張雅文, 趙黎明, 張 偉
(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院, 北京 100083;2.中國寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100029)
在我國的各類歷史建筑中,青磚是一種典型的建筑材料。青磚在燒制的過程會形成分布離散的孔隙,屬于多孔類建筑材料[1-2]。由于青磚存在孔隙尺度大、礦物顆粒小的結構特點,當周圍環(huán)境的相對濕度發(fā)生變化時,磚體內(nèi)部的水分含量也會隨之波動。目前,我國古都城墻很多遭到損毀、拆除,在歷經(jīng)幾百甚至上千年的歷史洗禮后,因為風雨侵蝕、人為破壞等因素,許多結構存在損傷、破損等情況[3]。因此,對于古城墻結構保護方向的研究是一項非常必要的工作。
陳啟東[4]對南京明城墻劣化機理進行分析,提出影響結構劣化原因方面主要是磚石的孔隙結構形式、吸放濕特性、環(huán)境中侵蝕性介質、溫度變化(升溫、凍融)和水分的存在。在寒冷地區(qū),尤其是處于北方的磚砌體結構,容易吸收環(huán)境中的水分達到飽水條件,在反復升溫降溫的氣候條件下發(fā)生凍融破壞[5]。凍融循環(huán)作用極大地影響著磚砌體結構的力學性能,并且加快了結構的損傷進程,嚴重影響磚砌體結構的安全性和耐久性,多位學者對青磚進行凍融循環(huán)研究。張道明等[6]對古建筑青磚進行凍融循環(huán)試驗,得知隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,古青磚的孔洞率、質量損失率以及強度損失率均增大,掃描電鏡(SEM)掃描發(fā)現(xiàn)明顯的微觀孔隙結構損傷。別治明[7]對經(jīng)過0次、2次、4次、6次和8次凍融循環(huán)后的青磚砌體試樣開展力學測試、核磁共振和掃描電鏡試驗,試驗結果表明:青磚材料的軸心抗壓強度隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)型下降,孔隙體積含量保持增長??紤]到含水率對磚砌體強度有較大影響[8],張浩揚[9]對古城遺址夯土及砌體結構進行原位回彈儀試驗和室內(nèi)物理力學試驗,表明含水率是影響城墻穩(wěn)定性的重要因素,當夯土含水率增加城墻安全系數(shù)降低,當含水率飽和時,其安全系數(shù)則低至0.8,此時城墻處于失穩(wěn)狀態(tài)。對非飽水條件下青磚材料的凍融循環(huán)研究已十分充分,考慮到北方地區(qū)磚砌體易達到飽水條件,本文將對凍融循環(huán)對飽水青磚的力學性能劣化作用進行研究。
本文從北京某典型古代建筑進行取樣,測定了飽水條件下不同凍融循環(huán)次數(shù)后青磚的力學性能,將凍融后的試件進行單軸壓縮以及掃描電鏡試驗,從宏觀和微觀兩個角度探究凍融循環(huán)作用對飽水青磚砌體力學性能和損傷劣化的影響。推導出損傷演化方程,為研究飽水青磚劣化規(guī)律提供依據(jù)。
本文試驗材料取于北京某典型古代建筑,年代約為公元1600年,所取樣品為修繕時所替換下的青磚,所取青磚為城磚中的“二城樣”其標準尺寸規(guī)格為480 mm×240 mm×130 mm。根據(jù)規(guī)范《砌墻磚試驗方法》[10](GB/T 2542—2012)對原始試件進行加工,制成規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的標準立方體試樣,測其密度為2.13×103kg/m3,見圖1—圖3。
圖2 原始城墻磚試件
圖3 標準磚試樣
試驗在中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院凍結實驗室進行,所用到的試驗儀器包括:低溫箱、臺秤、電熱鼓風干燥箱以及RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測儀。
凍融試驗參照國標《砌墻磚試驗方法》[10](GB/T 2542—2012)進行。根據(jù)不同凍融循環(huán)次數(shù)將試件分為8組,每組5個試件,凍融循環(huán)次數(shù)依次是:0次、5次、10次、15次、20次、25次、30次、35次。試驗時,稱量試件原始質量m0,用超聲儀測其初始聲時值t0。將試樣泡置在10℃~20℃的水中24 h,完成飽水后取出,放置在已提前降溫為-15℃以下的低溫箱中。試件在低溫箱中凍結3 h,隨后拿出放置在室溫水中(10℃~20℃)融化2 h,完成一次凍融循環(huán)。每經(jīng)歷5次凍融循環(huán),測量試件干燥后質量mn和聲時值tn。對不同循環(huán)次數(shù)的試件,分別進行電鏡掃描和單軸壓縮試驗。
本次單軸壓縮試驗在中國礦業(yè)大學(北京)力學實驗室進行,使用儀器為電子萬能試驗機,采取位移加載方式,加載速率設定為0.1 mm/min,試驗機量程為300 kN。試驗中保持在垂直面上均勻連續(xù)施加荷載,為取得完整的應力-應變?nèi)^程曲線,在應力達到峰值后繼續(xù)加載,直到試件完全失效卸載破壞時,終止試驗。
凍融循環(huán)次數(shù)0~10次,試件表面無明顯變化;15次時,試件表面呈現(xiàn)片狀脫落,尤其是棱角部位;20次時,試件棱角出現(xiàn)層剝現(xiàn)象,試件表面初始缺陷和微裂紋擴展;25次時,試件表面原有裂紋擴展開裂,掉角和層剝現(xiàn)象變得嚴重;30次時,磚樣表面顯著掉渣,部分試件呈全麻面狀,裂紋呈多方向開展;35次時,部分試件表面微裂紋發(fā)展成為宏觀貫通裂縫,發(fā)生開裂破壞,表面剝蝕嚴重。凍融后試件及損傷情況見圖4。
圖4 凍融后試件表觀劣化圖
參照國標《砌墻磚試驗方法》[10](GB/T 2542—2012)計算,磚樣質量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律見圖5。當磚樣經(jīng)歷的凍融次數(shù)逐漸變多時,試件質量損失率表現(xiàn)為不斷增長的趨勢。
圖5 質量損失率變化圖
在凍融循環(huán)達到5~10次時,質量損失率增速緩慢,多為負值,即試件經(jīng)過凍融循環(huán)后質量不減反增,主要原因是試件在凍結過程中,內(nèi)部的孔隙水凍結膨脹,在凍結力的影響下,內(nèi)部微裂隙變大,試件吸水能力增強,在融化過程中,伴隨著溫度的升高,試件內(nèi)部二次充水飽和,吸收了更多的水分使得質量變大。隨著凍融次數(shù)的增多,試件飽水程度趨于穩(wěn)定,內(nèi)部微裂隙發(fā)展擴張,試件表面出現(xiàn)起皮脫落和掉渣現(xiàn)象,引起磚樣質量減少,質量損失率變?yōu)檎登抑饾u升高。凍融30~35次,內(nèi)部損傷引起試件棱角掉落、片狀脫落現(xiàn)象更為顯著,質量損失率增長幅度迅速上升。
通過超聲波檢測可以得到超聲波在磚內(nèi)部傳遞波速和傳播時間,根據(jù)聲波的傳播速度和試件密度,作出動彈性模量Ed[11-13]和相對動彈性模量Edl隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線見圖6、圖7。
隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,磚試件的動彈性模量及相對動彈性模量均出現(xiàn)不斷減小的變化規(guī)律。凍融次數(shù)較少時磚樣內(nèi)部裂隙發(fā)展,結構酥松,剛度和強度也減弱,試件的Ed降低速度快;隨著凍融次數(shù)增加,磚體內(nèi)部結構發(fā)生改變,需要更大的作用力裂隙才能進一步發(fā)展擴張,故Ed降低速度變緩。
圖6 動彈模平均值與凍融次數(shù)關系
圖7 相對動彈模平均值與凍融次數(shù)關系
本文不考慮材料在損傷過程中的各向異性,選用動彈性模量作為損傷變量,可在宏觀上直觀表示青磚的損傷狀況。青磚為脆性材料,按照宏觀損傷力學理論,將磚材料的凍融損傷D按照式(1)[14-15]定義為:
(1)
式中:D(n)為n次凍融循環(huán)后磚樣的損傷值;E(n)為n次凍融循環(huán)后磚樣的動彈性模量;E0為未經(jīng)凍融的磚樣初始動彈性模量;n為凍融循環(huán)次數(shù)。
根據(jù)圖5的動彈性模量計算磚樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的損傷值D(n),作出磚樣的損傷值隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線,見圖8。
圖8 損傷值隨凍融次數(shù)變化曲線
由圖8可知,凍融作用造成的損傷值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出前期快速增長、中期平穩(wěn)增長、后期緩慢增長的過程。磚材料凍融損傷劣化機制實際是細觀微損傷發(fā)展累積的過程,最終試件凍融后發(fā)生破壞是由于微損傷的逐漸發(fā)展貫通以及宏觀結構酥松、發(fā)生剝蝕的共同作用。
依據(jù)圖8建立青磚材料損傷值與凍融循環(huán)次數(shù)的損傷演化規(guī)律為:
D(n)=8.970E-0.6n3-9.281E-0.4n2+
0.034n-0.003,R2=0.999
(2)
對比分析不同凍融次數(shù)下青磚試件在單軸壓縮試驗過程中發(fā)生的破壞現(xiàn)象,可以大體分為三種(見圖9),一種破壞模式為沿著縱向發(fā)生的劈裂破壞,一種為沿著斜面發(fā)生的剪切破壞,另一種是沿試件初始裂縫及凍融后試件內(nèi)部缺陷處發(fā)生的局部破壞。
其中,發(fā)生最多的破壞形式為縱向劈裂破壞,主裂縫呈一條或多條貫通的縱向裂縫,裂縫發(fā)展至底部時慢慢發(fā)生傾斜,裂縫寬度較寬,形成破裂帶,導致部分試件不再參與承壓,試件逐漸壓潰至徹底失效;部分試件發(fā)生斜面剪切破壞,破壞后試件表面裂紋較多,主裂縫類似于“人”字形,比起劈裂破壞,試件破壞過程比較緩慢;經(jīng)歷較多次凍融循環(huán)的試件發(fā)生局部破壞較多,由于凍融后試件內(nèi)部結構改變,產(chǎn)生內(nèi)部空洞、表面裂縫較多,當承載力到達最大值時,試件會出現(xiàn)一部分先脫落,局部被壓碎,剩余部分繼續(xù)承壓的現(xiàn)象,試件被壓潰破壞時較為突然,歷時較短。
圖9 磚塊凍融后單軸壓縮破壞形態(tài)
繪制經(jīng)歷0次、5次、10次、15次、20次、25次、30次、35次凍融循環(huán)的各磚樣應力-應變曲線,見圖10。7 條不同凍融循環(huán)次數(shù)下的應力應變曲線在上升階段形式大致相似[16]。凍融循環(huán)5~20次的曲線形狀差異不顯著,但經(jīng)過25次凍融循環(huán)后,差異顯著,曲線快速趨于扁平;隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,曲線上升段越來越平緩,呈現(xiàn)下凹趨勢;峰值應力不斷下移,且不斷減小,峰值應變不斷右移,并不斷增大。
圖10 不同凍融循環(huán)次數(shù)下應力-應變曲線
在初始壓密階段,磚樣內(nèi)部的初始缺陷隨應力增加逐漸被壓緊壓實,應力隨應變非線性增長,但增長速率較慢,曲線呈上凹形。隨著加載的持續(xù)進行,應力隨應變基本為線性增加。當試件達到受壓峰值應力后,曲線開始下降,進入破壞階段。凍融5次~20次,曲線下降段較陡,下降速率較快,下降段曲線斜率近乎垂直向下,表現(xiàn)出明顯的脆性;凍融循環(huán)25次后,下降趨勢變得平緩,下降部分的斜率慢慢降低。
隨凍融循環(huán)次數(shù)變多,磚體結構內(nèi)微裂隙持續(xù)生長、發(fā)育、擴展直到貫通,導致磚塊內(nèi)部結構的改變、承載能力減弱、剛度下降、脆性減少、延性增加。
根據(jù)應力-應變曲線,得出峰值強度和彈性模量平均值,繪制磚樣峰值強度平均值及峰值強度損失率隨凍融次數(shù)的變化圖,見圖11、圖12。
由圖11可知,峰值強度數(shù)值隨凍融次數(shù)變多在逐漸降低,20次凍融循環(huán)前,降低趨勢較為平緩,凍融次數(shù)增加,峰值強度劣化速度逐漸加快。
由圖12可知,隨著凍融次數(shù)的增加磚試件的彈性模量呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的趨勢。彈性模量小幅升高與磚材料內(nèi)部結構密實度相關:凍融5~10次,試件內(nèi)部孔隙變大,水被壓入試件內(nèi)部使磚結構更致密,彈性模量達到峰值11.481 GPa;凍融15~25次,磚內(nèi)部結構變得疏松,彈性模量迅速下降;凍融30次后,內(nèi)部結構趨于穩(wěn)定,降低速度放緩。
圖11 峰值強度值隨凍融次數(shù)變化曲線
圖12 彈性模量平均值隨凍融次數(shù)變化曲線
圖13是青磚材料在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的掃描電鏡圖。凍融循環(huán)5次時,磚體內(nèi)部空隙較少,整體致密性較好;10次時,空隙數(shù)量變多,出現(xiàn)顆粒狀物質,連接處有片狀分離的趨勢;15~20次時,內(nèi)部結構變得疏松,微粒從分離逐漸破碎;25次時,顆粒間距增大,內(nèi)部晶粒棱角分明,部分出現(xiàn)斷裂;35次時,內(nèi)部生成新生空洞,總體結構已不再完整,晶體破碎嚴重,磚試件強度減小。
凍融循環(huán)作用使磚體內(nèi)部結構逐步由密實連結狀態(tài)轉為疏松顆粒分布狀態(tài),破壞了黏土磚的強度,但顆粒分布較為均勻,凍融后期觀測到內(nèi)部出現(xiàn)新的空洞缺陷。凍融循環(huán)作用對飽水青磚材料損傷體現(xiàn)為力學性能的衰變和內(nèi)部結構的破壞。
(1) 凍融循環(huán)試驗結果表明:試件的質量損失
率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性增長;試件的動彈性模量和峰值強度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性減少;試件的彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加先升高后降低,相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多呈非線性減小。
(2) 建立了飽水青磚在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的損傷演化規(guī)律表達式,試件內(nèi)部損傷值D隨凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)出前期快速增長、中期平穩(wěn)增長、后期緩慢增長的趨勢。
(3) 不同凍融次數(shù)下青磚試件在單軸壓縮試驗過程中發(fā)生的破壞現(xiàn)象,可以大體分為:劈裂破壞,剪切破壞和局部破壞。單軸壓縮應力-應變曲線表明,凍融5次~20次,試件破壞表現(xiàn)出明顯的脆性;凍融循環(huán)25次后,磚體結構內(nèi)微裂隙生長,導致內(nèi)部結構的改變,承載力下降,脆性減少、延性增加。試件峰值強度數(shù)值隨凍融次數(shù)變多在逐漸降低,彈性模量呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的趨勢。
(4) 在飽水凍融條件下,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,磚樣內(nèi)部結構逐步由密實連結狀態(tài)轉為疏松顆粒分布狀態(tài)。