一種新型空心砌塊砌體的基本力學性能試驗研究*

陳鵬 李夢輝 朱朔

1.天津城建大學土木工程學院 300384

2.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室 300384

引言

混凝土小型空心砌塊在我國建筑領域應用廣泛，與普通黏土磚相比具有自重較輕、施工效率高、熱工性能好等優(yōu)點，且有助于節(jié)能減排［1-3］。然而空心砌塊孔洞率大，與水平砂漿層的粘結面積小，故空心砌塊砌體抗剪強度較低，且水平荷載作用下通常在水平灰縫處出現(xiàn)剪切破壞，因此普通空心砌塊砌體結構的抗震性能較差。

國內外學者針對混凝土小型空心砌塊墻體抗震性能進行了一系列研究，研究結果表明，在空心砌塊墻體的適當位置設置圈梁、構造柱和芯柱，從而形成約束空心砌塊砌體的做法在一定程度上提高了墻體的受剪承載力，從宏觀上改善了墻體整體性能和抗震性能［1-6］。但從微觀角度來看，空心砌塊砌體抗剪能力仍由空心砌塊與砂漿的粘結性能決定。因此為提高空心砌塊與砂漿層的粘結性能，專家學者也開展了一系列研究。如通過在砌塊局部空洞中澆灌混凝土的方式形成灌孔砌體，其抗剪強度將大幅提高［7-9］，但灌孔的同時砌體自重也會大幅增加。因此灌孔砌體往往僅用于局部重點位置如梁端支撐處、地面以下或防潮層以下的墻體等。再如，基于幾何聯(lián)鎖互卡機制形成新型無砂漿空心砌塊砌體，具有連接可靠、砌筑快速、墻體整體性能好的特點［10-12］，但因為塊材之間缺乏砂漿的粘結，墻體的密閉性會受到明顯影響。此外，砌體砌筑過程中，可通過在空心砌塊的孔洞中設置銷鍵或預制抗剪混凝土塊的方法提高塊材和砂漿間的粘結性能，進而提高砌體抗剪能力［13-15］，但因為需單獨制作銷鍵或混凝土預制塊，所以施工較繁瑣。

本文在文獻［13-15］基礎上，提出一種新型空心砌塊，即砌塊空腔內填入保溫材料，并利用保溫材料表面與空心砌塊表面的高差形成預留凹槽。采用該新型空心砌塊用常規(guī)方法砌筑的墻體，可形成帶鍵齒的水平灰縫，如圖1所示。水平荷載作用下，鍵齒與砌塊相互咬合，所產生的銷栓力可有效提高砌體抗剪強度。本文進行了新型空心砌塊的抗剪強度和抗壓強度試驗，以檢驗該新型空心砌塊砌體的基本力學性能。

圖1 新型空心砌塊砌體示意Fig.1 Schematic diagram of a new hollow block masonry

1 試驗概況

試件采用MU7.5級混凝土小型空心砌塊砌筑，主砌塊尺寸390mm×190mm×190mm，孔洞率50%，輔砌塊尺寸190mm×190mm，孔洞率47%，砌塊孔洞內填塞入泡沫塊并預留凹槽，從而形成新型空心砌塊。砌筑砂漿強度為Mb7.5，砌筑時首先在鋪漿面上均勻攤鋪水平砂漿層，砂漿自然流入鋪漿面新型空心砌塊的預留凹槽內形成鍵齒，從而使水平灰縫鋪漿面一側呈鋸齒狀；將新一皮新型空心砌塊放置于鋪漿面上時，部分砂漿向上侵入到坐漿面的預留凹槽內形成銷鍵，從而使水平砂漿層坐漿面一側呈鋸齒狀。為研究鍵齒數(shù)量對砌體基本力學性能的影響，本文考慮了三種鍵齒率（或稱泡沫填充率），分別為50%、75%和100%，以抗剪試件為例，鍵齒率示意如圖2所示。

圖2 不同鍵齒率的抗剪試件示意Fig.2 Schematic diagram of shear specimens with different keyway ratio

同類別、同強度等級砂漿或同一對比組的試件，均由一名具有中等技術水平的瓦工采用分層流水作業(yè)法砌筑，抗剪和抗壓試件均砌筑在涂有機油隔離層的鋼墊板上。砌筑過程中隨時檢測和控制試件的垂直度和平整度。試件砌筑完畢后，在其頂部用10mm厚的1∶3水泥砂漿找平，上鋪玻璃板，玻璃板頂部再平壓一皮砌塊，平壓時間為14d，室內養(yǎng)護28d。

2 抗剪強度試驗

2.1 試件設計與制作

共設計制作了6組抗剪試件，基本情況見表1，每組6個試件。本試驗以鍵齒率和凹槽深度為變量，探索帶鍵齒的新型空心砌塊砌體抗剪性能，以及鍵齒率和凹槽深度對砌體抗剪強度的影響規(guī)律。

表1 抗剪試件基本情況Tab.1 Basic information of shear specimens

抗剪試件為三皮砌塊砌成的雙剪試件，試件的兩個窄側面上分別做出兩個承壓面和一個加載面，承壓面和加載面應垂直于水平灰縫且垂直平整度誤差控制在3mm以內。三皮砌塊的豎向中線上分別安裝位移計，用以量測試件的剪切變形。將塊材視為剛體，認為剪切變形集中在灰縫處，剪應變即約為量測得到的剪切變形與灰縫厚度（10mm）的比值?？辜粼嚰拔灰屏繙y儀器布置情況如圖3a所示。

2.2 試驗裝置和加載制度

在20000kN電液伺服試驗機加荷架下，采用500kN液壓千斤頂手動加載進行抗剪試驗，加載裝置如圖3b所示?？辜粼嚰胖糜谠囼灆C平臺，試件頂部濕砂找平，上鋪厚度為30mm的鋼板，千斤頂上頂力傳感器靠近試驗機加載鋼板。試件放置妥當后連接應變片、位移計與采集裝置之間的導線。

圖3 抗剪試件及試驗裝置Fig.3 Shear specimen and test device

采用勻速連續(xù)加荷方法，避免沖擊試件，加荷速度按試件在1min～3min內破壞控制，當有一個受剪面被剪壞，即認為試件破壞。

2.3 試件破壞形態(tài)

根據(jù)試驗結果，將試件受剪破壞形態(tài)分為五類，即破壞形態(tài)Ⅰ～Ⅴ［16］，各類破壞現(xiàn)象見表2，破壞情況如圖4所示。

表2 剪切破壞形態(tài)分類及其破壞特征Tab.2 Classification of shear failure modes and failure characteristics

圖4 典型抗剪試件的剪切破壞形態(tài)Fig.4 Shear failure modes of typical shear specimens

對比試件組SB中，由于空心砌塊與砂漿層的接觸面較小，所產生的粘結力較小，因此破壞大多屬于破壞形態(tài)Ⅰ，當水平砂漿層質量較好時也會發(fā)生破壞形態(tài)Ⅱ。有鍵齒試件中，由于水平荷載作用下鍵齒與砌塊相互咬合產生的銷栓力有效提高了砂漿與砌塊間的粘結性能，剪切破壞時鍵齒和水平灰縫破損明顯，某些試件中的砌塊也發(fā)生局部破損，因此屬于破壞形態(tài)Ⅲ-Ⅴ。根據(jù)試驗結果，認為絕大多數(shù)有鍵齒試件的破壞屬于鍵齒及砌塊肋壁均破損的破壞形態(tài)Ⅴ。

2.4 試驗結果及分析

試驗結果數(shù)據(jù)見表3，典型試件的剪應力-剪應變關系對比見圖5。表3中，試件沿通縫截面的抗剪強度fv0，t＝Nv/（2A），式中Nv為試件破壞荷載，取試驗中記錄的第一個水平荷載峰值點，即一個剪切面發(fā)生破壞時達到的水平荷載值；A為試件一個受剪面面積。fv0，m為一組試件的抗剪強度平均值。

圖5中提及的典型試件為各試件組中與本組平均實驗數(shù)據(jù)最相近者，同時能明顯體現(xiàn)本組剪應力和剪應變分布特點的試件。由表3和圖5可以看出：

（1）與普通空心砌塊砌體相比，有鍵齒的新型空心砌塊砌體的抗剪強度得到大幅度提高。100%鍵齒率10mm凹槽深度的試件組SNB1-10抗剪強度提高了163.4%，100%鍵齒率20mm凹槽深度的試件組SNB1-20提高了126.8%，100%鍵齒率30mm凹槽深度的試件組SNB1-30提高了156.1%，75%鍵齒率20mm凹槽深度的試件組SNB2-20提高了92.7%，50%鍵齒率20mm凹槽深度的試件組SNB3-20提高了80.5%。以上數(shù)據(jù)表明，鍵齒率對砌體抗剪強度的影響程度大于凹槽深度，100%鍵齒率試件的抗剪性能最佳。主要原因是，新型空心砌塊的凹槽深度越大，砌筑時坐漿面鍵齒（銷鍵）的質量越不易保證，因此對抗剪強度貢獻的優(yōu)勢不能明顯體現(xiàn)；同時凹槽深度較大試件組的試驗數(shù)據(jù)離散性也較大，試件力學性能不穩(wěn)定，因此通過降低鍵齒率同時增大凹槽深度的做法并不能有效提高抗剪強度。

（2）由圖5可知，無鍵齒試件組SB的剪應力-剪應變曲線上有兩個波峰，第一個波峰出現(xiàn)在一個剪切面破壞時，第二個波峰出現(xiàn)在另一個剪切面破壞時，兩個峰值的間隔及數(shù)據(jù)差別均不大。有鍵齒試件的剪應力-剪應變曲線上也有兩個波峰，與75%和50%鍵齒率試件組相比，100%鍵齒率試件組在第一個波峰出現(xiàn)后，曲線再度回升，第二個峰值點可以超越第一個峰值點，說明其后期抗剪承載性能更好。

（3）由圖5可知，與無鍵齒試件組相比，有鍵齒試件的剪應變顯著增大，剪切破壞的脆性性質得到大幅度改善。

另外需要說明的是，本文中新型空心砌塊砌體試件制作時，為最大限度貼近實際施工條件，選擇了如前述的常規(guī)砌塊砌筑方法，因此只在鋪漿面形成有效鍵齒，坐漿面則僅由于水平砂漿層向上皮砌塊侵入而形成一定銷鍵作用，所以坐漿面銷鍵的形成質量具有一定不可預見性，進而造成各試件抗剪強度的差異以及實驗數(shù)據(jù)的離散。若嚴格施工條件，保證鋪漿面和坐漿面均形成有效鍵齒，則砌體抗剪強度將有更顯著的提高且更穩(wěn)定。

3 抗壓強度試驗

3.1 試件設計與制作

共設計制作了四組抗壓試件，基本情況見表4，每組3個試件。試件尺寸（長×寬×高）為600mm×190mm×1000mm，高厚比約5.3。試件正反面寬側面的水平中線上分別安裝兩個位移計，用以量測試件的橫向變形，測點間的距離為400mm；試件正反面寬側面的豎向中線上分別安裝兩個位移計，用以量測試件的豎向變形，測點間的距離為400mm?？箟涸嚰拔灰屏繙y儀器布置情況如圖6所示。

圖6 抗壓試件及量測儀器布置Fig.6 Compressive specimens and Layout of measuring instruments

3.2 加載裝置和加載制度

抗壓試驗加載裝置如圖7所示。根據(jù)《砌體基本力學性能試驗方法標準》（GB/T50129—2011），試驗采用幾何對中、分級施加荷載方法，預估破壞荷載約187kN。試驗時，先對試件施加預估破壞荷載的5%（10kN）預壓3～5次，檢查儀表的靈敏性和安裝的牢固性；正式加載時，每級荷載為預估破壞荷載的10%（20kN），在1min～1.5min內施加完畢，并持荷1min～2min；加載至預估破壞荷載的50%（95kN）后，每級荷載減小至預估破壞荷載值的5%（10kN）；當試件出現(xiàn)第一條受力裂縫后，每級荷載恢復到20kN，直至試件破壞；當力傳感器的讀數(shù)明顯回退時，視該試件喪失承載能力，最大荷載讀數(shù)即該試件的破壞荷載值。

圖7 抗壓試驗裝置Fig.7 Compression test device

3.3 試驗現(xiàn)象

有鍵齒的新型空心砌塊砌體與普通混凝土空心砌塊砌體具有相似的抗壓試驗現(xiàn)象，其破壞過程大致分為三個階段。第一階段為個別砌塊開裂，約為極限抗壓強度的60%～75%。鍵齒率越高，初裂縫出現(xiàn)越早，說明鍵齒與砂漿層共同作用對砌體開裂產生影響；第二階段為形成上下貫通幾皮砌塊的連續(xù)裂縫，約為極限抗壓強度的85%～90%；第三階段為形成連續(xù)的豎向貫通裂縫，即沿試件頂部豎向灰縫向下的貫通裂縫，以及從試件頂部主砌塊中部向下延伸的貫通裂縫，兩條裂縫將試件大致劈裂成三個小立柱，最終小立柱失穩(wěn)，試件喪失承載能力。試驗過程中，試件窄側面砌塊有被壓酥現(xiàn)象。

總體來講，無鍵齒的普通空心砌塊砌體和100%鍵齒率砌體的受壓性能及破壞過程較穩(wěn)定，而50%鍵齒率試件在試驗結束時出現(xiàn)了嚴重壓潰情況。典型抗壓試件的破壞情況如圖8所示。

圖8 典型試件的最終破壞情況Fig.8 Failure of typical specimens

3.4抗壓試驗結果及分析

各試件的抗壓強度試驗結果數(shù)據(jù)見表5，典型試件的受壓應力-應變關系如圖9所示。

圖9 典型試件的應力-應變關系Fig.9 Comparison of stress-strain of typical specimens

表5 新型空心砌塊砌體的抗壓強度試驗結果Tab.5 Experimental results of compressive strength of new type hollow block masonry

（1）由表5可以看出，與普通空心砌塊砌體相比，帶鍵齒的新型空心砌塊砌體的抗壓強度并未得到明顯提高；雖然CNB2-10組試件的抗壓強度值有所提升，但數(shù)據(jù)離散性大；CNB1-10組和CNB1-20組試件的抗壓強度數(shù)據(jù)離散性相對較小，表明100%鍵齒率試件受壓性能較穩(wěn)定，且凹槽深度較大者抗壓強度較高。

（2）由圖9a可以看出，因為鍵齒對砌體的豎向約束作用，新型空心砌塊砌體試件的豎向應變均比普通試件小，即剛度提高；100%鍵齒率的試件CNB1-20-2和50%鍵齒率的試件CNB2-10-3不僅剛度提高，抗壓強度也提高，但試件組CNB2-10的離散性較大。

（3）由圖9b可以看出，因為鍵齒對砌體的橫向被動約束作用，新型空心砌塊砌體試件的橫向應變均比普通試件小。

4 結論

1.普通空心砌塊砌體的剪切破壞屬于粘結破壞，破壞或發(fā)生于坐漿面（砂漿層完好，即砂漿層不參與工作），或鋪漿面及坐漿面均破壞（砂漿層斷裂，即砂漿層參與工作），抗剪強度低；而新型空心砌塊砌體發(fā)生剪切破壞時，鋪漿面鍵齒發(fā)生或輕微或嚴重的破損，部分砌塊肋壁在鍵齒的作用下出現(xiàn)明顯開裂，說明鍵齒及砌塊肋壁參與了砌體抗剪并發(fā)揮明顯作用，與普通空心砌塊砌體相比，其抗剪強度提高了80.5%～163.4%。

2.凹槽深度一定時，100%鍵齒率試件的抗剪強度最高，且力學性能更穩(wěn)定，后期受剪承載力更有保證；凹槽深度增大，坐漿面鍵齒（銷鍵）質量不易保證，即鍵齒作用不會隨之增大，所以鍵齒率一定時，凹槽深度對抗剪強度的影響不明顯。

3.新型空心砌塊砌體的抗壓強度有所提高但不是很明顯，而鍵齒的存在則使試件整體性能得到改善，剛度增大。

4.結合新型空心砌塊砌體抗剪及抗壓強度試驗及分析結果，認為100%鍵齒率和10mm～20mm凹槽深度是最穩(wěn)定和最優(yōu)的新型空心砌塊砌體施工技術參數(shù)，相應砌體的綜合力學性能最佳。