不同新型墻材砌體的力學(xué)性能對(duì)比分析

林超，郭子雄，黃群賢，葉勇

（華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建廈門361021）

不同新型墻材砌體的力學(xué)性能對(duì)比分析

林超，郭子雄，黃群賢，葉勇

（華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建廈門361021）

對(duì)空心粘土磚、加氣混凝土砌塊、陶?；炷疗鰤K、混凝土空心砌塊Ⅰ和混凝土空心砌塊Ⅱ等5種常用新型墻材砌體的抗壓性能和抗剪性能進(jìn)行試驗(yàn)，并與燒結(jié)普通磚砌體進(jìn)行對(duì)比.研究結(jié)果表明：砌塊的抗壓強(qiáng)度與砌塊的制作工藝和質(zhì)量和有關(guān)，空心砌塊的強(qiáng)度還與肋板的分布、孔洞的大小和面板的厚度有關(guān)；砌體隨著荷載的增大，裂縫增多、延伸，并擴(kuò)展至砌體各面，最終失去承載能力被破壞；砌體的抗剪強(qiáng)度與砌塊的表面光滑度和界面的咬合程度有直接關(guān)系.

墻體材料；砌體；砌塊；抗壓強(qiáng)度；抗剪強(qiáng)度

隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展和節(jié)能減排政策的推廣，燒結(jié)普通磚破壞土地、消耗能源、施工效率低等缺點(diǎn)越來越突出.因此，發(fā)展非粘土類、節(jié)能環(huán)保型的新型墻體材料，推進(jìn)墻體材料改革，成為廣大工程技術(shù)人員面對(duì)的重要而緊迫的任務(wù).近年來，普通混凝土小型空心砌塊以其節(jié)能環(huán)保、強(qiáng)度高、自重輕、施工快等優(yōu)勢，逐漸成為替代燒結(jié)普通磚的主導(dǎo)新型墻體材料［1］.但是，混凝土小型空心砌塊砌體的抗?jié)B漏、保溫隔熱性能較差，使其推廣應(yīng)用受到一定的限制［2］.自保溫概念的提出和自保溫砌塊的研發(fā)、生產(chǎn)，使建筑墻材的保溫、節(jié)能性能引起了各方關(guān)注，也陸續(xù)推出了各種改進(jìn)的新型節(jié)能形混凝土小型空心砌塊［3－4］，如加氣混凝土砌體［5］、陶粒混凝土［6］等.隨著砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)建筑的增加，新型墻材得到進(jìn)一步的發(fā)展，對(duì)新型墻材建筑結(jié)構(gòu)的各種研究也陸續(xù)開展［7－10］，但目前有關(guān)新型墻材力學(xué)性能的研究仍較少.目前，建筑市場上最為常用的5種新型砌塊，即空心粘土磚砌塊、加氣混凝土砌塊、陶?；炷量招钠鰤K、混凝土空心砌塊Ⅰ、混凝土空心砌塊Ⅱ.其中：加氣混凝土砌塊、陶?；炷疗鰤K和混凝土空心砌塊Ⅱ?yàn)樾滦妥员貕w材料.混凝土空心砌塊Ⅰ的孔洞較寬，肋板的分布稀疏；混凝土空心砌塊Ⅱ在混凝土空心砌塊Ⅰ的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，即在混凝土空心砌塊Ⅰ的中間孔洞處增加了一條橫肋，在兩側(cè)的孔洞處分別增加了一條縱肋，減小了砌塊孔洞的長度和寬度，使兩外側(cè)面板因邊壁的破壞而整體剝落的情況得到了改觀.本文針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行砌體的抗壓、抗剪性能試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)概述

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

將5種新型砌塊和燒結(jié)普通磚砌體各制作3個(gè)砌塊抗壓試件，砌塊上、下面均用水泥砂漿找平，厚度為10 mm，在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行加載；然后，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GBJ 129－90《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求［11］，每一種砌塊分別制作3個(gè)砌體抗壓試件和3個(gè)砌體沿灰縫的剪切試件.

砌體抗壓試件砌筑時(shí)，在試件的底面和頂面分別用厚度為10 mm的水泥砂漿找平.除加氣混凝土砌體采用CQS－Q加氣混凝土專用砌筑砂漿外，其他砌體采用M7.5混合砂漿砌筑，砂漿配制時(shí)采用普通硅酸鹽水泥，添加劑為石灰，砂子為普通中砂.試件在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).

砌體剪切試件制作時(shí)先放平砌筑，待放置7 d后將試件立放，然后對(duì)承壓面和加荷面采用水泥砂漿找平，找平厚度為10 mm，且上、下找平層應(yīng)相互平行并垂直于受剪面的灰縫.

新型砌塊、砌體的抗壓和剪切試件，分別如圖1，2，3所示；相關(guān)參數(shù)如表1所示.表1中：A為試件

圖1 新型砌塊圖示Fig.1 Photos of the new blocks

圖2 砌體的抗壓試件Fig.2 Compressive specimens of masonry

受力面的面積即試件的截面面積；l，w，k分別為試件的長、寬和高.

圖3 砌體的抗剪試件Fig.3 Shear specimens of masonry

表1 試件參數(shù)Tab.1 Test parameters

1.2 試件的加載與量測

砌體抗壓性能試驗(yàn)和砌體沿灰縫剪切試驗(yàn)的加載圖，如圖4所示.砌體抗壓試驗(yàn)加載時(shí)用厚鋼板置于試件頂面和底面，加載過程中力和位移由試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)采集荷載及位移.加載時(shí)先對(duì)試件施加10%的預(yù)估破壞荷載，反復(fù)預(yù)壓3次.試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式加載，每級(jí)荷載增量為預(yù)估破壞荷載的10%，并在1～1.5 min內(nèi)均勻施加；恒荷1～2 min后施加下一級(jí)荷載.加載至預(yù)估破壞荷載的80%后，連續(xù)加載直至試件破壞.砌體灰縫剪切試驗(yàn)采用連續(xù)加載方式進(jìn)行荷載施加，加載速度按照試件在1～3 min內(nèi)破壞進(jìn)行控制，當(dāng)一個(gè)受剪面破壞即認(rèn)為試件破壞.

圖4 試驗(yàn)加載裝置圖Fig.4 Loading set－up

2 結(jié)果與分析

2.1 砌塊抗壓試驗(yàn)

砌塊抗壓試驗(yàn)的主要試驗(yàn)結(jié)果的平均值，如表2所示.其中：ρ為空心率；Nu為試件的抗壓破壞荷載；fc，b為砌塊的抗壓強(qiáng)度，fc，b＝Nu／A.

2.2 砌體抗壓試驗(yàn)

砌體抗壓試驗(yàn)實(shí)測值及計(jì)算結(jié)果的平均值，如表2所示.其中：Nc為試件的抗壓開裂荷載；Nu為試件的抗壓破壞荷載；fc，m為砌體的抗壓強(qiáng)度，fc，m＝Nu／A；ε0.4為對(duì)應(yīng)于0.4fc，m時(shí)的軸向應(yīng)變值；E為砌體的彈性模量，E＝0.4fc，m／ε0.4.

在試驗(yàn)中，空心粘土磚砌體與混凝土空心砌塊Ⅱ砌體的彈性模量接近，但二者的破壞情況有所區(qū)別.空心粘土磚砌體加載至最大荷載的22.7%～27.0%時(shí)，在砌體的正面出現(xiàn)第1條豎向裂縫，為最早出現(xiàn)裂縫的砌體，而且由于其中的孔洞是上下貫通的，在試件制作時(shí)，砌筑砂漿已經(jīng)把磚中的孔洞填滿，所以在加載過程中，砂漿分擔(dān)了試件部分的壓力，使砌塊局部被壓壞時(shí)，砌體的承載力仍在上升；一旦砂漿壓壞，砌體的強(qiáng)度急劇下降，呈脆性破壞.混凝土空心砌塊Ⅱ砌體是最晚開裂的砌體，加載到最大荷載的67.4%～72.8%時(shí)，才在上層砌塊的一側(cè)邊壁上出現(xiàn)第1條豎向裂縫.混凝土空心砌塊Ⅱ的坐漿面?zhèn)壤甙遢^厚，孔洞小，所以在砌筑時(shí)采用坐漿面朝上的砌筑方式，使盡量少的砂漿灌入孔洞.加載過程中，隨著荷載的不斷增大，邊壁上原有裂縫延伸，并擴(kuò)展至砌體各面；邊壁裂縫和內(nèi)側(cè)縱肋上裂縫一旦貫通，肋板作為增強(qiáng)構(gòu)件的作用就完全喪失，砌塊的外面板脫落，砌體失去承載能力，呈塑性破壞.

陶?；炷疗鰤K和混凝土空心砌塊Ⅰ的抗壓強(qiáng)度接近，但砌體的抗壓強(qiáng)度相差較大，破壞情況也有所不同.陶?；炷疗鲶w在加載到最大荷載的42.6%～57.8%時(shí)，砌體正面中部出現(xiàn)第1條裂縫；隨著荷載的增加，砌體邊壁開裂先形成上下貫通裂縫，然后砌體正面裂縫延伸與中間層的豎向砂漿層相連，形成上下通長裂縫.由于肋板分布較多，肋板作為增強(qiáng)構(gòu)件的作用還未完全喪失，砌塊面板不會(huì)整面掉落，最后砌體部分面板和邊壁剝落，荷載急劇下降，砌體破壞.混凝土空心砌塊Ⅰ砌體加載至最大荷載的53.1%～65.3%時(shí)，上層砌塊邊肋處開裂；而后裂縫延伸，砌塊邊壁被劈裂，面板剝落，砌塊破壞.

加氣混凝土砌體的截面面積大，質(zhì)量小，但抗壓能力差.砌體受力到最大荷載的42.6%～57.9%時(shí)，砌體正面開裂，然后隨著荷載的增加，砌體裂縫增多，呈片狀剝落，最后砌體壓潰破壞.

2.3 砌體灰縫剪切試驗(yàn)

將砌體沿灰縫剪切試驗(yàn)所測得的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，其平均值如表2所示.表2中：Nv為試件的抗剪破壞荷載；fv，m為砌體的抗剪強(qiáng)度，fv，m＝Nv／2A.

從表2可知：燒結(jié)普通磚、空心粘土磚和混凝土空心砌塊Ⅰ的砌體的抗剪強(qiáng)度相接近.燒結(jié)普通磚砌體在剪力的作用下，其抗剪承載力隨著荷載的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，灰縫瞬間開裂，中間受力砌塊滑移，砌體破壞，但砌塊不開裂.空心粘土磚砌體截面積小，其砌塊的孔洞上下貫通，在試件制作時(shí)，部分砂漿灌入了砌塊中的孔洞，使砌塊和砂漿較好地咬合，增大了界面的抗剪力，從而提升了砌體的抗剪強(qiáng)度.混凝土空心砌塊Ⅰ砌體的截面面積雖小，但其砌塊表面粗糙，有利于與砂漿的咬合，故混凝土空心砌塊Ⅰ砌體的抗剪強(qiáng)度也較高.

陶?；炷梁突炷量招钠鰤KⅡ和加氣混凝土的砌體的破壞情況與燒結(jié)普通磚砌體的類似，但由于砌體表面光滑，不利于砌體表面與砂漿的咬合作用，易受剪力破壞.

表2 試件的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test parameters and experimental results

3 結(jié)束語

通過新型墻材砌體抗壓性能和抗剪性能的試驗(yàn)研究，并與燒結(jié)普通磚砌體進(jìn)行了對(duì)比，可以得到以下主要3點(diǎn)結(jié)論.

1）砌塊的抗壓強(qiáng)度與砌塊的制作工藝和質(zhì)量和有關(guān)，空心砌塊的強(qiáng)度還與肋板的分布、孔洞的大小和面板的厚度有關(guān).混凝土空心砌塊Ⅰ，Ⅱ同等材料的砌塊，雖然肋板的分布有所不同，但由于混凝土空心砌塊Ⅱ的制作質(zhì)量較好，其抗壓強(qiáng)度大大高于混凝土空心砌塊Ⅰ.

2）在砌體抗壓試驗(yàn)中，隨著荷載的增大，初始裂縫增多延伸，并擴(kuò)展至砌體各面，最終失去承載能力破壞.空心砌體在加載后期，由于砌塊肋的垂直斷裂，肋板作為增強(qiáng)構(gòu)件的作用就完全喪失，面板起著獨(dú)立板的作用，細(xì)長比的顯著增大導(dǎo)致突然破壞.其中空心粘土磚砌體最為嚴(yán)重，存在一定的安全隱患，而陶?；炷疗鲶w的肋板分布較多，不易出現(xiàn)因肋斷裂而引起面板剝落的現(xiàn)象.空心砌塊肋板的分布情況，還有待進(jìn)一步的研究改進(jìn).

3）在砌體抗剪試驗(yàn)過程中，砌體的抗剪承載力隨著荷載的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，灰縫瞬間開裂，中間受力砌塊滑移，砌體破壞，但砌塊不開裂；而砌體的抗剪強(qiáng)度與砌塊的表面光滑度和界面的咬合程度有直接關(guān)系.

［1］ 孫恒軍，王明山，閆忠明，等.混凝土小砌塊配筋砌體抗壓性能的試驗(yàn)研究［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，17（4）：8－12.

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Comparison of Mechanical Behaviors Among Various New Masonries for Wall

LIN Chao，GUO Zi－xiong，HUANG Qun－xian，YE Yong
（College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

An experimental investigation on the compressive and shear properties of masonries with five kinds of new blocks was carried out，including hollow clay bricks，aerated concrete blocks，ceramsite concrete blocks，concrete hollow blockⅠand concrete hollow blockⅡ.The results show that compressive strength of blocks is related to production process and the quality；the strength of hollow blocks is related to the distribution of the ribs，the size of the pores，and the thickness of the panel；with increasing the load，the cracks of the masonries increase，and extend to each side of the masonries，finally the masonries is destroyed due to the loss of carrying capacity；the shear strength of masonries is related directly to the degree of surface smoothness of block and the occlusal degree of the interface.

wall material；masonry；block；compressive strength；shear strength

TU 522.3

A

（責(zé)任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）

1000－5013（2012）05－0552－05

2012－01－19

郭子雄（1967－），男，教授，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)的研究.E－mail：guozxcy＠hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50978107，51178197）；福建省重大科技項(xiàng)目（2011Y4008）