矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體抗壓強(qiáng)度及彈性模量研究

黃榜彪，賴 駿，朱基珍，武衛(wèi)峰，吳元昌，盛 琪，盧 強(qiáng)，劉 陽(yáng)

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州545006;2.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074)

目前，《“十二五”墻體材料革新指導(dǎo)意見》中提出了墻體的發(fā)展新目標(biāo)，到2015 年，全國(guó)50%以上的縣城實(shí)現(xiàn)“禁實(shí)”、30%以上城市實(shí)現(xiàn)“限粘”。在此背景下，砌體結(jié)構(gòu)正處于改革發(fā)展之中，尤其在替換傳統(tǒng)實(shí)心粘土磚方面，各種墻體材料推陳出新，發(fā)展迅猛。頁(yè)巖多孔磚因其高強(qiáng)度、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)砌體結(jié)構(gòu)中廣泛使用。傳統(tǒng)實(shí)心燒結(jié)粘土磚在原材料、生產(chǎn)工藝上與矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚不同，故兩者抗壓強(qiáng)度是否有異，本文將對(duì)這一問題進(jìn)行研究。

矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體的抗壓強(qiáng)度及其彈性模量是砌體結(jié)構(gòu)基本指標(biāo)，是砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形計(jì)算、動(dòng)力分析和有限元模擬的重要參數(shù)［1］，其取值大小直接影響到砌體結(jié)構(gòu)建筑物的經(jīng)濟(jì)性與安全性。但國(guó)內(nèi)外對(duì)新生產(chǎn)的矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚進(jìn)行專門研究甚少，其砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究尚剛剛起步［2-9］。本試驗(yàn)在廣西科技大學(xué)輕質(zhì)燒結(jié)頁(yè)巖磚課題組有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究［10-14］基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體的抗壓強(qiáng)度及彈性模量。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用磚

試驗(yàn)選用的矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚由古靈二頁(yè)巖磚廠生產(chǎn)制備，其規(guī)格尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，實(shí)際尺寸偏差±2 mm，孔洞率為28.48%，磚型見圖1(a);試驗(yàn)用傳統(tǒng)燒結(jié)粘土磚規(guī)格尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，磚型見圖1(b)，用于與矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 試驗(yàn)用的兩種磚型Fig.1 Two kinds of brick type used in the experiment

每種磚型各隨機(jī)抽取10 塊進(jìn)行單磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)測(cè)值見表1。

表1 試驗(yàn)用磚的抗壓強(qiáng)度值Tab.1 Measured value of the compressive strength for bricks

1.2 試驗(yàn)砂漿

砂漿的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)于矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體的抗壓強(qiáng)度有著顯著的影響。本次試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度為M7.5、M10、M15 共3 種強(qiáng)度等級(jí)水泥混合砂漿。按照規(guī)范要求，嚴(yán)格控制材料用量配比制作，并分3 組，每組為6 件，將砂漿試件和軸壓矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體試件一同放置于同一室溫下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 抗壓試件

矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚和燒結(jié)粘土磚分別與3 種上述強(qiáng)度砂漿進(jìn)行組合，總共6 種組合，每組3 個(gè)試件，總計(jì)18 個(gè)試件，各組試件中各選1 個(gè)去進(jìn)行彈性模量試驗(yàn)。矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體尺寸為365 mm×240 mm×710 mm(長(zhǎng)×厚×高)，砌筑時(shí)砌體底部墊約10 mm 厚找平剛性鋼板，砌體上下均用10 mm厚水泥砂漿找平。燒結(jié)粘土磚砌體試件由12 皮磚砌筑而成，尺寸為365 mm×240 mm×710 mm(長(zhǎng)×厚×高)，砌筑時(shí)砌體底部墊約10 mm 厚找平剛性鋼板，砌體上下均用10 mm 厚水泥砂漿找平。

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 試驗(yàn)裝置布置

為防止砌體試件上下兩承壓面與試驗(yàn)機(jī)壓力板由于砌筑原因?qū)е碌牟黄秸绊懺囼?yàn)結(jié)果，分別在試件上下兩面添加50 mm 厚找平鋼板，并且在鋼板與砌體試件之間墊上1 層約5 mm 厚細(xì)砂，使得整個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件之間密實(shí)。最后，將試件與裝置進(jìn)行幾何對(duì)中。

根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的布置，測(cè)點(diǎn)裝置布置如圖2 所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)裝置布置Fig.2 Plant arrangement of measuring points

1.4.2 加載制度

矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體軸壓試驗(yàn)在200 T 精密液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行。初始加載采用荷載分級(jí)均勻加載方式，每級(jí)預(yù)估破壞荷載為10%，在1 ～1.5 min 內(nèi)均勻逐漸加載完畢，恒載1 ～2 min 之后施加下一級(jí)荷載，在施加荷載時(shí)不得沖擊試件。加載到達(dá)預(yù)估破壞荷載值約80%之時(shí)卸下百分表，繼續(xù)加載至試件破壞。

整個(gè)試驗(yàn)過程中，詳細(xì)記錄好每個(gè)試件的開裂荷載、極限荷載以及百分表讀數(shù)，注意觀察磚砌體裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

3.1.1 矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體試件破壞過程

試件出現(xiàn)第一批初裂縫、裂縫貫通與試件的破壞如圖3 所示，試件破壞過程大致可以分為以下3 個(gè)階段。

第一階段:試件基本處于彈性受力狀態(tài)階段，目標(biāo)荷載約為極限荷載40%～60%。從試件開始受壓到單磚內(nèi)出現(xiàn)豎向發(fā)絲裂縫，一般在單塊磚強(qiáng)度較低的地方或在不太飽滿的豎向灰縫出現(xiàn)第一批裂縫稍微增長(zhǎng)、變寬，如圖3(a)所示。在此階段中，如果荷載不增加，位移計(jì)數(shù)器讀數(shù)保持不變。

第二階段:當(dāng)荷載增加到極限荷載80%～90%時(shí)，第一批發(fā)絲裂縫逐漸發(fā)展，并且沿著豎向通過臨近磚，逐漸形成一段段連續(xù)裂縫，如圖3(b)所示。這表明磚砌體已進(jìn)入彈塑性受力階段。此時(shí)即使不增加荷載，裂縫也繼續(xù)發(fā)展，位移計(jì)數(shù)器讀數(shù)增大速率較快。在實(shí)際工程中，若產(chǎn)生如此裂縫可認(rèn)為該砌體已經(jīng)接近破壞，已是結(jié)構(gòu)處于危險(xiǎn)狀態(tài)的情況。

第三階段:裂縫基本貫通整個(gè)試件，個(gè)別磚甚至被壓碎，多孔磚砌體頂部磚出現(xiàn)脫皮、外鼓，并伴隨局部掉塊，然而實(shí)心磚沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。最終試件被裂縫分割成若干獨(dú)立小柱體，此時(shí)試件完全喪失承載力而破壞，如圖3(c)所示。

圖3 矩形孔頁(yè)巖磚砌體破壞階段Fig.3 Rectangular hole sinter shale brick masonry failure stage

3.1.2 普通燒結(jié)粘土磚砌體試件破壞過程

普通燒結(jié)粘土磚砌體破壞過程與矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體破壞過程大概一致，但矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體第一批裂縫出現(xiàn)時(shí)間較普通燒結(jié)粘土磚砌體裂縫出現(xiàn)時(shí)間晚，彈性形變時(shí)間更長(zhǎng)，裂縫較之更大?？梢钥闯觯匦慰谉Y(jié)頁(yè)巖磚砌體相對(duì)于普通燒結(jié)粘土磚砌體表現(xiàn)出更明顯的脆性特征。

3.2 矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體抗壓試驗(yàn)結(jié)果及公式表達(dá)

表3 給出了矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，砂漿強(qiáng)度對(duì)砌體抗壓強(qiáng)度影響較大。根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB500003-2011，砌體抗壓強(qiáng)度平均值fm計(jì)算公式為:

式(1)中，f1為試件抗壓強(qiáng)度平均值(MPa);f2為砂漿抗壓強(qiáng)度平均值(MPa);α、k1、k2為系數(shù)，α 取0.5，k1取0.78，k2取1。

從表3 可以發(fā)現(xiàn)，規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差別偏大，矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚實(shí)測(cè)值與規(guī)范值比值見表3。

從表3 可以看出，矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值高于現(xiàn)行規(guī)范公式計(jì)算值，隨著砂漿強(qiáng)度的增加，之值逐漸降低，3 組計(jì)算值分別為1.38、1.31、1.19。由此可知，矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體抗壓強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，且安全儲(chǔ)備較大。

表3 矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體抗壓強(qiáng)度Tab.3 Rectangular hole sinter shale brick masonry compressive strength

3.3 矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體的彈性模量

砌體彈性模量是砌體基本力學(xué)指標(biāo)，是砌體結(jié)構(gòu)變形計(jì)算、動(dòng)力分析及有限元模擬必不可少的重要參數(shù)之一。要對(duì)矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖磚砌體的基本力學(xué)性能進(jìn)行進(jìn)一步研究，就必須要考察其彈性模量的取值。

由于試驗(yàn)中當(dāng)荷載加至預(yù)估破壞荷載值80%時(shí)卸下了百分表。因此，本次試驗(yàn)只測(cè)出砌體應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 JK-MX 應(yīng)力－應(yīng)變圖Fig.4 JK-MXStress-strain diagrams

圖5 NT-MX 應(yīng)力－應(yīng)變圖Fig.5 NT-MX Stress-strain diagrams

根據(jù)施楚賢教授提出應(yīng)力-應(yīng)變曲線σ=0.4fm時(shí)的割線模量為該砌體的彈性模量［15］，并按式(1)計(jì)算:

式(2)中，E 為彈性模量;fc，m為極限抗壓強(qiáng)度;ε0.4為對(duì)應(yīng)于0.4fc，m時(shí)的軸向應(yīng)變值。

試驗(yàn)結(jié)果見表4，表中E0表示為彈性模量試驗(yàn)值，E1表示彈性模量規(guī)范值。

由表4 可看出，當(dāng)砂漿實(shí)測(cè)強(qiáng)度分別為8.10、11.00、15.90 MPa 時(shí)，矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體實(shí)測(cè)彈性模量值分別為矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體規(guī)范值的1.02 倍，1.08 倍，1.10 倍，平均為1.07 倍，符合規(guī)范要求。因此，矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算彈性模量可行。

表4 彈性模量實(shí)測(cè)值與規(guī)范值的比較Tab.4 Elastic modulus measured values compared with the standard values

4 結(jié) 語(yǔ)

①矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體的抗壓強(qiáng)度與塊材強(qiáng)度以及砂漿強(qiáng)度有關(guān)，隨著砂漿強(qiáng)度的提高，試件破壞荷載增大，抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)增大。

③矩形孔燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體彈性模量與砌體抗壓強(qiáng)度有關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果表明，用現(xiàn)行規(guī)范公式計(jì)算合適，結(jié)果可靠。

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