摘要
以内蒙古隆盛庄古建筑青砖砌体为研究对象,通过数字图像相关(DIC)技术,研究古建筑青砖在冻融循环作用下的损伤破坏规律,采用双因子——损伤程度因子和损伤局部化因子来表征古建筑青砖的单轴压缩损伤过程,并根据双因子损伤演化曲线建立了不同冻融循环次数下的损伤演化模型.结果表明:古建筑青砖在单轴压缩下的破坏过程可分为初始损伤闭合阶段、线弹性损伤阶段、弹塑性损伤阶段和塑性损伤阶段4个阶段;随着冻融循环次数的增加,青砖表面应变集中程度增大,使其承载能力降低;冻融循环会缩短双因子曲线的线弹性阶段,同时利用双因子建立的损伤演化模型能有效反映冻融循环作用下古建筑青砖材料的损伤演化过程.
内蒙古地区分布约1 500处古建筑,且大多为砌体结构,建筑材料多采用青砖材料.然而因内蒙古地处严寒地区,导致该地区的古建筑青砖墙体长期经受季节性冻融循环作用的影响,使青砖墙体表面出现粉化、剥落以及开裂等现象,严重影响其安全性和耐久
目前,国内外学者主要通过室内模拟试验就冻融循环对古建筑青砖材料结构特征和变形性能的影响进行研究,从宏观和微
鉴于此,本文以内蒙古隆盛庄古建筑青砖砌体为研究对象,基于DIC技术,研究了古建筑青砖在冻融循环作用下的损伤破坏规律,提出用双因子——损伤程度因子和损伤局部化因子来表征不同冻融循环作用下古建筑青砖砌体的单轴压缩损伤过程,并根据双因子损伤演化曲线建立了不同冻融循环次数下的损伤演化模型,以期为内蒙古中部地区古建筑砌体的防护和修缮提供一定的理论依据.
隆盛庄位于内蒙古自治区乌兰察布市丰镇市东北部,庄内文物古迹众多,被列为第六批中国历史文化名镇.但由于内蒙中部地区的特殊环境,使得该地区古建筑青砖墙体出现不同程度的环境侵蚀问题,其中冻融是造成隆盛庄古建筑墙体产生病害的主要原
Brick | Si | Ca | Al | Fe | K | Mg | Na | Ti | Miscellaneous |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Ancient blue brick | 45.58 | 19.36 | 13.13 | 9.84 | 3.96 | 3.01 | 2.37 | 1.26 | 1.49 |
Antique blue brick | 47.51 | 16.95 | 14.00 | 9.69 | 4.15 | 3.56 | 2.07 | 1.10 | 0.97 |
Performance | Ancient blue brick | Antique blue brick | Quantity | ||
---|---|---|---|---|---|
Mean value | Standard deviation | Mean valu | Standard deviation | ||
Density/(g·c | 1.90 | 0.24 | 2.10 | 0.35 | 30 |
Water absorption(by mass)/% | 1.68 | 0.09 | 1.72 | 0.12 | 30 |
Apparent hardness/MPa | 121.12 | 0.17 | 130.76 | 0.34 | 30 |
Compressive strength/MPa | 8.81 | 2.35 | 10.26 | 2.17 | 30 |
不同冻融循环次数下青砖的微观形貌图见

图1 不同冻融循环次数下青砖的微观形貌图
Fig.1 Microscopic morphologies of blue bricks under different freeze‑thaw cycles
青砖单轴压缩荷载-位移(P‑d)曲线及其破坏过程见

图2 青砖单轴压缩荷载-位移曲线及其破坏过程
Fig.2 Uniaxial compression load‑displacement curve and failure process of blue brick
青砖单轴压缩应力-应变(σ‑ε)曲线见

图3 青砖单轴压缩应力-应变曲线
Fig.3 Uniaxial compression stress‑strain curve of blue brick
冻融循环前青砖在不同加载水平下单轴压缩横向应变εx场分布云图见

图4 冻融循环前青砖在不同加载水平下单轴压缩横向应变场分布云图
Fig.4 Cloud diagram of εx field distribution of blue brick under different loading levels before freeze‑thaw cycle
冻融循环后青砖的单轴压缩横向应变云图见
n/times | Initial loading stage | 0.3Pmax | 0.5Pmax | 0.8Pmax | Pmax |
---|---|---|---|---|---|
10 |
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20 |
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30 |
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40 |
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50 |
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60 |
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由于DIC获取的应变数据量较大,故在计算区域内均匀选取10 000个测点,其前2.5%、5.0%、7.5%、10.0%、100.0%测点数N分别为250、500、750、1 000、10 000,对不同测点进行统计分析,结果见

图5 不同测点平均应变随载荷的变化
Fig.5 Variation of average strain at different measuring points with load
为定量描述损伤演化程度,定义损伤程度因子D
(1) |
(2) |
式中:为试件250与10 000测点横向应变平均值之差;为临界破坏时的值;为第个测点的横向应变.
N=250,单轴压缩过程中不同加载点横向应变的空间分布图见
(3) |
(4) |
式中:lf为yi=β0‑β1xi的残差;为残差的最大值;;;分别为N=250横向应变横坐标xi和纵坐标yi的平均值,,.

图6 单轴压缩过程中不同加载点横向应变的空间分布图
Fig.6 Spatial distribution of of transverse strain at different loading points during uniaxial compression process(N=250)
单轴压缩作用下青砖的损伤程度因子及损伤局部化因子见

图7 单轴压缩作用下青砖的损伤程度因子及损伤局部化因子
Fig.7 Damage degree factors and localization factors of blue brick under uniaxial compression
冻融循环下青砖的损伤程度因子见

图8 冻融循环下青砖的损伤程度因子
Fig.8 Damage degree factor of blue brick under freeze‑thaw cycles
冻融循环下青砖的损伤局部化因子见

图9 冻融循环下青砖的损伤局部化因子
Fig.9 Damage localization factor of blue brick under freeze‑thaw cycles
对
(5) |
式中:z1、A1、t1均为拟合参数.
损伤程度因子拟合式中的参数见
Parameter | n/times | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
0.046 | 0.057 | 0.053 | 0.051 | 0.007 | -0.029 | -0.028 | |
0.014 | 0.031 | 0.034 | 0.034 | 0.034 | 0.046 | 0.047 | |
-0.241 | -0.291 | -0.298 | -0.297 | -0.295 | -0.313 | -0.323 | |
111 200 | 102 677 | 91 900 | 81 400 | 66 100 | 51 502 | 32 039 |
由
=117.274 51.376 2n | (6) |
(7) |
(8) |
(9) |
(10) |
对
(11) |
式中:z2、 A2、t2均为拟合参数.
损伤局部化因子拟合式中的参数见
Parameter | n/times | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
-0.329 | -0.373 | -0.354 | -0.352 | -0.339 | -0.267 | -0.223 | |
-0.048 | -0.075 | -0.064 | -0.060 | -0.026 | -0.016 | -0.013 | |
1.057 | 1.102 | 1.084 | 1.077 | 1.014 | 1.013 | 1.014 |
由此可得各参数的拟合式分别为:
(12) |
(13) |
(14) |
将
(15) |
当n=70次,冻融循环下试件双因子试验曲线与模拟曲线比较见

图10 冻融循环下试件双因子试验曲线与模拟曲线比较
Fig.10 Comparison between experimental and simulated curves of specimens with two‑factor under freeze‑thaw cycles(n=70 times)
(1)基于青砖单轴压缩过程中应力-应变曲线的变化特点将其损伤过程分为初始损伤阶段、线弹性损伤阶段、弹塑性损伤阶段以及塑性损伤阶段4个阶段.
(2)未冻融青砖横向应变云图出现了应变集中区域,且在横向应变集中区域贯穿后发生压碎破坏.冻融循环40次之前,青砖的横向应变变化趋势与未冻融青砖相同.冻融循环50次后,青砖在横向应变集中带贯穿前就发生了破坏,表明随着冻融循环次数的增加,青砖表面应变集中程度增大,承载能力降低.
(3)冻融循环对双因子曲线的影响较大,主要表现为双因子曲线的线弹性阶段明显缩短,即冻融循环导致青砖内部结构变得疏松软脆,使得青砖的弹性变形能力降低,进而加速了其在单轴压缩过程中的破坏.
(4)通过双因子——损伤程度因子和损伤局部化因子建立了冻融循环作用下青砖的损伤演化模型,并通过试验和模拟曲线的对比,确定该模型能有效反映古建筑青砖的损伤演化规律.
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