蒸壓加氣混凝土砌塊抗剪性能試驗(yàn)研究

劉　磊，陳國(guó)新，蘇　枋，呂信敏

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊　830052)

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蒸壓加氣混凝土砌塊抗剪性能試驗(yàn)研究

劉磊，陳國(guó)新，蘇枋，呂信敏

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052)

對(duì)3組普通加氣混凝土砌塊試件和2組玻璃纖維加氣混凝土砌塊試件進(jìn)行雙面剪切試驗(yàn)，研究砌塊強(qiáng)度等級(jí)、纖維體積率對(duì)加氣混凝土砌塊抗剪性能的影響；依據(jù)掃描電鏡(SEM)結(jié)果，分析纖維對(duì)其抗剪性能的影響機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著砌塊強(qiáng)度等級(jí)提高其抗剪強(qiáng)度逐漸增大，B06級(jí)砌塊的變形、抗剪強(qiáng)度比B05級(jí)分別提高14.3%、28.1%，B07級(jí)砌塊的變形、抗剪強(qiáng)度比B06級(jí)分別提高18.5%、29.2%； 纖維體積率2.5%的B06級(jí)蒸壓加氣混凝土砌塊比不摻纖維B06級(jí)砌塊的平均極限變形、初裂抗剪強(qiáng)度、極限抗剪強(qiáng)度分別提高10.5%、 2.4%、4.9%，纖維體積率5%的B06級(jí)蒸壓加氣混凝土砌塊比不摻纖維B06級(jí)砌塊的平均極限變形、初裂抗剪強(qiáng)度、極限抗剪強(qiáng)度提高19.5%、7.3%、12.2%；玻璃纖維與水化產(chǎn)物形成的網(wǎng)絡(luò)狀三維支撐體系是增強(qiáng)其抗剪性能及變形的主要原因。

加氣混凝土砌塊； 玻璃纖維； 雙面剪切試驗(yàn)； 抗剪性能； 掃描電鏡

1　引　言

隨著我國(guó)政府對(duì)環(huán)境保護(hù)、建筑降低能耗、低碳建筑的逐漸重視，施工企業(yè)逐步開始減少對(duì)粘土磚的使用量，然而生產(chǎn)一種生態(tài)環(huán)保型、低碳型墻體材料取代粘土磚已經(jīng)成為必然趨勢(shì)[1,2]。蒸壓加氣混凝土砌塊(以下簡(jiǎn)稱AAC砌塊)是以硅質(zhì)和鈣質(zhì)材料為主要原材料，以鋁粉為發(fā)氣劑，經(jīng)加水?dāng)嚢?、澆筑成型、蒸壓養(yǎng)護(hù)等工藝過程制作而成的具有一定強(qiáng)度的砌塊，它一方面有具有質(zhì)輕、防火、隔音、保溫、環(huán)保、抗震等優(yōu)點(diǎn)，另一方面其造價(jià)比普通磚低，是一種目前世界各國(guó)大量推廣的生態(tài)環(huán)保型、低碳型建筑墻體材料[3]。隨著AAC砌塊應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大和研究工作不斷深入，高校及科研院所除了研究AAC砌塊的抗壓性能，其抗剪性能也開始引起人們重視。AAC砌塊開始應(yīng)用在廣大村鎮(zhèn)地區(qū)低層、多層住宅的承重墻及RC—加氣混凝土砌塊組合墻[4]，其作為承重墻墻體的抗剪強(qiáng)度是墻體發(fā)生剪壓破壞的一個(gè)重要的參考指標(biāo)，然而國(guó)內(nèi)外關(guān)于AAC砌塊及纖維增強(qiáng)加氣混凝土砌塊的抗剪性能試驗(yàn)鮮有研究，探究其抗剪性能及破壞機(jī)理具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

為了改善AAC砌塊的抗剪性能，在不影響AAC砌塊生產(chǎn)工藝情況下，加入一定含量的玻璃纖維增強(qiáng)其抗剪強(qiáng)度和變形性能。本文通過AAC砌塊及玻璃纖維增強(qiáng)AAC砌塊的雙面剪切試驗(yàn)，并利用掃描電鏡(SEM)對(duì)其微觀進(jìn)行分析[5-7]。研究分析強(qiáng)度等級(jí)和體積率的玻璃纖維對(duì)AAC砌塊抗剪性能的影響；根據(jù)掃描電鏡的圖像，從微觀角度分析玻璃纖維對(duì)AAC砌塊抗剪性能影響機(jī)理。

2　試　驗(yàn)

2.1砌塊試件的制作

AAC砌塊的制備在新疆烏魯木齊市新市區(qū)安寧渠鎮(zhèn)金銘新型建材廠進(jìn)行，按照AAC砌塊常見B05、B06、B07級(jí)別的配合比制備出三組砌塊，按照B06級(jí)的配合比制備出玻璃纖維體積率為2.5%、5%兩組砌塊，其中玻璃纖維的主要性能參數(shù)見表1 。參考《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》CECS13-89[8]的規(guī)定，把成型砌塊切割成尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的梁式砌塊作為抗剪試件，共制作5組30個(gè)試件，如表2所示。

表1玻璃纖維特征參數(shù)

Tab.1Characteristic parameters of glass fiber

FibertypeDensity/g/cm3Diameter/μmLength/mmMeltingpoint/℃Elongation/%Tensilestrength/MPaModulusofelasticity/GPaBunchymonofilament2.5415-2010-1580056297.6

表2試驗(yàn)分組

Tab.2Test grouping

GroupingFibertypeVolumerateoffiber/%SpecimennumberB05-1Nothing01-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6B06-2Nothing02-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6B07-3Nothing03-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6B06-4Glassfiber2.54-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6B06-5Glassfiber55-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在 REGER牌萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，依據(jù)《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》GB/T 11969-2008[10-12]、《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》CECS13-89及國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[9]對(duì)試件進(jìn)行雙面剪切試驗(yàn)。

(1)首先測(cè)定試件實(shí)際尺寸，按照如圖1所示在試件上畫出垂直預(yù)留線，陰影為預(yù)留剪切斷面；將試件水平放在加載板上，上下刀口與預(yù)留線對(duì)齊，如圖2所示。

(2)對(duì)試件連續(xù)、均勻加荷，加載速率取0.1 KN/S，直至試件剪斷，試件剪斷后應(yīng)立即卸去荷載，記錄最大破壞荷載并檢查破壞面，若破壞面不沿預(yù)留線破壞則試驗(yàn)結(jié)果無效。

AAC砌塊試件的抗剪強(qiáng)度按下式計(jì)算：

FMax-試件的最大荷載值，N；b和h-破壞截面平均寬度和高度,mm；f-試件抗剪強(qiáng)度，MPa。

圖1　預(yù)留剪切面Fig.1　Reserve shear plane

圖2　雙面直剪試驗(yàn)Fig.2　Double direct shear test

(3)利用配有X射線能譜儀的掃描電鏡(SEM)儀器，按照掃描電鏡操作步驟對(duì)5組試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察分析。

3　結(jié)果與討論

3.1剪切試驗(yàn)現(xiàn)象

不摻纖維試件加載時(shí)，隨著荷載逐漸增大，剪切墊板的上下刀口慢慢壓入試件，在刀口進(jìn)入砌塊達(dá)到3～7 mm時(shí)，刀口處會(huì)有少量的砌塊小碎粒，并與砌塊脫離，在加載過程中可以聽到砌塊斷裂的聲音；荷載繼續(xù)增大，上下刀口垂直預(yù)留線的中部出現(xiàn)可見的細(xì)微裂縫時(shí)，試件瞬間沿兩個(gè)剪切面發(fā)生破壞且被分割成三部分，如圖3所示，伴有小碎粒蹦出；試件破壞前無明顯的征兆，屬于典型的脆性破壞。通過觀察試件破壞面可以發(fā)現(xiàn)，剪切破壞面近似成一平面，輪廓比較清晰，且破壞面兩邊的基體材料仍堅(jiān)實(shí)、沒有損壞。

圖3　蒸壓加氣混凝土砌塊試件的破壞形態(tài)Fig.3　The damage form of specimens of autoclaved aerated concrete block

對(duì)于摻玻璃纖維試件，開始加載時(shí)與AAC砌塊試驗(yàn)現(xiàn)象一樣，刀口處也會(huì)出現(xiàn)砌塊的小碎粒，但是小碎粒并沒有從砌塊上剝落，而是通過玻璃纖維與試件連接；試驗(yàn)期間不僅聽到砌塊斷裂的聲音，還能聽到玻璃纖維斷裂聲；當(dāng)試件沿剪切面中部出現(xiàn)可見的細(xì)微裂縫時(shí)，試件并沒有瞬間破壞，隨著受力荷載緩慢地增加，微裂縫開始延伸，且裂縫附近的細(xì)微裂縫的數(shù)量逐漸增加并沿向上下刀口處進(jìn)一步蔓延、連接、貫通，最后發(fā)出“砰”一聲試件沿兩剪切面破壞并分割成三部分，有極少小碎粒蹦出；試件的破壞前有一定征兆，并表現(xiàn)出一定的延性。觀察試件斷裂面發(fā)現(xiàn)，位于裂縫處的玻璃纖維被拔出或拉斷，斷裂面上玻璃纖維亂向分布在孔壁的周圍，形成良好孔洞的骨架，從而提高其破壞的抗剪性能，使其破壞時(shí)具有一定延性。

3.2荷載—變形性能

不摻纖維試件及摻玻璃纖維試件的荷載—變形關(guān)系曲線(曲線只取至極限荷載的值)，如圖4所示。從圖4a中可以看出，對(duì)于不摻玻璃纖維試件，隨著強(qiáng)度等級(jí)提高試件的極限荷載和變形逐漸增大，且B06級(jí)砌塊的極限變形比B05級(jí)極限變形平均提高14.3%，B07級(jí)砌塊的極限變形比B06級(jí)極限變形平均提高18.5%；不加玻璃纖維試件剪切破壞的荷載與變形表現(xiàn)為線性關(guān)系，這種線性關(guān)系反映了材料“一裂即壞”的脆性破壞這個(gè)特點(diǎn)：在預(yù)留剪切破壞面中部出現(xiàn)可見裂縫后，試件隨之發(fā)生破壞，其變形能力差，脆性大，破壞極具突然性，即典型的“一裂即壞”。

從圖4b可知，在摻入玻璃纖維B06級(jí)試件，隨著玻璃纖維體積率的增大其極限荷載和變形逐漸提高；玻璃纖維體積率2.5%、5.0%時(shí)，其極限變形比B06級(jí)不加纖維試件分別提高10.5%、 19.5%；從曲線B06-4、B06-5可以看出，試件的荷載與變形基本是線性關(guān)系，末段為非線性關(guān)系，說明試件在出現(xiàn)裂縫時(shí)沒有立即破壞，而是出現(xiàn)一段彈塑性階段，達(dá)到極限荷載才破壞。

對(duì)于摻入玻璃纖維試件，其極限荷載比不摻纖維B06級(jí)別試件大，并且表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，其原因主要是玻璃纖維從試件基體中被拔出或拉斷，從而使阻止裂縫發(fā)生和發(fā)展的能力得到進(jìn)一步發(fā)揮?？傮w上講，由于摻纖維AAC砌塊基體與纖維間的粘結(jié)性能比不摻纖維AAC砌塊得到一定改善，玻璃纖維在其基體中能起到較好的增強(qiáng)和增韌效果，使玻璃纖維AAC砌塊具有較高的變形性能。

圖4　剪切荷載—變形曲線(a)未摻纖維試件剪切荷載—變形；(b)摻纖維試件剪切荷載—變形Fig.4　Shear load-deformation curve

3.3抗剪強(qiáng)度

試件平均抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表 3可知，不摻玻璃纖維試件隨著強(qiáng)度等級(jí)提高，其抗剪強(qiáng)度逐漸增大，且在同一強(qiáng)度等級(jí)下其平均初裂抗剪強(qiáng)度與平均極限抗剪強(qiáng)度相同，也驗(yàn)證脆性材料的“一裂即壞”的特點(diǎn)；本文測(cè)得B06級(jí)抗剪強(qiáng)度比B05級(jí)平均提高了28.1%，B07級(jí)抗剪強(qiáng)度分別比B06級(jí)平均提高了29.2%。B06級(jí)隨著摻入纖維體積率的增大，平均初裂抗剪強(qiáng)度、平均極限抗剪強(qiáng)度均有所增大，其摻入玻璃纖維試件的初裂抗剪強(qiáng)度小于極限抗剪強(qiáng)度；纖維體積率為2.5%和5.0%B06級(jí)AAC砌塊，試件平均初裂抗剪強(qiáng)度、極限抗剪強(qiáng)度分別提高了2.4%、4.9%和7.3%、12.2%，摻入玻璃纖維不僅提高AAC砌塊的抗剪強(qiáng)度，還使其材料本身具有一定塑性變形，出現(xiàn)了一些彈塑性變化。綜上所述，摻入玻璃纖維有效增強(qiáng)AAC砌塊內(nèi)部基體之間相互作用，從而提高了AAC砌塊的抗剪強(qiáng)度。

表3平均抗剪強(qiáng)度

Tab.3Shear load-deformation curve

GroupingVolumerateoffiber/%Averageloadoftheearlycrack/MPaAverageloadofultimate/MPaB05-100.320.32B06-200.410.41B07-300.530.53B06-42.50.420.43B06-550.440.46

3.4掃描電鏡分析

材料的微觀結(jié)構(gòu)可以直接反映其力學(xué)性能，所以觀察其微觀結(jié)構(gòu)有助于分析玻璃纖維對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊的作用機(jī)理。掃描電鏡(SEM)觀察不同放大倍數(shù)的AAC砌塊微觀結(jié)構(gòu)照片如圖5所示。

圖5c、f為放大10000倍的無玻璃纖維、玻璃纖維砌塊斷面微觀結(jié)構(gòu)。從兩圖中可以清楚觀察出其基體主要有葉片狀和針狀的物質(zhì)膠結(jié)組成，通過掃描電鏡(SEM)配有X射線能譜儀裝置對(duì)其微觀的成分進(jìn)行分析，基體主要由葉片狀和針狀托勃莫來石與結(jié)晶C-S-H(B) 膠結(jié)組成，且c、f兩基體上的成分及分布方面并無明顯的改變，同時(shí)基體上沒有發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)生成，因此玻璃纖維對(duì)基體水化、硬化過程中生成的物質(zhì)沒有影響。

圖5a可以看到AAC砌塊主要由鋁粉發(fā)氣形成宏觀氣孔以及氣孔周圍的孔壁組成，由此可知AAC砌塊宏觀上的抗剪強(qiáng)度主要由眾多孔壁交錯(cuò)連接所形成的孔壁骨架來承擔(dān)；但是從圖5b可知孔壁骨架結(jié)構(gòu)上存在大量微觀孔隙及基體硬化過程產(chǎn)生的微小收縮裂縫，這些微小裂縫在砌塊受到荷載作用后會(huì)漸漸增大、延伸，對(duì)其抗剪性能及變形具有一定削弱作用。觀察圖5d，從中可觀察到加入玻璃纖維的砌塊的氣孔比圖5a明顯減少，并且有一個(gè)束狀物質(zhì)遮擋部分孔隙；從圖5e可知當(dāng)放大300倍數(shù)時(shí)可清析看出一根玻璃纖維，與圖5b相比并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的微小裂縫；由此可知玻璃纖維與分布在其周邊孔壁骨架形成良好的貫穿連接，覆蓋了部分空隙，使所有孔壁骨架通過玻璃纖維連接一個(gè)整體。眾多亂向分布玻璃纖維摻形成網(wǎng)絡(luò)狀的三維支撐增強(qiáng)體系，提高了AAC砌塊內(nèi)部的整體性。當(dāng)砌塊受到荷載作用時(shí)，無玻璃纖維砌塊孔壁骨架周圍的微小裂縫處會(huì)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫迅速增大、延伸，最終使其發(fā)生脆性破壞[10]，而此時(shí)摻入玻璃纖維的砌塊形成的網(wǎng)絡(luò)狀三維支撐體系能有效減小微小裂縫處的應(yīng)力集中，從而改變裂縫延伸方向及減緩微小裂縫的增大，隨著受力荷載進(jìn)一步增大，玻璃纖維對(duì)砌塊剝離的小碎粒有一定的牽連作用，玻璃纖維從砌塊中被拔出或被拉斷裂都要消耗大量能量，因此摻入玻璃纖維通過改變砌塊基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)而引起其物理力學(xué)性能的變化。綜上所述，摻入玻璃纖維的AAC砌塊的抗剪性能與變形均有一定的提高，這與前面分析的玻璃纖維對(duì)AAC砌塊物理力學(xué)性能提高是相符的。

圖5　試件電鏡掃描照片(a)無纖維試件界面(35×)；(b)無纖維試件界面(300×)；(c)無纖維試件界面(10000×)；(d)玻璃纖維試件界面(35×)；(e)玻璃纖維試件界面(300×)；(f)玻璃纖維試件界面(10000×)Fig.5　SEM images of the specimen

4　結(jié)　論

(1)隨著砌塊強(qiáng)度等級(jí)提高，AAC砌塊抗剪強(qiáng)度逐漸增大，且在同一強(qiáng)度等級(jí)其平均初裂抗剪強(qiáng)度與平均極限抗剪強(qiáng)度相同，B06級(jí)砌塊的變形、抗剪強(qiáng)度比B05級(jí)分別提高了14.3%、28.1%，B07級(jí)砌塊的變形、抗剪強(qiáng)度比B06級(jí)分別提高了18.5%、29.2%；

(2)在同一強(qiáng)度等級(jí)下纖維體積率對(duì)AAC砌塊抗剪性能及變形具有一定影響，并隨著纖維體積率的增大，初裂抗剪強(qiáng)度和變形、極限抗剪強(qiáng)度和變形均有提高；纖維體積率2.5%的B06級(jí)AAC砌塊比不摻纖維B06級(jí)砌塊的平均極限變形、初裂抗剪強(qiáng)度、極限抗剪強(qiáng)度分別提高了10.5%、 2.4%、4.9%，纖維體積率5%的B06AAC砌塊比不摻纖維B06級(jí)砌塊的平均極限變形、初裂抗剪強(qiáng)度、極限抗剪強(qiáng)度提高了19.5%、7.3%、12.2%；玻璃纖維使AAC砌塊破壞時(shí)表現(xiàn)出一定延性；

(3)玻璃纖維對(duì)基體水化、硬化過程生成中的物質(zhì)沒有明顯影響；玻璃纖維在AAC砌塊基體里亂向分布并形成網(wǎng)絡(luò)狀三維支撐體系是玻璃纖維提高其抗剪性能及變形的主要原因。

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Experimental Study on the Autoclaved Aerated Concrete Block under Shear

LIULei,CHENGuo-xin,SUFang,LVXin-min

(School of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

Three groups of common aerated concrete block specimen and glass fiber in the 2 groups of aerated concrete block are got on double shear test specimens. The block strength grade, the fiber volume fraction on the properties of aerated concrete block shear resistance is studied. Based on scanning electron microscopy (SEM), the impact on its mechanism of shear mechanical properties is analyzed by the fiber. Experimental results show that with the improvement of block strength grade the shear strength increases gradually. Deformation and shear strength of the of B06 grade block are increased by 14.3% and 28.1% than level B05. Deformation and shear strength of B07 class block are increased by 18.5% and 29.2% than B06 level. Limit deformation, initial crack, ultimate shear strength of B06 grade autoclaved aerated concrete block of fiber volume fraction of 2.5% are increased by 10.5%, 2.4% and 4.9% than not doped fiber B06 grade block. Limit deformation, initial crack, ultimate shear strength of B06 grade autoclaved aerated concrete block of Fiber volume fraction of 5% are increased by 19.5%, 7.3% and 7.3% than not doped fiber B06 grade block. Glass fiber network formed by the hydration products with the 3 d support system is to enhance the shear properties and deformation of the main reasons.

autoclaved aerated concrete block;glass fiber;test of double shear;shear performance;scanning electron microscopy

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11242007)；新疆維吾爾自治區(qū)優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2014721012)；中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(RCPY201208)

劉磊(1989-)，男，碩士研究生.主要從事新型建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)體系方面的研究.

陳國(guó)新，博士，副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1486-06