机器切割条石砼挡墙灰缝界面性能研究

机器切割条石砼挡墙灰缝界面性能研究

石头是最古老的建筑材料之一。石砌体建筑质朴美观、耐久性优越,大量古老的建筑文化通过石结构建筑加以传承。古埃及的金字塔、古罗马的斗兽场和中国的赵州桥等均是古代石结构建筑文化的杰出代表。在我国东部和东南沿海(主要包括福建、浙江和江苏等)的一些村镇地区分布着相当多数量的石结构建筑,例如泉州的宋代安平桥、洛阳桥、开元寺东西塔和崇武古城墙等己列为国家乃至世界宝贵的历史遗产,构成独树一帜的中国石结构建筑文化。20世纪60年代以来,为了追求砌筑效率,福建省沿海地区近大多数石结构房屋石墙的砌筑方法从传统铺浆砌筑发展为有垫片干砌甩浆砌筑。这种忽略石结构房屋整体性和施工砌筑质量的施工方法造成石结构房屋的抗震性能极差[1―2]。应该认识到,造成目前石结构建筑抗震性能差的主要原因是灰缝构造和施工方法的过分简化。采用细料石无垫片铺浆砌筑的泉州开元寺东西塔(纯石结构高层建筑)在1604年泉州外海7.5级大地震中所表现的卓越抗震性能也说明了良好施工工艺对保障石结构抗震性能的重要性。在新的社会背景和技术背景下,开展新型耐震石结构技术研究,将使石结构这种传统建筑文化在现代技术指导下得以发扬光大。近年来,石材的开采和切割加工技术大多数采用机器切割加工,大大降低了砌筑细料石条加工的人工成本。机器切割加工保证了砌筑石材的界面平整度和几何尺寸精度,使得砌筑石墙采用无垫片座浆砌筑的成本大为降低。同时,采用机器切割条石砌筑的石结构外观质朴、美观大方,无需进一步进行内外装修。考虑到较为平滑的机切石材界面不利于灰缝与石材之间的粘结抗剪性能。研究机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪性能成为其推广应用前必须解决的关键技术。国内外对传统条石砌筑石墙灰缝抗剪强度和抗震性能开展过较多的研究工作[4―10]。考虑到采用机器切割条石砌筑石墙的灰缝受力性能和墙体抗震性能与传统石墙的抗震性能将存在较大差异。因此,很有必要开展机器切割条石无垫片砌筑石墙的灰缝抗剪性能试验研究,以便为机器切割条石砌筑石墙的推广应用提供依据。在新的社会背景和技术背景下,为了使石砌体结构得以进一步传承和发展,将现代化的加工技术应用到石结构建筑中是一项亟待解决的课题。为此,本文通过15片机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪强度试验,研究不同砌筑灰浆强度、压应力水平和界面处理方式对灰缝抗剪性能的影响规律,并据此建立机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪强度计算公式。1试验总结1.1试验材料及参数共设计了15片机器切割条石砌筑石砌体双剪试件。试件由三块机切花岗岩条石叠砌而成,所有的试件均由同一工人砌筑。每块条石尺寸为585mm×225mm×200mm,花岗岩石材轴心抗压强度为101.8MPa。砌筑灰缝厚度约为5mm;中间料石与上下料石错开30mm,试件尺寸和特征如图1所示。试验研究的主要参数包括砂浆强度fm,cu、压应力水平σn和石材界面特征等,具体试件参数见表1。其中,σn有0MPa、0.6MPa和0.95MPa三种水平,fm,cu有23.0MPa和13.7MPa两个强度等级,料石界面处理方式包括平整和拉槽两种,在表1试件标号中分别用F和G表示。砌筑块石界面拉槽为二纵四横的手割机拉槽,具体形式如图1(c)所示。1.2试件安装与加载为了避免试件制作和安装过程中翻动试件造成损伤,试验采用平推双剪的加载方式。试验加载装置如图2所示。为减少加载过程中上下压板摩擦力对理想剪切试验边界条件的不利影响,在试件的上下压板上各安装一套滚轴滑板。加载时试件中心和加载的千斤顶中心对齐,同时应保证上下钢压板与试件紧密接触,避免出现偏心受压和偏心加载。竖向荷载由电动液压千斤顶通过电动超高压稳压油泵作用于石墙的上压板,且在试验的过程中恒定保持于相应的试验正压力水平。水平荷载通过高精度电动液压千斤顶施加。为减少加载速率影响,水平荷载采用等速缓慢连续加载制度,加载速率为5kN/min。在试件中间料石端部正反两面布置两个位移计,以测量灰缝的水平滑移。破坏状态是以试件出现灰缝明显滑移且荷载急剧退化为标志。试验过程中荷载和滑移位移均通过DH3816数据采集仪由计算机自动采集。2试验结果及分析2.1界面破坏形态机器切割条石砌筑石墙双剪试件的破坏形态呈明显灰缝界面剪切滑移破坏形态。破坏过程中伴随着灰浆崩裂的声响,当上下两条灰缝界面先后达到剪切滑移状态,水平承载力达到最大值,灰缝滑移迅速增加,承载力快速下降,出现剪切滑移破坏。试件的典型破坏状态如图3所示。石材界面拉槽与否对试件的剪切滑移破坏形态无明显影响,而正压应力水平对试件的破坏形态有一定影响。无压应力作用(uf073n=0)试件在上下两个灰缝界面均达到剪切滑移临界状态后,三皮料石迅速发生相对滑移,砌体界面完全失效,出现明显脆性破坏特征(图3(a))。随着压应力水平的提高,试件灰缝达到剪切滑移临界状态后的破坏进程减缓,出现了灰缝砂浆的局部压碎现象(图3(b)~图3(d))。2.2灰缝抗剪强度正交试验结果试验获得的试件开裂位移和灰缝抗剪强度如表1所示。其中,灰缝抗剪强度根据试验测得抗剪承载力和实测灰缝受剪面积Sv计算确定。部分试件的剪切应力-位移曲线如图4所示。从图4可以看出,在灰缝裂通之前,荷载-位移曲线呈线性变化,灰缝处于近似弹性变形阶段。该阶段内,随着荷载的增加,灰缝的弹性变形很小,一般不超过1mm。机切料石砌体试件与粗料石干砌甩浆试件的试验结果存在明显差异。在灰缝裂通以后,试件无明显的摩擦耗能阶段,随着灰缝滑移位移的增加,灰缝的抗剪强度明显下降。石墙灰缝抗剪强度主要由界面剪切粘结强度和界面剪切摩擦强度提供。由于机切无垫片墙砌筑砂浆强度较高,灰缝剪切粘结强度较高,而机切石墙表面过于平整,界面剪切摩擦强度相对较低。达到最大承载力时,水平灰缝出现滑移裂缝,剪切粘结强度丧失,抗剪承载力仅由相对较弱的灰缝界面的剪切摩擦强度提供,因此,造成抗剪强度急剧退化。压应力水平和界面拉槽对灰缝抗剪强度的影响规律如图5所示。从表1、图4和图5可以看出:1)机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪强度随压应力增大而增大;2)砌筑条石界面拉槽处理对机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪强度有明显影响。从图5可以看出,在砂浆强度相同的条件下,界面拉槽处理对灰缝抗剪强度的贡献幅度基本相同,平均值约0.44MPa。在0MPa、0.6MPa和0.95MPa三种压应力水平下,拉槽界面砌筑石墙抗剪强度分别比光滑界面砌筑石墙增加了90.6%、52.5%和24.5%。灰缝抗剪强度的主要影响因素有灰浆强度(fm,cu)、压应力(sn)和界面处理方式(S)。为了经济、有效和快速地了解fm、σn和S三个因素对灰缝抗剪强度的影响程度,设计了三因素两水平(L4(23))的正交试验,如表2所示。从灰缝抗剪强度正交试验直观分析结果可知,fm、σn和S对灰缝抗剪强度影响的极差R(fm,cu)、R(σn)和R(S)分别为0.152、0.282和0.514。其从大及小的排序结果依序为R(S)、R(σn)和R(fm,cu)。在正交试验直观分析中,极差越大表明该因素对考查指标的影响越大。因此,这3个因素对灰缝抗剪强度的影响大小依次为界面处理方式、压应力和灰浆强度。3界面拉槽强度试验由于界面拉槽处理对灰缝抗剪强度影响过于显著,且难以量化分析,因此在机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪强度计算公式回归分析中,对界面拉槽和界面平滑的试验数据分别进行统计回归,结果如下:式中:f2为砂浆抗压强度平均值;σn为压应力水平。式(1)为根据本文机切条石界面拉槽处理形式试件的统计结果,其适用条件为界面的拉槽处理纵向不少于2条槽,横向拉槽间距不大于150,且槽深度和宽度应分别不小于3mm和5mm。根据式(1)和式(2)对试件的灰缝抗剪强度进行计算,计算结果与试验值的比较见表3。考虑到灰缝抗剪强度试验的离散型,为便于比较分析,表3中每组相同参数试件的计算结果取平均值。从表3可知,除了试件MSW8的计算值比试验值大14.9%外,其余7个试件的计算值与试验值的符合较好。4灰缝抗剪强度(1)机器切割条石砌筑石墙灰缝的破坏特征与传统粗料石砌筑石墙的破坏形态相似,均呈现灰缝的剪切滑移破坏。(2)机器切割条石砌筑石墙灰缝达到极限承载力后的受力性能与传统粗料石砌筑石墙存在较大差异。骨架曲线达峰值后强度退化较快,不存在明显的摩擦耗能阶段,揭示灰缝脆性破坏性质。(3)机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪强度随压应力水平和砂浆强度的增加而提高。(4)机器切割条石界面的处理方