注浆加固毛石砌体的受压性能试验研究*

2023-12-27梁建国赵一帆陈大川徐培军李振华王高峰

建筑结构 2023年24期

梁建国, 赵一帆, 陈大川, 徐培军, 李振华, 王高峰

(1 长沙理工大学土木工程学院，长沙 410114；2 湖南大学土木工程学院，长沙 410082；3 长沙市公共工程建设中心，长沙 410013；4 中国建筑第五工程局有限公司，长沙 410000)

0 引言

我国市政排水渠建设始于20世纪50年代,90年代以后随着城市建设快速发展,得到广泛发展。长沙市市政排水主渠调查发现,早期的渠体结构形式主要有砖砌拱涵、预制混凝土盖板涵、预制混凝土圆拱涵以及现浇混凝土箱涵,其中砖砌拱涵、预制混凝土盖板涵和预制混凝土圆拱涵的侧墙和基础一般采用浆砌毛石。建于20世纪50～80年代的排水渠已超期或即将超期服役,常常发生塌陷事故,标志着渠体已进入了事故频发期,渠体结构存在较大安全隐患[1-2],需对现有管渠结构进行修复加固。国内外对石砌体的力学性能做了很多研究。陈茂义[3]研究了料石砌体的抗压强度和变形;刘建生等[4]研究了平面应力状态下料石砌体的本构关系;季文玉等[5]建立了根据砂浆计算料石砌体弹性模量表达式;许秀林等[6]在料石砌体轴心受压性能方面进行了试验研究。在毛石砌体方面,傅雷[7]对藏式民居毛石墙抗压性能进行了试验研究;滕东宇等[8]对藏式石砌体受压应力-应变全曲线特征进行了研究;Almeida C[9]、Milosevic J[10-11]等对毛石砌体抗压、抗拉、抗剪性能做了大量试验研究。

早前的研究表明,石料具有很好的抗冻性,且表观密度大,内部结构致密,抗压强度高,孔隙率小,吸水率低,抗风化能力强,耐久性好,耐水性及耐酸性好[12]。施工现场调查结果也证实了,侧墙毛石砌体的劣化主要体现在砂浆。因此,对石砌体修复补强一般采用嵌缝加固、灌浆加固等[13]。

本文拟采用专用注浆料对毛石砌体进行注浆加固,提高砌体的抗压强度、抗渗性能和耐久性,提高侧墙水平刚度。通过注浆和未注浆毛石砌体抗压性能进行对比试验,分析砌体的受压破坏特征和力学性能,为注浆加固毛石砌体技术的应用提供试验和理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

依据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)[14]的规定,石砌体抗压试件设计尺寸为400mm×800mm×1200mm。本次试验共砌筑9个毛石砌体受压试件,其中注浆试件为GS1～GS6,未注浆试件为S1～S3。

所有试件按照《砌体结构工程施工规范》(GB 50924—2014)的要求施工,采用分层流水作业法进行砌筑,试件砌筑在带吊钩的20mm厚钢垫板上。为了模拟既有毛石砌体灰缝不饱满的情况,毛石砌体的饱满度控制在50%到60%之间。砌筑完成,在自然条件下养护14d后,采用专用无收缩注浆料(性能指标要求见表1)对试件GS1～GS6进行注浆,为模拟施工现场侧面注浆,注浆孔采用倾斜孔(图1),注浆孔孔径为55mm。由于注浆料流动性很好,采用亚克力模板(图2),以观察注浆时浆料填充过程,模板与石砌体之间留20mm的缝隙,注浆完毕后除去面层注浆料。注浆料水灰比为28∶100,注浆压力为0.37MPa,注浆完成后在自然条件下养护28d之后进行砌体抗压强度试验。

图1 石砌体注浆孔

图2 亚克力模板照片

表1 注浆料性能参数

注浆过程中,根据注浆料的密度,测量了每个试件扣除面层后注浆料体积,得到试件GS1～GS6注浆料与试件的体积比分别为0.182、0.202、0.115、0.190、0.185、0.187。

1.2 材料

1.2.1 毛石

毛石材料采用花岗岩,根据《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)(简称砌体规范)的规定,试件尺寸为边长70.7mm的立方体。试验测得毛石(花岗岩)抗压强度平均值为108.5MPa,变异系数为0.12。

1.2.2 砌筑砂浆

砌筑砂浆采用M2.5混合砂浆、32.5普通水泥和石灰,其配合比为砂∶水泥∶石灰=9∶1∶0.1(重量比)。根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)[15]要求,每盘砂浆制作6个砂浆试块,一共有9盘砂浆,总计54个砂浆试块,试验测得抗压强度平均值为3.09MPa,其变异系数为0.20。

1.2.3 注浆料

注浆料采用专用注浆料,设计强度等级为C60。根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)[15],将边长为70.7mm的立方体作为试件。试验测得注浆料抗压强度平均值为66.8MPa,变异系数为0.08。

1.3 试验方法

试验在长沙理工大学云塘校区动力实验室YAW-5000长柱压力试验机上进行。试验前,先在试件四周画上竖向和水平中线,安装试件时进行物理对中,再在试件竖向和水平中线处安装百分表,表座测点间距为400mm。加载装置和测点布置如图3所示。

图3 加载装置及测点布置

将试件放置在压力试验机后,安装好仪器,对试件施加5%的预估破坏荷载,同时对两个对边的竖向位移计进行读数,当两个对边的轴向变形不超过10%的相对误差时,即物理对中完成,开始正式加载。试验采用的是分级加载制度,每级荷载取预估破坏荷载的10%进行加载,每级荷载需要在1.0～1.5min内均匀施加,同时施加完成后应保持荷载恒定1～2min后,记录相应的变形值,然后施加下一级荷载。变形增加很快时,采用位移控制加载,每级施加位移增量0.3～0.5mm。需要注意在试件加载过程中,每一级荷载在1.0～1.5min内应均匀连续施加,并且尽量保持加载速率不变。

2 试验结果及对比分析

2.1 破坏特征

注浆石砌体与未注浆石砌体的受压破坏属于轴心受压破坏,其破坏过程与轴心受压破坏相似。依据构件表面裂缝的出现、发展和构件的最终破坏,大体可以分为3个受力阶段:弹性受力阶段、裂缝开展阶段和破坏阶段。

当荷载施加量很小时,试件应力-应变曲线会有一些波动,但是大体上呈直线段,处于弹性阶段。在这一阶段,注浆石砌体的应变速率较注浆石砌体小,表明注浆石砌体弹性模量大于未注浆石砌体。随着荷载增加,石砌体出现竖向裂缝,未注浆及注浆石砌体的开裂荷载与极限荷载比值平均值分别为0.42和0.51,由于注浆料强度较高,注浆石砌体第一条裂缝出现在试件中部石材上,而未注浆石砌体第一条裂缝则出现在竖向砂浆缝中,典型的初始裂缝如图4所示,图中数字为开裂荷载,kN。

图4 初始裂缝图

开裂后,试件进入带裂缝工作阶段。随着荷载不断增加,裂缝不断向上向下延伸,裂缝宽度不断加宽,直到主裂缝连通,试件达到极限荷载。注浆石砌体的裂缝穿过石材或砂浆,裂缝数量较多,而未注浆石砌体裂缝基本上出现在砂浆缝中,且裂缝条数很少。达到极限荷载时,试件开裂情况如图5所示。

图5 极限荷载时裂缝图

达到承载力极限状态后,试件进入破坏阶段。在这个阶段,裂缝数量增加很少,但裂缝宽度增加很快,直到被裂缝分割成的受压小柱失稳,导致试件破坏,如图6所示。

图6 砌体受压试件最终破坏形态

2.2 砌体抗压强度

砌体规范中,毛石砌体轴心抗压强度平均值fm按式(1)计算:

fm=k1(f1)α(1+0.07f2)k2

(1)

式中:f1为石材的抗压强度平均值;f2为砂浆的抗压强度平均值;k1、α为与砌块种类有关的系数,对毛石取k1=0.22,α=0.5;k2为砂浆强度修正系数,f2≥2.5MPa时取1.0。

注浆和未注浆毛石砌体试验结果及按式(1)计算的抗压强度平均值见表2。

表2 毛石砌体抗压强度试验结果

由表2可以看出:1)未注浆毛石砌体抗压强度试验值为砌体规范计算值的62%,这是因为砌筑试件时人为控制砂浆饱满度很差,以模拟实际超期服役结果砂浆的劣化和冲刷作用;2)注浆石砌体与未注浆石砌体相比,抗压强度平均值提高了423%;3)注浆石砌体灰缝充满注浆料,用注浆料强度代替砂浆强度,抗压强度试验值与砌体规范计算值的比值为0.57,采用注浆料强度按式(1)进行计算,计算值偏高。

2.3 砌体受压变形性能

2.3.1 受压应力-应变全曲线

根据试验数据,绘制了GS1～GS6和S1～S3由试验得到的应力-应变曲线,见图7和图8。在加载的初始阶段,应力-应变大体呈线弹性的斜直线;当构件表面出现裂缝后,随荷载的不断增大,其应变增加的速度比应力增加的速度更快,即应力-应变曲线进入弹塑性阶段。在同一应变下,加固构件的应力均大于未加固构件,即加固构件的承载力均大于未加固构件。对于砌体结构的本构关系,学者们做了大量的研究,但由于砌体本身存在的特性,到目前为止还没有统一的本构关系计算方法。本文根据文献[16]提出的砌体本构关系来模拟注浆料加固砌体的应力-应变全曲线,根据试验数据的回归得到:

图8 未注浆石砌体应力-应变曲线

对注浆砌体:

(2)

对未注浆砌体:

(3)

式中:σ和ε分别为压应力和压应变;fm和εm分别为峰值应力及相应的峰值应变。

式(2)和式(3)回归的相关系数r分别为0.9566和0.9745。回归曲线和试验值如图7和图8所示。

2.3.2 弹性模量

根据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)的规定,砌体受压试件的弹性模量应当为应力σ=0.4fm时的割线模量,通过受压试件的应力-应变曲线图,得到了加固石砌体和未加固石砌体试件弹性模量的平均值,见表3。

表3 砖石砌体及加固后砖石砌体实测值和计算值

由表3可知:1)由于砌体砂浆饱满度在50%到60%,未注浆毛石砌体的弹性模量实测值远小于砌体规范的取值;2)注浆毛石砌体的弹性模量是未注浆毛石砌体弹性模量的25.3倍。由此表明,砌筑质量较差或者砌体砂浆劣化严重的既有结构,弹性模量或刚度退化非常快。

2.3.3 泊松比

受压试件的泊松比-应力图如图9所示。从图9可以看出,对于未注浆石砌体,在施加应力初期,泊松比呈线性上升较快;对于注浆石砌体,初裂前泊松比很小,开裂后泊松比迅速增长,直至破坏。

图9 石砌体泊松比-应力图

根据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)的规定,加固石砌体和未加固石砌体受压试件的泊松比应取应力σ=0.4fm时横纵向应变比值,根据受压试件的应力-横向应变曲线,计算得到加固石砌体和未加固石砌体试件泊松比平均值,见表3。注浆毛石砌体的泊松比平均值为0.12,为未注浆毛石砌体泊松比的12.3%。其原因是未注浆砌体中砂浆不饱满,导致毛石之间的咬合程度不够,整体性很差。