砌体结构因具有取材方便、造价低廉、施工工艺简单等优点而广泛应用于我国农村及经济欠发达地区。随着我国工业的快速发展, 酸雨已成为普遍性的环境问题, 严重影响着砌体结构的耐久性能和抗震性能。抗剪承载力验算是砌体结构抗震设计的重要组成部分, 因此对酸雨环境下砌体结构的抗剪性能的研究具有重要意义。目前, 国内外对砌体结构在酸雨环境下耐久性的研究多停留在砌块和砂浆等建筑材料的层面上^[1,2,3,4]。但砌体结构工作的各种性能指标是建立在砌块和砂浆共同工作的基础之上的。故本文选择了28个混合砂浆及再生混凝土砖制作的试件作为研究对象, 提出了再生混凝土砖砌体沿通缝截面抗剪强度平均值计算公式, 分析其随酸雨喷淋-光照腐蚀循环次数增加的衰减规律, 从而建立考虑酸雨损伤影响的再生混凝土砖砌体抗剪强度衰减模型, 为研究在役砌体结构的耐久性提供理论参考。

　　 本试验所选再生混凝土砖砌体由陕西省某公司生产, 外轮廓尺寸为240 mm×115mm×53mm, 设计强度等级为MU15级。所选用水泥为P.O32.5级普通硅酸盐水泥。根据《建筑砂浆配合比速查手册》^[5]和《砌筑砂浆配合比设计规程》 (JGJ/T 98—2010) ^[6]中的相关规定, 确定试验所用砂浆配合比见表1。

　　 参照《砌体基本力学性能试验方法标准》 (GB/T 50129—2011) ^[7] (简称砌体试验方法标准) 相关规定, 沿通缝抗剪试件为用9块砖砌筑的双剪试件, 试件标准尺寸为365mm×240mm×179mm。砌筑砂浆灰缝厚度取10mm。本试验采用设计强度等级为Mb10的混合砂浆和MU15的再生混凝土砖砌筑4组抗剪试件, 每组砌筑7个试件, 共28个试件。通过扩大每组试验样本数量, 以减小砌体构件本身离散性对试验结果的影响。所有抗剪试件采用分层流水作业方法, 由同一名中等技术水平的瓦工砌筑。为了减小试件制作工程中人为原因对砌体抗剪强度造成的影响, 所有试件按照《砌体结构工程施工质量验收规范》 (GB 50203—2011) ^[8]进行验收。根据《砌体结构设计规范》 (GB 50003—2011) ^[9] (简称砌体规范) 3.1.3条规定, 采用再生混凝土砖底模养护混合砂浆试块。

　　 砌体试件均在西安建筑科技大学结构工程耐久性实验室中进行腐蚀, 利用人工模拟大气环境实验室系统ZHT/W2300 (图1) 模拟酸雨环境。

　　 该设备的室内顶部安装有16个可以适当升降、全方位旋转的淋雨喷头, 由智能数字控制面板根据需要设定喷淋时间、光照时间、每次循环运行时间、总运行次数等。

　　 目前, 我国还没有针对砌体结构在酸雨环境下耐久性研究的相关规范或者标准。由于砂浆和再生混凝土砖的组成成分大部分与混凝土类似, 其单一材料的力学性能及内部孔隙结构也有一定的相似度。故参照我国《混凝土砌块和砖试验方法》 (GB/T 4111—2013) ^[10]、《建筑砂浆基本性能试验方法标准》 (JGJ/T 70—2009) ^[11]及《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) ^[12]中的抗硫酸盐侵蚀试验 (我国以硫酸型酸雨为主) 方法, 并结合砌筑砂浆在酸雨环境中被腐蚀的效果, 综合制定酸雨环境下喷淋-光照加速腐蚀制度如表2和图2所示。待抗剪试件砌筑完成后, 在顶部平压4皮砖, 持续加压20d。将试件自然养护28d后, 在比较干燥的、自然光照和空气流通的环境下放置5d, 以尽量保证其含水量在自然环境下降到最低后进行模拟酸雨大气环境的腐蚀试验, 如图3所示。

　　 在西安建筑科技大学结构与抗震实验室的电液伺服钢绞线万能试验机 (WAW-1000) 上进行加载试验, 其最大压力值为1 000k N。加载示意图如图4所示。

　　 试验加载过程如下:

　　 (1) 测量每个试件受剪面的尺寸, 精确到1mm。

　　 (2) 用1∶3的水泥砂浆对3个承压面进行抹平, 砂浆厚度控制在10mm左右。上下抹面尽量相互平行并与砌体受剪面受剪灰缝垂直。

　　 (3) 将试件放置在自制的抗剪夹具上, 自制抗剪夹具的下部是由1块20mm厚260mm×200mm钢板和2块20mm厚260mm×50mm钢条焊接组成的具有足够刚度的“凹”字形器具, 上部为一块20mm厚260mm×50mm的钢条。

　　 (4) 施加荷载时, 采用均匀连续的加载方法, 不得冲击试件。施加的加载速率使试件控制在1~3min内破坏。当有1个受剪面被剪坏即认为试件破坏, 记录破坏荷载值及试件破坏特征^[7], 拍照并更换试件以准备继续进行试验。

　　 随着喷淋-光照腐蚀循环次数的增加, 抗剪试件的破坏过程依然呈现一些共性:加载初期, 没有肉眼可见的裂缝;当加载达到试件的极限破坏荷载时, 在试件受剪面发生毫无征兆的脆性破坏, 表现为受剪破坏面相互错动, 并伴随有短促有力“砰”的破坏声。砌体受剪破坏均表现为单剪破坏或双剪破坏, 破坏形态如图5 (a) , (b) 所示。单剪破坏均发生在试件与砂浆层的粘结面, 且有较为平整的破坏面。当试件表现为双剪破坏时, 裂缝总是从抗剪强度较低的粘结面开始产生, 发展到一定程度后, 另一剪切面的裂缝也随之发展, 并且两类裂缝发展时间间隔非常短。发生单、双剪破坏的抗剪试件数量统计结果见表3。

　　 从表3可看出, 抗剪试件的受剪破坏多数表现为单剪破坏, 试件破坏时2个受剪面并未同时发挥出抗剪的作用。发生双剪破坏试件个数仅占试验试件总数的14.28%, 并且单剪破坏和双剪破坏在各不同循环次数下出现的频率没有规律可言, 是随机性的。从试验数据分析可以看出, 在相同腐蚀循环次数下, 发生单剪破坏的试件的破坏荷载比发生双剪破坏的试件的破坏荷载普遍偏小。

　　 在本次试验中, 由于所用砌筑砂浆和再生混凝土砖砌块的抗压强度比较接近, 所以部分抗剪试件粘结面砂浆在主拉应力的作用下沿45°角破坏^[13], 如图5 (c) 所示。

　　 从图6中可以看出, 随着喷淋-光照腐蚀循环次数的增加, 受剪破坏面不再平整, 而是变得越来越凌乱。究其原因, 可能是因为随着喷淋-光照腐蚀循环次数的增加, 砂浆抗压强度下降, 外层水泥基材料中的胶凝物质流失。在光照升温阶段, 硫酸盐类物质结晶生成膨胀性物质, 在膨胀压力下受剪面出现微裂缝。当砌体受剪时, 出现应力集中现象, 微裂缝在外力作用下扩展连通形成了不规则劈裂破坏。

　　 由表4数据可知, 在喷淋-光照循环腐蚀的初期, 再生混凝土砖砌体的抗剪强度随着砂浆强度平均值的增大而提高, 后期的抗剪强度随着砂浆强度平均值的下降而降低。两者的变化趋势一致, 这表明砂浆强度对于砌体的抗剪强度有直接影响^[14]。

　　 根据砌体试验方法标准的规定, 抗剪强度试验值取试验破坏荷载除以试件双剪面的面积。即每个抗剪试件沿通缝截面的抗剪强度试验值f_v为:

　　 式中:N_v为试件的抗剪破坏荷载, k N;A为试件的1个受剪面的面积, mm²。

　　 按照砌体规范附录中抗剪强度平均值f_{v, m}的计算公式可得:

　　 式中:f₂为砂浆强度, MPa;k₅为反映材料特性的系数, 与砌体种类有关。

　　 砌体规范中并未给出再生混凝土砖砌体的k₅系数取值。根据表4喷淋循环次数为0次时的砂浆强度平均值和抗剪强度平均值, 得k₅=0.205, 即:

　　 与砌体规范中的普通混凝土砖砌体相比, 由式 (3) 计算出的再生混凝土砖砌体抗剪强度平均值增大了64.0%, 安全储备较高。本试验将式 (3) 近似作为再生混凝土砖砌体抗剪强度平均值计算公式, 与经历不同喷淋-光照腐蚀循环次数后的砌体实测抗剪强度作对比, 结果见表4。

　　 在不同酸雨喷淋-光照循环次数下, 后期的试验实测抗剪强度与公式计算抗剪强度的比值逐渐减小, 试验实测抗剪强度由低于公式计算抗剪强度的3%下降到低于公式计算抗剪强度的18%, 这说明酸雨环境对抗剪试件的抗剪强度影响较大。它不仅降低了砂浆的抗压强度, 还劣化了砂浆与块体的粘结面等其他因素。

　　 在100次腐蚀循环后试件抗剪强度增长了2.39%, 但变化不明显。随着腐蚀循环次数的逐渐增多, 其抗剪强度呈现明显的下降趋势, 到300次时, 下降幅度达28.59%。

　　 在酸雨溶液腐蚀初期, 氢氧化钙与模拟酸雨溶液中的氢离子发生中和反应, 溶解出的游离钙离子与模拟酸雨溶液中的硫酸根离子发生化学析出反应, 生成的石膏填充在水泥基材料的孔隙中, 使砌筑砂浆变得更加密实。因此, 腐蚀早期的砂浆抗压强度有所提高, 从而使抗剪试件的抗剪强度略有增大;随着喷淋-光照腐蚀循环次数的增加, 侵蚀介质渗入构件内部, 并与水泥水化物中的某些固相成分 (如氢氧化物、碳酸钙等) 发生相应的化学反应, 生成一些更加难溶和易溶的矿物盐类, 析出钙矾石或石膏等固体沉淀物质。这些物质在水泥基材料毛细孔内部的膨胀会导致构件外部表面的剥落或者整体的开裂, 从而使砂浆抗压强度和砌体抗剪强度大幅降低。

　　 对经历不同喷淋-光照腐蚀循环次数的抗剪试件抗剪强度采用下式进行拟合:

　　 式中:n为抗剪试件所经历的酸雨喷淋-光照循环次数;f_{v, m} (n) 为经n次喷淋-光照循环腐蚀后砌体抗剪强度平均值;α (n) 为经不同喷淋-光照循环次数腐蚀后砌体抗剪强度衰减系数函数;f_{v, m, 0}为未经腐蚀的砌体抗剪强度平均值。

　　 利用二次函数形式表示抗剪强度衰减系数函数α (n) , 将试验数据进行拟合, 得到α (n) =-5×10^-6n²+3×10^-4n+1.008 6, 其相关系数为0.97, 从而得到抗剪试件的抗剪强度退化关系式如下:

　　 再生混凝土砖砌体抗剪试件抗剪强度随喷淋-光照腐蚀循环次数增加的退化关系拟合曲线见图7。由图7可以看出, 试验数据与拟合曲线吻合效果较好。

　　 (1) 在模拟酸雨喷淋-光照循环腐蚀作用下, 再生混凝土砖砌体的破坏形态以单剪破坏为主, 2个受剪面很难同时发挥作用。

　　 (2) 通过对再生混凝土砖砌体抗剪试件试验结果的统计分析, 给出再生混凝土砖砌体抗剪强度平均值计算的建议公式, 该公式具有较高的安全储备。

　　 (3) 酸雨环境对再生混凝土砖砌体的抗剪强度影响较大, 随着喷淋-光照腐蚀循环次数的增多, 再生混凝土砖砌体抗剪强度表现出先增后降的趋势, 且前期增长表现不明显, 后期下降幅度较大。

　　 (4) 将试验数据进行拟合, 建立了再生混凝土砖砌体抗剪强度随喷淋-光照腐蚀循环次数增加的衰减关系模型。