贯入法检测传统灰浆抗压强度试验研究*

丁 伟

(河北省建筑科学研究院有限公司， 石家庄 050021)

0 引言

河北地区有较大比例的以砌体结构为主要竖向受力构件的古代以及近现代文物建筑。这些文物建筑在漫长岁月里经受了不同自然条件下的侵蚀和人类活动的破坏，有的亟待抢修，有的需要有针对性的加固。为准确评估这些文物建筑砌体结构承载能力，研究作为砌体结构重要组成部分的砌筑灰浆，找到检测其抗压强度的无损检测手段则尤为重要。贯入法作为一种快捷、准确的无损检测技术，为较理想的传统灰浆抗压强度无损检测方法。但现行《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》(JGJ/T 136—2017)[1](简称砌筑砂浆规程)中只有针对预拌砂浆、现场拌制水泥混合砂浆、现场拌制水泥砂浆等现代砂浆的测强曲线，对文物建筑墙体砌筑传统灰浆，尚无系统研究，未建立专用测强曲线。基于上述问题，本文结合河北地区多项全国重点或省级文物保护单位项目，以纯白灰、多种配比白灰砂浆、掺灰泥等传统灰浆为研究对象，制备大量砌体试件及灰浆试块，对贯入法检测传统灰浆抗压强度进行了系统研究。

1 试验概况

1.1 试验设备

本次试验中，贯入法测试采用型号为SJY800B的贯入仪，贯入仪及测钉主要技术参数见表1。灰浆试块抗压试验采用WDW-50型微机控制电子万能试验机，最大力值50kN。

贯入仪及测钉主要技术参数 表1

1.2 试验方法设计及试件制备

根据对河北地区现存古建筑城墙、砖塔等砌体结构灰浆，以及近现代砌体结构文物建筑灰浆情况的调查，其大多以石灰为基础，掺入不同掺和料制备，根据实际情况共选用纯白灰、1∶1白灰砂浆、1∶2白灰砂浆、1∶3白灰砂浆、1∶1掺灰泥5种灰浆。每种灰浆均采用规格为280×140×70的小停泥砖砌筑280×860×1 800的砌体试件(或直接利用保护维修工程中可用新砌墙体)6件(1组)，共计30件(5组)，每件试件设计4个测区，分别于龄期30，90，180，400d各进行1个测区的贯入试验。在砌筑砌体试件过程中，每种灰浆制作4组以小停泥砖为底模，同条件养护边长为70.7mm的立方体试块，每组18块(6块试块进行抗压强度试验，12块试块进行贯入试验)，分别于龄期30，90，180，400d各进行1组抗压强度及贯入试验。

通过对砌筑砌体试件灰缝及同条件养护灰浆试块同时进行多龄期对比贯入试验，研究砌体中灰缝和灰浆试块贯入深度的相关关系。通过对所制备砌体试件同条件养护的灰浆试块进行多龄期抗压强度试验，建立各类灰浆抗压强度随龄期增长曲线。由砌体试件灰缝贯入试验及同条件养护灰浆试块抗压强度试验结果，依据砌筑砂浆规程规定的测强曲线的制定方法建立传统灰浆贯入法测强曲线。

2 试验过程及试验结果

2.1 试验过程

针对第1.2节所制备的砌体试件与同条件自然养护灰浆试块进行如下试验。

2.1.1 砌体试件灰缝贯入试验

(1)将纯白灰、1∶1白灰砂浆、1∶2白灰砂浆、1∶3白灰砂浆、1∶1掺灰泥5种灰浆砌体试件，分别按A，B，C，D，E编号；每种灰浆的砌体试件按顺序编号；每个砌体试件划分4个测区也按顺序编号，如A-1-1表示1号纯白灰砌体试件的第一测区。

(2)分别在砌体试件养护30，90，180，400d时，按顺序在每种灰浆每个砌体试件的第一、第二、第三、第四测区内进行贯入试验，在水平灰缝上均匀测试16点，去掉3个较大值和3个较小值，计算余下10个贯入深度值的平均值并记录。

2.1.2 灰浆试块贯入试验

(1)将与砌体试件同时制作的同条件养护的5种灰浆试块，按A，B，C，D，E编号，与砌体试件相对应。

(2)将每种灰浆所制作的4组同条件养护立方体试块按顺序编号，如A-1表示第1组纯白灰试块。每组18块试块，取其中12块试块进行贯入试验。

(3)分别在试块养护30，90，180，400d时，对每种灰浆进行1组灰浆试块的贯入试验。在进行贯入试验时，先将灰浆试块可靠固定，然后在灰浆试块的成型侧面进行贯入试验，每块试块进行一次贯入试验，并记录贯入值。

2.1.3 灰浆试块抗压强度试验

(1)将与砌体试件同时制作的同条件养护的5种灰浆试块按A，B，C，D，E编号，与砌体试件及贯入试验灰浆试块相对应。

(2)每种灰浆所制作的4组同条件养护立方体试块按顺序编号，如A-1表示第1组纯白灰试块。每组18块试块中的6块试块进行抗压强度试验。

(3)在试块养护30，90，180，400d时，每种灰浆分别进行1组灰浆试块的抗压强度试验。

(4)灰浆试块的抗压强度试验，参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)[2]规定的试验步骤进行，加荷速度取50～150N/s，试块破坏后记录破坏荷载。

2.2 试验结果

待全部试验完毕，每种灰浆均可得到所含6个砌体试件分别在30，90，180，400d所测得的灰缝贯入深度平均值，以及与其相对应的分别在30，90，180，400d所测得的1组灰浆试块贯入深度平均值和1组灰浆试块抗压强度平均值，结果见表2。

试验结果汇总 表2

值得说明的是，在试验过程中发现，在龄期为30d时，灰浆试块在贯入试验中普遍出现开裂的现象；在龄期为90d时，贯入开裂现象有所改善，但仍占有一定比例；在龄期为180d时，贯入开裂现象明显改善，仅出现个别贯入开裂的情况；在龄期为400d时，未出现贯入开裂的情况。分析贯入开裂原因是由石灰所具有的气硬性、早期强度低、凝结硬化慢的特性所决定的。

3 试验结果分析

3.1 砌体灰缝与灰浆试块贯入深度相关关系的建立

为获得较大范围强度的相关关系曲线，采用不同龄期试块调节贯入深度；为适应灰浆配比未知时的检测，将5种灰浆不分品种混在一起建立砌体试件灰缝与灰浆试块贯入深度相关关系，见图1。

图1 砌体灰缝与灰浆试块贯入深度相关关系

由图1可知，砌体灰缝上测得的贯入深度与灰浆试块上测得的贯入深度相关关系回归公式如下式(线性相关系数为0.964)：

md=1.132 7md′+0.677 7

(1)

式中：md为砌体灰缝上测得的贯入深度；md′为灰浆试块上测得的贯入深度。

3.2 灰浆试块抗压强度随龄期增长曲线的建立

依据表2绘制各种灰浆试块抗压强度随龄期增长曲线，见图2。由表2及图2可见，各类灰浆试块抗压强度均随龄期的增长而增大，初始增长斜率较大，随着龄期的增长，灰浆试块抗压强度呈减缓趋势。在龄期为30d时，5种灰浆试块抗压强度较接近，相对而言1∶3白灰砂浆试块抗压强度最高，掺灰泥和纯白灰试块抗压强度最低，随着龄期的增长，纯白灰试块抗压强度增大得最快，1∶1白灰砂浆次之，再次之为其他3种灰浆。最终到龄期为400d时，纯白灰试块抗压强度最高，1∶1白灰砂浆次之，1∶2白灰砂浆及1∶3白灰砂浆再次之，掺灰泥最低。纯白灰试块抗压强度，较其他灰浆试块前期低后期高，而砂含量的增加使得白灰砂浆试块的抗压强度较纯白灰试块前期高后期低，说明在试块成型后的早期，砂的加入促进了灰浆试块的硬化。由各种灰浆试块抗压强度随龄期增长曲线趋势可判断，在龄期至400d后，灰浆试块的抗压强度依然在缓慢增长，说明各种灰浆试块抗压强度的增长是一个缓慢而长久的过程。

图2 各种灰浆试块抗压强度随龄期增长曲线

3.3 贯入法测强曲线的建立

一方面，由于灰浆试块抗压强度随龄期增长缓慢，低龄期灰浆试块进行贯入试验时，试块普遍出现开裂现象，对贯入结果造成了较大影响；另一方面，由于对古建筑砌筑灰浆进行贯入试验是在灰缝中进行的，故本文用砌体试件建立传统灰浆测强曲线[3]。

为获得较大范围强度的贯入法测强曲线，采用不同龄期砌体试件及灰浆试块调节贯入深度及抗压强度[4]；为适应灰浆配比未知时的检测，将5种灰浆不分品种混在一起，研究砌体试件灰缝贯入深度与同时制作同条件养护的灰浆试块抗压强度的关系，建立贯入法测强曲线。参照砌筑砂浆规程专用测强曲线制定方法规定，将每一组砌体试件灰缝的贯入深度平均值和对应的试块抗压强度平均值，采用幂函数形式进行最小二乘法回归分析[5]，得到贯入法测强曲线见图3，回归公式见式(2)，并分别计算贯入法测强曲线的相关系数、平均相对误差和相对标准差，结果列于表3。

(2)

图3 传统灰浆贯入法测强曲线

表3

如表3所示，所得贯入法测强曲线的平均相对误差不大于18%，相对标准差不大于20%，满足砌筑砂浆规程要求，可作为纯白灰、白灰砂浆以及掺灰泥的通用贯入法测强曲线。受到试验灰浆强度范围的限制，为确保公式的准确性，其适用范围为0.3～3MPa，当超出适用范围时，应进行验证后使用或建立专用曲线。

4 与现代砂浆贯入法测强公式比较

将式(2)与砌筑砂浆规程附录D中预拌砌筑砂浆、现场拌制混合砌筑砂浆以及现场拌制水泥砌筑砂浆贯入法测强曲线回归公式进行对比，其公式见表4。

贯入法测强曲线回归公式 表4

将表4中的4条贯入法测强曲线绘制于图4可知，在贯入深度较大(md>14mm)时，传统灰浆与另外3条测强曲线较为接近，相对而言，灰浆抗压强度略高于另外3种砂浆的抗压强度；当贯入深度较小时，灰浆与另外3条测强曲线差别较大，随着贯入深度的减小，3种现代砂浆与灰浆的抗压强度差值呈增大趋势。这说明现代砂浆贯入法测强曲线并不适用于传统灰浆的抗压强度推定，以灰浆贯入深度套用现代砂浆测强曲线计算抗压强度，将会造成较大偏差，取值过高，偏于不安全。对于以纯白灰、白灰砂浆以及掺灰泥为粘结材料砌筑的古代砌体及近现代文物建筑，灰浆抗压强度的贯入法测定采用本文专用测强曲线更为符合实际，并符合文物保护无损检测的要求。

图4 贯入法测强曲线对比图

5 工程验证

结合实际项目，对图3测强曲线的可靠性进行验证[6]。在中央人民广播电台旧址项目中，以小停泥砖为块材，以白灰砂浆为粘结材料，砌筑尺寸为530×530×2 100的独立砖柱3个(其中1个为文物建筑本体中原位新砌柱)，划分为6个测区，分别在龄期为30，60，90，180，360，540d时，各进行1个测区的贯入测试；在砌筑砖柱过程中，制作6组同条件养护立方体试块(每组3块试块)，分别在龄期为30，60，90，180，360，540d时，与贯入测试相对应各测试1组灰浆试块抗压强度。结合阳原澍鹫寺塔修缮项目，砌筑尺寸为320×2 000×1 800的以纯白灰为粘结材料的手工青砖砌体试件1个，划分为4个测区，砌筑试件过程中制作4组同条件养护立方体试块(每组3块试块)，分别在龄期为30，60，90，120d时，进行1个测区的贯入测试及1组试块抗压强度测试。将在两个项目中所得到的10个测区的贯入深度平均值依据式(2)计算抗压强度换算值，与所得到的10组灰浆试块抗压强度平均值进行对比计算得出图3测强曲线平均相对误差为13.4%，相对标准差为15.6%。

6 结论

(1)研究了砌体中传统灰浆灰缝和灰浆试块贯入深度的相关关系，得出线性回归公式为：md=1.132 7md′+0.677 7。

(2)开展了各灰浆试块抗压强度随龄期增长试验研究，建立了各种灰浆试块抗压强度随龄期增长曲线。