中國古代磚砌體力學(xué)性能研究綜述

夏 倩，孫源清，李琰君，李懿卿

(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安 710048；2.陜西科技大學(xué)設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院，陜西西安 710021；3.西安建大維固工程檢測鑒定有限公司，陜西西安 710054)

0 引 言

古建筑作為歷史文化的載體，反映了國家歷史的輝煌，展現(xiàn)了以往中國文化藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)的偉大成就[1]。要以發(fā)展的眼光來研究保護古建筑及其被賦予的歷史文化屬性，讓古建筑文化保存于世[2]。磚石材料是現(xiàn)存古建筑中占比較大的材料類型之一，磚石古建筑是歷史發(fā)展和建筑文化的見證者。磚石古建筑一旦破損毀壞，所承載的歷史信息也難以失而再得。因此，研究磚石古建筑材料的基本力學(xué)性能和損傷機理，對古建筑修繕保護有著重要意義。

本工作將從古代磚砌體材料(磚、灰漿、砌體)性能及砌筑方法、古磚砌體的材料力學(xué)性能以及古建筑砌體的研究方法和進展等方面總結(jié)分析中國古代磚砌體材料基本力學(xué)性能研究現(xiàn)狀。

1 古磚砌體組成材料及砌筑方法

砌體結(jié)構(gòu)是指將由塊體和砂漿砌筑而成的墻、柱作為建筑物主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系[3]。

1.1 中國古磚材料特性及制備工藝

1.1.1古磚材料特性 中國的古建筑(例如長城、故宮、大雁塔等)其砌體承重結(jié)構(gòu)材料大多以黏土磚為主[4]。主要原料為黏土，通常黏土含有高嶺石、蒙脫石、伊利石等含水鋁硅酸鹽礦物等[5]。黏土制模后燒制成的磚，以灰漿等膠結(jié)材料粘接，具有較好的耐久性、抗壓性，在中國建筑史上不可或缺[6]。磚是最早用于建筑的材料之一，主要用于我國古代建筑的維護結(jié)構(gòu)，如防水及易磨損的部位。由于其良好的物理性能及經(jīng)濟性，燒結(jié)黏土磚是中國古建筑主要建筑材料[7]，與現(xiàn)代工藝生產(chǎn)的水泥及混凝土相比，古磚內(nèi)部成分結(jié)構(gòu)更為均勻[8]。磚材本身具有隔熱防火、性能穩(wěn)定等良好的物理化學(xué)性能和足夠的抗壓強度等良好的力學(xué)性能[9]，同時制磚材料能就地取材、耐久性好，磚材大小尺寸規(guī)格化、模數(shù)化，保證砌筑方便和砌體規(guī)整等優(yōu)越性。

1.1.2古磚制作工藝 宋應(yīng)星撰寫的《天工開物》[10]對古磚的生產(chǎn)工藝進行了詳細(xì)介紹(圖1)：掘地辯驗土色，或藍(lán)、或白、或紅、或黃(福建、廣東多紅泥，江蘇、浙江多藍(lán)色)。土以“粘而不散、粉而不沙者為上”，然后“汲水滋土、踏成稠泥﹑填滿木框、而成坯形、裝入窯中、用木柴或煤炭燃燒”。為了提高磚的強度和硬度，古人還采用“淬火”技術(shù)，對窯中高溫中的磚坯“灌水其上、水火相濟、其質(zhì)千秋也”[11]。

圖1 《天工開物》中描述的磚瓦燒制過程[10]

我國傳統(tǒng)燒結(jié)磚制作工藝是：預(yù)熱排潮(烘窯)；焙燒升溫(發(fā)大火)；焙燒保溫(燒后火)。黏土中含有鐵，燒制過程中鐵完全氧化時生成Fe2O3呈紅色，即紅磚；在燒制過程中加水冷卻，使黏土中的鐵不完全氧化(Fe3O4)則呈青色，即青磚[12]。青磚中的鐵不完全氧化，使其抵御氧化、風(fēng)化、水化等特性優(yōu)于紅磚，耐久性更好[13]。現(xiàn)行古建筑磚料名稱及規(guī)格見表1。

表1 現(xiàn)行古建筑磚料名稱及規(guī)格[14]

1.2 膠凝材料特點及類型

1.2.1石灰基膠凝材料特點 能將砂石、磚塊和石材等粘結(jié)成整體的材料統(tǒng)稱為膠凝材料[15]，包括泥漿、灰漿、橡膠和瀝青等。其中，石灰基膠凝材料的應(yīng)用較多[15]。根據(jù)硬化和固結(jié)條件的不同，凝膠材料可分為氣硬性凝膠材料和水硬性凝膠材料，其中氣硬性凝膠材料如石灰、石膏，水硬性凝膠材料如水泥等[16]。石灰是中國古代最早使用的重要膠凝材料，主要成分是氫氧化鈣、氧化鈣，廣泛應(yīng)用于房屋、墓葬、城墻、堤壩等古代建筑工程中[17]。在歷史文物保護修復(fù)中，使用高強度、孔隙度低的水泥，與古建筑本體材料不兼容，且會引入可溶性鹽對古建筑造成損傷[18]。“修舊如舊”、盡可能不改變原來的材料和工藝技術(shù)已經(jīng)成為古建筑修復(fù)的一條基本原則。保存至今的磚石古建筑大都使用了石灰基膠凝材料[19]。宋代《宋會要》一書中記載：公元1170年南宋乾道六年修筑和州城“其城壁表里各用磚灰五層包砌，糯米粥調(diào)灰輔砌城墻，經(jīng)久堅固”。由此可見，由糯米粥和石灰調(diào)治的古代砌筑砂漿具有很好的強度和耐久性能。以石灰、糯米漿等材料制成的石灰基膠凝材料，如糯米灰漿和三合土，在固化粘結(jié)過程中石灰和糯米漿相互協(xié)同，具有較好的粘結(jié)性能和耐久性，與建筑本體和環(huán)境諧調(diào)[20]。現(xiàn)代實驗技術(shù)驗證了“糯米漿的主要成分為支鏈淀粉……和碳酸鈣顆粒一起形成了有機/無機協(xié)同作用的復(fù)合結(jié)構(gòu)……猶如人和動物的骨骼和牙齒……表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和韌性”[21]。

1.2.2膠凝材料類型 中國古代建筑采用石灰摻有機物的膠凝材料，如“石灰-糯米”“石灰-血料”“石灰-桐油”“石灰-白技”以及“石灰-糯米-明礬”等。

1)傳統(tǒng)糯米灰漿。明朝的《天工開物》[10]對糯米灰漿的組成、制作方法和性能都有詳細(xì)記載：“灰一分入河砂，黃土二分，用糯米、羊桃藤汁和勻，經(jīng)筑堅固，永不隳壞，名曰三合土”。糯米漿摻入三合土，即為糯米灰漿，其強度、耐久性較好[22]。糯米灰漿制作方法雖然略有差別，但其制備工藝并不復(fù)雜。糯米漿與石灰混合制成的糯米灰漿，其粘結(jié)性能、抗壓強度、防滲性及耐久性等較好，表明糯米灰漿應(yīng)用的科學(xué)性及合理性[23]。

2)血料灰漿。血料灰漿是將動物血和石灰混合而成的，具有一定粘結(jié)性能，表面光潔，防滲性及耐久性好。血料灰漿最初用于涂抹地面防潮抗裂，后來逐步改進，和桐油、蛋白質(zhì)等物質(zhì)復(fù)配，增加粘結(jié)性和耐久性等協(xié)同作用，大量應(yīng)用于彩畫地仗、漆器等方面[24]。

3)桐油灰漿。桐油灰漿主要由灰漿和熟桐油制成，主要成分為碳酸鈣和羧酸鈣(桐油和氫氧化鈣的反應(yīng)產(chǎn)物)，摻入熟桐油能加快早期灰漿的凝結(jié)固化過程，使其具有較好的粘結(jié)性能及防水防滲性，廣泛應(yīng)用于勾縫、墓葬、水利等工程[19]。

另外在石灰中加入蛋白質(zhì)、植物汁液(如楊桃藤汁、蓼葉汁和白芨漿)等具有良好的粘結(jié)性能，多用于古建筑、木船和木結(jié)構(gòu)等[21]。

1.3 古磚砌體類型及砌筑方法

中國古代磚建筑按使用類型可分為磚墓室、磚塔、磚城墻、磚拱橋、磚窯洞和磚砌無梁殿等；按結(jié)構(gòu)形式主要分為梁板式、拱券式、穹窿式和條磚砌體等[25]。除宮廷建筑與寺廟建筑，中國古建筑絕大部分是傳統(tǒng)民居建筑[26]。

古建筑墻磚的擺置方式有臥磚、陡板磚、甃磚、線道磚、疊澀等幾種[27]。其中，臥磚墻最為常見，磚大面朝上平放，長身面露明；陡板磚，磚立放，陡板面露明，這種擺放方式多見于南方建筑與民居中；甃磚，磚立放，丁頭面露明，多見于臺階、臺明、南方建筑墻身、窗臺等部分；線道磚，磚擺放時，從外皮向內(nèi)層層收進，多見于城墻；疊澀，磚擺放時，從里皮向外層層挑出，使用不多，見于無量殿。磚的擺置方式見圖2。

圖2 古建筑墻磚的擺置方式[27]

古建筑墻面常用的組砌方式有：十字縫、一順一丁式、三順一丁式、五順一丁式、落落丁(全丁式)、多順一丁式(多層順磚，一層丁磚)[27]。

1)十字縫：又稱“全順式”，順磚砌筑，上下層磚錯縫搭接，磚縫呈十字形，該做法節(jié)省磚材，墻面平整。

2)一順一丁式：又稱“梅花丁”，多用于明代墻體砌筑，同一層順磚和丁磚交替，該做法拉結(jié)性好，但比較費磚。

3)三順一丁式：又稱“三七縫”，三塊順磚與一塊丁磚相間排列，此做法兼具十字縫和一順一丁式的優(yōu)點，墻體拉結(jié)性較好，墻面效果也較完整。

4)五順一丁式：五塊順磚與一塊丁磚相間排列，該做法拉結(jié)性低于三順一丁式，使用較少。

5)落落丁：又稱“全丁式”，一般僅用于糙磚墻，多見于城墻、宮殿及王府院墻中。

6)多順一丁式：多層順磚與一層丁磚相間排列，多見于地方建筑。

古建筑磚墻面常見的組砌方式見圖3。

圖3 古建筑墻磚的組砌方式[27]

2 古砌體組成材料基本力學(xué)性能

對古代磚石材料的力學(xué)性能研究，是目前對古代磚石建筑合理科學(xué)保護的基礎(chǔ)要求。常規(guī)力學(xué)試驗需要足夠的磚石文物樣品，由于古建筑的特殊性，破損檢測具有較大局限性，大多研究更多采用無破損的方法。現(xiàn)存的古代磚石建筑均存在各種由于長期風(fēng)化、酸雨、環(huán)境振動等不可抗拒因素造成的損傷，盡管各個相關(guān)文物保護部門及相關(guān)組織對古建筑加強保護工作，仍有大量古建筑遭到破壞。科學(xué)合理的保護措施及修繕加固工作顯得尤為重要。通過對古代磚砌體的研究，獲得古砌體組成材料的基本力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)相關(guān)測試方法，可為古建筑相關(guān)研究和保護工作提供參照和指導(dǎo)。

2.1 古代磚力學(xué)性能及檢測方法

磚的力學(xué)性能是指磚在自然條件下，承受外部施加的載荷時所表現(xiàn)出的力學(xué)性能，如強度、彈性模量與泊松比等。

2.1.1古代磚強度 磚的強度又可分為抗壓強度、抗折強度和抗彎強度等[28]。磚抗壓強度指外力施加壓力時的強度極限。檢測磚抗壓強度可采用燒結(jié)磚回彈法、取樣法[29]。GB/T 5101—2017《燒結(jié)普通磚》[30]規(guī)范規(guī)定燒結(jié)普通磚強度等級試驗按照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》[28]進行，同時取消了強度等級評定方法中抗壓強度平均值和單塊最小值評定方法(見2003年版5.3)，采用抗壓強度平均值和強度標(biāo)準(zhǔn)值評定方法，即根據(jù)抗壓強度平均值和強度標(biāo)準(zhǔn)值綜合評定單磚強度[31]。鑒于我國對歷史文物建筑的保護秉持試驗不破壞古文物的原則，目前對古建筑的研究測試多采用無損檢測方法，砌墻磚抗壓強度的無損檢測方法可采用回彈法、超聲回彈綜合法等[31-32]。

肖煌俊等[32]通過無損檢測方法(回彈法、超聲法以及超聲回彈綜合法)測定古建筑磚的強度，對比分析認(rèn)為超聲回彈綜合法測得結(jié)果更為精確，但無損檢測方法測得結(jié)果誤差較大，可采用多種檢測方法相互驗證。

肖煌俊等[33]對某拆遷古建筑磚材按照規(guī)范進行抗壓強度試驗，得人工磚平均抗壓強度為16.28 MPa，結(jié)果離散性較小。

馬成理[34]對平遙古城墻中明代與清代兩朝代古磚采用超聲回彈綜合法進行測定，由于材料強度、砌筑水平、養(yǎng)護條件等影響因素較多，導(dǎo)致古磚砌體結(jié)果離散性較大，古磚強度主要集中在6.06～11.13 MPa之間。與康錦霞等[35]測定結(jié)果(清代磚的抗壓強度平均值為11.02 MPa，明代磚的平均值為11.60 MPa)出入較大，主要原因是材料離散性較大且測定區(qū)域不同。

趙鵬[36]對對江浙皖地區(qū)青磚樣品組分、結(jié)構(gòu)及物理性能進行現(xiàn)代技術(shù)分析檢測，結(jié)果表明古青磚抗壓強度介于6～21 MPa之間，離散性較大。

基于以上研究發(fā)現(xiàn)，各位學(xué)者用無損方法測得的磚抗壓強度在10～20 MPa范圍，與孫磊等[37]在實驗室所得磚抗壓強度10.23 MPa接近。古砌體磚抗壓強度對比見表2。

表2 古砌體材料抗壓強度對比

2.1.2彈性模量與泊松比 砌體是由磚和砂漿兩種性質(zhì)不同的材料組砌而成，其彈性模量與泊松比顯然與磚和砂漿的彈性模量與泊松比密切相關(guān)[40]，然而國內(nèi)外對于磚、砂漿的彈性模量研究較少，有待系統(tǒng)研究完善。從宏觀角度來說，彈性模量可以衡量材料抵抗彈性變形的能力，從微觀角度來說是材料在彈性階段應(yīng)力-應(yīng)變的比值，利用有限元法對組成砌體的各個組成部分的各種破壞機理作進一步應(yīng)力分析，則必須提供磚和砂漿的彈性模量、泊松比，將磚和砂漿層分開模擬[41]。劉桂秋[41]通過統(tǒng)計相關(guān)研究結(jié)果，認(rèn)為磚的彈性模量(Eb)與其抗壓強度(f1)呈正相關(guān)，同時推導(dǎo)出磚的彈性模量表達式：

Eb=4 467f10.22

(1)

古代單磚的強度試驗是用較小尺寸且僅有一道仔細(xì)填平的水平灰縫而沒有豎向灰縫的試件進行的，因此，單磚的受壓工作條件與砌體中的完全不同，單磚是脆性材料，主要承受壓應(yīng)力，而彎剪應(yīng)力則很小；而磚砌體處于壓縮、剪切、受拉的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。所以，砌體在遠(yuǎn)小于單磚的抗壓強度時就開始產(chǎn)生裂縫。隨著不斷加載，裂縫繼續(xù)擴展，在砌體中形成貫通裂縫，最后由于局部失穩(wěn)而使構(gòu)件破壞，所以砌體的抗壓強度低于磚的抗壓強度。

2.1.3磚材料性能劣化因素 湯永凈等[4]研究了氣候環(huán)境因素對中國古代塔磚材料性能劣化影響，指出氣候環(huán)境因素影響主要改變古磚的孔隙率和孔徑大小，孔隙率增量和孔徑增量是氣候環(huán)境因素影響中國古代塔磚材料性能劣化的根本原因。

孫磊等[37]通過氣候環(huán)境模擬室內(nèi)對古磚砌體試件進行凍融循環(huán)試驗，試驗結(jié)果表明：凍融作用會對寒冷地區(qū)的古建筑磚砌體造成不可逆的劣化，抗壓強度和彈性模量的變化可以反映砌體的劣化程度。

王亮等[42]從凍融環(huán)境、風(fēng)化、酸性物質(zhì)侵蝕、微生物侵蝕、鹽類作用以及地下水滲透等方面研究了黏土磚腐蝕劣化的機理，認(rèn)為黏土磚的腐蝕劣化是多種因素耦合作用的結(jié)果。

朱小麗等[43]對漢畫像磚吸水、抗鹽、抗融凍性能及劣化機理進行分析研究，并以現(xiàn)代青磚和紅磚作對比試驗，認(rèn)為由于可溶鹽以及微生物等作用，磚的內(nèi)部孔隙變大，吸水率增加，其抗壓、抗鹽、抗融凍性能均較差。

雷小娟[44]根據(jù)三個控制性指標(biāo)(泛霜、石灰爆裂、抗凍性能)分析對黃河淤泥燒結(jié)多孔磚整體耐久性的影響，指出有效孔隙率越小，耐久性越好。

2.2 古代砂漿強度特性及測試方法

GB 50003—2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[45]附錄B規(guī)定的各類砌體抗壓強度平均值fm的計算公式為：

fm=k1f1α(1+0.07f2)k2

(2)

式中，k1為與塊體類別有關(guān)的參數(shù)；f1為塊體的強度平均值；f2為砂漿抗壓強度平均值；α為與塊體高度及砌體類別有關(guān)的參數(shù)；k2為砂漿強度影響的修正系數(shù)。施楚賢[46]基于磚砌體的試驗結(jié)果，提出以砌體抗壓強度平均值(fm)為基本變量的磚砌體本構(gòu)關(guān)系表達式，該式反映了砂漿強度及其變形性能對砌體變形的影響。

檢測砂漿抗壓強度可采用推出法、筒壓法、砂漿片剪切去、砂漿回彈法、點荷法、砂漿片局壓法[29]。JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[47]規(guī)定，強度等級由邊長為70.7 mm的立方體試件，在溫度在20±2 ℃，相對濕度為90%以上，養(yǎng)護28 d，進行抗壓試驗所得抗壓強度平均值劃分的。JGJ/T 136—2017《貫入法檢測砌筑砂漿抗壓強度技術(shù)規(guī)程》[48]采用貫入儀檢測，根據(jù)測釘貫入深度和砂漿抗壓強度間的關(guān)系，根據(jù)貫入深度來推定砂漿抗壓強度。康錦霞等[35]利用維修的機會對平遙古城城墻灰漿進行了力學(xué)性能試驗研究。運用灰漿片剪切法測得抗壓強度為3.0～11.7 MPa；筒壓法測得灰漿強度3.2～11.3 MPa。明代和清代的灰漿強度基本相同，但是不同位置的灰漿強度相差較大，即受力較大的部位灰漿強度較高，受力較小的部位灰漿強度較低。因此，加固時可以根據(jù)不同位置選用不同的灰漿強度，以滿足受力的要求。

劉超[49]通過回彈法和室內(nèi)砂漿抗壓試驗對不同組分的灰漿抗壓強度進行對比分析，同時采用掃描電鏡進行微觀分析。室內(nèi)抗壓試驗測得灰漿抗壓強度1.8～19.7 MPa，回彈法測試灰漿強度1.7～17.9 MPa。回彈法測得灰漿強度與室內(nèi)試驗法測得結(jié)果接近，回彈法和室內(nèi)抗壓試驗相結(jié)合，試驗結(jié)果更為可靠。

砂漿抗壓強度檢測方法較多且各有優(yōu)缺點，檢測精確度和適用性也不盡相同，要根據(jù)實際情況選擇適用的檢測方法[50]。古建筑由于其特殊性，檢測具有較大局限性，因此可采用多種檢測方法綜合對比分析，降低單一檢測方法產(chǎn)生的誤差，來獲取更為精確的結(jié)果。

3 砌體的基本力學(xué)性能

GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[51]規(guī)定現(xiàn)代砌體力學(xué)性能檢測主要有砌體抗壓強度試驗、砌體沿通縫截面抗剪強度試驗、砌體彎曲抗拉強度試驗。砌體的基本力學(xué)性能主要包括受壓性能、受拉受彎受剪性能、本構(gòu)關(guān)系、彈性模量、泊松比等[52]。目前，相較于現(xiàn)代磚砌體來說，對古代磚砌體性能的研究較少。

3.1 古磚砌體抗壓強度

砌體抗壓強度是砌體結(jié)構(gòu)最重要的力學(xué)指標(biāo)之一，對于砌體結(jié)構(gòu)的可靠性評定、耐久性分析有著重要作用[40]。目前常用的砌體強度檢測方法如下：一是間接檢測法，利用相關(guān)儀器和檢測方法獲得砂漿和磚塊的強度指標(biāo)或強度相關(guān)的物理參數(shù)，通過規(guī)范中給出的計算公式間接推定砌體強度[40]，GB 50003—2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[45]附錄B規(guī)定的各類砌體抗壓強度平均值f的計算公式見公式(2)。二是直接檢測法，包括原位軸壓法、扁頂法、切制抗壓試件法[29]。原位軸壓法和扁頂法屬于原位檢測，可以測定砌體抗壓強度；切制抗壓試件法屬于取樣檢測[33]。三種檢測方法綜合反映了材料質(zhì)量和施工質(zhì)量且直觀性、可比性較強[29]。其中原位軸壓法測試結(jié)果反映了磚、砂漿的強度以及砌筑質(zhì)量對砌體抗壓強度的影響[40]，原位單剪法和原位單磚雙剪法可以測定砌體的抗剪強度[53]。

影響砌體抗壓強度的主要因素有以下幾點：1)塊體的強度和外形尺寸；2)砂漿的物理力學(xué)性能(強度、和易性、保水性)；3)砌筑質(zhì)量和施工速度(灰縫厚度、含水率、速度)；4)其他因素(試驗方法、養(yǎng)護條件)。

針對古代磚砌體試件，利用試驗方法對其受壓性能進行研究，此法為目前獲得古磚砌體抗壓強度較普遍的方法，但目前提出的各種抗壓數(shù)值普遍具有特定的地域性和年代多樣性，一般僅適用于某個年代某個地域的砌體。

3.2 古磚砌體彈性模量和泊松比

古建筑會影響軌道交通線路的選擇和隔振減振方案的選取，而隨著城市軌道交通的發(fā)展，古建筑所處的振動環(huán)境逐漸惡化，因此進行復(fù)雜交通環(huán)境激勵下的損傷劣化性能及耐久性研究，成為國內(nèi)外學(xué)者持續(xù)關(guān)注的問題[54]。研究振動問題大多是使用現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬計算，彈性模量和泊松比是重要的性能參數(shù)，但是大多古建筑無法直接進行材料力學(xué)參數(shù)測試及試驗。

3.2.1彈性模量 彈性模量是砌體在彈性階段應(yīng)力-應(yīng)變的比值，同時也是砌體的基本力學(xué)指標(biāo)，可用于計算砌體在荷載作用下的變形，衡量砌體抵抗變形能力[41]。確定砌體彈性模量的方法大致有兩種：一種是由試驗確定，通過實測砌體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線求得[41]。GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[51]規(guī)定應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線應(yīng)以σ為縱坐標(biāo)、ε為橫坐標(biāo)繪制。根據(jù)曲線，取應(yīng)力σ等于0.4fc，i時的割線模量為試件的彈性模量，并應(yīng)按下式計算：

(3)

式中，E為試件的彈性模量；fc，i為試件的抗壓強度；ε0.4指應(yīng)力為0.4fc，i時的軸向應(yīng)變值；另一種方法是不進行試驗，而是根據(jù)經(jīng)驗直接給出規(guī)定的取值。如Uniform Building Code(UBC-91)規(guī)范取磚砌體的彈性模量為其抗壓強度的750倍[55]，CommentaryonSpecificationforMasonryStructures(ACI 530.1-02/ASCE 6-02/TMS 602-02)[56]提供了根據(jù)影響砌體彈性模量的主要因素——塊體強度和砂漿類型(M、S、N)制成表格，供設(shè)計時使用。

施楚賢[46]基于試驗結(jié)果，提出了常用磚砌體彈性模量表達式。GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[51]也給出了相關(guān)的公式。

劉桂秋等[57]基于試驗結(jié)果、砌體受壓本構(gòu)關(guān)系和應(yīng)力分析，采用三種方法確定砌體彈性模量取值，同時推導(dǎo)出磚、砌塊、砂漿及砌體的彈性模量關(guān)系式，其結(jié)果與試驗和規(guī)范較吻合，為砌體結(jié)果有限元分析提供了基礎(chǔ)資料。

戴仕炳等[8]認(rèn)為超聲波波速能反映古建筑磚質(zhì)量及損傷情況，波速較低時，可認(rèn)定為磚內(nèi)部受損，強度較低，同時含水率也與波速有關(guān)，含水率高時波速偏低。通過超聲波波速無損檢測磚的劣化程度，來判定砌體受損情況，可為古建筑保護及質(zhì)量監(jiān)測提供了科學(xué)依據(jù)。砌體材料參數(shù)表達式見表3。

表3 砌體材性參數(shù)表達式

3.2.2泊松比 砌體泊松比是指材料在單向應(yīng)力作用下，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值的比值，能反映材料的橫向變形能力[59]。同時利用有限元法分析荷載作用下砌體結(jié)構(gòu)的破壞機理和強度時，砌體的泊松比也是一個必不可少的參量[41]。GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[51]規(guī)定根據(jù)應(yīng)力(σ)與泊松比(ν)關(guān)系曲線，取應(yīng)力σ等于0.4fc，i時的泊松比為試件的泊松比。逐級應(yīng)力對應(yīng)的泊松比，應(yīng)按下式計算：

(4)

式中，εtr為逐級荷載下的橫向應(yīng)變值；ε為逐級荷載下的軸向應(yīng)變值。

對于各向同性，質(zhì)地均勻的材料，泊松比定義為一個常數(shù)，砌體因其彈塑性特性，隨應(yīng)力的增大，其泊松比為變值[46]。影響泊松比的因素主要有：砌筑砂漿成分、塊材表面狀態(tài)、試件的高厚比、試件截面尺寸。

3.3 古磚砌體本構(gòu)關(guān)系

砌體本構(gòu)關(guān)系是砌體結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能，同時也是進行有限元和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的重要依據(jù)[60]。國內(nèi)外對砌體本構(gòu)關(guān)系研究較多，相對來說較為系統(tǒng)化，研究者們根據(jù)試驗結(jié)果提出不同形式的砌體本構(gòu)關(guān)系表達式，主要有直線型、對數(shù)函數(shù)型、指數(shù)函數(shù)型以及多項式型等，研究砌體本構(gòu)關(guān)系能進一步了解砌體結(jié)構(gòu)受力性能和破壞機理，同時對系統(tǒng)完善砌體結(jié)構(gòu)研究提供必要支持[41]。

施楚賢[46]基于磚砌體抗壓試驗數(shù)據(jù)，提出以抗壓強度平均值(fm)為變量的本構(gòu)關(guān)系式：

式中，ε為逐級荷載下的軸向應(yīng)變值；ξ為與塊體類別和砂漿強度有關(guān)的特征參數(shù)；fm為砌體抗壓強度平均值；σ為逐級荷載下的應(yīng)力值。

3.4 砌體的力學(xué)性能劣化因素

古建筑是一類特殊的建筑物，漫長歷史發(fā)展過程中這些建筑本身被賦予的歷史文化屬性，這些經(jīng)歷了數(shù)百年甚至上千年的古建筑受自身結(jié)構(gòu)壽命和長期環(huán)境作用(風(fēng)化、酸雨、凍融、交通振動或地震等)的影響，其材料特性及力學(xué)性能均受到不同程度的影響和損傷，建筑構(gòu)件對環(huán)境的改變非常敏感，大量歷史性建筑已出現(xiàn)險情，對其維修保護的要求日益迫切[36]。因此科學(xué)研究古建筑砌體結(jié)構(gòu)性能和破壞機理具有重要意義。

砌體古建筑在自然環(huán)境中受風(fēng)荷載、溫度、雨水、潮濕、海水等物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用，發(fā)生不同程度的物理和化學(xué)變化，出現(xiàn)腐蝕、外表面剝落、開裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致磚的抗壓、抗折強度降低，影響磚砌體結(jié)構(gòu)的整體性能[61]。

氣候環(huán)境因素對中國古代磚塔的影響主要表現(xiàn)在古磚的孔隙率和孔徑產(chǎn)生增量，增量產(chǎn)生的途徑由表及里，形成特定的表觀特征：古磚酥裂、膠凝材料粉化[4]。張中儉[62]認(rèn)為墻體風(fēng)化表現(xiàn)為表面剝落，顆粒脫落以及鹽分結(jié)晶，毛細(xì)水?dāng)y帶的鹽分是古磚風(fēng)化的主要原因，凍融作用加速了古磚風(fēng)化。湯永凈等[63]對黃河流域磚石古建筑取樣研究發(fā)現(xiàn)：古建筑基礎(chǔ)部位風(fēng)化主要是水溶鹽和凍融耦合作用的結(jié)果，中上部的磚由于沒有水溶鹽，主要風(fēng)化形式為凍融風(fēng)化。

凍融作用會對寒冷地區(qū)的古建筑磚砌體造成不可逆的劣化。Uranjek等[64]根據(jù)砌體試件凍融試驗結(jié)果提出，經(jīng)凍融循環(huán)后，砌體試件表觀裂縫增加，外部抹灰脫落，彈性模量下降。商效瑀等[65]基于凍融循環(huán)和軸心抗壓試驗，將寒冷地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)損傷等效為凍融和軸心受壓耦合作用，經(jīng)凍融損傷后，建立軸心受壓損傷本構(gòu)關(guān)系，二者均可通過材料內(nèi)部微觀變化使得砌體產(chǎn)生損傷。然而寒冷地區(qū)砌體古建筑在服役過程中一般是凍融和受壓同時作用，由于現(xiàn)有試驗條件限制，若能同時進行凍融循環(huán)和軸心受壓試驗，結(jié)果將更為精確。

結(jié)構(gòu)開裂是損傷的一種常見表現(xiàn)形式，古建筑中磚砌體結(jié)構(gòu)材料的劣化與古建筑裂縫擴展關(guān)系密切[66]。結(jié)構(gòu)的損傷是由于構(gòu)件在荷載、環(huán)境作用下材料損傷不斷積累，裂紋不斷發(fā)生發(fā)展引起的[51]。古建筑材料劣化導(dǎo)致古建筑微裂縫由下向上不斷延展，最終會導(dǎo)致裂縫貫通，從而影響古建筑的正常使用[66]。

交通振動對古建筑的影響體現(xiàn)在振動作用下古建筑疲勞損傷產(chǎn)生的表面開裂、剝落或者加劇其他損傷部位的破損情況，同時古建筑因建造年代久遠(yuǎn)，古建筑本身存在損傷，在構(gòu)件疲勞破壞，地基不均勻沉降的多因素作用下，使古建筑開裂甚至倒塌[54]。

砌體古建筑在服役過程中是力學(xué)因素、環(huán)境因素(凍融循環(huán)、風(fēng)化、碳化、酸腐蝕等)和材料因素的雙重或多重?fù)p傷因素耦合作用[67]。

4 結(jié) 論

通過以上論述，可以得到以下結(jié)論：

1)中國傳統(tǒng)古建筑磚存在較大的多樣性，生產(chǎn)工藝受到很多因素的制約，不同年代不同批次不同燒制工藝制造的磚，材料性質(zhì)差異較大；砂漿強度測試方法研究已相當(dāng)成熟，砂漿抗壓強度檢測方法各有優(yōu)、缺點，應(yīng)結(jié)合實際情況選擇與古建筑相協(xié)調(diào)的檢測方法。

2)由于材料年代與來源地域不同，其氣候環(huán)境、生產(chǎn)生活方式、服役時間等因素對古磚造成的損傷有極大區(qū)別，因此各地古磚及其砌體強度有所差異，古代單磚強度的離散性較大，但古砌體的離散性則相對較小。

3)現(xiàn)代砌體力學(xué)性能測試方法較為詳盡，但適用古建筑的規(guī)范測試方法有待系統(tǒng)研究完善。取樣檢測法危及古建筑的整體性能，原位檢測法準(zhǔn)確度尚不理想，需要對同一測區(qū)做多點試驗來加以驗證和比較，檢測時應(yīng)考慮這一因素，避免測區(qū)單一而造成對砌體性能的誤判。

4)彈性模量和泊松比是砌體的重要性能指標(biāo)，其具體取值可借鑒經(jīng)驗公式，或通過古砌體材料本構(gòu)模型試驗數(shù)據(jù)求得，可為有限元法分析古砌體結(jié)構(gòu)性能和破壞機理提供數(shù)據(jù)支持。

5)砌體古建筑的相關(guān)研究宜從單一因素的作用向多因素耦合作用轉(zhuǎn)化，從本質(zhì)上揭示古建筑結(jié)構(gòu)性能劣化與多因素耦合作用的關(guān)系。

5問題與展望

在本研究的基礎(chǔ)上，提出以下建議與展望：

1)本研究整理了砌體彈性模量和泊松比對砌體力學(xué)性能的影響，但目前對古磚、糯米灰漿等古建筑材料彈性模量的研究較少，后續(xù)應(yīng)對材料力學(xué)性能進行系統(tǒng)研究。

2)古砌體結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能、損傷及耐久性等方面研究較少，國內(nèi)古砌體材料及結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)研究，有待系統(tǒng)完善。

3)若能利用科學(xué)手段模擬古磚損傷情況，獲得古磚基本材料力學(xué)參數(shù)，并與公式推導(dǎo)的材料基本力學(xué)參數(shù)對比，可為預(yù)測古建筑損傷提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，對于古建筑保護修繕具有重要意義。