丁 偉， 王占雷， 吉立朋

(河北省建筑科學研究院有限公司， 石家莊 050021)

0 引言

通過第三次全國文物普查工作，從2000年到2015年，被認定為不可移動文物的數(shù)量從30余萬處增加到了76萬余處[1]，其中以傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料的手工青磚砌體結(jié)構(gòu)文物建筑占較大比例。目前國內(nèi)外尚無該類砌體彎曲抗拉強度方面的系統(tǒng)研究成果，本文結(jié)合河北地區(qū)多項文物建筑保護修繕項目，制備以純白灰、白灰砂漿、摻灰泥等傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料的手工青磚砌體試件，進行沿通縫截面及沿齒縫截面的彎曲抗拉強度試驗研究，為該類砌體的評估提供基礎指標依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 原材料的選取

試件砌筑用手工青磚采用出自同一批次，物理性質(zhì)基本相同，以傳統(tǒng)工藝燒制而成的小停泥磚，規(guī)格為280mm×140mm×65mm。

根據(jù)河北地區(qū)現(xiàn)存文物建筑砌體砌筑灰漿大多為以石灰為基礎及采用素白灰或摻入不同摻合料制備的現(xiàn)狀，本文彎曲抗拉砌體試件采用純白灰、體積比為1∶1白灰砂漿、體積比為1∶3白灰砂漿、體積比為1∶1摻灰泥等四種灰漿。配置傳統(tǒng)灰漿所用原材料為生石灰、中砂、黃土、自來水，其中生石灰經(jīng)檢驗其氧化鎂含量4.2%、氧化鈣和氧化鎂總含量79.3%。

1.2 試件設計與制作

本文彎曲抗拉砌體試件以所選用小停泥磚為塊材，以純白灰、體積比為1∶1白灰砂漿、體積比為1∶3白灰砂漿、體積比為1∶1摻灰泥四種灰漿為粘結(jié)材料，以糙磚方式砌筑。為研究古建筑中等級較高的絲縫砌體的彎曲抗拉性能，制備以純白灰為粘結(jié)材料、以仿絲縫方式砌筑試件，進行對比試驗。共設計5組沿通縫截面彎曲抗拉試驗試件及5組沿齒縫截面彎曲抗拉試驗試件，每組設計試件9個，共計45個沿通縫截面彎曲抗拉試件及45個沿齒縫截面彎曲抗拉試件，試件設計及分組編號見表1。

試件設計及分組編號 表1

參照《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T 50129—2011)[2](簡稱GB/T 50129—2011)相關規(guī)定，仿絲縫砌筑沿通縫截面彎曲抗拉試件設計尺寸為280mm×280mm×860mm，沿齒縫截面彎曲抗拉試件設計尺寸為280mm×265mm×1 290mm；糙磚砌筑沿通縫截面彎曲抗拉試件設計尺寸為280mm×280mm×900mm，沿齒縫截面彎曲抗拉試件設計尺寸為280mm×280mm×1 320mm，如圖1所示。

圖1 彎曲抗拉試件示意圖

彎曲抗拉試件由一名中等技術砌筑水平的砌筑工完成。沿通縫彎曲抗拉試件，采用立砌的方式砌筑，試驗時將試件放平，再安裝到試驗臺座上。沿齒縫彎曲抗拉試件，采用平砌并采用一順一丁的砌筑形式，試驗時以長邊為軸旋轉(zhuǎn)90°，平移至試驗臺座上。在試件支座處和荷載作用處，預先采用1∶3水泥砂漿找平，找平層厚度10mm、寬度不小于50mm，當加荷設備的荷載作用面與試件受荷面接觸不密合時，使用快硬石膏墊平。固定鉸支座的固定鉸采用邊長70mm等邊角鋼，滾動鉸支座的滾軸采用直徑50mm圓形鋼棒，調(diào)整固定鉸支座與滾動鉸支座頂部處于同一水平面。

1.3 試件砌筑材料強度試驗

1.3.1 手工青磚抗壓強度

在砌筑彎曲抗拉試件的手工青磚中，隨機抽取青磚10塊，參照《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)[3]的相關規(guī)定及丁偉等[4]的研究成果，對所抽取手工青磚進行抗壓強度試驗，實測青磚抗壓強度平均值為7.6MPa，推定強度等級MU7.5。

1.3.2 灰漿抗壓強度

參照GB/T 50129—2011的相關規(guī)定，在砌筑彎曲抗拉試件的過程中，每種灰漿制作1組以砌筑用青磚為底模的同條件養(yǎng)護立方體試塊，每組試塊數(shù)量6個?；覞{試塊抗壓試驗與彎曲抗拉試件試驗同時進行。依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)[5]的規(guī)定，實測各灰漿的抗壓強度，并計算每種灰漿抗壓強度平均值，結(jié)果見表2。

砌筑試件用灰漿抗壓強度實測結(jié)果/MPa 表2

1.4 加荷系統(tǒng)

本試驗加荷架及荷載分配梁在廣宗官署正堂修繕項目現(xiàn)場自制，主框架采用工字鋼制作，節(jié)點以高強螺栓連接，并在鋼柱內(nèi)側(cè)設置多排可調(diào)節(jié)鋼梁高度的螺栓孔，詳見文獻[6]中的圖2。采用自制試驗臺座、5t螺旋式千斤頂、力值傳感器等組成的加荷系統(tǒng)。

2 試驗過程及試驗現(xiàn)象

2.1 試驗過程

砌體彎曲抗拉試驗在自制的加荷架上進行，試驗齡期約90d。按照GB/T 50129—2011的規(guī)定，試驗前，在試件上標出支座與荷載作用線的垂直位置，并在純彎區(qū)段的中部測量并記錄截面尺寸；隨機選取3個試件，測其自重并計算平均值；按簡支梁三分點集中加荷的要求使試件準確就位。試件就位后，采用勻速連續(xù)加荷方式加載，控制試件在3min內(nèi)破壞。試件破壞后，立即記錄破壞荷載值和破壞特征。

2.2 試驗調(diào)整及試驗現(xiàn)象

開始試驗時，首先對TA-1，TC-3，TD-3試件，以及CA-1，CD-2，CD-3試件進行了現(xiàn)場試驗，這些試件均在移動或安放到試驗臺的過程中出現(xiàn)斷裂破壞。破壞原因主要為試件彎曲抗拉強度較低，不足以支撐試件自重。故本文將剩余沿通縫截面彎曲抗拉試件計算跨度由800mm調(diào)整為690mm，沿齒縫截面彎曲抗拉試件計算跨度由1 230mm調(diào)整為970mm。

調(diào)整后，對剩余的全部試件進行了試驗， TB及CB組試件均在移動或安放到試驗臺的過程中斷裂破壞，故未采集到數(shù)據(jù)，TA及CA組、TC及CC組、TD及CD組、TE及CE組的少部分試件在移動或安放到試驗臺的過程中也出現(xiàn)斷裂破壞的情況，未采集到數(shù)據(jù)；大部分試件完成了試驗，但破壞荷載較小，試件在純彎區(qū)斷裂破壞，脆性特征明顯。最終破壞特征為：沿通縫彎曲抗拉試件均在青磚和灰漿的界面處拉斷破壞；沿齒縫彎曲抗拉試件亦是沿灰縫的斷裂破壞。其中TC-1及CC-2試件破壞形態(tài)如圖2、圖3所示。

圖2 TC-1試件試驗前及破壞后照片

圖3 CC-2試件試驗前及破壞后照片

3 試驗結(jié)果及其分析

3.1 試驗結(jié)果

依據(jù)GB/T 50129—2011規(guī)定，單個砌體試件沿通縫截面或沿齒縫截面的彎曲抗拉強度按下式計算：

(1)

式中：ft,i為試件的彎曲抗拉強度；Nt為試件的抗彎破壞荷載；G為試件的自重；L為試件的計算跨度；b為試件的截面寬度；h為試件的截面高度。

彎曲抗拉試驗完成后，由式(1)可以計算得到單個試件的彎曲抗拉強度，并對每組試件彎曲抗拉強度平均值及變異系數(shù)進行計算，結(jié)果列于表3～6。

TA和TC組試件沿通縫截面彎曲抗拉強度試驗結(jié)果 表3

TD和TE組試件沿通縫截面彎曲抗拉強度試驗結(jié)果 表4

CA和CC組試件沿齒縫截面彎曲抗拉強度試驗結(jié)果 表5

CD和CE組試件沿齒縫截面彎曲抗拉強度試驗結(jié)果 表6

由表3、表4可知，TA組試件彎曲抗拉強度平均值最高，TE組試件彎曲抗拉強度平均值最低，采集到的彎曲抗拉強度平均值在0.025～0.033MPa之間。由表5、表6可知，CA組試件彎曲抗拉強度平均值最高，CE組試件彎曲抗拉強度平均值最低，采集到的彎曲抗拉強度平均值在0.051～0.067MPa之間。

分析TB組及CB組試件彎曲抗拉強度明顯低于采用同種灰漿砌筑的TA組及CA組試件的主要原因是，灰縫厚度的顯著減小及粘接面的切削打磨不利于灰漿粘結(jié)強度的發(fā)揮，不利于保證灰漿飽滿度?；覞{飽滿度是影響試件彎曲抗拉強度的一個主要因素，這一點在工程運用中要加以注意。

3.2 砌體彎曲抗拉強度平均值表達式

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50003—2011)[7](簡稱GB 50003—2011)規(guī)定，砌體彎曲抗拉強度平均值ftm,m采用下式計算：

(2)

式中：k4為取值系數(shù)，對于燒結(jié)普通磚、燒結(jié)多孔磚、混凝土普通磚、混凝土多孔磚，計算其沿通縫截面抗彎強度時取0.125，計算其沿齒縫截面抗彎強度時取0.250；f2為砂漿抗壓強度平均值。

手工青磚是按傳統(tǒng)工藝制坯燒制而成的青灰色燒結(jié)磚，故計算沿通縫截面彎曲抗拉強度時取k4=0.125，計算沿齒縫截面彎曲抗拉強度時取k4=0.250，按照式(2)計算的各組試件彎曲抗拉強度平均值列于表7及表8。表7及表8中同時列出了表3～6中實測彎曲抗拉強度平均值ft,m。

沿通縫截面彎曲抗拉強度計算結(jié)果 表7

沿齒縫截面彎曲抗拉強度計算結(jié)果 表8

由表7及表8可見，除TB組及CB組試件因彎曲抗拉強度低而未采集到數(shù)據(jù)外，TA，TC，TD，TE組沿通縫截面彎曲抗拉強度試件及CA，CC，CD，CE組沿齒縫截面彎曲抗拉強度試件的實測彎曲抗拉強度平均值均明顯低于規(guī)范公式(2)計算的彎曲抗拉強度平均值，兩者比值在0.25～0.30之間。分析實測彎曲抗拉強度明顯低于規(guī)范公式(2)計算彎曲抗拉強度的主要原因是：1)傳統(tǒng)白灰基灰漿與青磚的粘接性能明顯低于水泥基砂漿；2)由于石灰氣硬性的特性，使得灰漿內(nèi)部強度受表層硬化的阻止作用，增長緩慢，較表層強度低。

根據(jù)上述分析可見，規(guī)范計算公式(2)已不能準確預估以摻灰泥、白灰砂漿、純白灰為粘結(jié)材料的手工青磚砌體的彎曲抗拉強度，計算結(jié)果是不安全的。本文根據(jù)表3～8中灰漿強度及彎曲抗拉強度實測值，利用最小二乘法進行回歸分析[8-10]，求出適合該類砌體的類別系數(shù)k4分別為0.034(通縫)和0.069(齒縫)，即得到回歸公式為：

通縫：

(3)

齒縫：

(4)

但由于本次試驗試件齡期較短，對彎曲抗拉強度較低的部分試件未采集到數(shù)值，故導致所采集到的彎曲抗拉強度實測平均值偏大，則所得回歸公式(3)，(4)計算值亦偏大，需對k4進行折減。本文綜合考慮試驗情況，確定折減系數(shù)取為0.85是適宜的，將折減系數(shù)代入式(3)及式(4)，得到修正后回歸公式如下：

通縫：

(5)

齒縫：

(6)

3.3 砌體彎曲抗拉強度設計值

根據(jù)GB 50003—2011規(guī)定，砌體的彎曲抗拉強度設計值ft的計算公式如下：

ft=ftk/γf

(7)

ftk=ftm,m(1-1.645δ)

(8)

式中：ftk為砌體彎曲抗拉強度標準值；γf為砌體材料強度分項系數(shù)，當施工質(zhì)量控制等級為B級時，取=1.6；δ為試件彎曲抗拉強度變異系數(shù)，為安全起見取表3～6中最大值0.20。

由式(5)～(8)計算可得，手工青磚砌體彎曲抗拉強度設計值，結(jié)果列于表9。此外，根據(jù)試驗結(jié)果表明，對于絲縫砌筑的手工青磚砌體彎曲抗拉強度設計值，應根據(jù)實際灰漿飽滿度情況，以表9中數(shù)值給予一定折減后采用，否則將導致計算結(jié)果不安全，在實際工程運用中需加以注意。

青磚砌體彎曲抗拉強度設計值/MPa 表9

4 結(jié)論

(1)以純白灰、白灰砂漿、摻灰泥等傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料的手工青磚砌體，彎曲抗拉破壞均是在純彎區(qū)沿青磚和灰漿的界面處斷裂破壞，脆性特征明顯。

(3)建議了適用于以純白灰、白灰砂漿、摻灰泥等傳統(tǒng)灰漿為粘結(jié)材料的手工青磚砌體彎曲抗拉強度設計值的取值。

(4)仿絲縫砌筑砌體灰縫厚度的顯著減小不利于灰漿粘結(jié)強度的發(fā)揮、不利于保證灰漿飽滿度，對于以該類砌筑方式砌筑的砌體，應以本文式(5)～(6)計算所得彎曲抗拉強度平均值或建議的彎曲抗拉強度設計值為基礎，再給予一定折減后采用，否則將造成計算結(jié)果不安全。