矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪試驗研究

黃榜彪,盧強,朱基珍,黃炳章

(1.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006;2.華中科技大學光學與電子信息學院，湖北武漢430074)

矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪試驗研究

黃榜彪1,2,盧強1,朱基珍1,黃炳章1

(1.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006;2.華中科技大學光學與電子信息學院，湖北武漢430074)

采用不同強度的砂漿砌筑矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪試件，按砂漿強度等級分為3組共計27個，并進行抗剪強度試驗，研究其抗剪承載能力.試驗結果表明:矩形孔燒結頁巖磚砌體受剪破壞具有明顯的脆性破壞特征.通過對試驗數據的回歸分析，提出了矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度計算公式.公式計算結果驗證了對于同一強度等級的砂漿，矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度高于現行砌體設計規范的抗剪強度取值，表明規范抗剪強度取值適用于矩形孔燒結頁巖磚砌體且有一定的安全儲備.

矩形孔;燒結頁巖磚;砌體;抗剪強度

0 引言

國家標準《燒結多孔磚和多孔砌塊》(GB 13544-2011)中，取消了圓型孔和其它孔型，規定孔型只能采用矩形條孔或矩形孔［1］.矩形孔燒結磚相對于新標準實行前流行的圓形孔燒結磚有更高的孔洞率和更好的熱工性能，更有利于節能環保［2］;另一方面，孔型的改變會造成受力時應力分布不同，所以在力學性能上存在差異.新型墻體材料一直是砌體結構材料研究的重要方向，許多專家學者對此做了大量研究［3-11］，但是關于矩形孔燒結頁巖磚的研究相對較少;因此，本文對矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度和抗剪機理進行研究，為其推廣使用提供參考.

1 試驗概況

1.1 試件選用材料和試件砌筑方法

砌塊采用強度等級為MU25的矩形孔燒結頁巖磚(如圖1所示)，幾何尺寸為240 mm×115 mm×90 mm.砂漿采用混合砂漿，強度等級分為M5，M7.5和M10共3個等級.試件模型采用雙剪試件(也即九磚試件)，按照砂漿強度等級分為A組(M5)，B組(M7.5)和C組(M10)，每組9個，共27個試件.為了保證砌筑質量，試件的制作過程依照國家標準《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GBT 50129-2011)和《砌體工程施工質量驗收規范》(GB50203-2011)，由中等技術水平的砌筑工人砌筑，砌筑完畢后，在試件頂部平壓四皮磚，保持14 d.試件在溫度為15℃～20℃的室內灑水養護28 d.

圖1 矩形孔燒結頁巖磚Fig.1 Rectangular hole sintered shale brick

1.2 試驗過程

試驗采用精密液壓伺服壓力試驗機對抗剪試件進行加載，圖2(a)為試件受力示意圖，圖2(b)為加載裝置圖.試件就位前測量試件的受剪截面尺寸.試件就位時，在抗剪試件和壓力機底部鋼板的接觸面上以及試件上部受力面上各鋪一層厚度較薄的細沙，以便調整試件的水平度，并進行幾何對中，使試件中心線和壓力試驗機的上下壓板中心線重合.為保證精確測量破壞荷載，把荷載傳感器放置在壓力試驗機器上加壓板下方，由傳力構件將荷載均勻地傳遞到試件.加載時勻速連續加荷，使試件在1 min～3 min內破壞.試驗前測量試件、傳感器和傳力構件的重量，破壞后記錄破壞荷載值及破壞特征.

圖2 試件受力圖和加載裝置Fig.2 Force diagram of the specimen and equipment of test

2 試驗結果和理論分析

2.1 試驗現象

加載過程中，試件沒有表現出明顯的破壞征兆，當超過極限破壞極值后，儀表荷載讀數回落，試件突然發生破壞，破壞過程有明顯的脆性.試件最終的破壞形式可以分為單剪破壞(圖3(a))、雙剪破壞(圖3(b))和磚體破壞(圖3(c)).各種破壞形式的統計情況見表1.

當砂漿強度比較低時，主要是單剪破壞和雙剪破壞，且單剪破壞要遠多于雙剪破壞.原因主要是2個受力面處的砌塊表面平整度、施工質量有所差異，導致兩側豎向灰縫與塊體的粘結強度有一定的離散性，兩側粘結強度大致相當的情況比較少.破壞先沿著比較薄弱的一側發生時，就會出現單剪破壞;當兩側粘結強度大致相當，2個側面共同受力，就出現雙剪破壞，這種破壞比較少.砂漿強度較高時還會發生磚體破壞，原因主要是矩形孔燒結頁巖磚個別孔肋較薄且邊角為直角，導致該處的應力集中現象明顯，容易局部開裂進一步削弱砌塊承載能力，而導致磚體整個破壞.上述3種破壞形式，都伴隨著砂漿鍵被剪斷，這表明砂漿鍵也承擔了較大的剪力.

圖3 單剪破壞、雙剪破壞和磚體破壞Fig.3 Single shear damage,double shear damage and the destruction of brick

表1 試件破壞統計表Tab.1 Specimens damage statistics

2.2 抗剪強度試驗數據

試驗的抗剪強度公式采用《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T 50129-2011)中的公式:

式(1)中，fv，i表示試件抗剪強度(N/mm2)，Nv指試件破壞荷載值，A表示試件的一個受剪面面積.

整理后結果見表2，可以看出，A，B，C組的砂漿抗剪強度平均值分別為0.461 MPa，0.553 MPa和0.620 MPa，抗剪強度平均值隨著砂漿強度的提高而提高.

表2 矩形孔燒結頁巖磚抗剪強度Tab.2 Rectangular hole sintered shale brick masonry's shear strength

2.3 抗剪強度平均值

試驗結果說明矩形孔燒結頁巖磚砌體受剪破壞既包括砂漿本身的破壞，也包括砂漿和孔洞之間的銷鍵破壞，所以抗剪強度也主要包括砂漿與磚體表面的粘結作用和砂漿的銷鍵作用.砌體規范采用的砌體抗剪強度平均值公式如下:

式(2)中，fv，m表示砌體抗剪強度平均值，f2表示砂漿強度，k5為對試驗數據擬合分析得出的系數.規范取值是對多家單位的研究數據的綜合整理，對燒結多孔磚的取值為0.125.

對照上述公式，采用最小二乘法對表2的數據進行擬合回歸處理，求得k5等于0.189，所以本試驗的抗剪強度平均值公式為:

表3和圖4將式(3)和試驗數據進行了對比，有少部分試驗數據小于式(3)計算出來的抗剪強度平均值，說明式(3)表示的抗剪強度有些偏高.為了提高安全性，需要調整系數k5，使試驗數據盡可能落在計算公式的上方.

經過試算，取k5為0.161時，矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度平均值公式可以表示為:

圖4 抗剪強度實測值和式(3)、式(4)的比較Fig.4 Comparisonbetweenmeasuringresultsofshearstrength andplotsofformula(3)andformula(4)

表3 各組抗剪強度最小值和式(3)的比較Tab.3 Comparison between minimum shear strength in each group and formula(3)MPa

在圖4中用實線表示式(4)，A組，B組和C組試驗數據落在式(4)上方;所以式(4)可以看作試驗抗剪強度值的下包線，比式(3)安全性更高，建議采用式(4)計算矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度平均值.

2.4 抗剪強度標準值和設計值

根據砌體規范，具有95％保證率的多孔磚砌體抗剪強度標準值計算公式可以表示為［12］:

式(5)中，fv，k為抗剪強度標準值，σf表示抗剪強度的標準差.

表4列出了各組試驗數據的標準差和變異系數，考慮到安全性取最大的標準差0.065，代入式(5)得到:

考慮到安全儲備，將式(6)乘以折減系數0.85，得到建議的矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度標準值的計算式:

設計值的計算公式參考砌體規范，將上式除

以分項系數γf=1.6，得出文中建議的矩形孔燒結頁巖磚抗剪強度設計值計算公式:

2.5 矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度和規范值的對比

表5列出了矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪試驗強度的標準值和設計值以及砌體規范給出的抗剪強度標準值和設計值，其中本文得出的矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度設計值相比規范給出的設計值有顯著提高，砂漿的銷鍵作用對其抗剪性能的提高也有較大貢獻，規范取值相對保守，有比較高的安全儲備.

表4 矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度的標準差和變異系數Tab.4 Standard deviation and coefficient of variation of rectangular hole sintered shale brick masonry's shear strength

表5 抗剪強度標準值和設計值與規范取值的對比Tab.5 Comparison of rectangular hole sintered shale brick's and current masonry structures code's standard value and design value of shear strength MPa

3 結論

1)矩形孔燒結頁巖磚砌體的抗剪破壞形式主要是單剪破壞和雙剪破壞，且單剪破壞多于雙剪破壞.矩形孔的孔肋較薄，應力集中現象比較明顯，會降低磚體的強度導致少量的試件發生磚體破壞;

2)得出了矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度建議計算公式，和試驗數據比較吻合，并有一定的安全儲備;

3)矩形孔燒結頁巖磚砌體抗剪強度取值相對砌體規范有顯著提高，填充矩形孔的砂漿銷鍵起到了重要作用.

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB13544-2011燒結多孔磚和多孔砌塊［S］.北京:中國標準出版社，2011.

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Research of the shear strength of rectangular hole sintered shale brick masonry

HUANG Bang-biao1，2，LU Qiang1，ZHU Ji-zhen1，HUANG Bing-zhang1
(1.School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China;2.School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Twenty-seven sintered shale brick masonry specimens are divided into three groups according to the mortar strength for shear strength test.The result of the test shows that the destruction of rectangular hole sintered shale brick is brittle failure.Based on the regression analysis of experimental data，the shear strength calculation formula of rectangular hole sintered shale brick masonry was proposed，which shows that average of rectangular hole sintered shale brick masonry shear strength is higher than the value of the shear strength in current masonry structures code with the same strength grade mortar.It also indicates that the current masonry structures code is applicable to the rectangular hole sintered shale brick masonry with enough safety coefficient.

rectangular hole;sintered shale brick;masonry;shear strength

TU362

A

2095-7335(2016)02-0027-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.005

(學科編輯:黎婭)

2015-11-19

廣西千億元產業重大科技攻關項目(桂科攻11107021-3-5，桂科攻1099058);廣西科技攻關項目(桂科攻12100007，桂科攻14126001-4);柳州市科技開發項目(2013J010404)資助.

黃榜彪，教授級高級工程師，教授，研究方向:新型建筑材料，E-mail:752359768@qq.com.