不同新型墻材砌體的力學性能對比分析

林超，郭子雄，黃群賢，葉勇

（華僑大學土木工程學院，福建廈門361021）

不同新型墻材砌體的力學性能對比分析

林超，郭子雄，黃群賢，葉勇

（華僑大學土木工程學院，福建廈門361021）

對空心粘土磚、加氣混凝土砌塊、陶粒混凝土砌塊、混凝土空心砌塊Ⅰ和混凝土空心砌塊Ⅱ等5種常用新型墻材砌體的抗壓性能和抗剪性能進行試驗，并與燒結普通磚砌體進行對比.研究結果表明：砌塊的抗壓強度與砌塊的制作工藝和質量和有關，空心砌塊的強度還與肋板的分布、孔洞的大小和面板的厚度有關；砌體隨著荷載的增大，裂縫增多、延伸，并擴展至砌體各面，最終失去承載能力被破壞；砌體的抗剪強度與砌塊的表面光滑度和界面的咬合程度有直接關系.

墻體材料；砌體；砌塊；抗壓強度；抗剪強度

隨著工程建設的快速發展和節能減排政策的推廣，燒結普通磚破壞土地、消耗能源、施工效率低等缺點越來越突出.因此，發展非粘土類、節能環保型的新型墻體材料，推進墻體材料改革，成為廣大工程技術人員面對的重要而緊迫的任務.近年來，普通混凝土小型空心砌塊以其節能環保、強度高、自重輕、施工快等優勢，逐漸成為替代燒結普通磚的主導新型墻體材料［1］.但是，混凝土小型空心砌塊砌體的抗滲漏、保溫隔熱性能較差，使其推廣應用受到一定的限制［2］.自保溫概念的提出和自保溫砌塊的研發、生產，使建筑墻材的保溫、節能性能引起了各方關注，也陸續推出了各種改進的新型節能形混凝土小型空心砌塊［3－4］，如加氣混凝土砌體［5］、陶粒混凝土［6］等.隨著砌體結構和框架結構建筑的增加，新型墻材得到進一步的發展，對新型墻材建筑結構的各種研究也陸續開展［7－10］，但目前有關新型墻材力學性能的研究仍較少.目前，建筑市場上最為常用的5種新型砌塊，即空心粘土磚砌塊、加氣混凝土砌塊、陶粒混凝土空心砌塊、混凝土空心砌塊Ⅰ、混凝土空心砌塊Ⅱ.其中：加氣混凝土砌塊、陶粒混凝土砌塊和混凝土空心砌塊Ⅱ為新型自保溫墻體材料.混凝土空心砌塊Ⅰ的孔洞較寬，肋板的分布稀疏；混凝土空心砌塊Ⅱ在混凝土空心砌塊Ⅰ的基礎上進行了改進，即在混凝土空心砌塊Ⅰ的中間孔洞處增加了一條橫肋，在兩側的孔洞處分別增加了一條縱肋，減小了砌塊孔洞的長度和寬度，使兩外側面板因邊壁的破壞而整體剝落的情況得到了改觀.本文針對這一現象進行砌體的抗壓、抗剪性能試驗研究.

1 試驗概述

1.1 試件設計與制作

將5種新型砌塊和燒結普通磚砌體各制作3個砌塊抗壓試件，砌塊上、下面均用水泥砂漿找平，厚度為10 mm，在自然條件下養護28 d后進行加載；然后，按照國家標準GBJ 129－90《砌體基本力學性能試驗方法標準》的要求［11］，每一種砌塊分別制作3個砌體抗壓試件和3個砌體沿灰縫的剪切試件.

砌體抗壓試件砌筑時，在試件的底面和頂面分別用厚度為10 mm的水泥砂漿找平.除加氣混凝土砌體采用CQS－Q加氣混凝土專用砌筑砂漿外，其他砌體采用M7.5混合砂漿砌筑，砂漿配制時采用普通硅酸鹽水泥，添加劑為石灰，砂子為普通中砂.試件在自然條件下養護28 d后，進行抗壓強度試驗.

砌體剪切試件制作時先放平砌筑，待放置7 d后將試件立放，然后對承壓面和加荷面采用水泥砂漿找平，找平厚度為10 mm，且上、下找平層應相互平行并垂直于受剪面的灰縫.

新型砌塊、砌體的抗壓和剪切試件，分別如圖1，2，3所示；相關參數如表1所示.表1中：A為試件

圖1 新型砌塊圖示Fig.1 Photos of the new blocks

圖2 砌體的抗壓試件Fig.2 Compressive specimens of masonry

受力面的面積即試件的截面面積；l，w，k分別為試件的長、寬和高.

圖3 砌體的抗剪試件Fig.3 Shear specimens of masonry

表1 試件參數Tab.1 Test parameters

1.2 試件的加載與量測

砌體抗壓性能試驗和砌體沿灰縫剪切試驗的加載圖，如圖4所示.砌體抗壓試驗加載時用厚鋼板置于試件頂面和底面，加載過程中力和位移由試驗機控制系統自動采集荷載及位移.加載時先對試件施加10%的預估破壞荷載，反復預壓3次.試驗采用分級加載方式加載，每級荷載增量為預估破壞荷載的10%，并在1～1.5 min內均勻施加；恒荷1～2 min后施加下一級荷載.加載至預估破壞荷載的80%后，連續加載直至試件破壞.砌體灰縫剪切試驗采用連續加載方式進行荷載施加，加載速度按照試件在1～3 min內破壞進行控制，當一個受剪面破壞即認為試件破壞.

圖4 試驗加載裝置圖Fig.4 Loading set－up

2 結果與分析

2.1 砌塊抗壓試驗

砌塊抗壓試驗的主要試驗結果的平均值，如表2所示.其中：ρ為空心率；Nu為試件的抗壓破壞荷載；fc，b為砌塊的抗壓強度，fc，b＝Nu／A.

2.2 砌體抗壓試驗

砌體抗壓試驗實測值及計算結果的平均值，如表2所示.其中：Nc為試件的抗壓開裂荷載；Nu為試件的抗壓破壞荷載；fc，m為砌體的抗壓強度，fc，m＝Nu／A；ε0.4為對應于0.4fc，m時的軸向應變值；E為砌體的彈性模量，E＝0.4fc，m／ε0.4.

在試驗中，空心粘土磚砌體與混凝土空心砌塊Ⅱ砌體的彈性模量接近，但二者的破壞情況有所區別.空心粘土磚砌體加載至最大荷載的22.7%～27.0%時，在砌體的正面出現第1條豎向裂縫，為最早出現裂縫的砌體，而且由于其中的孔洞是上下貫通的，在試件制作時，砌筑砂漿已經把磚中的孔洞填滿，所以在加載過程中，砂漿分擔了試件部分的壓力，使砌塊局部被壓壞時，砌體的承載力仍在上升；一旦砂漿壓壞，砌體的強度急劇下降，呈脆性破壞.混凝土空心砌塊Ⅱ砌體是最晚開裂的砌體，加載到最大荷載的67.4%～72.8%時，才在上層砌塊的一側邊壁上出現第1條豎向裂縫.混凝土空心砌塊Ⅱ的坐漿面側肋板較厚，孔洞小，所以在砌筑時采用坐漿面朝上的砌筑方式，使盡量少的砂漿灌入孔洞.加載過程中，隨著荷載的不斷增大，邊壁上原有裂縫延伸，并擴展至砌體各面；邊壁裂縫和內側縱肋上裂縫一旦貫通，肋板作為增強構件的作用就完全喪失，砌塊的外面板脫落，砌體失去承載能力，呈塑性破壞.

陶粒混凝土砌塊和混凝土空心砌塊Ⅰ的抗壓強度接近，但砌體的抗壓強度相差較大，破壞情況也有所不同.陶粒混凝土砌體在加載到最大荷載的42.6%～57.8%時，砌體正面中部出現第1條裂縫；隨著荷載的增加，砌體邊壁開裂先形成上下貫通裂縫，然后砌體正面裂縫延伸與中間層的豎向砂漿層相連，形成上下通長裂縫.由于肋板分布較多，肋板作為增強構件的作用還未完全喪失，砌塊面板不會整面掉落，最后砌體部分面板和邊壁剝落，荷載急劇下降，砌體破壞.混凝土空心砌塊Ⅰ砌體加載至最大荷載的53.1%～65.3%時，上層砌塊邊肋處開裂；而后裂縫延伸，砌塊邊壁被劈裂，面板剝落，砌塊破壞.

加氣混凝土砌體的截面面積大，質量小，但抗壓能力差.砌體受力到最大荷載的42.6%～57.9%時，砌體正面開裂，然后隨著荷載的增加，砌體裂縫增多，呈片狀剝落，最后砌體壓潰破壞.

2.3 砌體灰縫剪切試驗

將砌體沿灰縫剪切試驗所測得的數值進行計算，其平均值如表2所示.表2中：Nv為試件的抗剪破壞荷載；fv，m為砌體的抗剪強度，fv，m＝Nv／2A.

從表2可知：燒結普通磚、空心粘土磚和混凝土空心砌塊Ⅰ的砌體的抗剪強度相接近.燒結普通磚砌體在剪力的作用下，其抗剪承載力隨著荷載的增加而增大，當達到最大荷載時，灰縫瞬間開裂，中間受力砌塊滑移，砌體破壞，但砌塊不開裂.空心粘土磚砌體截面積小，其砌塊的孔洞上下貫通，在試件制作時，部分砂漿灌入了砌塊中的孔洞，使砌塊和砂漿較好地咬合，增大了界面的抗剪力，從而提升了砌體的抗剪強度.混凝土空心砌塊Ⅰ砌體的截面面積雖小，但其砌塊表面粗糙，有利于與砂漿的咬合，故混凝土空心砌塊Ⅰ砌體的抗剪強度也較高.

陶粒混凝土和混凝土空心砌塊Ⅱ和加氣混凝土的砌體的破壞情況與燒結普通磚砌體的類似，但由于砌體表面光滑，不利于砌體表面與砂漿的咬合作用，易受剪力破壞.

表2 試件的力學性能試驗結果Tab.2 Test parameters and experimental results

3 結束語

通過新型墻材砌體抗壓性能和抗剪性能的試驗研究，并與燒結普通磚砌體進行了對比，可以得到以下主要3點結論.

1）砌塊的抗壓強度與砌塊的制作工藝和質量和有關，空心砌塊的強度還與肋板的分布、孔洞的大小和面板的厚度有關.混凝土空心砌塊Ⅰ，Ⅱ同等材料的砌塊，雖然肋板的分布有所不同，但由于混凝土空心砌塊Ⅱ的制作質量較好，其抗壓強度大大高于混凝土空心砌塊Ⅰ.

2）在砌體抗壓試驗中，隨著荷載的增大，初始裂縫增多延伸，并擴展至砌體各面，最終失去承載能力破壞.空心砌體在加載后期，由于砌塊肋的垂直斷裂，肋板作為增強構件的作用就完全喪失，面板起著獨立板的作用，細長比的顯著增大導致突然破壞.其中空心粘土磚砌體最為嚴重，存在一定的安全隱患，而陶粒混凝土砌體的肋板分布較多，不易出現因肋斷裂而引起面板剝落的現象.空心砌塊肋板的分布情況，還有待進一步的研究改進.

3）在砌體抗剪試驗過程中，砌體的抗剪承載力隨著荷載的增加而增大，當達到最大荷載時，灰縫瞬間開裂，中間受力砌塊滑移，砌體破壞，但砌塊不開裂；而砌體的抗剪強度與砌塊的表面光滑度和界面的咬合程度有直接關系.

［1］ 孫恒軍，王明山，閆忠明，等.混凝土小砌塊配筋砌體抗壓性能的試驗研究［J］.山東建筑工程學院學報，2002，17（4）：8－12.

［2］ 孫偉民，王辰宇，張懷金，等.節能型復合混凝土小型空心砌塊砌體抗剪試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，2004（5）：48－49.

［3］ 李建成.混凝土空心砌塊的孔型對其隔熱性能的影響［J］.混凝土與水泥制品，1995（5）：50－52.

［4］ 李利群，王杏林，劉偉慶.新型混凝土小型空心砌塊砌體的力學性能研究［J］.新型墻體材料與施工，2003（2）：36－38.

［5］ 程才淵，吳明舜，蘇宇峰，等.伊通加氣混凝土砌體抗壓、彎曲抗拉、通縫抗剪的試驗研究［J］.四川建筑科學研究，2005，31（1）：90－94.

［6］ 邵永健，殷志文，勞裕華，等.陶粒混凝土砌塊的配合比設計與抗壓強度試驗［J］.混凝土，2007（10）：107－108.

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［8］ 郭子雄，吳毅彬，黃群賢.砌體填充墻框架結構抗震性能研究現狀與展望［J］.地震工程與工程振動，2008，28（6）：172－177.

［9］ 郭子雄，黃群賢，魏榮豐，等.填充墻不規則布置對RC框架抗震性能影響試驗研究［J］.土木工程學報，2010，43（11）：46－54.

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［11］ 四川省建設委員會.GBJ 129－90砌體基本力學性能試驗方法標準［S］.北京：中國建筑工業出版社，1990.

Comparison of Mechanical Behaviors Among Various New Masonries for Wall

LIN Chao，GUO Zi－xiong，HUANG Qun－xian，YE Yong
（College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

An experimental investigation on the compressive and shear properties of masonries with five kinds of new blocks was carried out，including hollow clay bricks，aerated concrete blocks，ceramsite concrete blocks，concrete hollow blockⅠand concrete hollow blockⅡ.The results show that compressive strength of blocks is related to production process and the quality；the strength of hollow blocks is related to the distribution of the ribs，the size of the pores，and the thickness of the panel；with increasing the load，the cracks of the masonries increase，and extend to each side of the masonries，finally the masonries is destroyed due to the loss of carrying capacity；the shear strength of masonries is related directly to the degree of surface smoothness of block and the occlusal degree of the interface.

wall material；masonry；block；compressive strength；shear strength

TU 522.3

A

（責任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）

1000－5013（2012）05－0552－05

2012－01－19

郭子雄（1967－），男，教授，主要從事工程結構抗震防災的研究.E－mail：guozxcy＠hqu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目（50978107，51178197）；福建省重大科技項目（2011Y4008）