新型混凝土横孔空心砌块砌体受压性能研究*

吴方伯，任焕青，刘 彪，李 钧,2

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 中航建筑工程有限公司，湖南 长沙 410004)

新型混凝土横孔空心砌块砌体受压性能研究*

吴方伯1†，任焕青1，刘 彪1，李 钧1,2

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 中航建筑工程有限公司，湖南 长沙 410004)

对砌块混凝土设计强度等级为C25～C45的新型混凝土横孔空心砌块及砌体进行受压试验，研究砌块混凝土抗压强度、砌块抗压强度和砌体抗压强度之间的关系.试验结果表明：砌块初裂荷载约为破坏荷载的84%～90%，砌体初裂荷载约为破坏荷载的80%～94%；砌块混凝土每提高一个强度等级，砌块强度提高13%～23%，砌体强度提高13%～30%，且提高幅度逐渐减小．推导了砌块抗压强度平均值计算公式；《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)建议采用的砌体轴心抗压强度平均值计算公式对新型横孔空心砌块砌体并不适用；提出了新型横孔空心砌块砌体轴心抗压强度平均值建议计算公式.

横孔空心砌块；抗压强度；抗压强度平均值公式

混凝土小型空心砌块符合可持续发展要求，是一种极具竞争力的墙体材料[1].但混凝土小型空心砌块建筑存在保温隔热性能差、防渗性能差等缺点.针对混凝土小型空心砌块存在的一系列问题，本文提出了一种新型混凝土横孔空心砌块，该砌块保温隔热性能好、自重轻，多用于填充墙.砌块主要由凸肋、顶板、底板和左右侧壁组成.横孔空心砌块现已标准化、定型化、产品化，并编制了构造图集、技术规程、省级工法，提出了制作、施工工艺和质量控制技术.砌块的物理性能、力学性能及墙体抗震性能已经得到了较全面的试验研究[2]，但对于横孔空心砌块与砌体的抗压强度计算公式研究较少.本文通过新型混凝土横孔空心砌块和砌体的受压性能试验，研究砌块混凝土抗压强度、砌块抗压强度、砌体抗压强度之间的关系，并对砌块及砌体的抗压强度平均值公式进行了推导.

1 试验概况

1.1 试验用砌块及砌体砌筑方式

试验所用砌块均生产自湖南思为科技开发有限公司，并采用了A和B两种规格的砌块.A类砌块尺寸为295 mm×190 mm×218 mm，B类砌块尺寸为295 mm×100 mm×218 mm.A类砌块结构型式如图1所示.

砌块砌筑前1～2 d进行浇水湿润，清除砌块表面的杂物.砌筑时先在侧壁上方砌筑水泥砂浆，待水泥砂浆稳定不再塌落时再砌筑上一皮砌块，砌筑过程中须保证上皮砌块底板不会与下皮砌块凸肋接触，上下皮砌块通过侧壁和砌筑砂浆传力.

1.2 试件设计与制作

砌块抗压试验参照《混凝土小型空心砌块试验方法》(GB/T 4111—1997)[3]的规定处理试件的坐浆面和铺浆面.所有砌块均在侧壁上方及凸肋处用水泥砂浆找平，且水泥砂浆的抗压强度较高，以保证砂浆不会先于砌块破坏.找平前，首先将钢板放置在平整的地面上，用水平尺找平放稳，再在钢板上涂一层机油，然后均匀铺一层约5 mm厚的水泥砂浆[4]，将砌块平稳压入砂浆层中，砌块底部多余的砂浆沿棱边刮去.24 h后，用类似的方法将水泥砂浆填满侧壁上方和凸肋处，水泥砂浆层高出凸肋5 mm.再把涂有机油的玻璃板压在砌块的砂浆层上，用水平尺找平后，在室内自然环境下养护.

3皮砌块高的砌体试件可反映墙体的实际受力状态[5]，《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)[6]规定混凝土砌块砌体的高厚比β宜介于3～5之间，试件宽度为1.5～2倍的块体长度.因此，综合考虑以上因素，A类砌体4皮砌筑，β约为4.5.B类砌体3皮砌筑，β约为6.试件长度为1.5倍的砌块长度加灰缝砂浆的厚度.试件设计如图2所示.砌体试件拟采用2种不同强度的水泥砂浆砌筑.试验总体方案设计情况见表1.

图2 标准砌体受压试件

1.3 试验加载方法

砌块受压试验采用液压压力试验机加载.砌块置于承压板上，用橡胶皮垫覆盖砌块找平砂浆上表面，使砌块轴线与承压板压力中心重合，缓慢均匀加载，加载速率统一为0.5 kN/s，试验机指针突然大幅度回退时标志着砌块破坏，记录最大破坏荷载.

砌体受压试验参照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)[6]的规定设计加载方案.仪器全部安装完毕后，在预估破坏荷载值的5%～20%内，反复预压3～5次.预压后卸荷并记录初始读数，然后正式加载，每级荷载为预估破坏荷载值的10%，并在1～1.5 min内均匀加完；恒荷1～2 min后施加下一级荷载，施加荷载时不得冲击试件.加荷至预估破坏荷载值的50%后，每级荷载减小至预估破坏荷载值的5%.当试件出现第一条裂缝后，每级荷载恢复至预估破坏荷载值的10%.

表1 试验总体方案设计

Tab.1 Overall design of the tests

混凝土设计强度等级砌块规格砌块数量砌筑砂浆砌体数量C25A5砂浆1砂浆233B5砂浆1砂浆233C30A5砂浆1砂浆233B5砂浆1砂浆233C35A5砂浆1砂浆233B5砂浆1砂浆233C40A5砂浆1砂浆233B5砂浆1砂浆233C45A5砂浆1砂浆233B5砂浆1砂浆233

2 材性试验

2.1 混凝土立方体抗压强度试验结果

2.2 砌筑砂浆抗压强度试验

砌筑砌体所用水泥砂浆参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[8](JGJ/T 70—2009)测试抗压强度.标准立方体试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,一组六块.试验结果见表3，表中fmor为砂浆立方体抗压强度，fmor的计算及取值原则参照标准规定,f2为砂浆立方体抗压强度平均值.

表2 混凝土立方体抗压强度试验结果

Tab.2 Compressive strength results of concrete cube

强度等级编号P/kNA/mm2f'c/MPafc/MPaC25123550.40596.59580.6122500225002250024.46226.51525.80525.594C30123713.8679.56670.1722500225002250031.72430.20329.78530.571C35123761.65791.55802.4222500225002250033.85135.18035.66334.898C40123870.08939.42925.6322500225002250038.6741.75241.13940.520C451231075.751034.171017.5922500225002250047.81145.96345.22646.333

表3 水泥砂浆抗压试验结果

Tab.3 Compressive strength results of cement mortar

分组编号P/kNA/mm2fmor/MPaf2/MPa砂浆112345637.3436.0936.0141.142.7931.14998.494998.494998.494998.494998.494998.4910.0859.7479.72511.111.5588.6710.476砂浆212345649.6347.1953.8555.6746.5951.464998.494998.494998.494998.494998.494998.4913.40412.74514.54415.03512.58313.89813.702

3 试件典型破坏情况与结果

3.1 砌块破坏形态及试验结果

试验表明，A和B两类砌块主要破坏形态相近.如图3所示，裂缝首先出现在凸肋砂浆中部，随着荷载的增加，砌块凸肋与顶板交接内侧出现纵向裂缝，随后底板也出现纵向裂缝.顶板和底板处的纵向裂缝会向砌块中部发展，侧壁较少出现裂缝.随着裂缝的逐渐开展，最终因凸肋与顶板交接处竖向裂缝的加宽及纵向裂缝的贯通致使砌块破坏，破坏耗时较少，裂缝少且集中，表现出明显的脆性.砌块出现第一条裂缝到承载力全部丧失，时间较短，初裂荷载约为破坏荷载的84%～90%.

试验结果表明，横孔空心砌块的抗压强度随砌块混凝土强度的提高而提高.砌块混凝土材料设计强度等级为C25～C45时，混凝土每提高一个强度等级砌块强度提高13%～23%，且随砌块混凝土抗压强度的提高，砌块抗压强度提高幅度呈下降趋势.砌块受压试验结果见表4和表5，表中F为初裂荷载，P为破坏荷载，A为砌块毛截面面积，fb为砌块抗压强度，f1为砌块抗压强度平均值.

图3 砌块主要破坏形态

表4 A类砌块抗压试验结果Tab.4 Compression test results of block A

3.2 砌体受力过程及主要试验结果

新型混凝土横孔空心砌块砌体破坏形态如图4所示.试件破坏过程第一阶段：从加载至出现第一条裂缝.这一阶段砌体的荷载-应变曲线大致呈线性关系，砌体处于弹性工作状态.一般第一条裂缝出现在顶皮砌块凸肋与顶板交角处，初裂荷载约为破坏荷载的80%～94%.第二阶段：裂缝扩展阶段.砌体出现第一条裂缝后，随着压力增大，竖向砂浆裂缝向上下方向延伸，同时第二批裂缝出现在顶皮砌块底板与侧壁交角处.伴随着吱吱声，砌体处于弹塑性阶段.第三阶段：压力增加至砌体破坏.随着荷载缓慢增加，第一批裂缝贯通顶皮砌块，底皮砌块延伸较少，基本无裂缝；而第二批裂缝沿砌体纵向延伸，致使顶底板与侧壁断开，这是导致砌体破坏的主要原因.A类砌体相比B类砌体，脆性更显著.砌体应力应变曲线如图5所示.砌体受压结果见表6和表7,表中f为砌体轴心抗压强度，fm为砌体轴心抗压强度平均值.经计算，砌块混凝土材料每提高一个强度等级砌体强度提高13%～30%，且砌块混凝土强度越高，提高幅度越小.

表5 B类砌块抗压试验结果

Tab.5 Compression test results of block B

fc/MPa编号F/kNP/kNA/mm2fb/MPaf1/MPa25.5941110.25130.63288124.5342130.40146.35289105.0623119.66136.29288124.7304113.25129.13287144.4975126.37140.73288124.8844.74230.5711159.85181.65287146.3262144.35166.69288125.7853156.55178.10286166.2244150.98170.41286165.9555166.85185.39288126.4346.14534.8981186.06205.35289107.1032183.52217.70292057.4543189.56213.23292057.3014176.98197.74286156.9105193.03215.37286157.5267.25940.521208.65231.83289108.0192212.54236.94286158.2803207.06246.50292058.4404213.71245.64286158.5845224.15251.57292058.6148.38846.3331243.52274.85295009.3172268.00298.012979510.0023253.53287.45297959.6484258.84300.282920510.2825243.53288.21292059.8699.823

图4 砌体试件破坏形态

应变

应变

表6 A类砌块砌体抗压试验结果Tab.6 Compression test results of masonry A

4 砌块抗压强度公式推导

广西、四川、广州等有关建工、建材科研单位对不同抗压强度的混凝土试件同原材料配置的混凝土小型空心砌块进行了995个试件的对比试验，按照数理统计的方法求得了小砌块空洞率Rk/R的关系式[9]：

表7 B类砌块砌体抗压试验结果

Tab.7 Compression test results of masonry B

fc/MPaf2/MPa编号F/kNP/kNA/mm2f/MPafm/MPa25.59410.47613.70217079453001.74425966455001.45136073443941.64417586455001.89027080455001.75838090455001.9781.6131.87530.57110.47613.70218595453002.097283101453002.23038297453002.1411100115454002.533295115453002.539390110455002.4182.1562.49634.89810.47613.7021115125444922.8092110118444922.6523102123444922.7651115135450452.9972120133450452.9423120139450453.0862.7423.00840.5210.47613.7021117143455003.1432120141455003.0993120137455003.0111140151454923.3192130155455003.4073125149455003.2753.0843.33446.33310.47613.7021128155443943.4912130160443943.6043137158443943.5591150165455003.6262147170455003.7363152175455003.8463.5523.736

Rk/R=0.957 7-1.129K.

(1)

式中：Rk为混凝土砌块28 d抗压强度；R为混凝土立方体试件28 d抗压强度；K为砌块空洞率.

由于横孔空心砌块是横向开孔砌块，顶板和底板的混凝土对砌块抗压无贡献，砌块实际是靠侧壁混凝土抗压的，按实际材料的空心率进行计算并不合适，应将受压侧壁之外的其他混凝土都计入空心部分，以此计算的空心率称为名义空心率Km[10].假定混凝土内部孔隙均匀分布，名义空心率可通过材料空心率进行换算，换算公式如式(2)：

(2)

式中：K为实际空心率;A′为侧壁受压混凝土面积；A为砌块混凝土截面总面积.计算知，A类砌块K=58%，Km=0.76 ；B类砌块K=42%，Km=0.55.将公式(1)中的K用Km代替，计算得出的砌块强度与砌块混凝土强度的比值远大于试验比值，该公式不适用于新型横孔空心砌块.在公式(1)的基础上，以f1/fc为因变量，以空心率Km为自变量，对本次试验数据进行线性回归拟合，提出了新型混凝土横孔空心砌块抗压强度平均值建议计算公式(3)，并对公式的计算比值与试验比值进行比较，结果见表8，可知公式(3)计算结果与试验结果吻合较好.

f1/fc=0.45(1-Km).

(3)

表8 试验值与公式值的比较

Tab.8 Value comparison between the test and formula

砌块规格编号fc/MPaf1/MPaf1/fc平均值公式计算值A1234525.59430.57134.89840.52046.3332.6873.3023.8044.2955.2540.1050.1080.1090.1060.1130.10820.108B1234525.59430.57134.89840.52046.3334.7426.1457.2598.3889.8230.1850.2010.2080.2070.2120.20260.2025

5 规范公式的适用性

利用《砌体结构设计规范》[11](GB 50003—2011)中砌体抗压强度的计算公式计算新型混凝土横孔空心砌块砌体的抗压强度，并与试验值进行对比，验算规范公式是否适用于横孔空心砌块砌体.我国砌体结构设计规范建议采用的砌体抗压强度平均值计算公式如式(4)所示：

(4)

式中：fm为砌体轴心抗压强度平均值；f1，f2分别为块体强度等级值和砂浆抗压强度平均值；α，k1为与砌块类别和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，式(4)中α，k1和k2分别取0.9, 0.46和1；由于f2>10 MPa,规范公式计算结果需乘系数1.1-0.01f2.将试验值与规范公式计算值进行比较，结果见表9.A和B两类砌体试验值分别为规范公式计算值的0.522和0.558倍，规范公式计算值大于试验值，误差较大且偏于不安全，因此规范公式并不适用于新型混凝土横孔空心砌块砌体抗压强度平均值的计算，横孔空心砌块砌体受压强度平均值公式有待进一步研究.

6 砌体受压强度建议计算公式

由于新型混凝土横孔空心砌块是一种全新的砌块型式，且砌块结构型式在不断改进.经计算，课题组以往所提出的横孔空心砌块砌体抗压强度平均值公式fm= 0.2f1+0.3f2[12]并不适用于砌块结构型式改进之后的砌体受压试验情况，误差较大.通过对规范公式(4)进行改进，得出了砌体抗压强度平均值建议计算公式(5).利用公式(5)分别计算A和B两类砌块砌体的抗压强度，结果见表10.试验值与公式(5)计算值的平均比值分别为1.093和1.168，可见公式(5)的计算结果安全可靠，且与A和B两类砌块砌体的试验结果都能很好地吻合.但由于试验场地及时间的限制，本文未能制作足够批量的砌体受压试验试件，且考虑到砌体抗压强度试验结果具有一定的离散性，新型混凝土横孔空心砌块砌体仍需进行大批量的试验研究工作，以使公式(5)得到进一步验证.

(5)

表9 规范值与试验值的比较

Tab.9 Value comparison between the code and the test

砌块规格编号fc/MPaf1/MPaf2/MPafm/MPa规范值/MPafm/规范值平均比值A125.5942.68710.47613.7020.9291.0381.9322.1120.4810.491230.5713.30210.47613.7021.2091.3542.3252.5440.5200.532334.8983.80410.47613.7021.3881.5352.6412.8880.5260.531440.524.29610.47613.7021.6191.7682.9473.2230.5490.549546.3335.25410.47613.7021.8711.9723.5323.8630.5300.5110.522B125.5944.74210.47613.7021.6131.8753.2213.3410.5010.561230.5716.14510.47613.7022.1562.4964.0674.4470.5300.561334.8987.25910.47613.7022.7423.0084.7245.1670.5800.582440.528.38810.47613.7023.0843.3345.3815.8850.5730.567546.3339.82310.47613.7023.5523.7366.2036.7840.5730.5510.558

表10 公式值与试验值的比较

Tab.10 Value comparison between the test and formula

砌块规格编号fc/MPaf1/MPaf2/MPafm/MPa公式值/MPafm/公式值平均比值A125.5942.68710.47613.7020.9291.0380.9121.0201.0191.018230.5713.30210.47613.7021.2091.3541.0981.2281.1021.102334.8983.80410.47613.7021.3881.5351.2471.3951.1131.100440.524.29610.47613.7021.6191.7681.3911.5561.1641.136546.3335.25410.47613.7021.8711.9721.6671.8651.1221.0571.093B125.5944.74210.47613.7021.6131.8751.5201.6131.0611.162230.5716.14510.47613.7022.1562.4961.9202.1481.1231.162334.8987.25910.47613.7022.7423.0082.2302.4951.2301.206440.528.38810.47613.7023.0843.3342.5402.8421.2141.173546.3339.82310.47613.7023.5523.7362.9283.2761.2131.1401.168

7 结 论

1)砌块受压试验表明，砌块混凝土材料设计强度等级为C25～C45时，砌块初裂荷载约为破坏荷载的84%～90%.混凝土材料每提高一个强度等级砌块强度提高13%～23%，且随砌块混凝土强度的提高，砌块强度提高幅度呈下降趋势.

2)砌体受压试验表明，砌块混凝土材料设计强度等级为C25～C45且采用文中所示2种强度的水泥砂浆砌筑砌体时，砌体初裂荷载约为破坏荷载的80%～94%.砌块混凝土材料每提高一个强度等级砌体强度提高13%～30%，且砌块混凝土强度越高，提高幅度越小.

3)通过对砌块受压试验数据进行统计分析，提出了新型混凝土横孔空心砌块抗压强度平均值建议计算公式.

4)按规范公式计算横孔空心砌块砌体抗压强度时误差较大，A和B两类砌块砌体试验值分别为规范计算值的0.522和0.558倍，误差较大且偏于不安全，因此规范公式并不适用于横孔空心砌块砌体抗压强度的计算.

5)通过对规范公式进行改进，提出了横孔空心砌块砌体抗压强度平均值建议计算公式.但由于试验场地和时间的限制，且砌体受压试验数据具有一定的离散性，砌体受压强度平均值建议计算公式仍需进一步验证.

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Research on the Compression Behavior of the New Horizontal-hole Hollow Concrete Block Masonry

WU Fang-bo1†, REN Huan-qing1, LIU Biao1, LI Jun1,2

(1.College of Civil Engineering , Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China；2. Catic Construction Company LTD, Changsha, Hunan 410004, China)

Through the tests of new horizontal-hole hollow concrete block and masonry on compressive strength when the concrete compressive strength grade is between C25～C45, the compressive strength relationships were studied among the concrete, block and masonry. The experiment results show that the ratio of the crack load to the break load of the block and masonry is 84%～90% and 80%～94% respectively; the compressive strength of the block and masonry increases by 13%～23% and 13%～30%, respectively with the enhancement of concrete compressive strength grade, and the increase slows down gradually; and the average compressive strength formula of the block is derived. It turns out that the compressive strength formula of the masonry recommended by the Code for Design of Masonry Structures (GB 50003-2011) is not applicable for the masonry researched in this paper. The compressive strength formula of the new horizontal-hole hollow concrete block masonry was proposed.

horizontal-hole hollow block; compressive strength; average compressive strength formula

2014-11-26

国家自然科学基金资助项目(51278179), National Natural Science Foundation of China (51278179)

吴方伯(1959-)，男，湖南长沙人，湖南大学教授，博士生导师

†通讯联系人，E-mail:wfbprof@163.com

1674-2974(2015)11-0025-08

TU311.4；TU362

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