不考慮碳化深度的燒結磚砂漿回彈曲線

不考慮碳化深度的燒結磚砂漿回彈曲線

徐詠, 熊峰1, 吳體2

(1. 四川大學 建筑與環境學院，成都 610065;2. 四川省建筑科學研究院，成都 610081)

摘要：通過對燒結普通磚砂漿回彈法所基于的歷史試驗進行再分析，認為碳化深度對砂漿回彈值影響不大。在此基礎上，通過由不同強度等級的砂漿砌筑而成的燒結普通磚砌體結構進行新一輪砂漿灰縫試驗，運用Origin8.0軟件對標準砂漿試塊強度與砂漿灰縫回彈值進行回歸分析，得出了不考慮碳化深度影響的燒結普通磚砂漿回彈曲線。

關鍵詞：燒結磚；砂漿灰縫；砂漿回彈法；碳化深度；回彈曲線

Received:2015-07-27

Foundation item：Industry Standard “Non-Sintered Brick Field Testing Technical Regulations” Project Preparation Funding

燒結磚砌體結構在中國大量存在，對其進行現場質量檢測是一項經常性的工作。作為砌體結構中必不可少的粘結材料，燒結磚砂漿是砌體結構現場檢測環節中必需的對象；現場檢測中，通常采用回彈法進行燒結磚砂漿的強度檢測[1]。

在燒結磚砂漿回彈法的實際應用時，很多工程單位反映該方法所需的碳化深度難以準確測量。同時，在碳化深度界限值附近，選擇不同的公式會得出不同的結果。那么，對燒結磚砂漿進行回彈，碳化深度對檢測結果的影響到底有多大？能否不考慮碳化深度建立統一的公式？事實上中國標準GB/T 50315—2011《砌體工程現場檢測技術標準》(后文簡稱國標)[2]中的燒結磚砂漿回彈法公式是參照《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》[3]的思路，認為回彈值與碳化深度密切相關而建立起來的。其基本理論依據為：水泥一經水化就游離出大約35%的氫氧化鈣[4]，當硬化的混凝土表面受到空氣中二氧化碳作用時，氫氧化鈣會生成硬度更高的碳酸鈣，這就是混凝土的碳化現象[5]。碳化使混凝土表面硬度增高、回彈值增大，但對混凝土強度影響不大，從而影響混凝土強度與回彈值的相關關系[6]，不同的碳化深度對其影響不一樣。因此，過去中國國家標準制定中對燒結磚砂漿回彈法的數據處理時，沿用混凝土回彈法的思路，將試驗數據根據碳化深度值分為3段，分別進行砂漿強度與回彈值之間的關系擬合[6]。但是，即使對于混凝土回彈法，也有文獻[7-13]在探討碳化深度的影響問題，如廉慧珍[9]認為：由于混凝土材料的高度非勻質性, 碳化邊沿很難定量，目前用卡尺量測不顯色部分的深度, 取6個點的平均值作為碳化深度，其結果的代表性顯然值得懷疑。陳海彬等[12]率先在不考慮碳化深度的情況下建立了高強混凝土的回彈曲線。回到燒結磚砂漿回彈法中，由于砂漿的性能不同于混凝土，其水泥用量遠小于混凝土中水泥用量，材料的致密性也遠比混凝土低，因此，砂漿碳化速度很快，但硬度并不高，碳化深度對回彈值的影響應該不如混凝土明顯。

本文對當年燒結磚砂漿回彈曲線的歷史試驗數據進行了再分析，以研究碳化深度對回彈值的影響程度，發現以碳化深度分類的3條曲線差別并不大，在工程精度的范圍內可以合并；在此基礎上，重新做了燒結磚砌體砂漿回彈法的系列試驗，并擬合了統一的回彈公式。

1碳化深度對砂漿回彈值影響的研究

回彈曲線是回彈測試法的關鍵，中國從1988年開始主要由四川省建筑科學研究院通過大量砂漿試塊試驗進行燒結磚砂漿回彈法的研究。試驗過程是在砂漿試塊上測出回彈值、碳化深度和強度值，以碳化深度分類回歸得到相應回彈公式[14]，該公式即為國標中燒結磚砂漿分段回彈公式12.4.3.1-1~12.4.3.1-3。

1988年開始的試驗(后文簡稱歷史試驗)分為烘干砂漿與未烘干砂漿試驗。試驗過程及記錄形成了《<磚砌體中砌筑砂漿回彈測強研究>回彈抗壓試驗記錄》[15]和《<磚砌體中砌筑砂漿回彈測強研究>砂漿碳化深度對回彈值影響試驗記錄》[16](后文統一簡稱《試驗記錄》)并存檔。《試驗記錄》對砂漿試塊的基本數據和當時試驗的背景有著詳細的記錄，共有完整數據(有清晰完整的碳化深度、砂漿強度、回彈值記錄的數據)1 444組，包括烘干砂漿試塊843組，未烘干345組，未記錄烘干與否256組。為研究碳化深度的影響，從四川省建筑科學研究院檔案室中找到《試驗記錄》并對當年的數據進行了再分析。

1.1　烘干砂漿試塊

《試驗記錄》中烘干砂漿試塊主要用來模擬齡期較長的砂漿。按照國標碳化界限分類，分別選取碳化深度在[0,1]mm、(1,3)mm、≥3 mm區間的數據用Origin8.0采用最小二乘法進行非線性擬合[17](以后的數據分析均采用該軟件)。

按照數理統計的理論，在工程應用范圍內當相關指數R2≥0.85時[18-19]能夠認為兩者之間具有較強的相關性。選取相關指數最高的乘冪形式得到烘干砂漿試塊的擬合曲線如圖1，同樣地得到(1,3)mm 以及≥3 mm區間的擬合曲線(篇幅所限，擬合圖略；兩條曲線的相關指數分別為0.90和0.92)，將在砂漿常見強度范圍內(2~15 MPa)的3條曲線繪制于一張圖上，見圖2。

圖1　烘干試塊碳化深度在[0,1]mm范圍內的擬合曲線Fig. 1　The fitting curve when carbonationdepth is in [0,1] from dried test block

圖2　烘干試塊按國標界限做出的擬合曲線Fig. 2　Fitting curve based on specificationsboundaries from dried test

計算3條曲線在砂漿常見強度范圍內的強度值最大誤差見表1。

表1　曲線強度誤差表

由表1可以看出：

1)3條曲線擬合形式相同。相關指數最高時3條曲線均為乘冪形式，此時3條曲線走勢相同。

2)3條曲線換算出來的砂漿強度值差別較小。從表1中可知，最大誤差0.92 MPa，最大相對誤差10.91%。除去回彈值較小時的情況，大部分砂漿強度相對誤差不超過5%，說明3條曲線很接近，碳化深度影響不明顯。

1.2　未烘干砂漿試塊

《試驗記錄》中未烘干的砂漿試塊模擬的是齡期較短的情況。選取未烘干的砂漿試塊繼續分析，按照烘干砂漿試塊的分析方法可以得到圖3，碳化深度在[0,1]mm、(1,3)mm、≥3 mm區間內的相關指數分別為0.88、0.92、0.85。曲線誤差分析如表2。

圖3　未烘干試塊按國標界限做出的擬合曲線Fig. 3　Fitting curve based on specificationsboundaries from undried test block

回彈值碳化深度/mm[0,1](1,3)[3,∞]誤差/MPa相對誤差/%142.232.162.110.125.20152.672.572.540.134.97163.173.033.020.154.75173.733.543.560.194.54184.344.104.150.244.34195.014.704.800.304.16205.735.365.510.373.98216.536.076.280.453.82227.386.847.110.553.66238.317.668.010.653.50249.308.538.990.763.362510.369.4710.030.893.22

由表2可知：

1)3條曲線均為乘冪形式，走勢相同。

2)3條曲線換算出來的砂漿強度值差別很小，最大誤差1.35 MPa，最大相對誤差5.20%。說明曲線接近，碳化界限不明顯。

1.3　實驗室砂漿試塊

《試驗記錄》中砂漿烘干與未烘干分類模擬的是砂漿齡期長短，如果不考慮齡期因素，將《試驗記錄》所有砂漿試塊數據按同樣的方法進行分析(即將《試驗記錄》中1 444組數據進行分析)，得到圖4。圖4中碳化深度在[0,1]mm、(1,3)mm、≥3 mm區間內的相關指數分別為0.87、0.90、0.85。同時,3條曲線的強度誤差列于表3。

圖4　實驗室試塊按國標界限做出的擬合曲線Fig.4　Fitting curve based on specificationsfrom lab test block

回彈值碳化深度/mm[0,1](1,3)[3,∞]誤差/MPa相對誤差/%152.302.181.730.575.29162.732.602.110.624.98173.213.062.560.664.70183.753.583.060.694.42194.334.153.630.714.16204.974.774.260.713.92215.665.454.960.703.68226.426.195.740.673.46237.236.996.610.623.24248.107.857.550.553.04259.048.788.580.032.842610.049.779.710.032.65

由表3可知：

1)3條曲線擬合形式相同，均為乘冪形式，3條曲線走勢相同。

2)3條曲線換算出來的砂漿強度值差別很小，最大誤差0.77 MPa，最大相對誤差5.29%，曲線強度誤差較小。

1.4　碳化深度比例統計

對《試驗記錄》所有砂漿試塊數據進行統計，得到各個碳化界限區間的數據見表4。因為現場記錄人員的疏忽等原因，《試驗記錄》中出現了沒有準確記錄砂漿是否烘干的情況，表4中未記錄一欄的數據即來源于此。

表4　砂漿試塊數據表

從表4可知：大部分試塊碳化深度在3 mm以上，在3 mm以下者不足50%。特別是烘干的情況，碳化深度超過3 mm的試塊占全部試塊比例的83.63%，說明砂漿試塊的碳化作用比較迅速，養護完成后大多數試塊超過國標中碳化深度的上限。該試驗的時間跨度只有12個月時間，而現場檢測中，被檢建筑都有一定的修建時間，砂漿碳化發展時間往往以年為單位，可以推斷碳化深度在3 mm以下的情況會更少。從這個角度講，砂漿回彈曲線中制定的碳化界限往往沒有實際應用價值。

通過對歷史試驗的分析，根據烘干試塊、未烘干試塊、實驗室所有試塊數據，可以發現：

1)以碳化深度1、3 mm分界的3條曲線差別不大，在砂漿常見強度范圍內，相對誤差基本小于5%，因此,可以考慮回彈曲線不用按碳化深度分類。

2)碳化深度3 mm以下的試驗數據很少，低于30%，考慮到現場檢測中砂漿碳化發展的時間更加充足，可以認為現場中基本不存在碳化深度在3 mm以下的情況。

1.5　碳化深度影響的辨析

為了進一步研究碳化深度對回彈曲線的影響，探索是否存在其它的碳化界限。在所有的砂漿試塊數據中，以碳化深度為橫坐標、回彈值為縱坐標建立關系圖。由于篇幅所限，僅顯示出當砂漿強度為7.5 MPa時，烘干和未烘干時砂漿碳化深度與回彈值的關系，見圖5。

圖5　砂漿試塊碳化深度和回彈值的關系Fig. 5　The relationship between carbonation depth and the rebound value from test

對圖5中散點圖進行曲線擬合，兩種情況下的最高相關指數分別為0.012 8和0.018 9(其他區間曲線擬合結果于此類似)。根據數理統計理論，一般認為相關指數低于0.15則兩者不具有相關性[17-19]，因此,從圖5中可以得知：碳化深度與回彈值沒有明顯相關性。

2燒結磚砂漿回彈曲線的建立

基于上節分析，同時考慮實際應用的可操作性，可以認為碳化深度對砂漿回彈值的影響不大，在工程應用范圍內可以忽略這種影響。因此,本文結合標準的修編，基于最新試驗，建立了不考慮碳化深度影響的燒結磚砌筑砂漿回彈公式，以便于實際應用。

2.1　試驗設計與過程

歷史試驗是在砂漿試塊上同時測得砂漿的回彈值、碳化深度和強度值，這樣的試驗方法可以很快地獲得3組數據，并進行對應的數據分析。但由于砂漿試塊與砂漿灰縫的工作狀態是不同的，這種試驗方法不能很好地模擬砂漿灰縫的狀態。為了更好地模擬灰縫中砂漿的工作狀態，本次試驗(后文中簡稱灰縫試驗)制作了不同強度等級砂漿砌筑的試驗墻體，對墻體中灰縫砂漿進行回彈，得出回彈值后直接與砂漿試塊強度值建立擬合曲線。

圖6　試驗墻體圖Fig.6　Test

根據相關標準與規范[20-24]，灰縫試驗選用5種強度等級的砂漿(1∶4.5超高強砂漿、1∶5.5高強砂漿、1∶7中強砂漿、1∶8.5低強砂漿和1∶9.5超低強砂漿，比例為灰砂比，后文比例默認為灰砂比)。在四川省建筑科學研究院砌體結構實驗室中每種砂漿各砌筑一片厚度為240的燒結磚墻，試驗墻體見圖6。砂漿用水泥強度標號為42.5、細骨料選用粗砂。拌制砂漿時摻入少量早強劑，每次拌制一盤150 kg重砂漿，同時，制作6塊燒結普通磚為底模的砂漿試塊；砂漿不夠使用時重新拌制，并再次制作砂漿試塊，實驗過程中共得到砂漿試塊78塊。墻體和砂漿試塊制作和養護共兩個月時間，在此期間，試驗墻體和砂漿試塊就地進行自然養護，適當澆水濕潤，前期(7 d)基本保持試驗墻體和試塊表面潮濕。試驗時按照國標要求對試件墻體中的灰縫進行回彈法測試，如圖7，同時,用壓力機測試砂漿試塊強度。

圖7　回彈試驗過程Fig.7　Rebound

2.2　碳化界限驗證

灰縫試驗中得到了一批砂漿灰縫的回彈值、碳化深度和強度值，按照前節的分析方法再次驗證碳化深度對回彈值的影響。

2.2.1試驗碳化深度統計對灰縫試驗得到的數據進行統計，得到砂漿強度、回彈值、碳化深度相對應的有效數據共135組(文后附表1給出)，對每一組數據按照國標中的碳化界限進行分類，見表5。

表5　最新試驗數據表

由表5可知：

1)灰縫砂漿碳化發展也很迅速。養護28 d后，碳化深度在3 mm以下的情況為35.56%，所占比例較小，這與歷史試驗數據表現出來的規律是相同的，這進一步證明了碳化深度劃分成1、3 mm區間意義不大。

2)碳化作用在砂漿灰縫中發展比在砂漿試塊中更加迅速。選取灰縫試驗與《試驗記錄》中的所有數據進行比較，碳化界限在[0,1]mm、的數據所有比例，前者和后者分別為1.48%和11.84%，說明前者碳化作用發展更為迅速。

2.2.2按照碳化界限建立的回彈曲線比較根據碳化界限在[0,1]mm、(1,3)mm(圖8)和≥3 mm(圖9)范圍內的數據建立擬合曲線，兩者的對比圖見圖10，其誤差分析見表6。此時，沒有給出碳化深度在[0,1]mm范圍內的分析和比較是因為這個范圍內的試驗數據只有兩組，無法建立較好的曲線擬合，所以與其他區間的曲線沒有可比性。

圖8　灰縫試驗按照碳化(1,3)mm的擬合曲線Fig.8　The fitting curve when carbonation depth is in (1,3) from new test

圖9　灰縫試驗按照碳化[3,+∞)mm的擬合曲線Fig.9　The fitting curve when carbonation depth is in [3,+∞) from new test

圖10　灰縫試驗按國標界限做出的擬合曲線Fig.10　Fitting curve based on specifications from new

回彈值碳化深度/mm[1,3][3,+∞)誤差/MPa相對誤差/%122.462.400.061.94132.952.880.072.35143.503.420.082.20154.104.010.082.07164.754.660.091.94175.465.360.101.82186.226.110.111.71197.046.920.111.60207.917.800.121.50218.858.730.121.40229.859.720.131.312310.910.770.131.22

從表6可知，兩條曲線最大誤差0.14 MPa，最大相對誤差2.50%，都在工程應用可接受范圍之內，再次證明在建立砂漿的回彈曲線的時候不設立碳化區間是合理的。

2.3　不考慮碳化深度建立砂漿回彈曲線

根據試灰縫驗墻片砂漿平均回彈值與平均砂漿強度，可以利用Origin8.0建立擬合曲線。試驗中每條砂漿灰縫可以得到多個砂漿回彈值，而每一強度的砂漿只有一個砂漿平均強度值，故以下分析中存在多個平均回彈值對應一個平均砂漿強度值的情況。

Origin8.0中共有15個函數目錄(不包括用戶自定義函數)，每一個函數目錄下通常有10多個具體函數，函數總量為200多個[16]。選取函數形式常見且與國標曲線較為接近(凹凸性和基本走勢)的幾種函數關系進行擬合。

圖11為散點圖通過指數和線性形式建立的擬合曲線。其相關指數為0.93,相比其他擬合曲線最大(線性形式的相關指數明顯低于指數形式)，故選取指數函數關系曲線，得砂漿強度與回彈值的關系為

式中：f2ij為第i個測區第j個測位的砂漿強度值,MPa；R為 第i個測區第j個測位的平均回彈值。

圖11　按照指數和線性關系進行數據擬合Fig.11　Data fitting in a exponential and linear

3結論

以兩次試驗為基礎，得到了以下結論：

1)燒結磚灰縫砂漿碳化作用迅速。通過歷史試驗和灰縫試驗可知，28 d齡期后的砂漿灰縫的碳化深度大于3 mm的情況超過60%。考慮到實際檢測中的檢測對象往往都是以年為單位的建筑，可以認為國標中的碳化界限沒有實際應用價值。

2)在工程應用范圍內可以忽略燒結磚砂漿回彈法中碳化深度的影響。通過對歷史試驗的分析，按照碳化界限擬合出的3條砂漿回彈曲線誤差很小，說明國標中強調的碳化界限對砂漿回彈值影響不大。

3)提出了忽略碳化深度影響的燒結磚砂漿回彈曲線。該曲線回避了碳化深度測量不便的問題，在不失準確性的前提下提高了現場檢測的速度，減少了客觀因素的影響。

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(編輯王秀玲)

附表1　砌筑燒結磚墻體的砂漿基本參數表

續表(附錄1)

Author brief：Xu Yong(1989-),PhD candidate,main research interests:masonry structure and precast shearwall structure,(E-mail)437350217@qq.com.

Sintered brick mortar rebound curve without considering the carbonation depth

Xu Yong1,Xiong Feng1,Wu Ti2

(1. College of Architecture and Environment, Sichuan University，Chengdu 610065，P.R.China;

2. Sichuan Institute of Building Research，Chengdu 610081，P.R.China)

Abstract:The results of reanalyzing the testing method of sintered brick mortar rebound show that the carbonation depth has slight influence on the mortar rebound. Based on the results and analysis performed by Origin8.0,a sintered brick mortar rebound curve was shown between Standard mortar test block strength and mortar rebound value without considering the carbonation depth.

Key words:sintered brick；mortar joint; sintered brick mortar rebound method; carbonation depth；rebound curve

作者簡介：徐詠(1989-)，男，博士生，主要從事砌體結構、裝配式剪力墻結構研究,(E-mail)437350217@qq.com。

基金項目：行業標準《非燒結磚砌體現場檢測技術規程》編制經費資助

收稿日期：2015-07-27

中圖分類號：TU362

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2015)06-0015-09

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.003