置换砂浆强度及深度对置换砂浆加固砌体抗剪性能影响的试验研究*

石建光， 郑雪锋， 林树枝,2， 谢益人

(1 厦门大学建筑与土木工程学院土木工程系， 厦门 361005； 2 厦门市交通运输局， 厦门 361005；3 厦门合立道工程设计集团股份有限公司， 厦门 361005)

0 引言

我国砌体结构建筑历史悠久，数量繁多，尤其是一些历史保护性建筑的结构多为无筋砌体结构。部分历史建筑砌体结构由于修建年代较早，且所采用的砂浆多为石灰砂浆、黏土砂浆和石膏砂浆[1]，随着时间的久远，砂浆强度变低，导致其承载力不能满足现行规范的要求，可以采用置换砂浆加固法[2-3]增强砌体结构抗震承载力。

目前关于置换砂浆加固砌体结构的研究，西南交通大学魏智辉[4]做过相关试验研究,其根据不同勾缝深度和加固砂浆强度，设计了12个勾缝加固砌体构件和3个未加固构件，并对其进行了轴压试验。试验结果表明，勾缝加固后的砌体构件破坏荷载比未加固的砌体构件均有提高，提高幅度与勾缝深度、加固砂浆强度有关，最大的达到30%，而破坏形态和过程类似。厦门大学邓华[5]针对砂浆强度低引起的砌体强度不足，提出了砌体灰缝注浆加固法，通过灰缝注浆，改善灰缝砂浆的力学性能，从而提高砌体的抗震能力。其试验表明，采用注浆加固方法替换灰缝砂浆后，砌体试件抗剪强度能够提高209%、抗压强度能够提高25%。华侨大学郭子雄[6]根据条石砌筑石墙的砌筑和构造特点，提出了采用聚合物砂浆对石墙进行嵌缝抗震加固的方法。其双剪试验结果表明，聚合物砂浆嵌缝加固能有效提高石墙灰缝的抗剪承载能力和剪切变形能力。

在地震作用下，砌体结构可能发生三种受剪破坏形式，即沿水平灰缝破坏、沿齿缝破坏和沿阶梯形缝破坏[7]，其中沿阶梯形缝破坏是砌体墙体最常见的破坏形式。所以，国内外部分学者采用了对角加载剪切试验对砌体抗剪强度展开了相关研究。四川大学梁鑫晓[8]为了研究烧结空心砖砌体的抗剪性能，设计了实际尺寸为990mm×980mm×200mm(长×高×厚)的抗剪试件。并通过对角加载剪切试验得出，烧结空心砖砌体的抗剪强度主要与砂浆和块体的界面特性有关，剪切破坏发生于灰缝，现行规范给出的砌体抗剪强度经验公式适用于烧结空心砖砌体。国外A.Gabor[9]对空心砖砌体面板的平面内抗剪性能进行了数值和试验分析，通过对角受压试验设计了实际尺寸为870mm×840mm×100mm(长×高×厚)的对角受压试件，同时考虑灰缝的弹塑性，利用ANSYS建立非线性模型进行数值模拟。最后得出，沿压缩对角线试验测得的应变与通过建模测得的应变之间的最大差异为：弹性区为6%，极限荷载为25%。

本文为研究置换砂浆强度以及置换深度对砌体结构对角剪切强度的影响，设计了5个试件，基于对角加载剪切试验，分析了不同因素下试件的破坏模式以及对抗剪性能的影响，为历史建筑砌体结构加固修缮提供一定的参考依据。

1 砌体试验试件

1.1 试件材料性能

本次试验的材料主要包括：1)黏土混合砂浆；2)特制的置换水泥砂浆；3)置换灌浆料；4)普通烧结砖。

相关调研及鉴定表明，鼓浪屿上历史风貌建筑砌体结构大多采用黏土混合砂浆，其砂浆主要由壳灰、黏土、砂等材料拌制而成，实测抗压强度多数为1MPa左右。由于黏土混合砂浆的强度较低，所以根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)，分别在黏土混合砂浆硬化后拆模，并于7d和28d后进行无侧限抗压试验[10]，测得的平均抗压强度为0.625MPa。

特制的置换水泥砂浆的主要成分有水泥、中砂、水以及华千素，其性能满足各方面要求，已成功运用至鼓浪屿鹿礁路99号、思明南路78-86号等实际工程项目上，现场效果较好，未出现泛碱等不利影响。特制的置换水泥砂浆7d实测抗压强度为6.2MPa，28d实测抗压强度为11.1MPa，28d实测抗折强度为4.0MPa[11]，稠度为91.5mm。

置换灌浆料的7d实测抗压强度为37.8MPa，28d实测抗压强度为55.0MPa，28d实测抗折强度为9.5MPa，稠度为83.0mm。

特制的置换水泥砂浆和置换灌浆料，收缩率为0.09%，收缩率在允许范围内，达到了对于置换砂浆无收缩或微膨胀的要求。

普通烧结砖采用市面上常见的烧结普通黏土砖，合理预估砖的数量，使得砖块在同一批次内生产，根据测量，砖块实际平均规格为225mm×104mm×47mm。烧结砖的抗压强度平均值为12.31MPa，抗压强度标准值为8.96MPa，变异系数0.15，故烧结砖的强度等级为MU10。

1.2 试件设计

依据单一变量原则，为探究置换砂浆强度和置换深度对砌体抗剪性能的影响，一共设计了5个试件，试验试件如图1所示。参照美国试验标准ASTM E519/E519 M-15[13]对本次试验试件进行设计，根据砖块的实际尺寸与标准普通砖的差异以及试验条件限制等因素，对试件的实际尺寸进行调整，1#～5#试件的实际尺寸L(长)×H(高)×B(宽)均为700mm×700mm×225mm，砌筑方式为一顺一丁。

图1 试验试件

本次试验采用的置换形式为双面X形交叉置换砂浆形式，X形带宽为225mm，1#试件的砂浆未置换，2#和3#试件置换深度均为40mm，4#和5#试件置换深度分别为30mm和50mm，置换区域示意图如图2所示。根据灰缝中砂浆面积可算出2#和3#试件中置换砂浆占全部砂浆的比例分别约为21%，4#和5#试件中置换砂浆占全部砂浆的比例分别约为16%和26%。具体试件参数如表1所示。

图2 置换区域示意图

剪压试验试件设计 表1

1.3 试验加载方案

本试验的加载设备选用厦门大学结构工程实验室的YAW-800型微机控制电液伺服压力试验机，试验机由主机、伺服液压系统、测量控制系统、数据采集系统等组成。如图3所示。

图3 YAW-8000型电液伺服柱压力试验机

本次试验参照美国试验标准ASTM E519/E519 M-15[13]，采用对角加载剪切试验，并根据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)要求，采用分级均匀加载，具体加载数值见文献[14]。同时在每个试件的正面均设置测点以得到试件加载时产生的横向和竖向变形，加载过程中当加载力达到峰值即力-位移曲线不再上升时，视为试件丧失承载能力而破坏，应当立即停止加载[15]，试验试件加载示意图如图4所示。

图4 试验试件加载示意图

2 不同置换砂浆强度的试验结果及分析

2.1 破坏过程

在加载过程中，1#试件黏土混合砂浆挤压均匀，而2#和3#试件的黏土混合砂浆和置换砂浆呈现不同程度的挤压。3个试件的第一道裂缝均出现在试件的中部，随着荷载的不断增大，试件内部细小的裂缝不断发展，最后在试件内部形成贯通裂缝，试件丧失承载能力，其破坏形式属于剪切滑移破坏[16]。

由图5～7的1#～3#试件破坏过程可以看出，1#和2#试件破坏时的贯通裂缝长度分别为933mm和875mm，贯通裂缝呈阶梯形，其中2#试件贯通裂缝跨过置换区域的长度为583mm，可初步推断，试件最终破坏的贯通裂缝长度比较接近。3#试件破坏时的实际贯通裂缝长度为933mm，其中贯通裂缝跨过置换区域的长度为758mm。与2#试件相比，3#试件实际破坏时贯通裂缝的长度较为接近，而贯通裂缝跨过置换砂浆区域的长度较大，主要原因为灌浆料强度较大且大于砖块强度，故传力路径主要在加固区域内。

图5 1#试件破坏过程图

图6 2#试件破坏过程图

图7 3#试件破坏过程图

1#未置换砂浆试件灰缝内部为均匀的黏土混合砂浆，黏土混合砂浆的强度、刚度较低，加载过程中黏土混合砂浆不断被压紧，裂缝集中在黏土混合砂浆上，砖表面未见明显裂缝，最终破坏时呈现明显的阶梯形裂缝[17]。2#置换水泥砂浆试件灰缝内部存在两种强度、刚度相差较大的砂浆，加固区的强度、刚度较大，根据刚度分配原则，力总是沿着刚度较大的路径传递，所以加固区所分配的荷载较大，加固区裂缝不断发展延伸至非加固区直至贯通，故裂缝主要集中在试件的垂直受力方向并且大部分处于加固区内[18]。

与2#试件相比，3#试件的差别体现在置换砂浆强度上，其置换砂浆强度远大于砖块强度，故试件破坏时形成的贯通裂缝跨过置换区的长度较大，即跨过置换区的比例较高，裂缝集中在加固区，且部分砖块角部有压碎的现象。由于3#试件中灌浆料起到了关键传力作用，但其占全部砂浆的比例有限，所以试件承载力提高的幅度相对较小。由此可见，不同置换砂浆强度的试件破坏时形成的贯通裂缝有一定的差异。

2.2 荷载-位移曲线分析

从图8可以看出，1#，2#，3#试件的荷载峰值分别为47.6，108.2，64.2kN，对应的位移分别是5.10，5.50，4.70mm。

图8 不同置换砂浆强度的试件的荷载-位移曲线

从1#，2#，3#试件的荷载-位移曲线可以看出，当试件荷载达到峰值后曲线均开始下降，且当位移超过3.50mm时，1#试件和2#，3#试件的荷载-位移曲线的变化趋势截然不同，1#试件在达到荷载峰值附近时，其荷载-位移曲线具有明显的水平趋势，呈现出一定的塑性阶段。2#，3#试件的荷载-位移曲线均在荷载达到峰值后剧烈下降，呈现明显的脆性破坏。可初步推断这是由于灰缝砂浆不同引起的差异，置换砂浆后改变了试件的刚度和强度，从而提高了试件的承载力。而2#与3#试件荷载-位移曲线的变化趋势有一定的相似性，但不同强度的置换砂浆提高试件承载力的幅度有一定的差异。

3 不同置换深度的试验结果

3.1 破坏过程

与1#和2#试件类似，4#和5#试件的第一道裂缝均出现在试件中部，随着荷载不断增大，试件内部细小裂缝不断发展，最后在试件内部形成贯通裂缝，试件丧失承载能力。

由图9、图10的试件破坏过程可以看出，4#，5#试件破坏时的贯通裂缝长度分别为933，875mm，贯通裂缝呈阶梯形，其中4#和5#试件贯通裂缝跨过置换区的长度分别为583，467mm。由此可见，不同置换深度的试件在破坏时的贯通裂缝长度以及贯通裂缝跨过置换区的长度较为接近，说明其破坏模式具有一定的相似性。

图9 4#试件破坏过程图

图10 5#试件破坏过程图

2#，5#，4#试件灰缝内部均存在两种强度、刚度相差较大的砂浆，三者的区别在于置换深度不同，从而导致置换面积率也不同。3个试件的加固区与非加固区之间强度、刚度相差较大，裂缝主要集中在试件的垂直受力方向且大部分处于加固区内。

3.2 荷载-位移曲线分析

从图11可以看出，由于置换深度不同，故试件的承载力有所不同，1#，2#，4#，5#试件的荷载峰值分别为47.6，108.2，76.8，101.0kN，对应的位移分别为5.10，5.50，4.30，4.60mm。

图11 不同置换深度的试件荷载-位移曲线

由图11的4个试件的荷载-位移曲线可以看出，当试件荷载达到峰值后荷载-位移曲线均开始下降。4#，5#试件与2#试件的荷载-位移曲线的发展趋势具有一定的相似性，均在荷载达到峰值后曲线剧烈下降，呈现明显的脆性破坏。置换砂浆后试件的对角剪切强度明显得到提高，不同置换深度试件的对角剪切强度提高幅度不同。

4 试验结果分析与总结

根据美国试验标准ATSM E519/E519 M-15[13]，计算砌体墙的对角剪切强度，如式(1)所示：

fshear=Pcosα/An

(1)

式中：P为砌体墙的极限荷载；α为砖缝与加载方向之间的夹角；An为墙面的毛面积，mm2，An=(w+h)tn/2，w为砌体墙的宽度，h为砌体墙的高度，t为砌体墙的厚度，n为砌体墙的毛面积率，本试验n取为1。 换算得出本次试验试件的对角剪切强度，如表2、表3所示。

4.1 不同置换砂浆强度的影响

对比表2中1#和2#试件的数据可以看出，2#试件置换特制的水泥砂浆之后，其对角剪切强度比1#试件提高了127.31%，说明置换砂浆X形加固后的试件的对角剪切强度提高明显。置换砂浆后，试件加固区的强度和刚度均变大，且形成了有效的传力路径，从而提高了对角剪切强度。

而对比表2中1#和3#的数据可以看出，3#试件置换灌浆料之后，其对角剪切强度比1#试件提高了34.87%，相比2#试件，提高的幅度相对较小。砌体结构中的砂浆起着粘结、衬垫和传递应力的作用，根据《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)[19]，砂浆强度不应大于砖块强度。而3#试件灌浆料强度远大于砖块强度，在加载过程中砂浆传递的应力更大，不符合常规砌体砌筑要求，且灌浆料与砖块的粘结性更好，导致试件破坏时部分砖块角部被压坏，破坏时的位移更小，脆性破坏更迅速，所以3#试件对角剪切强度提高的幅度相对较小。

不同置换砂浆强度试件对角剪切强度对比 表2

不同置换深度试件对角剪切强度对比 表3

4.2 不同置换深度的影响

对比表3中的数据可以看出，2#置换深度40mm的试件对角剪切强度比1#未置换砂浆试件提高了127.31%，4#置换深度30mm的试件对角剪切强度比1#未置换砂浆试件提高了61.34%，5#置换深度50mm的试件对角剪切强度比1#未置换砂浆试件提高了112.18%。由此可见，置换砂浆能明显有效地提高试件的对角剪切强度。

2#，4#，5#试件的对角剪切强度大小为：2#试件>5#试件>4#试件，可见，不同置换深度提高砌体对角剪切强度的幅度不同，上述3个试件的对角剪切强度没有随置换深度的变大而变大，其中置换深度为40mm的试件效果最好。

4.3 对角剪切强度试验值与计算值的差异

根据施楚贤、刘桂秋[20]等的观点，当σy/fm≤0.32时(σy为墙体内的竖向压应力，fm为砌体抗压强度平均值)，砌体呈剪切滑移破坏，砌体抗剪强度平均值fv,m可由下式确定：

fv,m=fv0,m+0.5σy

(2)

由于试件受力方向与砖缝之间的角度为45°，所以σy在数值上与试件的对角剪切强度相等，在此基础上，可以算出各试件对角剪切强度试验值与计算值之间的差异，如表4所示。

各试件对角剪切强度试验值与计算值对比 表4

由表5可以看出，1#，2#，4#试件对角剪切强度试验值与计算值之间的误差较小，均在10%以内，较为理想；而5#试件对角剪切强度试验值与计算值之间的误差为10.5%，相对较大；3#试件对角剪切强度试验值与计算值之间的误差25.0%，最大。初步分析可得，3#试件是由于置换灌浆料强度太大，远大于砖块强度，且与砖块粘结性更好，使得加载过程中砖块角部被压坏，实际破坏时裂缝局部跨过砖块，从而导致对角剪切强度试验值比计算值小了25.0%。而5#试件置换深度50mm，由于置换深度相对较大，在置换过程中灰缝内部很难保证砂浆填充饱满，反而无法较好地保证砂浆与砖块的粘结性，从而导致加固效果略低于置换深度40mm的试件，其对角剪切强度试验值比计算值低了10.5%。

5 结论

(1)置换砂浆强度不应超过砌块强度，置换砂浆强度与提高砌体结构抗剪性能的幅度之间存在复杂的关系，置换砂浆强度越高，加固效果不一定越好。置换砂浆强度的取值范围应综合考虑原结构砂浆强度、砖块强度和置换形式等因素。在黏土混合砂浆强度小于1MPa、砖块强度等级为MU10、置换形式为双面X形的工况下，建议采用特制的置换水泥砂浆。

(2)置换深度对提高砌体抗剪性能有明显作用，不同置换深度的试件抗剪性能存在一定的差异。置换深度与提高砌体结构抗剪性能的幅度之间同样存在着复杂的关系，存在某个特定置换深度使得加固效果最好。考虑实际加固工程的施工可操作性和可识别性，建议置换深度取40mm。

(3)通过试验结果分析可得，置换砂浆法是一种有效可行的加固方法。在对角剪切作用下，置换砂浆强度和置换深度均对置换砂浆法加固砌体影响显著，且并非独立影响，二者相互之间存在一定的联系与影响。因此，在采用置换砂浆法加固实际工程中，建议采用特制的置换水泥砂浆，同时置换深度为40mm。且应进一步深入研究置换砂浆对砖块抗折强度的影响。