兩端開(kāi)口式新型保溫承重砌塊砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

王劍 ，溫佳斌 ，孫莉 ，孫偉民 ，劉青

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400；2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

0 引言

兩端開(kāi)口式新型保溫承重砌塊具有既節(jié)能、又承重、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，可以替代普通黏土磚的使用，對(duì)建設(shè)新農(nóng)村具有積極的促進(jìn)作用，符合當(dāng)代建筑環(huán)保節(jié)能的要求。

為進(jìn)一步研究該類開(kāi)口式新型保溫承重砌塊砌體的基本力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)兩端開(kāi)口式新型保溫承重砌塊砌體抗壓試驗(yàn)，考察新型保溫承重砌塊砌體的受壓性能和極限承載力，分析砌體的受壓變形和破壞特征；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，借鑒現(xiàn)有規(guī)范里有關(guān)抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式，推導(dǎo)出在一定范圍內(nèi)適用于該類新型保溫承重砌塊砌體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式，從而為該新型保溫承重砌塊在工程實(shí)際中的推廣應(yīng)用和相關(guān)規(guī)程的制定與編寫(xiě)提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本試驗(yàn)使用的砌塊均由蘇州世好建材新技術(shù)工程有限公司生產(chǎn)。

內(nèi)墻主砌塊：尺寸為400 mm×190 mm×200 mm，輔助砌塊尺寸為197 mm×190 mm×200 mm，壁厚a=35 mm，內(nèi)墻主砌塊肋、壁、孔型尺寸見(jiàn)圖1。根據(jù)GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》，測(cè)得內(nèi)墻砌塊的抗壓強(qiáng)度為7.8 MPa。

圖1 內(nèi)墻主砌塊尺寸

外墻主砌塊：尺寸為400 mm×260 mm×200 mm，輔助砌塊尺寸為197 mm×260 mm×200 mm。外墻砌塊由承重部分和外保溫層兩部分組成。承重部分尺寸為400 mm×190 mm×200 mm；保溫層厚c=70 mm，槽型孔b=10 mm，用作插隔聲、隔熱材料，槽型孔自上而下逐漸變厚，外墻主砌塊肋、壁、孔型尺寸見(jiàn)圖2。根據(jù)GB/T 4111—2013，測(cè)得外墻砌塊的抗壓強(qiáng)度為9.2 MPa。

圖2 外墻主砌塊尺寸

薄層砂漿：外購(gòu)。根據(jù)GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)得薄層砂漿的抗壓強(qiáng)度為16.2 MPa。

普通砂漿：自配。根據(jù) GB/T50129—2011、JGJ/T70—2009，測(cè)得普通砂漿的抗壓強(qiáng)度為11.8 MPa。

1.2 試件制作

根據(jù)GB/T 50129—2011的要求，試驗(yàn)所用試件均由五皮砌塊交錯(cuò)砌筑而成，試件均砌筑在經(jīng)過(guò)找平的剛性墊板上?？箟涸囼?yàn)共制作5組砌筑試件，每組6件，共30件。內(nèi)墻薄層砂漿試件長(zhǎng)度為600 mm、寬度為190 mm、高度為1015 mm。不同試件的具體尺寸及構(gòu)造見(jiàn)表1，內(nèi)墻薄層砂漿試件如圖3所示。

表1 試件具體尺寸及構(gòu)造

圖3 內(nèi)墻薄層砂漿試件

1.3 加載裝置

試驗(yàn)采用100 t手動(dòng)千斤頂，HRB-4型100 t拉壓力傳感器，試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖4。

圖4 砌體抗壓試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 砌體破壞形態(tài)分析（見(jiàn)圖5）

圖5 砌塊砌體破壞形態(tài)

由圖5（a）可見(jiàn)，與普通混凝土砌塊砌體相似，內(nèi)墻薄層砂漿砌體試件從初始加載到破壞的過(guò)程大致可分為裂縫產(chǎn)生、裂縫發(fā)展和試件破壞3個(gè)階段，基本上都是砌體延著豎向灰縫處形成由上到下的通長(zhǎng)主裂縫，將試件分隔為幾個(gè)獨(dú)立的部分，試件最終破壞。

由圖5（b）可見(jiàn)，外墻薄層砂漿砌體試件的初始裂縫出現(xiàn)在砌體側(cè)面沿承重部分和保溫部分的交匯處，最終砌體的外保溫層部分與承重部分脫開(kāi)，試件破壞，此時(shí)砌體承重部分正立面出現(xiàn)明顯的延豎向灰縫向兩端延伸的裂縫，同時(shí)砌體側(cè)面橫向肋處也存上下通長(zhǎng)的裂縫。

由圖5（c）可見(jiàn)，內(nèi)墻普通砂漿砌體試件的破壞形態(tài)與內(nèi)墻薄層砂漿砌體相似，砌體延著豎向灰縫向上下端延伸形成上下貫通裂縫，最終試件破壞。但內(nèi)墻薄層砂漿砌體破壞時(shí)被壓垮或者局部塊體掉落的數(shù)量較少，說(shuō)明內(nèi)墻薄層砂漿砌體的整體性更好。

2.2 砌體力學(xué)性能分析

各試件開(kāi)裂荷載、極限荷載以及計(jì)算得到的抗壓強(qiáng)度、均方差及變異系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各試件的力學(xué)性能分析

由表2可見(jiàn)：

（1）外墻薄層砂漿砌體抗壓強(qiáng)度比內(nèi)墻薄層砂漿砌體抗壓強(qiáng)度高39%，說(shuō)明外墻砌塊外保溫部分一方面對(duì)外墻承重部分起到了約束作用，另一方面使得受壓部分的應(yīng)力向保溫層擴(kuò)散，因此提高了外墻砌塊砌體的強(qiáng)度。

（2）內(nèi)墻薄層砂漿砌體抗壓強(qiáng)度比內(nèi)墻普通砂漿砌體高16%，考慮到2種砂漿強(qiáng)度的差別，轉(zhuǎn)換成同一強(qiáng)度條件下進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式（2-2）換算后，內(nèi)墻薄層砂漿砌體的抗壓強(qiáng)度比內(nèi)墻普通砂漿砌體的抗壓強(qiáng)度提高5.5%，說(shuō)明減小砌體砂漿層厚度可以提高砌體的抗壓強(qiáng)度。

2.3 內(nèi)墻抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式

施楚賢[1]《砌體結(jié)構(gòu)》中采用的英國(guó)計(jì)算公式如下：

式中：fm——砌體抗壓強(qiáng)度平均值，MPa；

f1——砌塊抗壓強(qiáng)度平均值，MPa；

f2——砂漿抗壓強(qiáng)度平均值，MPa。

此公式忽略了f2=0時(shí)的極限狀態(tài)，顯然考慮不夠全面，存在一定的問(wèn)題。

GB 50003—2011規(guī)定，砌體軸心抗壓強(qiáng)度平均值主要與砌塊抗壓強(qiáng)度和砂漿抗壓強(qiáng)度有關(guān)，砌體軸心抗壓強(qiáng)度平均值采用下式計(jì)算：

式中：k1——與砌塊類別有關(guān)的參數(shù)；

α——與砌塊高度及砌體類別有關(guān)的參數(shù)；

k2——與砂漿抗壓強(qiáng)度有關(guān)的修正系數(shù)。

用英國(guó)公式計(jì)算內(nèi)墻薄層砂漿砌體的抗壓強(qiáng)度為3.75 MPa，與試驗(yàn)得出的抗壓強(qiáng)度均值3.56 MPa相差5%，兩者較為符合；按GB 50003—2011公式求得的強(qiáng)度為5.79 MPa，與試驗(yàn)結(jié)果相差63%，兩者強(qiáng)度值偏差較大。

按GB 50003—2011計(jì)算抗壓強(qiáng)度偏差較大的原因，一方面是由砌塊縱橫肋交匯處的通長(zhǎng)圓孔所引起，圓孔的內(nèi)部直徑達(dá)到40 mm，砌體受壓時(shí)在此處較易形成應(yīng)力集中，圓孔的空洞率削弱了這些關(guān)鍵部位的抗壓能力，整個(gè)砌塊砌體的整體性降低，對(duì)此在試驗(yàn)中也有所體現(xiàn)（破壞形態(tài)見(jiàn)圖6）。另一方面，普通混凝土砌塊一般有3條橫肋，而新型混凝土砌塊只有2條橫肋，降低了新型砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度。

圖6 圓孔處受壓破壞形態(tài)

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在砌塊受壓破壞時(shí)，中間部分較為完整，而從4個(gè)圓孔往外則基本全部掉落；砌體試件受壓破壞時(shí)，內(nèi)部八邊形空洞的中間4個(gè)角均出現(xiàn)通長(zhǎng)裂縫，且這4條裂縫又與肋上圓孔連接，此處在受壓時(shí)應(yīng)力較為集中，降低了橫向肋的抗壓作用，導(dǎo)致了破壞荷載的降低。

由于α是與砌塊高度及砌體類別有關(guān)的系數(shù)，新型保溫承重砌塊的高度與普通混凝土空心砌塊接近且類別相同，故α=0.9；k2是與砂漿強(qiáng)度有關(guān)的修正系數(shù)，k2=1.0；本試驗(yàn)中薄層砂漿的平均抗壓強(qiáng)度f(wàn)2=16.2 MPa＞10 MPa，故砌體的抗壓強(qiáng)度均值應(yīng)乘修正系數(shù)（1.1-0.01f2）；將上述參數(shù)代入式（2）求得k1，取平均值k1=0.29。GB 50003—2011中推薦 k1=0.46，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的k1值小于規(guī)范推薦的值。因此，考慮安全要求，砌體的平均抗壓強(qiáng)度值應(yīng)按回歸式（3）計(jì)算：

按式（3）計(jì)算的砌體軸心平均抗壓強(qiáng)度值與試驗(yàn)值的比較見(jiàn)表3。從表3可以得出：按式（3）計(jì)算的各組砌塊砌體抗壓強(qiáng)度平均值與試驗(yàn)值接近，誤差都在10%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，說(shuō)明回歸得到的公式（3）比較合理。

表3 砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與回歸公式計(jì)算值的比較

3 砌體受壓性能數(shù)值模擬

3.1 有限元單元模型建立及加載方式

利用ABAQUS建模，使用分離模型，把砌塊和砂漿分別建模，不考慮塊體與砂漿之間的相對(duì)位移，模擬砌塊與砂漿之間的作用和砌體破壞機(jī)理。對(duì)尺寸為1015 mm×600 mm×190 mm的內(nèi)墻砌塊砌體與尺寸為1015 mm×600 mm×260 mm的外墻砌塊砌體建模分析[2-6]，網(wǎng)格尺寸定為20 mm。試件的三維模型如圖7、8所示。

內(nèi)外墻砌體模型底面均采取固結(jié)約束，對(duì)于內(nèi)墻砌體模型，直接將荷載加在頂面，取值7.5 MPa；對(duì)于外墻砌體模型，將荷載加在頂面的50 mm厚的剛性墊板上，剛性墊板寬190 mm，置于外墻的承重部位，取值5.0 MPa。

圖7 內(nèi)墻砌體三維模型

圖8 外墻砌體三維模型

3.2 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

經(jīng)有限元分析的內(nèi)、外墻砌塊砌體在軸心壓力作用下的模型云圖分別見(jiàn)圖9、圖10。正號(hào)為拉應(yīng)力，負(fù)號(hào)為壓應(yīng)力。

圖9 內(nèi)墻模型云圖

圖10 外墻模型云圖

由圖9可知，內(nèi)墻砌塊砌體軸心受壓的最大應(yīng)力主要分布在豎向灰縫和沿豎向灰縫方向的上、下兩皮的砌塊處，砌體受壓試驗(yàn)主要破壞形態(tài)是延豎向灰縫形成上下貫通的主裂縫，其次中間肋處的Y軸向拉應(yīng)力也較大[見(jiàn)圖9（d）]，試驗(yàn)中也出現(xiàn)砌體窄側(cè)面中間部分豎向通長(zhǎng)裂縫的破壞模式。

由圖10可知，外墻砌塊砌體軸向受壓承重部分的正面最大壓應(yīng)力分布情況與內(nèi)墻砌塊砌體相似。從側(cè)向應(yīng)力分布圖10（e）可以看出：（1）外墻外保溫層也參與了砌體的軸向抗壓，頂部壓應(yīng)力逐漸分散到外保溫部分（試驗(yàn)中外墻砌塊砌體抗壓強(qiáng)度較內(nèi)墻高39%）；（2）保溫層與承重部分交匯處的拉應(yīng)力較大（試驗(yàn)中外墻砌塊砌體破壞時(shí)外保溫層與承重部分之間形成通長(zhǎng)裂縫，整體剝離），由此可見(jiàn)，有限元的模擬較為符合記錄下的試驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)果比較接近。采用ABAQUS對(duì)新型保溫承重砌塊砌體進(jìn)行了非線性分析對(duì)于砌體的受壓性能有一定的參考意義。

4 結(jié)論

（1）與普通混凝土砌塊砌體破壞類似，新型保溫承重砌塊內(nèi)外墻砌體的破壞都是沿著豎向灰縫處形成由上到下貫通的主裂縫，將試件分隔為幾個(gè)獨(dú)立的部分，試件最終破壞。

（2）外墻砌塊砌體的初始裂縫出現(xiàn)在砌體側(cè)面沿承重部分和保溫部分的交匯處，最終砌體的外保溫部分與承重部分脫開(kāi)，試件破壞，同時(shí)砌體側(cè)面橫向肋處也存上下貫通的裂縫。

（3）外墻砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度高于內(nèi)墻砌塊砌體，外墻保溫部分對(duì)外墻砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度有提高作用。

（4）與普通砂漿相比，薄層砂漿在減少材料使用的同時(shí)，增強(qiáng)了砌體的抗壓強(qiáng)度。

（5）參考現(xiàn)有公式，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性回歸分析，提出了該類新型保溫承重砌塊砌體在一定范圍內(nèi)適用的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式，與實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

（6）通過(guò)有限元軟件建立模型，模擬砌體軸心受壓過(guò)程，得到了砌體受壓時(shí)的應(yīng)力分布云圖，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)得出的結(jié)果比較接近。通過(guò)觀察具體的應(yīng)力分布情況，可為砌體的最大應(yīng)力部位和薄弱部位的改進(jìn)提供參考。

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