砌体结构是我国最主要的建筑结构形式之一, 随着材料科学、设计理论、施工技术的不断发展以及政策导向的影响, 砌体结构构件的形式、适用范围以及砌块自身的类型等均发生了不小的变化。特别是在原国家建材局、农业部、国家土地局、城乡建设环境保护部相继颁发了《严格限制毁田烧砖积极推进墙体材料改革的意见》, 以及国务院办公厅颁发了《关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知》, 积极号召新型建材、制品的开发和推广利用之后, 各种节能、节地、环保的新型墙体材料不断涌现。相关砌体类规范对于部分砌体结构的特性及试验方法的适用性存在不确定性。这其中就包括页岩多孔砖砌体。

　　 砂浆水平灰缝厚度是砌体抗压强度的主要影响因素之一, 国内外相关学者对该方向进行了大量的研究^[1,2]。本文在上述研究的基础上, 以20片砂浆水平灰缝厚度不同的180mm厚页岩多孔砖砌体为试验对象, 利用扁式液压顶试验方法 (简称扁顶法) 这一准确性较高的砌体抗压强度现场原位测试方法进行试验。通过准确的现场试验和后期的数据处理与分析, 可以得到砂浆水平灰缝厚度对砌体抗压强度的影响。这其中包括了砂浆水平灰缝厚度对砌体的破坏模式、应变随荷载的变化规律、初裂荷载值以及破坏荷载值的影响。同时, 利用回弹法推定可得砌体抗压强度的参考值。对这两种方法所得的结果与砌体的设计抗压强度进行对比分析, 可证实砂浆水平灰缝厚度对该类砌体抗压强度的影响。

　　 试验基于某房地产新开发楼盘的房屋安全质量检测与鉴定项目, 所选用的砌体试件为页岩多孔砖填充墙, 墙厚180mm, 试件个数为20个。试件由页岩多孔砖和水泥混合砂浆砌筑而成, 其中页岩多孔砖的尺寸为240mm×180mm×90mm, 试件如图1 (a) , (b) 所示。对20片墙进行统计, 按照砂浆厚度对之进行分组, 可得表1所示分组表。考虑到砂浆厚度测量及同个试件上砂浆厚度的随机性, 为保证分组的准确性, 以2mm为区间对之进行分组。

　　 本试验所用测试方法为扁顶法, 因为所选试件均为填充墙, 槽间砌体上部压应力均小于0.2MPa, 按《砌体工程现场检测技术标准》 (GB/T 50315—2011) ^[3] (简称砌体检测技术标准) 要求, 增设了反力平衡架。该方法直接对所研究的局部墙体施加轴向压力, 使墙体受荷至极限状态, 通过分析实测的破坏荷载和变形, 得到砌体的抗压强度。试验所需压力由试验砌体、手动油泵、扁式千斤顶和反力平衡架组成的自平衡体系提供。试验装置如图1 (c) 所示。

　　 扁顶法试验采取分级加载^[4], 每级荷载约为预估破坏荷载的10%, 取0.4MPa, 加载完成后持荷2min, 待荷载及位移发展稳定后再进行下级加载。在正式试验前, 先预加荷载, 保证试验系统的可靠性, 预加荷载值取预估破坏荷载的10%, 持荷5min。加载过程中特别是加载到特征点时, 仔细观察试验现象并作详细记录, 如产生初裂荷载, 裂缝发展贯通等。当槽间砌体裂缝急剧扩展而压力表指针明显回退或千分表指针明显上升时, 即可判断槽间砌体破坏。

　　 参考相关学者^[5,6,7]对扁顶法及页岩多孔砖砌体的研究总结, 结合本试验试件的破坏情况, 砌体的破坏模式均经历了三个阶段。首先是初裂阶段, 在该阶段, 试验砌体被不断压实, 直至试件的单块或数块砖首次出现短且细的竖向裂缝, 但是这些裂缝单独存在且在停止加压后不会继续发展。其次是裂缝的发展阶段, 在该阶段, 试验砌体的初裂裂缝及新产生的裂缝不断发展, 逐步形成连通单块或相邻数块砖的长裂缝。但是, 由于反力架及试验砌体左右两侧砌体墙的约束, 加之试验砌体本身平面外的变形很小, 所以该阶段恒压后, 裂缝也几乎不会继续发展。最后是破坏阶段, 该阶段随着荷载的增大, 试验砌体在前两个阶段产生的裂缝在竖直方向上相互连通并最终将试件分隔成若干独立的竖向短柱。该阶段, 即使不再继续加载, 甚至在千分表回落的过程中, 试件的裂缝仍会继续发展并导致砖块发生很大的变形。由于该试验中试验墙面积足够大, 施工质量较好, 试件的侧向约束很大, 所以砌体最终发生了平面外的失稳破坏, 即试件中的砖块被压碎向外鼓出。试件的典型破坏模式如图2 (a) 所示, 试件的裂缝示意图如图2 (b) 所示。

　　 图3为不同砂浆厚度下试件的应变随荷载 (手动油泵压力表的读数) 的变化曲线。其中应变可根据千分表的实际读数与表座间的距离计算获得。曲线起点的初应变为预加载卸载后砌体的残余应变。为保证千分表不会因为砌体试件的破坏而掉落损坏, 试验中千分表示数开始急剧增大时就将之从试件上取下, 所以曲线的终点代表了破坏荷载的前一级荷载。图3中曲线上取点为同组试件各墙体的平均值, 图4, 5同。

　　 图4 (图4中初裂荷载为各试件平均值) 为试件的初裂荷载随砂浆厚度的变化曲线, 试验加载前已事先对试件的原始裂缝进行了描绘、辨识, 所以该初始裂缝均为试件受压产生的裂缝。裂缝均为当级荷载加载稳定后观察所得, 所以初裂荷载均为指定分级荷载 (0.4MPa) 的整数倍。

　　 图5 (图5中破坏荷载为各试件平均值) 为试件的破坏荷载随砂浆厚度的变化曲线。因为试验中临近破坏荷载时油压表的示数很难维持稳定, 加载速率对千分表示数上升速率的影响很大, 导致无法对试件破坏点对应的荷载进行准确读数。所以统一按照试件破坏前一级荷载值对试件的破坏荷载进行推定, 即破坏荷载等于破坏前最后一级稳定荷载的后一级荷载。

　　 (1) 在破坏荷载前, 砌体受压产生的应变均随着荷载的增加发生平稳的增大, 见图3。随着砂浆厚度的增加, 每级荷载下, 砌体受压产生的应变也随之增大, 且砂浆厚度越大, 应变增大的幅度也越大。

　　 (2) 砂浆厚度对砌体初裂荷载有一定的影响, 虽然初裂荷载-砂浆厚度曲线 (图4) 呈现出一定的随机性, 但是曲线总体上呈下降趋势, 可见随砂浆厚度的增大, 砌体的初裂荷载会逐渐降低。砂浆厚度对砌体受压的破坏荷载有明显的影响, 破坏荷载-砂浆厚度曲线 (图5) 呈现出明显的下降趋势 (由于破坏荷载的取值方法为按荷载等级推定, 导致曲线中相邻点间的斜率为一特定值, 最终使曲线接近直线) , 可见随着砂浆厚度的增大, 砌体受压破坏荷载值逐渐减小, 砌体的抗压强度随之降低, 且降低的幅度会随着砂浆厚度的增大逐渐变大。由于试验误差等因素的存在, 初裂荷载-砂浆厚度曲线中的部分点可能存在一定的偏差, 将该曲线拟合后与破坏荷载-砂浆厚度曲线进行比较。根据曲线的斜率变化, 可以判断砂浆厚度对砌体破坏荷载的影响较初裂荷载要大且明显。

　　 砂浆厚度对砌体抗压强度的影响主要来源于砌体结构自身呈现的脆性及其受压破坏机理。砌体结构破坏准则^[8]的理论依据主要是第一强度理论^[9], 也就是最大拉应力理论, 该理论认为控制材料破坏的因素是最大拉应力。因此, 砖块内部产生拉应力且拉应力增大, 从而影响砌体的抗压强度, 造成此结果的主要原因为:页岩多孔砖砌体砌块间的粘结主要靠砂浆, 砌块和砂浆的横向变形能力相差很大, 在上部荷载作用下, 砂浆的横向变形值远大于砌块的, 与此同时, 砂浆和砌块间的咬合力以及摩擦力会阻止两者间的相对变形, 从而使砌块产生拉应力, 且该拉应力随着砂浆变形值的增大而增大, 即随砂浆厚度的增大而增大。

　　 另外, 以下三方面原因的存在, 使得砂浆厚度对砌体初裂荷载表现出一定的随机性, 即影响程度没有破坏荷载那么明显:1) 多孔砖由于内部孔洞的存在, 相较于实心砖而言, 单砖加载前普遍存在的初始缺陷及内部的初应力会使得试件较早出现初始裂缝, 而该裂缝并不一定为砌体原始强度层面的开裂;2) 砂浆层不可能均匀满铺, 砂浆层与砖块的接触面受力复杂, 施工质量差, 砂浆饱满度离散性大的区域易产生较大的应力集中现象, 促使砖块提前开裂;3) 在扁顶的安装及操作过程中, 可能存在偏心受压及局部应力集中的情况, 使得单砖提前达到开裂荷载, 从而使试件的初裂荷载减小。

　　 (3) 施楚贤^[1,2]根据相关试验数据的回归分析, 以10mm的砂浆水平灰缝厚度为标准, 得到了砂浆水平灰缝厚度t对砖砌体抗压强度影响系数ψ的计算式。其中公式 (1) 对应实心砖砌体, 公式 (2) 对应空心砖砌体。

　　 $\begin{array}{l}\psi =\frac{1.4}{1+0.04t}(1)\\ \psi =\frac{2}{1+0.1t}(2)\end{array}$

　　 结合公式 (1) , (2) 计算所得影响系数及扁顶法试验结果换算所得影响系数, 可以得到砂浆水平灰缝厚度t对砖砌体抗压强度影响系数ψ的对比情况, 具体结果见表2。因为初裂荷载-砂浆厚度曲线中10mm砂浆厚度所对应的荷载值可能存在误差, 所以表2中仅就破坏荷载-砂浆厚度曲线中的数据进行统计;试验结果值为各砂浆厚度与10mm砂浆厚度下砌体破坏荷载的比值;因为无法准确比较试验砖与建立公式时对应砖块的孔洞率和孔洞形式, 所以试验结果值与两个公式所获得的值均进行了比较。

　　 由表2可以判断, 试验所得砂浆厚度对砌体抗压强度影响系数的整体变化趋势与两个公式所得结果较一致。在砂浆厚度为8mm附近, 试验结果值均在两公式计算值之间, 且与公式 (1) 计算值极为接近。可见当砂浆厚度<8mm时, 砂浆厚度对砌体破坏荷载的影响与图5所反映的趋势一致。结合拟合后的初裂荷载-砂浆厚度曲线, 可以根据表2判断当砂浆厚度<8mm时, 砂浆厚度对砌体初裂荷载的影响与图4所反映的趋势一致。

　　 结合砌体检测技术标准及相关文献^[10]的研究, 对各试件砖及砂浆的现场回弹数据进行处理, 可得各试件砖及砂浆的抗压强度平均值。将计算所得值带入《砌体结构设计规范》 (GB 50003—2011) ^[11] (简称砌体设计规范) 附表B的公式算出砌体抗压强度的平均值。具体计算结果见表3。

　　 扁顶法推定砌体抗压强度的数据分析步骤为:1) 根据扁顶力值的校验结果对千分表读数进行换算, 得到测试荷载值;2) 根据槽间砌体的实际受压面积计算得到槽间砌体的抗压强度;3) 由测点上部墙体的压应力对槽间砌体的抗压强度进行换算得到标准砌体的抗压强度;4) 对各测点取平均值, 得到扁顶法对砌体抗压强度的推定值。按照砌体设计规范公式进行推定时需注意本试验构件截面尺寸为240mm×180mm, 所以分析步骤的第二步需以截面实际受压面积对之进行换算, 而不能按照扁顶法尺寸250mm×250mm进行计算。具体计算方法见砌体检测技术标准, 计算结果见表4。

　　 分别利用扁顶法和回弹法的原始数据进行换算后可推定出各自所得砌体的抗压强度平均值。同时, 查阅项目设计图纸, 可得试验砌体采用的页岩多孔砖强度等级均为MU10, 混合砂浆强度等级均为M5。按照《砌墙砖试验方法》 (GB/T 2542—2012) ^[12]进行砖抗压强度试验, 在同批砖中抽取10块进行试验, 其抗压强度最小值为12.68MPa;对相同批次标准养护28d的立方体砂浆试件进行抗压强度试验, 根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》 (JGJ/T 70—2009) ^[13]以及《砌体结构工程施工质量验收规范》 (GB 50203—2011) ^[14]可得到砂浆立方体抗压强度平均值为6.06MPa。由砖及砂浆的抗压强度值可计算得试件的设计抗压强度值 (即由抽检所得实际值) 。强度对比结果见表4。由表4可知, 通过回弹法及砌体设计规范推定所得的砌体抗压强度平均值与试件的设计抗压强度之间吻合度较高, 且可判断试件的抗压强度达到了指定的标准。同时, 结合表3可知, 各试件砖与砂浆的抗压强度离散性较小, 即试件抗压强度值的区别主要由砂浆厚度决定。在此基础上, 分析扁顶法推定所得的砌体抗压强度平均值可以发现, 随着砂浆厚度的增大, 砌体抗压强度呈现降低的趋势, 且当砂浆厚度≥16mm (第五组) 后, 砌体的抗压强度均低于设计强度。而砌体设计规范所建议的砂浆厚度为8～12mm, 该区间处于扁顶法推定结果安全的范围之内, 所以扁顶法在该类墙体上的应用效果是可以接受的。

　　 (1) 对20个砂浆厚度不同的页岩多孔砖试件进行了现场原位试验, 试件均经历了初裂、裂缝发展和破坏三个阶段。其中砂浆厚度对砖砌体的初裂荷载及破坏荷载均有一定的影响, 且对破坏荷载的影响比初裂荷载明显。具体表现为随着砂浆厚度的增大, 砌体的初裂荷载、破坏荷载减小, 抗压强度降低。

　　 (2) 利用扁顶法及回弹法两种方法验证了砂浆厚度对砌体抗压强度的影响。试验及分析结果表明, 砂浆厚度太大 (≥16mm) 时会使砌体抗压强度出现较明显下降, 且实际抗压强度将会较大程度地低于设计值, 使砌块强度无法被充分利用。且砂浆厚度越大, 该情况越明显。结合砌体设计规范砂浆厚度8～12mm的规定, 以及现场施工砂浆厚度往往大于砌体设计规范的现状, 同时考虑砂浆厚度适当增大有利于砌体结构抗震性能的最新研究^[15], 建议实际施工时控制砂浆厚度为9～15mm。

　　 (3) 本文对不同砂浆厚度的页岩多孔砖砌体进行了研究分析, 其对其他类型, 特别是新型块材砌体的适用性有待进一步研究;由于试件数量的限制, 砂浆厚度对砌体抗压强度影响的上限值 (<8mm) 无法判断, 仅进行了无量纲的推定, 所以需进行进一步的试验研究。