UHPC加固低強度砂漿砌體結構受壓性能試驗研究*

董建偉，李 荻，陳 洋

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

0 引言

砌體結構作為老舊房屋主要結構形式之一，廣泛應用于住宅、賓館、老舊廠房等單層、多層結構中。隨著使用時間的增加及使用功能的調整，越來越多的既有砌體結構需進行加固改造。

加固技術不斷發展，目前提高砌體結構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，可顯著提高結構承載能力，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，但提高結構承載能力的效果通常較鋼筋混凝土板墻加固法差。采用雙面鋼筋網砂漿面層加固法對受壓構件進行加固時，為使加固有效，原受壓構件砌筑砂漿強度等級不應低于M2.5。提高砌體結構受壓承載力也可采用外包型鋼法、外加預應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。

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

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗設計A，B類試件(見表1)，按GB/T 50129—2011《砌體基本力學性能試驗方法標準》有關要求，采用尺寸為230mm×110mm×45mm(長×寬×厚)的燒結普通磚砌筑而成。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。燒結普通磚強度等級均為MU15，砂漿強度等級均為M1。

表1 試件參數

1.2 試驗裝置

選用10 000kN壓力機進行壓力試驗，加載裝置如圖1所示。

圖1 加載裝置

1.3 UHPC試件

本試驗加固材料為UHPC預混料，配合比根據試驗所在地氣溫環境調整，UHPC預混料∶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。對各試件進行編號、養護等，測得28d抗壓強度平均值為97MPa。

1.4 界面拉結

為保證結構受力，需采取界面拉結措施。為分析拉結措施對結構受壓承載力的影響，采用界面釘和高強對拉螺栓進行拉結處理。界面釘端部錨入墻內30mm，其樣式與布置如圖2所示。高強對拉螺栓直徑14mm，兩側設置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 高強對拉螺栓

2 試驗現象與試件破壞形態

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。當加載至118kN時，試件側面出現第1條細小微裂縫；隨著荷載的增加，裂縫數量不斷增加；當荷載增至230kN時，試件被劈裂成數個小立柱，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

2)單面20mm加固組

AWDU-20，AWDUG-20組墻體為A類單面20mm厚UHPC加固砌體結構試件。AWDU-20組試件初裂荷載為112kN，未加固面出現第1條豎向裂縫；當荷載增至256kN時，試件側面裂縫瞬間發展至底部，加固層與砌體結構基體分離，試件喪失承載能力，如圖5所示。

圖5 AWDU-20組試件破壞形態

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細小微裂縫，此后加固層與砌體結構基體分離；當荷載增至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

3)單面40mm加固組

AWDU-40，AWDUG-40組墻體為A類單面40mm厚UHPC加固砌體結構試件。AWDU-40組試件初裂荷載為120kN，未加固面出現第1條豎向裂縫；當荷載增至246kN時，試件側面豎向裂縫貫穿至底部，加固層與砌體結構基體分離，試件被劈裂成數個小柱后失穩破壞，如圖7所示。

圖7 AWDU-40組試件破壞形態

AWDUG-40組試件初裂荷載為190kN；當荷載增至288kN時，加固面出現橫向裂縫，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

4)雙面20mm加固組

AWSU-20，AWSUG-20組墻體為A類雙面各20mm厚UHPC加固砌體結構試件。AWSU-20組試件初裂荷載為108kN，試件側面出現第1條豎向裂縫；當荷載增至203kN時，加固層與砌體結構基體分離，部分磚被壓碎，試件被劈裂成數個小柱后失穩破壞，如圖9所示。

圖9 AWSU-20組試件破壞形態

AWSUG-20組試件初裂荷載為230kN；當荷載增至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

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，試件側面出現第1條裂縫；當荷載增至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加固砌體結構試件，采用高強對拉螺栓進行拉結。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多條細小微裂縫；當荷載增至955kN時，試件側面出現上下貫通裂縫，角部加固層與砌體結構基體分離，如圖11所示。

圖11 BWDU-20組試件破壞形態

3)雙面20mm加固組

BWSU-20組墻體為B類雙面各20mm厚UHPC加固砌體結構試件，初裂荷載為485kN；隨著荷載的增加，試件側面裂縫數量增加，裂縫寬度增大且向底部發展；當荷載增至1 061kN時，試件側面裂縫發展至底部，加固層與砌體結構基體分離，試件破壞，如圖12所示。

圖12 BWSU-20組試件破壞形態

3 試驗結果分析

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，對于砂漿強度等級為M1的砌體結構試件，可通過UHPC加固提高其受壓承載力；當采用錨固深度較小的界面釘進行拉結時(如AWDU-20，AWDU-40，AWSU-20組試件)，由于加固層與砌體結構基體性能差異較大，且拉結措施可靠性較差，試件受壓破壞方式為加固層脫開，高強材料無法發揮其強度優勢，試件受壓承載力提高程度有限；當采用高強對拉螺栓進行拉結時(如AWDUG-20，AWDUG-40，AWSUG-20組試件)，由于對拉螺栓拉結能力強，加固層可有效參與試件承壓，使試件受壓承載力明顯提高；當加固層總厚度為40mm，且采取有效拉結措施時，雙面加固試件受壓承載力提高明顯。綜上所述，拉結能力對UHPC加固砌體結構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，可能因為UHPC強度高，與磚強度差異較大，單面加固情況下，40mm厚加固層無法完全發揮其高強作用，界面發生了剝離，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A類試件試驗結果，B類加固試件均采用高強對拉螺栓進行拉結，且高厚比更接近于實際墻體。B類試件荷載-位移曲線如圖14所示。由圖14可知，UHPC作為低強度砂漿砌體結構加固材料，可有效提高結構受壓承載力，且可在一定程度上提高結構剛度和延性。

圖14 B類試件荷載-位移曲線

4 結語

本文選用具有高強度、高耐久性、高流動性的UHPC作為加固材料，進行加固后低強度砂漿砌體結構受壓性能試驗研究，得出以下結論。

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

2)由于加固材料(UHPC)強度高、延性好，為保證其與砌體結構基體共同受力，界面拉結措施十分關鍵。當采取高強對拉螺栓等有效拉結措施時，加固層與砌體結構基體共同受力，可有效提高結構受壓承載力。

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

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