陳再現(xiàn)，鐘煒彭，李歡歡，欒文芬

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）土木工程學(xué)院，山東威海264209；2.河南省建筑設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450014；3.新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊建委，新疆烏魯木齊830002）

砌體結(jié)構(gòu)有著悠久的歷史，其就地取材、良好耐火性和特色文化鑒賞性等優(yōu)點使其在我國乃至其他發(fā)展中國家普遍存在［1-2］，其中磚砌體是砌體結(jié)構(gòu)的主要形式。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計［3］，磚砌體在中國農(nóng)村農(nóng)戶住房占比超過57%。在我國過去的地震災(zāi)害中，如汶川地震與蘆山地震，均出現(xiàn)磚砌體結(jié)構(gòu)房屋大量損毀倒塌現(xiàn)象，造成大量人員傷亡［4-5］。究其原因，首先是相當多的磚砌體結(jié)構(gòu)并不滿足現(xiàn)行標準，如農(nóng)村建房多是經(jīng)驗建造，質(zhì)量參差不齊；其次磚砌體經(jīng)過長時間使用，由于風化導(dǎo)致安全性能下降，亟需采取適當?shù)募庸檀胧??？煽康臋z測手段是實施加固的堅實基礎(chǔ)。

鉆芯法屬于半破損的現(xiàn)場檢測手段，是利用專用鉆機從結(jié)構(gòu)中鉆取芯樣以檢測結(jié)構(gòu)強度或觀察結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)量的方法，較為廣泛應(yīng)用于混凝土等材料檢測。1999年日本學(xué)者Ohta F等［6］利用鉆芯法估算火災(zāi)后混凝土強度。2007年孟凡運等［7］推導(dǎo)了灌注樁樁身混凝土芯樣抗壓強度與混凝土立方體強度的換算公式。2011年P(guān)arivallal等［8］成功應(yīng)用鉆芯法評價預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中存在的應(yīng)力。同時，我國鉆芯法在混凝土檢測領(lǐng)域得到飛速發(fā)展［9-10］，自1988年首次推出鉆芯法檢測混凝土強度規(guī)程，至2016年已發(fā)展至最新版本《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/384—2016）。

目前，鉆芯法在磚砌體檢測中應(yīng)用的研究主要集中在加固前砌體材料的基本性能方面。1995年田國華等［11］對直徑為54mm、高徑比分別為1.0、1.5和2.0的3種磚砌體芯樣進行抗壓強度試驗并得出推定強度。2011年劉曉丹等［12］提出了直徑為94mm的圓餅砌塊芯樣抗壓強度檢測公式。2012年Cui等［13］對鉆芯法檢測砌體抗剪強度進行了試驗研究，提出了該法能很好地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的抗震鑒定與加固計算的觀點。2014年Mazzotti等［14］對砂漿層不同傾斜角度的芯樣進行劈裂試驗來評價鉆芯法用于檢測砌體抗剪強度的適用性。2014年孔旭文等［15］分析了鉆芯法檢測砌體抗剪強度的影響因素并建立測強曲線。2015年我國推出《鉆芯法檢測砌體抗剪強度及砌筑砂漿強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 368—2015）。

上述研究主要停留在利用鉆芯法對加固前砌體材料的基本性能進行檢測，很少涉及對加固后性能的檢測。基于此，本文將鉆芯法延續(xù)到砌體加固后的性能檢測。其中加固方法采用的是應(yīng)用廣泛的砂漿面層加固法。設(shè)計特制的加載附屬裝置，對加固前后砌體抗壓強度、加固后聚合物砂漿加固層與磚砌體界面剪切強度的檢測，驗證本文方法的可行性。

1 模型設(shè)計與制作

1.1 砌筑砂漿配合比

目前亟需進行加固的砌體墻體多為建造時間較早、采用低等級砂漿或經(jīng)歷了風化的墻體，故試驗配制砂漿強度等級為 M1、M2.5、M5、M7.5、M10、M15。M1、M2.5在現(xiàn)行規(guī)程中已沒有相應(yīng)配制方法，故采用多次試配的方法，其余強度等級借鑒《砌筑砂漿配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T98—2010）試配。最后得出滿足相應(yīng)強度等級砂漿配合比并按《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）進行抗壓強度計算，見表1。

表1 砂漿強度等級配合比及其抗壓強度平均值Tab.1 The mix propotion and strength grade of mortar

1.2 加固層聚合物砂漿

本次加固即在對應(yīng)墻片兩側(cè)鉆取芯樣處分別涂抹厚度25mm的R-高強聚合物砂漿層，其強度等級為30MPa。試驗前對強度進行評定。對應(yīng)編號1、2、3的抗壓強度分別為29.5 MPa、31.2 MPa、30.5 MPa，抗壓強度均值為30.4 MPa。

1.3 燒結(jié)磚強度等級

試驗所需燒結(jié)磚采用抗壓強度不同的I、II、III型燒結(jié)普通磚，試驗前進行強度等級評定。每種類型燒結(jié)普通磚取10塊，沿與磚長方向垂直的中線切割，在清水浸泡15min后取出，以斷口相背的方式，采用強度等級為32.5的1：3水泥凈漿進行找平，確保凈漿厚度于上下兩面不超過3mm，于中間面不超過5mm。在室溫下靜置3d后，根據(jù)試件預(yù)估破壞荷載為試驗機滿量程的20%～80%原則選擇試驗機進行抗壓強度測試。其中MU15與MU10強度等級評定標準參照《燒結(jié)普通磚》（GB/T 5101—2017），MU7.5參照舊標準GB 5103—1993，結(jié)果見表2。表中括號內(nèi)數(shù)值為該值在上述國標強度等級評定中的下限值。

1.4 代表性芯樣選取與墻片砌筑形式

研究表明［16］在砌體三皮磚厚度時，芯樣抗壓強度才能反映整片墻體的抗壓強度值，故取芯樣直徑為200mm。

表2 燒結(jié)磚抗壓強度及等級評定Tab.2 Compressive strength and strength grade of brick

砌體結(jié)構(gòu)中常用的3種砌筑形式（三順一丁、一順一丁、梅花?。?，從其中找出直徑為200mm芯樣的所有典型芯樣，以砌體芯樣的豎縫與水平縫數(shù)量均衡為初選準則，并結(jié)合芯樣破壞形態(tài)與砌體標準件破壞形態(tài)對比和芯樣抗壓強度平均值與標準件抗壓強度均值間的關(guān)系進行可行性試驗，最終選出芯樣1、芯樣2作為本次試驗的代表芯樣，見圖1。同時為了使2種芯樣同時出現(xiàn)在一片墻，按圖1所示形式進行加固前后對應(yīng)墻片的砌筑。此外針對不同砂漿、塊體強度，根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50129—2011），分別制作厚、寬、高分別為240mm、365mm、746mm、高厚比β=3.11的標準砌體抗壓試件，如圖2所示。

圖1 芯樣1、2形式Fig.1 Form of core sample 1 and core sample 2

圖2 標準砌體試件（單位：mm）Fig.2 Standard brick masonry part(unit：mm)

1.5 試樣芯樣數(shù)量

試驗共用到3種不同強度等級燒結(jié)磚及6種不同強度等級砂漿，考慮到兩者合理搭配，剔除MU7.5與M15組合，取余下17種組合。根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標準》（GB50129—2011）要求，每組試驗試件數(shù)量取6個，其中砂漿砌筑M1的墻體為防止砂漿強度過低造成試件提前損壞而多取1片。因此，每一種芯樣形式共315個，其中加固前后抗壓試驗芯樣各105個；加固后界面剪切試驗芯樣數(shù)量105個。砌體標準件每組取3片，故砌體標準件54個。圖3為芯樣與砌體標準件現(xiàn)場圖。

圖3 芯樣與砌體標準件Fig.3 Core sample and standard brick masonry part

1.6 試驗加載附屬裝置設(shè)計

試驗加載附屬裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，該裝置通過各部件的不同組裝方式可同時滿足芯樣的抗壓強度試驗和界面剪切強度試驗。按圖4a進行抗壓試驗時，加載附屬裝置上下部分與芯樣側(cè)面充分貼合；按圖4b進行界面剪切加載時，加載附屬裝置上部分與芯樣加固層側(cè)面緊密貼合，下部分與芯樣側(cè)面貼合。為保證較好的受壓面與穩(wěn)定的強度關(guān)系，對加載附屬裝置的圓心角進行分析和驗證，選擇如圖5所示的110°圓心角。

2 試驗安排

2.1 基本方法

按圖6進行鉆芯法檢測試驗，基本步驟如下：

（1）燒結(jié)普通磚與砌筑砂漿、聚合物砂漿材料的準備與評定。

（2）代表性芯樣的選取、鉆芯墻片和標準件的砌筑。

（3）抗壓及界面剪切試驗加載附屬裝置設(shè)計與連接。

（4）對加固前后墻片鉆取芯樣。

（5）試驗及數(shù)據(jù)分析。

圖4 試驗加載附屬裝置Fig.4 Auxiliary loading device

圖5 加載芯樣位置（單位：mm）Fig.5 Loading position of core sample(unit：mm)

2.2 芯樣鉆取

鉆取芯樣時，先在墻片上對1、2號芯樣進行定位標記，對墻片周圍地面進行找平，并利用配備水準管的水鉆進行芯樣鉆取，務(wù)必確保芯樣側(cè)面與端面垂直、兩端面平行，見圖7。對于加固后芯樣的鉆取，首先在相應(yīng)墻片涂抹25mm厚聚合物砂漿，隨后在墻片上鉆取芯樣。

芯樣鉆取后先靜置干燥處理，然后對芯樣側(cè)面用1：3水泥凈漿找平。對于加固后的芯樣，仍需對端面采用聚合物砂漿進行找平，見圖8。

2.3 試驗加載

圖6 鉆芯法檢測試驗流程Fig.6 Flowchart of using drilled core method for testing

圖7 芯樣鉆取Fig.7 Drilling of core sample

利用之前設(shè)計好的抗壓和界面剪切試驗的試驗加載附屬裝置，將其與根據(jù)試件預(yù)估破壞荷載為試驗機滿量程的20%～80%原則選擇的試驗機進行連接。其中，抗壓試驗采用WAW-1000微機控制液壓試驗機；界面剪切強度試驗采用60、150、300kN 3個可調(diào)量程的液壓萬能試驗機，加載裝置見圖9。

對于加固前后芯樣抗壓試驗，在第1條裂縫出現(xiàn)前采用1.0kN·s-1的力控制速度進行加載，第1條裂縫出現(xiàn)后改為0.5kN·s-1；界面剪切強度試驗時按照0.2kN·s-1的力控制速度進行加載。標準件的加載采用分級加載制度進行加載，即先按每級荷載為預(yù)估破壞荷載的10%進行加載并在1.0～1.5min內(nèi)均勻加完，維持恒載1～2min后再施加下一級荷載；隨后加荷至預(yù)估破壞荷載的50%后，將每級荷載減小至預(yù)估破壞荷載的5%進行加載，當出現(xiàn)第1條裂縫時每級荷載恢復(fù)按預(yù)估破壞荷載10%進行；之后加載至預(yù)估破壞荷載的80%后，按預(yù)估破壞荷載5%繼續(xù)加載直至試件破壞。

圖8 加固前后所取芯樣Fig.8 The core sample before and after reinforcement

3 試驗結(jié)果與分析

圖9 試驗加載裝置（單位：mm）Fig.9 Test setup（unit：mm）

隨著荷載的增加，標準件試件先在中部出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫不斷向兩端發(fā)展，最后呈現(xiàn)出3個獨立小柱破壞，見圖10a。加固前后芯樣裂縫首先出現(xiàn)在豎向灰縫和水平灰縫接觸處，隨后在相鄰側(cè)出現(xiàn)第2條裂縫，最后芯樣端面中間位置處出現(xiàn)第3條裂縫，裂縫向兩端發(fā)展直至最后形成獨立小柱破壞形式。分析可知，芯樣由于受到上下頂板約束作用限制了接觸處的橫向變形，致使側(cè)面被壓碎呈現(xiàn)出錐形破壞形狀，見圖10b至10e。

針對加固前后芯樣抗壓、界面剪切強度以及標準件抗壓強度的數(shù)值先結(jié)合試件的破壞形態(tài)及試驗過程中的現(xiàn)象再依據(jù)《正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》（GBT 4883—2008）格拉布斯檢驗方法綜合對試驗數(shù)據(jù)進行離群值分析，剔除有問題的數(shù)據(jù)再進行相應(yīng)的后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

圖10 標準件與芯樣破壞形式Fig.10 Failure modes of standard brick masonry parts and core samples

3.1 砌體標準件強度

砌體標準件按照《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50129—2011）進行試驗，每組砌體標準件強度有效數(shù)據(jù)取均值，見圖11。

3.2 加固前芯樣抗壓強度及規(guī)律

利用圖4a所示附屬裝置并按照規(guī)定試驗方案對1、2號未加固芯樣進行試驗，記錄試驗過程、破壞形式與裂縫開展情況。其抗壓強度計算公式為

式中：fc為芯樣抗壓強度；Nc為破壞荷載；h為芯樣側(cè)面長度；l為支座圓心角110°對應(yīng)弧長。

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)芯樣1、2加固前抗壓強度相差最大的不超過5.2%，故采用其平均值作為兩芯樣的代表強度，見圖11a。

圖11 芯樣抗壓強度變化趨勢Fig.11 Variation trend of compressive strength of core samples

由圖11a可見，加固前芯樣抗壓強度隨砂漿等級變化趨于線性，且與砌體標準件具有相同的變化規(guī)律。為建立鉆芯法檢測與《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50129—2011）中的砌體標準件的強度關(guān)系，將加固前芯樣抗壓強度與標準件抗壓強度對比，其換算值均穩(wěn)定在2.0～2.4之間，即檢測芯樣值為標準件強度的值的2倍以上，有效提高了檢測靈敏度。將其按磚等級進一步均值化，MU15與MU10數(shù)據(jù)相近，建議取值為二者均值2.25，MU7.5取2.13，作為換算指導(dǎo)值，見表3。

表3 加固前芯樣抗壓強度與標準件抗壓強度換算值Tab.3 Ratio between the core samples before reinforcement and the standard brick masonry parts

3.3 加固后芯樣抗壓強度及規(guī)律

同加固前芯樣抗壓強度類似，加固后芯樣1、2抗壓強度相差最大的不超過2.6%，故采用其平均值作為2個芯樣的代表強度，見圖11b。

由圖11b可見，加固后芯樣抗壓強度隨砂漿等級變化趨于線性，且與砌體標準件具有相同的變化趨勢。加固后芯樣抗壓強度與標準件抗壓強度進行對比，發(fā)現(xiàn)檢測芯樣值為標準件強度值的3倍以上，可有效提高檢測靈敏度。將其按磚等級進一步均值化，MU15、MU10、MU7.5數(shù)據(jù)均相近，最后取均值3.26作為換算指導(dǎo)值，見表4。

表4 加固后芯樣抗壓強度與標準件抗壓強度換算值Tab.4 Ratio between the core samples after reinforcement and the standard brick masonry parts

為建立鉆芯法檢測與砌體標準件強度的關(guān)系，以標準件抗壓強度為真值，分別求得上述換算指導(dǎo)值下的相對誤差，見圖12。加固前后芯樣最大相對誤差分別不超過10%與7%，且大部分在5%以內(nèi)，說明鉆芯法能保證檢測的精度。

表5為加固前后芯樣抗壓強度比值，按磚等級分類后取均值，采用聚合物砂漿面層加固法后抗壓強度提升43%～55%，說明該加固方法可有效且穩(wěn)定提高磚砌體抗壓強度。

綜上所述，加固前后芯樣抗壓強度隨砂漿強度變化展現(xiàn)的規(guī)律性、其與砌體標準件抗壓強度的比值相關(guān)性及換算可靠性均表明鉆芯法對加固前后芯樣抗壓強度檢測的可行性和穩(wěn)定性。

圖12 芯樣與砌體標準件換算相對誤差Fig.12 Relative error of the conversion between core samples and standard brick masonry parts

表5 加固后芯樣與加固前芯樣抗壓強度比值Tab.5 Compressive strength ratio of core samples after reinforcement and before reinforcement

3.4 界面剪切強度

面層加固法是目前常見的砌體加固方法，其新舊界面粘結(jié)性能是加固效果的決定性因素，面層剝離是其常見的破壞形式，見圖13，因此聚合物砂漿和基層磚砌體間的界面剪切強度是評價加固后磚砌體效果的重要指標。采用圖4所示加載附屬裝置進行檢測，界面剪切強度計算公式為

式中：fv為芯樣界面剪切強度；Nv為芯樣抗剪破壞荷載；A為芯樣的一個受剪面面積。

圖13 芯樣加固層破壞形式Fig.13 Failure mode of core samples reinforcement layer

不同砌體強度等級下隨砂漿強度變化的界面剪切強度規(guī)律見表6、圖14，當砂漿強度小于M5時，隨著砂漿強度的增加，其界面剪切強度有所增加；當砂漿強度大于等于M5時，同一磚強度下的界面剪切強度變化不大，均接近強度均值，均方差最高僅0.11，界面剪切強度與砂漿強度之間聯(lián)系無明顯規(guī)律，尤其是當砂漿強度大于M5以后，基本與砂漿強度關(guān)系不大。

表6 芯樣界面剪切強度Tab.6 Interfacial shear strength of core samples MPa

圖14 芯樣界面剪切強度Fig.14 Interfacial shear strength of core samples

圖15為界面剪切強度隨磚砌體強度等級變化的規(guī)律，芯樣界面剪切強度隨磚強度等級提高有先上升后下降的趨勢，界面剪切強度與磚強度之間聯(lián)系不明顯，在3種不同磚強度下界面剪切強度最大相差0.49MPa，最小相差0.09MPa，總的變化趨勢不明顯。

圖15 不同磚強度下芯樣界面剪切強度均值的變化Fig.15 Variety of interfacial shear strength of core samples with different brick strength

綜上所述，本文方法檢測出的界面剪切強度基本受砂漿、磚砌體強度等級影響較小，說明這兩者不是影響界面剪切強度的主要因素。

為了進一步說明本文檢測方法的可行性，進行不同磚砌體表面處理情況的試驗，分別以表面磨砂處理與界面劑使用情況組成了4種工況下的界面剪切強度試驗。

圖16給出了4種工況下試件的界面剪切強度變化曲線。4種不同表面處理工況下，以表面未磨砂及未涂界面劑這一工況的界面剪切強度均值為對比工況可得其他3種工況界面剪切強度均值與其對比值，結(jié)果見表7。不同的表面處理，其界面剪切強度變化較為明顯：表面未磨砂僅涂界面劑情況下，較對比工況的界面剪切強度增加50%；表面磨砂但未涂界面劑，較對比工況的界面剪切強度僅增加15%；表面磨砂且涂界面劑工況較對比工況的界面剪切強度增加68%。由此可知，涂界面劑對界面剪切強度提升效果比磨砂處理要好；界面剪切強度的主要影響因素是塊體表面與砂漿的粘結(jié)性；界面越粗糙，抗剪強度越大，這符合界面剪切強度變化規(guī)律。

圖16 不同工況下芯樣界面剪切強度Fig.16 Interfacial shear strength of core samples under four different surface treatment conditions

表7 不同工況下界面剪切強度比值關(guān)系Tab.7 Ratio relation of interfacial shear strength under four different surface treatment conditions

綜上所述，采用本文提出的界面剪切強度檢測方法，能真實有效反映磚表面與聚合物砂漿層的界面剪切強度。

4 結(jié)論

（1）建立了加固前芯樣與砌體標準件抗壓強度關(guān)系，芯樣抗壓強度隨砂漿強度增大而大致呈線性增長，并且強度值為砌體標準件的2.0～2.4倍：MU15與MU10數(shù)據(jù)相近，建議取值為二者均值2.25，MU7.5取2.13作為換算指導(dǎo)值。

（2）建立了加固后芯樣與砌體標準件抗壓強度關(guān)系，芯樣抗壓強度隨砂漿強度增大而大致呈線性增長，并且強度值為砌體標準件的3.0～3.4倍，建議取均值3.26作為換算指導(dǎo)值。

（3）加固前后檢測芯樣抗壓強度均大于相應(yīng)砌體標準件強度值2～3倍，從而說明所用檢測方法可有效地提高檢測靈敏度。

（4）不同表面處理工況下的界面剪切強度比較試驗表明，界面剪切強度與砂漿強度等級和塊體強度等級關(guān)聯(lián)性不大，其與表面處理方式較為相關(guān)；涂界面劑對強度提升的效果比磨砂處理好，所用檢測方法能真實反映面層法加固后砌體的新舊界面粘結(jié)性能。

（5）提出了采用鉆芯法檢測磚砌體結(jié)構(gòu)加固前后基本力學(xué)性能的方法，完成了加固前后芯樣抗壓強度試驗、加固后芯樣界面剪切強度試驗以及4種不同表面處理工況下界面剪切強度比較試驗，初步驗證了方法的可行性。