保溫承重砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析

方福軍

在更新舊建筑的過程中，產(chǎn)生了越來越多的建筑垃圾。如果不能合理地對(duì)其進(jìn)行回收利用，將嚴(yán)重影響人們的生活、生產(chǎn)及自然環(huán)境。保溫承重砌塊砌體作為一種新型的建筑材料，具有良好的保溫性能和較高的抗壓強(qiáng)度，并逐漸在建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。保溫承重砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)其力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一[1]。為研究和優(yōu)化保溫承重砌塊砌體的設(shè)計(jì)和施工，需要深入了解其抗壓強(qiáng)度及影響因素。

確定保溫承重砌體的抗壓強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要要求。目前，關(guān)于磚砌體、水泥砌塊砌體性能的相關(guān)研究內(nèi)容仍然很少，有關(guān)水泥砌塊或磚砌塊抗壓強(qiáng)度的信息不足以確定保溫承重砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度。雖然砌體的抗壓強(qiáng)度可通過試驗(yàn)來確定，但測(cè)試工作所需的材料成本較高，尋找適用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來預(yù)測(cè)砌塊單元（磚或砌塊）和砂漿的性能具有重要意義。通常可通過試驗(yàn)研究磚、砌塊和砂漿的強(qiáng)度來預(yù)測(cè)砌體的抗壓強(qiáng)度。許多研究者已經(jīng)開發(fā)出不同的關(guān)于磚、砌塊單元、砂漿與砌體的抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式[2]。

1 保溫承重砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度概述

雖然砌體抗壓強(qiáng)度取決于砌體單元（磚或砌塊）、砂漿、砌體單元與砂漿的界面結(jié)合、砌體單元平整時(shí)的濕度、砂漿厚度、砌體棱柱的長細(xì)度及工藝等，但主要受砌體單元和接縫砂漿性能的影響。BENNETT 等[3]提出了砌體抗壓強(qiáng)度和磚抗壓強(qiáng)度之間的簡單方程：砌體抗壓強(qiáng)度等于磚抗壓強(qiáng)度的0.3 倍。然而，在大多數(shù)其他的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式中，通常也會(huì)考慮砂漿的強(qiáng)度。

當(dāng)同時(shí)考慮砌體單元和砂漿強(qiáng)度來確定砌體抗壓強(qiáng)度fm時(shí)，其關(guān)系可用式（1）來表示，即：

式中：K、α、β分別為常數(shù)；fb、fj分別為磚和砂漿的平均抗壓強(qiáng)度。

有人將α和β值分別定義為0.7和0.3。K是常數(shù)，其值取決于砌體單元類型和砂漿的特性。對(duì)于黏土磚和普通砂漿，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的K值為0.35 ～0.55。在大多數(shù)研究中，都考慮了砌體單元強(qiáng)度和砂漿強(qiáng)度，并以式（1）的形式提出了經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式[4]。

1.1 試驗(yàn)材料

采用普通硅酸鹽水泥制備穩(wěn)定土塊，當(dāng)?shù)乜捎玫耐寥烙米鞣€(wěn)定土塊的集料。為制備聯(lián)合砂漿，除當(dāng)?shù)赝寥劳猓€采用了天然河砂。此次試驗(yàn)使用第四系沉積物中的河砂，在過去傳統(tǒng)情況下常用于生產(chǎn)水泥塊。試驗(yàn)所用材料性能如表1 所示。鑄造尺寸為205 mm×105 mm×65 mm 的實(shí)心塊，分別按1 : 4、1 : 6、1 : 8 和1 : 10 的體積比制備水泥土砂漿砌塊。對(duì)于聯(lián)合砂漿的制造，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)砂漿的占比選擇3 種黏合劑，指定使用2種類型的砂漿：水泥河砂和黏土砂漿。砂漿是在攪拌機(jī)中將水泥和土按1 : 5、1 : 7 和1 : 9 的體積比配制而成的[5]。

表1 水泥、砂、土壤的物理性質(zhì)

磚石棱柱體采用4 種不同強(qiáng)度的穩(wěn)定土塊和6 種砂漿（水泥土和水泥砂混合砂漿各3 種）的組合制備了144個(gè)砌體試樣。使用砂漿混合料鑄造不同類型的棱柱砌塊，水泥與砂混合料的體積比分別為1 : 5、1 : 7 和1 : 9。對(duì)于棱鏡，使用尺寸205 mm×105 mm×65 mm 的塊單元，并在制備樣品前將塊保持在正常的環(huán)境條件下。每個(gè)棱鏡由3 個(gè)穩(wěn)定土塊和2 個(gè)10 mm 厚的砂漿接縫組成。測(cè)試前將樣品保存在室內(nèi)試驗(yàn)室環(huán)境中，固化28 d。

1.2 磚塊測(cè)試

1.2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用置換控制法確定穩(wěn)定土塊的抗壓強(qiáng)度，以2 mm/min 的速度增加載荷，直到發(fā)生失效，計(jì)算公式為：

式中：Fmax為最大負(fù)荷；S為有效面積。

1.2.2 彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)

采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)確定穩(wěn)定土塊的彎曲強(qiáng)度PB，計(jì)算公式為：

式中：P為失效時(shí)施加在砌塊中間的載荷；l為支架之間的距離；b、d分別為中跨段的寬度和深度。

1.2.3 吸水試驗(yàn)

穩(wěn)定土塊在105 ℃的烘箱中干燥24 h。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下，這些區(qū)塊在水中合并24 h，測(cè)量并記錄砌塊的烤箱干濕狀態(tài)和質(zhì)量。

吸水率Q的計(jì)算公式為：

式中：Wd干燥狀態(tài)水泥塊的質(zhì)量；Ws為濕態(tài)水泥塊的質(zhì)量；V為水泥塊的體積。

1.3 砂漿立方體磚塊棱柱體試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)有的歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN772-1）評(píng)估砂漿立方體抗壓強(qiáng)度，砂漿立方體尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。放置在通用軸向試驗(yàn)機(jī)中，以2 mm/min 的速度增加載荷，直到發(fā)生故障為止。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)度計(jì)算與砌塊壓縮試驗(yàn)相似[6]。

同時(shí)，為了獲得磚塊棱柱體抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和加載位移率與磚塊的壓縮試驗(yàn)相似。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

抗壓試驗(yàn)指試件成型后不受任何側(cè)向約束的情況下進(jìn)行的單軸抗壓試驗(yàn)。此次試驗(yàn)以粉砂質(zhì)泥巖碎石含量和試件成型方式為變量，總結(jié)分析粉砂質(zhì)泥巖碎石土的強(qiáng)度特性影響因素和規(guī)律，為保溫承重砌塊砌體施工提供材料參數(shù)參考依據(jù)[7]。

選取不同泥巖碎石含量填料對(duì)應(yīng)最優(yōu)含水率，對(duì)試件通過振動(dòng)壓實(shí)成型進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（圖1），振動(dòng)壓實(shí)成型試驗(yàn)機(jī)的激振力0.39 MPa 。試件制備采用重型擊實(shí)試驗(yàn)所得的最優(yōu)含水率控制填料含石量，填料摻配完成后悶料24 h 進(jìn)行試件制備。填料含石量情況控制如下：粉砂質(zhì)泥巖碎石含量控制為50%、60%、70%，對(duì)應(yīng)填料含水率為10.1%、9.2%、8.1%。粉砂質(zhì)泥巖土石混合料成型過程中分3 層進(jìn)行，壓實(shí)度保證不低于95%，每種含石量及成型方式分別設(shè)置3 組平行試驗(yàn)[8]。

圖1 抗壓試件試驗(yàn)設(shè)備（來源：作者自攝）

抗壓試驗(yàn)軸向力施加采用校內(nèi)WHY-1000 微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)，儀器規(guī)格為1000 kN。試驗(yàn)采用控制應(yīng)變速度進(jìn)行加載，加載速率3 mm/min，當(dāng)加載過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線達(dá)到明顯峰值或隨著加載的進(jìn)行應(yīng)力值變化不明顯時(shí)停止加載。如果應(yīng)力應(yīng)變曲線未出現(xiàn)明顯峰值或應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，則將試驗(yàn)進(jìn)行到軸向應(yīng)變達(dá)20%及以上時(shí)結(jié)束加載。

隨著荷載的逐漸增加，塊正面出現(xiàn)第一個(gè)裂紋，然后塊一側(cè)出現(xiàn)許多小裂紋，側(cè)皮開始裂紋脫落。隨后塊前部的裂縫逐漸發(fā)展和延長，最終破壞了塊結(jié)構(gòu)，失去承載能力，保溫承重砌塊砌體主體部分的損壞更為嚴(yán)重。腔內(nèi)回收泡沫混凝土保護(hù)良好，說明砌塊主要由空心體加載。

當(dāng)泥巖碎石含量為60%和70%時(shí)，隨著加載的進(jìn)行，試件頂部開始出現(xiàn)較為明顯的裂縫，并逐漸向下延伸，但試件的仍保持較高的完整性，顯示出一定的塑性破壞特征。當(dāng)泥巖碎石含量為50%時(shí)，試件中部出現(xiàn)鼓脹，并伴隨試件外側(cè)起皮脫落現(xiàn)象，出現(xiàn)較為明顯的軟塑性破壞特征。試驗(yàn)得到振動(dòng)壓實(shí)成型試件的破壞過程的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2 所示，試件在振動(dòng)壓實(shí)成型時(shí)，當(dāng)泥巖碎石含量分別為50%、60%、70%時(shí)，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則分別為524、618.3、695.7 kPa。

由圖2 可知，泥巖碎石含量與試件的成型方式會(huì)對(duì)填料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度于試件在軸向應(yīng)力作用下的破壞形式產(chǎn)生不同程度的影響。3 種級(jí)配粉砂質(zhì)泥巖碎石土填料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度振動(dòng)壓實(shí)成型試件所測(cè)應(yīng)力峰值均較大。這是因?yàn)檎駝?dòng)荷載作用于粉砂質(zhì)泥巖土石混合料時(shí)，混合料的原有內(nèi)摩擦角會(huì)在振動(dòng)荷載的作用下被破壞，導(dǎo)致試樣剪切強(qiáng)度與抗壓阻力均減小，所以在振動(dòng)荷載的作用下試樣的密實(shí)程度更高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也就越大[9]。砌塊的抗壓強(qiáng)度超過了預(yù)期的強(qiáng)度，這可能是由于其他回收材料的摻入，保溫承重氣體砌塊的后期強(qiáng)度不斷加大。由于砌塊選擇的材料相互匹配，混合均勻，獲得了較好的效果。

通過與不同的研究結(jié)果獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢驗(yàn)了保溫承重砌體抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式（圖3）。結(jié)果表明，此次研究提出的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式具有較好的擬合性，且始終優(yōu)于其他經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。塊的抗壓強(qiáng)度Pc計(jì)算公式為：

圖3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析（來源：作者自攝）

式中：N為塊破壞載荷；L為塊軸承面的長度；B為塊軸承面的寬度。

表2 為此次砌體強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值和方差系數(shù)。與其他提出文獻(xiàn)相比，此次試驗(yàn)砌體強(qiáng)度的平均值更接近1.00，提出的方程給出的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差更小。結(jié)果表明，與其他研究相比，此次研究中得出的強(qiáng)度變化較小。

表2 此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果單位：MPa

3 結(jié)語

保溫承重砌塊砌體作為一種新型的建筑材料，具有相對(duì)較好的保溫性能和較高的抗壓強(qiáng)度。對(duì)該材料的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)分析和研究，具有重要的理論和實(shí)際意義。通過對(duì)多個(gè)棱柱體砌體進(jìn)行試驗(yàn)來確定砌塊、砂漿抗壓強(qiáng)度與砌體抗壓強(qiáng)度的簡單關(guān)系。將已發(fā)表文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行，證明所提出的抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。因此，在實(shí)際工程中，需要合理控制玻化微珠的使用量，以確保保溫承重砌塊承重質(zhì)量。研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)和優(yōu)化保溫承重砌塊砌體的設(shè)計(jì)和施工具有重要的意義。