土木建筑与环境工程  2015, Vol. 37 Issue (6): 15-23   PDF    
不考虑碳化深度的烧结砖砂浆回弹曲线
徐咏, 熊峰1, 吴体2    
1. 四川大学 建筑与环境学院，成都 610065;
2. 四川省建筑科学研究院，成都 610081
收稿日期：2015-07-27
基金项目：行业标准《非烧结砖砌体现场检测技术规程》编制经费资助
作者简介：徐咏(1989-)，男，博士生，主要从事砌体结构、装配式剪力墙结构研究, (E-mail)437350217@qq.com。
摘要：通过对烧结普通砖砂浆回弹法所基于的历史试验进行再分析，认为碳化深度对砂浆回弹值影响不大。在此基础上，通过由不同强度等级的砂浆砌筑而成的烧结普通砖砌体结构进行新一轮砂浆灰缝试验，运用Origin8.0软件对标准砂浆试块强度与砂浆灰缝回弹值进行回归分析，得出了不考虑碳化深度影响的烧结普通砖砂浆回弹曲线。
关键词：烧结砖    砂浆灰缝    砂浆回弹法    碳化深度    回弹曲线    
Sintered brick mortar rebound curve without considering the carbonation depth
Xu Yong, Xiong Feng1, Wu Ti2    
1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.China;
2. Sichuan Institute of Building Research, Chengdu 610081, P.R.China
Received: 2015-07-27
Foundation item: Industry Standard "Non-Sintered Brick Field Testing Technical Regulations" Project Preparation Funding
Author brief: Xu Yong (1989-), PhD candidate, main research interests:masonry structure and precast shearwall structure, (E-mail)437350217@qq.com.
Abstract: The results of reanalyzing the testing method of sintered brick mortar rebound show that the carbonation depth has slight influence on the mortar rebound. Based on the results and analysis performed by Origin8.0, a sintered brick mortar rebound curve was shown between Standard mortar test block strength and mortar rebound value without considering the carbonation depth.
Key Words: sintered brick    mortar joint    sintered brick mortar rebound method    carbonation depth    rebound curve    

烧结砖砌体结构在中国大量存在，对其进行现场质量检测是一项经常性的工作。作为砌体结构中必不可少的粘结材料，烧结砖砂浆是砌体结构现场检测环节中必需的对象；现场检测中，通常采用回弹法进行烧结砖砂浆的强度检测[1]。

在烧结砖砂浆回弹法的实际应用时，很多工程单位反映该方法所需的碳化深度难以准确测量。同时，在碳化深度界限值附近，选择不同的公式会得出不同的结果。那么，对烧结砖砂浆进行回弹，碳化深度对检测结果的影响到底有多大？能否不考虑碳化深度建立统一的公式？事实上中国标准GB/T 50315-2011《砌体工程现场检测技术标准》(后文简称国标)[2]中的烧结砖砂浆回弹法公式是参照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[3]的思路，认为回弹值与碳化深度密切相关而建立起来的。其基本理论依据为：水泥一经水化就游离出大约35%的氢氧化钙[4]，当硬化的混凝土表面受到空气中二氧化碳作用时，氢氧化钙会生成硬度更高的碳酸钙，这就是混凝土的碳化现象[5]。碳化使混凝土表面硬度增高、回弹值增大，但对混凝土强度影响不大，从而影响混凝土强度与回弹值的相关关系[6]，不同的碳化深度对其影响不一样。因此，过去中国国家标准制定中对烧结砖砂浆回弹法的数据处理时，沿用混凝土回弹法的思路，将试验数据根据碳化深度值分为3段，分别进行砂浆强度与回弹值之间的关系拟合[6]。但是，即使对于混凝土回弹法，也有文献[7-13]在探讨碳化深度的影响问题，如廉慧珍[9]认为：由于混凝土材料的高度非匀质性, 碳化边沿很难定量，目前用卡尺量测不显色部分的深度, 取6个点的平均值作为碳化深度，其结果的代表性显然值得怀疑。陈海彬等[12]率先在不考虑碳化深度的情况下建立了高强混凝土的回弹曲线。回到烧结砖砂浆回弹法中，由于砂浆的性能不同于混凝土，其水泥用量远小于混凝土中水泥用量，材料的致密性也远比混凝土低，因此，砂浆碳化速度很快，但硬度并不高，碳化深度对回弹值的影响应该不如混凝土明显。

本文对当年烧结砖砂浆回弹曲线的历史试验数据进行了再分析，以研究碳化深度对回弹值的影响程度，发现以碳化深度分类的3条曲线差别并不大，在工程精度的范围内可以合并；在此基础上，重新做了烧结砖砌体砂浆回弹法的系列试验，并拟合了统一的回弹公式。

1 碳化深度对砂浆回弹值影响的研究

回弹曲线是回弹测试法的关键，中国从1988年开始主要由四川省建筑科学研究院通过大量砂浆试块试验进行烧结砖砂浆回弹法的研究。试验过程是在砂浆试块上测出回弹值、碳化深度和强度值，以碳化深度分类回归得到相应回弹公式[14]，该公式即为国标中烧结砖砂浆分段回弹公式12.4.3.1-1~12.4.3.1-3。

1988年开始的试验(后文简称历史试验)分为烘干砂浆与未烘干砂浆试验。试验过程及记录形成了《 < 砖砌体中砌筑砂浆回弹测强研究 > 回弹抗压试验记录》[15]和《 < 砖砌体中砌筑砂浆回弹测强研究 > 砂浆碳化深度对回弹值影响试验记录》[16](后文统一简称《试验记录》)并存档。《试验记录》对砂浆试块的基本数据和当时试验的背景有着详细的记录，共有完整数据(有清晰完整的碳化深度、砂浆强度、回弹值记录的数据)1 444组，包括烘干砂浆试块843组，未烘干345组，未记录烘干与否256组。为研究碳化深度的影响，从四川省建筑科学研究院档案室中找到《试验记录》并对当年的数据进行了再分析。

1.1 烘干砂浆试块

《试验记录》中烘干砂浆试块主要用来模拟龄期较长的砂浆。按照国标碳化界限分类，分别选取碳化深度在[0, 1]mm、(1, 3) mm、≥3 mm区间的数据用Origin8.0采用最小二乘法进行非线性拟合[17](以后的数据分析均采用该软件)。

按照数理统计的理论，在工程应用范围内当相关指数R2≥0.85时[18-19]能够认为两者之间具有较强的相关性。选取相关指数最高的乘幂形式得到烘干砂浆试块的拟合曲线如图 1，同样地得到(1, 3) mm以及≥3 mm区间的拟合曲线(篇幅所限，拟合图略；两条曲线的相关指数分别为0.90和0.92)，将在砂浆常见强度范围内(2~15 MPa)的3条曲线绘制于一张图上，见图 2。

图 1 烘干试块碳化深度在[0, 1]mm范围内的拟合曲线 Fig. 1 The fitting curve when carbonation depth is in [0, 1] from dried test block

图 2 烘干试块按国标界限做出的拟合曲线 Fig. 2 Fitting curve based on specifications boundaries from dried test block

计算3条曲线在砂浆常见强度范围内的强度值最大误差见表 1。

表 1 曲线强度误差表 Table 1 The error table of curve strength

由表 1可以看出：

1) 3条曲线拟合形式相同。相关指数最高时3条曲线均为乘幂形式，此时3条曲线走势相同。

2) 3条曲线换算出来的砂浆强度值差别较小。从表 1中可知，最大误差0.92 MPa，最大相对误差10.91%。除去回弹值较小时的情况，大部分砂浆强度相对误差不超过5%，说明3条曲线很接近，碳化深度影响不明显。

1.2 未烘干砂浆试块

《试验记录》中未烘干的砂浆试块模拟的是龄期较短的情况。选取未烘干的砂浆试块继续分析，按照烘干砂浆试块的分析方法可以得到图 3，碳化深度在[0, 1]mm、(1, 3) mm、≥3 mm区间内的相关指数分别为0.88、0.92、0.85。曲线误差分析如表 2。

图 3 未烘干试块按国标界限做出的拟合曲线 Fig. 3 Fitting curve based on specifications boundaries from undried test block

表 2 曲线强度误差表 Table 2 The error table of curve strength

由表 2可知：

1) 3条曲线均为乘幂形式，走势相同。

2) 3条曲线换算出来的砂浆强度值差别很小，最大误差1.35 MPa，最大相对误差5.20%。说明曲线接近，碳化界限不明显。

1.3 实验室砂浆试块

《试验记录》中砂浆烘干与未烘干分类模拟的是砂浆龄期长短，如果不考虑龄期因素，将《试验记录》所有砂浆试块数据按同样的方法进行分析(即将《试验记录》中1 444组数据进行分析)，得到图 4。图 4中碳化深度在[0, 1]mm、(1, 3) mm、≥3 mm区间内的相关指数分别为0.87、0.90、0.85。同时, 3条曲线的强度误差列于表 3。

图 4 实验室试块按国标界限做出的拟合曲线 Fig. 4 Fitting curve based on specifications from lab test block

表 3 曲线强度误差表 Table 3 The error table of curve strength

由表 3可知：

1) 3条曲线拟合形式相同，均为乘幂形式，3条曲线走势相同。

2) 3条曲线换算出来的砂浆强度值差别很小，最大误差0.77 MPa，最大相对误差5.29%，曲线强度误差较小。

1.4 碳化深度比例统计

对《试验记录》所有砂浆试块数据进行统计，得到各个碳化界限区间的数据见表 4。因为现场记录人员的疏忽等原因，《试验记录》中出现了没有准确记录砂浆是否烘干的情况，表 4中未记录一栏的数据即来源于此。

表 4 砂浆试块数据表 Table 4 The table of mortar number

从表 4可知：大部分试块碳化深度在3 mm以上，在3 mm以下者不足50%。特别是烘干的情况，碳化深度超过3 mm的试块占全部试块比例的83.63%，说明砂浆试块的碳化作用比较迅速，养护完成后大多数试块超过国标中碳化深度的上限。该试验的时间跨度只有12个月时间，而现场检测中，被检建筑都有一定的修建时间，砂浆碳化发展时间往往以年为单位，可以推断碳化深度在3 mm以下的情况会更少。从这个角度讲，砂浆回弹曲线中制定的碳化界限往往没有实际应用价值。

通过对历史试验的分析，根据烘干试块、未烘干试块、实验室所有试块数据，可以发现：

1) 以碳化深度1、3 mm分界的3条曲线差别不大，在砂浆常见强度范围内，相对误差基本小于5%，因此, 可以考虑回弹曲线不用按碳化深度分类。

2) 碳化深度3 mm以下的试验数据很少，低于30%，考虑到现场检测中砂浆碳化发展的时间更加充足，可以认为现场中基本不存在碳化深度在3 mm以下的情况。

1.5 碳化深度影响的辨析

为了进一步研究碳化深度对回弹曲线的影响，探索是否存在其它的碳化界限。在所有的砂浆试块数据中，以碳化深度为横坐标、回弹值为纵坐标建立关系图。由于篇幅所限，仅显示出当砂浆强度为7.5 MPa时，烘干和未烘干时砂浆碳化深度与回弹值的关系，见图 5。

图 5 砂浆试块碳化深度和回弹值的关系 Fig. 5 The relationship between carbonation depth and the rebound value from test block

对图 5中散点图进行曲线拟合，两种情况下的最高相关指数分别为0.012 8和0.018 9(其他区间曲线拟合结果于此类似)。根据数理统计理论，一般认为相关指数低于0.15则两者不具有相关性[17-19]，因此, 从图 5中可以得知：碳化深度与回弹值没有明显相关性。

2 烧结砖砂浆回弹曲线的建立

基于上节分析，同时考虑实际应用的可操作性，可以认为碳化深度对砂浆回弹值的影响不大，在工程应用范围内可以忽略这种影响。因此, 本文结合标准的修编，基于最新试验，建立了不考虑碳化深度影响的烧结砖砌筑砂浆回弹公式，以便于实际应用。

2.1 试验设计与过程

历史试验是在砂浆试块上同时测得砂浆的回弹值、碳化深度和强度值，这样的试验方法可以很快地获得3组数据，并进行对应的数据分析。但由于砂浆试块与砂浆灰缝的工作状态是不同的，这种试验方法不能很好地模拟砂浆灰缝的状态。为了更好地模拟灰缝中砂浆的工作状态，本次试验(后文中简称灰缝试验)制作了不同强度等级砂浆砌筑的试验墙体，对墙体中灰缝砂浆进行回弹，得出回弹值后直接与砂浆试块强度值建立拟合曲线。

根据相关标准与规范[20-24]，灰缝试验选用5种强度等级的砂浆(1:4.5超高强砂浆、1:5.5高强砂浆、1:7中强砂浆、1:8.5低强砂浆和1:9.5超低强砂浆，比例为灰砂比，后文比例默认为灰砂比)。在四川省建筑科学研究院砌体结构实验室中每种砂浆各砌筑一片厚度为240的烧结砖墙，试验墙体见图 6。砂浆用水泥强度标号为42.5、细骨料选用粗砂。拌制砂浆时掺入少量早强剂，每次拌制一盘150 kg重砂浆，同时，制作6块烧结普通砖为底模的砂浆试块；砂浆不够使用时重新拌制，并再次制作砂浆试块，实验过程中共得到砂浆试块78块。墙体和砂浆试块制作和养护共两个月时间，在此期间，试验墙体和砂浆试块就地进行自然养护，适当浇水湿润，前期(7 d)基本保持试验墙体和试块表面潮湿。试验时按照国标要求对试件墙体中的灰缝进行回弹法测试，如图 7，同时, 用压力机测试砂浆试块强度。

图 6 试验墙体图 Fig. 6 Test wall

图 7 回弹试验过程 Fig. 7 Rebound testing

2.2 碳化界限验证

灰缝试验中得到了一批砂浆灰缝的回弹值、碳化深度和强度值，按照前节的分析方法再次验证碳化深度对回弹值的影响。

2.2.1 试验碳化深度统计

对灰缝试验得到的数据进行统计，得到砂浆强度、回弹值、碳化深度相对应的有效数据共135组(文后附表 1给出)，对每一组数据按照国标中的碳化界限进行分类，见表 5。

表 5 最新试验数据表 Table 5 The table of the newest number

由表 5可知：

1) 灰缝砂浆碳化发展也很迅速。养护28 d后，碳化深度在3 mm以下的情况为35.56%，所占比例较小，这与历史试验数据表现出来的规律是相同的，这进一步证明了碳化深度划分成1、3 mm区间意义不大。

2) 碳化作用在砂浆灰缝中发展比在砂浆试块中更加迅速。选取灰缝试验与《试验记录》中的所有数据进行比较，碳化界限在[0, 1]mm、的数据所有比例，前者和后者分别为1.48%和11.84%，说明前者碳化作用发展更为迅速。

2.2.2 按照碳化界限建立的回弹曲线比较

根据碳化界限在[0, 1]mm、(1, 3) mm (图 8)和≥3 mm (图 9)范围内的数据建立拟合曲线，两者的对比图见图 10，其误差分析见表 6。此时，没有给出碳化深度在[0, 1]mm范围内的分析和比较是因为这个范围内的试验数据只有两组，无法建立较好的曲线拟合，所以与其他区间的曲线没有可比性。

图 8 灰缝试验按照碳化(1, 3) mm的拟合曲线 Fig. 8 The fitting curve when carbonation depth is in (1, 3) from new test

图 9 灰缝试验按照碳化[3, +∞) mm的拟合曲线 Fig. 9 The fitting curve when carbonation depth is in [3, +∞) from new test

图 10 灰缝试验按国标界限做出的拟合曲线 Fig. 10 Fitting curve based on specifications from new test

表 6 曲线强度误差表 Table 6 The error table of curve strength

从表 6可知，两条曲线最大误差0.14 MPa，最大相对误差2.50%，都在工程应用可接受范围之内，再次证明在建立砂浆的回弹曲线的时候不设立碳化区间是合理的。

2.3 不考虑碳化深度建立砂浆回弹曲线

根据试灰缝验墙片砂浆平均回弹值与平均砂浆强度，可以利用Origin8.0建立拟合曲线。试验中每条砂浆灰缝可以得到多个砂浆回弹值，而每一强度的砂浆只有一个砂浆平均强度值，故以下分析中存在多个平均回弹值对应一个平均砂浆强度值的情况。

Origin8.0中共有15个函数目录(不包括用户自定义函数)，每一个函数目录下通常有10多个具体函数，函数总量为200多个[16]。选取函数形式常见且与国标曲线较为接近(凹凸性和基本走势)的几种函数关系进行拟合。

图 11为散点图通过指数和线性形式建立的拟合曲线。其相关指数为0.93, 相比其他拟合曲线最大(线性形式的相关指数明显低于指数形式)，故选取指数函数关系曲线，得砂浆强度与回弹值的关系为

$ {f_{2ij}} = 0.75 \cdot {{\rm{e}}^{0.11R}} $
图 11 按照指数和线性关系进行数据拟合 Fig. 11 Data fitting in a exponential and linear relationship

式中：f2ij为第i个测区第j个测位的砂浆强度值, MPa；R为第i个测区第j个测位的平均回弹值。

3 结论

以两次试验为基础，得到了以下结论：

1) 烧结砖灰缝砂浆碳化作用迅速。通过历史试验和灰缝试验可知，28 d龄期后的砂浆灰缝的碳化深度大于3 mm的情况超过60%。考虑到实际检测中的检测对象往往都是以年为单位的建筑，可以认为国标中的碳化界限没有实际应用价值。

2) 在工程应用范围内可以忽略烧结砖砂浆回弹法中碳化深度的影响。通过对历史试验的分析，按照碳化界限拟合出的3条砂浆回弹曲线误差很小，说明国标中强调的碳化界限对砂浆回弹值影响不大。

3) 提出了忽略碳化深度影响的烧结砖砂浆回弹曲线。该曲线回避了碳化深度测量不便的问题，在不失准确性的前提下提高了现场检测的速度，减少了客观因素的影响。

表 附表 1 砌筑烧结砖墙体的砂浆基本参数表

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