基于数字图像技术的TRC加固砌体裂缝发展研究

2022-10-06尹世平成帅安

建筑材料学报 2022年9期

尹世平, 成帅安, 王飞

（1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏徐州 221116；2.中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室, 江苏徐州 221116）

砖石砌体结构建筑物仍然大量存在于很多国家和地区.由于建造时抗震设防等级较低, 在遇到地震时, 砌体墙可能受到平面内的荷载作用, 导致墙体发生剪切破坏, 使得建筑物部分或完全倒塌[1-2］.加固可以有效提升砌体墙的抗剪性能.

纤维编织网增强混凝土（TRC）是一种由纤维编织网与水泥基材料复合形成的连续纤维增强材料, 可以有效避免纤维增强聚合物（FRP）使用有机基体所带来的缺陷, 适用于砌体墙的加固[3］.关于TRC性能的研究已经取得了一些成果[4-13］.文献[7］研究了TRC加固砌体墙的面内受剪性能, 发现TRC加固砌体墙的抗剪强度提升了4～6倍.文献[8-10］对比了单侧和双侧TRC加固砌体墙的受剪性能, 发现双侧加固的效果优于单侧加固, 但单侧加固砌体墙具有更高的延性.邓宗才等[14］研究了拟静力作用下TRC加固砌体墙的抗震性能, 发现TRC加固可以有效改善砌体墙的脆性破坏模式.

本文通过数字图像相关[15-17］技术（DIC）对TRC加固砌体墙的剪切试验过程进行观测, 获取加固砌体墙微裂纹产生的位置和扩展路径等, 同时结合应变云图和砌体墙的破坏模式, 以期揭示TRC加固砌体墙的面内剪切破坏机理.

1 TRC加固砌体墙的面内抗剪试验

1.1 试件分组

根据ASTM E519/E519M-10《Standard test method for diagonal tension（shear）in masonry assemblages》的相关规定, 结合试验条件和研究因素, 设计如表1所示的试件分组.试件编号的第1组字母和数字代表砌体墙的尺寸, 第2组字母和数字代表加固方式（U代表未加固试件, D代表双侧加固, C代表碳纤维TRC, 2代表加固层数）.

表1 试件分组Table 1 Specimen grouping

1.2 试验材料

砌体墙试件采用煤矸石烧结砖和砂浆砌筑而成.烧结砖尺寸为240 mm×115 mm×53 mm, 根据JGJ/T 70—2009《砌体基本力学性能试验方法标准》, 其实测抗压强度平均值为9.93 MPa.砌筑所用砂浆配合比为m（水泥）∶m（砂子）∶m（水）=1.00∶5.09∶1.20, 采用尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块, 测得其28 d抗压强度为11.8 MPa.

TRC加固所用的碳-玻纤维编织网的结构如图1所示, 几何参数及力学性能如表2所示.其中碳纤维束起增强作用, 玻璃纤维束起固定作用, 纤维束的间距为10 mm×10 mm.

表2 纤维编织网的几何参数及力学性能Table 2 Mechanical properties and geometric parameters of carbon-glass fabric

图1 纤维编织网的结构Fig.1 Structure of textile net

1.3 试件制作

TRC加固砌体墙的主要步骤为：（1）除去砌体墙表面的松动材料, 并在表面喷水浸润3 min.（2）在砌体墙表面均匀涂抹1层4～5 mm厚的细粒混凝土.（3）将裁剪好的纤维编织网铺设在墙体表面, 碳纤维束沿墙高度方向布置（在垂直于砂浆接缝方向布置纤维束有利于提高砌体墙平面内抗震性能, 也有利于提高砌体墙的面外抗弯及整体性能.加固实际砌体时要根据具体受力来确定碳纤维束的布设方向）, 铺设时将纤维编织网轻轻按压进入细粒混凝土, 以提高纤维编织网与细粒混凝土的界面黏结性能.（4）在试件表面再均匀涂抹1层4～5 mm厚的细粒混凝土.（5）双侧加固的试件在另一侧重复以上步骤即可完成加固.若需要多层TRC加固重复步骤（2）～（4）即可, 本文采用2层加固.

合适的散斑大小、分布及其良好的黏接是取得可靠DIC分析结果的前提.加固后的试件养护28 d后即可在测试区域表面制作散斑用于DIC测试.制作散斑的步骤为：先在测试区域喷涂白色底漆, 底漆晾干之后用黑色记号笔随机点画散斑, 不宜过大, 保证散斑分布密集且无规律, 也可用黑色喷漆喷涂黑色散斑.试件测试区域的散斑如图2所示.由于光强不稳定、周围环境噪声, 可能会给DIC测试结果带来一定的误差, 在试验时需尽量保证光强稳定并且抑制环境干扰.

图2 试件测试区域的散斑Fig.2 Speckle in the test area of the specimen

1.4 试验装置及加载制度

对角剪切试验根据ASTM E519中的相关规范进行, 所用试验器材主要包括液压伺服压力机、荷载传感器、位移计和数据采集仪.试验的加载及测量装置如图3所示.试件顶部的传荷钢座和压力机之间放置100 t的荷载传感器来记录荷载.在试件的一侧对角线方向放置导杆, 将2个位移计固定在导杆上来测量试件的横向拉伸和纵向压缩, 2个对角线方向的测试距离均为对角线长度的一半.荷载和位移通过数据采集系统连续采集, 采集频率为1 Hz.另一侧采用DIC测试试件的应变场, 如图4所示.试件加载全程采用位移控制, 加载速率为0.2 mm/min, 加载至试件发生明显破坏或荷载下降为峰值荷载的50%时, 停止加载.

图3 试验加载及测量装置Fig.3 Test loading and measuring device

图4 DIC设备Fig.4 DIC equipment

对比加固试件可以发现, 在砂浆加固层中沿墙高方向布置的纤维编织网, 可以在加固层基体开裂之后继续提供抗拉强度, 保证了试件破坏时的完整性, 从而大大增加了试件的延性.试验过程中未发现加固层有明显的脱黏现象, 表明TRC与砌体墙具有良好的黏结性能.

2 结果及讨论

2.1 破坏过程及破坏形态

图5为未加固砌体墙的破坏模式.由图5可见：（1）加载初期在2条对角线的方向发生了很小的纵向压缩和横向膨胀变形, 且均在弹性变形范围内；在试件达到开裂荷载后, 裂缝首先出现在上部加载角附近.（2）随着试验的进行, 裂缝呈阶梯状迅速向下扩展, 穿过对角线附近的横向和竖向灰缝, 并将部分砖块分裂成2块；裂缝在短时间内贯穿试件, 破坏具有典型的脆性特征；未加固的一二墙试件在最终破坏时不能保证完整性, 被分裂成两半；几组未加固墙的裂缝位置不同, 由于未加固砌体墙试件受施工质量的影响较大, 导致不同试件的薄弱位置不同, 但总体上裂缝都处于近似对角线的方向；未加固的二四墙试件与一二墙试件破坏过程相似, 但裂缝发展速度相对较慢, 且最终破坏时试件分裂成3个部分.

图5 未加固砌体墙的破坏模式Fig.5 Failure modes of unstrengthened masonry walls

图6为TRC加固砌体墙的破坏模式.由图6可见：

图6 TRC加固砌体墙的破坏模式Fig.6 Failure modes of TRC-strengthened masonry walls

（1）试件W1-DC2、W2-DC2和W3-DC2采用双层碳-玻纤维TRC加固, 破坏过程相似, 在加载过程中裂缝首先出现在上部加载端；随着荷载的增加, 裂缝沿对角线方向缓慢向下发展, 宽度也逐渐增加, 并且有新的裂缝产生.随着裂缝沿纵向对角线方向贯穿试件, 加固层中的部分纤维编织网被逐渐拉断, 试件表面形成1道明显的主裂缝, 并丧失承载能力.由于使用双侧对称加固, 试件两侧的裂缝几乎同时发展, 且形状和方向也近似对称.

（2）破坏时裂缝的分散情况随试件尺寸的增大而增加, 试件W1-DC2的长度和高度最小, 最终破坏时表面的裂缝数量最少, 为3条左右, 且长度也相对最短；试件W3-DC2的长度和高度最大, 破坏时表面的裂缝数量最多, 为10条左右, 多集中于上下2个角部附近, 裂缝分布更加均匀；试件W2-DC2的尺寸介于前述2组之间, 裂缝发展程度也同样介于另外2组之间.产生上述现象的原因主要在于, 在加固层数相同的情况下, 各试件的约束效果一致, 但墙的长度和高度越小, 试件内部的缺陷就越少, 发生破坏的可能性就越低, 故裂缝的发展程度就低.试件W4-DC2的裂缝首先在上部加载端附近出现, 裂缝数量较少, 并随着荷载的增加迅速沿对角线方向向下发展, 且宽度不断增加.当试件达到极限承载力时, 主裂缝在对角线方向贯穿试件.裂缝处的纤维编织网受到了砌体墙横向变形产生的拉力, 纤维束外围的纤维单丝与基体发生摩擦, 内部的纤维单丝无法充分浸渍到基体中, 发生脱黏并从基体中被拔出, 在拉力和摩擦力的作用下, 纤维束从外围向内部逐渐发生断裂.加固后的试件在破坏时, 其完整性可得到保证.

2.2 剪应力-应变曲线

根据ASTM E519, 砌体墙的剪应力（τ）计算式为：

式中：P为荷载, N；An为试件的净面积, mm2.其中,An根据式（2）计算.

式中：h和w分别为试件的高度和宽度, mm；t为试件的厚度, mm；n为实心单位面积百分比, 本文中n=1.砌体墙的剪应变（γ）计算式为：

式中：Δx为试件的横向拉伸变形, mm；Δy为试件的纵向压缩变形, mm；g为测点间的标距, mm, 本文g为对角线长度的一半.

根据DIC的测试结果, 得到了试件中心区域的应变场, 从而清楚地看到试件测试区域的应变随荷载变化的过程.试件加载过程中, 随着应变的变化, 试件中心区域的应变场也不断发生变化.为了清晰地反映应变场随应变的变化, 在应力-应变曲线中选择了几个有代表性的点, 分别是初始状态、开裂状态和极限荷载状态, 将这4个点的应变场标注在剪应力-剪应变曲线图中, 如图7所示.

图7 剪应力-剪应变曲线及应变场Fig.7 Shear stress-shear strain curves and strain field

由图7可见, 未加固砌体墙试件在达到峰值荷载后立刻发生坍塌, 所以剪应力-剪应变曲线中缺少峰后段.对于TRC加固砌体墙试件, 其剪应力-剪应变曲线大致分为3个阶段：

（1）弹性阶段：试验初期, 剪应力-剪应变曲线几乎呈直线, 剪应力、剪应变呈线性关系, 且TRC加固砌体墙试件的剪应力-剪应变曲线斜率大于未加固砌体墙试件, 说明加固提高了砌体墙试件的刚度.

（2）开裂阶段：此阶段加固层与砌体墙协同受力, 当荷载达到70%左右的峰值荷载时, 试件表面开始出现裂缝, 剪应力-剪应变曲线的斜率开始逐渐减小.

（3）破坏阶段：加载至极限荷载后进入破坏阶段, 剪应力开始下降.部分TRC加固砌体墙试件的剪应力-剪应变曲线出现了一段平台期, 说明其具有较好的延性.

2.3 结果讨论

砌体墙试件的荷载及抗剪强度如表3所示.表中Pmax为试件所承受的最大荷载,Pcr为开裂荷载,τmax为抗剪强度.由表3可见：

表3 试件的荷载及抗剪强度Table 3 Load and shear strength of specimens

（1）对于试件W1-DC2, 加固后极限荷载增加了125.9%.加载至282 kN时, 试件应变云图上有2处明显的应变集中现象, 将DIC照片放大后可看到表面有轻微的裂缝, 即可认定为试件开裂, 此时测试显示最大主应变为0.99%；随着试验的进行, 2处应变集中逐渐发展, 进而汇聚成1条主裂缝, 云图中显示的应变逐渐增大, 到达极限荷载时裂缝已经变得非常明显, 最大主应变为11.19%；随着加载的进行, 荷载开始下降, 应变继续变大, 荷载降至300 kN左右时试件基本破坏, 此时测得的最大主应变为14.95%, 应变云图已经有了明显的断裂.

（2）加固试件W2-DC2的极限荷载提升了159.1%, 在最大主应变为0.96%时发生了开裂, 从云图中可见裂缝沿近似对角线方向发展, 此时荷载为243 kN；荷载达到329 kN时不再增加, 此时裂缝已经变得肉眼可见, 应变云图中显示最大主应变为17.39%；当荷载下降至206 kN左右时, 试件基本破坏, 中心测试区域的最大主应变为22.16%.

（3）对于加固试件W3-DC2-2, 其极限荷载提升了271.7%, 开裂时应变云图中的最大主应变为1.67%, 略高于前述2个试件, 从云图中可见多处应力集中, 此时荷载为228 kN；达到极限荷载（282 kN）时最大主应变为19.07%；荷载降至180 kN时, 此时应变云图中的最大主应变为24.39%, 且裂缝宽度已超出DIC量程, 应变云图中出现了连续的断裂.

（4）加固试件W4-DC2-2的极限荷载提升了107.2%, 在荷载为380 kN时表面出现了细微的裂缝, 此时最大主应变为0.70%；荷载增加至580 kN时达到峰值, 此时云图中显示的最大主应变为20.18%, 且测试区域下端的裂缝宽度较大, 在应变云图相应的部位出现了断裂；荷载降至465 kN时, 应力云图已基本分裂为2个部分, 最大主应变为25.20%.

（5）对比上述几个试件的测量结果, 发现当砌体墙厚度一定时, 长度和高度越大, 极限荷载越小, 但极限应变越大, 与应力-应变曲线较为吻合.试件W3-DC2-2和W4-DC2-2在极限荷载和最终破坏时, 应变云图中的最大主应变差别不大.这2个试件的测试区域面积相同, 说明裂缝宽度相近, 但厚度较大的试件承载力要高出许多.

2.4 主裂缝及附近测试点应变

进一步选取了每个试件主裂缝附近的点, 测试点的应变随试件的变化, 结果如图8所示.由图8可见：

图8 主裂缝及附近测试点的应变Fig.8 Strain of main crack and nearby test point

（1）试验加载初期, 试件的TRC基体表面并没有明显的应变.此时试件的剪应力较小, 主要由原砌体结构承受荷载, 且处于弹性变形范围内.随着加载的进行, 各试件在不同的时间点逐渐产生应变, 此时应变云图上也出现了不同程度的应力集中, 这说明原砌体结构受到的剪力传递至加固层, 原砌体结构开始与加固层协同受力.

（2）不同试件在加载时的某个时刻会发生应变的突变, 如试件W1-DC2在920 s左右, 试件W4-DC2在590 s左右, 此时基体表面产生裂缝, 此后应变增加的速率变大.

（3）试验加载后期达到破坏阶段, 此时各试件的测试点都表现出了应变的突然增大, 表明裂缝宽度过大, 纤维编织网被拉断或发生较大应变, 已不能够约束试件的变形.此外还发现, 主裂缝上的测试点最终应变较大, 一些试件表面有多条传递路径, 产生了次生裂缝, 这些裂缝上的测试点也有一定的应变, 但离裂缝较远的地方没有发生明显的变形.