基于數字圖像技術的TRC加固砌體裂縫發展研究

尹世平, 成帥安, 王 飛

（1.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室, 江蘇徐州 221116；2.中國礦業大學江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室, 江蘇徐州 221116）

磚石砌體結構建筑物仍然大量存在于很多國家和地區.由于建造時抗震設防等級較低, 在遇到地震時, 砌體墻可能受到平面內的荷載作用, 導致墻體發生剪切破壞, 使得建筑物部分或完全倒塌[1-2］.加固可以有效提升砌體墻的抗剪性能.

纖維編織網增強混凝土（TRC）是一種由纖維編織網與水泥基材料復合形成的連續纖維增強材料, 可以有效避免纖維增強聚合物（FRP）使用有機基體所帶來的缺陷, 適用于砌體墻的加固[3］.關于TRC性能的研究已經取得了一些成果[4-13］.文獻[7］研究了TRC加固砌體墻的面內受剪性能, 發現TRC加固砌體墻的抗剪強度提升了4～6倍.文獻[8-10］對比了單側和雙側TRC加固砌體墻的受剪性能, 發現雙側加固的效果優于單側加固, 但單側加固砌體墻具有更高的延性.鄧宗才等[14］研究了擬靜力作用下TRC加固砌體墻的抗震性能, 發現TRC加固可以有效改善砌體墻的脆性破壞模式.

本文通過數字圖像相關[15-17］技術（DIC）對TRC加固砌體墻的剪切試驗過程進行觀測, 獲取加固砌體墻微裂紋產生的位置和擴展路徑等, 同時結合應變云圖和砌體墻的破壞模式, 以期揭示TRC加固砌體墻的面內剪切破壞機理.

1 TRC加固砌體墻的面內抗剪試驗

1.1 試件分組

根 據ASTM E519/E519M-10《Standard test method for diagonal tension（shear）in masonry assemblages》的相關規定, 結合試驗條件和研究因素, 設計如表1所示的試件分組.試件編號的第1組字母和數字代表砌體墻的尺寸, 第2組字母和數字代表加固方式（U代表未加固試件, D代表雙側加固, C代表碳纖維TRC, 2代表加固層數）.

表1 試件分組Table 1 Specimen grouping

1.2 試驗材料

砌體墻試件采用煤矸石燒結磚和砂漿砌筑而成.燒結磚尺寸為240 mm×115 mm×53 mm, 根據JGJ/T 70—2009《砌體基本力學性能試驗方法標準》, 其實測抗壓強度平均值為9.93 MPa.砌筑所用砂漿配合比為m（水泥）∶m（砂子）∶m（水）=1.00∶5.09∶1.20, 采 用 尺 寸 為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊, 測得其28 d抗壓強度為11.8 MPa.

TRC加固所用的碳-玻纖維編織網的結構如圖1所示, 幾何參數及力學性能如表2所示.其中碳纖維束起增強作用, 玻璃纖維束起固定作用, 纖維束的間距為10 mm×10 mm.

表2 纖維編織網的幾何參數及力學性能Table 2 Mechanical properties and geometric parameters of carbon-glass fabric

圖1 纖維編織網的結構Fig.1 Structure of textile net

1.3 試件制作

TRC加固砌體墻的主要步驟為：（1）除去砌體墻表面的松動材料, 并在表面噴水浸潤3 min.（2）在砌體墻表面均勻涂抹1層4～5 mm厚的細粒混凝土.（3）將裁剪好的纖維編織網鋪設在墻體表面, 碳纖維束沿墻高度方向布置（在垂直于砂漿接縫方向布置纖維束有利于提高砌體墻平面內抗震性能, 也有利于提高砌體墻的面外抗彎及整體性能.加固實際砌體時要根據具體受力來確定碳纖維束的布設方向）, 鋪設時將纖維編織網輕輕按壓進入細粒混凝土, 以提高纖維編織網與細粒混凝土的界面黏結性能.（4）在試件表面再均勻涂抹1層4～5 mm厚的細粒混凝土.（5）雙側加固的試件在另一側重復以上步驟即可完成加固.若需要多層TRC加固重復步驟（2）～（4）即可, 本文采用2層加固.

合適的散斑大小、分布及其良好的黏接是取得可靠DIC分析結果的前提.加固后的試件養護28 d后即可在測試區域表面制作散斑用于DIC測試.制作散斑的步驟為：先在測試區域噴涂白色底漆, 底漆晾干之后用黑色記號筆隨機點畫散斑, 不宜過大, 保證散斑分布密集且無規律, 也可用黑色噴漆噴涂黑色散斑.試件測試區域的散斑如圖2所示.由于光強不穩定、周圍環境噪聲, 可能會給DIC測試結果帶來一定的誤差, 在試驗時需盡量保證光強穩定并且抑制環境干擾.

圖2 試件測試區域的散斑Fig.2 Speckle in the test area of the specimen

1.4 試驗裝置及加載制度

對角剪切試驗根據ASTM E519中的相關規范進行, 所用試驗器材主要包括液壓伺服壓力機、荷載傳感器、位移計和數據采集儀.試驗的加載及測量裝置如圖3所示.試件頂部的傳荷鋼座和壓力機之間放置100 t的荷載傳感器來記錄荷載.在試件的一側對角線方向放置導桿, 將2個位移計固定在導桿上來測量試件的橫向拉伸和縱向壓縮, 2個對角線方向的測試距離均為對角線長度的一半.荷載和位移通過數據采集系統連續采集, 采集頻率為1 Hz.另一側采用DIC測試試件的應變場, 如圖4所示.試件加載全程采用位移控制, 加載速率為0.2 mm/min, 加載至試件發生明顯破壞或荷載下降為峰值荷載的50%時, 停止加載.

圖3 試驗加載及測量裝置Fig.3 Test loading and measuring device

圖4 DIC設備Fig.4 DIC equipment

對比加固試件可以發現, 在砂漿加固層中沿墻高方向布置的纖維編織網, 可以在加固層基體開裂之后繼續提供抗拉強度, 保證了試件破壞時的完整性, 從而大大增加了試件的延性.試驗過程中未發現加固層有明顯的脫黏現象, 表明TRC與砌體墻具有良好的黏結性能.

2 結果及討論

2.1 破壞過程及破壞形態

圖5為未加固砌體墻的破壞模式.由圖5可見：（1）加載初期在2條對角線的方向發生了很小的縱向壓縮和橫向膨脹變形, 且均在彈性變形范圍內；在試件達到開裂荷載后, 裂縫首先出現在上部加載角附近.（2）隨著試驗的進行, 裂縫呈階梯狀迅速向下擴展, 穿過對角線附近的橫向和豎向灰縫, 并將部分磚塊分裂成2塊；裂縫在短時間內貫穿試件, 破壞具有典型的脆性特征；未加固的一二墻試件在最終破壞時不能保證完整性, 被分裂成兩半；幾組未加固墻的裂縫位置不同, 由于未加固砌體墻試件受施工質量的影響較大, 導致不同試件的薄弱位置不同, 但總體上裂縫都處于近似對角線的方向；未加固的二四墻試件與一二墻試件破壞過程相似, 但裂縫發展速度相對較慢, 且最終破壞時試件分裂成3個部分.

圖5 未加固砌體墻的破壞模式Fig.5 Failure modes of unstrengthened masonry walls

圖6為TRC加固砌體墻的破壞模式.由圖6可見：

圖6 TRC加固砌體墻的破壞模式Fig.6 Failure modes of TRC-strengthened masonry walls

（1）試件W1-DC2、W2-DC2和W3-DC2采用雙層碳-玻纖維TRC加固, 破壞過程相似, 在加載過程中裂縫首先出現在上部加載端；隨著荷載的增加, 裂縫沿對角線方向緩慢向下發展, 寬度也逐漸增加, 并且有新的裂縫產生.隨著裂縫沿縱向對角線方向貫穿試件, 加固層中的部分纖維編織網被逐漸拉斷, 試件表面形成1道明顯的主裂縫, 并喪失承載能力.由于使用雙側對稱加固, 試件兩側的裂縫幾乎同時發展, 且形狀和方向也近似對稱.

（2）破壞時裂縫的分散情況隨試件尺寸的增大而增加, 試件W1-DC2的長度和高度最小, 最終破壞時表面的裂縫數量最少, 為3條左右, 且長度也相對最短；試件W3-DC2的長度和高度最大, 破壞時表面的裂縫數量最多, 為10條左右, 多集中于上下2個角部附近, 裂縫分布更加均勻；試件W2-DC2的尺寸介于前述2組之間, 裂縫發展程度也同樣介于另外2組之間.產生上述現象的原因主要在于, 在加固層數相同的情況下, 各試件的約束效果一致, 但墻的長度和高度越小, 試件內部的缺陷就越少, 發生破壞的可能性就越低, 故裂縫的發展程度就低.試件W4-DC2的裂縫首先在上部加載端附近出現, 裂縫數量較少, 并隨著荷載的增加迅速沿對角線方向向下發展, 且寬度不斷增加.當試件達到極限承載力時, 主裂縫在對角線方向貫穿試件.裂縫處的纖維編織網受到了砌體墻橫向變形產生的拉力, 纖維束外圍的纖維單絲與基體發生摩擦, 內部的纖維單絲無法充分浸漬到基體中, 發生脫黏并從基體中被拔出, 在拉力和摩擦力的作用下, 纖維束從外圍向內部逐漸發生斷裂.加固后的試件在破壞時, 其完整性可得到保證.

2.2 剪應力-應變曲線

根據ASTM E519, 砌體墻的剪應力（τ）計算式為：

式中：P為荷載, N；An為試件的凈面積, mm2.其中,An根據式（2）計算.

式中：h和w分別為試件的高度和寬度, mm；t為試件的厚度, mm；n為實心單位面積百分比, 本文中n=1.砌體墻的剪應變（γ）計算式為：

式中：Δx為試件的橫向拉伸變形, mm；Δy為試件的縱向壓縮變形, mm；g為測點間的標距, mm, 本文g為對角線長度的一半.

根據DIC的測試結果, 得到了試件中心區域的應變場, 從而清楚地看到試件測試區域的應變隨荷載變化的過程.試件加載過程中, 隨著應變的變化, 試件中心區域的應變場也不斷發生變化.為了清晰地反映應變場隨應變的變化, 在應力-應變曲線中選擇了幾個有代表性的點, 分別是初始狀態、開裂狀態和極限荷載狀態, 將這4個點的應變場標注在剪應力-剪應變曲線圖中, 如圖7所示.

圖7 剪應力-剪應變曲線及應變場Fig.7 Shear stress-shear strain curves and strain field

由圖7可見, 未加固砌體墻試件在達到峰值荷載后立刻發生坍塌, 所以剪應力-剪應變曲線中缺少峰后段.對于TRC加固砌體墻試件, 其剪應力-剪應變曲線大致分為3個階段：

（1）彈性階段：試驗初期, 剪應力-剪應變曲線幾乎呈直線, 剪應力、剪應變呈線性關系, 且TRC加固砌體墻試件的剪應力-剪應變曲線斜率大于未加固砌體墻試件, 說明加固提高了砌體墻試件的剛度.

（2）開裂階段：此階段加固層與砌體墻協同受力, 當荷載達到70%左右的峰值荷載時, 試件表面開始出現裂縫, 剪應力-剪應變曲線的斜率開始逐漸減小.

（3）破壞階段：加載至極限荷載后進入破壞階段, 剪應力開始下降.部分TRC加固砌體墻試件的剪應力-剪應變曲線出現了一段平臺期, 說明其具有較好的延性.

2.3 結果討論

砌體墻試件的荷載及抗剪強度如表3所示.表中Pmax為試件所承受的最大荷載,Pcr為開裂荷載,τmax為抗剪強度.由表3可見：

表3 試件的荷載及抗剪強度Table 3 Load and shear strength of specimens

（1）對于試件W1-DC2, 加固后極限荷載增加了125.9%.加載至282 kN時, 試件應變云圖上有2處明顯的應變集中現象, 將DIC照片放大后可看到表面有輕微的裂縫, 即可認定為試件開裂, 此時測試顯示最大主應變為0.99%；隨著試驗的進行, 2處應變集中逐漸發展, 進而匯聚成1條主裂縫, 云圖中顯示的應變逐漸增大, 到達極限荷載時裂縫已經變得非常明顯, 最大主應變為11.19%；隨著加載的進行, 荷載開始下降, 應變繼續變大, 荷載降至300 kN左右時試件基本破壞, 此時測得的最大主應變為14.95%, 應變云圖已經有了明顯的斷裂.

（2）加固試件W2-DC2的極限荷載提升了159.1%, 在最大主應變為0.96%時發生了開裂, 從云圖中可見裂縫沿近似對角線方向發展, 此時荷載為243 kN；荷載達到329 kN時不再增加, 此時裂縫已經變得肉眼可見, 應變云圖中顯示最大主應變為17.39%；當荷載下降至206 kN左右時, 試件基本破壞, 中心測試區域的最大主應變為22.16%.

（3）對于加固試件W3-DC2-2, 其極限荷載提升了271.7%, 開裂時應變云圖中的最大主應變為1.67%, 略高于前述2個試件, 從云圖中可見多處應力集中, 此時荷載為228 kN；達到極限荷載（282 kN）時最大主應變為19.07%；荷載降至180 kN時, 此時應變云圖中的最大主應變為24.39%, 且裂縫寬度已超出DIC量程, 應變云圖中出現了連續的斷裂.

（4）加固試件W4-DC2-2的極限荷載提升了107.2%, 在荷載為380 kN時表面出現了細微的裂縫, 此時最大主應變為0.70%；荷載增加至580 kN時達到峰值, 此時云圖中顯示的最大主應變為20.18%, 且測試區域下端的裂縫寬度較大, 在應變云圖相應的部位出現了斷裂；荷載降至465 kN時, 應力云圖已基本分裂為2個部分, 最大主應變為25.20%.

（5）對比上述幾個試件的測量結果, 發現當砌體墻厚度一定時, 長度和高度越大, 極限荷載越小, 但極限應變越大, 與應力-應變曲線較為吻合.試件W3-DC2-2和W4-DC2-2在極限荷載和最終破壞時, 應變云圖中的最大主應變差別不大.這2個試件的測試區域面積相同, 說明裂縫寬度相近, 但厚度較大的試件承載力要高出許多.

2.4 主裂縫及附近測試點應變

進一步選取了每個試件主裂縫附近的點, 測試點的應變隨試件的變化, 結果如圖8所示.由圖8可見：

圖8 主裂縫及附近測試點的應變Fig.8 Strain of main crack and nearby test point

（1）試驗加載初期, 試件的TRC基體表面并沒有明顯的應變.此時試件的剪應力較小, 主要由原砌體結構承受荷載, 且處于彈性變形范圍內.隨著加載的進行, 各試件在不同的時間點逐漸產生應變, 此時應變云圖上也出現了不同程度的應力集中, 這說明原砌體結構受到的剪力傳遞至加固層, 原砌體結構開始與加固層協同受力.

（2）不同試件在加載時的某個時刻會發生應變的突變, 如試件W1-DC2在920 s左右, 試件W4-DC2在590 s左右, 此時基體表面產生裂縫, 此后應變增加的速率變大.

（3）試驗加載后期達到破壞階段, 此時各試件的測試點都表現出了應變的突然增大, 表明裂縫寬度過大, 纖維編織網被拉斷或發生較大應變, 已不能夠約束試件的變形.此外還發現, 主裂縫上的測試點最終應變較大, 一些試件表面有多條傳遞路徑, 產生了次生裂縫, 這些裂縫上的測試點也有一定的應變, 但離裂縫較遠的地方沒有發生明顯的變形.

3 結論

（1）應變局部增大處與微裂紋開裂位置相吻合, 局部應變增大的時間早于可觀察的裂紋形態, 表明利用應變場數據進行微裂紋探測方法的有效性和高靈敏度.

（2）TRC加固砌體墻的抗剪強度都有顯著的提升, 其開裂荷載為極限荷載的65%～88%.