劉德明；強(qiáng)天偉；李麗；田閏樂

（西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，西安710048）

0 引言

歷史建筑大多采用砌體、生土或生土外包砌體結(jié)構(gòu)，分布極為廣泛。近年來隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展，人們對(duì)歷史建筑的保護(hù)越來越重視，然而已有砌體結(jié)構(gòu)保護(hù)方法很難滿足歷史建筑性能保護(hù)的需要，亟需尋求一種盡量不影響歷史建筑外貌和歷史信息的結(jié)構(gòu)性能增強(qiáng)的方法[1-3]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)的方法保護(hù)進(jìn)行了不斷地實(shí)踐和研究。陳平等[4-5]運(yùn)用ANSYS 對(duì)大象寺塔進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算與穩(wěn)定性分析，對(duì)古塔結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行綜合評(píng)判。

參照歷史文獻(xiàn)材料和制作工藝，選取麻刀灰漿，進(jìn)行配合比試驗(yàn)，通過相似性模擬分析與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)和分析，最后進(jìn)行電鏡試驗(yàn)，為古建筑加固保護(hù)提供參考。

1 古建筑灰漿立方體抗壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)建筑工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成，儀器為微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、70.7mm×70.7mm×70.7mm 三聯(lián)試模，試驗(yàn)儀器及模具如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)儀器及模具

1.2 古建筑灰漿的配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的材料乃依據(jù)文獻(xiàn)與案例進(jìn)行選擇，而各材料的配比用量也是基于此定出基準(zhǔn)[6-8]，參考依據(jù)根據(jù)北庭故城城墻。麻刀灰漿配合比及編號(hào)如表1 所示。

表1 麻刀灰漿配合比及編號(hào)

1.3 古建筑灰漿試塊的制作與養(yǎng)護(hù)

麻刀泥中白灰與土拌勻后加水成泥，然后摻入麻刀，其中泥∶麻刀為100:3。設(shè)計(jì)了3 組試件，分別為M、MA 和MB，每組 6 個(gè)。試件幾何尺寸為 70.7mm×70.7mm×70.7mm，試件制作后靜止2d 后對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)、拆模，在自然條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期28d。

1.4 古建筑灰漿立方體抗壓試驗(yàn)過程

圖2 是麻刀灰漿立方體受壓破壞過程，可以看出，試塊在受到壓力時(shí)，在表面產(chǎn)生與壓力方向相同的豎向細(xì)微裂縫，隨著荷載的增大，中間變形變大，試件整體被壓扁，由于麻刀的存在，起著增強(qiáng)連接材料的作用，試塊整體性較好。未摻麻刀試塊Mb、Mc 受荷后，首先在表面產(chǎn)生豎向裂縫，隨著荷載增加，裂縫由表面向內(nèi)部發(fā)展，發(fā)生片狀剝落，試件Mb 在加載過程中，側(cè)面產(chǎn)生豎向裂縫，變形較大，試件破壞時(shí)整體性較好。摻麻刀試塊M、Ma 受到壓力以后，產(chǎn)生整體變形，繼續(xù)加載，試塊被壓扁，表面比未加固試件完整，內(nèi)部產(chǎn)生碎裂，試件M 在加載過程中，側(cè)面產(chǎn)生豎向裂縫，變形較大，試件破壞時(shí)整體性較好。

1.5 古建筑灰漿抗壓試驗(yàn)結(jié)果

式中：f—立方體抗壓強(qiáng)度（MPa），精確到0.1MPa；Nu—試件破壞荷載（N）；A—試件承壓面積（mm2）；K—換算系數(shù)，取1.35。

圖2 麻刀灰漿試塊破壞形態(tài)

根據(jù)試驗(yàn)值繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖3 所示。試驗(yàn)開始加載，各組試件曲線變化較為緩慢，隨著繼續(xù)加載，各組試件的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系基本一致，近似于線性變化，試件Ma2 的曲線斜率大于試件M2、Mb1 的斜率，說明試件Ma2 的彈性模量更大，抵抗變形的能力更好，隨著應(yīng)力增加，應(yīng)力—應(yīng)變曲線斜率開始減小，應(yīng)變迅速增大，試件裂縫增大，向內(nèi)部發(fā)展，隨后達(dá)到其峰值應(yīng)力，由應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出，試件Ma2 的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變最大。隨著應(yīng)變?cè)黾樱鹘M試件到達(dá)峰值應(yīng)力后很快進(jìn)入下降段，各組試件下降曲線均較為平緩，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加慢慢減小，塑形變形較大。

圖3 麻刀灰漿應(yīng)力—應(yīng)變曲線

表2 列出了麻刀灰漿立方體抗壓強(qiáng)度的主要結(jié)果。

表2 立方體抗壓試驗(yàn)結(jié)果

①峰值應(yīng)力。由表2 可以看出，對(duì)于麻刀灰漿試件M和Ma，說明使用麻刀會(huì)提高灰漿的強(qiáng)度，試件M 比試件Mb 提高了165.4%；試件Ma 比試件M 提高了125.11%。②峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變?？梢钥闯?，對(duì)于麻刀灰漿來說，試件Mb 比試件M 的峰值應(yīng)變提高了21.4%，極限應(yīng)變提高了24.4%；試件Ma 比試件M 的峰值應(yīng)變提高了14.3%，極限應(yīng)變提高了20%。

2 麻刀灰漿加固機(jī)理分析

2.1 SEM 的樣品制備

本文主要通過掃描電鏡研究麻刀灰漿微觀結(jié)構(gòu)的緊密程度和顆粒度的大小進(jìn)行觀察研究，采用日立Flex SEM 1000 高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，取放大倍 數(shù) 為 10000、5000、2000 的圖片分析研究。設(shè)備如圖4 所示。

2.2 SEM 的結(jié)果分析

為進(jìn)一步研究灰漿試樣微觀作用機(jī)理。對(duì)不同配比的麻刀灰漿的試樣內(nèi)部進(jìn)行了掃描電鏡試驗(yàn)。本文對(duì)灰漿材料表面形貌進(jìn)行觀察拍照。試驗(yàn)所得麻刀灰漿掃描電鏡圖片如圖5 所示。

圖4 高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡

圖5 麻刀灰漿電鏡圖

試樣MB 的孔隙率較小，而試樣M 和MA 的孔隙率則更大一些，麻刀灰粒表面呈均勻的網(wǎng)狀，說明麻刀的分布增加了漿體的孔隙率，但卻很好的起到了抑制裂縫開展的作用，在壓應(yīng)力作用下，麻刀與土顆粒摩擦力較大，因而表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度增大。

3 總結(jié)

本文以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過微觀研究，得到麻刀灰漿的各項(xiàng)力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

①通過立方體抗壓試驗(yàn)看出，麻刀泥試件整體性較好，被整體壓扁，對(duì)于麻刀灰漿試件M 和Ma，說明使用麻刀會(huì)提高灰漿的強(qiáng)度。②通過SEM 試驗(yàn)可以看出，麻刀灰漿中麻刀被土體顆粒包圍，麻刀與土顆粒接觸，且麻刀增大了土體的孔隙，纖維結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑼馏w中的孔隙連通，增大透氣性，此時(shí)，在壓應(yīng)力作用下，麻刀與土顆粒摩擦力較大，因而表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度增大。