影響，指出有效孔隙率越小，耐久性越好。

2.2 古代砂漿強(qiáng)度特性及測(cè)試方法

GB 50003—2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[45]附錄B規(guī)定的各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值fm的計(jì)算公式為：

fm=k1f1α(1+0.07f2)k2

(2)

式中，k1為與塊體類別有關(guān)的參數(shù)；f1為塊體的強(qiáng)度平均值；f2為砂漿抗壓強(qiáng)度平均值；α為與塊體高度及砌體類別有關(guān)的參數(shù)；k2為砂漿強(qiáng)度影響的修正系數(shù)。施楚賢[46]基于磚砌體的試驗(yàn)結(jié)果，提出以砌體抗壓強(qiáng)度平均值(fm)為基本變量的磚砌體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式，該式反映了砂漿強(qiáng)度及其變形性能對(duì)砌體變形的影響。

檢測(cè)砂漿抗壓強(qiáng)度可采用推出法、筒壓法、砂漿片剪切去、砂漿回彈法、點(diǎn)荷法、砂漿片局壓法[29]。JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[47]規(guī)定，強(qiáng)度等級(jí)由邊長(zhǎng)為70.7 mm的立方體試件，在溫度在20±2 ℃，相對(duì)濕度為90%以上，養(yǎng)護(hù)28 d，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)所得抗壓強(qiáng)度平均值劃分的。JGJ/T 136—2017《貫入法檢測(cè)砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[48]采用貫入儀檢測(cè)，根據(jù)測(cè)釘貫入深度和砂漿抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系，根據(jù)貫入深度來(lái)推定砂漿抗壓強(qiáng)度。康錦霞等[35]利用維修的機(jī)會(huì)對(duì)平遙古城城墻灰漿進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)研究。運(yùn)用灰漿片剪切法測(cè)得抗壓強(qiáng)度為3.0～11.7 MPa；筒壓法測(cè)得灰漿強(qiáng)度3.2～11.3 MPa。明代和清代的灰漿強(qiáng)度基本相同，但是不同位置的灰漿強(qiáng)度相差較大，即受力較大的部位灰漿強(qiáng)度較高，受力較小的部位灰漿強(qiáng)度較低。因此，加固時(shí)可以根據(jù)不同位置選用不同的灰漿強(qiáng)度，以滿足受力的要求。

劉超[49]通過(guò)回彈法和室內(nèi)砂漿抗壓試驗(yàn)對(duì)不同組分的灰漿抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)采用掃描電鏡進(jìn)行微觀分析。室內(nèi)抗壓試驗(yàn)測(cè)得灰漿抗壓強(qiáng)度1.8～19.7 MPa，回彈法測(cè)試灰漿強(qiáng)度1.7～17.9 MPa?；貜椃y(cè)得灰漿強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得結(jié)果接近，回彈法和室內(nèi)抗壓試驗(yàn)相結(jié)合，試驗(yàn)結(jié)果更為可靠。

砂漿抗壓強(qiáng)度檢測(cè)方法較多且各有優(yōu)缺點(diǎn)，檢測(cè)精確度和適用性也不盡相同，要根據(jù)實(shí)際情況選擇適用的檢測(cè)方法[50]。古建筑由于其特殊性，檢測(cè)具有較大局限性，因此可采用多種檢測(cè)方法綜合對(duì)比分析，降低單一檢測(cè)方法產(chǎn)生的誤差，來(lái)獲取更為精確的結(jié)果。

3 砌體的基本力學(xué)性能

GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[51]規(guī)定現(xiàn)代砌體力學(xué)性能檢測(cè)主要有砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、砌體沿通縫截面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。砌體的基本力學(xué)性能主要包括受壓性能、受拉受彎受剪性能、本構(gòu)關(guān)系、彈性模量、泊松比等[52]。目前，相較于現(xiàn)代磚砌體來(lái)說(shuō)，對(duì)古代磚砌體性能的研究較少。

3.1 古磚砌體抗壓強(qiáng)度

砌體抗壓強(qiáng)度是砌體結(jié)構(gòu)最重要的力學(xué)指標(biāo)之一，對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)定、耐久性分析有著重要作用[40]。目前常用的砌體強(qiáng)度檢測(cè)方法如下：一是間接檢測(cè)法，利用相關(guān)儀器和檢測(cè)方法獲得砂漿和磚塊的強(qiáng)度指標(biāo)或強(qiáng)度相關(guān)的物理參數(shù)，通過(guò)規(guī)范中給出的計(jì)算公式間接推定砌體強(qiáng)度[40]，GB 50003—2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[45]附錄B規(guī)定的各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值f的計(jì)算公式見公式(2)。二是直接檢測(cè)法，包括原位軸壓法、扁頂法、切制抗壓試件法[29]。原位軸壓法和扁頂法屬于原位檢測(cè)，可以測(cè)定砌體抗壓強(qiáng)度；切制抗壓試件法屬于取樣檢測(cè)[33]。三種檢測(cè)方法綜合反映了材料質(zhì)量和施工質(zhì)量且直觀性、可比性較強(qiáng)[29]。其中原位軸壓法測(cè)試結(jié)果反映了磚、砂漿的強(qiáng)度以及砌筑質(zhì)量對(duì)砌體抗壓強(qiáng)度的影響[40]，原位單剪法和原位單磚雙剪法可以測(cè)定砌體的抗剪強(qiáng)度[53]。

影響砌體抗壓強(qiáng)度的主要因素有以下幾點(diǎn)：1)塊體的強(qiáng)度和外形尺寸；2)砂漿的物理力學(xué)性能(強(qiáng)度、和易性、保水性)；3)砌筑質(zhì)量和施工速度(灰縫厚度、含水率、速度)；4)其他因素(試驗(yàn)方法、養(yǎng)護(hù)條件)。

針對(duì)古代磚砌體試件，利用試驗(yàn)方法對(duì)其受壓性能進(jìn)行研究，此法為目前獲得古磚砌體抗壓強(qiáng)度較普遍的方法，但目前提出的各種抗壓數(shù)值普遍具有特定的地域性和年代多樣性，一般僅適用于某個(gè)年代某個(gè)地域的砌體。

3.2 古磚砌體彈性模量和泊松比

古建筑會(huì)影響軌道交通線路的選擇和隔振減振方案的選取，而隨著城市軌道交通的發(fā)展，古建筑所處的振動(dòng)環(huán)境逐漸惡化，因此進(jìn)行復(fù)雜交通環(huán)境激勵(lì)下的損傷劣化性能及耐久性研究，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者持續(xù)關(guān)注的問題[54]。研究振動(dòng)問題大多是使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬計(jì)算，彈性模量和泊松比是重要的性能參數(shù)，但是大多古建筑無(wú)法直接進(jìn)行材料力學(xué)參數(shù)測(cè)試及試驗(yàn)。

3.2.1彈性模量 彈性模量是砌體在彈性階段應(yīng)力-應(yīng)變的比值，同時(shí)也是砌體的基本力學(xué)指標(biāo)，可用于計(jì)算砌體在荷載作用下的變形，衡量砌體抵抗變形能力[41]。確定砌體彈性模量的方法大致有兩種：一種是由試驗(yàn)確定，通過(guò)實(shí)測(cè)砌體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線求得[41]。GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[51]規(guī)定應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線應(yīng)以σ為縱坐標(biāo)、ε為橫坐標(biāo)繪制。根據(jù)曲線，取應(yīng)力σ等于0.4fc，i時(shí)的割線模量為試件的彈性模量，并應(yīng)按下式計(jì)算：

(3)

式中，E為試件的彈性模量；fc，i為試件的抗壓強(qiáng)度；ε0.4指應(yīng)力為0.4fc，i時(shí)的軸向應(yīng)變值；另一種方法是不進(jìn)行試驗(yàn)，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接給出規(guī)定的取值。如Uniform Building Code(UBC-91)規(guī)范取磚砌體的彈性模量為其抗壓強(qiáng)度的750倍[55]，CommentaryonSpecificationforMasonryStructures(ACI 530.1-02/ASCE 6-02/TMS 602-02)[56]提供了根據(jù)影響砌體彈性模量的主要因素——塊體強(qiáng)度和砂漿類型(M、S、N)制成表格，供設(shè)計(jì)時(shí)使用。

施楚賢[46]基于試驗(yàn)結(jié)果，提出了常用磚砌體彈性模量表達(dá)式。GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[51]也給出了相關(guān)的公式。

劉桂秋等[57]基于試驗(yàn)結(jié)果、砌體受壓本構(gòu)關(guān)系和應(yīng)力分析，采用三種方法確定砌體彈性模量取值，同時(shí)推導(dǎo)出磚、砌塊、砂漿及砌體的彈性模量關(guān)系式，其結(jié)果與試驗(yàn)和規(guī)范較吻合，為砌體結(jié)果有限元分析提供了基礎(chǔ)資料。

戴仕炳等[8]認(rèn)為超聲波波速能反映古建筑磚質(zhì)量及損傷情況，波速較低時(shí)，可認(rèn)定為磚內(nèi)部受損，強(qiáng)度較低，同時(shí)含水率也與波速有關(guān)，含水率高時(shí)波速偏低。通過(guò)超聲波波速無(wú)損檢測(cè)磚的劣化程度，來(lái)判定砌體受損情況，可為古建筑保護(hù)及質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。砌體材料參數(shù)表達(dá)式見表3。

表3 砌體材性參數(shù)表達(dá)式

3.2.2泊松比 砌體泊松比是指材料在單向應(yīng)力作用下，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值，能反映材料的橫向變形能力[59]。同時(shí)利用有限元法分析荷載作用下砌體結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和強(qiáng)度時(shí)，砌體的泊松比也是一個(gè)必不可少的參量[41]。GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[51]規(guī)定根據(jù)應(yīng)力(σ)與泊松比(ν)關(guān)系曲線，取應(yīng)力σ等于0.4fc，i時(shí)的泊松比為試件的泊松比。逐級(jí)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的泊松比，應(yīng)按下式計(jì)算：

(4)

式中，εtr為逐級(jí)荷載下的橫向應(yīng)變值；ε為逐級(jí)荷載下的軸向應(yīng)變值。

對(duì)于各向同性，質(zhì)地均勻的材料，泊松比定義為一個(gè)常數(shù)，砌體因其彈塑性特性，隨應(yīng)力的增大，其泊松比為變值[46]。影響泊松比的因素主要有：砌筑砂漿成分、塊材表面狀態(tài)、試件的高厚比、試件截面尺寸。

3.3 古磚砌體本構(gòu)關(guān)系

砌體本構(gòu)關(guān)系是砌體結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能，同時(shí)也是進(jìn)行有限元和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的重要依據(jù)[60]。國(guó)內(nèi)外對(duì)砌體本構(gòu)關(guān)系研究較多，相對(duì)來(lái)說(shuō)較為系統(tǒng)化，研究者們根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出不同形式的砌體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式，主要有直線型、對(duì)數(shù)函數(shù)型、指數(shù)函數(shù)型以及多項(xiàng)式型等，研究砌體本構(gòu)關(guān)系能進(jìn)一步了解砌體結(jié)構(gòu)受力性能和破壞機(jī)理，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)完善砌體結(jié)構(gòu)研究提供必要支持[41]。

施楚賢[46]基于磚砌體抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出以抗壓強(qiáng)度平均值(fm)為變量的本構(gòu)關(guān)系式：

式中，ε為逐級(jí)荷載下的軸向應(yīng)變值；ξ為與塊體類別和砂漿強(qiáng)度有關(guān)的特征參數(shù)；fm為砌體抗壓強(qiáng)度平均值；σ為逐級(jí)荷載下的應(yīng)力值。

3.4 砌體的力學(xué)性能劣化因素

古建筑是一類特殊的建筑物，漫長(zhǎng)歷史發(fā)展過(guò)程中這些建筑本身被賦予的歷史文化屬性，這些經(jīng)歷了數(shù)百年甚至上千年的古建筑受自身結(jié)構(gòu)壽命和長(zhǎng)期環(huán)境作用(風(fēng)化、酸雨、凍融、交通振動(dòng)或地震等)的影響，其材料特性及力學(xué)性能均受到不同程度的影響和損傷，建筑構(gòu)件對(duì)環(huán)境的改變非常敏感，大量歷史性建筑已出現(xiàn)險(xiǎn)情，對(duì)其維修保護(hù)的要求日益迫切[36]。因此科學(xué)研究古建筑砌體結(jié)構(gòu)性能和破壞機(jī)理具有重要意義。

砌體古建筑在自然環(huán)境中受風(fēng)荷載、溫度、雨水、潮濕、海水等物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用，發(fā)生不同程度的物理和化學(xué)變化，出現(xiàn)腐蝕、外表面剝落、開裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致磚的抗壓、抗折強(qiáng)度降低，影響磚砌體結(jié)構(gòu)的整體性能[61]。

氣候環(huán)境因素對(duì)中國(guó)古代磚塔的影響主要表現(xiàn)在古磚的孔隙率和孔徑產(chǎn)生增量，增量產(chǎn)生的途徑由表及里，形成特定的表觀特征：古磚酥裂、膠凝材料粉化[4]。張中儉[62]認(rèn)為墻體風(fēng)化表現(xiàn)為表面剝落，顆粒脫落以及鹽分結(jié)晶，毛細(xì)水?dāng)y帶的鹽分是古磚風(fēng)化的主要原因，凍融作用加速了古磚風(fēng)化。湯永凈等[63]對(duì)黃河流域磚石古建筑取樣研究發(fā)現(xiàn)：古建筑基礎(chǔ)部位風(fēng)化主要是水溶鹽和凍融耦合作用的結(jié)果，中上部的磚由于沒有水溶鹽，主要風(fēng)化形式為凍融風(fēng)化。

凍融作用會(huì)對(duì)寒冷地區(qū)的古建筑磚砌體造成不可逆的劣化。Uranjek等[64]根據(jù)砌體試件凍融試驗(yàn)結(jié)果提出，經(jīng)凍融循環(huán)后，砌體試件表觀裂縫增加，外部抹灰脫落，彈性模量下降。商效瑀等[65]基于凍融循環(huán)和軸心抗壓試驗(yàn)，將寒冷地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)損傷等效為凍融和軸心受壓耦合作用，經(jīng)凍融損傷后，建立軸心受壓損傷本構(gòu)關(guān)系，二者均可通過(guò)材料內(nèi)部微觀變化使得砌體產(chǎn)生損傷。然而寒冷地區(qū)砌體古建筑在服役過(guò)程中一般是凍融和受壓同時(shí)作用，由于現(xiàn)有試驗(yàn)條件限制，若能同時(shí)進(jìn)行凍融循環(huán)和軸心受壓試驗(yàn)，結(jié)果將更為精確。

結(jié)構(gòu)開裂是損傷的一種常見表現(xiàn)形式，古建筑中磚砌體結(jié)構(gòu)材料的劣化與古建筑裂縫擴(kuò)展關(guān)系密切[66]。結(jié)構(gòu)的損傷是由于構(gòu)件在荷載、環(huán)境作用下材料損傷不斷積累，裂紋不斷發(fā)生發(fā)展引起的[51]。古建筑材料劣化導(dǎo)致古建筑微裂縫由下向上不斷延展，最終會(huì)導(dǎo)致裂縫貫通，從而影響古建筑的正常使用[66]。

交通振動(dòng)對(duì)古建筑的影響體現(xiàn)在振動(dòng)作用下古建筑疲勞損傷產(chǎn)生的表面開裂、剝落或者加劇其他損傷部位的破損情況，同時(shí)古建筑因建造年代久遠(yuǎn)，古建筑本身存在損傷，在構(gòu)件疲勞破壞，地基不均勻沉降的多因素作用下，使古建筑開裂甚至倒塌[54]。

砌體古建筑在服役過(guò)程中是力學(xué)因素、環(huán)境因素(凍融循環(huán)、風(fēng)化、碳化、酸腐蝕等)和材料因素的雙重或多重?fù)p傷因素耦合作用[67]。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上論述，可以得到以下結(jié)論：

1)中國(guó)傳統(tǒng)古建筑磚存在較大的多樣性，生產(chǎn)工藝受到很多因素的制約，不同年代不同批次不同燒制工藝制造的磚，材料性質(zhì)差異較大；砂漿強(qiáng)度測(cè)試方法研究已相當(dāng)成熟，砂漿抗壓強(qiáng)度檢測(cè)方法各有優(yōu)、缺點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇與古建筑相協(xié)調(diào)的檢測(cè)方法。

2)由于材料年代與來(lái)源地域不同，其氣候環(huán)境、生產(chǎn)生活方式、服役時(shí)間等因素對(duì)古磚造成的損傷有極大區(qū)別，因此各地古磚及其砌體強(qiáng)度有所差異，古代單磚強(qiáng)度的離散性較大，但古砌體的離散性則相對(duì)較小。

3)現(xiàn)代砌體力學(xué)性能測(cè)試方法較為詳盡，但適用古建筑的規(guī)范測(cè)試方法有待系統(tǒng)研究完善。取樣檢測(cè)法危及古建筑的整體性能，原位檢測(cè)法準(zhǔn)確度尚不理想，需要對(duì)同一測(cè)區(qū)做多點(diǎn)試驗(yàn)來(lái)加以驗(yàn)證和比較，檢測(cè)時(shí)應(yīng)考慮這一因素，避免測(cè)區(qū)單一而造成對(duì)砌體性能的誤判。

4)彈性模量和泊松比是砌體的重要性能指標(biāo)，其具體取值可借鑒經(jīng)驗(yàn)公式，或通過(guò)古砌體材料本構(gòu)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得，可為有限元法分析古砌體結(jié)構(gòu)性能和破壞機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。

5)砌體古建筑的相關(guān)研究宜從單一因素的作用向多因素耦合作用轉(zhuǎn)化，從本質(zhì)上揭示古建筑結(jié)構(gòu)性能劣化與多因素耦合作用的關(guān)系。

5問題與展望

在本研究的基礎(chǔ)上，提出以下建議與展望：

1)本研究整理了砌體彈性模量和泊松比對(duì)砌體力學(xué)性能的影響，但目前對(duì)古磚、糯米灰漿等古建筑材料彈性模量的研究較少，后續(xù)應(yīng)對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2)古砌體結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能、損傷及耐久性等方面研究較少，國(guó)內(nèi)古砌體材料及結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)研究，有待系統(tǒng)完善。

3)若能利用科學(xué)手段模擬古磚損傷情況，獲得古磚基本材料力學(xué)參數(shù)，并與公式推導(dǎo)的材料基本力學(xué)參數(shù)對(duì)比，可為預(yù)測(cè)古建筑損傷提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，對(duì)于古建筑保護(hù)修繕具有重要意義。