高延性混凝土在歷史建筑砌體構(gòu)件加固中的應用

陳澤鴻

（福建泉州市土地開發(fā)有限公司，福建泉州 362000）

引言

洋樓是閩南地區(qū)傳統(tǒng)建筑的重要組成部分，但由于歷史悠久、建筑結(jié)構(gòu)老化、加之年久失修和后期人為破壞等原因，很多已漸漸破敗，這些老建筑面臨嚴重的威脅。歷史文化建筑的傳承和保護要遵循國家及地方政府的相關規(guī)定，既滿足建筑結(jié)構(gòu)安全，延長其壽命周期，同時又能保留其原有的歷史風貌，做到修舊如舊，讓這些見證了閩南華僑家國情懷的老洋樓繼續(xù)講述那個年代南洋華僑的故事。因此，如何對這些歷史文化建筑進行科學有效的加固和修繕保護，是一個亟待解決的問題。

當前國內(nèi)常見的砌體墻加固方法有鋼筋混凝土面層、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層和碳纖維布等，這些方法都能明顯提高砌體結(jié)構(gòu)的承載力、抗震性能，但也有其明顯的短板。比如，碳纖維布加固方式存在造價成本偏高，所用膠粘劑耐久性較差，碳布與原墻面基層可能產(chǎn)生剝離等問題；鋼筋混凝土面層和鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固方式存在施工過程措施投入增加，對原結(jié)構(gòu)破壞、干擾較大，工期較長，原結(jié)構(gòu)自重增大等問題。

西安建筑科技大學土木工程學院的鄧明科教授團隊研發(fā)的高延性混凝土作為一種新型的建筑材料，在數(shù)年的工程實踐中取得了良好的應用效果，得到了業(yè)界的關注和認可[3]。高延性混凝土面層相比常見的加固方式，具有施工操作簡單，節(jié)省工期，綜合造價合理等優(yōu)點，且在歷史文化建筑加固的應用上能夠最大限度的保留其原有風貌。本文就以閩南地區(qū)某磚木結(jié)構(gòu)洋樓為例，簡單介紹高延性混凝土面層在砌體墻加固中的應用，以期可供讀者作為經(jīng)驗參考。

1 項目簡介

1.1 項目特點

本文研究的項目位于福建泉州，建造于20 世紀初，建筑總高度約7.21 m，二層五開間洋樓，用地面積1 300 m2，該樓以紅色清水磚柱、磚墻等構(gòu)建，建筑面積約600 m2。作為泉州地區(qū)最老的洋樓之一，在建筑類型、風格、工藝及材料等方面，體現(xiàn)了“中西合璧”的特征，總體布局緊湊規(guī)整，分區(qū)明晰，主次有序，總體風貌錯落有致，具有很高的文化藝術價值。在不破壞該建筑歷史風貌外觀的前提下，遵照“保護為主，搶救第一，合理利用，加強管理”的文物工作方針，遵循最小干預的保護性修繕原則，對該樓作靜力工況下的正常承載力能力校核并進行主體結(jié)構(gòu)加固補強，保護性修繕。

1.2 項目存在的問題

該房屋為兩層磚木混合結(jié)構(gòu)，豎向承重構(gòu)件主要是磚墻、磚柱，樓蓋為傳統(tǒng)的木檁條、木格柵及木板，屋蓋為木檁條、木櫞及木架等組成。由于年代久遠，該洋樓的設計、施工資料缺失，對該建筑現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)等進行了檢測、測繪。

結(jié)果表明，未發(fā)現(xiàn)上部主體結(jié)構(gòu)有明顯傾斜，未發(fā)現(xiàn)因地基變形導致的墻、柱等構(gòu)件產(chǎn)生沉降裂縫等現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)存在明顯的整體傾斜等現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場情況判斷該樓地基基礎處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 上部結(jié)構(gòu)側(cè)向位移量測結(jié)果匯總表

表2 上部承重結(jié)構(gòu)安全性評級結(jié)果

墻體主要存在的問題：部分墻體出現(xiàn)開裂、老化松散現(xiàn)象，砌筑材料強度低，墻體整體性較差，無圈梁和構(gòu)造柱，內(nèi)隔墻未見與主要承重結(jié)構(gòu)有拉結(jié)措施。經(jīng)檢測單位計算復核分析，部分砌體墻承載能力和構(gòu)造基本不能滿足規(guī)范要求。

2 常見墻體加固方式及存在的問題

在不對建筑外立面造成破壞和保留部分內(nèi)墻原始風貌的原則要求下，根據(jù)檢測報告的結(jié)論，針對該建筑承重墻體存在的問題，常見的加固方式有兩種選擇：1）鋼筋混凝土面層加固；2）鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固。

2.1 鋼筋混凝土面層（板墻）

1）鋼筋混凝土面層（板墻）的特點

鋼筋混凝土面層（板墻）適用于以外加鋼筋混凝土面層加固砌體墻、柱的設計[1]，是當前磚混結(jié)構(gòu)建筑中最為常見的加固技術。加固方式就是在墻體一側(cè)或兩側(cè)加設與原墻體連接的鋼筋網(wǎng)，支模澆筑或噴射一層鋼筋混凝土層，與原始墻體結(jié)合形成一道復合墻體，能夠有效的提高墻體的承載能力和抗剪能力。

2）鋼筋混凝土面層（板墻）的構(gòu)造要求

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》（GB 50702-2011）第5.5.1 規(guī)定，鋼筋混凝土面層的截面厚度不應小于60 mm，當用噴射混凝土施工時，不應小于50 mm[1]；根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》（GB 50702-2011）第5.5.3 規(guī)定，縱向鋼筋的上下端均應有可靠的錨固，上端應錨入有配筋的混凝土梁墊、梁、板或牛腿內(nèi)，下端應錨入基礎內(nèi)[1]。

2.2 鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層

1）鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層的特點

鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層適用于各類砌體墻、柱的加固[1]。鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固是在原始墻體一側(cè)或兩側(cè)布設與原始墻體連接的鋼筋網(wǎng)，再支模澆筑或者抹壓水泥砂漿形成水泥砂漿面層，這種加固方式能夠有效加固原墻體，通過這道新的墻體提升原墻體的抗剪承載力。要使鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固有效，要注意提高砌體受壓承載力，同時對原墻體的砌筑砂漿強度等級也提出了相應的要求。

2）鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層的構(gòu)造要求

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》GB 50702-2011第6.5.1 規(guī)定[1]，當采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固砌體承重構(gòu)件時，其面層厚度，對室內(nèi)正常濕度環(huán)境，應為35～45 mm，對于露天或潮濕環(huán)境，應為45～50 mm。

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》GB 50702-2011第6.5.6 規(guī)定[1]，鋼筋網(wǎng)四周應與樓板、大梁、柱或墻體可靠連接。墻、柱加固增設的豎向受力鋼筋，其上端應錨固在樓層構(gòu)件、圈梁或配筋的混凝土墊塊中；其中伸入地下一端應錨固在基礎內(nèi)。錨固可采用植筋方式。

2.3 兩種加固方式存在的問題

1）無論是鋼筋混凝土面層（板墻）加固還是鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層，《砌體結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》對兩種加固方式的面層厚度均做了最低的要求，面層厚度的增加，將會影響到建筑室內(nèi)的空間，造成使用面積的減少；

2）面層厚度增加也意味著加固后結(jié)構(gòu)自重增大，上部荷載增加又涉及到原基礎承載力是否滿足要求；

3）兩種加固方式中的鋼筋網(wǎng)施工要在原墻體上進行打孔植筋，對原墻體會造成一定程度的損壞，對保留原始風貌要求較高的歷史文化建筑不利；

4）底層墻體配置鋼筋網(wǎng)的構(gòu)造措施，需與基礎錨固就會要求對基礎進行大面的開挖，對歷史建筑原已穩(wěn)定的地基基礎造成影響。

綜上，兩種加固方案勢必對本工程的造價及工期造成較大的影響。

3 高延性混凝土的應用

面對傳統(tǒng)加固技術的特點和不足，高延性混凝土技術的提出，解決了本工程墻體加固的技術、成本、工期等問題。

3.1 高延性混凝土特點

高延性混凝土是由膠凝材料、集料、外加劑和合成纖維等原材料組成，按一定比例加水攪拌、成型之后，具有高強度、高延性、高韌性和高耐損傷能力的特種混凝土[2]。

關于高延性混凝土的眾多研究表明，高延性混凝土對提高磚墻的開裂荷載效果明顯，開裂后的后繼承載力、磚墻的豎向承載力、變形性能、耐損傷能力顯著提高；顯著改善磚墻的脆性特征，有效約束墻體，從而提高建筑物的抗震能力，增強建筑的整體性能，提高建筑物的使用壽命。高延性混凝土在砌體結(jié)構(gòu)的靜力加固中已被廣泛的應用。

3.2 高延性混凝土面層的優(yōu)勢

1）砂漿面層具有明顯脆性特征，使墻體水平荷載下降較快，不能充分發(fā)揮鋼筋網(wǎng)的性能。采用單面高延性混凝土加固的墻體承載力下降緩慢，開裂荷載和耗能能力明顯高于鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固[3]；

2）對室內(nèi)使用空間影響較?。焊鶕?jù)陜西省工程建設標準《高延性混凝土應用技術規(guī)程》DBJ 61/T 112-2021 第7.5.2 規(guī)定，高延性混凝土面層加固砌體受壓構(gòu)件，宜采用雙面加固，面層厚度不宜小于15 mm，當采用單面加固時，面層厚度不宜小于20 mm[4]。采用涂抹20 mm 厚高延性混凝土面層的做法，材料用量相比較少，墻體厚度增加小，對結(jié)構(gòu)自重影響小，與磚墻粘結(jié)強度高，抗剪承載力提高較多；

3）對原始墻體、基礎影響小：不拆除原墻體，墻體交接處增設鋼筋混凝土構(gòu)造柱加強墻體間拉結(jié)和整體性，底層墻體的高延性混凝土面層向下延伸至基礎頂面，極大減少原基礎的開挖量；

4）工期短、施工便捷：面層一次施工到位，質(zhì)量有保證，構(gòu)造措施相對簡單，工期相比傳統(tǒng)加固方式大大縮短；

5）造價較為合理：減少了措施費，減少鋼筋用量，材料用量少，綜合造價合理。

經(jīng)過對比分析，針對項目的特點，最終選用高延性混凝土面層加固方式。

3.3 高延性混凝土面層節(jié)點做法

高延性混凝土面層節(jié)點做法如圖1～2 所示。

圖1 墻體節(jié)點涂抹方式1

圖2 墻體節(jié)點涂抹方式2

3.4 高延性混凝土面層施工順序

1）鏟除原墻體抹灰層及疏松、風化部位；

2）清理灰縫、浮灰；

3）開槽或鉆孔并用水沖刷；

4）提前澆水濕潤墻面，不得有積水；

5）壓抹高延性混凝土并養(yǎng)護。

3.5 高延性混凝土面層施工要點

1）壓抹高延性混凝土面層前，應對墻面進行澆水濕潤，并待墻面稍干后再分層壓抹，每層壓抹厚度不超過15 mm；

2）高延性混凝土面層厚度應符合設計要求，當一次壓抹高延性混凝土厚度未達到設計要求時，后一道壓抹應在前一道初期硬化后進行施工；

3）應注意構(gòu)件轉(zhuǎn)角處連續(xù)施工，不得在轉(zhuǎn)角處留施工冷縫；

4）高延性混凝土面層施工完成后12 h 內(nèi)應進行澆水養(yǎng)護，保持濕潤狀態(tài)，夏季應防止陽光暴曬，冬季應采用防凍措施；

5）如果原墻體存在疏松、破損、蜂窩麻面、脹裂、脫落等缺陷應進行修復處理。首先清理缺陷部位至堅實基層，并清潔干凈；灑水充分浸潤后進行修復。對大體積缺陷，也可以采用灌漿料澆筑進行修復。

3.6 加固后的效果分析

項目加固施工完成后，對墻、梁、柱等構(gòu)件進行全面的檢查，未發(fā)現(xiàn)有因沉降引起的變形、開裂等現(xiàn)象，未見柱、墻頂有明顯水平位移或傾斜，表面均未見明顯的裂縫、缺陷及損傷，其中高延性混凝土施工材料檢驗報告齊全有效，面層實測厚度、相關力學性能指標等主控項目符合設計要求。通過錘擊檢查，未發(fā)現(xiàn)高延性混凝土面層存在空鼓現(xiàn)象，粘結(jié)質(zhì)量情況良好。通過施工期間及使用期兩個階段的沉降、傾斜觀測，數(shù)據(jù)無異常，判定已達到穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)有資質(zhì)的專業(yè)檢測公司鑒定，依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB 50292-2015），項目加固后安全性等級評定為Bsu級，使用性等級評定為Bss級，可靠性等級評定為Ⅱ級，加固效果達到預期的目標。

4 結(jié)語

高延性混凝土面層加固磚砌體墻施工方便，工期節(jié)省明顯，且減少了相應措施的投入，有效節(jié)約造價成本，減少施工過程對項目周邊環(huán)境的影響。

高延性混凝土基于眾多試驗研究成果及實際項目的應用，其性能已得到了充分驗證。本項目利用增設構(gòu)造柱加上磚墻涂抹高延性混凝土面層的加固方式，加強了結(jié)構(gòu)的整體性，改善磚砌體墻的脆性剪切破壞，有效的限制墻體開裂，大幅提高結(jié)構(gòu)的承載力、延性及其耗能能力，可供相似項目作為經(jīng)驗參考。

在我國，磚砌體結(jié)構(gòu)的歷史文化建筑存有量巨大，且多數(shù)至今年代久遠，建筑老化破敗等問題難以避免，缺乏相關的抗震概念設計。另外，歷史文化建筑作為一個民族文明傳承的重要載體，其文化底蘊的保護更要結(jié)合實際情況和需求，選擇科學合理的加固方式讓其得以展現(xiàn)、保存、延續(xù)。當前對于歷史文化建筑的加固修繕已迫在眉睫，高延性混凝土這一新型建筑材料的研發(fā)應用可以很好的解決這個問題，提升歷史文化建筑的安全性、耐久性、穩(wěn)定性，同時帶來社會經(jīng)濟效益、歷史文化價值的提升。碳中和目標已列入國家發(fā)展戰(zhàn)略的頂層設計，推廣高延性混凝土的研發(fā)和應用，減少水泥、鋼筋等高碳排放建筑材料的用量，有利于持續(xù)減排工作的推進。