再生磚骨料砌塊砌體的基本力學性能試驗研究

曹文權(quán)，黃靚, 3，高琦，包堂堂，李福安，李隱

?

再生磚骨料砌塊砌體的基本力學性能試驗研究

曹文權(quán)1，黃靚1, 3，高琦2, 3，包堂堂1，李福安2, 3，李隱1

(1. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082； 2. 許昌金科資源再生股份有限公司，河南 許昌 461000； 3. 全國循壞經(jīng)濟技術(shù)中心，河南 許昌 461000)

通過對再生磚骨料砌塊砌體的基本力學性能試驗，分析再生磚骨料砌塊砌體的破壞過程和特征、極限荷載及變形能力。研究結(jié)果表明，再生磚骨料砌塊砌體的抗壓和抗剪等基本力學性能與普通混凝土小型空心砌塊砌體的基本相似。強度平均值與《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50003—2011)的公式計算值相比較，再生磚骨料砌塊砌體的抗壓和抗剪強度分別降低6%~ 12% 和22%~46%。再生磚骨料砌塊砌體采用再生磚骨料砂漿砌筑對砌體抗壓強度和彈性模量影響不大，對砌體抗剪強度有顯著提高。提出再生磚骨料砌塊砌體抗壓強度平均值建議公式，試驗結(jié)果與建議的理論公式的計算值較為接近，對再生磚骨料砂漿和再生磚骨料砌塊砌體的推廣應(yīng)用有一定的意義。

再生磚骨料；砌塊砌體；抗壓強度；抗剪強度

磚在中國應(yīng)用并發(fā)展已經(jīng)有兩千多年的歷史，因此在我國墻體材料中，紅磚(黏土磚)占有極大的比例。隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，近年來舊城改造拆除了大量以前的磚混結(jié)構(gòu)，從而導致以廢棄紅磚為主的建筑垃圾越來越多。目前大部分建筑垃圾廢棄紅磚都在郊外集中填埋處理，不僅占用農(nóng)田土地，而且對環(huán)境造成嚴重污染，其處置問題迫切需要解決?；炷列⌒涂招钠鰤K滿足可持續(xù)性發(fā)展的要求，是一種非常有競爭力的墻體新材料[1]，將廢棄紅磚破碎加工成再生磚骨料制備再生混凝土小型空心砌塊是一種循環(huán)再生利用廢棄紅磚的方式，也是發(fā)展綠色環(huán)保建筑材料的重要方向。另外，如果篩分出來的再生磚細骨料還可以替代天然砂制備再生砂漿，那么可以極大地提高廢棄磚骨料的利用率，產(chǎn)生更高的效益，對可持續(xù)發(fā)展社會經(jīng)濟具有重大意義。因為混凝土小型空心砌塊這種墻體材料強度不高，所以用再生磚骨料混凝土制備再生混凝土小型空心砌塊是完全可行的。ZONG等[2?5]對采用再生混凝土骨料制作砌塊和砂漿進行了研究，陳忠范等[6?7]對再生混凝土砌塊砌體也有一些研究，發(fā)現(xiàn)再生混凝土骨料可以應(yīng)用于砌塊砌體結(jié)構(gòu)。但是國內(nèi)外有關(guān)廢棄紅磚再生骨料應(yīng)用于砌塊砌體結(jié)構(gòu)的研究極少。本文對再生磚骨料砌塊砌體進行了基本力學性能試驗研究，分析了再生磚骨料砌塊砌體的破壞過程、破壞特征、極限荷載和彈性模量等，對再生磚骨料砂漿和再生磚骨料砌塊砌體的推廣應(yīng)用有一定的意義。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料

隨著再生骨料的摻入，一般情況下再生混凝土空心砌塊強度會比較低，《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》(GB50574—2010)[8]要求外填充墻砌塊強度等級不應(yīng)低于MU5，砌筑砂漿強度等級不應(yīng)低于M5。試驗選用低強度再生磚骨料混凝土小型空心砌塊，按《混凝土砌塊和磚試驗方法》(GB/T 4111—2013)[9]的規(guī)定測定砌塊的強度，再生磚骨料混凝土小型空心砌塊抗壓強度實測平均值為5.7 MPa，大于5.0 MPa，變異系數(shù)為0.19。試驗選用普通水泥砂漿和再生磚骨料砂漿2種不同的砂漿砌筑，按《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70—2009)[10]的規(guī)定測定砂漿的強度，試驗結(jié)果見表1。

表1 砂漿抗壓強度試驗結(jié)果

1.2 試件設(shè)計

試驗采用的再生磚骨料混凝土小型空心砌塊主砌塊尺寸大小為390 mm×190 mm×190 mm，孔洞率為57%，砌塊見圖1。試驗按照《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T 50129—2011)[11]的要求進行試件設(shè)計和制作，砌體試件尺寸為390 mm×190 mm×590 mm，試件見圖2。

圖1 再生磚骨料混凝土小型空心砌塊

抗壓試件分4組，每組3個試件，編號為P5Y-1~3，H5Y-1~3，P10Y-1~3和H10Y-1~3，抗壓試件見圖3；抗剪試件分4組，每組6個試件，編號為P5J-1~6，H5J-1~6，P10J-1~6和H10J-1~6，抗剪試件見圖4。P代表普通水泥砂漿砌筑，H代表再生磚骨料砂漿砌筑。

單位：mm

圖3 抗壓試件

圖4 抗剪試件

1.3 實驗裝置和加載方案

本試驗為靜力加載試驗，試件采用金科資源再生股份有限公司的美特斯500 t壓力試驗機加載?？箟涸囼為_始時先預加荷載20 kN，然后卸載，抗壓試件正式加載時每級荷載為預估破壞荷載的10%，然后持荷1~2 min后再進行下一級加載，當分級加荷至預估破壞荷載的80%之后，連續(xù)加荷至試件破壞，過程中注意觀察抗壓試件的開裂情況并及時記錄相應(yīng)的荷載值，試件破壞后在試件上描繪裂縫圖；為了保證抗剪試件與壓力試驗機接觸良好和試件受力均勻，抗剪試驗開始時在試件上表面中間砌塊位置放置一塊鋼墊板，下表面兩端砌塊位置分別放置一塊鋼墊板。抗剪試驗采用勻速加載方法，連續(xù)加荷至試件的1個受剪面或2個受剪面破壞，此時試驗結(jié)束并記錄相應(yīng)的荷載值。

2 實驗現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 破壞過程及現(xiàn)象

圖 5~6 為抗壓試件的破壞情況。試件軸心受壓時，按照裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展等特點，也如普通混凝土空心砌塊砌體那樣可劃分為3個受力階段。

第 1 階段：從試件開始受壓到第1條裂縫出現(xiàn)。在此過程中，隨著壓力的增大，通常會在砌體側(cè)面出現(xiàn)沿砌塊開槽處的豎向裂縫。在砌體正面(背面)的中部，初裂縫出現(xiàn)在砌塊塊體孔邊或中部兩砌塊與上層砌塊的中間交界連接處。第1條裂縫比較細，一般會在一塊砌塊的高度內(nèi)貫通。砌體內(nèi)第1批裂縫產(chǎn)生時的壓力值約為破壞荷載的66%~79%，此時如果不再增加壓力，裂縫不會繼續(xù)發(fā)展。第1條裂縫出現(xiàn)之前，砌體處于彈性受力階段。

第2階段：隨壓力的增大，砌體裂縫越來越多，砌體正面(背面)沿砂漿豎縫或砌體孔洞邊緣產(chǎn)生新裂縫，砌體側(cè)面單塊砌塊裂縫不斷發(fā)展，沿著豎向通過1~2塊砌塊，并逐步形成一條貫通的裂縫。此時壓力值約為破壞荷載的79%~90%，砌體處于彈塑性受力階段，即使不再增加壓力，砌體的裂縫也會繼續(xù)加長增寬，砌體這時候已接近于破壞。

第3階段: 壓力繼續(xù)增加至砌體完全破壞。其特點是砌體因裂縫急劇加長增寬而破壞，脆性特征較普通混凝土空心砌塊砌體更為明顯，且裂縫數(shù)量也較普通混凝土空心砌塊砌體少得多。

圖7為抗剪試件的破壞情況。試件從加荷到破壞，并未出現(xiàn)明顯的破壞征兆，其表面也未出現(xiàn)明顯裂縫的擴展。當加載至極限破壞荷載值時，其受剪面突然喪失承載力而發(fā)生破壞，屬于典型的脆性破壞。

(a) 正面；(b) 左側(cè)面；(c) 背面；(d) 右側(cè)面

(a) 正面；(b) 左側(cè)面；(c) 背面；(d)右側(cè)面

(a) P5J和P10J；(b) H5J和H10J

抗剪試件破壞形態(tài)大部分為單面剪切破壞，抗剪試件都是在塊體與砂漿層的黏結(jié)面上發(fā)生破壞，而砌塊保持完好。

2.2 再生磚骨料砌塊砌體抗壓強度

再生磚骨料砌塊砌體抗壓強度試驗值與規(guī)范值見表2，cr為抗壓試件的初裂強度，u為抗壓試件的極限破壞強度，m為按《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 (GB50003—2011)[12]抗壓強度平均值公式計算得到的砌體抗壓強度規(guī)范值。計算公式如下：

式中：m為砌體抗壓強度平均值；1為與砌塊塊體類別有關(guān)的參數(shù)，混凝土小型空心砌塊取0.46；1為砌塊塊體的抗壓強度平均值；為與砌塊塊體高度及類別有關(guān)的參數(shù)，混凝土小型空心砌塊取0.9；2為砂漿的抗壓強度平均值；2為與砂漿強度有關(guān)的修正系數(shù)，普通水泥砂漿和再生磚骨料砂漿都取1。

表2 再生磚骨料砌塊砌體抗壓強度試驗值和規(guī)范值比較

從表2可以知道，再生磚骨料砌塊砌體的抗壓強度隨砂漿強度等級的提高而增加，這和普通混凝土砌塊砌體相同；抗壓試件開裂荷載為破壞荷載的66%~79%，而一般混凝土小型空心砌塊砌體約為53%，說明其開裂延遲了，表明再生磚骨料砌塊砌體很脆，開裂后不久就達到峰值荷載；抗壓試件抗壓強度試驗值比按規(guī)范公式計算的抗壓強度平均值低6%~12%，說明按規(guī)范公式來計算抗壓強度值是不安全的，變異系數(shù)為0.05~0.07；相同砂漿強度等級情況下，采用再生磚骨料砂漿砌筑的砌塊砌體相比用普通水泥砂漿砌筑的砌塊砌體，抗壓強度無明顯變化。

2.3 再生磚骨料砌塊砌體抗剪強度

再生磚骨料砌塊砌體抗剪強度試驗值與規(guī)范值見表3，v為抗剪試件的極限破壞荷載，v,u為抗剪試件的極限破壞強度，v,m為按《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50003—2011)[12]抗剪強度平均值公式計算得出的砌塊砌體抗剪強度規(guī)范值。破壞形式分為2類：Ⅰ為單剪破壞，Ⅱ為雙剪破壞。計算公式 如下：

式中：v,m為砌體抗剪強度平均值；5為砌體抗剪強度相關(guān)的系數(shù)，混凝土小型空心砌塊5=0.069。

從表3可以知道，再生磚骨料砌塊砌體的抗剪強度隨砂漿強度等級的提高而增加，這和普通混凝土砌塊砌體相同；P5J和P10J普通水泥砂漿組試件抗剪強度平均值比規(guī)范公式計算值低46%和44%，變異系數(shù)為 0.18；H5J和H10J再生磚骨料砂漿組試件抗剪強度平均值比規(guī)范公式計算值低22%和24%，說明規(guī)范公式計算的抗剪強度值是不安全的，變異系數(shù)為0.19；相同砂漿強度等級情況下，采用再生磚骨料砂漿砌筑的砌塊砌體相比用普通水泥砂漿砌筑的砌塊砌體，抗剪強度顯著提高。

2.4 再生磚骨料砌塊砌體彈性模量

再生磚骨料砌塊砌體受壓彈性模量試驗值與規(guī)范值見表4，《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T 50129—2011)[11]規(guī)定砌塊砌體試件的彈性模量取應(yīng)力應(yīng)變曲線中應(yīng)力為0.4u時的割線彈性模量?！镀鲶w結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50003—2011)[12]中的砌體彈性模量m是按砌筑砂漿的強度等級給出的，當砂漿強度為M5時，m=1 500，當砂漿強度等級≥M10時，m=1 700。

表3 砌塊砌體抗剪強度試驗值和規(guī)范值比較

從表4可知，再生磚骨料砌塊砌體的彈性模量隨砂漿強度等級的提高而增加，這和普通混凝土砌塊砌體相同；試件的彈性模量為規(guī)范值m的94%~97%，變異系數(shù)為0.04~0.10，再生磚骨料砌塊砌體的彈性模量有略微降低，但相差不大；相同砂漿強度等級情況下，采用再生磚骨料砂漿砌筑的砌塊砌體相比用普通水泥砂漿砌筑的砌塊砌體，彈性模量無明顯變化。

表4 再生磚骨料砌塊砌體彈性模量試驗值和規(guī)范值比較

3 再生磚骨料砌塊砌體設(shè)計計算方法

3.1 再生磚骨料砌塊砌體抗壓強度建議公式

從表2抗壓強度試驗測值和規(guī)范計算值的對比可以看出，再生磚骨料砌塊砌體的抗壓強度略低于規(guī)范值，可以認為再生磚骨料對砌體的抗壓強度影響較小，抗壓強度發(fā)展規(guī)律與普通混凝土小型空心砌塊砌體基本保持一致[13]。試驗結(jié)果表明，再生磚骨料砌塊砌體的強度計算公式不太安全，相關(guān)系數(shù)需要修正。

本試驗采用的再生磚骨料混凝土空心砌塊強度不高，1是與塊材有關(guān)的系數(shù)，由于再生磚骨料砌塊特性的不同，1需要修正。使用本文試驗數(shù)據(jù)回歸分析得到1=0.37，再生磚骨料砌塊砌體抗壓強度表示為：

對本文所研究的再生磚骨料砌塊砌體，按式(3)計算的抗壓強度平均值m0與試驗值u的對比見 表5。

表5 再生磚骨料砌塊砌體抗壓強度試驗值和理論值比較

由表5可見，抗壓強度試驗值u與建議式(3)計算值m0之比為1.13，變異系數(shù)為0.06，建議公式的計算值與試驗值非常吻合，并且計算值均略低于試驗值。因此，用建議式(3)來計算再生磚骨料砌塊砌體的抗壓強度值比較合理和安全，可以為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。考慮到本試驗再生磚骨料砌塊的強度等級比較低，所以將其用于重要性較低的砌體結(jié)構(gòu)更為合理。

3.2 再生磚骨料砌塊砌體抗剪強度建議公式

從表3抗剪強度試驗值和規(guī)范計算值的對比可以看出，再生磚骨料砌塊砌體的抗剪強度整體降低較多，尤其是普通水泥砂漿組抗剪強度平均值降低了46%和44%，這是由再生磚骨料砌塊砌體的材料特性和試驗養(yǎng)護環(huán)境導致的。再生磚骨料經(jīng)破碎后會有較多的孔隙，具有比較強的吸水性，由于砂漿中的水分被再生磚骨料所吸收從而導致砌體受剪強度偏低。

本試驗采用的再生磚骨料砂漿摻入了羥丙基甲基纖維素，顯著提高了砂漿的保水性和黏聚性，所以再生磚骨料砂漿砌筑的砌體抗剪強度有明顯提高。實際工程應(yīng)用中再生磚骨料砂漿可以替代普通水泥砂漿，并建議在再生磚骨料混凝土空心砌塊砌筑前進行曬水養(yǎng)護。因抗剪實測平均值與規(guī)范值之間存在較大差異，實驗結(jié)果有一定的離散性，所以再生磚骨料砌塊砌體的抗剪強度計算公式還有待于進一步試驗研究。

4 結(jié)論

1) 再生磚骨料砌塊砌體的破壞全過程和普通混凝土砌塊砌體的破壞全過程基本相似，再生磚骨料砌塊砌體的抗壓強度、抗剪強度、彈性模量均隨著砂漿的強度增加而增大。

2) 再生磚骨料砌塊砌體的抗壓強度比規(guī)范公式計算值降低了6%~12%，抗剪強度比規(guī)范公式計算值降低了22%~46%，彈性模量比規(guī)范公式計算值降低了3%~6%。

3) 相同砂漿強度等級情況下，采用再生磚骨料砂漿砌筑的砌塊砌體抗壓強度和彈性模量無明顯變化，但抗剪強度有明顯提升，說明實際工程應(yīng)用中再生磚骨料砂漿可以替代普通水泥砂漿。

4) 本文的抗壓強度平均值建議公式能有效地擬合再生磚骨料砌塊砌體抗壓強度，試驗數(shù)據(jù)與建議公式平均值比較吻合。

[1] 施楚賢. 砌體結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2014. SHI Chuxian. The theory and design of masonry structure[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2014.

[2] ZONG L, FEI Z, ZHANG S. Permeability of recycled aggregate concrete containing fly ash and clay brick waste[J]. Wall Materials Innovation & Energy Saving in Buildings, 2014, 70(5):175?182.

[3] Diagne M, Tinjum J M, Nokkaew K. The effects of recycled clay brick content on the engineering properties, weathering durability, and resilient modulus of recycled concrete aggregate[J]. Transportation Geotechnics, 2015, 3: 15?23.

[4] Poon C S, Kou S C, Lam L. Use of recycled aggregates in molded concrete bricks and blocks[J]. Construction & Building Materials, 2002, 16(5): 281?289.

[5] Bektas F, Wang K, Ceylan H. Effects of crushed clay brick aggregate on mortar durability[J]. Construction & Building Materials, 2009, 23(5): 1909?1914.

[6] 陳忠范, 劉文坤. 再生混凝土砌塊砌體基本力學性能研究[J]. 地震工程與工程振動, 2014, 1(3): 133?141. CHEN Zhongfan, LIU Wenkun. Study on basic mechanical properties of recycled concrete block masonry[J]. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics, 2014, 1(3): 133?141.

[7] 朱麗華, 戴軍, 白國良, 等. 再生混凝土砌塊砌體力學性能試驗[J]. 建筑科學與工程學報, 2014, 31(3): 52?57. ZHU Lihua, DAI Jun, BAI Guoliang, et al. Experiment on mechanical properties of recycled concrete hollow block masonry[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering, 2014, 31(3): 52?57.

[8] GB 50574—2010, 墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范[S]. GB 50574—2010, Uniform technique code for wall materials used in buildings[S].

[9] GB/T 4111—2013, 混凝土砌塊和磚試驗方法[S]. GB/T 4111—2013, Test methods for the concrete block and brick[S].

[10] JGJ/T70—2009, 建筑砂漿基本性能試驗方法標準[S]. JGJ/T70—2009, Standard for test method of performance on building mortar[S].

[11] GB/T 50129—2011, 砌體基本力學性能試驗方法標 準[S]. GB/T 50129—2011, Standard for test method of basic mechanics properties of masonry[S].

[12] GB 50003—2011, 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. GB 50003—2011, Code for design of masonry structures[S].

[13] 蔡勇, 呂曉勇, 李得建, 等. 橋用砌體軸心受壓應(yīng)力?應(yīng)變?nèi)€試驗研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2016, 13(8): 1600?1606. CAI Yong, Lü Xiaoyong, LI Dejian, et al. Experimental study on axial compression stress-strain full curves of the masonry for bridge[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(8): 1600?1606.

Experimental study on the basic mechanical properties of recycled brick aggregate masonry

CAO Wenquan1, HUANG Liang1, 3, GAO Qi2, 3, BAO Tangtang1, LI Fuan2, 3, LI Yin1

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Xuchang Jinke Resources Recycling Co., Ltd, Xuchang 461000, China; 3. National Circulation Economic and Technological Center, Xuchang 461000, China)

By the experimental study on the basic mechanical properties of recycled brick aggregate masonry, the failure processes, failure characteristics, ultimate capacity and deformation capacity of recycled brick aggregate masonry were analyzed. Results indicates that the compressive and shear behaviors of recycled brick aggregate masonry are similar to that of ordinary hollow block masonry. Compared with the mean value formula of Code for design of masonry structures (GB50003—2011), the compressive and shear strength of recycled brick aggregate masonry are reduced by 6%~12% and 22%~46%, respectively. Recycled brick aggregate mortar has little effect on the compressive strength and elastic modulus of masonry, but can significantly improve the shear strength of masonry. The compressive strength formula of recycled brick aggregate masonry was proposed. Test results match well with the corresponding calculated values of theoretical formula. It is of great significance for the application of recycled brick aggregate mortar and recycled brick aggregate masonry.

recycled brick aggregate; block masonry; compressive strength; shear strength

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.014

TU365

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0384 ? 07

2018?03?12

國家重點研發(fā)計劃專項項目(2017YFC0703300)；河南省重大科技專項項目(141100310800)

黃靚(1974?)，男，湖南株洲人，教授，博士，從事混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)研究；E?mail：huangliangstudy@126.com

(編輯 涂鵬)