UHPC加固低強(qiáng)度砂漿砌體結(jié)構(gòu)受壓性能試驗(yàn)研究*

董建偉，李 荻，陳 洋

(1.建研科技股份有限公司，北京 100013； 2.中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013；3.華北理工大學(xué)，河北 唐山 063210)

0 引言

砌體結(jié)構(gòu)作為老舊房屋主要結(jié)構(gòu)形式之一，廣泛應(yīng)用于住宅、賓館、老舊廠房等單層、多層結(jié)構(gòu)中。隨著使用時間的增加及使用功能的調(diào)整，越來越多的既有砌體結(jié)構(gòu)需進(jìn)行加固改造。

加固技術(shù)不斷發(fā)展，目前提高砌體結(jié)構(gòu)墻體受壓性能的主要加固方法包括鋼筋混凝土板墻加固法、雙面鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固法等。其中，鋼筋混凝土板墻加固法較常用，可顯著提高結(jié)構(gòu)承載能力，造價低且易于施工。采用鋼筋混凝土板墻加固法時，通常根據(jù)面層厚度選擇噴射或支模澆筑混凝土，由于加固層厚度較大，占用原有建筑使用面積較多。雙面鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固厚度通常≤50mm，施工方式為涂抹砂漿，工藝較簡單，但提高結(jié)構(gòu)承載能力的效果通常較鋼筋混凝土板墻加固法差。采用雙面鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固法對受壓構(gòu)件進(jìn)行加固時，為使加固有效，原受壓構(gòu)件砌筑砂漿強(qiáng)度等級不應(yīng)低于M2.5。提高砌體結(jié)構(gòu)受壓承載力也可采用外包型鋼法、外加預(yù)應(yīng)力撐桿法等簡單且易于施工的加固方法，但僅適用于磚柱加固。

提高砌體結(jié)構(gòu)受壓承載力常用方法各有利弊，對于因受場地限制無法現(xiàn)場澆筑或噴射混凝土，且原有砌體結(jié)構(gòu)墻體砂漿強(qiáng)度低的構(gòu)件，傳統(tǒng)加固方法具有局限性。為探索新型加固方式，眾多學(xué)者開展了大量試驗(yàn)研究，隨著高強(qiáng)度、高延性復(fù)合材料的發(fā)展，對高性能材料加固既有砌體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。本研究采用超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)加固低強(qiáng)度砂漿砌體結(jié)構(gòu)，通過開展受壓承載力試驗(yàn)，分析UHPC加固效果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)A，B類試件(見表1)，按GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)要求，采用尺寸為230mm×110mm×45mm(長×寬×厚)的燒結(jié)普通磚砌筑而成。其中，A類試件分為7組，試件尺寸為720mm×350mm×230mm(高×寬×厚)；B類試件分為3組，試件尺寸為1 200mm×830mm×230mm(高×寬×厚)。2類試件均采用一順一丁的砌筑方式，頂部通過水泥砂漿找平，并利用水平尺對角檢查其平整度。燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級均為MU15，砂漿強(qiáng)度等級均為M1。

表1 試件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

選用10 000kN壓力機(jī)進(jìn)行壓力試驗(yàn)，加載裝置如圖1所示。

圖1 加載裝置

1.3 UHPC試件

本試驗(yàn)加固材料為UHPC預(yù)混料，配合比根據(jù)試驗(yàn)所在地氣溫環(huán)境調(diào)整，UHPC預(yù)混料∶減水劑∶水∶高性能聚乙烯纖維=1 000∶39.58∶88.65∶8.44(kg/m3)。制作邊長100mm的UHPC立方體試件，共7組，每組2個。對各試件進(jìn)行編號、養(yǎng)護(hù)等，測得28d抗壓強(qiáng)度平均值為97MPa。

1.4 界面拉結(jié)

為保證結(jié)構(gòu)受力，需采取界面拉結(jié)措施。為分析拉結(jié)措施對結(jié)構(gòu)受壓承載力的影響，采用界面釘和高強(qiáng)對拉螺栓進(jìn)行拉結(jié)處理。界面釘端部錨入墻內(nèi)30mm，其樣式與布置如圖2所示。高強(qiáng)對拉螺栓直徑14mm，兩側(cè)設(shè)置80mm×80mm×14mm(長×寬×厚)鋼墊片，并通過螺母擰緊，如圖3所示。

圖2 界面釘

圖3 高強(qiáng)對拉螺栓

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與試件破壞形態(tài)

2.1 A類試件

1)未加固參照組

AW-1.0組墻體為A類未加固參照試件。當(dāng)加載至118kN時，試件側(cè)面出現(xiàn)第1條細(xì)小微裂縫；隨著荷載的增加，裂縫數(shù)量不斷增加；當(dāng)荷載增至230kN時，試件被劈裂成數(shù)個小立柱，磚被壓碎，喪失承載能力，如圖4所示。

圖4 AW-1.0組試件破壞形態(tài)

2)單面20mm加固組

AWDU-20，AWDUG-20組墻體為A類單面20mm厚UHPC加固砌體結(jié)構(gòu)試件。AWDU-20組試件初裂荷載為112kN，未加固面出現(xiàn)第1條豎向裂縫；當(dāng)荷載增至256kN時，試件側(cè)面裂縫瞬間發(fā)展至底部，加固層與砌體結(jié)構(gòu)基體分離，試件喪失承載能力，如圖5所示。

圖5 AWDU-20組試件破壞形態(tài)

AWDUG-20組試件初裂荷載為142kN；隨著荷載的增加，未加固面鋼墊板周圍出現(xiàn)細(xì)小微裂縫，此后加固層與砌體結(jié)構(gòu)基體分離；當(dāng)荷載增至282kN時，裂縫寬度增大，試件被劈裂成2個薄片，喪失承載能力，如圖6所示。

圖6 AWDUG-20組試件破壞形態(tài)

3)單面40mm加固組

AWDU-40，AWDUG-40組墻體為A類單面40mm厚UHPC加固砌體結(jié)構(gòu)試件。AWDU-40組試件初裂荷載為120kN，未加固面出現(xiàn)第1條豎向裂縫；當(dāng)荷載增至246kN時，試件側(cè)面豎向裂縫貫穿至底部，加固層與砌體結(jié)構(gòu)基體分離，試件被劈裂成數(shù)個小柱后失穩(wěn)破壞，如圖7所示。

圖7 AWDU-40組試件破壞形態(tài)

AWDUG-40組試件初裂荷載為190kN；當(dāng)荷載增至288kN時，加固面出現(xiàn)橫向裂縫，試件被劈裂成2個薄片，局部磚被壓碎，試件喪失承載能力，如圖8所示。

圖8 AWDUG-40組試件破壞形態(tài)

4)雙面20mm加固組

AWSU-20，AWSUG-20組墻體為A類雙面各20mm厚UHPC加固砌體結(jié)構(gòu)試件。AWSU-20組試件初裂荷載為108kN，試件側(cè)面出現(xiàn)第1條豎向裂縫；當(dāng)荷載增至203kN時，加固層與砌體結(jié)構(gòu)基體分離，部分磚被壓碎，試件被劈裂成數(shù)個小柱后失穩(wěn)破壞，如圖9所示。

圖9 AWSU-20組試件破壞形態(tài)

AWSUG-20組試件初裂荷載為230kN；當(dāng)荷載增至365kN時，試件被劈裂成2個薄片，如圖10所示。

圖10 AWSUG-20組試件破壞形態(tài)

2.2 B類試件

1)未加固參照組

BW-1.0組墻體為B類未加固參照試件，初裂荷載為330kN，試件側(cè)面出現(xiàn)第1條裂縫；當(dāng)荷載增至796kN時，試件各表面均有裂縫由頂部延伸至底部，此時試件破壞。

2)單面20mm加固組

BWDU-20組墻體為B類單面20mm厚UHPC加固砌體結(jié)構(gòu)試件，采用高強(qiáng)對拉螺栓進(jìn)行拉結(jié)。BWDU-20組試件初裂荷載為442kN；隨著荷載的增加，未加固面鋼墊板周圍出現(xiàn)多條細(xì)小微裂縫；當(dāng)荷載增至955kN時，試件側(cè)面出現(xiàn)上下貫通裂縫，角部加固層與砌體結(jié)構(gòu)基體分離，如圖11所示。

圖11 BWDU-20組試件破壞形態(tài)

3)雙面20mm加固組

BWSU-20組墻體為B類雙面各20mm厚UHPC加固砌體結(jié)構(gòu)試件，初裂荷載為485kN；隨著荷載的增加，試件側(cè)面裂縫數(shù)量增加，裂縫寬度增大且向底部發(fā)展；當(dāng)荷載增至1 061kN時，試件側(cè)面裂縫發(fā)展至底部，加固層與砌體結(jié)構(gòu)基體分離，試件破壞，如圖12所示。

圖12 BWSU-20組試件破壞形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 A類試件

A類試件荷載-位移曲線如圖13所示。由圖13可知，對于砂漿強(qiáng)度等級為M1的砌體結(jié)構(gòu)試件，可通過UHPC加固提高其受壓承載力；當(dāng)采用錨固深度較小的界面釘進(jìn)行拉結(jié)時(如AWDU-20，AWDU-40，AWSU-20組試件)，由于加固層與砌體結(jié)構(gòu)基體性能差異較大，且拉結(jié)措施可靠性較差，試件受壓破壞方式為加固層脫開，高強(qiáng)材料無法發(fā)揮其強(qiáng)度優(yōu)勢，試件受壓承載力提高程度有限；當(dāng)采用高強(qiáng)對拉螺栓進(jìn)行拉結(jié)時(如AWDUG-20，AWDUG-40，AWSUG-20組試件)，由于對拉螺栓拉結(jié)能力強(qiáng)，加固層可有效參與試件承壓，使試件受壓承載力明顯提高；當(dāng)加固層總厚度為40mm，且采取有效拉結(jié)措施時，雙面加固試件受壓承載力提高明顯。綜上所述，拉結(jié)能力對UHPC加固砌體結(jié)構(gòu)受壓承載力具有顯著影響；加固層厚度對試件受壓承載力的影響較小，可能因?yàn)閁HPC強(qiáng)度高，與磚強(qiáng)度差異較大，單面加固情況下，40mm厚加固層無法完全發(fā)揮其高強(qiáng)作用，界面發(fā)生了剝離，試件受壓破壞。

圖13 A類試件荷載-位移曲線

3.2 B類試件

根據(jù)A類試件試驗(yàn)結(jié)果，B類加固試件均采用高強(qiáng)對拉螺栓進(jìn)行拉結(jié)，且高厚比更接近于實(shí)際墻體。B類試件荷載-位移曲線如圖14所示。由圖14可知，UHPC作為低強(qiáng)度砂漿砌體結(jié)構(gòu)加固材料，可有效提高結(jié)構(gòu)受壓承載力，且可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)剛度和延性。

圖14 B類試件荷載-位移曲線

4 結(jié)語

本文選用具有高強(qiáng)度、高耐久性、高流動性的UHPC作為加固材料，進(jìn)行加固后低強(qiáng)度砂漿砌體結(jié)構(gòu)受壓性能試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

1)UHPC作為加固材料，可有效提高砌體結(jié)構(gòu)受壓承載力，在一定程度上增加結(jié)構(gòu)剛度和延性，可將其應(yīng)用于實(shí)際工程加固改造中。

2)由于加固材料(UHPC)強(qiáng)度高、延性好，為保證其與砌體結(jié)構(gòu)基體共同受力，界面拉結(jié)措施十分關(guān)鍵。當(dāng)采取高強(qiáng)對拉螺栓等有效拉結(jié)措施時，加固層與砌體結(jié)構(gòu)基體共同受力，可有效提高結(jié)構(gòu)受壓承載力。

3)在單面加固的情況下，采取相同界面拉結(jié)措施時，加固層厚度對結(jié)構(gòu)受壓承載力的影響較小。因此，采用UHPC加固低強(qiáng)度砂漿砌體結(jié)構(gòu)時，需保證合理的加固層厚度。

4)在加固層厚度、界面拉結(jié)措施相同的條件下，雙面加固可明顯提高砌體結(jié)構(gòu)受壓承載力。