UHPC加固低强度砂浆砌体结构受压性能试验研究*

董建伟，李 荻，陈 洋

(1.建研科技股份有限公司，北京 100013； 2.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013；3.华北理工大学，河北 唐山 063210)

0 引言

砌体结构作为老旧房屋主要结构形式之一，广泛应用于住宅、宾馆、老旧厂房等单层、多层结构中。随着使用时间的增加及使用功能的调整，越来越多的既有砌体结构需进行加固改造。

加固技术不断发展，目前提高砌体结构墙体受压性能的主要加固方法包括钢筋混凝土板墙加固法、双面钢筋网砂浆面层加固法等。其中，钢筋混凝土板墙加固法较常用，可显著提高结构承载能力，造价低且易于施工。采用钢筋混凝土板墙加固法时，通常根据面层厚度选择喷射或支模浇筑混凝土，由于加固层厚度较大，占用原有建筑使用面积较多。双面钢筋网砂浆面层加固厚度通常≤50mm，施工方式为涂抹砂浆，工艺较简单，但提高结构承载能力的效果通常较钢筋混凝土板墙加固法差。采用双面钢筋网砂浆面层加固法对受压构件进行加固时，为使加固有效，原受压构件砌筑砂浆强度等级不应低于M2.5。提高砌体结构受压承载力也可采用外包型钢法、外加预应力撑杆法等简单且易于施工的加固方法，但仅适用于砖柱加固。

提高砌体结构受压承载力常用方法各有利弊，对于因受场地限制无法现场浇筑或喷射混凝土，且原有砌体结构墙体砂浆强度低的构件，传统加固方法具有局限性。为探索新型加固方式，众多学者开展了大量试验研究，随着高强度、高延性复合材料的发展，对高性能材料加固既有砌体结构力学性能进行了研究。本研究采用超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)加固低强度砂浆砌体结构，通过开展受压承载力试验，分析UHPC加固效果。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验设计A，B类试件(见表1)，按GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》有关要求，采用尺寸为230mm×110mm×45mm(长×宽×厚)的烧结普通砖砌筑而成。其中，A类试件分为7组，试件尺寸为720mm×350mm×230mm(高×宽×厚)；B类试件分为3组，试件尺寸为1 200mm×830mm×230mm(高×宽×厚)。2类试件均采用一顺一丁的砌筑方式，顶部通过水泥砂浆找平，并利用水平尺对角检查其平整度。烧结普通砖强度等级均为MU15，砂浆强度等级均为M1。

表1 试件参数

1.2 试验装置

选用10 000kN压力机进行压力试验，加载装置如图1所示。

图1 加载装置

1.3 UHPC试件

本试验加固材料为UHPC预混料，配合比根据试验所在地气温环境调整，UHPC预混料∶减水剂∶水∶高性能聚乙烯纤维=1 000∶39.58∶88.65∶8.44(kg/m3)。制作边长100mm的UHPC立方体试件，共7组，每组2个。对各试件进行编号、养护等，测得28d抗压强度平均值为97MPa。

1.4 界面拉结

为保证结构受力，需采取界面拉结措施。为分析拉结措施对结构受压承载力的影响，采用界面钉和高强对拉螺栓进行拉结处理。界面钉端部锚入墙内30mm，其样式与布置如图2所示。高强对拉螺栓直径14mm，两侧设置80mm×80mm×14mm(长×宽×厚)钢垫片，并通过螺母拧紧，如图3所示。

图2 界面钉

图3 高强对拉螺栓

2 试验现象与试件破坏形态

2.1 A类试件

1)未加固参照组

AW-1.0组墙体为A类未加固参照试件。当加载至118kN时，试件侧面出现第1条细小微裂缝；随着荷载的增加，裂缝数量不断增加；当荷载增至230kN时，试件被劈裂成数个小立柱，砖被压碎，丧失承载能力，如图4所示。

图4 AW-1.0组试件破坏形态

2)单面20mm加固组

AWDU-20，AWDUG-20组墙体为A类单面20mm厚UHPC加固砌体结构试件。AWDU-20组试件初裂荷载为112kN，未加固面出现第1条竖向裂缝；当荷载增至256kN时，试件侧面裂缝瞬间发展至底部，加固层与砌体结构基体分离，试件丧失承载能力，如图5所示。

图5 AWDU-20组试件破坏形态

AWDUG-20组试件初裂荷载为142kN；随着荷载的增加，未加固面钢垫板周围出现细小微裂缝，此后加固层与砌体结构基体分离；当荷载增至282kN时，裂缝宽度增大，试件被劈裂成2个薄片，丧失承载能力，如图6所示。

图6 AWDUG-20组试件破坏形态

3)单面40mm加固组

AWDU-40，AWDUG-40组墙体为A类单面40mm厚UHPC加固砌体结构试件。AWDU-40组试件初裂荷载为120kN，未加固面出现第1条竖向裂缝；当荷载增至246kN时，试件侧面竖向裂缝贯穿至底部，加固层与砌体结构基体分离，试件被劈裂成数个小柱后失稳破坏，如图7所示。

图7 AWDU-40组试件破坏形态

AWDUG-40组试件初裂荷载为190kN；当荷载增至288kN时，加固面出现横向裂缝，试件被劈裂成2个薄片，局部砖被压碎，试件丧失承载能力，如图8所示。

图8 AWDUG-40组试件破坏形态

4)双面20mm加固组

AWSU-20，AWSUG-20组墙体为A类双面各20mm厚UHPC加固砌体结构试件。AWSU-20组试件初裂荷载为108kN，试件侧面出现第1条竖向裂缝；当荷载增至203kN时，加固层与砌体结构基体分离，部分砖被压碎，试件被劈裂成数个小柱后失稳破坏，如图9所示。

图9 AWSU-20组试件破坏形态

AWSUG-20组试件初裂荷载为230kN；当荷载增至365kN时，试件被劈裂成2个薄片，如图10所示。

图10 AWSUG-20组试件破坏形态

2.2 B类试件

1)未加固参照组

BW-1.0组墙体为B类未加固参照试件，初裂荷载为330kN，试件侧面出现第1条裂缝；当荷载增至796kN时，试件各表面均有裂缝由顶部延伸至底部，此时试件破坏。

2)单面20mm加固组

BWDU-20组墙体为B类单面20mm厚UHPC加固砌体结构试件，采用高强对拉螺栓进行拉结。BWDU-20组试件初裂荷载为442kN；随着荷载的增加，未加固面钢垫板周围出现多条细小微裂缝；当荷载增至955kN时，试件侧面出现上下贯通裂缝，角部加固层与砌体结构基体分离，如图11所示。

图11 BWDU-20组试件破坏形态

3)双面20mm加固组

BWSU-20组墙体为B类双面各20mm厚UHPC加固砌体结构试件，初裂荷载为485kN；随着荷载的增加，试件侧面裂缝数量增加，裂缝宽度增大且向底部发展；当荷载增至1 061kN时，试件侧面裂缝发展至底部，加固层与砌体结构基体分离，试件破坏，如图12所示。

图12 BWSU-20组试件破坏形态

3 试验结果分析

3.1 A类试件

A类试件荷载-位移曲线如图13所示。由图13可知，对于砂浆强度等级为M1的砌体结构试件，可通过UHPC加固提高其受压承载力；当采用锚固深度较小的界面钉进行拉结时(如AWDU-20，AWDU-40，AWSU-20组试件)，由于加固层与砌体结构基体性能差异较大，且拉结措施可靠性较差，试件受压破坏方式为加固层脱开，高强材料无法发挥其强度优势，试件受压承载力提高程度有限；当采用高强对拉螺栓进行拉结时(如AWDUG-20，AWDUG-40，AWSUG-20组试件)，由于对拉螺栓拉结能力强，加固层可有效参与试件承压，使试件受压承载力明显提高；当加固层总厚度为40mm，且采取有效拉结措施时，双面加固试件受压承载力提高明显。综上所述，拉结能力对UHPC加固砌体结构受压承载力具有显著影响；加固层厚度对试件受压承载力的影响较小，可能因为UHPC强度高，与砖强度差异较大，单面加固情况下，40mm厚加固层无法完全发挥其高强作用，界面发生了剥离，试件受压破坏。

图13 A类试件荷载-位移曲线

3.2 B类试件

根据A类试件试验结果，B类加固试件均采用高强对拉螺栓进行拉结，且高厚比更接近于实际墙体。B类试件荷载-位移曲线如图14所示。由图14可知，UHPC作为低强度砂浆砌体结构加固材料，可有效提高结构受压承载力，且可在一定程度上提高结构刚度和延性。

图14 B类试件荷载-位移曲线

4 结语

本文选用具有高强度、高耐久性、高流动性的UHPC作为加固材料，进行加固后低强度砂浆砌体结构受压性能试验研究，得出以下结论。

1)UHPC作为加固材料，可有效提高砌体结构受压承载力，在一定程度上增加结构刚度和延性，可将其应用于实际工程加固改造中。

2)由于加固材料(UHPC)强度高、延性好，为保证其与砌体结构基体共同受力，界面拉结措施十分关键。当采取高强对拉螺栓等有效拉结措施时，加固层与砌体结构基体共同受力，可有效提高结构受压承载力。

3)在单面加固的情况下，采取相同界面拉结措施时，加固层厚度对结构受压承载力的影响较小。因此，采用UHPC加固低强度砂浆砌体结构时，需保证合理的加固层厚度。

4)在加固层厚度、界面拉结措施相同的条件下，双面加固可明显提高砌体结构受压承载力。