EPS輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊砌體抗壓性能研究

吳輝琴,解小娟,李　青,吳　超,王痛快,李　柱,劉　鵬

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西柳州545006)

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EPS輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊砌體抗壓性能研究

吳輝琴,解小娟,李青,吳超,王痛快,李柱,劉鵬

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西柳州545006)

聚苯乙烯混凝土砌塊砌體；抗壓性能；試驗(yàn)研究

0　引　言

在國(guó)家“禁粘”的大背景下，發(fā)展輕質(zhì)、節(jié)能、環(huán)保、利廢、高強(qiáng)的砌塊是墻體材料改革的主流方向。聚苯乙烯泡沫(簡(jiǎn)稱EPS)是一種非極性的輕質(zhì)憎水性材料，將這種超輕的EPS集料以不同摻量加入水泥混凝土中，可制作出密度不同的EPS混凝土砌塊，用于房屋的墻體材料，可獲得優(yōu)良的保溫性能，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目的。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者專家利用EPS良好的保溫性能，制成墻體外保溫層材料，或作為填充料，填充在空心砌塊孔洞內(nèi)，成為內(nèi)保溫墻體。這些做法雖然很好地解決房屋的保溫問(wèn)題，但EPS作為墻體外保溫層使用壽命較短，后期維護(hù)工作會(huì)很多；而作為填充料內(nèi)保溫墻體，施工工序又太復(fù)雜。將EPS作為輕骨料制成不同強(qiáng)度等級(jí)的輕質(zhì)節(jié)能混凝土，能很好的解決上述問(wèn)題。

文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[5]以工業(yè)廢料粉煤灰、礦粉雙摻取代50%～70%的水泥，加入3%～5%的硫酸鈉激活，并以EPS顆粒為輕骨料，通過(guò)水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)輕骨料表面改性，采用特殊工藝自然養(yǎng)護(hù)成型，研制出強(qiáng)度等級(jí)為MU5～MU20，折壓比在0.3～0.20范圍、表觀密度在1 200～1 750 kg/m3之間，導(dǎo)熱系數(shù)在0.184～0.202 W/(m·K)范圍的輕型節(jié)能混凝土砌塊，該砌塊兼具保溫和承重雙重功能。本文選擇兩種配比的EPS輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊開(kāi)展抗壓試驗(yàn)，分析砂漿種類、強(qiáng)度等級(jí)等對(duì)EPS砌體抗壓強(qiáng)度的影響，給出了該砌體抗壓強(qiáng)度平均值建議公式和受壓本構(gòu)關(guān)系，提出EPS砌塊砌體彈性模量、泊松比的建議取值，為該新型節(jié)能混凝土砌塊企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制及新材料的推廣應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　EPS混凝土砌塊砌體的抗壓試驗(yàn)

1.1試件的設(shè)計(jì)制作

1.1.1EPS砌塊

EPS砌塊是本課題組研制的一種新型墻體材料，砌塊規(guī)格尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，同實(shí)心普通標(biāo)準(zhǔn)磚。本文選擇強(qiáng)度等級(jí)為MU15、MU5的EPS砌塊(EPS摻量分別為20%和40%)開(kāi)展抗壓性能實(shí)驗(yàn)研究，依據(jù)《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542-2012)[6]測(cè)出EPS砌塊抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

表1　聚苯乙烯泡沫(EPS)砌塊強(qiáng)度實(shí)測(cè)值Tab.1　The tested compressive strength of expanded polystyrene (EPS) block

1.1.2砂漿

因EPS混凝土砌塊中摻有較大比例的聚苯乙烯顆粒，致使砌塊與普通砂漿的粘結(jié)力相對(duì)較弱，不易掛漿，尤其是豎向灰縫。本文通過(guò)試驗(yàn)獨(dú)立配置了一種EPS砌塊的專用砂漿，為更好研究EPS砌塊砌體抗壓性能，本文選用了強(qiáng)度等級(jí)為Mb5、Mb10、Mb15的專用砂漿與強(qiáng)度等級(jí)為M10、M15的普通砂漿砌筑EPS砌塊，且漿料均按1∶4的水料比拌合。砂漿的實(shí)際強(qiáng)度值按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/70 2009)[7]要求制作和測(cè)定，實(shí)測(cè)的普通砂漿和專用砂漿強(qiáng)度值見(jiàn)表2。

表2　砂漿強(qiáng)度實(shí)測(cè)值Tab.2　The tested compressive strength of mortar

1.1.3試件設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129-2011)[8]規(guī)定，制作240 mm×370 mm×756 mm(高厚比β=3)EPS砌塊砌體抗壓試件8組，編號(hào)A～H，分別是M10、M15普通砂漿砌筑MU15EPS砌塊，Mb5、Mb10、Mb15專用砂漿砌筑MU15、MU5 EPS砌塊，分組情況見(jiàn)表3。試件砌筑在帶有起吊環(huán)的鋼墊板上，砌筑工程由同一個(gè)工人完成，每組3個(gè)樣品，灰縫控制在10～12 mm間，并預(yù)留砂漿試塊測(cè)其抗壓強(qiáng)度。砌筑完成后，在試件面上坐1∶3找平砂漿并找平，然后室內(nèi)自然條件養(yǎng)護(hù)28 d。砌筑完成的構(gòu)件見(jiàn)圖1。

表3　EPS混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度值fa實(shí)測(cè)值Tab.3　The experiment values of compression strength of EPS block concrete masonry (fa)

1.2加載裝置及方案

抗壓試驗(yàn)在廣西科技大學(xué)YES-500長(zhǎng)柱壓力機(jī)上開(kāi)展，加載裝置見(jiàn)圖2，采用分級(jí)加載制度。首級(jí)荷載取預(yù)估破壞荷載的5%，觀測(cè)儀表靈敏度、檢查試件安裝牢固性，而后每級(jí)取預(yù)估破壞荷載的1/10左右值，接近開(kāi)裂和極限時(shí)荷載級(jí)差加密。加載速度均勻連續(xù)，每級(jí)荷載持穩(wěn)3 min，量測(cè)試件豎向、橫向變形。變形觀測(cè)點(diǎn)布在試件兩個(gè)寬側(cè)面的中線和豎向中線上，每面4個(gè)，對(duì)稱布置。

(a) 專用砂漿砌筑構(gòu)件

(b) 普通砂漿砌筑構(gòu)件

圖1抗壓試件

Fig.1The specimens of masonry

(a) 試驗(yàn)機(jī)主體

(b) 試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)

圖2加載裝置

Fig.2The specimens for the loading way

2　試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1受力過(guò)程

EPS砌體試件受壓全過(guò)程與普通混凝土砌塊砌體相似，加載至破壞分成三個(gè)階段：彈性階段、裂縫發(fā)展階段和破壞階段。

①M(fèi)U15EPS砌體fe=(0.5～0.7)fu(fe、fu分別為彈性極限和極限應(yīng)力)，fcr=(0.64～0.84)fu(fcr為開(kāi)裂應(yīng)力)，首支裂縫在試件寬側(cè)面加載板下出現(xiàn)。而MU5砌體fe=(0.6～0.7)fu，fcr=(0.74～0.91)fu，首支裂縫位置也在寬側(cè)面加載板下。

②裂縫出現(xiàn)后，隨著壓力的不斷增大，裂縫由加載板下陸續(xù)出現(xiàn)一些細(xì)小裂縫，逐漸向砌塊內(nèi)部發(fā)展，通過(guò)1～3塊砌塊后，形成貫通裂縫，此時(shí)即使構(gòu)件應(yīng)力不增大，裂縫也會(huì)繼續(xù)發(fā)展。

③當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到(0.85～0.92)fu后，裂縫迅速加長(zhǎng)加寬，且單磚裂縫不斷的貫通，砌體的壓縮變形逐漸增大，最終都因側(cè)面裂縫驟然加寬而破壞，EPS砌塊砌體破壞時(shí)裂縫分布見(jiàn)圖3和圖4。砌體受壓破壞時(shí)裂縫不多，比較細(xì)(初始裂縫0.5～1.5 mm，極限貫通裂縫2～4 mm)，裂縫主要集中在砌塊頂面，整個(gè)加載過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)砌塊破損剝落情況，主裂縫在寬側(cè)面上。

(a) 前寬側(cè)面

(a) 前寬側(cè)面

2.2開(kāi)裂荷載、極限荷載與抗壓強(qiáng)度

EPS混凝土砌體開(kāi)裂荷載、極限荷載實(shí)測(cè)值及按實(shí)測(cè)值計(jì)算的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表 3。

①EPS砌體的fe值比普通粘土磚(fe=0.5fu)、粉煤灰磚[fe=(0.3～0.4)fu]的大，fcr亦更接近fu，因此EPS 砌體脆性較重，特別是MU5 EPS砌體，實(shí)測(cè)fcr/fu最大值達(dá)到0.91，幾乎是一裂就壞，且MU5 EPS砌體強(qiáng)度較低，離散性較大，即使砂漿強(qiáng)度增加很多，砌體強(qiáng)度變化不大。因此,MU5 EPS砌塊不宜用于承重墻體材料，建議用作自承重砌體，這也與《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003-2011)[9]對(duì)承重輕骨料混凝土砌塊的最低強(qiáng)度要求相符；

②砂漿相同，砌體強(qiáng)度隨砌塊強(qiáng)度增大而增大，但非線性增長(zhǎng)，砌塊強(qiáng)度越高遞增的速度越慢；

③砌塊強(qiáng)度相同，砌體強(qiáng)度隨著砂漿強(qiáng)度增大而增大，但當(dāng)砂漿強(qiáng)度超過(guò)砌塊強(qiáng)度時(shí)，砌體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度降低，甚至出現(xiàn)強(qiáng)度倒置現(xiàn)象，《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011)通過(guò)控制砌塊最小強(qiáng)度來(lái)防止砌體因?yàn)閴K體的強(qiáng)度不足引起脆性破壞對(duì)EPS砌體也適用，而且利用高強(qiáng)度砂漿并不能有效的改進(jìn)砌體的抗壓性能，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)。

④專用砂漿砌筑的EPS砌體的強(qiáng)度高于普通砂漿砌筑的EPS砌體強(qiáng)度10%左右，且專用砂漿砌筑墻體質(zhì)量好，外形美觀。

3　EPS砌塊砌體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算表達(dá)式

3.1基于規(guī)范公式構(gòu)建的EPS砌塊砌體抗壓強(qiáng)度公式

EPS砌塊砌體受力機(jī)理和破壞特點(diǎn)與普通混凝土砌塊砌體基本一致，可采用《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003-2011)[9]中混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式(1)進(jìn)行架構(gòu)。

(1)

式中,fm為砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算值；f1、f2為砌塊和砂漿抗壓強(qiáng)度平均值；α、k1為塊材形狀、尺寸及施工方法等因素的影響系數(shù)；k2為砂漿強(qiáng)度影響的修正系數(shù)，對(duì)混凝土砌塊砌體f2≠0，k2=1。

由公式(1)，考慮EPS砌體組成成分，參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]，初選系數(shù)k1=0.78,α=0.5,k2=1，EPS砌體抗壓強(qiáng)度公式：

fm=0.78f10.5(1+0.07f2)。

(2)

將實(shí)測(cè)砂漿和塊體強(qiáng)度f(wàn)1、f2帶入公式(2)，計(jì)算fm列入表4。對(duì)照實(shí)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)用《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011)計(jì)算EPS混凝土砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度值有較多的富裕，尤其對(duì)專用砂漿而言，規(guī)范值比實(shí)測(cè)值小較多，fa/fm在1.09～1.61之間，平均值達(dá)到1.24。這是由于EPS混凝土砌塊自身的破壞特點(diǎn)以及砌體所用專用砂漿與砌塊粘結(jié)良好等原因產(chǎn)生的，因此采用《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011)中公式(2)雖可靠，但較為浪費(fèi)材料。筆者應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，將EPS砌體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行多元回歸分析，得到統(tǒng)一的EPS砌體抗壓強(qiáng)度平均值fm修正公式(3)：

(3)

再將實(shí)測(cè)砂漿和塊體強(qiáng)度值帶入計(jì)算式(3)，計(jì)算fm1列入表4。并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，得到公式(3)的相關(guān)性系數(shù)R=0.969，標(biāo)準(zhǔn)差SD為0.288，說(shuō)明公式(3)的擬合性較好。

3.2基于彈性理論構(gòu)建EPS砌塊砌體抗壓強(qiáng)度公式

基于彈性理論的分析方法，是通過(guò)研究砌體受壓的破壞機(jī)理建立強(qiáng)度計(jì)算表達(dá)式的分析方法。Francis A J等[12]早在20世紀(jì)70年代就根據(jù)單塊磚疊砌的棱柱體受壓試件，建立了砌體抗壓強(qiáng)度公式。由Francis A J理論及朱麗華等[13-16]假設(shè)：

①砌體在豎向(y方向)壓力作用時(shí)，砌塊橫向(x、z方向)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而砂漿內(nèi)橫向則產(chǎn)生壓應(yīng)力；

②不考慮豎向壓力下砂漿和砌塊間的錯(cuò)動(dòng)，即兩者粘結(jié)良好；

③不考慮承壓板與構(gòu)件之間的“套箍作用”。

由此建立砌體的計(jì)算模型如圖5所示。設(shè)塊體尺寸長(zhǎng)×寬×高為l×w×tb；砂漿厚為tm；則σyb=σym=σy=fm2，其中σyb為塊體正應(yīng)力，σym為砂漿正應(yīng)力，σy=fm2為砌體正應(yīng)力；εxm、εzm為砂漿x、z方向的變形；νb、νm為塊體和砂漿的泊松比；Eb、Em為塊體和砂漿的彈性模量。

由Francis砌體破壞模型圖6[13]得到：

(4)

式中，σtb、σcb為塊體的單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度。

圖5塊體與砂漿分離計(jì)算模型

Fig.5A model for calculating of brock and mortar

圖6Francis砌體受壓破壞模型

Fig.6Francis masonry compression

damage model

考慮砌體受壓時(shí)變形條件、物理?xiàng)l件和力學(xué)平衡條件，建立砌體塊體應(yīng)力關(guān)系為：

(5)

將式(4)帶入式(5)，取α=tb/tm，β1=Eb/Em，并考慮αβ1(1-νm)遠(yuǎn)大于(1-νb)，得到：

(6)

式中，泊松比νb、νm及塊體的壓強(qiáng)—拉強(qiáng)比σcb/σtb是一常量，彈性模量Eb、Em又與f1、f2有關(guān)，公式(6)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為f1、f2函數(shù)式。

結(jié)合EPS砌塊砌體受壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Origin數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行多元非線性回歸分析，得到EPS混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度公式，計(jì)算結(jié)果用fm2表示：

(7)

將實(shí)測(cè)f1、f2值帶入式(7)計(jì)算fm2，結(jié)果也列入表4，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，得到公式(7)的相關(guān)性系數(shù)R=0.977，標(biāo)準(zhǔn)差SD為0.26，說(shuō)明公式(7)擬合效果較好。

3.3EPS砌塊砌體抗壓強(qiáng)度建議公式

匯總公式(2)、(3)、(7)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值fa比較，分析擬合度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　EPS砌塊砌體抗壓強(qiáng)度值擬合對(duì)比Tab.4　The contrast fitting data of compression strength for EPS concrete block masonry

由表4知：采用經(jīng)驗(yàn)回歸計(jì)算方法和彈性理論分析方法推導(dǎo)的公式(3)與公式(7)計(jì)算出的砌體抗壓強(qiáng)度，與實(shí)測(cè)值擬合度高，也比較經(jīng)濟(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)都具有參考意義。但鑒于計(jì)算形式和計(jì)算簡(jiǎn)化方式，建議采用與《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011)中的公式形式相近的公式(3)作為EPS混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度平均值計(jì)算公式。

4　EPS 混凝土砌塊砌體受壓變形性能

4.1EPS砌塊砌體本構(gòu)關(guān)系

本文在對(duì)比分析指數(shù)型、多項(xiàng)式型、對(duì)數(shù)型等砌體結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析采用對(duì)數(shù)型模型[17]建立EPS砌塊砌體本構(gòu)關(guān)系，得到：

①EPS承重砌塊砌體本構(gòu)關(guān)系(以MU15EPS砌塊砌體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立)：

(8)

②EPS自承重砌塊砌體本構(gòu)關(guān)系(以MU5EPS砌塊砌體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立)：

(9)

經(jīng)測(cè)算：公式(8)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R=0.935、方差為0.07；公式(9)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R=0.901、方差為0.105，兩者均擬合較好。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與公式(8)、(9)計(jì)算結(jié)果，繪制EPS砌塊砌體受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖7所示。從圖7知公式(8)、(9)能較好的反映砌體結(jié)構(gòu)單軸受壓上升段的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并與實(shí)測(cè)曲線值吻合較好。

(a) EPS承重砌塊砌體

(b) EPS自承重砌塊砌體

圖7EPS砌塊砌體應(yīng)力—應(yīng)變曲線

Fig.7Stress-strain curve of EPS concrete masonry

4.2 EPS砌塊砌體彈性模量

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003-2011)對(duì)砌體彈性模量取值的規(guī)定，取σ=0.43fm[18]代入公式(8)和(9)，推導(dǎo)彈性模量計(jì)算公式：

①EPS承重混凝土砌塊砌體：

10)

②EPS自承重混凝土砌塊砌體：

(11)

實(shí)測(cè)值與公式計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，兩者符合度較好，滿足要求。

表5　彈性模量對(duì)比Tab.5　Comparison of elastic modulu

4.3EPS砌塊砌體泊松比

實(shí)測(cè)EPS塊砌體泊松比均值分別為0.195(承重墻)與0.223(自承重墻)。

采用四川省建筑科學(xué)研究所建立的磚砌體泊松比計(jì)算模型，對(duì)照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析，得到EPS砌體泊松比計(jì)算公式(12)、(13)，回歸曲線見(jiàn)圖8。

①EPS承重混凝土砌塊砌體：

(12)

②EPS自承重混凝土砌塊砌體：

(13)

將σ=0.43fm[18]代入公式(12)、(13)得到泊松比均值分別為0.199(承重墻)與0.252(自承重墻)。因此，EPS混凝土砌塊砌體泊松比較普通粘土磚砌體泊松比(ν=0.12～0.16)大，且隨著EPS摻量增大泊松比會(huì)增大。綜合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮材料的離散性，建議EPS承重混凝土砌塊砌體泊松比為0.190，EPS自承重混凝土砌塊砌體為0.220。

(a) EPS承重砌塊砌體

(b) EPS自承重砌塊砌體

圖8EPS砌塊砌體泊松比回歸曲線

Fig.8The regression curve of Poisson ratio for EPS masonry

5　結(jié)　論

①EPS混凝土砌塊砌體試件受壓全過(guò)程與普通混凝土砌塊砌體相似，但初裂應(yīng)力與極限應(yīng)力的比值較普通混凝土砌塊砌體大，因此脆性明顯；

④砌體強(qiáng)度隨砌塊強(qiáng)度增大而增大，但非線性增長(zhǎng)，砌塊強(qiáng)度越高遞增的速度越慢；

⑤砌體強(qiáng)度隨著砂漿強(qiáng)度增大而增大，但當(dāng)砂漿強(qiáng)度超過(guò)砌塊強(qiáng)度時(shí)，砌體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度降低，甚至出現(xiàn)強(qiáng)度倒置現(xiàn)象，因此高強(qiáng)度砂漿并不能有效的改進(jìn)砌體的抗壓性能，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)；

⑥專用砂漿砌筑的EPS混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度較普通砂漿砌筑的高10%左右，且外觀質(zhì)量好，而自制專用砂漿價(jià)格與普通砂漿砌筑混凝土砌塊相差不大，建議采用專用砂漿砌筑。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁健)

Research on compressive performance of EPS lightweight energy-saving concrete masonry

WU Hui-qin, XIE Xiao-juan, LI Qing, WU Chao, WANG Tong-kuai, LI Zhu, LIU Peng

(School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

expanded polystyrene (EPS) concrete masonry; compressive performance; experimental study

2016-04-02；

2016-06-17

廣西科技廳科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目 (桂科攻1598007-5)；柳州市科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目 (2013B030402)；廣西科技大學(xué)科學(xué)基金項(xiàng)目(?？谱?419209)

吳輝琴(1965—)，女，廣東恩平人，廣西科技大學(xué)教授；E-mail：whq6329@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0982

TU522.3+3

A

1001-7445(2016)04-0982-10

引文格式：吳輝琴,解小娟,李青,等.EPS輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊砌體抗壓性能研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：982-991.