新型混凝土横孔空心砌块砌体受压性能研究＊

吴方伯，陈 伟，黄海林，周绪红，2

（1.湖南大学土木工程学院建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南长沙 410082；2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州 730000）

混凝土小型空心砌块作为黏土砖的替代品在世界上运用越来越广泛，实践证明这种墙体材料具有节地、高强、轻质等许多优点［1］.目前世界上常用的混凝土空心砌块为竖孔形式，如单排孔、双排孔和多排孔混凝土空心砌块，存在着空心率小、墙体易裂、保温隔热性差、不易施工和埋管等缺点.

针对上述问题，课题组提出了一种混凝土横孔空心砌块（以下简称新型横孔砌块，如图1所示），并获得了发明专利.这种砌块弥补了竖孔混凝土空心砌块的不足，有节能、节地、环保、轻质、隔热、抗裂、防渗等多种优点.新型横孔砌块横孔洞口内可插入保温隔热材料，使得墙体达到节能设计要求.砌块侧板向下倾斜的构造和上部凸肋可以阻止雨水沿砂浆缝向墙内渗入.新型横孔砌块墙体每隔三到五皮砌块，可以以砌块上部凹槽为模壳，设置水平钢筋并浇注混凝土，并可在混凝土尚未凝固时砌筑上部墙体，施工简便快速，可以有效地提高墙体的抗震和抗裂性能.墙体施工时可采用湿砌法与干砌法，皆操作简便，易于施工，并可节约砂浆.当采用“坐浆法”进行湿砌时，先在砌块缺口抹上砂浆，再摆放上皮砌块，使上皮砌块的下部凹槽与下皮砌块的上部凸肋正好相合，使砌块上下皮连锁，自动摆正；当采用干砌法时，将砌块排列好浇水湿润后在横竖缝处填实砂浆，也可在墙面抹灰时施加压力，将砂浆挤入灰缝.

图1 混凝土横孔空心砌块及其墙体Fig.1 Concrete horizontal－hole hollow block masonry and the wall

由于新型横孔砌块与传统竖孔砌块结构形式存在较大差异，研究这种新型横孔砌块的基本力学性能成为将其应用于工程实践的首要问题.本文将通过对这种新型横孔砌块受压力学性能的试验研究，了解这种新型横孔砌块砌体的变形特征和破坏机理.基于试验结果并参考现行国家规范［2］，提出这种新型横孔砌块砌体的抗压强度计算方法，通过引入对数型砌体应力－应变关系模型，得到这种新型横孔砌块砌体的受压应力－应变计算公式和弹性模量计算方法，用于指导这种新型横孔砌块工程应用和研究.

1 试验过程

1.1 试件设计

3皮砌块高的试件可以反映实际墙体的受力状态，采用3皮砌块高的棱柱体来确定砌体的抗压强度是较合理的［3］.本文试验试件设计如图2所示，试验用主砌块尺寸为290mm×240mm×200mm，辅砌块尺寸为140mm×240mm×200mm，其空心率为40%～55%，试件尺寸为290mm×240mm×635mm.为研究块体强度和砂浆强度对砌体抗压强度的影响，本文试件分成9组，每组共6个试件，试件块体和砂浆抗压强度平均值见表1.

图2 试件尺寸（单位：mm）Fig.2 The size of test specimens（unit：mm）

表1 试件基本参数Tab.1 Material nature of specimens

本试验在湖南大学土木工程教育部重点实验室完成，采用四立柱5 000kN压力试验机加载，试件的横向和竖向应变由4个千分表测量，试验采用分级加载方法［4－5］.

1.2 破坏过程

从整个过程来看，新型横孔砌块砌体的破坏过程，可以分为三个阶段.试件裂缝分布形态见图3，破坏形态见图4.

第一阶段，从砌块开始受压到出现初裂.与一般砌块砌体相同，此时的应力－应变呈线性关系，反映了砌体处于弹性工作阶段.从砌体受压开始到压力增加到破坏荷载的60%～70%，水平砂浆层出现第一批细微裂缝①，如果卸掉荷载，裂缝不会继续开展.

第二阶段，随着荷载逐级增加，裂缝①继续发展，砌块的顶部和底部出现第二批裂缝②，压力到达破坏荷载的80%～90%时，首先在单个砌块的高度内贯通，同时沿着竖向砂浆缝在砌体内不断发展.

图3 试件裂缝形态Fig.3 Crack pattern of the specimen

图4 试件破坏形态Fig.4 Failure model of the specimen

第三阶段，砌块顶板与底板和侧板交接处出现第三批裂缝③，伴随有短促脆响，砌块裂缝不断发展，裂缝②逐渐形成沿砌体贯通的竖向裂缝，压力到达破坏荷载的90%～97%时，即使不再增加荷载，裂缝仍将继续扩展，砌块表面混凝土出现剥落现象.继续增加荷载最终由于裂缝②不断延伸和变宽，第一皮砌块突然破坏成两半.这一阶段中，有部分试件砌块顶板与侧板连接处由于裂缝③的变宽、延伸而突然断裂破坏，这两种破坏都具有很明显的脆性.

新型横孔砌块砌体的破坏过程与实心砖砌体相似，但新型横孔砌块砌体破坏有以下特点：脆性比实心砖砌体要大，裂缝少而集中，容易在竖向灰缝或顶板与侧板交界折角处产生应力集中形成主裂缝，裂缝出现较晚，一旦开裂就会迅速破坏.

2 试验结果与分析

2.1 新型横孔砌块砌体的抗压强度分析

目前国内外建议采用的砌体抗压强度公式一般是以试验为基础，通过统计的方法得到的经验公式.这些公式一般都将砂浆强度和砌块强度作为砌体抗压强度公式的变量.我国砌体结构设计规范建议采用的砌体抗压强度的计算公式为：

式中：fm为砌体抗压强度平均值（MPa）；f1，f2分别为块体和砂浆抗压强度的平均值（MPa）；α，k1为与块材类别及砌体类别有关的参数；k2为砂浆强度较低或较高时对砌体抗压强度的修正系数.

对于混凝土砌块砌体，式（1）中α，k1和k2分别取0.9，0.46和1.0.与一般竖孔混凝土砌块砌体相比，新型横孔砌块砌体受压方式有较大的不同，这种砌块砌体上下皮砌块有一部分直接接触.开裂前，竖向压力分别通过砌块本身的混凝土材料和砂浆两条路径向下一皮砌块传递；一般情况下灰缝会先于混凝土材料发生破坏.灰缝破坏后，竖向压力只能通过混凝土材料向下传递，顶板与侧板的折角处容易产生应力集中而出现裂缝，顶板开裂后，砌块侧板中会产生平面外弯矩，使得作为主要承力结构的侧板不能发挥强度，容易发生失稳破坏.本文将验算式（1）是否适用于新型横孔砌块砌体抗压强度的计算.

新型横孔砌块受压强度试验值fm0与式（1）规范计算值fm对比结果见表2，由表2可以看出，式（1）不适用于新型横孔砌块砌体抗压强度计算，其计算值偏于不安全，块体强度相同，砂浆强度越高，计算结果偏差越大；砂浆强度相同，块体强度越高，计算结果偏差越大；块体强度与砂浆强度相差越大，计算结果偏差越大.

本文对新型横孔砌块砌体抗压强度试验结果进行拟合分析，提出了新型横孔砌块的抗压强度计算公式，即式（2）.

式中：fm2为新型横孔砌块砌体抗压强度计算值（MPa）；f1，f2分别为块体和砂浆抗压强度的平均值（MPa）.

式（2）计算值fm2与新型横孔砌块受压强度试验值fm0对比结果见表2，从表2可以看出，式（2）能很好地复合新型横孔砌块砌体的抗压强度计算，且形式简单，其精度满足工程设计要求.

表2 新型横孔砌块砌体抗压试件试验值与规范值和式（2）计算值比较Tab.2 The experimental results compared with the results calculated in code and formula（2）

2.2 新型横孔砌块砌体应力－应变关系分析

国内外学者从不同角度对砌体应力－应变关系进行了大量的研究［6－8］，提出了不同因素影响下砌体应力－应变关系的众多表达式，可归纳为直线型、对数型、指数型、多项式型以及有理分式型等形式.其中对数型应力－应变关系在国内外应用较广泛，如式（3）所示.

式中：fm为砌体抗压强度（MPa）；σ，ε分别为砌体受压应力和应变（MPa）；ξ，n为与砌体类别有关的参数.

根据试验数据，本文用式（3）对9组试件应力－应变曲线进行拟合，以试件A－1为例，应力－应变标准化曲线如图5所示.利用最小二乘法逼近法得出式（3）中各项系数的取值，依此类推，同样可以得到其余8组试件应力－应变公式中各项系数的取值，结果见表3.

图5 试件A－1应力－应变拟合曲线Fig.5 The stress－strain curve of A－1

表3 应力－应变计算式各项参数拟合值Tab.3 The values of coefficient used in stress－strain formula

由表3可知，当砌块和砂浆强度变化时，n和ξ值变化不大，综合表3结果，在满足工程应用精度要求的前提下，ξ值取为2 108，n值取为0.83，可得出单轴受压下新型横孔砌块砌体应力－应变计算公式：

式中：fm为砌体抗压强度（MPa）；σ，ε分别为砌体受压应力和应变（MPa）.

2.3 新型砌块砌体弹性模量分析

砌体受压应力－应变曲线上各点的应力与其应变之比可用弹性模量来表示.在应力－应变曲线上某点与坐标原点连成的割线的斜率称为割线模量，工程上一般取σ＝0.43fm时的割线模量作为砌体的弹性模量，这比较符合砌体在使用阶段受力状态下的工作性能.当σ＝0.43fm时，

对于新型混凝土横孔空心砌块，代入系数ξ和n的值，可得弹性模量计算公式：

根据文献［5］的相关规定，得到试件弹性模量的试验实测值E0，与式（6）计算值E对比结果见表4.

表4 试件弹性模量试验值与式（6）计算值比较Tab.4 The comparison between experimental results with the results calculated using formula（6）

由表4可知，新型横孔砌块弹性模量式（6）计算值与试验实测值比值的平均值为0.90，吻合良好，可以很好地满足设计要求.

3 结 论

通过试验研究与理论分析得到如下结论：

1）新型横孔砌块砌体在竖向轴压作用下，其变形与普通砖砌体相似，仍可划为3个主要受力阶段，但显示了更大的脆性性质，砌体中裂缝少而集中.

2）按式（1）计算新型横孔砌块砌体抗压强度误差较大且偏不安全.基于实验结果，本文提出的强度计算公式（2）形式简单，计算值与试验结果吻合度较好，解决了新型横孔砌块工程应用中抗压强度设计问题.

3）基于试验结果，通过引入对数型砌体应力－应变关系模型得到了新型横孔砌块砌体受压应力－应变计算公式和弹性模量计算方法，为轴压状态下新型横孔砌块内力分析与有限元分析提供了重要的依据.

［1］ 施楚贤.砌体结构理论与设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.SHI Chu－xian.The theory and design of masonry structure［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，2003.（In Chinese）

［2］ GB 50003—2001砌体结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.GB 50003—2001Code for design of masonry structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2002.（In Chinese）

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［4］ GB／T 4111—1997混凝土小型空心砌块试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2003.GB／T 4111—1997Test methods for the small concrete hollow block［S］.Beijing：Standards Press of China，2003.（In Chinese）

［5］ GBJ 129—90砌体基本力学性能试验标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.GBJ 129—90The basic mechanics function experiments method standard of masonry［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2003.（In Chinese）

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