凍融循環下古磚砌體的受壓破壞研究

曹新宇 ,* ,3

(1.上海大學土木工程系,上海 200444; 2.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092;3.上海大學文化遺產保護基礎科學研究院,上海 200444)

0 引 言

我國在漫長歷史變遷中留下了大量珍貴的古建筑。由于年代久遠和環境影響,古建筑遭受不同程度的損壞。

國內外學者對砌體抗壓性能進行了大量研究。Cultrone等[1]研究了砌體結構的耐久性,得到了凍融情況下耐久性較好的灰漿組合;Gentilini等[2]發現,鹽的種類和風化周期對砌體結構性能具有很大影響;彭斌等[3]認為,可以使用貝葉斯方法、通過構造似然函數,估計現場信息不足時歷史建筑砌體的抗壓強度,結合直接法和間接法可以獲得砌體強度、降低推定結果的不確定性。童麗萍和時超[4]用數值模擬方法研究了傳統石砌房屋典型質量病害成因機理,認為最大剪應力出現在縱橫墻連接處;商效瑀等[5]基于損傷力學理論和應變等價原理,研究了凍融循環下軸心受壓砌體的損傷特征,建立了相應的本構模型,為相應氣候條件下砌體結構耐久性評估提供了理論基礎;鄭山鎖等[6]基于人工氣候模擬實驗室,對比分析了砌體試件破壞形態與凍融循環次數的關系;湯永凈和邵振東[7]使用大氣環境實驗艙,研究了非飽和水凍融情況下古磚的動彈性模量;劉箴和唐岱新[8]提出了建筑結構損傷的數學模型與相應的磚墻裂縫損傷計算公式;張晏齊等[9]研究了隧道施工對鄰近砌體結構變形的影響;王茂龍[10]運用損傷信號匹配技術,通過算例驗證對破環工況進行了預測分析;劉硯山和童麗萍[11]使用有限元分析手段,研究了罕遇地震下砌體結構裂縫的開裂情況;方林等[12]使用現場實測數據,研究了基坑施工對周邊既有砌體結構房屋的影響;余瓊和王觀麟[13]使用實例分析了砌體結構裂縫的成因,根據有限元模擬結果提出了裂縫的補救措施;劉航等[14]采用預應力筋加固磚砌體結構、增強了地震作用下結構的抗變形能力;吳昊等[15]提出以地震破壞控制為目的的結構抗震加固設計思路;徐金明等[16]使用視頻圖像反映巖石的變形破壞過程,為巖石問題的精細化研究提供了新的思路。

目前,在役砌體結構抗凍耐久性研究還不多,對凍融環境下古磚砌體的變化進行研究具有較好的實際意義。同時,使用圖像處理技術分析試驗結果,可以更好地進行定量化處理和實時化分析。本次研究將使用古磚凍融循環抗壓試驗結果與試驗圖像,運用圖像處理技術分析砌體試件的裂縫特征和凍融循環次數對古磚砌體抗壓性能的影響。

1 試驗方法

1.1 古磚樣品來源

試驗所用古磚樣品取自山西長治市平順縣一拆遷古民居,尺寸為280 mm × 135 mm × 70 mm。該古民居建于道光三年。當地年平均降水量為580 mm,年平均溫度為9.7 ℃,冬季最低氣溫為-30 ℃。

1.2 砌體制作

由于古磚樣品較為稀少、試驗具有不可重復性,所以本次試驗砌筑8組、共16個砌體試件。每個試樣由33塊磚砌成,灰縫厚度為10 mm,高厚比為3,試件外觀尺寸為280 mm × 425 mm × 870 mm (圖1)。

圖1 砌體試件示意圖Fig.1 Schematic plan of a masonry specimen

1.3 凍融循環試驗

1.3.1凍融循環破壞機理

多孔材料經凍融循環發生破壞可從宏觀和微觀兩個方面解釋。從宏觀角度來說,建筑材料熱膨脹系數不同,材料受凍時材料內部會產生應力,多次凍融循環使材料性能劣化。從微觀角度來說,材料受凍時,當含水量超過某一臨界值,孔隙中部分水結冰,導致體積膨脹、未結冰的水進入其它孔隙。為了克服黏滯阻力,材料中將產生靜水壓力、進而可能造成材料破壞。

1.3.2氣候環境模擬試驗系統

大氣環境實驗艙可以模擬不同的自然氣候,包括溫度變化、雨淋等。試驗時,大氣環境艙中溫度范圍在-20 ℃～20 ℃,雨滴直徑范圍控制在100～6 400 μm,雨淋強度為0～1.7 mm/min。

1.3.3凍融試驗

以山西長治市平順縣實際氣候情況確定凍融循環試驗。第一次凍融循環前砌體試件淋雨24 h,試驗時,在溫度降到-20 ℃開始計時、并持續5 h,然后升溫到20 ℃、耗時2 h,之后持續1 h,此后降溫1 h、降到10 ℃、并持續噴淋2 h,噴淋結束后降溫至-20 ℃。進入下一次循環。每5次凍融循環后,淋雨2 h補充水分。由于古磚在凍融35次時發生斷裂,所以設定最大凍融循環次數為35次。將上述8組16個試樣按照不同凍融次數分為0、5、10、15、20、25、30、35次。對應編號為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。一個凍融循環內的溫度變化曲線見圖2。

圖2 凍融循環溫度變化曲線Fig.2 Temperature variation curue in a freeze-thaw cycle

1.4 軸心抗壓試驗

將歷經不同凍融次數的試件從大氣環境實驗艙取出,放置于試驗機上,安裝4個位移計和6個應變片、分別測試橫向和豎向兩個方向的變形(具體位置如圖3所示)。進行軸心抗壓試驗時,每級加載10 kN、持續1 min,而后施加恒載2 min。將出現第一條裂紋時相應的荷載視為開裂荷載,將裂縫急劇擴展、表面出現脫落視為試件完全破壞。

圖3 位移計和應變計位置示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic plan of locations for displacement and strain gauges (Unit:mm)

加載結束后,用高清相機拍攝試件的外觀圖像(圖4)。為了后續圖像處理過程方便、處理結果真實,對每一級加載產生的裂縫用墨筆進行描繪、墨線位置與實際裂縫完全一致。由圖4可知,磚塊四周灰度差別不大,裂縫周圍稍顯模糊。

圖4 加載結束后試件的原始外觀圖像Fig.4 An original image after load ended

2 基于圖像處理技術的裂縫寬度計算

對原始圖像,本文采用MATLAB平臺、通過編程處理方式對圖像預處理、提取裂縫位置、計算裂隙寬度,進而對裂縫寬度變化進行分析。

2.1 圖像的預處理

試件四周較暗,且裂縫周圍不太清晰,為了改善裂縫周圍的模糊圖像、更好地將裂縫識別出來,對亮度進行了補償處理(研究時將原圖每一個像素值增加20)。同時,選取試件中裂縫存在區域作為研究區域、進行后續處理。

2.2 裂縫的提取

提取裂縫時,使用點選與統計法來確定裂縫區域對應的灰度閾值。因為只需從古磚中提取裂縫,可以將試件看成只含有裂縫和古磚兩種組分、忽略灰漿組分,且裂縫和古磚灰度為相鄰分布。設H1和σ1分別為古磚的灰度均值和方差,H2和σ2為裂縫的灰度均值和方差,兩種組分的灰度分界閾值T定義為:

(1)

式中:int為取整計算(因為實際灰度值為整數)。

裂縫和古磚區域的點選統計結果見表1。使用式(1),得到裂縫和古磚之間的灰度分界閾值(66)。

表1 裂縫和古磚區域的點選統計結果Table 1 Statistical results of cracks and ancient brick area

原始圖像(圖4)中,連續黑色物體是連接傳感器的電線,初步處理時發現該物體會對后續研究裂縫造成困擾,如圖5(a)所示。為了消除這一部分對識別結果的影響、使裂縫部分更為合理,需對閾值處理后的圖像進行處理。首先采取邊界對象抑制的方法去掉二值圖中的黑色電線,而后采取形狀特征描述的方法去掉圖中不需要的陰影團和雜質(小面積部分),最后對所得圖像進行形態學處理、采取半徑為2的圓形結構元素清除裂縫邊緣、連接裂縫區域的狹窄缺口和小洞,最終得到圖5(b)。使用這些圖像處理方法得到的裂縫位置,較好排除了電線、位移計、應變片、支架等對象的影響。

圖5 裂隙分布的二值圖Fig.5 Binary image of crack distribution

2.3 裂隙寬度的計算

根據二值圖像中裂縫的x、y坐標,依次累加裂縫所在位置某行(或者列)像素的個數,得到該處裂縫寬度水平分量和豎向分量(像素)。以試件10-1為例,計算機截取的矩形區域為長2 154個像素點、寬4 161個像素點,對應圖1的原型長寬尺寸、根據像素-實際物理量之間的比例關系,即可換算出相應裂縫的實際寬度。

3 裂縫寬度變化分析

3.1 裂縫分析

以試件10-1為例進行分析。試件的開裂荷載為150 kN;外荷繼續加大時,試件中出現少量寬度很小的裂縫;當荷載加到290 kN時,試件出現大量荷載,裂縫逐步相互交叉,出現貫通5塊磚的裂縫;隨著外荷的加大,試件中裂縫條數基本不變;荷載加大到340 kN時,試件中出現6條新生裂縫;荷載加到350 kN時,裂縫基本充滿整個墻面。

由于試件受壓之后出現眾多裂縫,對每條裂縫都進行研究不太現實,所以將試件中的裂縫分成中部和兩側,且兩側以左部和右部進行區分。在每一部分分析裂縫時,從頂部往下依次選取一條,如該部分沒出現裂縫即該處無數據。在試件10-1中不同位置的裂縫寬度變化見圖6。

圖6 不同區域裂縫寬度Fig.6 Width of cracks in different areas

由圖6可知,中部裂縫寬度相比左部、右部裂縫較小。中部最大裂縫寬度小于5 mm,而左右兩部分均超過6 mm,且中部寬度平均值為1.87 mm,左部為2.54 mm,右部為2.06 mm。

3.2 凍融循環次數對古磚砌體的影響

凍融循環后,古磚受壓性能的改變影響了古磚砌體的受壓破壞。圖7和圖8分別為不同凍融循環次數對應的開裂荷載和破壞荷載。

圖7 開裂荷載與凍融循環次數的關系Fig.7 Cracking load vs numbers of freeze-thaw cycles

圖8 破壞荷載與凍融循環次數的關系Fig.8 Failure load vs numbers of freeze-thaw cycles

由圖7和圖8可知,凍融循環次數的不同影響了古磚砌體的破壞,大致呈先上升后下降的趨勢。在凍融循壞次數達到20時,開裂荷載和破壞荷載均較大。

3.3 荷載對古磚砌體的影響

3.3.1破壞荷載對裂縫寬度影響

隨著荷載不斷增加,裂縫不斷擴展。當荷載達到破壞荷載,此時試件裂縫寬度往往最大。由圖9可知,不同試件破壞荷載與相應裂縫平均寬度關系沒有明顯的規律。

3.3.2開裂荷載與破壞荷載差值對裂縫寬度影響

由圖10可知,當開裂荷載與破壞荷載差值小于190 kN時,對應的裂縫平均寬度較小:差值為160 kN時,對應裂縫平均寬度最小,為1.28 mm;差值為170 kN時,對應的裂縫平均寬度稍大,為1.32 mm。當開裂荷載與破壞荷載差值大于190 kN時,對應的裂縫平均寬度在1.8 mm上下波動。

圖9 破壞荷載與裂縫平均寬度關系Fig.9 Failure load vs average of crack width

圖10 開裂荷載與破壞荷載差值對裂縫寬度關系Fig.10 Difference value between cracking load and failure load vs average of crack width

3.4 古磚砌體受壓破壞特征

圖11為凍融循環次數不同時古磚砌體第一階段加荷與破壞荷載的百分比。圖中顯示數據個數為13,是因為16個試件試驗時3個(15、20、25)凍融循環次數對應數據出現了重合現象。由圖11可知,出現第一階段時對應的荷載均小于破壞荷載的50%、平均為35.16%,遠低于正常砌體結構的50%～ 70%,第一階段顯著提前出現。

4 結 論

(1) 凍融循環次數會影響古磚砌體的受壓破壞,凍融循環20次時開裂荷載和破壞荷載較大。

圖11 不同凍融循環次數對應出現第一階段時的百分比Fig.11 Percentage of being in first stage in different freeze-thaw cycles

(2) 開裂荷載與破壞荷載差值小于190 kN時裂縫平均寬度較小,大于190 kN時裂縫平均寬度在1.8 mm上下波動。

(3) 凍融循環后古磚砌體出現第一階段對應的荷載與破壞荷載的百分比顯著變小、平均值為35.16%,第一階段顯著提前出現。

不同條件下古磚砌體力學性狀研究具有重要的實用價值,凍融循環次數、開裂荷載大小、破壞荷載大小、裂縫寬度變化之間的關系還需要進一步研究。使用圖像處理技術,可以分析試驗誤差、得到這些關系的更多細節。

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