承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的抗剪性能

張敬書 郭航 王政 劉樂(lè) 趙俊

摘 ? 要：為研究承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的抗剪性能，采用3種塊型的砌塊制作了砌體抗剪試件.每種塊型的砌塊試件均以3種砂漿強(qiáng)度為變量.首先對(duì)試件進(jìn)行了靜力剪切加載試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，記錄剪切破壞荷載.然后分析了影響砌體抗剪強(qiáng)度的主要因素，并和其他混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果以及規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比.最后提出了考慮有效黏結(jié)面積計(jì)算混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度的方法.研究結(jié)果表明：承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的剪切破壞均為砂漿與混凝土砌塊接觸面的黏結(jié)剪切破壞.計(jì)算砌體抗剪強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)采用砂漿與砌塊接觸面的有效黏結(jié)面積;在此基礎(chǔ)上，提出了承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法，該方法不但可以準(zhǔn)確計(jì)算該砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度，而且可以計(jì)算其他類型混凝土砌塊砌體基于黏結(jié)剪切破壞的抗剪強(qiáng)度.

關(guān)鍵詞：承重型橫孔連鎖混凝土砌塊;抗剪試驗(yàn);黏結(jié)破壞;抗剪強(qiáng)度;有效黏結(jié)面積

中圖分類號(hào)：TU311.4;TU317.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To investigate the shear behavior of Load-bearing Horizontal-hole Interlock Concrete Block （LB-HHICB），three kinds of blocks were used to fabricate ?the shearing specimens and each took three mortar strengths as variables. At first， a static shear loading test was carried out to investigate ?the failure profiles and shear failure loads of the specimens. Then， the main factors affecting the shear strength of the masonry were analyzed and compared with other similar test results and specification values. Finally， a method was proposed to calculate the shear strength of LB-HHICHB considering the effective bonding area. The study showed that the shear failure of LB-HHICB was mainly bond failure of the interface between mortar and concrete block. When calculating the shear strength of masonry， the effective bonding area between mortar and concrete block was employed. Based on it， the calculation method on shear strength of LB-HHICB was put forward. This calculation method can not only accurately calculate the shear strength of this kind of block but also calculate the other types of concrete block based on the shear bond failure.

Key words：load-bearing horizontal-hole interlock concrete block （LB-HHICB）;shear tests;bond failure;shear strength;effective bonding area

混凝土砌塊砌體由砂漿和砌塊砌筑而成，墻的延性較小，砌體的抗剪強(qiáng)度是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的主要因素[1]. 因此，對(duì)砌體抗剪性能的研究，直接關(guān)系到砌體結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的應(yīng)用.

由于砌體的非均勻性和各向異性，砌體在剪切作用時(shí)的力學(xué)特性與均質(zhì)、各向同性材料不同[2-3]，因此主要采用試驗(yàn)方法來(lái)研究砌體的抗剪強(qiáng)度，從而建立砌體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法.

由于砌塊和砂漿的強(qiáng)度相對(duì)比較高，因此在一般情況下，砌體剪切破壞主要是砂漿與砌塊之間黏結(jié)面的剪切破壞[1，4]，即黏結(jié)剪切破壞. 對(duì)砌體黏結(jié)剪切破壞的研究較多. Mosalam等[5]和Sarangapani等[6]研究發(fā)現(xiàn)，砂漿與砌體黏結(jié)面的摩擦以及兩者之間的化學(xué)鍵是黏結(jié)抗剪強(qiáng)度的主要組成部分. ?Lawrence等[7]認(rèn)為，砂漿與砌塊的黏結(jié)作用是由于水泥水化產(chǎn)物滲透到砌塊的空隙中形成的. Walker[8]和Jonaitis等[9]發(fā)現(xiàn)，水泥水化產(chǎn)物的強(qiáng)度除了與水膠比有關(guān)外，還與砌塊表面溫濕度相關(guān). Thamboo等[10]和方萍等[11]認(rèn)為，砂漿外加劑對(duì)黏結(jié)抗剪強(qiáng)度有較大提升作用. 此外，Sathiparan等[12]研究發(fā)現(xiàn)，砌塊的孔洞率對(duì)砌體抗剪強(qiáng)度有很大影響. 對(duì)于實(shí)際工程中的混凝土砌塊而言，在砌塊類型、砌筑方式確定后，砂漿強(qiáng)度是影響砌體抗剪強(qiáng)度的決定性因素[13-14]. ?施楚賢等[15]、葉燕華等[16]、黃靚等[17]對(duì)砌塊砌體進(jìn)行了靜力剪切試驗(yàn)，分析了混凝土空心砌塊砌體的破壞模式及其抗剪強(qiáng)度.

橫孔連鎖混凝土砌塊是一種新型砌塊，具有砌筑效率高和節(jié)省砂漿的優(yōu)點(diǎn). 最初只有吳方伯研發(fā)的一種口字形的塊型[18]，一般僅用于填充墻. 承重型橫孔連鎖混凝土砌塊[19-20]的抗壓強(qiáng)度較高，可用于承重墻. 劉深和張敬書等[21]對(duì)其抗壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為該砌塊強(qiáng)度可滿足多層砌體結(jié)構(gòu)承重墻的承壓要求. 但該砌塊砌體尚未進(jìn)行剪切試驗(yàn)研究，還沒(méi)有適合于該砌塊砌體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法. 因此，本文將對(duì)承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，擬提出該砌體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法.

1 ? 試驗(yàn)概況

1.1 ? 試件參數(shù)及材料性能

試驗(yàn)采用的承重型橫孔連鎖混凝土砌塊均采用砌塊成型機(jī)制作，混凝土配合比相同. 砌塊類型如圖1所示，共3種，分別為240 mm、290 mm厚H形砌塊和240 mm厚田字形砌塊，編號(hào)分別為BH-240、BH-290、BT-240.

每種類型砌塊分別采用3種不同強(qiáng)度的砂漿砌筑. 剪切試驗(yàn)前，采用《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50129—2011）[22]的方法，分別測(cè)得了砌塊和砂漿的抗壓強(qiáng)度. 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

1.2 ? 試件制作

《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[22]規(guī)定，中、小型砌塊砌體的剪切試驗(yàn)應(yīng)采用雙剪試件. 本試驗(yàn)的試件如圖2所示，分為上、中、下3個(gè)部分，上部和下部為一個(gè)整塊砌塊，中部為兩個(gè)半塊砌塊. 砌塊之間砌筑砂漿的厚度均為10 mm. ?試件有三個(gè)受力面，各受力面均鋪設(shè)一層15 mm厚的抹面砂漿. 試件尺寸為240 mm×240 mm×610 mm.

每種類型砌塊每種砂漿強(qiáng)度各設(shè)一組試件，每組試件的數(shù)量為8個(gè)，共制作了72個(gè)試件.

1.3 ? 試驗(yàn)加載及量測(cè)

試件加載如圖3所示. ?首先將試件平放于試驗(yàn)臺(tái)座上，試件上下各墊一塊20 mm厚鋼板. 然后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)在試件上施加向下的力. 加載到任意一個(gè)受剪面發(fā)生破壞即判定試驗(yàn)結(jié)束.

2 ? 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 ? 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件從加壓到破壞的過(guò)程可分為兩個(gè)階段. ?最初加載時(shí)試件無(wú)明顯變化，隨著荷載增加，試件底部砌塊與砂漿之間處開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋;之后隨著荷載的增加，裂紋很快向上延伸;最后砂漿與砌塊突然分開(kāi)，荷載急劇下降，試件發(fā)生剪切破壞.

在72個(gè)試件中，除一個(gè)試件發(fā)生了兩個(gè)剪切面的破壞外，其余試件均為單個(gè)受剪面的破壞. 破壞均發(fā)生在砂漿和砌塊之間的接觸面上，為黏結(jié)剪切破壞. 破壞照片如圖4所示.

2.2 ? 極限荷載和抗剪強(qiáng)度

各組砌塊砌體剪切試驗(yàn)的極限荷載見(jiàn)表2.

值得注意的是，式（1）中，A為試件的一個(gè)受剪面面積. 根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50003—2011）[23]要求，A應(yīng)為砌體截面面積，即包含孔洞的毛面積Aa. 但孔洞并不參與抗剪，實(shí)際參與抗剪的為扣除孔洞的凈面積，即有效面積An. 故本文分別按Aa、An計(jì)算砌體抗剪強(qiáng)度f(wàn)va、 fvn，結(jié)果見(jiàn)表2.

3 ? 分析與討論

3.1 ? 抗剪強(qiáng)度影響因素分析

砌體的抗剪強(qiáng)度主要與砂漿強(qiáng)度、制作和試驗(yàn)條件及砌塊表面粗糙度等因素有關(guān). 由于本試驗(yàn)的混凝土砌塊的混凝土配合比相同，均采用同一個(gè)砌塊成型機(jī)制作，因此，可認(rèn)為砌塊表面粗糙度相同. ?故本文從砂漿強(qiáng)度、施工水平和試驗(yàn)條件對(duì)抗剪強(qiáng)度加以分析.

3.1.1 ? 砂漿強(qiáng)度

由表2可看出，3種砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度隨著砂漿強(qiáng)度的增大而增大. 其原因是本文砌體試件的剪切破壞主要表現(xiàn)為砂漿與混凝土之間的黏結(jié)破壞. 砂漿強(qiáng)度越高，水泥用量越多，砂漿與砌塊之間的水泥漿體也越多，因此，砂漿與砌塊之間的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度也越高.

3.1.2 ? 制作和試驗(yàn)條件

制作及試驗(yàn)條件對(duì)砌體的抗剪強(qiáng)度也有重要影響. 本文試件破壞類型多為砂漿與砌塊之間的黏結(jié)面發(fā)生破壞，且絕大多數(shù)為單個(gè)剪切面破壞.

從圖2所示的試件制作來(lái)看，試件均豎直進(jìn)行制作. 砌筑完畢后，也是豎放進(jìn)行養(yǎng)護(hù). 由于自重作用，兩層砌筑砂漿中，上層的密實(shí)度小于下層，因此其黏結(jié)抗剪強(qiáng)度也不同.

再?gòu)膱D5所示的試驗(yàn)加載來(lái)看，試件并不是中心對(duì)稱的，加載鋼板中心偏向中間砌塊左側(cè)的砂漿縫，試件整體為偏心受力. 最終試件破壞形式絕大多數(shù)表現(xiàn)為單個(gè)剪切面的破壞.

若砌塊是對(duì)稱的，加載也沒(méi)有偏心，則砌體的承載力會(huì)有少量的提高.

3.2 ? 混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算

從表3可看出，試驗(yàn)值是規(guī)范[23]計(jì)算值的2～3倍. 從式（2）可看出，該式所計(jì)算的砌體抗剪強(qiáng)度僅與砂漿抗壓強(qiáng)度有關(guān)，而與有效面積無(wú)關(guān). 而橫孔連鎖混凝土砌塊砌體砌筑面的有效面積遠(yuǎn)大于豎孔混凝土砌塊砌體，因此，該式僅適用于砌筑面的有效面積變化不大的傳統(tǒng)豎孔混凝土砌塊砌體，不適用于計(jì)算承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度.

由于混凝土砌塊砌體的剪切破壞形式一般為砂漿層與砌塊之間的黏結(jié)剪切破壞，空心部分不承擔(dān)剪力，因此砌體所承擔(dān)的剪力取決于砂漿與砌塊之間的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度和有效黏結(jié)面積. 抗剪強(qiáng)度的計(jì)算應(yīng)采用有效黏結(jié)面積而非毛面積.

有鑒于此，本文采用砂漿與砌塊有效面積計(jì)算圖6所示的加腋錐式肋混凝土空心砌塊[24]、混凝土小型空心砌塊[15]、承重節(jié)能復(fù)合混凝土空心砌塊[16]及本文試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度. 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.

從表4可看出，由于承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體砌筑面的有效面積與毛面積接近，因此采用不同面積計(jì)算的差值較小，田字形砌塊則完全一致. ?豎孔混凝土砌塊砌體砌筑面的有效面積與毛面積相差較大，因此采用不同面積計(jì)算的差值較大.

混凝土小型空心砌塊[15]、承重節(jié)能復(fù)合混凝土空心砌塊[16]及本文采用有效黏結(jié)面積計(jì)算的抗剪強(qiáng)度f(wàn)vn與砂漿抗壓強(qiáng)度f(wàn)2關(guān)系如圖7所示.

對(duì)表4、圖7所示的采用有效面積計(jì)算的抗剪強(qiáng)度f(wàn)vn和砂漿抗壓強(qiáng)度f(wàn)2進(jìn)行回歸分析，得出只考慮砂漿與砌塊接觸面黏結(jié)的抗剪強(qiáng)度公式見(jiàn)式（3）.

為驗(yàn)證上述采用有效面積計(jì)算抗剪強(qiáng)度的方法，對(duì)混凝土磚砌體[25-27]、新型混凝土橫孔空心砌塊砌體[28]、加長(zhǎng)型混凝土砌塊砌體[29]、混凝土空心磚砌體[30]和連鎖式混凝土小型空心砌塊砌體[31]等各種類型砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果fv進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并與采用本文公式（3）計(jì)算的抗剪強(qiáng)度f(wàn)vn進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5.

從表5可看出，除新型混凝土橫孔空心砌塊[28]外，其他類型砌塊計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值在0.70～1.35之間，說(shuō)明式（3）采用有效面積計(jì)算砌塊砌體抗剪強(qiáng)度是可行的.

本文研究的承重型橫孔連鎖混凝土砌塊與新型混凝土橫孔空心砌塊[28]相似. 但由于試驗(yàn)條件和砌塊的塊型限制，新型混凝土橫孔空心砌塊[28]難以保證砌塊凹槽中砂漿飽滿，故該組計(jì)算值與試驗(yàn)值有一定差異，其比值在1.17～1.53之間.

由表6可知，采用本文提出方法所得黏結(jié)抗剪強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值的平均值為1.03，變異系數(shù)為0.20. 取顯著性水平α = 0.05，n1 = n2 = 21，查t分布表可知T α（n1+n2-2） = 1.68，t = 0.10 < T α（n1+n2-2），說(shuō)明試驗(yàn)值和計(jì)算值之間無(wú)顯著性差異.

規(guī)范[23]采用毛截面面積計(jì)算抗剪強(qiáng)度，這對(duì)于孔洞率變化不大的豎孔混凝土砌塊[15-16，24]來(lái)說(shuō)，雖然偏于保守，但用于設(shè)計(jì)是可以的. 而承重型橫孔連鎖混凝土砌塊的孔洞率遠(yuǎn)小于豎孔混凝土砌塊，采用規(guī)范方法計(jì)算承重型橫孔連鎖混凝土砌塊的抗剪強(qiáng)度，就過(guò)于保守了. 因此，本文采用砂漿和砌塊扣除孔洞后的有效黏結(jié)面積計(jì)算砌體抗剪強(qiáng)度，不但符合混凝土砌塊黏結(jié)剪切破壞的實(shí)際情況，在理論上更加嚴(yán)密，而且該方法適用面廣，可用于所有混凝土砌塊抗剪強(qiáng)度的計(jì)算.

4 ? 結(jié) ? 論

根據(jù)以上分析，可得到以下結(jié)論：

1）由于橫孔連鎖混凝土砌塊砌體砌筑面的有效面積遠(yuǎn)大于豎孔混凝土砌塊砌體，因此現(xiàn)行規(guī)范的公式不能直接用于計(jì)算承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度.

2）本文提出的采用砂漿和砌塊扣除孔洞后的有效黏結(jié)面積計(jì)算砌體抗剪強(qiáng)度，符合混凝土砌塊砌體黏結(jié)剪切破壞的實(shí)際情況，可用于所有類型混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算.

3）承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的剪切破壞均為砂漿與混凝土砌塊接觸面的黏結(jié)剪切破壞. ?砂漿強(qiáng)度越高，砌體抗剪強(qiáng)度越高.

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