陳偉恩

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350000)

0 引言

我國目前現(xiàn)存的砌體結(jié)構(gòu)建筑，因磚墻風(fēng)化、砂漿粉化、使用過程中改造和環(huán)境作用等多種因素，導(dǎo)致砌體墻承載力不滿足要求，地震作用下易導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌[1-2]。因此，需對其進(jìn)行抗震加固。

目前常用的砌體墻抗震加固方法，主要有鋼筋混凝土面層加固法、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法、鋼筋網(wǎng)聚合物砂漿面層加固法和高延性混凝土面層加固法[3]等。魯曉通[4]等對老舊砌體結(jié)構(gòu)的墻體采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固，試驗結(jié)果表明，鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固法，對于原有結(jié)構(gòu)體系的擾動較小，且可以保持建筑物的原有建筑風(fēng)貌，但對砌體墻的承載能力提高有限。鄧良平[5]提出鋼筋網(wǎng)聚合物砂漿面層加固法可大幅提高墻體的抗剪強(qiáng)度、豎向承載力、抗側(cè)剛度和延性，但加固面層較厚且施工不便。鄧明科[6]采用高延性混凝土(HDC)加固磚砌體墻，研究表明HDC 面層加固法，可提高砌體墻的整體性和承載力。

本文在對既有加固方法優(yōu)缺點進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，結(jié)合近些年廣泛使用的一種加固材料——超高性能混凝土(UHPC)的高強(qiáng)、高韌性、高耐久性等優(yōu)異性能[7]，提出將共聚甲醛纖維(POM纖維)摻入到UHPC中，并深入探討POM-UHPC的制備、砌體墻的加固施工工藝流程和施工過程中的注意事項。

1 工程概況

福州市某磚混結(jié)構(gòu)住宅樓19世紀(jì)70年代建成并投入使用，共5層，房屋總高度為15.6 m，建筑面積約為2200 m2。該磚混結(jié)構(gòu)住宅樓抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g，建筑場地類別為二類。承重墻體材料為燒結(jié)普通磚，上部砌體采用180 mm及240 mm厚磚墻。地基持力層為淤泥，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

2 房屋結(jié)構(gòu)檢測鑒定

建筑局部外立面如圖2所示。根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[8]和《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[9]相關(guān)規(guī)定，業(yè)主委托相關(guān)單位對該砌體房屋進(jìn)行鑒定，鑒定結(jié)果表明：

(1)該工程后續(xù)使用年限按30年考慮，屬A類建筑；

(2)現(xiàn)場實測磚砌體磚抗壓強(qiáng)度等級為MU10，砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度值為1.1 MPa；

(3)部分墻體缺少必要的搭接，墻體灰縫不飽滿，磚墻有豎向通縫，如圖3所示；

(4)部分承重墻體和屋面板開裂滲水，部分填充墻開裂滲水，如圖4所示；

(5)多數(shù)一層、部分二層極個別三層墻體受壓承載力不滿足規(guī)范要求；

(6)一～四層縱橫向綜合抗震能力不滿足規(guī)范要求。該砌體結(jié)構(gòu)住宅樓結(jié)構(gòu)安全性等級評定為Dsu級，即安全性嚴(yán)重不符合鑒定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，嚴(yán)重影響整體承載力，必須立即采取措施，對整棟樓進(jìn)行抗震加固處理。

圖2 建筑外立面圖

(a)墻體砌筑質(zhì)量差 (b)墻體無可靠搭接、墻體通縫 (c)180 mm厚墻體豎縫不飽滿

圖4 磚砌體墻面滲水

3 抗震加固方法選擇

砌體結(jié)構(gòu)常見的加固方法有：鋼筋混凝土面層加固法、鋼筋網(wǎng)混凝土面層加固法、聚合物砂漿嵌縫加固法和高延性混凝土面層加固法等。鋼筋混凝土面層加固法存在加固面層較厚、減小使用空間和耐久性差等問題[10]。鋼筋網(wǎng)混凝土面層加固法存在承載力提高較低、加固面層較厚、耐久性差等問題[11]。高延性混凝土面層加固法，通過壓抹高延性混凝土加固磚砌體墻，能較好地提升結(jié)構(gòu)的延性，但對承載力的提升有限且加固成本高[6]。

由于傳統(tǒng)加固方法存在各種缺陷，研究人員提出采用一些新型加固材料進(jìn)行加固的方法。其中超高性能混凝土(UHPC)面層加固法，因UHPC超高的強(qiáng)度、超高的韌性、高耐久性等優(yōu)異性能，已經(jīng)應(yīng)用于磚砌體墻加固。本工程加固選擇將一種綜合性能良好的塑料共聚甲醛纖維(POM纖維)摻入到UHPC中，提高UHPC的抗拉強(qiáng)度和變形能力，防止UHPC基體開裂。經(jīng)專家論證，采用UHPC抹面的方法對砌體墻進(jìn)行加固，提高墻體承載力和延性同時又能減小加固厚度，避免對原始墻體的擾動損傷，能較好地適用于本工程。

4 加固用POM-UHPC配合比

POM-UHPC所用原材料主要有水泥、硅灰、石英砂、POM纖維、減水劑。按照規(guī)范《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)[12]和《超高性能混凝土(UHPC)技術(shù)要求》[13]進(jìn)行配合比設(shè)計，制備出滿足抗壓強(qiáng)度≥120 MPa、擴(kuò)展度≥650 mm、擴(kuò)展度經(jīng)時損失≤100mm等超高性能混凝土力學(xué)性能要求和拌合物性能要求的用于抹面施工的加固材料。

4.1 普通硅酸鹽水泥

由于制備的UHPC抗壓強(qiáng)度需達(dá)到120 MPa以上，選用型號為P.Ⅱ52.5的普通硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥的物理性能如表1所示 ，氧化物成分如表2所示。

4.2 硅灰

為滿足抹面工藝需要，本次試驗采用比表面積為12 000m2/kg的白硅灰，制得的UHPC流動性較好且粘性較低。白硅灰物理性能及主要化學(xué)組成如表3～表4所示。

4.3 石英砂

在選擇石英砂時，應(yīng)注意避免其粒徑范圍與水泥粒徑產(chǎn)生重疊。本工程選用的石英砂，其粒徑與化學(xué)成分如表5所示。

4.4 POM纖維

本文制備UHPC選用的纖維為共聚甲醛纖維(POM纖維)，其物理力學(xué)性能如表6所示。

表1 P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥物理性能

表2 P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥中氧化物的組成 %

表4 白硅灰化學(xué)組成 %

表5 石英砂基本指標(biāo)

表6 POM纖維物理力學(xué)性能

4.5 減水劑

減水劑是制備UHPC的必備原材料，可以在不增加水泥用量并維持混凝土和易性的前提下，減少拌和過程所需水量，同時增加強(qiáng)度；用量合適時，還可以減少水泥消耗。本工程選用廈門科之杰新材料有限公司提供的聚羧酸系高效減水劑，含固量為25%，減水效率30%。

4.6 UHPC配合比設(shè)計

POM-UHPC配合比公式引用自《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)[11]。計算前先確定POM-UHPC的石灰石摻量、水膠比、POM纖維摻量等，再采用規(guī)范中推薦的公式確定POM-UHPC配合比，如表7所示。

表7 UHPC配合比 kg·m-3

4.7 UHPC抗壓強(qiáng)度

依據(jù)規(guī)范《超高性能混凝土(UHPC)技術(shù)要求》[12]，結(jié)合GB/T 50081的有關(guān)規(guī)定，每組澆筑6個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，加載速率為1.20 MPa/s～1.40 MPa/s，取與平均值偏差小于10%的試件強(qiáng)度平均值作為測定值。當(dāng)6個測值中有1個或2個與平均值的差值超過平均值10%時，將超出平均值10%的測值舍除，取剩余測值的平均值，作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。當(dāng)有3個或3個以上試件強(qiáng)度值與平均值偏差大于10%時，則該組試件試驗結(jié)果無效。經(jīng)過測定，該立方體試件28d抗壓強(qiáng)度為124.2MPa，滿足規(guī)范要求。

5 POM-UHPC加固磚砌體墻面層施工

5.1 POM-UHPC的制備

根據(jù)《超高性能混凝土(UHPC)技術(shù)要求》[12]，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌。攪拌時先將水泥、硅灰和石英砂等干料干拌1～2 min，然后加入減水劑和水濕拌5 min以上，使拌合物接近目標(biāo)流動性；再緩慢加入POM纖維，待纖維全部加完后，繼續(xù)攪拌至纖維在拌合物中分散均勻，一般不少于2 min，配置出用于磚砌體墻加固用的材料，然后按照下列工藝流程進(jìn)行施工。

POM-UHPC加固磚砌體墻面的施工工序：

原有磚墻面表層和灰縫清理→磚墻孔洞填補(bǔ)→墻面抹POM-UHPC→表面抹水泥砂漿面層→養(yǎng)護(hù)。

5.2 原有磚墻和灰縫清理

因為待加固的磚砌體墻面上有塵土，污垢和油漬，如圖5所示。為增加磚砌體結(jié)構(gòu)墻面與POM-UHPC加固層之間的附著性，提升兩者之間的粘結(jié)力，在進(jìn)行面層加固之前，施工人員要將磚墻表面原有裝飾層鏟除，清理干凈塵土、油漬、污垢和疏松物，地面處理整潔。清理完畢后，方可開展下一步工作。

圖5 清理磚墻表面

墻面原有裝飾層鏟除后，已松動的勾縫砂漿應(yīng)剔除。用鋼絲刷和壓力水刷洗凈，將灰縫剔深 8mm～ 10mm，用鋼絲刷刷凈殘灰，吹凈浮灰，最后灑水濕潤。

5.3 磚墻孔洞和磚塊破損填補(bǔ)

原墻體如果存在損壞或松動的磚塊，應(yīng)首先對其進(jìn)行替換或局部修補(bǔ)。原墻體存在裂縫時，應(yīng)對裂縫進(jìn)行填縫和壓力灌漿處理。所以，當(dāng)墻面凹凸不平處的深度小于30 mm之間時，在UHPC抹面前12 h，用1∶2水泥砂漿初步補(bǔ)平墻體空洞，如圖6所示，此做法有利于下一步抹面工序開展。

5.4 界面劑施工

按照相關(guān)的研究結(jié)果，將海菜粉按比例溶于水中配成膠水，然后在膠水中加水泥形成水泥漿，涂刷已經(jīng)進(jìn)行孔洞填補(bǔ)后的磚砌體墻，接著進(jìn)行下一步的UHPC抹面工序。

5.5 UHPC抹壓

磚墻表面填補(bǔ)完畢后，為了增加墻面粘著性，防止由于墻面過于干燥而使墻面粘結(jié)物不牢固，形成空鼓產(chǎn)生裂縫，施工人員要提前3h對墻面進(jìn)行往返灑水，潤濕墻面。待墻面稍干后，再壓UHPC抹至設(shè)計厚度。抹面厚度約20 mm。待全部完成后，即可開展下一步的水泥砂漿抹面，如圖7所示。

圖7 UHPC抹面

5.6 面層水泥砂漿找平

POM-UHPC抹面工作12 h完成后，為保證POM-UHPC強(qiáng)度，避免混凝土因在硬化過程中大量缺水導(dǎo)致混凝土龜裂，同時為保證后續(xù)UHPC強(qiáng)度和加固施工效果，施工人員對墻面澆水養(yǎng)護(hù)應(yīng)不少于72 h。養(yǎng)護(hù)后，施工人員開始水泥砂漿找平工作。找平采用混合比例為1∶2的水泥砂漿，施工人員需將調(diào)制好的水泥砂漿壓抹于加固后的磚墻上，最后將墻面抹平，表面觀感示意如圖8所示。

圖8 面層水泥砂漿抹平表面觀感示意圖

6 結(jié)論

本文以某磚混結(jié)構(gòu)砌體墻抗震加固為例，分析探討一種新型加固材料的制備方式和加固的施工工藝流程，得到以下結(jié)論：

(1)制備出性能優(yōu)異且具備墻體抹面施工和易性的UHPC。POM-UHPC抗壓強(qiáng)度超過100 MPa，滿足規(guī)范和設(shè)計對抗壓和抗剪的要求。

(2)提出了POM-UHPC加固磚砌體墻面的施工工藝。施工過程結(jié)果表明，按照施工工藝要求進(jìn)行施工，加固后的磚墻與UHPC面層黏結(jié)良好，POM-UHPC面層加固能夠滿足磚混結(jié)構(gòu)墻體加固要求。

(3)POM-UHPC對磚墻進(jìn)行抗震加固的方法可行。該加固方法免去支模及配筋，施工簡單且工期短，不增加結(jié)構(gòu)的自重，經(jīng)濟(jì)合理、安全可行。工程竣工前最后經(jīng)過專家組對現(xiàn)場進(jìn)行驗收，一致認(rèn)為POM-UHPC對磚墻進(jìn)行抗震加固的方法可行，這對同類工程具有借鑒意義。