村镇建筑简易滑移隔震层的配方试验及分析

代宇飞，郭军林，袁康

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832003）

砌体结构是我国村镇建筑的主要形式，据不完全统计，我国村镇建筑中砌体结构房屋所占比例达64.12%[1]，历年来地震灾害表明，村镇建筑的破坏非常严重，造成了巨大的人员伤亡和经济损失[2-3]。对此，国内诸多学者对此做了很多关于村镇建筑滑移隔震技术的研究，总结了很多经验。曹万林[4]针对村镇建筑特点，总结了国内外主要的隔震材料以及研究现状，其中包括砂、石墨、玻璃丝布、土工布、大理石、不锈钢板和钢球等并提出了玻璃珠砂浆层隔震；尚守平[5]提出用沥青作为滑移隔震层；李英民[6]提出用沥青-砂作为滑移隔震层；刘军生[7]针对框架结构提出了一种二硫化钼固体润滑剂涂层的新型分离式摩擦滑移隔震装置。Ahmad[8]用聚四氟乙烯板作为滑移隔震层材料对用粗干砂作为滑移隔震层材料砌体结构做了振动台对比试验。Kelly J M[9-10]等人提出采用碳纤维等材料代替传统叠层钢板橡胶隔震支座内部的叠层钢板，以达到降低隔震支座的造价和减轻隔震支座重量的目的；Miha Toma evic[11]等对采用纤维隔震支座的砌体房屋与普通结构砌体房屋进行了振动台试验对比研究，结果表明纤维隔震支座有较好的隔震效果。

村镇建筑基础滑移隔震技术关键点在于滑移隔震层开裂控制，滑移隔震层滑移能力的实现及滑动位移限制。本文所涉及的滑移隔震技术[12]（图1），以低标号改性砂浆作为滑移隔震层，以捆绑橡胶束作为滑移限位装置。低标号改性砂浆滑移隔震层，即在低标号砂浆的基础上掺入一定量滑石粉或石墨粉作为滑移隔震层，其同时具有开裂控制及滑移双重功能。低标号改性砂浆滑移隔震层的工作原理和预期目标为：在小震作用下，滑移隔震层不发生破坏，结构依靠自身整体抗震；在中、大震作用下，滑移隔震层水平贯通开裂并滑动耗能。

图1 简易滑移隔震技术布置示意图Fig.1 Schematic diagram of simple sliding isolation technology

本文设计以强度等级M2.5水泥砂浆为基础，滑石粉或石墨粉掺入增量为2.5%，7种配合比，共39种工况，分别对其进行抗压、压剪及摩擦系数试验，分析各工况的竖向承载、水平承载及滑移能力，从而筛选适用于村镇建筑砌体结构滑移隔震技术的低标号改性砂浆滑移隔震层配方。

1 试验设计

1.1 滑移隔震层竖向承载力试验

由于滑移隔震层位于上下层基础圈梁之间，所以滑移隔震层须满足一定的竖向承载力要求，以保证滑移隔震层在上部结构竖向静力荷载作用下不发生破坏。滑移隔震层竖向承载力试验选取砂浆标号为M2.5、M5、M7.5的普通水泥砂浆，以滑石粉及石墨粉掺量为2.5%为基础掺量，掺量梯度为2.5%，选择7个梯度，共39种工况，试验工况设计如表1所示。

试件选用砂浆抗压标准试件，尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每组3个试件。需要说明的是，在改性砂浆拌合时水量无法确定，因此以稠度为指标，用以确定基础滑移隔震层所使用改性砂浆配比中的水量，M2.5、M5、M7.5改性砂浆稠度控制各为80 mm、75 mm、70 mm。试件制作完成自然养护28天后，进行改性砂浆抗压强度试验。

试验设备选用30 t万能试验机，加载制度为位移加载，加载速率为1 mm/min；加载到试块的压力曲线出现下降段，即试件丧失承载能力时试验结束。

表1 滑移隔震层配方工况表Tab.1 Working conditions of sliding isolation layer

1.2 滑移隔震层压剪试验

低标号改性砂浆滑移隔震层在满足竖向承载力的基础上，其在竖向压力作用下的水平抗剪承载力决定了能否满足“小震不坏，中、大震开裂启滑”的设计目标，故而进行低标号改性砂浆滑移隔震层的压剪试验。

基础滑移隔震层压剪试验主要针对低标号改性砂浆的配方进行，旨在研究其采用的改性砂浆在低层房屋竖向压应力作用下的水平抗剪性能。基础滑移隔震层应能保证在多遇地震作用下基础滑移隔震层不发生开裂，结构依靠整体抗震；在设防烈度地震作用下基础滑移隔震层成为结构薄弱部位实现开裂贯通，开始发挥隔震作用，有效减轻建筑物上部结构的损伤。通过基础滑移隔震层压剪试验，可选择出不同烈度区能够满足基础滑移隔震层“小震不坏，中、大震开裂启滑”设计要求的配方。

基础滑移隔震层压剪试验试件由2个尺寸为300 mm×150 mm×150 mm，标号为C20的素混凝土块，中间铺设一层厚度为10mm的改性砂浆层共同组成。试验工况与配方试验工况相同，共39种，如表2所示。

表2 压剪试验工况设计Tab.2 The working condition design of compression-shear test

基础滑移隔震层压剪试验装置采用自行设计的压剪箱[14（]图2），试验设备采用500 t压力机进行竖向加载，20 t液压千斤顶进行水平加载，20 t力传感器和TDS数据采集系统。试件砌筑、养护完成后（图3），将试件放入压剪箱内，压力机加载竖向荷载0.2 MPa，手动加载水平荷载，直到基础滑移隔震层发生破坏时试验结束。

图2 压剪试验装置图Fig.2 The device of compression-shear test

1.3 滑移隔震层的摩擦系数试验

滑移隔震层在满足抗压及“小震不坏，中、大震开裂启滑”的基础上，其自身滑移能力决定了滑移层能否在开裂后具有较好的滑移能力，从而实现隔震的目的。因此，本研究对滑移隔震层进行摩擦系数试验，旨在选择滑移性能较好的低标号改性砂浆配方。

本研究将压剪试验后带有滑移隔震层的试件作为测定滑移隔震层滑移性能的试件进行试验，测定方法及试验装置如图4所示，滑移隔震层的滑移性能试验工况与压剪试验的工况相同，共39种。

图3 压剪试验试件Fig.3 Pressure shear test specimen

图4 摩擦系数测定装置图Fig.4 Device of friction factor testing

2 试验结果与分析

2.1 滑移隔震层竖向承载力试验

滑移隔震层竖向承载力试验的试块破坏形态如图5所示，掺有滑石粉及石墨粉的改性砂浆试块破坏形态与无掺料的砂浆试块基本相同，不同配比下的抗压强度值如表3所示，改性砂浆抗压强度变化情况如图6所示。

表3 不同配合比下的抗压强度Tab.3 Compressive strength at different mix proportion

图5 不同砂浆试块的破坏形态Fig.5 Failure pattern of mortar specimen

由图6可见：

（1）在稠度相同的条件下，M2.5的普通砂浆在掺入滑石粉或石墨粉后，随着掺量的增大，抗压强度不断降低，但降低幅度较慢；M5的普通砂浆在掺入滑石粉或石墨粉后，随其掺量的增大，抗压强度总体呈现先增大后降低趋势，在滑石粉掺量较小（2.5%）时，曲线出现小幅波动，究其原因可能是材料存在拌合不均匀的离散作用导致；M7.5的普通砂浆在掺入滑石粉或石墨粉后，随其掺量的增大，抗压强度皆先升高后降低。

（2）当滑石粉掺量为7.5%，石墨粉掺量为5%时，M5和M7.5砂浆抗压强度都达到最大值。

图6 不同改性砂浆的抗压强度曲线Fig.6 The curve of modified mortar compression strength

由于砌体结构砌筑砂浆强度等级不应低于M5[13]，考虑到基础滑移隔震层为预设薄弱层，其抗压强度在满足竖向承载力的情况下应尽量选取较低标号的改性砂浆。从研究结果来看，M2.5的改性砂浆在不同掺量下的抗压强度差异性较小，又可满足一层或两层房屋的竖向抗压要求（试验中的M2.5滑石粉和石墨粉改性砂浆的抗压强度最小值为0.3 MPa）。因此，从抗压角度而言，可以选择M2.5的改性砂浆作为基础滑移隔震层，但石墨粉掺量不宜过高。

2.2 滑移隔震层压剪试验

滑移隔震层压剪试验中隔震层的破坏形式均为脆性破坏，在整个加载过程中，加载装置连同试件无任何异响及肉眼可观测到的变化，试件的破坏形态基本一致（图7），即沿改性砂浆隔震层上表面发生剪切破坏，开裂面较为平整。相同砂浆标号情况下，滑石粉和石墨粉的掺量越大，表面触感越光滑；相同滑石粉和石墨粉掺量的条件下，砂浆标号越高，其表面触感越粗糙。通过基础滑移隔震层压剪试验，可得到不同工况下的基础滑移隔震层抗剪承载力及其变化情况（图8）。

图7 不同改性砂浆的隔震层开裂面图Fig.7 Cracking surface of modified mortar isolation layer

图8 不同改性砂浆的隔震层压剪试验结果Fig.8 Result of compression-shear test

由图8可见：

（1）不同标号的滑石粉改性砂浆，基础滑移隔震层的抗剪强度呈现波动变化，在掺量为10%时达到最大值，掺量为7.5%时抗剪强度达到最小。

（2）对掺入石墨粉配方，抗剪强度整体呈现先上升后下降的趋势，其中M5及M7.5的石墨粉改性砂浆在石墨粉掺量为5%时达到最大。

（3）对比抗压强度试验结果，对于掺量为7.5%滑石粉的改性砂浆滑移层，其抗压强度最高，但抗剪强度最低。

究其原因主要是：本文试验中发生的剪切破坏面均位于滑移层与试块表面，而非滑移层内部，其抗剪强度主要取决于改性滑移层与界面的粘结能力。

2.3 滑移隔震层的摩擦系数试验

通过基础滑移隔震层摩擦系数实验，得到39种工况下的摩擦系数及其变化规律，如图9所示。

图9 不同改性砂浆的滑移隔震层摩擦系数曲线Fig.9 Friction factor curve of base sliding isolation layer

由图9可知：

（1）对于掺入滑石粉的改性砂浆，随着掺量增大摩擦系数曲线整体呈现先增高后波动下降的趋势，掺量为2.5%时达到最大值，表明改性材料掺量较小时摩擦系数反而略有上升。该结果可由试验现象“当掺量较小时界面有较多气孔存在，导致剪切破坏面更为粗糙”解释。

（2）对于掺入石墨粉的改性砂浆，M5和M7.5的改性砂浆随着掺量增大，摩擦系数曲线整体也呈现先增高后波动下降的趋势，掺量为5%时，摩擦系数达到最大值。其原因与掺入滑石粉时一致。

（3）M2.5的石墨粉改性砂浆的隔震层摩擦系数对石墨粉的掺量影响不大。

2.4 滑移隔震层摩擦系数的取值范围

通过上述滑移隔震层的竖向承载力试验、压剪试验和摩擦系数试验分别得到了滑移隔震层的竖向抗压承载力、水平抗剪承载力和滑移性能。为保证滑移隔震层在中、大震下具有较好的滑移性能，对滑移隔震层在地震作用下的受力特点进行简单的近似计算。

由于砌体结构层数低，刚度沿高度分布较均匀，并以剪切变形为主，所以可采用底部剪力法计算，计算公式如下：

根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》，对于多层砌体的房屋，宜取水平地震影响系数最大值α1=αmax[13]，而对于低层村镇建筑，可近似认为G≈Geq；再假设基础滑移隔震层的动摩擦力模型采用库伦摩擦力模型，则基础滑移隔震层的动摩擦力为

因此，只需比较基础滑移隔震层的摩擦系数μ与不同地震作用下的水平地震影响系数最大值αmax的关系，即可筛选出满足基础滑移隔震层在中、大震下滑移性能较好的低标号改性砂浆配方。

表4给出了高烈度区摩擦系数取值范围。

表4 高烈度区摩擦系数取值范围Tab.4 The value of friction coefficient in high seismic intensity

3 结论

（1）本文提出的滑石粉和石墨粉改性砂浆作为低层村镇建筑滑移隔震层可以满足竖向抗压承载力、中大震开裂启滑耗能减震的预期目标。

（2）本文建立了水平地震影响系数与滑移层摩擦系数之间的关系，得到了不同抗震设防烈度相对应的摩擦系数的取值范围（表4）。

3）根据低层村镇建筑就地取材、简单经济的抗震需求，对一到两层的村镇建筑建议选择滑石粉掺量为5%的M2.5的改性砂浆作为滑移隔震层，实际应用中应注意控制材料的离散性。

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