古建筑墙砖回弹法测强技术研究

丁 伟

（河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050021）

0 引 言

古建筑作为人类文明发展的重要遗产之一，具有极高的历史、艺术、科学、社会及文化价值。我国第三次全国文物普查，被认定为不可移动文物的数量约 76 万余处，其中在河北地区，有怀来鸡鸣驿城、丰润玉煌塔、定州古塔等较大比例的以传统手工青砖和灰浆砌筑而成的砌体为主要竖向受力构件的古建筑。这些古建筑有的受到自然条件的侵蚀，有的受到人类活动的破坏，急需要进行科学化保护，为达到对古建筑本体最小干预的原则，对古建筑本体的检测评估工作尤为重要。

由于古建筑墙砖主要用于承受压力，因此对古建筑墙砖质量检测的重点为对其强度的检测，其强度的指标直接关系到文物古建筑结构的安全性和耐久性［1］。

回弹法具有设备轻便，操作简便高效，对场地条件要求不高，对文物古建筑无损的优点，使得该方法非常适合进行古建筑墙砖强度的检测。

目前本课题组已建立了河北地区古城墙砖测强曲线［2］以及保护维修工程用现代手工城砖测强曲线［3］。由于古建砖料的品种、规格尺寸一直没有统一规定，且规格尺寸相差较大，上述已建立的两条曲线均是针对规格尺寸较大的城砖得出的，是否适用于其他较小规格尺寸的手工青砖还有待进一步研究。

基于上述问题，本文结合丰润玉煌塔、遵化清东陵景陵圣德神功碑楼、中央人民广播电台旧址等多项古建筑维修项目，选取了一定数量的与烧结普通砖尺寸相当的小规格古建筑墙砖，对采用回弹法测试其强度进行了系统研究。

图1 直线式回归曲线

图2 幂函数式回归曲线

图3 指数函数式回归曲线

1 小规格古墙砖回弹测强试验研究

1.1 试验设备

本次试验采用型号为 HT-75 的回弹仪以及 WEW-300B/600B 型液压万能试验机。

1.2 砖样选取及试件制备

结合古建筑维修保护项目，以尽可能使所选取砖样强度分布最大为目的，共抽取小规格古墙砖 60 块，用于回弹和直接抗压强度对比试验。

将所抽取的 60 块砖样，辅以部分普通砖，紧贴房屋墙面，采用 M 2.5 的混合砂浆砌筑成标准墙片，墙片高度约 2.5 m。

1.3 回弹及抗压强度试验

待所制做的标准墙片养护 28 d 后，依次在每块已编号的砖样的外露条面上采用回弹仪进行回弹测试，每块砖的外露条面上均匀布置 5 个弹击点，相邻弹击点间距不小于 30 mm，两边弹击点离砖边缘不小于 30 mm。对应砖样编号依次记录回弹值，并计算每块砖样 5 个回弹值的平均值。

待标准墙片内所有青砖回弹测试完毕，去掉粘结砂浆，将每块已编号青砖砖样制成一次成型试样，按照国家标准 GB/T 2542-2012《砌墙砖试验方法》［4］进行抗压强度测试。对应砖样编号，依次测量每块试样连接面长度（L）和宽度（B），并记录最大破坏荷载（P），计算每块试样的抗压强度Rp=P/（L×B）。

1.4 回弹测强曲线的建立

回弹及抗压测试完成后，每个试样均得到回弹值平均值Ri和抗压强度fi两个数据。二者之间的关系存在一定的规律性，这种规律性的联系称为相关性［5-7］。

参考 JC/T 796-1999《回弹仪评定烧结普通砖强度等级的方法》［8］中，回弹仪评定砖强度等级测强曲线的制定方法，分别采用直线式、幂函数式、指数函数式三种回归方程，按照最小二乘法原理进行回归分析，结果如图1～3 所示。

用抗压强度值和平均回弹值，按各回归方程式计算强度的相关系数、平均相对误差、相对标准差，如表1所示。

表1 回弹测强回归对比表

根据表1，测强曲线选用相关系数相对较大、相对标准差相对较小的线性函数表达式（1）。

为了验证该方程回归效果的显著性，采用F检验法对上述回归方程进行显著性检验，结果为回归方程的回归效果显著。

由于受到所抽取古墙砖强度分布的限制，故本测强曲线仅适用于强度为 4～15 MPa 的小规格古墙砖的检测。

2 河北地区古建筑墙砖统一回弹测强曲线的建立

2.1 古城墙砖回弹测强曲线

河北地区规格尺寸较大的古城墙砖回弹法测强公式如式（2）所示。

2.2 古建筑墙砖统一回弹测强曲线的建立

将一定间隔的回弹值代入式（1）、（2），可分别得到相应换算抗压强度值，计算结果如表2及图4所示。

表2 换算抗压强度对比表

图4 测强曲线对比图

由表2和图4的对比研究发现，小规格古墙砖以及大规格古城砖测强曲线较接近，利用数理统计方法可以将该两条曲线回归出回弹法检测古建筑墙砖的统一测强公式。

图5 拟合曲线

选取范围在 22～38 之间的 33 个回弹值（等差为0.5），分别按照小规格古墙砖以及大规格古城砖强度换算公式计算得到相应的换算抗压强度值。将得到的66（33×2）组“回弹值-抗压强度”数据描绘出散点图特征。考虑到古墙砖低强度区的适用性，采用幂函数式按最小二乘法对回弹值-抗压强度数据进行回归，得到统一测强曲线，如图5所示。计算相关系数为 0.986，数据点个数 66，回归公式为式（3）。

2.3 与现代烧结普通砖回弹测强公式比较

现行标准中，GB/T 50315-2011《砌体工程现场检测技术标准》［9］（以下简称“GB/T 50315-2011”）和GB/T 50344-2004《建筑结构检测技术标准》［10］（以下简称“GB/T 50344-2004”），均给出了烧结普通砖的回弹测强公式，分别为式（4）、（5）。

为利于古建筑墙砖与现代烧结普通砖测强曲线的对比分析，并考虑各曲线的适用范围，将一定间隔的回弹值分别代入式（3）～（5）中，计算出相应的换算抗压强度值，并绘制回弹测强曲线对比图，分别如表3和图6所示。

表3 换算抗压强度值对比表

图6 回弹测强曲线对比图

根据表3、图6，古墙砖测强曲线和两部现行标准给出的烧结普通砖测强曲线相比较，古墙砖测强曲线切线斜率明显低于两部标准给出的烧结普通砖测强曲线，说明随着回弹值的增加，古墙砖换算抗压强度增势缓于两部标准给出的普通砖换算抗压强度增势。在古墙砖测强曲线适用范围内，在相同回弹值的情况下古墙砖换算抗压强度值均高于两部标准烧结普通砖换算抗压强度值，且随回弹值的增大呈接近趋势。

2.4 工程应用

结合乌龙沟长城、广宗县官署正堂等多项古建筑维修保护项目，对所得的统一回弹测强曲线的适用性进行了应用验证，验证结果表明，古墙砖统一回弹测强曲线f=0.0193R1.8079，适用于所抽取的各种规格古墙砖，精度较好。

3 结 语

依据国家现行标准和技术规程，通过试验和数据统计分析，建立了小规格古墙砖回弹测强曲线。并通过大规格城砖与小规格古墙砖测强曲线的对比、回归分析，给出了适用于河北地区各种规格尺寸古建筑墙砖的统一回弹测强曲线，回弹测强公式为：f=0.0193R1.8079。该测强曲线适用于强度为 4～15 MPa 的各种规格古墙砖的检测，当超出本曲线适用范围时，应进行验证后使用，或制定专用回弹测强曲线。

该统一回弹测强曲线的建立丰富了文物古建筑现状无损检测手段，促进了河北地区回弹法检测古建筑墙砖抗压强度的规范化、标准化。