EPS輕質節能混凝土砌塊砌體抗壓性能研究

吳輝琴,解小娟,李　青,吳　超,王痛快,李　柱,劉　鵬

(廣西科技大學土木建筑工程學院， 廣西柳州545006)

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EPS輕質節能混凝土砌塊砌體抗壓性能研究

吳輝琴,解小娟,李青,吳超,王痛快,李柱,劉鵬

(廣西科技大學土木建筑工程學院， 廣西柳州545006)

聚苯乙烯混凝土砌塊砌體；抗壓性能；試驗研究

0　引　言

在國家“禁粘”的大背景下，發展輕質、節能、環保、利廢、高強的砌塊是墻體材料改革的主流方向。聚苯乙烯泡沫(簡稱EPS)是一種非極性的輕質憎水性材料，將這種超輕的EPS集料以不同摻量加入水泥混凝土中，可制作出密度不同的EPS混凝土砌塊，用于房屋的墻體材料，可獲得優良的保溫性能，實現建筑節能目的。國內已有學者專家利用EPS良好的保溫性能，制成墻體外保溫層材料，或作為填充料，填充在空心砌塊孔洞內，成為內保溫墻體。這些做法雖然很好地解決房屋的保溫問題，但EPS作為墻體外保溫層使用壽命較短，后期維護工作會很多；而作為填充料內保溫墻體，施工工序又太復雜。將EPS作為輕骨料制成不同強度等級的輕質節能混凝土，能很好的解決上述問題。

文獻[1]～文獻[5]以工業廢料粉煤灰、礦粉雙摻取代50%～70%的水泥，加入3%～5%的硫酸鈉激活，并以EPS顆粒為輕骨料，通過水性環氧樹脂對輕骨料表面改性，采用特殊工藝自然養護成型，研制出強度等級為MU5～MU20，折壓比在0.3～0.20范圍、表觀密度在1 200～1 750 kg/m3之間，導熱系數在0.184～0.202 W/(m·K)范圍的輕型節能混凝土砌塊，該砌塊兼具保溫和承重雙重功能。本文選擇兩種配比的EPS輕質節能混凝土砌塊開展抗壓試驗，分析砂漿種類、強度等級等對EPS砌體抗壓強度的影響，給出了該砌體抗壓強度平均值建議公式和受壓本構關系，提出EPS砌塊砌體彈性模量、泊松比的建議取值，為該新型節能混凝土砌塊企業標準編制及新材料的推廣應用提供理論和實驗依據。

1　EPS混凝土砌塊砌體的抗壓試驗

1.1試件的設計制作

1.1.1EPS砌塊

EPS砌塊是本課題組研制的一種新型墻體材料，砌塊規格尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，同實心普通標準磚。本文選擇強度等級為MU15、MU5的EPS砌塊(EPS摻量分別為20%和40%)開展抗壓性能實驗研究，依據《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542-2012)[6]測出EPS砌塊抗壓強度實測值見表1。

表1　聚苯乙烯泡沫(EPS)砌塊強度實測值Tab.1　The tested compressive strength of expanded polystyrene (EPS) block

1.1.2砂漿

因EPS混凝土砌塊中摻有較大比例的聚苯乙烯顆粒，致使砌塊與普通砂漿的粘結力相對較弱，不易掛漿，尤其是豎向灰縫。本文通過試驗獨立配置了一種EPS砌塊的專用砂漿，為更好研究EPS砌塊砌體抗壓性能，本文選用了強度等級為Mb5、Mb10、Mb15的專用砂漿與強度等級為M10、M15的普通砂漿砌筑EPS砌塊，且漿料均按1∶4的水料比拌合。砂漿的實際強度值按《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/70 2009)[7]要求制作和測定，實測的普通砂漿和專用砂漿強度值見表2。

表2　砂漿強度實測值Tab.2　The tested compressive strength of mortar

1.1.3試件設計與制作

根據《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T 50129-2011)[8]規定，制作240 mm×370 mm×756 mm(高厚比β=3)EPS砌塊砌體抗壓試件8組，編號A～H，分別是M10、M15普通砂漿砌筑MU15EPS砌塊，Mb5、Mb10、Mb15專用砂漿砌筑MU15、MU5 EPS砌塊，分組情況見表3。試件砌筑在帶有起吊環的鋼墊板上，砌筑工程由同一個工人完成，每組3個樣品，灰縫控制在10～12 mm間，并預留砂漿試塊測其抗壓強度。砌筑完成后，在試件面上坐1∶3找平砂漿并找平，然后室內自然條件養護28 d。砌筑完成的構件見圖1。

表3　EPS混凝土砌塊砌體抗壓強度值fa實測值Tab.3　The experiment values of compression strength of EPS block concrete masonry (fa)

1.2加載裝置及方案

抗壓試驗在廣西科技大學YES-500長柱壓力機上開展，加載裝置見圖2，采用分級加載制度。首級荷載取預估破壞荷載的5%，觀測儀表靈敏度、檢查試件安裝牢固性，而后每級取預估破壞荷載的1/10左右值，接近開裂和極限時荷載級差加密。加載速度均勻連續，每級荷載持穩3 min，量測試件豎向、橫向變形。變形觀測點布在試件兩個寬側面的中線和豎向中線上，每面4個，對稱布置。

(a) 專用砂漿砌筑構件

(b) 普通砂漿砌筑構件

圖1抗壓試件

Fig.1The specimens of masonry

(a) 試驗機主體

(b) 試驗機控制系統

圖2加載裝置

Fig.2The specimens for the loading way

2　試驗現象與結果

2.1受力過程

EPS砌體試件受壓全過程與普通混凝土砌塊砌體相似，加載至破壞分成三個階段：彈性階段、裂縫發展階段和破壞階段。

①MU15EPS砌體fe=(0.5～0.7)fu(fe、fu分別為彈性極限和極限應力)，fcr=(0.64～0.84)fu(fcr為開裂應力)，首支裂縫在試件寬側面加載板下出現。而MU5砌體fe=(0.6～0.7)fu，fcr=(0.74～0.91)fu，首支裂縫位置也在寬側面加載板下。

②裂縫出現后，隨著壓力的不斷增大，裂縫由加載板下陸續出現一些細小裂縫，逐漸向砌塊內部發展，通過1～3塊砌塊后，形成貫通裂縫，此時即使構件應力不增大，裂縫也會繼續發展。

③當外加應力達到(0.85～0.92)fu后，裂縫迅速加長加寬，且單磚裂縫不斷的貫通，砌體的壓縮變形逐漸增大，最終都因側面裂縫驟然加寬而破壞，EPS砌塊砌體破壞時裂縫分布見圖3和圖4。砌體受壓破壞時裂縫不多，比較細(初始裂縫0.5～1.5 mm，極限貫通裂縫2～4 mm)，裂縫主要集中在砌塊頂面，整個加載過程沒有出現砌塊破損剝落情況，主裂縫在寬側面上。

(a) 前寬側面

(a) 前寬側面

2.2開裂荷載、極限荷載與抗壓強度

EPS混凝土砌體開裂荷載、極限荷載實測值及按實測值計算的抗壓強度見表 3。

①EPS砌體的fe值比普通粘土磚(fe=0.5fu)、粉煤灰磚[fe=(0.3～0.4)fu]的大，fcr亦更接近fu，因此EPS 砌體脆性較重，特別是MU5 EPS砌體，實測fcr/fu最大值達到0.91，幾乎是一裂就壞，且MU5 EPS砌體強度較低，離散性較大，即使砂漿強度增加很多，砌體強度變化不大。因此,MU5 EPS砌塊不宜用于承重墻體材料，建議用作自承重砌體，這也與《砌體結構設計規范》(GB 50003-2011)[9]對承重輕骨料混凝土砌塊的最低強度要求相符；

②砂漿相同，砌體強度隨砌塊強度增大而增大，但非線性增長，砌塊強度越高遞增的速度越慢；

③砌塊強度相同，砌體強度隨著砂漿強度增大而增大，但當砂漿強度超過砌塊強度時，砌體抗壓強度增長速度降低，甚至出現強度倒置現象，《砌體結構設計規范》(GB50003-2011)通過控制砌塊最小強度來防止砌體因為塊體的強度不足引起脆性破壞對EPS砌體也適用，而且利用高強度砂漿并不能有效的改進砌體的抗壓性能，同時也不經濟。

④專用砂漿砌筑的EPS砌體的強度高于普通砂漿砌筑的EPS砌體強度10%左右，且專用砂漿砌筑墻體質量好，外形美觀。

3　EPS砌塊砌體抗壓強度的計算表達式

3.1基于規范公式構建的EPS砌塊砌體抗壓強度公式

EPS砌塊砌體受力機理和破壞特點與普通混凝土砌塊砌體基本一致，可采用《砌體結構設計規范》(GB 50003-2011)[9]中混凝土砌塊砌體抗壓強度計算公式(1)進行架構。

(1)

式中,fm為砌體抗壓強度計算值；f1、f2為砌塊和砂漿抗壓強度平均值；α、k1為塊材形狀、尺寸及施工方法等因素的影響系數；k2為砂漿強度影響的修正系數，對混凝土砌塊砌體f2≠0，k2=1。

由公式(1)，考慮EPS砌體組成成分，參考相關文獻[10-11]，初選系數k1=0.78,α=0.5,k2=1，EPS砌體抗壓強度公式：

fm=0.78f10.5(1+0.07f2)。

(2)

將實測砂漿和塊體強度f1、f2帶入公式(2)，計算fm列入表4。對照實測結果，發現用《砌體結構設計規范》(GB50003-2011)計算EPS混凝土砌塊砌體的抗壓強度值有較多的富裕，尤其對專用砂漿而言，規范值比實測值小較多，fa/fm在1.09～1.61之間，平均值達到1.24。這是由于EPS混凝土砌塊自身的破壞特點以及砌體所用專用砂漿與砌塊粘結良好等原因產生的，因此采用《砌體結構設計規范》(GB50003-2011)中公式(2)雖可靠，但較為浪費材料。筆者應用數理統計方法，將EPS砌體抗壓強度實驗值進行多元回歸分析，得到統一的EPS砌體抗壓強度平均值fm修正公式(3)：

(3)

再將實測砂漿和塊體強度值帶入計算式(3)，計算fm1列入表4。并與實測數據比較，得到公式(3)的相關性系數R=0.969，標準差SD為0.288，說明公式(3)的擬合性較好。

3.2基于彈性理論構建EPS砌塊砌體抗壓強度公式

基于彈性理論的分析方法，是通過研究砌體受壓的破壞機理建立強度計算表達式的分析方法。Francis A J等[12]早在20世紀70年代就根據單塊磚疊砌的棱柱體受壓試件，建立了砌體抗壓強度公式。由Francis A J理論及朱麗華等[13-16]假設：

①砌體在豎向(y方向)壓力作用時，砌塊橫向(x、z方向)產生拉應力，而砂漿內橫向則產生壓應力；

②不考慮豎向壓力下砂漿和砌塊間的錯動，即兩者粘結良好；

③不考慮承壓板與構件之間的“套箍作用”。

由此建立砌體的計算模型如圖5所示。設塊體尺寸長×寬×高為l×w×tb；砂漿厚為tm；則σyb=σym=σy=fm2，其中σyb為塊體正應力，σym為砂漿正應力，σy=fm2為砌體正應力；εxm、εzm為砂漿x、z方向的變形；νb、νm為塊體和砂漿的泊松比；Eb、Em為塊體和砂漿的彈性模量。

由Francis砌體破壞模型圖6[13]得到：

(4)

式中，σtb、σcb為塊體的單軸抗壓、抗拉強度。

圖5塊體與砂漿分離計算模型

Fig.5A model for calculating of brock and mortar

圖6Francis砌體受壓破壞模型

Fig.6Francis masonry compression

damage model

考慮砌體受壓時變形條件、物理條件和力學平衡條件，建立砌體塊體應力關系為：

(5)

將式(4)帶入式(5)，取α=tb/tm，β1=Eb/Em，并考慮αβ1(1-νm)遠大于(1-νb)，得到：

(6)

式中，泊松比νb、νm及塊體的壓強—拉強比σcb/σtb是一常量，彈性模量Eb、Em又與f1、f2有關，公式(6)進一步簡化為f1、f2函數式。

結合EPS砌塊砌體受壓實驗數據，運用Origin數學軟件進行多元非線性回歸分析，得到EPS混凝土砌塊砌體抗壓強度公式，計算結果用fm2表示：

(7)

將實測f1、f2值帶入式(7)計算fm2，結果也列入表4，并與實測數據比較，得到公式(7)的相關性系數R=0.977，標準差SD為0.26，說明公式(7)擬合效果較好。

3.3EPS砌塊砌體抗壓強度建議公式

匯總公式(2)、(3)、(7)計算值與實測值fa比較，分析擬合度，結果見表4。

表4　EPS砌塊砌體抗壓強度值擬合對比Tab.4　The contrast fitting data of compression strength for EPS concrete block masonry

由表4知：采用經驗回歸計算方法和彈性理論分析方法推導的公式(3)與公式(7)計算出的砌體抗壓強度，與實測值擬合度高，也比較經濟，在實際設計計算時都具有參考意義。但鑒于計算形式和計算簡化方式，建議采用與《砌體結構設計規范》(GB50003-2011)中的公式形式相近的公式(3)作為EPS混凝土砌塊砌體抗壓強度平均值計算公式。

4　EPS 混凝土砌塊砌體受壓變形性能

4.1EPS砌塊砌體本構關系

本文在對比分析指數型、多項式型、對數型等砌體結構的本構模型基礎上，根據實測數據回歸分析采用對數型模型[17]建立EPS砌塊砌體本構關系，得到：

①EPS承重砌塊砌體本構關系(以MU15EPS砌塊砌體的實驗數據建立)：

(8)

②EPS自承重砌塊砌體本構關系(以MU5EPS砌塊砌體的實驗數據建立)：

(9)

經測算：公式(8)計算結果與實測數據相關系數R=0.935、方差為0.07；公式(9)與實測數據相關系數R=0.901、方差為0.105，兩者均擬合較好。根據實測數據與公式(8)、(9)計算結果，繪制EPS砌塊砌體受壓應力—應變曲線如圖7所示。從圖7知公式(8)、(9)能較好的反映砌體結構單軸受壓上升段的應力—應變曲線，并與實測曲線值吻合較好。

(a) EPS承重砌塊砌體

(b) EPS自承重砌塊砌體

圖7EPS砌塊砌體應力—應變曲線

Fig.7Stress-strain curve of EPS concrete masonry

4.2 EPS砌塊砌體彈性模量

根據《砌體結構設計規范》(GB 50003-2011)對砌體彈性模量取值的規定，取σ=0.43fm[18]代入公式(8)和(9)，推導彈性模量計算公式：

①EPS承重混凝土砌塊砌體：

10)

②EPS自承重混凝土砌塊砌體：

(11)

實測值與公式計算結果見表5，兩者符合度較好，滿足要求。

表5　彈性模量對比Tab.5　Comparison of elastic modulu

4.3EPS砌塊砌體泊松比

實測EPS塊砌體泊松比均值分別為0.195(承重墻)與0.223(自承重墻)。

采用四川省建筑科學研究所建立的磚砌體泊松比計算模型，對照實測數據回歸分析，得到EPS砌體泊松比計算公式(12)、(13)，回歸曲線見圖8。

①EPS承重混凝土砌塊砌體：

(12)

②EPS自承重混凝土砌塊砌體：

(13)

將σ=0.43fm[18]代入公式(12)、(13)得到泊松比均值分別為0.199(承重墻)與0.252(自承重墻)。因此，EPS混凝土砌塊砌體泊松比較普通粘土磚砌體泊松比(ν=0.12～0.16)大，且隨著EPS摻量增大泊松比會增大。綜合理論計算和實驗結果，考慮材料的離散性，建議EPS承重混凝土砌塊砌體泊松比為0.190，EPS自承重混凝土砌塊砌體為0.220。

(a) EPS承重砌塊砌體

(b) EPS自承重砌塊砌體

圖8EPS砌塊砌體泊松比回歸曲線

Fig.8The regression curve of Poisson ratio for EPS masonry

5　結　論

①EPS混凝土砌塊砌體試件受壓全過程與普通混凝土砌塊砌體相似，但初裂應力與極限應力的比值較普通混凝土砌塊砌體大，因此脆性明顯；

④砌體強度隨砌塊強度增大而增大，但非線性增長，砌塊強度越高遞增的速度越慢；

⑤砌體強度隨著砂漿強度增大而增大，但當砂漿強度超過砌塊強度時，砌體抗壓強度增長速度降低，甚至出現強度倒置現象，因此高強度砂漿并不能有效的改進砌體的抗壓性能，同時也不經濟；

⑥專用砂漿砌筑的EPS混凝土砌塊砌體抗壓強度較普通砂漿砌筑的高10%左右，且外觀質量好，而自制專用砂漿價格與普通砂漿砌筑混凝土砌塊相差不大，建議采用專用砂漿砌筑。

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(責任編輯唐漢民梁健)

Research on compressive performance of EPS lightweight energy-saving concrete masonry

WU Hui-qin, XIE Xiao-juan, LI Qing, WU Chao, WANG Tong-kuai, LI Zhu, LIU Peng

(School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

expanded polystyrene (EPS) concrete masonry; compressive performance; experimental study

2016-04-02；

2016-06-17

廣西科技廳科技開發項目 (桂科攻1598007-5)；柳州市科技開發項目 (2013B030402)；廣西科技大學科學基金項目(校科自1419209)

吳輝琴(1965—)，女，廣東恩平人，廣西科技大學教授；E-mail：whq6329@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0982

TU522.3+3

A

1001-7445(2016)04-0982-10

引文格式：吳輝琴,解小娟,李青,等.EPS輕質節能混凝土砌塊砌體抗壓性能研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：982-991.