烧结清水装饰砖夹心复合节能墙体力学性能

李书进等

摘要：介绍和分析了烧结清水装饰砖夹心复合节能墙体的构造和特点，通过试验研究了其力学性能；进行了夹心复合墙体的抗压强度试验、低周往复水平荷载试验、数值模拟和理论分析，研究了该种墙体的破坏形态、抗震性能及变形能力。结果表明：烧结清水装饰砖夹心复合节能墙体的理论分析结果与墙体试验结果吻合较好；该类夹心墙体具有良好的耗能能力及变形能力；烧结清水装饰砖夹心复合节能墙体有广阔的应用前景，值得推广使用。

关键词：复合墙体；烧结清水装饰砖；拟静力试验；节能；力学性能

中图分类号：TU362文献标志码：A

0引言

在建筑的能耗中，外墙作为建筑围护结构的主体，其能耗约占总能耗的50%[1]，可见外墙所用材料的保温性能将直接影响建筑的耗能量，加强墙体的保温隔热性能是建筑节能的必经之路。多年以来，中国建筑墙体一般采用单一材料，如早期的实心粘土砖，目前的空心砖、空心砌块、加气混凝土砌块等。单一材料导热系数大，一般为高效保温材料的20倍以上，即使采用有效保温措施也难以达到节能65%的设计标准，因此需要走复合墙体的道路[2]。

随着建筑市场优质工程需求的加大，高档装饰砖在建筑施工与应用方面的优势已逐渐被市场认识和接受，市场空间也不断加大。承重多孔砖已经朝着高利废、高强度、同时具有清水砖装饰效果的多功能方向发展。中国有些地区已经开始利用当地资源（主要是页岩、淤泥等）生产高档清水砖，部分有远见的建筑企业也开始使用清水砖或其过渡产品——清水贴片建设高档楼盘，取得了较好的经济效益[3]。将烧结清水装饰砖与普通多孔砖相结合组成的夹心复合节能墙体由于具有强度高、装饰效果好、耐候性强、节能环保等优点，将具有广阔的应用前景。本文将对这一体系进行介绍，并对其力学性能进行试验研究。

1烧结清水装饰砖夹心复合节能墙体

所谓烧结清水装饰砖夹心复合节能墙体是指将传统砖墙沿墙厚方向一分为二，采用烧结清水装饰砖作为墙体的外叶，普通烧结多孔砖作为墙体内叶，两叶之间夹以保温材料，并用钢筋加以拉结的夹心复合墙体，具体构造如图1所示。

烧结清水装饰砖夹心复合节能墙体采用清水装饰砖作为墙体的外叶，且直接作为外墙装饰，与传统的单一材料墙体或夹心墙体相比，除有保温、隔热、节能等性能外，还具有其他墙体无法比拟的优势。

首先，该体系暴露在外与外界恶劣气候相接触的是耐候性极强的高档烧结砖，耐候性不强的材料则被保护在内部，避免了普通外墙饰面过于脆弱、易开裂、脱落、使用寿命短等缺点，提高了建筑物的耐久性，延长了建筑寿命。

其次，采用清水装饰砖直接作为外墙装饰节省了做外墙保温层、粘贴外墙砖或刷涂料的时间以及相应的人工费和材料费，提高了砌筑效率，降低了建筑成本。

此外，清水装饰砖作外墙装饰，典雅、自然、庄重、美观，适用于建设文化艺术氛围浓厚的精品建筑、田园式建筑、仿欧美建筑和相应的城市景观等，用途十分广泛。

近年来，笔者以武汉湖泊淤泥为主要原料，研制出了一种高强、耐久、具有古朴典雅装饰风格的环保陶瓷清水砖。湖泊淤泥在该清水砖配方的添加量超过80%，产品规格一般为240 mm×115 mm×90 mm或240 mm×115 mm×53 mm，孔洞率25%以上，也可以做成各种异型产品。目前该产品的实验室样品已试制成功（图2），拟准备进行批量生产。将这种新材料应用到夹心复合墙体不仅能变废为宝，而且可以引领建筑向艺术化、个性化、返璞归真和自然天成的方向发展，进一步提升建筑品位，具有巨大的社会效益和现实意义。

2力学性能试验

2.1抗压试验

2.1.1试件设计

抗压试验的试件尺寸为240 mm×250 mm×690 mm（图3），按照夹心复合墙体系的施工方法与工艺流程进行砌筑，试件实际尺寸平均值为235 mm×247 mm×700 mm。烧结清水装饰砖和普通烧结多孔砖的强度等级为MU20，砂浆强度等级分M7.5和M10两种，每种各3个试件，将这些构件依次编号为SJ1至SJ6。

试件砌筑完成后，在室内自然条件下养护，达到强度后按砌体基本力学性能试验方法在压力机上进行轴心抗压试验。砌筑完成后的试件抗压试验情况如图4所示。

2.1.2试验结果分析

开裂荷载与极限荷载在砌体结构设计中具有十分重要的意义，它们是反映结构受力性能的关键指标。试件开裂荷载的取值是通过试验过程肉眼观察而来的，具有随机性和离散性，极限荷载是试件发生极限破坏时的荷载，取压力试验机的测力计指针明显回退时的读数，该读数为试验过程中最大的荷载读数。表1为墙体试件的开裂荷载和极限荷载。

对试件的抗压强度进行计算，其公式为σ=N/A，其中σ为试件的抗压强度，A为试件受压面积，A=0.058 m2。取试件抗压强度f1，f2，f3的平均值fm，试件抗压强度设计值f=0.45fm，按《砌体结构设计规范》对配筋砌体的规定，试件抗压强度设计修正值按fM=γaf进行修正，其中γa为修正系数，当其中砌体截面面积小于0.2 m2时，γa为其截面面积加0.8，得γa=0.858。试件抗压强度计算结果见表2。

2.1.3墙体拉结筋的作用

节能夹心复合墙中Z形拉结筋的作用主要是保证内、外2片墙体的协同工作、协调变形，同时提高夹心墙体的整体稳定性，使之成为一个有机整体。试验中通过粘贴在拉结筋表面的应变片可以观测到，当竖向荷载较小时，拉结筋应变较小，基本上不起作用，墙体平面外变形小。随着荷载的增大，拉结筋应变开始增大，拉结筋开始发挥作用，试件有发生平面外变形的倾向。在加载至开裂荷载之前，钢筋受力基本上随荷载增加而有规律地变化。至接近极限荷载到试件完全丧失承载力阶段，拉结筋应变陡然增加到最大值，墙体进入塑性发展阶段，两叶墙平面外变形增大。

2.2低周往复水平荷载试验

2.2.1试件设计

本次试验共设计2片墙体，分别为墙1和墙2，试件尺寸如图5所示。

试件按照夹心复合墙体系的施工方法与工艺流程进行制作。夹心墙体试件墙1和墙2均采用烧结清水装饰砖和普通烧结多孔砖，其强度等级为MU20，砂浆强度等级分为M7.5和M10两种。构造柱混凝土强度等级为C20，顶梁及底梁混凝土强度等级为C30。构造柱截面尺寸为240 mm×240 mm，纵向钢筋为412，箍筋为6@200。

2.2.2加载方案和加载程序

该试验加载装置如图6所示，水平荷载采用顶点加载。竖向加载采用2个液压千斤顶通过分配梁将竖向荷载传至墙顶。构造柱内上下端钢筋及墙体均布置了若干电阻应变片。

（1）弹性阶段

当荷载较小时，墙体荷载位移曲线近似为直线，此阶段夹心墙体能协同工作，变形协调，内、外叶相对变形较小。

（2）弹塑性阶段

当荷载增大，内、外叶墙体开裂并发展，墙面交叉裂缝形成，其荷载位移曲线呈曲线上升，形成滞回环。

（3）下降段

当达到极限荷载后，墙体抗侧能力将随着位移增大而减小，其荷载位移曲线呈曲线下降。

随着荷载继续增大，墙体逐渐形成对角交叉裂缝，甚至有墙片剥落现象，直至试件破坏。试件典型破坏形态如图8所示。

2.2.5试验结果

从试验过程及数据分析可知，在砂浆强度范围内，夹心墙体的抗剪承载力随砂浆强度的提高而增大。这主要是因为本文试验的破坏形式为沿砌体灰缝截面的剪摩破坏，砌体的抗剪破坏主要取决于水平灰缝中砂浆与砌块的粘结强度。随着砂浆强度的提高，砌体的抗剪强度也随之增大，从而夹心墙体的抗剪承载力也随之增大。

3数值模拟

为进一步了解夹心复合墙体的力学性能，采用有限元方法对夹心复合墙体进行了数值模拟和计算，并与试验结果进行了对比。

有限元分析采用大型软件ABAQUS进行。夹心复合墙体的有限元模型主要包括砌块、砂浆、底梁、顶梁、构造柱和拉接件。为了简化计算，将砌块和砂浆构成的砌体视为均质材料[89]。

3.1基本假定

（1）墙体底梁在试验模拟过程中无任何转角及位移。

（2）钢筋混凝土材料及砌体砖块均为均质材料，且各向同性。

（3）拉接件同砌体之间连接紧密，且破坏前不产生滑移[10]。

（4）构造柱、顶梁、底梁同夹心复合墙体之间紧密连接。

（5）底梁和顶梁始终处于弹性状态，即不产生破坏。

（6）不考虑夹心复合墙体内部保温材料的受力。

3.2模型参数选择

夹心复合墙体中各构件材料参数按照现场试验情况确定，实测参数见表3。构造柱混凝土强度等级为C20，顶梁及底梁混凝土强度等级为C30。构造柱截面尺寸为240 mm×240 mm，纵向钢筋为412，箍筋为6@200。混凝土、砌块、砂浆、钢筋等均根据基本力学性能试验来确定其材料参数，如实测强度、弹性模量等。

3.3模型的建立

砌体、构造柱、顶梁、底梁的模拟均按应用实体单元中的完全积分单元（C3D8），梁柱内部钢筋及拉接件的模拟均采用空间桁架单元（T3D2）。砌体及混凝土材料本构模型均采用ABAQUS中自带的混凝土损伤塑性模型[1112]，模型参数依据试验测定结果取值。

图11为构造柱应力云图，云图显示构造柱底部受拉应力较大，这也与试验现象中构造柱底部裂纹较多相符。图12为拉接件应力云图，云图显示拉接件发生弯曲屈服的位置主要分布在墙体中间偏上部位，而其他部位的拉接件变形较小，这与试验中得到的结论较吻合。图13为试验夹心复合墙体滞回曲线，通过比较数值试验同夹心墙体试件试验的开裂荷载可知，两者数值很接近。通过对比可以看出复合夹心墙体数值试验中应力集中部位同试验中破坏较严重的部位较吻合，且数值试验所得的开裂荷载同夹心墙体试件试验的开裂荷载较接近，表明该数值计算可以比较精确地模拟夹心复合墙体的受力性能。

本文试验中夹心复合墙体处于低周反复水平荷载和竖向荷载作用下的复合受力状态，主拉应力破坏理论和库仑破坏理论这2种基本理论是复合受力状态下墙体破坏的主要理论。根据主拉应力破坏理论，即当作用于砌体上的主拉应力大于其抗主拉应力强度时，砌体就会发生剪切破坏，砌体抗剪强度的一般表达式为

fV=fV01+σ0fV0（1）

式中：σ0为作用于砌体截面的平均压应力；fV为砌体抗剪强度；fV0为砌体水平灰缝抗剪强度。

库仑破坏理论（剪摩理论）认为，砌体水平灰缝的抗剪强度fV0与作用于砌体截面的平均压应力σ0形成的摩阻力之和构成了砌体的剪摩强度即抗剪强度。当砌体所受的剪应力超过其抗剪强度时，砌体将沿砂浆的剪切面发生剪切破坏，其强度表达式为

fV=αfV0+μσ0（2）

式中：α为相关系数，变化范围为0.5～1.0；μ为摩擦因数。

试验显示，在竖向荷载与水平荷载的共同作用下，夹心复合墙体在初始时刻基本上维持弹性状态，因此夹心复合墙体的荷载位移曲线基本上是一条直线。由此可见，在竖向荷载和水平荷载初始加载时，夹心墙体的刚度基本不变。随着水平荷载的逐渐增加，在水平和竖向灰缝中同时出现裂缝，然后裂缝沿着夹心墙体灰缝向墙体两侧斜向发展，形成X形裂缝。因此，夹心墙体所受的主拉应力超过其抗主拉应力强度时会导致夹心墙体产生裂缝，表明可以采用主拉应力破坏理论来计算夹心复合墙体的开裂荷载[13]。

在夹心复合墙体的X形主裂缝形成后，夹心墙体没有立刻进入承载力极限状态，其仍具有抵抗一定侧力的能力，显然这一现象无法用主拉应力破坏理论来解释。试验观察到在夹心墙体的灰缝开裂后，夹心墙体并没有在垂直于X形主裂缝的方向上被完全拉开，而是沿着水平灰缝相互错动，所以墙体能够继续承受水平反复荷载的作用，直至沿X形主裂缝的水平灰缝粘合强度完全丧失，随着摩擦因数不断变小，夹心墙体会产生较大的水平位移，墙体的剪切摩擦机制不断破坏，当夹心墙体两侧的构造柱剪断后，达到墙体的极限荷载[13]。

试验分析得出，通过主拉应力破坏理论可以描述夹心复合墙体开裂前的状态，以及计算夹心复合墙体的开裂荷载；通过库仑破坏理论可以解释夹心复合墙体开裂后的承载力极限状态，以及计算夹心复合墙体的极限荷载，所以应根据夹心墙体的状态去选择对应的理论进行计算分析。

根据试验结果，参考以往研究[13]，本文通过采用组合截面抗剪计算模式进行夹心复合墙体的抗剪承载力计算，即将内、外叶墙的抗剪承载力V1，V2相加得到夹心复合墙体的抗剪承载力V，即

V=V1+V2（3）

V1，V2均采用《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中有构造柱参与的砖砌体抗剪承载力计算模型，即

V1=ηcfV1（A1-Ac）+ξftAc+0.08fyAs（4）

V2=ηcfV2（A2-Ac）+ξftAc+0.08fyAs（5）

式中：ηc为内叶墙墙体约束修正系数，在一般情况下系数取值为1.0，当存在构造柱且柱间距不大于3.0 m时系数取值为1.1，本文试验中ηc取值为1.1；fV1，fV2分别为内、外叶墙抗剪强度；A1，A2分别为内、外叶墙横截面面积（包括端部构造柱），本文试验中取值为0.3 m2；ξ为中部构造柱参与工作系数，居中设1根时取0.5，多于1根时取0.4；As，Ac分别为钢筋和混凝土截面面积。

由于本文试验的2片夹心复合墙体的内、外叶墙两端均有构造柱约束，同时考虑到在墙体开裂时墙体两端构造柱基本处在弹性小变形阶段，该阶段构造柱的作用主要是加强对中间墙体的约束从而提高夹心墙体的抗剪承载力，所以根据规范公式简化得到本文所研究的夹心复合墙体的抗剪承载力计算公式为

V=ηc（fV1A1+fV2A2）（6）

采用弹性方法计算时，复合受力状态下计算夹心复合墙体的开裂荷载采用的是主拉应力理论。根据中国试验与研究，取剪力不均匀系数为1.2，采用主拉应力理论，则内、外叶墙的抗剪强度分别按下式进行计算

5结语

夹心复合墙由于其具有良好的保温、隔热、节能等优点，必将能得到更广泛的应用，对其加以研究和推广亦具有重要的经济和社会意义。将烧结清水装饰砖应用到夹心复合墙体更能体现该体系的优势，可以使建筑更加耐久和美观，更体现出自然魅力。本文通过对该墙体的试验和理论研究表明，理论分析同墙体试验情况吻合较好，该类夹心墙体具有较好的耗能能力及变形能力，因此，中国应尽快出台相关标准和法规，促进这类墙体的应用和发展，建立起科学、可持续发展的建筑体系。

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