冻融循环下古砖砌体的受压破坏研究

曹新宇 ,* ,3

(1.上海大学土木工程系,上海 200444; 2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;3.上海大学文化遗产保护基础科学研究院,上海 200444)

0 引 言

我国在漫长历史变迁中留下了大量珍贵的古建筑。由于年代久远和环境影响,古建筑遭受不同程度的损坏。

国内外学者对砌体抗压性能进行了大量研究。Cultrone等[1]研究了砌体结构的耐久性,得到了冻融情况下耐久性较好的灰浆组合;Gentilini等[2]发现,盐的种类和风化周期对砌体结构性能具有很大影响;彭斌等[3]认为,可以使用贝叶斯方法、通过构造似然函数,估计现场信息不足时历史建筑砌体的抗压强度,结合直接法和间接法可以获得砌体强度、降低推定结果的不确定性。童丽萍和时超[4]用数值模拟方法研究了传统石砌房屋典型质量病害成因机理,认为最大剪应力出现在纵横墙连接处;商效瑀等[5]基于损伤力学理论和应变等价原理,研究了冻融循环下轴心受压砌体的损伤特征,建立了相应的本构模型,为相应气候条件下砌体结构耐久性评估提供了理论基础;郑山锁等[6]基于人工气候模拟实验室,对比分析了砌体试件破坏形态与冻融循环次数的关系;汤永净和邵振东[7]使用大气环境实验舱,研究了非饱和水冻融情况下古砖的动弹性模量;刘箴和唐岱新[8]提出了建筑结构损伤的数学模型与相应的砖墙裂缝损伤计算公式;张晏齐等[9]研究了隧道施工对邻近砌体结构变形的影响;王茂龙[10]运用损伤信号匹配技术,通过算例验证对破环工况进行了预测分析;刘砚山和童丽萍[11]使用有限元分析手段,研究了罕遇地震下砌体结构裂缝的开裂情况;方林等[12]使用现场实测数据,研究了基坑施工对周边既有砌体结构房屋的影响;余琼和王观麟[13]使用实例分析了砌体结构裂缝的成因,根据有限元模拟结果提出了裂缝的补救措施;刘航等[14]采用预应力筋加固砖砌体结构、增强了地震作用下结构的抗变形能力;吴昊等[15]提出以地震破坏控制为目的的结构抗震加固设计思路;徐金明等[16]使用视频图像反映岩石的变形破坏过程,为岩石问题的精细化研究提供了新的思路。

目前,在役砌体结构抗冻耐久性研究还不多,对冻融环境下古砖砌体的变化进行研究具有较好的实际意义。同时,使用图像处理技术分析试验结果,可以更好地进行定量化处理和实时化分析。本次研究将使用古砖冻融循环抗压试验结果与试验图像,运用图像处理技术分析砌体试件的裂缝特征和冻融循环次数对古砖砌体抗压性能的影响。

1 试验方法

1.1 古砖样品来源

试验所用古砖样品取自山西长治市平顺县一拆迁古民居,尺寸为280 mm × 135 mm × 70 mm。该古民居建于道光三年。当地年平均降水量为580 mm,年平均温度为9.7 ℃,冬季最低气温为-30 ℃。

1.2 砌体制作

由于古砖样品较为稀少、试验具有不可重复性,所以本次试验砌筑8组、共16个砌体试件。每个试样由33块砖砌成,灰缝厚度为10 mm,高厚比为3,试件外观尺寸为280 mm × 425 mm × 870 mm (图1)。

图1 砌体试件示意图Fig.1 Schematic plan of a masonry specimen

1.3 冻融循环试验

1.3.1冻融循环破坏机理

多孔材料经冻融循环发生破坏可从宏观和微观两个方面解释。从宏观角度来说,建筑材料热膨胀系数不同,材料受冻时材料内部会产生应力,多次冻融循环使材料性能劣化。从微观角度来说,材料受冻时,当含水量超过某一临界值,孔隙中部分水结冰,导致体积膨胀、未结冰的水进入其它孔隙。为了克服黏滞阻力,材料中将产生静水压力、进而可能造成材料破坏。

1.3.2气候环境模拟试验系统

大气环境实验舱可以模拟不同的自然气候,包括温度变化、雨淋等。试验时,大气环境舱中温度范围在-20 ℃～20 ℃,雨滴直径范围控制在100～6 400 μm,雨淋强度为0～1.7 mm/min。

1.3.3冻融试验

以山西长治市平顺县实际气候情况确定冻融循环试验。第一次冻融循环前砌体试件淋雨24 h,试验时,在温度降到-20 ℃开始计时、并持续5 h,然后升温到20 ℃、耗时2 h,之后持续1 h,此后降温1 h、降到10 ℃、并持续喷淋2 h,喷淋结束后降温至-20 ℃。进入下一次循环。每5次冻融循环后,淋雨2 h补充水分。由于古砖在冻融35次时发生断裂,所以设定最大冻融循环次数为35次。将上述8组16个试样按照不同冻融次数分为0、5、10、15、20、25、30、35次。对应编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。一个冻融循环内的温度变化曲线见图2。

图2 冻融循环温度变化曲线Fig.2 Temperature variation curue in a freeze-thaw cycle

1.4 轴心抗压试验

将历经不同冻融次数的试件从大气环境实验舱取出,放置于试验机上,安装4个位移计和6个应变片、分别测试横向和竖向两个方向的变形(具体位置如图3所示)。进行轴心抗压试验时,每级加载10 kN、持续1 min,而后施加恒载2 min。将出现第一条裂纹时相应的荷载视为开裂荷载,将裂缝急剧扩展、表面出现脱落视为试件完全破坏。

图3 位移计和应变计位置示意图(单位:mm)Fig.3 Schematic plan of locations for displacement and strain gauges (Unit:mm)

加载结束后,用高清相机拍摄试件的外观图像(图4)。为了后续图像处理过程方便、处理结果真实,对每一级加载产生的裂缝用墨笔进行描绘、墨线位置与实际裂缝完全一致。由图4可知,砖块四周灰度差别不大,裂缝周围稍显模糊。

图4 加载结束后试件的原始外观图像Fig.4 An original image after load ended

2 基于图像处理技术的裂缝宽度计算

对原始图像,本文采用MATLAB平台、通过编程处理方式对图像预处理、提取裂缝位置、计算裂隙宽度,进而对裂缝宽度变化进行分析。

2.1 图像的预处理

试件四周较暗,且裂缝周围不太清晰,为了改善裂缝周围的模糊图像、更好地将裂缝识别出来,对亮度进行了补偿处理(研究时将原图每一个像素值增加20)。同时,选取试件中裂缝存在区域作为研究区域、进行后续处理。

2.2 裂缝的提取

提取裂缝时,使用点选与统计法来确定裂缝区域对应的灰度阈值。因为只需从古砖中提取裂缝,可以将试件看成只含有裂缝和古砖两种组分、忽略灰浆组分,且裂缝和古砖灰度为相邻分布。设H1和σ1分别为古砖的灰度均值和方差,H2和σ2为裂缝的灰度均值和方差,两种组分的灰度分界阈值T定义为:

(1)

式中:int为取整计算(因为实际灰度值为整数)。

裂缝和古砖区域的点选统计结果见表1。使用式(1),得到裂缝和古砖之间的灰度分界阈值(66)。

表1 裂缝和古砖区域的点选统计结果Table 1 Statistical results of cracks and ancient brick area

原始图像(图4)中,连续黑色物体是连接传感器的电线,初步处理时发现该物体会对后续研究裂缝造成困扰,如图5(a)所示。为了消除这一部分对识别结果的影响、使裂缝部分更为合理,需对阈值处理后的图像进行处理。首先采取边界对象抑制的方法去掉二值图中的黑色电线,而后采取形状特征描述的方法去掉图中不需要的阴影团和杂质(小面积部分),最后对所得图像进行形态学处理、采取半径为2的圆形结构元素清除裂缝边缘、连接裂缝区域的狭窄缺口和小洞,最终得到图5(b)。使用这些图像处理方法得到的裂缝位置,较好排除了电线、位移计、应变片、支架等对象的影响。

图5 裂隙分布的二值图Fig.5 Binary image of crack distribution

2.3 裂隙宽度的计算

根据二值图像中裂缝的x、y坐标,依次累加裂缝所在位置某行(或者列)像素的个数,得到该处裂缝宽度水平分量和竖向分量(像素)。以试件10-1为例,计算机截取的矩形区域为长2 154个像素点、宽4 161个像素点,对应图1的原型长宽尺寸、根据像素-实际物理量之间的比例关系,即可换算出相应裂缝的实际宽度。

3 裂缝宽度变化分析

3.1 裂缝分析

以试件10-1为例进行分析。试件的开裂荷载为150 kN;外荷继续加大时,试件中出现少量宽度很小的裂缝;当荷载加到290 kN时,试件出现大量荷载,裂缝逐步相互交叉,出现贯通5块砖的裂缝;随着外荷的加大,试件中裂缝条数基本不变;荷载加大到340 kN时,试件中出现6条新生裂缝;荷载加到350 kN时,裂缝基本充满整个墙面。

由于试件受压之后出现众多裂缝,对每条裂缝都进行研究不太现实,所以将试件中的裂缝分成中部和两侧,且两侧以左部和右部进行区分。在每一部分分析裂缝时,从顶部往下依次选取一条,如该部分没出现裂缝即该处无数据。在试件10-1中不同位置的裂缝宽度变化见图6。

图6 不同区域裂缝宽度Fig.6 Width of cracks in different areas

由图6可知,中部裂缝宽度相比左部、右部裂缝较小。中部最大裂缝宽度小于5 mm,而左右两部分均超过6 mm,且中部宽度平均值为1.87 mm,左部为2.54 mm,右部为2.06 mm。

3.2 冻融循环次数对古砖砌体的影响

冻融循环后,古砖受压性能的改变影响了古砖砌体的受压破坏。图7和图8分别为不同冻融循环次数对应的开裂荷载和破坏荷载。

图7 开裂荷载与冻融循环次数的关系Fig.7 Cracking load vs numbers of freeze-thaw cycles

图8 破坏荷载与冻融循环次数的关系Fig.8 Failure load vs numbers of freeze-thaw cycles

由图7和图8可知,冻融循环次数的不同影响了古砖砌体的破坏,大致呈先上升后下降的趋势。在冻融循坏次数达到20时,开裂荷载和破坏荷载均较大。

3.3 荷载对古砖砌体的影响

3.3.1破坏荷载对裂缝宽度影响

随着荷载不断增加,裂缝不断扩展。当荷载达到破坏荷载,此时试件裂缝宽度往往最大。由图9可知,不同试件破坏荷载与相应裂缝平均宽度关系没有明显的规律。

3.3.2开裂荷载与破坏荷载差值对裂缝宽度影响

由图10可知,当开裂荷载与破坏荷载差值小于190 kN时,对应的裂缝平均宽度较小:差值为160 kN时,对应裂缝平均宽度最小,为1.28 mm;差值为170 kN时,对应的裂缝平均宽度稍大,为1.32 mm。当开裂荷载与破坏荷载差值大于190 kN时,对应的裂缝平均宽度在1.8 mm上下波动。

图9 破坏荷载与裂缝平均宽度关系Fig.9 Failure load vs average of crack width

图10 开裂荷载与破坏荷载差值对裂缝宽度关系Fig.10 Difference value between cracking load and failure load vs average of crack width

3.4 古砖砌体受压破坏特征

图11为冻融循环次数不同时古砖砌体第一阶段加荷与破坏荷载的百分比。图中显示数据个数为13,是因为16个试件试验时3个(15、20、25)冻融循环次数对应数据出现了重合现象。由图11可知,出现第一阶段时对应的荷载均小于破坏荷载的50%、平均为35.16%,远低于正常砌体结构的50%～ 70%,第一阶段显著提前出现。

4 结 论

(1) 冻融循环次数会影响古砖砌体的受压破坏,冻融循环20次时开裂荷载和破坏荷载较大。

图11 不同冻融循环次数对应出现第一阶段时的百分比Fig.11 Percentage of being in first stage in different freeze-thaw cycles

(2) 开裂荷载与破坏荷载差值小于190 kN时裂缝平均宽度较小,大于190 kN时裂缝平均宽度在1.8 mm上下波动。

(3) 冻融循环后古砖砌体出现第一阶段对应的荷载与破坏荷载的百分比显著变小、平均值为35.16%,第一阶段显著提前出现。

不同条件下古砖砌体力学性状研究具有重要的实用价值,冻融循环次数、开裂荷载大小、破坏荷载大小、裂缝宽度变化之间的关系还需要进一步研究。使用图像处理技术,可以分析试验误差、得到这些关系的更多细节。

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