某既有磚砌體墻的UHPC抗震加固的制備與施工研究

陳偉恩

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350000)

0 引言

我國目前現存的砌體結構建筑，因磚墻風化、砂漿粉化、使用過程中改造和環境作用等多種因素，導致砌體墻承載力不滿足要求，地震作用下易導致主體結構破壞甚至倒塌[1-2]。因此，需對其進行抗震加固。

目前常用的砌體墻抗震加固方法，主要有鋼筋混凝土面層加固法、鋼筋網水泥砂漿面層加固法、鋼筋網聚合物砂漿面層加固法和高延性混凝土面層加固法[3]等。魯曉通[4]等對老舊砌體結構的墻體采用鋼筋網水泥砂漿加固，試驗結果表明，鋼筋網水泥砂漿加固法，對于原有結構體系的擾動較小，且可以保持建筑物的原有建筑風貌，但對砌體墻的承載能力提高有限。鄧良平[5]提出鋼筋網聚合物砂漿面層加固法可大幅提高墻體的抗剪強度、豎向承載力、抗側剛度和延性，但加固面層較厚且施工不便。鄧明科[6]采用高延性混凝土(HDC)加固磚砌體墻，研究表明HDC 面層加固法，可提高砌體墻的整體性和承載力。

本文在對既有加固方法優缺點進行比較的基礎上，結合近些年廣泛使用的一種加固材料——超高性能混凝土(UHPC)的高強、高韌性、高耐久性等優異性能[7]，提出將共聚甲醛纖維(POM纖維)摻入到UHPC中，并深入探討POM-UHPC的制備、砌體墻的加固施工工藝流程和施工過程中的注意事項。

1 工程概況

福州市某磚混結構住宅樓19世紀70年代建成并投入使用，共5層，房屋總高度為15.6 m，建筑面積約為2200 m2。該磚混結構住宅樓抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，所在地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10 g，建筑場地類別為二類。承重墻體材料為燒結普通磚，上部砌體采用180 mm及240 mm厚磚墻。地基持力層為淤泥，基礎形式為淺基礎。建筑標準層平面布置圖如圖1所示。

圖1 標準層建筑平面圖

2 房屋結構檢測鑒定

建筑局部外立面如圖2所示。根據《民用建筑可靠性鑒定標準》[8]和《建筑抗震鑒定標準》[9]相關規定，業主委托相關單位對該砌體房屋進行鑒定，鑒定結果表明：

(1)該工程后續使用年限按30年考慮，屬A類建筑；

(2)現場實測磚砌體磚抗壓強度等級為MU10，砌筑砂漿抗壓強度值為1.1 MPa；

(3)部分墻體缺少必要的搭接，墻體灰縫不飽滿，磚墻有豎向通縫，如圖3所示；

(4)部分承重墻體和屋面板開裂滲水，部分填充墻開裂滲水，如圖4所示；

(5)多數一層、部分二層極個別三層墻體受壓承載力不滿足規范要求；

(6)一～四層縱橫向綜合抗震能力不滿足規范要求。該砌體結構住宅樓結構安全性等級評定為Dsu級，即安全性嚴重不符合鑒定標準的規定，嚴重影響整體承載力，必須立即采取措施，對整棟樓進行抗震加固處理。

圖2 建筑外立面圖

(a)墻體砌筑質量差 (b)墻體無可靠搭接、墻體通縫 (c)180 mm厚墻體豎縫不飽滿

圖4 磚砌體墻面滲水

3 抗震加固方法選擇

砌體結構常見的加固方法有：鋼筋混凝土面層加固法、鋼筋網混凝土面層加固法、聚合物砂漿嵌縫加固法和高延性混凝土面層加固法等。鋼筋混凝土面層加固法存在加固面層較厚、減小使用空間和耐久性差等問題[10]。鋼筋網混凝土面層加固法存在承載力提高較低、加固面層較厚、耐久性差等問題[11]。高延性混凝土面層加固法，通過壓抹高延性混凝土加固磚砌體墻，能較好地提升結構的延性，但對承載力的提升有限且加固成本高[6]。

由于傳統加固方法存在各種缺陷，研究人員提出采用一些新型加固材料進行加固的方法。其中超高性能混凝土(UHPC)面層加固法，因UHPC超高的強度、超高的韌性、高耐久性等優異性能，已經應用于磚砌體墻加固。本工程加固選擇將一種綜合性能良好的塑料共聚甲醛纖維(POM纖維)摻入到UHPC中，提高UHPC的抗拉強度和變形能力，防止UHPC基體開裂。經專家論證，采用UHPC抹面的方法對砌體墻進行加固，提高墻體承載力和延性同時又能減小加固厚度，避免對原始墻體的擾動損傷，能較好地適用于本工程。

4 加固用POM-UHPC配合比

POM-UHPC所用原材料主要有水泥、硅灰、石英砂、POM纖維、減水劑。按照規范《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)[12]和《超高性能混凝土(UHPC)技術要求》[13]進行配合比設計，制備出滿足抗壓強度≥120 MPa、擴展度≥650 mm、擴展度經時損失≤100mm等超高性能混凝土力學性能要求和拌合物性能要求的用于抹面施工的加固材料。

4.1 普通硅酸鹽水泥

由于制備的UHPC抗壓強度需達到120 MPa以上，選用型號為P.Ⅱ52.5的普通硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥的物理性能如表1所示 ，氧化物成分如表2所示。

4.2 硅灰

為滿足抹面工藝需要，本次試驗采用比表面積為12 000m2/kg的白硅灰，制得的UHPC流動性較好且粘性較低。白硅灰物理性能及主要化學組成如表3～表4所示。

4.3 石英砂

在選擇石英砂時，應注意避免其粒徑范圍與水泥粒徑產生重疊。本工程選用的石英砂，其粒徑與化學成分如表5所示。

4.4 POM纖維

本文制備UHPC選用的纖維為共聚甲醛纖維(POM纖維)，其物理力學性能如表6所示。

表1 P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥物理性能

表2 P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥中氧化物的組成 %

表4 白硅灰化學組成 %

表5 石英砂基本指標

表6 POM纖維物理力學性能

4.5 減水劑

減水劑是制備UHPC的必備原材料，可以在不增加水泥用量并維持混凝土和易性的前提下，減少拌和過程所需水量，同時增加強度；用量合適時，還可以減少水泥消耗。本工程選用廈門科之杰新材料有限公司提供的聚羧酸系高效減水劑，含固量為25%，減水效率30%。

4.6 UHPC配合比設計

POM-UHPC配合比公式引用自《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)[11]。計算前先確定POM-UHPC的石灰石摻量、水膠比、POM纖維摻量等，再采用規范中推薦的公式確定POM-UHPC配合比，如表7所示。

表7 UHPC配合比 kg·m-3

4.7 UHPC抗壓強度

依據規范《超高性能混凝土(UHPC)技術要求》[12]，結合GB/T 50081的有關規定，每組澆筑6個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，加載速率為1.20 MPa/s～1.40 MPa/s，取與平均值偏差小于10%的試件強度平均值作為測定值。當6個測值中有1個或2個與平均值的差值超過平均值10%時，將超出平均值10%的測值舍除，取剩余測值的平均值，作為該組試件的抗壓強度值。當有3個或3個以上試件強度值與平均值偏差大于10%時，則該組試件試驗結果無效。經過測定，該立方體試件28d抗壓強度為124.2MPa，滿足規范要求。

5 POM-UHPC加固磚砌體墻面層施工

5.1 POM-UHPC的制備

根據《超高性能混凝土(UHPC)技術要求》[12]，采用強制式攪拌機攪拌。攪拌時先將水泥、硅灰和石英砂等干料干拌1～2 min，然后加入減水劑和水濕拌5 min以上，使拌合物接近目標流動性；再緩慢加入POM纖維，待纖維全部加完后，繼續攪拌至纖維在拌合物中分散均勻，一般不少于2 min，配置出用于磚砌體墻加固用的材料，然后按照下列工藝流程進行施工。

POM-UHPC加固磚砌體墻面的施工工序：

原有磚墻面表層和灰縫清理→磚墻孔洞填補→墻面抹POM-UHPC→表面抹水泥砂漿面層→養護。

5.2 原有磚墻和灰縫清理

因為待加固的磚砌體墻面上有塵土，污垢和油漬，如圖5所示。為增加磚砌體結構墻面與POM-UHPC加固層之間的附著性，提升兩者之間的粘結力，在進行面層加固之前，施工人員要將磚墻表面原有裝飾層鏟除，清理干凈塵土、油漬、污垢和疏松物，地面處理整潔。清理完畢后，方可開展下一步工作。

圖5 清理磚墻表面

墻面原有裝飾層鏟除后，已松動的勾縫砂漿應剔除。用鋼絲刷和壓力水刷洗凈，將灰縫剔深 8mm～ 10mm，用鋼絲刷刷凈殘灰，吹凈浮灰，最后灑水濕潤。

5.3 磚墻孔洞和磚塊破損填補

原墻體如果存在損壞或松動的磚塊，應首先對其進行替換或局部修補。原墻體存在裂縫時，應對裂縫進行填縫和壓力灌漿處理。所以，當墻面凹凸不平處的深度小于30 mm之間時，在UHPC抹面前12 h，用1∶2水泥砂漿初步補平墻體空洞，如圖6所示，此做法有利于下一步抹面工序開展。

5.4 界面劑施工

按照相關的研究結果，將海菜粉按比例溶于水中配成膠水，然后在膠水中加水泥形成水泥漿，涂刷已經進行孔洞填補后的磚砌體墻，接著進行下一步的UHPC抹面工序。

5.5 UHPC抹壓

磚墻表面填補完畢后，為了增加墻面粘著性，防止由于墻面過于干燥而使墻面粘結物不牢固，形成空鼓產生裂縫，施工人員要提前3h對墻面進行往返灑水，潤濕墻面。待墻面稍干后，再壓UHPC抹至設計厚度。抹面厚度約20 mm。待全部完成后，即可開展下一步的水泥砂漿抹面，如圖7所示。

圖7 UHPC抹面

5.6 面層水泥砂漿找平

POM-UHPC抹面工作12 h完成后，為保證POM-UHPC強度，避免混凝土因在硬化過程中大量缺水導致混凝土龜裂，同時為保證后續UHPC強度和加固施工效果，施工人員對墻面澆水養護應不少于72 h。養護后，施工人員開始水泥砂漿找平工作。找平采用混合比例為1∶2的水泥砂漿，施工人員需將調制好的水泥砂漿壓抹于加固后的磚墻上，最后將墻面抹平，表面觀感示意如圖8所示。

圖8 面層水泥砂漿抹平表面觀感示意圖

6 結論

本文以某磚混結構砌體墻抗震加固為例，分析探討一種新型加固材料的制備方式和加固的施工工藝流程，得到以下結論：

(1)制備出性能優異且具備墻體抹面施工和易性的UHPC。POM-UHPC抗壓強度超過100 MPa，滿足規范和設計對抗壓和抗剪的要求。

(2)提出了POM-UHPC加固磚砌體墻面的施工工藝。施工過程結果表明，按照施工工藝要求進行施工，加固后的磚墻與UHPC面層黏結良好，POM-UHPC面層加固能夠滿足磚混結構墻體加固要求。

(3)POM-UHPC對磚墻進行抗震加固的方法可行。該加固方法免去支模及配筋，施工簡單且工期短，不增加結構的自重，經濟合理、安全可行。工程竣工前最后經過專家組對現場進行驗收，一致認為POM-UHPC對磚墻進行抗震加固的方法可行，這對同類工程具有借鑒意義。