无筋砌体结构自重及刚度大、自振周期短、地震反应强烈,而墙体的抗拉、抗剪、抗弯强度很低、变形能力差。围绕如何改善砌体结构的受力性能,国内外工程技术人员和科研工作者提供了多种行之有效的砌体结构加固方法 ^[1]。嵌缝加固技术是对墙体水平灰缝每隔一定间距进行开槽处理,然后在槽中嵌入砂浆或者钢筋,使砖砌体、嵌缝砂浆、钢筋粘结为一个整体,进而达到提高墙体抗剪承载力、增强墙体变形能力的一种砌体墙加固方法 ^[2]。该方法加固成本低,构造简捷,加固后不减少建筑使用面积,对墙体刚度影响较小,不会增大地震作用。

　　 对于嵌缝加固技术,郭子雄 ^[3,4]采用钢筋-聚合物砂浆对条石砌筑石墙进行嵌缝加固试验研究。孟凡龙、赵建昌 ^[5]、张广泰、侍克斌 ^[6]对普通砖砌体墙进行嵌筋加固研究,分别得出了嵌筋加固砌体墙的抗剪承载力计算公式。Najif Ismail,Robert B ^[7]采用不锈钢螺旋筋作为加固材料,对嵌筋墙和无筋墙体进行试验研究。Najif Ismail,Jason M ^[8]将嵌筋加固技术应用到某历史建筑中,并做了现场试验和实验室模型研究,结果表明嵌缝加固的墙体极限承载力有显著的提高。Antonio Borri,Giulio Castori ^[9]采用钢绞线作为嵌缝材料,对48个嵌筋加固砖柱的轴心抗压性能进行了试验研究,讨论了嵌筋加固砖柱的力学性能,得出了嵌筋加固砖柱的轴向应力-应变关系。

　　 现有文献在研究嵌筋加固砖砌体墙抗剪承载力公式时,更多地考虑了后嵌钢筋对整片砌体墙抗剪承载力的提高和延性的增强,并未考虑嵌缝砂浆对砖砌体墙抗剪承载力的影响,新旧砂浆之间的协同工作机理还需进一步深入探讨。本文通过对35个沿水平灰缝开槽,并后嵌不同强度砂浆的普通烧结砖砌体进行沿通缝抗剪试验,研究砖缝中既存在原有砂浆又存在后嵌砂浆时,不同强度后嵌砂浆对砖砌体的抗剪强度、破坏特征的影响,并建立嵌缝砂浆强度与砖砌体抗剪强度的计算公式。

　　 试件尺寸为240mm×180mm×370mm,如图1所示。首先用M2.5的混合砂浆砌成普通九砖试件,再对试件的水平灰缝进行开槽,如图2所示,槽的深度约为30mm,宽度约为10mm,在槽中分别嵌M5,M7.5,M10,M15,MG(高强修补料)砂浆,最后制作成嵌缝砂浆砖砌体试件,如图3所示。5种砂浆强度共制备了35个试件。为了尽可能地接近实际,试验所用的砖采用兰州交通大学教学楼拆除的旧普通烧结砖。嵌缝砂浆砖砌体抗剪试件的材料参数如表1所示。配合比按照《砌筑砂浆配合比设计规程》(JGJ 98—2000)设计,砂浆强度和砖块强度分别采用《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ 70—2009)的规定测得。根据《砌体基本力学性能试验方法》(GB/T 50129—2011)的规定,将嵌缝砂浆砖砌体试件放置在自然条件下养护28d后进行抗剪试验。试验加载装置如图4所示,试件在加载过程中应匀速连续加载,并记录试件荷载值及破坏特征。

　　 从加载开始到破坏,试件没有明显的破坏预兆,当荷载加压到极限荷载的75%左右时砌体开始出现裂缝,持续加载到极限荷载时试件突然崩裂而发生脆性破坏。从破坏结果来看,砌体的破坏分为两种:单剪破坏,双剪破坏。大部分试件是单剪破坏,如图5所示; 少量试件是双剪破坏,如图6所示。从破坏形态来看,可分为两类:1)砂浆与砖界面的粘结破坏。由于砖跟砂浆粘结力不足,随着荷载的持续增大,砂浆与砖界面剥离而发生粘结破坏,但砂浆层未被剪断,如图7所示。2)混合型破坏。部分试件除了界面粘结破坏之外,由于剪应力超过了砂浆的抗拉强度使得砂浆内部自身被拉断,如图8所示。此外部分嵌缝砂浆在底部三分之一处被拉断,如图9所示。

　　 根据《砌体基本力学性能试验方法》(GB/T 50129—2011)的规定,单个试件的抗剪强度f_v按式(1)计算。

　　 $f{}_{\text{v}}=\frac{{\rm N}{}_{\text{v}}}{2A}(1)$

　　 式中:N_v为试件的抗剪破坏荷载值; A为试件的一个受剪面积。

　　 试验结果如表2所示。由表2可知,嵌缝砂浆为M5,M7.5,M10,M15,MG的砌体抗剪强度比普通M2.5混合砂浆砖砌体的抗剪强度分别提高了12.63%,52.11%,57.37%,87.37%,146.84%,嵌缝砂浆砖砌体抗剪强度比未嵌缝普通砖砌体的抗剪强度有明显的提高。由图10可知嵌缝砂浆砖砌体抗剪强度试验值绝大部分高于未嵌缝普通砖砌体的抗剪强度试验平均值,因此嵌缝砂浆对于砌体抗剪强度的贡献显著。随着嵌缝砂浆强度的提高,砌体抗剪强度也不断提高。

　　 嵌缝砂浆砖砌体沿通缝抗剪强度由两部分组成,即原混合砂浆对砖砌体抗剪强度f_vh与嵌缝砂浆对砖砌体抗剪强度f_vq组成。由式(1)可知,砖砌体抗剪强度与受剪面积A有关。嵌缝砂浆是对原有混合砂浆的置换,因此嵌缝砂浆砖砌体沿通缝抗剪强度f_vm基本公式如式(2)所示。

　　 $f{}_{\text{v}\text{m}}=f{}_{\text{v}\text{h}}+f{}_{\text{v}\text{q}}(2)$

　　 本文参考《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)中烧结普通砖砌体沿通缝的抗剪强度平均值公式,结合本试验的特点,建立原混合砂浆对砖砌体抗剪强度f_vh表达式与嵌缝砂浆对砖砌体抗剪强度f_vq计算表达式。

　　 $f{}_{\text{v}\text{h}}=k{}_1(1-\rho )\sqrt{f{}_1}(3)$

　　 式中:f₁为M2.5的混合砂浆强度; k₁为相关系数; ρ为嵌缝砂浆的抗剪面积占总抗剪面积的比率,本文通过计算可取ρ=0.333。

　　 $f{}_{\text{v}\text{q}}=k{}_2\rho \sqrt{f{}_2}(4)$

　　 式中:f₂为嵌缝砂浆抗压强度; k₂为相关系数。

　　 k₁取0.043,k₂取0.225,并将式(3)与式(4)代入式(2),利用表2的数据进行回归分析可得如下公式:

　　 $f{}_{\text{v}\text{m}}=0.043(1-\rho )\sqrt{f{}_1}+0.225\rho \sqrt{f{}_2}(5)$

　　 式(5)的计算值与试验值的对比如图11所示。为检验公式的合理性,将式(5)的计算值f_vm与表2的每个组件试验最小值f_vz分别进行比较,比较结果如表3所示。式(5)的计算值与试验值最小值的差值在计算值的±5%以内。式(5)的计算值与试验值的平均值分布如图12所示,计算值与试验平均值符合良好,可为嵌缝砂浆砖砌体抗剪强度的提供参考。

　　 本文基于5种不同强度的嵌缝砂浆,共35个试件的抗剪试验,得到主要结论如下:

　　 (1)嵌缝砖砌体试件的主要破坏为砖和砂浆界面之间的粘结破坏,部分试件存在界面破坏和砂浆拉断混合型破坏。

　　 (2)嵌缝砂浆为M5,M7.5,M10,M15,MG的砌体沿通缝抗剪强度比未嵌缝普通M2.5混合砂浆砖砌体的抗剪强度分别提高了12.63%,52.11%,57.37%,87.37%,146.84%。砌体的抗剪强度随着嵌缝砂浆强度的提高而显著提高。

　　 (3)通过对试验数据的回归分析,得出嵌缝砂浆砖砌体沿通缝抗剪强度计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。

　　 本文的试验结果及相关公式是基于试验条件下得出的,在实际工程中如果嵌缝深度和宽度发生变化,结果也有可能变化。