以傳統灰漿為粘結材料的手工青磚砌體抗剪強度試驗研究*

丁 偉， 王占雷， 劉 波， 劉 超

(1河北省建筑科學研究院有限公司， 石家莊 050021； 2 河北建研建筑設計有限公司， 石家莊 050021)

0 引言

2000年以后，隨著社會經濟的迅速發展，中國文物保護事業進入了一個蓬勃發展的時期，通過第三次全國文物普查工作，我國不可移動文物數量達到了76萬余處[1]，其中包含大量的砌體結構文物建筑。為了詳細了解這些砌體結構文物建筑墻體的抗剪性能，本文結合多項砌體結構重點文物保護單位項目，開展了以純白灰(即素灰)、白灰砂漿、摻灰泥等傳統灰漿為粘結材料的手工青磚砌體抗剪性能試驗研究。

1 試驗概況

1.1 砌筑試件材料

通過對河北省地區砌體結構文物建筑的調查發現，其磚砌體普遍以傳統工藝燒制而成的手工青磚為塊材、以白灰基傳統灰漿為粘結材料，故本文砌筑試件所采用原材料如下：塊材采用以黏土為主要原料，按傳統工藝燒制成的同一批次的手工青磚[2-3]，規格尺寸為長280mm、寬140mm、厚65mm；粘結材料采用傳統灰漿，傳統灰漿采用氧化鎂含量4.2%、氧化鈣和氧化鎂總含量79.3%的生石灰以及黃土、中砂、自來水制備成的純白灰或1∶1摻灰泥(體積比)或1∶1白灰砂漿(體積比)或1∶3白灰砂漿(體積比)。

1.2 試件設計

本文砌體試件采用糙磚、仿絲縫兩種方式砌筑，其中糙磚砌筑試件為本文主要研究對象，按照灰漿類型分組，設計4組，每組試件9個，以純白灰為粘結材料的試件編號為JA1～JA9，以1∶1白灰砂漿為粘結材料的試件編號為JC1～JC9，以1∶3白灰砂漿為粘結材料的試件編號為JD1～JD9，以1∶1摻灰泥為粘結材料的試件編號為JE1～JE9；仿絲縫砌筑試件是為研究古建筑中等級較高的絲縫墻力學性能所設計的對比試件，僅設計以純白灰為粘結材料的試件1組(9個試件)，編號為JB1～JB9。

1.3 試件制作

參照《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T 50129—2011)[4]相關規定，采用由9塊青磚組成的雙剪試件，如圖1所示。

圖1 試件

試件的齡期到達預期水平后，將試件立放，先后對承壓面和加荷面采用不小于10mm厚的1∶3水泥砂漿找平。試件找平層施工過程中，采用水平尺和直角尺控制和檢查其平整度，使上下找平層相互平行并垂直于受剪面的灰縫。

1.4 試件砌筑材料強度

1.4.1 手工青磚抗壓強度

在砌筑試件所采用的手工青磚中隨機抽取磚樣10塊，依據《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)[5]中有關砌墻磚試驗方法規定，并參考丁偉等[6]的研究成果，對所抽取手工青磚抗壓強度進行試驗，實測其抗壓強度平均值為7.6MPa。

1.4.2 灰漿抗壓強度

依據《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T 50129—2011)[4]的規定，在試件的砌筑過程中，將每種灰漿制作立方體抗壓試塊1組，每組灰漿試塊數量為6個，灰漿試塊底模采用砌筑試件用的手工青磚，養護條件與試件相同(自然養護)，灰漿試塊抗壓試驗與砌筑試件抗剪試驗同時進行。所制作灰漿試塊抗壓強度按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)[7]的有關規定進行試驗，實測各灰漿試塊抗壓強度，并計算出每種灰漿試塊抗壓強度平均值，結果列于表1。

灰漿抗壓強度試驗結果匯總 表1

1.5 加荷架設計

本文試驗所采用的加荷架、荷載分配梁在項目現場自制，加荷架具有足夠的強度、剛度及穩定性，且橫梁能上下調節高度，詳見圖2。

圖2 加荷架示意圖

2 試驗過程及試驗現象

2.1 試驗過程

試件抗剪強度試驗采用50kN螺旋式千斤頂施加荷載，在千斤頂與試件之間放置力傳感器，讀取加載力。試驗時試件齡期約為90d。

試驗前，按照《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T 50129—2011)的規定測量受剪面尺寸。試件就位后，采用勻速連續加荷方法對試件施加荷載，控制試件在1～3min內破壞，記錄破壞荷載和破壞特征，并測量、記錄受剪破壞面的砂漿飽滿度。

2.2 試驗現象

5組試件的試驗破壞現象相似，試驗從加載至破壞前，試件未產生明顯破壞現象，直至加載至破壞荷載時，試件突然沿灰縫斷裂，脆性破壞特征明顯。試件破壞形式有單剪破壞和雙剪破壞2種形式，未出現青磚破損的情況，其中部分試件破壞情況如圖3所示。

圖3 典型試件破壞形式

不同破壞類型試件的數量及占比統計結果見表2。

不同破壞類型試件數量及占比統計結果 表2

由表2可見，有接近一半比例的試件出現單剪破壞，其原因是：1)加載試驗時三個受力面不能達到真正意義上的平行，兩條灰縫的受力存在差異；2)試件砌筑時無法保證兩條灰縫的厚度、均勻性及灰漿飽滿度完全一致，兩條灰縫的抗力存在差異。

3 試驗結果及其分析

3.1 試驗結果

5組試件全部完成試驗后，對試驗結果進行統計計算，結果列于表3～7。

砌體JA組試件抗剪試驗結果 表3

砌體JB組試件抗剪試驗結果 表4

砌體JC組試件抗剪試驗結果 表5

砌體JD組試件抗剪試驗結果 表6

砌體JE組試件抗剪試驗結果 表7

根據表1、表3～7試驗結果發現，除JB組試件灰漿飽滿度在40.1%～50.9%之間外，其他各組試件灰漿飽滿度均在80%以上。5組試件抗剪強度中JA組最高，JE組最低，JB組試件抗剪強度明顯低于同是純白灰砌筑的JA組試件。除JB組試件外，其他4組試件抗剪強度的大小與灰漿強度呈正相關關系，很好地驗證了灰漿強度是影響砌體抗剪強度的主要因素之一。JB組試件抗剪強度明顯低于JA組試件的主要原因是，灰縫厚度的顯著減小不利于灰漿粘結強度的發揮，不利于保證灰漿飽滿度，這一點在工程運用中要加以注意。

3.2 砌體抗剪強度平均值表達式

《砌體結構設計規范》(GB 50003—2011)[8]中規定，磚砌體抗剪強度平均值fv,m采用下式計算：

(1)

式中：fv,m為砌體抗剪強度平均值；k5為不同種類砌體影響系數；f2為砂漿抗壓強度平均值。

砌體試件抗剪強度結果 表8

由表8可見，5組試件的實測抗剪強度平均值均明顯低于規范(式(1))計算值，其中，JB組試件抗剪強度明顯低于同是純白灰砌筑的JA組試件。5組試件實測抗剪強度平均值明顯低于規范(式(1))計算值的主要原因是：1)傳統白灰基灰漿與青磚的粘接性能明顯低于水泥基砂漿；2)灰漿內部強度受表層硬化的阻止作用增長緩慢，較表層強度低。

根據試驗結果及其分析，規范(式(1))已不能準確預估該類砌體的抗剪強度，計算結果不安全。根據JA，JC，JD，JE試件的試驗結果，采用最小二乘法對式(1)進行修正，修正后計算公式如式(2)所示[9-10]。

(2)

此外，對于絲縫砌筑砌體，應在砌筑灰漿飽滿度為0.4～0.8之間時，其抗剪強度平均值均應在式(2)計算值基礎上乘以一個0.6～1.0的折減系數。

由于受到試件數量、齡期及灰漿強度限制，本文式(2)僅適用于灰漿強度在0.3～2.0MPa的手工青磚砌體的抗剪強度平均值的計算。當灰漿強度大于2.0MPa時，式(2)的合理性仍然需要大量試驗數據來完善和驗證。

3.3 砌體抗剪強度設計值

根據《砌體結構設計規范》(GB 50003—2011)規定，砌體的抗剪強度設計值計算公式如下：

fv=fvk/γf

(3)

fvk=fv,m(1-1.645δ)

(4)

式中：fv為砌體抗剪強度設計值；fvk為砌體抗剪強度標準值；γf為砌體材料強度分項系數，當施工質量控制等級為B級時，取=1.6；δ為試件抗剪強度變異系數，出于安全考慮，采用最大值0.19。

根據式(2)～(4)，可得到以純白灰、白灰砂漿、摻灰泥為粘結材料的手工青磚砌體抗剪強度設計值，見表9。對于絲縫砌筑砌體的抗剪強度設計值，應根據實際灰漿飽滿度情況，在式(3)計算值基礎上乘以一個0.6～1.0的折減系數。

手工青磚砌體抗剪強度設計值/MPa 表9

4 結論

(1)以純白灰、白灰砂漿以及摻灰泥為粘結材料的手工青磚砌體的受剪破壞具有脆性破壞特征，其破壞形式有單剪破壞和雙剪破壞2種形式。

(2)以純白灰、白灰砂漿、摻灰泥為粘結材料的手工青磚砌體試件的抗剪強度平均值均明顯低于燒結普通磚砌體規范公式計算值，尤以純白灰仿絲縫砌筑的JB組試件最低。