大面开槽钢纤维粉煤灰双免砖的抗折性能研究

王沾义，曾良善，周立新，樊磊

（1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林　541004；2.广西中泽建筑设计有限公司桂林分公司，广西 桂林　541001）



大面开槽钢纤维粉煤灰双免砖的抗折性能研究

王沾义1，曾良善2，周立新1，樊磊1

（1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林541004；2.广西中泽建筑设计有限公司桂林分公司，广西 桂林541001）

摘要：在粉煤灰免烧免蒸砖大面带凹槽的基础上，通过在砖体内掺加钢纤维的方法，研究大面开槽钢纤维粉煤灰双免砖的抗折性能。试验比较了4种不同类型的粉煤灰双免砖，结果表明：凹槽的存在，不仅削减了砖块的截面高度还使得凹槽处产生了应力集中效应，砖体的抗折强度较标准砖降低了31.43%；而在带凹槽的砖体内掺加体积含量为0.6%的钢纤维后，较之于标准砖其抗压强度提高不明显，但抗折强度提高了32.50%，折压比为标准砖的1.25倍。证明了钢纤维的掺入不仅能有效降低凹槽处的应力集中效应，还能较大幅度提高砖体的抗折性能及折压比。

关键词：粉煤灰双免砖；钢纤维；大面凹槽；抗折强度；折压比

0　引言

“双免砖”即粉煤灰免烧免蒸砖，因其环保、节能、节地、利废等特点，可有效地缓解烧结黏土砖的生产与环境保护、资源节约二者之间日益突出的矛盾。但是，因其强度的形成机理不同于烧结砖，使其性能还存在的一些不可避免的缺陷，主要表现在耐久性差，砌体收缩大，墙体宏观裂缝明显等方面［1］。以至于人们在使用这种砖的时候仍有所顾忌和担忧，严重制约了该砖的发展。

当砖块砌筑于砌体中时，竖向灰缝处往往会产生应力集中效应以及单砖由于砌筑质量及砂浆性能等多方面的影响，在砌体内往往也会产生拉、弯、剪等复杂的附加应力［2］，从而使得单砖在这种内力较大处首先折断并产生裂缝，随着裂缝的延伸而引起砌体的整体破坏，造成砌体的抗压强度大大低于单砖抗压强度，致使材料严重浪费。因此，为提高粉煤灰砖的综合应用性能，不少研究人员为其投入了大量的时间和精力，获得了不少的理论成果。刘立新等［3-4］为解决蒸压粉煤灰砖与砌筑砂浆接触面粘结力较弱的问题，对上下大面进行开槽处理后的蒸压粉煤灰砖砌体进行了抗剪性能试验。证明凹槽能提高砖和砂浆二者之间的咬合作用，但这种开槽的方法会降低砖体的抗折强度；英慧［5］通过对表面变形的蒸压粉煤灰砖和普通蒸压粉煤灰砖抗折强度试验的分析和对比，证明了砖体表面变形产生了应力集中效应，直接导致了其抗折能力的降低；李海涛和马芹永［6］对蒸压钢纤维粉煤灰砖开展了长龄期的抗折强度试验，分析得出了由于钢纤维的掺入使得粉煤灰砖的抗折强度得到提高并砖体的破坏形态也得到了改善。但上述研究都只对粉煤灰砖的单一性能进行改善，并未使砖的综合性能得到有效提高，尤其是在砖体表面开凹槽的方法更是以牺牲其抗折能力来获得抗剪能力的提高，这种做法有待进一步改进。那么，基于目前的研究情况，寻找一种改善粉煤灰砖综合性能的方法就显得尤为重要。

本试验综合考虑砖体大面开槽和砖内掺加钢纤维二者各自的优缺点，并将其结合起来，取长补短，为达到提高砖体破坏韧性，降低脆性，延缓和限制裂缝的产生及发展［7］，提高力学抗力等综合性能的目的而提供一种解决方法。试验通过比较不开槽不加纤维即标准砖（A型砖）、开槽不加纤维（B型砖）、不开槽加纤维（C型砖）、开槽加纤维（D型砖）4种不同类型的粉煤灰双免砖，来研究和分析表面开槽及钢纤维的加入对该砖抗折性能的变化及破坏形态的影响，并综合评价该方法的可行性，为该砖以后的发展提供理论参考。本文虽然以粉煤灰双免砖为试验载体，但实际上该方法同样适用于蒸压粉煤灰砖的性能改善。

1　试验

1.1试件设计

1.1.1试验原料

试验用粉煤灰砖：均为相同条件下经坯料制备、压制成型、湿热养护等工序制作而得，其尺寸为240mm×115mm×53 mm。粉煤灰取自广西来宾市某火电厂，0.045mm方孔筛筛余＜45%，其主要化学成分见表1；石膏：袋装成品石膏，CaSO4含量≥65%；石灰：成品生石灰；水泥：市售42.5级普通硅酸盐水泥；集料：砂子，含泥量＜0.5%；钢纤维：铣削型钢纤维，长度38mm，等效直径0.8mm，长径比48，抗拉强度≥700MPa，该钢纤维最大的优点在于搅拌时不易结团，能均匀的分布于坯料内，如图1所示。粉煤灰砖的质量配合比如表2所示，钢纤维的体积掺量参照文献［6，8］取为0.6%。其中粉煤灰活性是通过湿热养护和化学激发来提高的，采用由NaOH和Na2SO4组成的自制复合激发剂［9］，使用前按表2质量配合比中的要求称取相应的质量，按1∶1的比例配制成1%浓度的溶液，在混合材料搅拌过程中用喷雾器将溶液均匀喷洒在混合料中。

图1　坯料制备

表1　粉煤灰的主要化学成分　%

表2　粉煤灰砖的质量配比　%

1.1.2试件成型

本试验所有试件均采用自行设计的实验装置进行制作，如图2所示。该装置由钢制制砖模具、钢制反力架、油压千斤顶3部分组成。其中，钢制模具的设计是为防止在制砖过程中产生变形，采用10mm厚钢板通过角钢及螺栓组合而成。千斤顶采用50 t额定起重量的油压千斤顶，通过泵浦加压并配备压力表以确定压制过程中的压力值，并控制成型压力在18 MPa左右。同时为消除制作条件给试件带来的影响，在整个试件制作过程中严格控制投料质量、成型压力、压制时间等重要参数。另外，凹槽的开设数量、位置及尺寸经综合考虑最终设计其宽为10mm、深约1.5mm，其示意如图3所示。最后，根据制作流程将压制好的砖坯静停12 h后，放入养护箱内进行湿热养护，养护温度约为60℃、湿度90%，养护28 d后，进行抗压和抗折强度试验。

图2　试件压制装置

图3　粉煤灰砖的凹槽开设数量、位置及尺寸示意

1.2试验过程

本试验粉煤灰双免砖试件共分为不开槽不加纤维即标准砖（A型砖）、开槽不加纤维（B型砖）、不开槽加纤维（C型砖）、开槽加纤维（D型砖）4种类型。按照GB/T2542—2012《砌墙砖试验方法》规定的方法，各选取10块外形规整，没有缺棱掉角，弯曲、裂纹等都能达到标准要求的粉煤灰砖试件分别进行抗压和抗折强度的试验。并用分度尺为0.5mm的专用卡尺，测量砖块的宽度和高度尺寸。测量宽度时，应在砖的2个大面中间处分别测量2个尺寸，取其平均值；测量高度时，应在2个条面的中间处分别测量2个尺寸，取其平均值；开槽的砖应在凹槽处分别测量2个尺寸，取其平均值。

本试验在桂林理工大学建筑材料试验中心的全自动压力试验机上进行，其最大力值为2000 kN。抗折强度试验前将各试件放在温度为（20±5）℃的水中浸泡24 h后，再进行试验。将试件大面平放到支辊上，支辊跨距为200mm，调整试件位置，使试件两端面距支辊的距离相等。并保持100N/s的速度匀速加载，至试件破坏，记录峰值荷载，精确至0.01 kN，试验过程如图4所示。抗压强度试验按文献［10］要求进行。

图4　抗折强度试验

2　试验结果与分析

2.1试验结果

本试验各类型试件的抗压强度、抗折强度、折压比测试结果见表3～表7。其中抗折强度Rc按式（1）进行计算：

表3　A型砖的抗折、抗压强度及折压比

式中：P——最大破坏荷载，N；L——支辊跨距，mm；

B、H——分别为试件的宽度和高度，其中开槽的砖取破坏部位的高度，mm。

表4　B型砖的抗折、抗压强度及折压比

表5　C型砖的抗折、抗压强度及折压比

表6　D型砖的抗折、抗压强度及折压比

表7　4种类型蒸压粉煤灰砖的折压比

2.2结果分析

从表3～表7可以看出：

（1）从抗压强度方面分析，4种类型试件的平均抗压强度总体相差不大。其中C型砖比A型砖高7.96%，B型砖比A型砖低1.01%，说明大面凹槽对砖体的抗压强度影响较小，而钢纤维的掺入对砖体强度起到有利影响。钢纤维一般是乱向分布于砖体内，当其受到试验机竖向压力而产生横向变形时，砖内钢纤维便会起到约束横向变形的作用，产生环向约束效应，从而提高砖体抗压强度［10-11］。但砖内的这种环向约束作用较小，对提高砖体抗压强度的效果不明显。

（2）从抗折强度方面分析，B型砖的平均抗折强度比A型砖降低31.43%，说明凹槽的存在大大降低了砖体的抗折强度。分析这种情况的成因是由于凹槽的存在削减了砖块的截面高度以及凹槽处产生了应力集中效应所导致的；C型砖的平均抗折强度比A型砖提高了41.79%，这说明在砖内掺加钢纤维能有效提高砖块的抗折强度。产生这种效果的原因在于钢纤维与基体材料之间具有较大的粘结锚固力，从而在砖块受力时，砖内下部纤维材料受到拉力，上部基体材料受到压力［12］，使得各材料的力学性能得以发挥以及利用率也相应增大，单砖抗折强度也得到提高；相比于B型砖和A型砖，D型砖的平均抗折强度比C型砖仅降低6.55%，说明钢纤维的掺入能有效降低大面凹槽对砖体抗折强度的影响。D型砖的平均抗折强度比B型砖提高93.23%，说明钢纤维对凹槽砖的抗折强度的提高非常明显。D型砖的平均抗折强度比A型砖提高32.50%，说明钢纤维的加入，较好地抵抗了凹槽的负面作用，并且还较大幅度提高了砖体的抗折强度。证明在砖体大面开凹槽和在砖内掺加钢纤维的方法是可行的，具有一定的应用价值和实际意义。

（3）从折压比方面分析，在标准砖的基础上仅仅通过开凹槽的方法来提高砌体的抗剪强度是不可取的，虽然凹槽的存在可以提高砌体的抗剪强度，但是会严重降低单砖的抗折强度，使得单砖折压比达不到规范的要求。但在砖体内掺加钢纤维后，则可以较大幅度提高单砖的抗折强度。通过同时在砖块大面开凹糟和在砖体内掺加钢纤维，既可提高砖和砂浆之间的粘结能力又可获得较高的单砖抗折能力，使得综合力学性能得以改善。

2.3试件破坏现象及原因分析

对A型砖（标准砖）、B型砖（开槽不加纤维）、D型砖（开槽加纤维）3种类型砖体的破坏现象进行分析。通过A、B两种砖型对比，主要证明开槽砖具有明显的应力集中现象，再通过对D型砖破坏现象的分析，证明钢纤维的掺入能有效降低开槽砖的应力集中效应。而C型砖（不开槽加纤维）本身没有凹槽，没有应力集中现象，因此在破坏现象上，不能得出具有实际价值的分析结论，只能从表7数据来分析其抗折承载力的提高。从破坏现象方面来讲，D型砖相比于C型砖，其破坏现象更能直观地说明钢纤维具有降低应力集中效应的作用，因此只对A、B、D型砖的破坏现象进行描述和分析。A、B、D型砖裂缝的产生部位及断裂面形状见图5。

图5 　A、B、D型砖的破坏位置

从图5可以看出，对于未掺加钢纤维的A、B型砖，在达到破坏荷载之前，砖体没有明显的宏观变化。随着荷载的增大，裂缝会在试件底部弯曲拉应力最大且抗拉承载力最低的截面首先产生，一般为跨中截面也即上支辊作用点所在截面，且其破裂面沿着该截面向上延伸至试件顶面。而带凹槽的试件，绝大部分发生在凹槽和大面交接点处，只有少部分截面高度较大的试件发生在中间支辊作用点截面处，再次充分说明应力集中效应的存在。另外，在加载过程中，裂缝一经形成，便迅速贯穿整个砖截面，试件发生脆性破坏，破坏截面均为直线型且断裂界面较为平整。对于掺加钢纤维的D型砖，在达到破坏荷载之前，随着荷载的增加，可用肉眼看到试件发生轻微的挠曲变形，同时伴随着裂缝的产生与发展。此时不管是带凹槽还是不带凹槽的试件的开裂位置，都不一定是中间支辊作用点处或是凹槽和砖体大面交接点处，而是随机分布的，但其破裂面均是从开裂部位朝着中间支辊作用点延伸发展。这种开裂位置的分布和砖体内钢纤维的分布直接相关，其原因在于砖内钢纤维的存在，抵挡了砖体裂缝的发展，当裂缝的延伸遇到钢纤维时，钢纤维受到的弯曲拉应力便瞬间增大，裂缝处的拉应力全由钢纤维承担，限制了裂缝的发展。但随着荷载的增大，由于钢纤维是乱向分布于砖内的，不能保证每个截面的钢纤维含量相等，那么裂缝此时会寻着一条承载能力薄弱的路径继续发展并将钢纤维从基体内依次拔出［13］，使裂缝沿着一条弯曲的路线发展。这说明钢纤维的存在，改变了试件裂缝的发展方向，使得凹槽所产生的应力集中效应减弱。另外，在试验加载过程中，试件经历了3个不同的发展破坏阶段；第一阶段为试件开裂前未达到开裂荷载时的微挠曲变形阶段；第二阶段为当荷载介于开裂荷载和破坏荷载之间时的裂缝发展阶段，此阶段不加载裂缝不发展；第三阶段为达到破坏荷载，试件断裂阶段。其断裂面呈弯曲状且截面较为凌乱，破坏呈一定的塑性。此外，在断裂面可看到由于砖体破坏而被拔出的钢纤维（如图6所示）。这主要是因为钢纤维抗拉强度很高，破坏时由于钢纤维与基体之间的锚固粘结力不足而被拔出。

图6　试件破坏断面

3　结论及展望

（1）在砖体内掺加钢纤维能有效降低砖的脆性，增大韧性，并提高其破坏变形能力，使砖在破坏前经历裂缝的产生与发展过程。

（2）大面凹槽对砖体的抗压强度影响较小，掺入钢纤维可以提高抗压强度，当纤维体积掺量为0.6%时抗压强度较标准砖提高7.96%。

（3）大面开槽砖由于在凹槽和砂浆之间产生“砂浆销键”作用，增大了二者接触面间的粘结力，但却大大降低了砖的抗折强度，较标准砖降低31.43%。而通过向砖内掺加钢纤维的方法，既能保证砖块和砂浆二者之间有较好的粘结能力又能使单砖的抗折强度相比于标准砖提高32.50%，其折压比也为标准砖的1.25倍，有效地缓解了凹槽应力集中效应的影响，使该砖的综合力学性能得到提高。可为该砖今后的应用及发展提供一定的参考。

（4）由于不同类型的钢纤维和砖基体材料的粘结能力各不相同，使得砖体破坏形态及形式也各不相同。在今后的研究中，可对不同类型的钢纤维进行综合比较，得出其对砖体破坏形态的影响并得到砖体达到合理破坏形态时的最优纤维掺量。从理论上讲，砖体底部钢纤维被拉断的同时上部砖基体材料被压碎是最理想的破坏方式。但实际上能否达到这一理想状态，还需通过更为深入的试验论证。

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中图分类号：TU552.1+9

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0035-06

收稿日期：2015-11-07

作者简介：王沾义，男，1989年生，湖南邵阳人，硕士研究生，研究方向为结构工程。

Research on fracture resistance property of non-burned and non-steamed fly-ash brick which possesses both main side grooves and steel fiber

WANG Zhanyi1，ZENG Liangshan2，ZHOU Lixin1，FAN Lei1
（1.College of Civil Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Guangxi Zhongze Architectural Design Limited Company Guilin Branch，Guilin 541001，China）

Abstract：On the basis of non-burned and non-steamed fly-ash bricks which has notches on the main side，through the method of put steel fiber into brick to research the mechanical property of fracture resistance of non-burned and non-steamed flyash brick which possesses both main side grooves and steel fiber.The test compared with four different kinds of non-burned and non-steamed fly-ash bricks，the results indicate that the existence of grooves not only cut down the section height of brick but also cause the stress concentration effect at the location of grooves that directly decrease the ability of fracture resistance and the reduced value is 31.43%.While put 0.6%volumetric fraction of steel fiber into brick which possess of grooves，the growth of compressive strength that compared with standard brick is not obvious but the flexural strength increase 32.50%and the ratio of bending-compressive strength is 1.25 times of standard brick.It is proved that steel fiber not only could decrease the stress concentration effect caused by grooves but also could increase the flexural strength and the ratio of bending-compressive strength.

Keywords：non-burned and non-steamed fly-ash bricks，steel fiber，the main side grooves，flexural strength，ratio of bendingcompressive strength