砌体结构耐久性研究进展

 摘要 我国拥有量大面广的砌体结构建筑,随着服役期的增长,环境作用下的耐久性问题不断凸显,越来越受到人们的关注。介绍了砌体结构耐久性损伤的环境影响因素,再从材料、构件、结构3个层面系统总结了砌体结构耐久性研究的进展。最后提出了进一步开展砌体结构耐久性研究的建议。

关键词 砌体结构;耐久性;墙体损伤;墙体加固

2010年,西安建筑科技大学、湖南大学、哈尔滨工业大学、重庆市建筑科学研究院等对修建时间从十几年到100年、涵盖15种类型的100多栋砌体结构建筑的调研表明[1]:在南方,风化严重的部位出现在接近地面干湿循环交替部位、水浸泡的地方,当存在对砌体结构有侵蚀作用的液体时,有的在使用后不到20年就必须进行加固处理;在北方,冻融是墙面风化的主因,风化深度最大超过100mm。

近年来,我国砌体结构房屋倒塌事件时有发生。2012年,浙江省宁波市江东区(今鄞州区)徐戎三村2号居民楼突然倒塌;2014年,浙江省奉化市(今奉化区)大成路居敬小区1幢5F居民楼发生倒塌;2015年,贵州省遵义市汇川区高桥镇1栋7F居民楼倒塌;2015年,辽宁省沈阳市1栋砌体结构居民楼局部倒塌;2016年,温州市鹿城区一自建民房倒塌。这些砌体结构房屋倒塌原因除了设计不充分、原材料质量低下、私自改建等,还有一个原因必须引起重视,即随着服役期的增长,受潮湿环境或冻融环境的影响,耐久性劣化不断加重。

当前,我国混凝土结构耐久性研究较为充分,从设计到评估再到修复,已形成了比较完备的规范体系。但砌体结构耐久性研究明显不足,尚未形成一个关于耐久性的专门规范,导致砌体结构耐久性设计往往不充分,同时也严重制约了对砌体结构耐久性损伤的评估与修复工作。本文系统总结了砌体结构耐久性的研究进展,并提出了进一步发展的建议,希望对砌体结构耐久性研究起到一定推动作用。

01砌体结构耐久性损伤的环境影响因素

砌体结构耐久性损伤是指在不同环境作用下结构材料出现的表面损伤,或者结构材料内部或者外部发生了物理和化学作用,导致结构出现损伤。耐久性损伤使得结构不能达到安全使用年限[2]。砌体结构耐久性损伤影响因素主要包括风化、泛霜、温度变化、冻融破坏、碱集料反应、化学侵蚀等。

1.1  风化

风化对砌体结构的内部外部均有影响。随着时间的推移,砌体表面不断劣化,表面变得粗糙、疏松。当自然界的风带着颗粒击打在砌体表面,即对砌体表面施加了压力,使得砌体表面本来疏松的部分又受到了剥蚀,这样会导致砌体有效截面尺寸减小,使得结构的承载能力下降。干湿交替下的风化是一种累积性的软化作用,会加速砌体材料解体。

1.2  泛霜

砌体发生泛霜的主要原因是砌体内部存在可溶性盐,研究表明[3],砌体可溶性盐的来源主要有2种途径:一是存在于砌体内部的可溶性盐,如原料土或烧制时的水中含有可溶性盐;二是外界可溶性盐的侵入,如盐雾或除冰盐。当砌体中含有足够多的水分,可溶性盐就会溶解,随着砌体内部水分的蒸发,可溶性盐在砌体表面析出、结晶并沉积,表面看上去有斑点状或成片的白色结晶,这会导致砌体表面疏松、剥落,从而降低结构的承载能力。

1.3  温度变化

如果砌体结构过长,就会因为温差作用的影响,使得建筑物变形过大。特别是在北方,砌体建筑始终处于四季温差、昼夜温差环境中,也就是说砌体始终处于反复的热胀冷缩状态,在结构相互约束的状态下,可能会造成砌体内部的温度应力分布不均匀,导致裂缝产生[4]。

1.4  冻融破坏

冻融引起的耐久性损伤通常是从砌体表面开始,随着冻融次数的不断增加,其表面开始变得疏松、剥落,减少了有效的截面尺寸,导致砌体承载能力下降。已有统计资料表明[5],我国可发生冻融侵蚀的面积约为127万km2,占到国土总面积的13.4%左右。在反复冻融情况下,如果再耦合风蚀,砌体的损伤将更为严重,其内部的孔隙率、砖块和砂浆的强度也会因此变化。

1.5  碱集料反应

发生碱集料反应首先要砌体内部的含碱量高,其次是砂浆的细集料中有足够的活性成分,同时砌体内部还要含有一定量的水分。砌体材料中的碱性物质与砂浆细集料中的活性成分发生化学反应,导致砌体内部因为生成膨胀性侵蚀产物而开裂[6]。碱集料反应给砌体结构带来的危害一般比较严重。

1.6  化学侵蚀

化学侵蚀是砌体在所处的环境中接触到了外部的酸性或硫酸盐而受到侵蚀。在受到酸性介质侵蚀时,砂浆中的Ca(OH)2与酸性介质会发生中和反应,破坏砂浆的凝胶体结构,使得砂浆强度降低,从而影响砌体的强度。在受到外部硫酸盐侵蚀时,砌体砂浆内部会产生结晶型、石膏型或钙矾石型膨胀性腐蚀物,内部受到膨胀应力,导致砂浆开裂、强度下降。

02砌体结构耐久性研究进展

2.1  材料层面

砌体结构由块材和砂浆材料组成,块材和砂浆的耐久性对砌体结构的耐久性具有重要影响。截至目前,关于砌体结构耐久性的研究大多集中在材料层面,主要研究不同的环境因素和材料性能对耐久性的影响。郑怡等[7]对烧结普通砖在不同冻融循环次数下进行对比试验,研究了材料的质量、强度损失率与循环次数的关系;曹新宇等[8]对古砖砌体进行了冻融循环下的受压破坏研究,冻融循环次数会影响古砖砌体的受压破坏;刘玮辉[9]通过对不同配合比的再生混凝土多孔砖进行了不同冻融循环次数下的对比实验,提出了由质量吸水率、抗压强度和冻融循环次数三个因素来表达砖块的抗冻性能并采用砖的质量吸水率与抗压强度的比值来确定不同地区的砖的抗冻性能,为砌体结构耐久性设计提供了依据。高润东[10]等考虑到西北地区干燥,砌体老化损伤比较突出,进行老化环境设计,用宏微观结合的试验方法研究砌块与砂浆

老化损伤机理。张京街等[11]利用酸蚀试验来研究砖块的耐久性,对比砖块在Na2SO4、工业酸液、自来水3种环境下的强度损失情况,并提出了砖块表面腐蚀修复的方法。汤永净等[12]针对古代砖砌体,通过7种工况研究了砖、灰浆、砌体抗压、砌体抗剪强度的劣化规律,提出了古代砖砌体风化程度的评定标准。刘卫东等[13]为了弄清砖的物理风化和化学风化特征,对现役历史保护建筑砌体用砖进行抗冻融循环和风化试验,研究两种测试方法指标之间的规律性,推算现役历史保护建筑砌体用砖的耐久性,评估其剩余使用年限。LARBIJA[14]利用电子显微镜观察了在硫酸盐侵蚀、浆体钙流失、盐结晶侵蚀及冻融损伤后,砖砌体内部结构微观层面的变化规律,研究同时表明微观测试能够快速诊断砌体损伤的原因和程度;MARTINSROG等[15]通过加速碳化作用研究了砌体砌筑砂浆的劣化特征,研究结果表明砂浆强度及砂浆保护层厚度对砌体耐久性能具有重要影响。GUNNEWEGJTM等[16]研究了原材料性能和施工工艺对砖砌体界面雨水渗透性能的影响,研究结果表明渗透性越高,砌体耐久性能越差。WILLIAMSB等[17]通过实验室模拟和现场测试研究了冻融作用对砖砌体耐久性的影响,砌体含水率越高,冻融损伤越严重,因此寒冷地区应加强砌体结构的防水工作。FORABOSCHIP等[18]研究了水分和盐分对砖的抗压强度影响,研究结果表明水分显著降低了砖的抗压强度,特别是砖内盐浓度相同的情况下,含水率越大,抗压强度越低,但没有水分的盐则提高了砖的抗压强度。GENTILINIC等[19]采用NaCl和Na2SO4溶液加速侵蚀,研究了砌体抗剪强度的劣化机理。

2.2  构件层面

与材料层面相比,从构件层面研究砌体结构的耐久性要复杂得多,因此,这方面的研究相对较少。商效瑀等[20]将砌体冻融循环下轴心受压看作2个损伤过程,根据损伤力学和应变等价原理,推导砌体冻融损伤演化方程和砌体轴心受压损伤演化方程,建立砌体冻融循环下轴心受压损伤本构模型,为寒冷地区砌体耐久性评估提供理论基础。位三栋等[21]对一定程度老化的历史建筑砌体墙以及加固后的砌体墙进行试验,采用UHPC(超高性能混凝土)加固,比较了加固前后水平承载能力的变化、裂缝发展方式、破坏形式等,研究结果表明,使用UHPC面层加固时,墙体的损伤开裂对加固效果有一定程度影响,可以提高墙体的耐久性。郑山锁等[22]以6片砖砌体组合墙为研究对象,模拟酸雨环境侵蚀,然后对其进行试验,研究其破坏形式、滞回曲线、骨架曲线,基于试验结果建立了在酸雨侵蚀环境下砌体墙循环退化指数模型及恢复力模型,研究了墙体在酸雨环境下的变形特征、刚度退化和能量消耗。汤永净[23]研究了不同工况冻融下古砖砌体抗压强度的变化情况,以及古砖开裂荷载与裂缝之间的关系。CARPINTERIA等[24]对历史砖砌复合材料和墙体的长期性能进行了试验分析,采用声发射监测技术对加固后墙体的损伤定位进行评估,并对加固后墙体在疲劳试验中的破坏时间进行预测,研究表明,利用声发射技术可以对受荷载作用的加固材料进行耐久性评价。

2.3  结构层面

结构层面的耐久性试验要模拟外界影响因素太多,难度较大,所以一般以既有砌体结构的检测来代替试验。通过对砌体材料的表面情况以及材料强度的变化来分析结构破坏程度,并根据材料强度的损失情况来推算结构寿命。刘西光[25]在对不同气候条件下的近百栋砖砌体结构广泛调研基础上,重点针对砖砌体泛霜、砖砌体冻融、砖砌体干湿交替下风化、砌筑砂浆粉化4种主要损伤类型,分析了发生机理及其影响因素,在此基础上,以泛霜面积率、冻融深度、冻融面积率等为定量指标,建立了砖砌体结构耐久性综合评判模型。GARAVAGLIAE等[26]从保护历史遗产的角度,对砌体材料的劣化过程进行了探讨,并从试验和数值的角度研究了历史建筑的长期损伤规律,建立了基于概率统计的砌体结构剩余寿命预测模型。

3结  语

(1)砌体结构耐久性损伤影响主要因素包括风化、泛霜、温度变化、冻融破坏、碱集料反应、化学侵蚀等。影响砌体结构耐久性的因素往往不是独立的,在进行单因素影响研究的同时,也应加强多因素耦合侵蚀环境下砌体结构耐久性的研究。

(2)国内外对砌体结构耐久性的研究主要集中在材料层面,构件层面次之,结构层面比较少。材料层面宜注重研究砌体耐久性劣化机理;构件层面宜加强研究耐久性劣化损伤对构件承载能力和变形的影响;结构层面宜在材料和构件层面研究的基础上,广泛开展耐久性检测实际工程,通过试验研究和现场实测相结合,逐步建立合理的砌体结构耐久性评估方法。

(3)我国新建砌体结构房屋越来越少,而量大面广的既有砌体结构经过长期的服役,已经出现不同程度的耐久性损伤,但我国目前尚未有专门的砌体结构耐久性评定标准,宜在已有研究成果基础上,尽快研究制定。

参考文献

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