0 引言

　　 通过第三次全国文物普查工作，从2000年到2015年，被认定为不可移动文物的数量从30余万处增加到了76万余处 ^[1],其中以传统灰浆为粘结材料的手工青砖砌体结构文物建筑占较大比例。目前国内外尚无该类砌体弯曲抗拉强度方面的系统研究成果，本文结合河北地区多项文物建筑保护修缮项目，制备以纯白灰、白灰砂浆、掺灰泥等传统灰浆为粘结材料的手工青砖砌体试件，进行沿通缝截面及沿齿缝截面的弯曲抗拉强度试验研究，为该类砌体的评估提供基础指标依据。

1 试验概况

1.1 原材料的选取

　　 试件砌筑用手工青砖采用出自同一批次，物理性质基本相同，以传统工艺烧制而成的小停泥砖，规格为280mm×140mm×65mm。

　　 根据河北地区现存文物建筑砌体砌筑灰浆大多为以石灰为基础及采用素白灰或掺入不同掺合料制备的现状，本文弯曲抗拉砌体试件采用纯白灰、体积比为1∶1白灰砂浆、体积比为1∶3白灰砂浆、体积比为1∶1掺灰泥等四种灰浆。配置传统灰浆所用原材料为生石灰、中砂、黄土、自来水，其中生石灰经检验其氧化镁含量4.2%、氧化钙和氧化镁总含量79.3%。

1.2 试件设计与制作

　　 本文弯曲抗拉砌体试件以所选用小停泥砖为块材，以纯白灰、体积比为1∶1白灰砂浆、体积比为1∶3白灰砂浆、体积比为1∶1掺灰泥四种灰浆为粘结材料，以糙砖方式砌筑。为研究古建筑中等级较高的丝缝砌体的弯曲抗拉性能，制备以纯白灰为粘结材料、以仿丝缝方式砌筑试件，进行对比试验。共设计5组沿通缝截面弯曲抗拉试验试件及5组沿齿缝截面弯曲抗拉试验试件，每组设计试件9个，共计45个沿通缝截面弯曲抗拉试件及45个沿齿缝截面弯曲抗拉试件，试件设计及分组编号见表1。

　　 试件设计及分组编号 表1

组别	试件编号	灰浆	砌筑类型
TA	TA-1～TA-9	纯白灰	糙砖
CA	CA-1～CA-9
TB	TB-1～TB-9	纯白灰	仿丝缝
CB	CB-1～CB-9
TC	TC-1～TC-9	1∶1白灰砂浆	糙砖
CC	CC-1～CC-9
TD	TD-1～TD-9	1∶3白灰砂浆	糙砖
CD	CD-1～CD-9
TE	TE-1～TE-9	1∶1掺灰泥	糙砖
CE	CE-1～CE-9

 

　　 注：试件编号中“T”表示沿通缝，“C”表示沿齿缝。

　　  

　　 参照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011) ^[2](简称GB/T 50129—2011)相关规定，仿丝缝砌筑沿通缝截面弯曲抗拉试件设计尺寸为280mm×280mm×860mm, 沿齿缝截面弯曲抗拉试件设计尺寸为280mm×265mm×1 290mm; 糙砖砌筑沿通缝截面弯曲抗拉试件设计尺寸为280mm×280mm×900mm, 沿齿缝截面弯曲抗拉试件设计尺寸为280mm×280mm×1 320mm, 如图1所示。

　　 图1 弯曲抗拉试件示意图  

　　  

　　 弯曲抗拉试件由一名中等技术砌筑水平的砌筑工完成。沿通缝弯曲抗拉试件，采用立砌的方式砌筑，试验时将试件放平，再安装到试验台座上。沿齿缝弯曲抗拉试件，采用平砌并采用一顺一丁的砌筑形式，试验时以长边为轴旋转90°,平移至试验台座上。在试件支座处和荷载作用处，预先采用1∶3水泥砂浆找平，找平层厚度10mm、宽度不小于50mm, 当加荷设备的荷载作用面与试件受荷面接触不密合时，使用快硬石膏垫平。固定铰支座的固定铰采用边长70mm等边角钢，滚动铰支座的滚轴采用直径50mm圆形钢棒，调整固定铰支座与滚动铰支座顶部处于同一水平面。

1.3 试件砌筑材料强度试验

1.3.1 手工青砖抗压强度

　　 在砌筑弯曲抗拉试件的手工青砖中，随机抽取青砖10块，参照《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542—2012) ^[3]的相关规定及丁伟等 ^[4]的研究成果，对所抽取手工青砖进行抗压强度试验，实测青砖抗压强度平均值为7.6MPa, 推定强度等级MU7.5。

1.3.2 灰浆抗压强度

　　 参照GB/T 50129—2011的相关规定，在砌筑弯曲抗拉试件的过程中，每种灰浆制作1组以砌筑用青砖为底模的同条件养护立方体试块，每组试块数量6个。灰浆试块抗压试验与弯曲抗拉试件试验同时进行。依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009) ^[5]的规定，实测各灰浆的抗压强度，并计算每种灰浆抗压强度平均值，结果见表2。

　　 砌筑试件用灰浆抗压强度实测结果/MPa 表2

灰浆种类	纯白灰	1∶1白灰砂浆	1∶3白灰砂浆	1∶1掺灰泥
抗压强度/MPa	0.82	0.76	0.71	0.50

 

　　 注：灰浆龄期约为90d。

　　  

1.4 加荷系统

　　 本试验加荷架及荷载分配梁在广宗官署正堂修缮项目现场自制，主框架采用工字钢制作，节点以高强螺栓连接，并在钢柱内侧设置多排可调节钢梁高度的螺栓孔，详见文献[6]中的图2。采用自制试验台座、5t螺旋式千斤顶、力值传感器等组成的加荷系统。

2 试验过程及试验现象

2.1 试验过程

　　 砌体弯曲抗拉试验在自制的加荷架上进行，试验龄期约90d。按照GB/T 50129—2011的规定，试验前，在试件上标出支座与荷载作用线的垂直位置，并在纯弯区段的中部测量并记录截面尺寸；随机选取3个试件，测其自重并计算平均值；按简支梁三分点集中加荷的要求使试件准确就位。试件就位后，采用匀速连续加荷方式加载，控制试件在3min内破坏。试件破坏后，立即记录破坏荷载值和破坏特征。

2.2 试验调整及试验现象

　　 开始试验时，首先对TA-1,TC-3,TD-3试件，以及CA-1,CD-2,CD-3试件进行了现场试验，这些试件均在移动或安放到试验台的过程中出现断裂破坏。破坏原因主要为试件弯曲抗拉强度较低，不足以支撑试件自重。故本文将剩余沿通缝截面弯曲抗拉试件计算跨度由800mm调整为690mm, 沿齿缝截面弯曲抗拉试件计算跨度由1 230mm调整为970mm。

　　 调整后，对剩余的全部试件进行了试验， TB及CB组试件均在移动或安放到试验台的过程中断裂破坏，故未采集到数据，TA及CA组、TC及CC组、TD及CD组、TE及CE组的少部分试件在移动或安放到试验台的过程中也出现断裂破坏的情况，未采集到数据；大部分试件完成了试验，但破坏荷载较小，试件在纯弯区断裂破坏，脆性特征明显。最终破坏特征为：沿通缝弯曲抗拉试件均在青砖和灰浆的界面处拉断破坏；沿齿缝弯曲抗拉试件亦是沿灰缝的断裂破坏。其中TC-1及CC-2试件破坏形态如图2、图3所示。

　　 图2 TC-1试件试验前及破坏后照片   

　　  

　　 图3 CC-2试件试验前及破坏后照片  

　　  

3 试验结果及其分析

3.1 试验结果

　　 依据GB/T 50129—2011规定，单个砌体试件沿通缝截面或沿齿缝截面的弯曲抗拉强度按下式计算：

　　 ft,i=(Nt+0.75G)Lbh2         (1)ft,i=(Νt+0.75G)Lbh2         (1)

　　 式中：f_{t, i}为试件的弯曲抗拉强度；N_t为试件的抗弯破坏荷载；G为试件的自重；L为试件的计算跨度；b为试件的截面宽度；h为试件的截面高度。

　　 弯曲抗拉试验完成后，由式(1)可以计算得到单个试件的弯曲抗拉强度，并对每组试件弯曲抗拉强度平均值及变异系数进行计算，结果列于表3～6。

　　 TA和TC组试件沿通缝截面弯曲抗拉强度试验结果 表3

试件 编号	破坏荷载 Nt /kN	实测抗弯强度 ft, i /MPa	试件 编号	破坏荷载 Nt /kN	实测抗弯强度 ft, i /MPa
TA-1	—	—	TC-1	0.58	0.037
TA-2	0.70	0.042	TC-2	0.18	0.025
TA-3	0.20	0.026	TC-3	—	—
TA-4	0.55	0.037	TC-4	0.1	0.023
TA-5	0.15	0.025	TC-5	—	—
TA-6	0.25	0.028	TC-6	0.35	0.031
TA-7	0.65	0.040	TC-7	0.15	0.025
TA-8	0.35	0.031	TC-8	—	—
TA-9	0.45	0.034	TC-9	—	—

 

　　 注：TA组试件的实测抗弯强度平均值f_{t, m}为0.033MPa, 变异系数δ为0.20;TC组试件的实测抗弯强度平均值f_{t, m}为0.028MPa, 变异系数δ为0.20。

　　  

　　 TD和TE组试件沿通缝截面弯曲抗拉强度试验结果 表4

试件 编号	破坏荷载 Nt /kN	实测抗弯强度 ft, i /MPa	试件 编号	破坏荷载 Nt /kN	实测抗弯强度 ft, i /MPa
TD-1	0.39	0.031	TE-1	0.20	0.027
TD-2	0.15	0.025	TE-2	0.10	0.023
TD-3	—	—	TE-3	—	—
TD-4	0.25	0.028	TE-4	0.15	0.025
TD-5	—	—	TE-5	0.30	0.029
TD-6	0.10	0.023	TE-6	—	—
TD-7	—	—	TE-7	0.10	0.023
TD-8	0.15	0.024	TE-8	—	—
TD-9	—	—	TE-9	—	—

 

　　 注：TD组试件的实测抗弯强度平均值f_{t, m}为0.026MPa, 变异系数δ为0.13;TC组试件的实测抗弯强度平均值f_{t, m}为0.025MPa, 变异系数δ为0.11。

　　  

　　 CA和CC组试件沿齿缝截面弯曲抗拉强度试验结果 表5

试件 编号	破坏荷载 Nt /kN	实测抗弯强度 ft, i /MPa	试件 编号	破坏荷载 Nt /kN	实测抗弯强度 ft, i /MPa
CA-1	—	—	CC-1	—	—
CA-2	0.85	0.078	CC-2	0.52	0.068
CA-3	0.47	0.064	CC-3	—	—
CA-4	0.15	0.049	CC-4	0.45	0.063
CA-5	0.75	0.076	CC-5	0.15	0.050
CA-6	0.46	0.062	CC-6	0.10	0.047
CA-7	0.71	0.074	CC-7	0.25	0.054
CA-8	0.25	0.053	CC-8	0.40	0.060
CA-9	0.82	0.079	CC-9	—	—

 

　　 注：CA组试件的实测抗弯强度平均值f_{t, m}为0.067MPa, 变异系数δ为0.18;CC组试件的实测抗弯强度平均值f_{t, m}为0.057MPa, 变异系数δ为0.14。

　　  

　　 CD和CE组试件沿齿缝截面弯曲抗拉强度试验结果 表6

试件编号	破坏荷载 Nt /kN	实测抗弯强度 ft, i /MPa	试件 编号	破坏荷载 Nt /kN	实测抗弯强度 ft, i /MPa
CD-1	0.60	0.069	CE-1	0.35	0.058
CD-2	—	—	CE-2	—	—
CD-3	—	—	CE-3	—	—
CD-4	0.15	0.049	CE-4	0.20	0.051
CD-5	0.50	0.065	CE-5	0.10	0.047
CD-6	0.10	0.047	CE-6	—	—
CD-7	0.25	0.053	CE-7	—	—
CD-8	—	—	CE-8	0.15	0.049
CD-9	—	—	CE-9	—	—

 

　　 注：CD组试件的实测抗弯强度平均值f_{t, m}为0.056MPa, 变异系数δ为0.18;CE组试件的实测抗弯强度平均值f_{t, m}为0.051MPa, 变异系数δ为0.09。

　　  

　　 由表3、表4可知，TA组试件弯曲抗拉强度平均值最高，TE组试件弯曲抗拉强度平均值最低，采集到的弯曲抗拉强度平均值在0.025～0.033MPa之间。由表5、表6可知，CA组试件弯曲抗拉强度平均值最高，CE组试件弯曲抗拉强度平均值最低，采集到的弯曲抗拉强度平均值在0.051～0.067MPa之间。

　　 分析TB组及CB组试件弯曲抗拉强度明显低于采用同种灰浆砌筑的TA组及CA组试件的主要原因是，灰缝厚度的显著减小及粘接面的切削打磨不利于灰浆粘结强度的发挥，不利于保证灰浆饱满度。灰浆饱满度是影响试件弯曲抗拉强度的一个主要因素，这一点在工程运用中要加以注意。

3.2 砌体弯曲抗拉强度平均值表达式

　　 根据《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011) ^[7](简称GB 50003—2011)规定，砌体弯曲抗拉强度平均值f_{tm, m}采用下式计算：

　　 ftm,m=k4f2−−√         (2)ftm,m=k4f2         (2)

　　 式中：k₄为取值系数，对于烧结普通砖、烧结多孔砖、混凝土普通砖、混凝土多孔砖，计算其沿通缝截面抗弯强度时取0.125,计算其沿齿缝截面抗弯强度时取0.250;f₂为砂浆抗压强度平均值。

　　 手工青砖是按传统工艺制坯烧制而成的青灰色烧结砖，故计算沿通缝截面弯曲抗拉强度时取k₄=0.125,计算沿齿缝截面弯曲抗拉强度时取k₄=0.250,按照式(2)计算的各组试件弯曲抗拉强度平均值列于表7及表8。表7及表8中同时列出了表3～6中实测弯曲抗拉强度平均值f_{t, m}。

　　 沿通缝截面弯曲抗拉强度计算结果 表7

组别	f2/MPa	ft, m/MPa	ftm, m/MPa	ft, m/ftm, m
TA	0.82	0.033	0.113	0.29
TB	0.82	—	0.113	—
TC	0.76	0.028	0.109	0.26
TD	0.71	0.026	0.105	0.25
TE	0.50	0.025	0.088	0.28

 

　　  

　　 沿齿缝截面弯曲抗拉强度计算结果 表8

组别	f2/MPa	ft, m/MPa	ftm, m/MPa	ft, m/ftm, m
CA	0.82	0.067	0.226	0.30
CB	0.82	—	0.226	—
CC	0.76	0.057	0.218	0.26
CD	0.71	0.056	0.211	0.27
CE	0.50	0.051	0.177	0.29

 

　　  

　　 由表7及表8可见，除TB组及CB组试件因弯曲抗拉强度低而未采集到数据外，TA,TC,TD,TE组沿通缝截面弯曲抗拉强度试件及CA,CC,CD,CE组沿齿缝截面弯曲抗拉强度试件的实测弯曲抗拉强度平均值均明显低于规范公式(2)计算的弯曲抗拉强度平均值，两者比值在0.25～0.30之间。分析实测弯曲抗拉强度明显低于规范公式(2)计算弯曲抗拉强度的主要原因是：1)传统白灰基灰浆与青砖的粘接性能明显低于水泥基砂浆；2)由于石灰气硬性的特性，使得灰浆内部强度受表层硬化的阻止作用，增长缓慢，较表层强度低。

　　 根据上述分析可见，规范计算公式(2)已不能准确预估以掺灰泥、白灰砂浆、纯白灰为粘结材料的手工青砖砌体的弯曲抗拉强度，计算结果是不安全的。本文根据表3～8中灰浆强度及弯曲抗拉强度实测值，利用最小二乘法进行回归分析 ^[8,9,10],求出适合该类砌体的类别系数k₄分别为0.034(通缝)和0.069(齿缝),即得到回归公式为：

　　 通缝：

　　 fTtm,m=0.034f2−−√         (3)ftm,mΤ=0.034f2         (3)

　　 齿缝：

　　 fCtm,m=0.069f2−−√         (4)ftm,mC=0.069f2         (4)

　　 但由于本次试验试件龄期较短，对弯曲抗拉强度较低的部分试件未采集到数值，故导致所采集到的弯曲抗拉强度实测平均值偏大，则所得回归公式(3),(4)计算值亦偏大，需对k₄进行折减。本文综合考虑试验情况，确定折减系数取为0.85是适宜的，将折减系数代入式(3)及式(4),得到修正后回归公式如下：

　　 通缝：

　　 fTtm,m=0.029f2−−√         (5)ftm,mΤ=0.029f2         (5)

　　 齿缝：

　　 fCtm,m=0.059f2−−√         (6)ftm,mC=0.059f2         (6)

3.3 砌体弯曲抗拉强度设计值

　　 根据GB 50003—2011规定，砌体的弯曲抗拉强度设计值f_t的计算公式如下：

　　 ft=ftk/γf         (7)ftk=ftm,m(1−1.645δ)         (8)ft=ftk/γf         (7)ftk=ftm,m(1-1.645δ)         (8)

　　 式中：f_tk为砌体弯曲抗拉强度标准值；γ_f为砌体材料强度分项系数，当施工质量控制等级为B级时，取=1.6;δ为试件弯曲抗拉强度变异系数，为安全起见取表3～6中最大值0.20。

　　 由式(5)～(8)计算可得，手工青砖砌体弯曲抗拉强度设计值，结果列于表9。此外，根据试验结果表明，对于丝缝砌筑的手工青砖砌体弯曲抗拉强度设计值，应根据实际灰浆饱满度情况，以表9中数值给予一定折减后采用，否则将导致计算结果不安全，在实际工程运用中需加以注意。

　　 青砖砌体弯曲抗拉强度设计值/MPa 表9

类型	灰浆强度等级
	M1.0	M0.4
沿通缝截面	0.012	0.008
沿齿缝截面	0.024	0.016

 

　　  

4 结论

　　 (1)以纯白灰、白灰砂浆、掺灰泥等传统灰浆为粘结材料的手工青砖砌体，弯曲抗拉破坏均是在纯弯区沿青砖和灰浆的界面处断裂破坏，脆性特征明显。

　　 (2)以纯白灰、白灰砂浆、掺灰泥等传统灰浆为粘结材料的手工青砖砌体实测弯曲抗拉强度平均值均明显低于规范公式(2)计算值，直接采用规范公式(2)计算结果不安全。因此对该类砌体的弯曲抗拉强度进行回归分析，得到回归公式fTtm,m=0.029f2−−√ftm,mΤ=0.029f2(通缝),fCtm,m=0.059f2−−√ftm,mC=0.059f2(齿缝)。

　　 (3)建议了适用于以纯白灰、白灰砂浆、掺灰泥等传统灰浆为粘结材料的手工青砖砌体弯曲抗拉强度设计值的取值。

　　 (4)仿丝缝砌筑砌体灰缝厚度的显著减小不利于灰浆粘结强度的发挥、不利于保证灰浆饱满度，对于以该类砌筑方式砌筑的砌体，应以本文式(5)～(6)计算所得弯曲抗拉强度平均值或建议的弯曲抗拉强度设计值为基础，再给予一定折减后采用，否则将造成计算结果不安全。