貫入法檢測傳統灰漿抗壓強度試驗研究*

丁 偉

(河北省建筑科學研究院有限公司， 石家莊 050021)

0 引言

河北地區有較大比例的以砌體結構為主要豎向受力構件的古代以及近現代文物建筑。這些文物建筑在漫長歲月里經受了不同自然條件下的侵蝕和人類活動的破壞，有的亟待搶修，有的需要有針對性的加固。為準確評估這些文物建筑砌體結構承載能力，研究作為砌體結構重要組成部分的砌筑灰漿，找到檢測其抗壓強度的無損檢測手段則尤為重要。貫入法作為一種快捷、準確的無損檢測技術，為較理想的傳統灰漿抗壓強度無損檢測方法。但現行《貫入法檢測砌筑砂漿抗壓強度技術規程》(JGJ/T 136—2017)[1](簡稱砌筑砂漿規程)中只有針對預拌砂漿、現場拌制水泥混合砂漿、現場拌制水泥砂漿等現代砂漿的測強曲線，對文物建筑墻體砌筑傳統灰漿，尚無系統研究，未建立專用測強曲線。基于上述問題，本文結合河北地區多項全國重點或省級文物保護單位項目，以純白灰、多種配比白灰砂漿、摻灰泥等傳統灰漿為研究對象，制備大量砌體試件及灰漿試塊，對貫入法檢測傳統灰漿抗壓強度進行了系統研究。

1 試驗概況

1.1 試驗設備

本次試驗中，貫入法測試采用型號為SJY800B的貫入儀，貫入儀及測釘主要技術參數見表1。灰漿試塊抗壓試驗采用WDW-50型微機控制電子萬能試驗機，最大力值50kN。

貫入儀及測釘主要技術參數 表1

1.2 試驗方法設計及試件制備

根據對河北地區現存古建筑城墻、磚塔等砌體結構灰漿，以及近現代砌體結構文物建筑灰漿情況的調查，其大多以石灰為基礎，摻入不同摻和料制備，根據實際情況共選用純白灰、1∶1白灰砂漿、1∶2白灰砂漿、1∶3白灰砂漿、1∶1摻灰泥5種灰漿。每種灰漿均采用規格為280×140×70的小停泥磚砌筑280×860×1 800的砌體試件(或直接利用保護維修工程中可用新砌墻體)6件(1組)，共計30件(5組)，每件試件設計4個測區，分別于齡期30，90，180，400d各進行1個測區的貫入試驗。在砌筑砌體試件過程中，每種灰漿制作4組以小停泥磚為底模，同條件養護邊長為70.7mm的立方體試塊，每組18塊(6塊試塊進行抗壓強度試驗，12塊試塊進行貫入試驗)，分別于齡期30，90，180，400d各進行1組抗壓強度及貫入試驗。

通過對砌筑砌體試件灰縫及同條件養護灰漿試塊同時進行多齡期對比貫入試驗，研究砌體中灰縫和灰漿試塊貫入深度的相關關系。通過對所制備砌體試件同條件養護的灰漿試塊進行多齡期抗壓強度試驗，建立各類灰漿抗壓強度隨齡期增長曲線。由砌體試件灰縫貫入試驗及同條件養護灰漿試塊抗壓強度試驗結果，依據砌筑砂漿規程規定的測強曲線的制定方法建立傳統灰漿貫入法測強曲線。

2 試驗過程及試驗結果

2.1 試驗過程

針對第1.2節所制備的砌體試件與同條件自然養護灰漿試塊進行如下試驗。

2.1.1 砌體試件灰縫貫入試驗

(1)將純白灰、1∶1白灰砂漿、1∶2白灰砂漿、1∶3白灰砂漿、1∶1摻灰泥5種灰漿砌體試件，分別按A，B，C，D，E編號；每種灰漿的砌體試件按順序編號；每個砌體試件劃分4個測區也按順序編號，如A-1-1表示1號純白灰砌體試件的第一測區。

(2)分別在砌體試件養護30，90，180，400d時，按順序在每種灰漿每個砌體試件的第一、第二、第三、第四測區內進行貫入試驗，在水平灰縫上均勻測試16點，去掉3個較大值和3個較小值，計算余下10個貫入深度值的平均值并記錄。

2.1.2 灰漿試塊貫入試驗

(1)將與砌體試件同時制作的同條件養護的5種灰漿試塊，按A，B，C，D，E編號，與砌體試件相對應。

(2)將每種灰漿所制作的4組同條件養護立方體試塊按順序編號，如A-1表示第1組純白灰試塊。每組18塊試塊，取其中12塊試塊進行貫入試驗。

(3)分別在試塊養護30，90，180，400d時，對每種灰漿進行1組灰漿試塊的貫入試驗。在進行貫入試驗時，先將灰漿試塊可靠固定，然后在灰漿試塊的成型側面進行貫入試驗，每塊試塊進行一次貫入試驗，并記錄貫入值。

2.1.3 灰漿試塊抗壓強度試驗

(1)將與砌體試件同時制作的同條件養護的5種灰漿試塊按A，B，C，D，E編號，與砌體試件及貫入試驗灰漿試塊相對應。

(2)每種灰漿所制作的4組同條件養護立方體試塊按順序編號，如A-1表示第1組純白灰試塊。每組18塊試塊中的6塊試塊進行抗壓強度試驗。

(3)在試塊養護30，90，180，400d時，每種灰漿分別進行1組灰漿試塊的抗壓強度試驗。

(4)灰漿試塊的抗壓強度試驗，參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)[2]規定的試驗步驟進行，加荷速度取50～150N/s，試塊破壞后記錄破壞荷載。

2.2 試驗結果

待全部試驗完畢，每種灰漿均可得到所含6個砌體試件分別在30，90，180，400d所測得的灰縫貫入深度平均值，以及與其相對應的分別在30，90，180，400d所測得的1組灰漿試塊貫入深度平均值和1組灰漿試塊抗壓強度平均值，結果見表2。

試驗結果匯總 表2

值得說明的是，在試驗過程中發現，在齡期為30d時，灰漿試塊在貫入試驗中普遍出現開裂的現象；在齡期為90d時，貫入開裂現象有所改善，但仍占有一定比例；在齡期為180d時，貫入開裂現象明顯改善，僅出現個別貫入開裂的情況；在齡期為400d時，未出現貫入開裂的情況。分析貫入開裂原因是由石灰所具有的氣硬性、早期強度低、凝結硬化慢的特性所決定的。

3 試驗結果分析

3.1 砌體灰縫與灰漿試塊貫入深度相關關系的建立

為獲得較大范圍強度的相關關系曲線，采用不同齡期試塊調節貫入深度；為適應灰漿配比未知時的檢測，將5種灰漿不分品種混在一起建立砌體試件灰縫與灰漿試塊貫入深度相關關系，見圖1。

圖1 砌體灰縫與灰漿試塊貫入深度相關關系

由圖1可知，砌體灰縫上測得的貫入深度與灰漿試塊上測得的貫入深度相關關系回歸公式如下式(線性相關系數為0.964)：

md=1.132 7md′+0.677 7

(1)

式中：md為砌體灰縫上測得的貫入深度；md′為灰漿試塊上測得的貫入深度。

3.2 灰漿試塊抗壓強度隨齡期增長曲線的建立

依據表2繪制各種灰漿試塊抗壓強度隨齡期增長曲線，見圖2。由表2及圖2可見，各類灰漿試塊抗壓強度均隨齡期的增長而增大，初始增長斜率較大，隨著齡期的增長，灰漿試塊抗壓強度呈減緩趨勢。在齡期為30d時，5種灰漿試塊抗壓強度較接近，相對而言1∶3白灰砂漿試塊抗壓強度最高，摻灰泥和純白灰試塊抗壓強度最低，隨著齡期的增長，純白灰試塊抗壓強度增大得最快，1∶1白灰砂漿次之，再次之為其他3種灰漿。最終到齡期為400d時，純白灰試塊抗壓強度最高，1∶1白灰砂漿次之，1∶2白灰砂漿及1∶3白灰砂漿再次之，摻灰泥最低。純白灰試塊抗壓強度，較其他灰漿試塊前期低后期高，而砂含量的增加使得白灰砂漿試塊的抗壓強度較純白灰試塊前期高后期低，說明在試塊成型后的早期，砂的加入促進了灰漿試塊的硬化。由各種灰漿試塊抗壓強度隨齡期增長曲線趨勢可判斷，在齡期至400d后，灰漿試塊的抗壓強度依然在緩慢增長，說明各種灰漿試塊抗壓強度的增長是一個緩慢而長久的過程。

圖2 各種灰漿試塊抗壓強度隨齡期增長曲線

3.3 貫入法測強曲線的建立

一方面，由于灰漿試塊抗壓強度隨齡期增長緩慢，低齡期灰漿試塊進行貫入試驗時，試塊普遍出現開裂現象，對貫入結果造成了較大影響；另一方面，由于對古建筑砌筑灰漿進行貫入試驗是在灰縫中進行的，故本文用砌體試件建立傳統灰漿測強曲線[3]。

為獲得較大范圍強度的貫入法測強曲線，采用不同齡期砌體試件及灰漿試塊調節貫入深度及抗壓強度[4]；為適應灰漿配比未知時的檢測，將5種灰漿不分品種混在一起，研究砌體試件灰縫貫入深度與同時制作同條件養護的灰漿試塊抗壓強度的關系，建立貫入法測強曲線。參照砌筑砂漿規程專用測強曲線制定方法規定，將每一組砌體試件灰縫的貫入深度平均值和對應的試塊抗壓強度平均值，采用冪函數形式進行最小二乘法回歸分析[5]，得到貫入法測強曲線見圖3，回歸公式見式(2)，并分別計算貫入法測強曲線的相關系數、平均相對誤差和相對標準差，結果列于表3。

(2)

圖3 傳統灰漿貫入法測強曲線

表3

如表3所示，所得貫入法測強曲線的平均相對誤差不大于18%，相對標準差不大于20%，滿足砌筑砂漿規程要求，可作為純白灰、白灰砂漿以及摻灰泥的通用貫入法測強曲線。受到試驗灰漿強度范圍的限制，為確保公式的準確性，其適用范圍為0.3～3MPa，當超出適用范圍時，應進行驗證后使用或建立專用曲線。

4 與現代砂漿貫入法測強公式比較

將式(2)與砌筑砂漿規程附錄D中預拌砌筑砂漿、現場拌制混合砌筑砂漿以及現場拌制水泥砌筑砂漿貫入法測強曲線回歸公式進行對比，其公式見表4。

貫入法測強曲線回歸公式 表4

將表4中的4條貫入法測強曲線繪制于圖4可知，在貫入深度較大(md>14mm)時，傳統灰漿與另外3條測強曲線較為接近，相對而言，灰漿抗壓強度略高于另外3種砂漿的抗壓強度；當貫入深度較小時，灰漿與另外3條測強曲線差別較大，隨著貫入深度的減小，3種現代砂漿與灰漿的抗壓強度差值呈增大趨勢。這說明現代砂漿貫入法測強曲線并不適用于傳統灰漿的抗壓強度推定，以灰漿貫入深度套用現代砂漿測強曲線計算抗壓強度，將會造成較大偏差，取值過高，偏于不安全。對于以純白灰、白灰砂漿以及摻灰泥為粘結材料砌筑的古代砌體及近現代文物建筑，灰漿抗壓強度的貫入法測定采用本文專用測強曲線更為符合實際，并符合文物保護無損檢測的要求。

圖4 貫入法測強曲線對比圖

5 工程驗證

結合實際項目，對圖3測強曲線的可靠性進行驗證[6]。在中央人民廣播電臺舊址項目中，以小停泥磚為塊材，以白灰砂漿為粘結材料，砌筑尺寸為530×530×2 100的獨立磚柱3個(其中1個為文物建筑本體中原位新砌柱)，劃分為6個測區，分別在齡期為30，60，90，180，360，540d時，各進行1個測區的貫入測試；在砌筑磚柱過程中，制作6組同條件養護立方體試塊(每組3塊試塊)，分別在齡期為30，60，90，180，360，540d時，與貫入測試相對應各測試1組灰漿試塊抗壓強度。結合陽原澍鷲寺塔修繕項目，砌筑尺寸為320×2 000×1 800的以純白灰為粘結材料的手工青磚砌體試件1個，劃分為4個測區，砌筑試件過程中制作4組同條件養護立方體試塊(每組3塊試塊)，分別在齡期為30，60，90，120d時，進行1個測區的貫入測試及1組試塊抗壓強度測試。將在兩個項目中所得到的10個測區的貫入深度平均值依據式(2)計算抗壓強度換算值，與所得到的10組灰漿試塊抗壓強度平均值進行對比計算得出圖3測強曲線平均相對誤差為13.4%，相對標準差為15.6%。

6 結論

(1)研究了砌體中傳統灰漿灰縫和灰漿試塊貫入深度的相關關系，得出線性回歸公式為：md=1.132 7md′+0.677 7。

(2)開展了各灰漿試塊抗壓強度隨齡期增長試驗研究，建立了各種灰漿試塊抗壓強度隨齡期增長曲線。