注漿加固毛石砌體的受壓性能試驗研究*

梁建國, 趙一帆, 陳大川, 徐培軍, 李振華, 王高峰

(1 長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410114；2 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410082；3 長沙市公共工程建設(shè)中心，長沙 410013；4 中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410000)

0 引言

我國市政排水渠建設(shè)始于20世紀(jì)50年代,90年代以后隨著城市建設(shè)快速發(fā)展,得到廣泛發(fā)展。長沙市市政排水主渠調(diào)查發(fā)現(xiàn),早期的渠體結(jié)構(gòu)形式主要有磚砌拱涵、預(yù)制混凝土蓋板涵、預(yù)制混凝土圓拱涵以及現(xiàn)澆混凝土箱涵,其中磚砌拱涵、預(yù)制混凝土蓋板涵和預(yù)制混凝土圓拱涵的側(cè)墻和基礎(chǔ)一般采用漿砌毛石。建于20世紀(jì)50～80年代的排水渠已超期或即將超期服役,常常發(fā)生塌陷事故,標(biāo)志著渠體已進(jìn)入了事故頻發(fā)期,渠體結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患[1-2],需對現(xiàn)有管渠結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固。國內(nèi)外對石砌體的力學(xué)性能做了很多研究。陳茂義[3]研究了料石砌體的抗壓強度和變形;劉建生等[4]研究了平面應(yīng)力狀態(tài)下料石砌體的本構(gòu)關(guān)系;季文玉等[5]建立了根據(jù)砂漿計算料石砌體彈性模量表達(dá)式;許秀林等[6]在料石砌體軸心受壓性能方面進(jìn)行了試驗研究。在毛石砌體方面,傅雷[7]對藏式民居毛石墻抗壓性能進(jìn)行了試驗研究;滕東宇等[8]對藏式石砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€特征進(jìn)行了研究;Almeida C[9]、Milosevic J[10-11]等對毛石砌體抗壓、抗拉、抗剪性能做了大量試驗研究。

早前的研究表明,石料具有很好的抗凍性,且表觀密度大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,抗壓強度高,孔隙率小,吸水率低,抗風(fēng)化能力強,耐久性好,耐水性及耐酸性好[12]。施工現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果也證實了,側(cè)墻毛石砌體的劣化主要體現(xiàn)在砂漿。因此,對石砌體修復(fù)補強一般采用嵌縫加固、灌漿加固等[13]。

本文擬采用專用注漿料對毛石砌體進(jìn)行注漿加固,提高砌體的抗壓強度、抗?jié)B性能和耐久性,提高側(cè)墻水平剛度。通過注漿和未注漿毛石砌體抗壓性能進(jìn)行對比試驗,分析砌體的受壓破壞特征和力學(xué)性能,為注漿加固毛石砌體技術(shù)的應(yīng)用提供試驗和理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

依據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)[14]的規(guī)定,石砌體抗壓試件設(shè)計尺寸為400mm×800mm×1200mm。本次試驗共砌筑9個毛石砌體受壓試件,其中注漿試件為GS1～GS6,未注漿試件為S1～S3。

所有試件按照《砌體結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50924—2014)的要求施工,采用分層流水作業(yè)法進(jìn)行砌筑,試件砌筑在帶吊鉤的20mm厚鋼墊板上。為了模擬既有毛石砌體灰縫不飽滿的情況,毛石砌體的飽滿度控制在50%到60%之間。砌筑完成,在自然條件下養(yǎng)護(hù)14d后,采用專用無收縮注漿料(性能指標(biāo)要求見表1)對試件GS1～GS6進(jìn)行注漿,為模擬施工現(xiàn)場側(cè)面注漿,注漿孔采用傾斜孔(圖1),注漿孔孔徑為55mm。由于注漿料流動性很好,采用亞克力模板(圖2),以觀察注漿時漿料填充過程,模板與石砌體之間留20mm的縫隙,注漿完畢后除去面層注漿料。注漿料水灰比為28∶100,注漿壓力為0.37MPa,注漿完成后在自然條件下養(yǎng)護(hù)28d之后進(jìn)行砌體抗壓強度試驗。

圖1 石砌體注漿孔

圖2 亞克力模板照片

表1 注漿料性能參數(shù)

注漿過程中,根據(jù)注漿料的密度,測量了每個試件扣除面層后注漿料體積,得到試件GS1～GS6注漿料與試件的體積比分別為0.182、0.202、0.115、0.190、0.185、0.187。

1.2 材料

1.2.1 毛石

毛石材料采用花崗巖,根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)(簡稱砌體規(guī)范)的規(guī)定,試件尺寸為邊長70.7mm的立方體。試驗測得毛石(花崗巖)抗壓強度平均值為108.5MPa,變異系數(shù)為0.12。

1.2.2 砌筑砂漿

砌筑砂漿采用M2.5混合砂漿、32.5普通水泥和石灰,其配合比為砂∶水泥∶石灰=9∶1∶0.1(重量比)。根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)[15]要求,每盤砂漿制作6個砂漿試塊,一共有9盤砂漿,總計54個砂漿試塊,試驗測得抗壓強度平均值為3.09MPa,其變異系數(shù)為0.20。

1.2.3 注漿料

注漿料采用專用注漿料,設(shè)計強度等級為C60。根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)[15],將邊長為70.7mm的立方體作為試件。試驗測得注漿料抗壓強度平均值為66.8MPa,變異系數(shù)為0.08。

1.3 試驗方法

試驗在長沙理工大學(xué)云塘校區(qū)動力實驗室YAW-5000長柱壓力試驗機上進(jìn)行。試驗前,先在試件四周畫上豎向和水平中線,安裝試件時進(jìn)行物理對中,再在試件豎向和水平中線處安裝百分表,表座測點間距為400mm。加載裝置和測點布置如圖3所示。

圖3 加載裝置及測點布置

將試件放置在壓力試驗機后,安裝好儀器,對試件施加5%的預(yù)估破壞荷載,同時對兩個對邊的豎向位移計進(jìn)行讀數(shù),當(dāng)兩個對邊的軸向變形不超過10%的相對誤差時,即物理對中完成,開始正式加載。試驗采用的是分級加載制度,每級荷載取預(yù)估破壞荷載的10%進(jìn)行加載,每級荷載需要在1.0～1.5min內(nèi)均勻施加,同時施加完成后應(yīng)保持荷載恒定1～2min后,記錄相應(yīng)的變形值,然后施加下一級荷載。變形增加很快時,采用位移控制加載,每級施加位移增量0.3～0.5mm。需要注意在試件加載過程中,每一級荷載在1.0～1.5min內(nèi)應(yīng)均勻連續(xù)施加,并且盡量保持加載速率不變。

2 試驗結(jié)果及對比分析

2.1 破壞特征

注漿石砌體與未注漿石砌體的受壓破壞屬于軸心受壓破壞,其破壞過程與軸心受壓破壞相似。依據(jù)構(gòu)件表面裂縫的出現(xiàn)、發(fā)展和構(gòu)件的最終破壞,大體可以分為3個受力階段:彈性受力階段、裂縫開展階段和破壞階段。

當(dāng)荷載施加量很小時,試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線會有一些波動,但是大體上呈直線段,處于彈性階段。在這一階段,注漿石砌體的應(yīng)變速率較注漿石砌體小,表明注漿石砌體彈性模量大于未注漿石砌體。隨著荷載增加,石砌體出現(xiàn)豎向裂縫,未注漿及注漿石砌體的開裂荷載與極限荷載比值平均值分別為0.42和0.51,由于注漿料強度較高,注漿石砌體第一條裂縫出現(xiàn)在試件中部石材上,而未注漿石砌體第一條裂縫則出現(xiàn)在豎向砂漿縫中,典型的初始裂縫如圖4所示,圖中數(shù)字為開裂荷載,kN。

圖4 初始裂縫圖

開裂后,試件進(jìn)入帶裂縫工作階段。隨著荷載不斷增加,裂縫不斷向上向下延伸,裂縫寬度不斷加寬,直到主裂縫連通,試件達(dá)到極限荷載。注漿石砌體的裂縫穿過石材或砂漿,裂縫數(shù)量較多,而未注漿石砌體裂縫基本上出現(xiàn)在砂漿縫中,且裂縫條數(shù)很少。達(dá)到極限荷載時,試件開裂情況如圖5所示。

圖5 極限荷載時裂縫圖

達(dá)到承載力極限狀態(tài)后,試件進(jìn)入破壞階段。在這個階段,裂縫數(shù)量增加很少,但裂縫寬度增加很快,直到被裂縫分割成的受壓小柱失穩(wěn),導(dǎo)致試件破壞,如圖6所示。

圖6 砌體受壓試件最終破壞形態(tài)

2.2 砌體抗壓強度

砌體規(guī)范中,毛石砌體軸心抗壓強度平均值fm按式(1)計算:

fm=k1(f1)α(1+0.07f2)k2

(1)

式中:f1為石材的抗壓強度平均值;f2為砂漿的抗壓強度平均值;k1、α為與砌塊種類有關(guān)的系數(shù),對毛石取k1=0.22,α=0.5;k2為砂漿強度修正系數(shù),f2≥2.5MPa時取1.0。

注漿和未注漿毛石砌體試驗結(jié)果及按式(1)計算的抗壓強度平均值見表2。

表2 毛石砌體抗壓強度試驗結(jié)果

由表2可以看出:1)未注漿毛石砌體抗壓強度試驗值為砌體規(guī)范計算值的62%,這是因為砌筑試件時人為控制砂漿飽滿度很差,以模擬實際超期服役結(jié)果砂漿的劣化和沖刷作用;2)注漿石砌體與未注漿石砌體相比,抗壓強度平均值提高了423%;3)注漿石砌體灰縫充滿注漿料,用注漿料強度代替砂漿強度,抗壓強度試驗值與砌體規(guī)范計算值的比值為0.57,采用注漿料強度按式(1)進(jìn)行計算,計算值偏高。

2.3 砌體受壓變形性能

2.3.1 受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪制了GS1～GS6和S1～S3由試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,見圖7和圖8。在加載的初始階段,應(yīng)力-應(yīng)變大體呈線彈性的斜直線;當(dāng)構(gòu)件表面出現(xiàn)裂縫后,隨荷載的不斷增大,其應(yīng)變增加的速度比應(yīng)力增加的速度更快,即應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入彈塑性階段。在同一應(yīng)變下,加固構(gòu)件的應(yīng)力均大于未加固構(gòu)件,即加固構(gòu)件的承載力均大于未加固構(gòu)件。對于砌體結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系,學(xué)者們做了大量的研究,但由于砌體本身存在的特性,到目前為止還沒有統(tǒng)一的本構(gòu)關(guān)系計算方法。本文根據(jù)文獻(xiàn)[16]提出的砌體本構(gòu)關(guān)系來模擬注漿料加固砌體的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的回歸得到:

圖8 未注漿石砌體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對注漿砌體:

(2)

對未注漿砌體:

(3)

式中:σ和ε分別為壓應(yīng)力和壓應(yīng)變;fm和εm分別為峰值應(yīng)力及相應(yīng)的峰值應(yīng)變。

式(2)和式(3)回歸的相關(guān)系數(shù)r分別為0.9566和0.9745?；貧w曲線和試驗值如圖7和圖8所示。

2.3.2 彈性模量

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)的規(guī)定,砌體受壓試件的彈性模量應(yīng)當(dāng)為應(yīng)力σ=0.4fm時的割線模量,通過受壓試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖,得到了加固石砌體和未加固石砌體試件彈性模量的平均值,見表3。

表3 磚石砌體及加固后磚石砌體實測值和計算值

由表3可知:1)由于砌體砂漿飽滿度在50%到60%,未注漿毛石砌體的彈性模量實測值遠(yuǎn)小于砌體規(guī)范的取值;2)注漿毛石砌體的彈性模量是未注漿毛石砌體彈性模量的25.3倍。由此表明,砌筑質(zhì)量較差或者砌體砂漿劣化嚴(yán)重的既有結(jié)構(gòu),彈性模量或剛度退化非常快。

2.3.3 泊松比

受壓試件的泊松比-應(yīng)力圖如圖9所示。從圖9可以看出,對于未注漿石砌體,在施加應(yīng)力初期,泊松比呈線性上升較快;對于注漿石砌體,初裂前泊松比很小,開裂后泊松比迅速增長,直至破壞。

圖9 石砌體泊松比-應(yīng)力圖

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)的規(guī)定,加固石砌體和未加固石砌體受壓試件的泊松比應(yīng)取應(yīng)力σ=0.4fm時橫縱向應(yīng)變比值,根據(jù)受壓試件的應(yīng)力-橫向應(yīng)變曲線,計算得到加固石砌體和未加固石砌體試件泊松比平均值,見表3。注漿毛石砌體的泊松比平均值為0.12,為未注漿毛石砌體泊松比的12.3%。其原因是未注漿砌體中砂漿不飽滿,導(dǎo)致毛石之間的咬合程度不夠,整體性很差。

3 結(jié)論

(1)未注漿毛石砌體豎向裂縫主要沿灰縫發(fā)生,而注漿毛石砌體豎向裂縫沿毛石和灰縫開展。

(2)未注漿毛石砌體開裂荷載略早于注漿毛石砌體。

(3)注漿毛石砌體抗壓強度為未注漿毛石砌體抗壓強度的4.23倍。

(4)注漿毛石砌體彈性模量和泊松比分別是未注漿毛石砌體的25.3倍和12.3%。

(5)由于在砌筑時模擬的是下水道因為沖刷造成砂漿不飽滿的情況,導(dǎo)致未注漿毛石砌體比砌體規(guī)范計算出的石砌體強度低37.7%。