0 引言

　　 2000年以后，随着社会经济的迅速发展，中国文物保护事业进入了一个蓬勃发展的时期，通过第三次全国文物普查工作，我国不可移动文物数量达到了76万余处 ^[1],其中包含大量的砌体结构文物建筑。为了详细了解这些砌体结构文物建筑墙体的抗剪性能，本文结合多项砌体结构重点文物保护单位项目，开展了以纯白灰(即素灰)、白灰砂浆、掺灰泥等传统灰浆为粘结材料的手工青砖砌体抗剪性能试验研究。

1 试验概况

1.1 砌筑试件材料

　　 通过对河北省地区砌体结构文物建筑的调查发现，其砖砌体普遍以传统工艺烧制而成的手工青砖为块材、以白灰基传统灰浆为粘结材料，故本文砌筑试件所采用原材料如下：块材采用以黏土为主要原料，按传统工艺烧制成的同一批次的手工青砖 ^[2,3],规格尺寸为长280mm、宽140mm、厚65mm; 粘结材料采用传统灰浆，传统灰浆采用氧化镁含量4.2%、氧化钙和氧化镁总含量79.3%的生石灰以及黄土、中砂、自来水制备成的纯白灰或1∶1掺灰泥(体积比)或1∶1白灰砂浆(体积比)或1∶3白灰砂浆(体积比)。

1.2 试件设计

　　 本文砌体试件采用糙砖、仿丝缝两种方式砌筑，其中糙砖砌筑试件为本文主要研究对象，按照灰浆类型分组，设计4组，每组试件9个，以纯白灰为粘结材料的试件编号为JA1～JA9,以1∶1白灰砂浆为粘结材料的试件编号为JC1～JC9,以1∶3白灰砂浆为粘结材料的试件编号为JD1～JD9,以1∶1掺灰泥为粘结材料的试件编号为JE1～JE9;仿丝缝砌筑试件是为研究古建筑中等级较高的丝缝墙力学性能所设计的对比试件，仅设计以纯白灰为粘结材料的试件1组(9个试件),编号为JB1～JB9。

1.3 试件制作

　　 参照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011) ^[4]相关规定，采用由9块青砖组成的双剪试件，如图1所示。

　　 图1 试件  

　　  

　　 试件的龄期到达预期水平后，将试件立放，先后对承压面和加荷面采用不小于10mm厚的1∶3水泥砂浆找平。试件找平层施工过程中，采用水平尺和直角尺控制和检查其平整度，使上下找平层相互平行并垂直于受剪面的灰缝。

1.4 试件砌筑材料强度

1.4.1 手工青砖抗压强度

　　 在砌筑试件所采用的手工青砖中随机抽取砖样10块，依据《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542—2012) ^[5]中有关砌墙砖试验方法规定，并参考丁伟等 ^[6]的研究成果，对所抽取手工青砖抗压强度进行试验，实测其抗压强度平均值为7.6MPa。

1.4.2 灰浆抗压强度

　　 依据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011) ^[4]的规定，在试件的砌筑过程中，将每种灰浆制作立方体抗压试块1组，每组灰浆试块数量为6个，灰浆试块底模采用砌筑试件用的手工青砖，养护条件与试件相同(自然养护),灰浆试块抗压试验与砌筑试件抗剪试验同时进行。所制作灰浆试块抗压强度按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009) ^[7]的有关规定进行试验，实测各灰浆试块抗压强度，并计算出每种灰浆试块抗压强度平均值，结果列于表1。

　　 灰浆抗压强度试验结果汇总 表1

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

 

　　 注：灰浆龄期为90d。

　　  

1.5 加荷架设计

　　 本文试验所采用的加荷架、荷载分配梁在项目现场自制，加荷架具有足够的强度、刚度及稳定性，且横梁能上下调节高度，详见图2。

　　 图2 加荷架示意图   

　　  

2 试验过程及试验现象

2.1 试验过程

　　 试件抗剪强度试验采用50kN螺旋式千斤顶施加荷载，在千斤顶与试件之间放置力传感器，读取加载力。试验时试件龄期约为90d。

　　 试验前，按照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)的规定测量受剪面尺寸。试件就位后，采用匀速连续加荷方法对试件施加荷载，控制试件在1～3min内破坏，记录破坏荷载和破坏特征，并测量、记录受剪破坏面的砂浆饱满度。

2.2 试验现象

　　 5组试件的试验破坏现象相似，试验从加载至破坏前，试件未产生明显破坏现象，直至加载至破坏荷载时，试件突然沿灰缝断裂，脆性破坏特征明显。试件破坏形式有单剪破坏和双剪破坏2种形式，未出现青砖破损的情况，其中部分试件破坏情况如图3所示。

　　 图3 典型试件破坏形式 

　　  

　　 不同破坏类型试件的数量及占比统计结果见表2。

　　 不同破坏类型试件数量及占比统计结果 表2

试件编号	单剪破坏		双剪破坏
	试件数量/个	占比	试件数量/个	占比
JA1～JA9	3	33.30%	6	66.70%
JB1～JB9	3	33.30%	6	66.70%
JC1～JC9	4	44.40%	5	55.60%
JD1～JD9	5	55.60%	4	44.40%
JE1～JE9	5	55.60%	4	44.40%

 

　　  

　　 由表2可见，有接近一半比例的试件出现单剪破坏，其原因是：1)加载试验时三个受力面不能达到真正意义上的平行，两条灰缝的受力存在差异；2)试件砌筑时无法保证两条灰缝的厚度、均匀性及灰浆饱满度完全一致，两条灰缝的抗力存在差异。

3 试验结果及其分析

3.1 试验结果

　　 5组试件全部完成试验后，对试验结果进行统计计算，结果列于表3～7。

　　 砌体JA组试件抗剪试验结果 表3

试件 编号	破坏 荷载 Nv/kN	灰浆 饱满度 /%	实测抗剪 强度 fv, i/MPa	抗剪强度 平均值 f1v,mv,m1/MPa	抗剪强度 变异系数 δ
JA1	7.90	82.6	0.033	0.030	0.15
JA2	8.02	84.3	0.034
JA3	5.91	91.4	0.025
JA4	9.13	86.9	0.039
JA5	7.11	88.8	0.030
JA6	7.63	85.4	0.032
JA7	6.22	89.6	0.026
JA8	6.90	92.3	0.029
JA9	6.15	93.1	0.026

 

　　  

　　 砌体JB组试件抗剪试验结果 表4

试件 编号	破坏 荷载 Nv/kN	灰浆 饱满度 /%	实测 抗剪强 fv, i/MPa	抗剪强度 平均值 f1v,mv,m1/MPa	抗剪强度 变异系数 δ
JB1	5.94	45.4	0.025	0.020	0.19
JB2	4.63	43.6	0.019
JB3	3.92	42.1	0.016
JB4	5.83	48.2	0.024
JB5	4.81	46.4	0.020
JB6	4.11	43.0	0.017
JB7	4.13	40.1	0.017
JB8	6.12	50.9	0.026
JB9	3.75	44.1	0.016

 

　　  

　　 砌体JC组试件抗剪试验结果 表5

试件 编号	破坏 荷载 Nv/kN	灰浆 饱满度 /%	实测抗剪 强度 fv, i/MPa	抗剪强度 平均值 f1v,mv,m1/MPa	抗剪强度 变异系数 δ
JC1	5.62	93.2	0.023	0.024	0.17
JC2	4.05	86.1	0.017
JC3	4.32	85.9	0.018
JC4	6.71	88.7	0.028
JC5	5.29	84.9	0.022
JC6	6.91	95.5	0.029
JC7	5.83	86.8	0.025
JC8	6.35	91.6	0.027
JC9	5.43	89.3	0.023

 

　　  

　　 砌体JD组试件抗剪试验结果 表6

试件 编号	破坏 荷载 Nv/kN	灰浆 饱满度 /%	实测抗 剪强度 fv, i/MPa	抗剪强度 平均值 f1v,mv,m1/MPa	抗剪强度 变异系数 δ
JD1	5.21	98.0	0.022	0.022	0.19
JD2	4.08	89.1	0.017
JD3	7.22	92.2	0.031
JD4	4.10	93.1	0.017
JD5	5.21	86.9	0.022
JD6	5.70	88.6	0.024
JD7	4.22	94.2	0.018
JD8	5.20	87.7	0.022
JD9	5.48	95.3	0.023

 

　　  

　　 砌体JE组试件抗剪试验结果 表7

试件 编号	破坏 荷载 Nv/kN	灰浆 饱满度 /%	实测抗剪 强度fv, i /MPa	抗剪强度 平均值 f1v,mv,m1/MPa	抗剪强度 变异系数 δ
JE1	5.01	95.5	0.021	0.019	0.18
JE2	5.82	92.3	0.025
JE3	3.30	85.5	0.014
JE4	4.15	85.8	0.018
JE5	5.31	88.9	0.022
JE6	3.87	91.6	0.016
JE7	5.11	87.8	0.022
JE8	4.43	93.5	0.019
JE9	3.77	89.3	0.016

 

　　  

　　 根据表1、表3～7试验结果发现，除JB组试件灰浆饱满度在40.1%～50.9%之间外，其他各组试件灰浆饱满度均在80%以上。5组试件抗剪强度中JA组最高，JE组最低，JB组试件抗剪强度明显低于同是纯白灰砌筑的JA组试件。除JB组试件外，其他4组试件抗剪强度的大小与灰浆强度呈正相关关系，很好地验证了灰浆强度是影响砌体抗剪强度的主要因素之一。JB组试件抗剪强度明显低于JA组试件的主要原因是，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，这一点在工程运用中要加以注意。

3.2 砌体抗剪强度平均值表达式

　　 《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011) ^[8]中规定，砖砌体抗剪强度平均值f_{v, m}采用下式计算：

　　 fv,m=k5f2−−√         (1)fv,m=k5f2         (1)

　　 式中：f_{v, m}为砌体抗剪强度平均值；k₅为不同种类砌体影响系数；f₂为砂浆抗压强度平均值。

　　 手工青砖砌体参照烧结普通砖砌体取k₅=0.125,按式(1)计算抗剪强度平均值f_{v, m},与表3～7中试验实测抗剪强度平均值f1v,mv,m1共同列于表8。

　　 砌体试件抗剪强度结果 表8

试件 组号	f2/MPa	f1v,mv,m1/MPa	fv, m/MPa		f1v,mv,m1/fv, m
			式(1)	式(2)	式(1)	式(2)
JA	0.82	0.030	0.113	0.026	0.27	1.15
JB	0.82	0.020	0.113	0.017	0.18	1.18
JC	0.76	0.024	0.109	0.025	0.22	0.96
JD	0.71	0.022	0.105	0.024	0.21	0.92
JE	0.50	0.019	0.088	0.020	0.22	0.95

 

　　 注：因为JB组试件灰浆饱满度在40.1%～50.9%之间，该组试件抗剪强度平均值在式(2)计算值的基础上再乘以折减系数0.65。

　　  

　　 由表8可见，5组试件的实测抗剪强度平均值均明显低于规范(式(1))计算值，其中，JB组试件抗剪强度明显低于同是纯白灰砌筑的JA组试件。5组试件实测抗剪强度平均值明显低于规范(式(1))计算值的主要原因是：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)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。

　　 根据试验结果及其分析，规范(式(1))已不能准确预估该类砌体的抗剪强度，计算结果不安全。根据JA,JC,JD,JE试件的试验结果，采用最小二乘法对式(1)进行修正，修正后计算公式如式(2)所示 ^[9,10]。

　　 fv,m=0.029f2−−√         (2)fv,m=0.029f2         (2)

　　 此外，对于丝缝砌筑砌体，应在砌筑灰浆饱满度为0.4～0.8之间时，其抗剪强度平均值均应在式(2)计算值基础上乘以一个0.6～1.0的折减系数。

　　 为了验证式(2)的合理性，将式(2)计算的f_{v, m}列入表8中，并与试验实测抗剪强度平均值f1v,mv,m1进行比较。结果表明，抗剪强度式(2)计算值与实测值符合良好，可作为以传统灰浆为粘结材料的手工青砖砌体抗剪强度平均值计算式。

　　 由于受到试件数量、龄期及灰浆强度限制，本文式(2)仅适用于灰浆强度在0.3～2.0MPa的手工青砖砌体的抗剪强度平均值的计算。当灰浆强度大于2.0MPa时，式(2)的合理性仍然需要大量试验数据来完善和验证。

3.3 砌体抗剪强度设计值

　　 根据《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)规定，砌体的抗剪强度设计值计算公式如下：

　　 fv=fvk/γf         (3)fvk=fv,m(1−1.645δ)         (4)fv=fvk/γf         (3)fvk=fv,m(1-1.645δ)         (4)

　　 式中：f_v为砌体抗剪强度设计值；f_vk为砌体抗剪强度标准值；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为试件抗剪强度变异系数，出于安全考虑，采用最大值0.19。

　　 根据式(2)～(4),可得到以纯白灰、白灰砂浆、掺灰泥为粘结材料的手工青砖砌体抗剪强度设计值，见表9。对于丝缝砌筑砌体的抗剪强度设计值，应根据实际灰浆饱满度情况，在式(3)计算值基础上乘以一个0.6～1.0的折减系数。

　　 手工青砖砌体抗剪强度设计值/MPa 表9

M2.5	M1.0	M0.4
0.020	0.012	0.008

 

　　 注：对于所列灰浆强度等级为M2.5时的手工青砖砌体抗剪强度设计值0.020MPa, 建议进行长期试件验证后采用。

　　  

4 结论

　　 (1)以纯白灰、白灰砂浆以及掺灰泥为粘结材料的手工青砖砌体的受剪破坏具有脆性破坏特征，其破坏形式有单剪破坏和双剪破坏2种形式。

　　 (2)以纯白灰、白灰砂浆、掺灰泥为粘结材料的手工青砖砌体试件的抗剪强度平均值均明显低于烧结普通砖砌体规范公式计算值，尤以纯白灰仿丝缝砌筑的JB组试件最低。

　　 (3)对试验数据，采用最小二乘法进行回归分析，建立了适用于以纯白灰、白灰砂浆以及掺灰泥为粘结材料的手工青砖砌体抗剪强度平均值回归公式fv,m=0.029f2−−√fv,m=0.029f2。得到了以纯白灰、白灰砂浆以及掺灰泥为粘结材料的手工青砖砌体抗剪强度设计值。