再生砂浆砌体抗剪性能试验研究

马政伟，张锋剑,2，董晓峰,张文彬，杨赋安，邢智岩，栗书亚，徐进进

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山467036；2.建筑安全与环境国家重点实验室北京 100013)



再生砂浆砌体抗剪性能试验研究

马政伟1，张锋剑1,2，董晓峰1,张文彬1，杨赋安1，邢智岩1，栗书亚1，徐进进1

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山467036；2.建筑安全与环境国家重点实验室北京 100013)

抗剪性能是砌体结构的重要性能之一。通过标准砌体构件抗剪试验，研究了再生砂浆多孔砖砌体的抗剪强度、破坏特征，并与《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)中的普通多孔砖砌体计算公式相比较，给出了再生砂浆多孔砖砌体抗剪强度设计值的建议取值。试验及结果分析表明：再生砂浆体具有很好的强度和变形能力，可作为砌体结构中的砌筑砂浆。

再生砂浆多孔砖砌体；抗剪强度；再生细骨料

随着城市规模扩大，旧城改造得到了突飞猛进的发展，由此产生的建筑垃圾也越来越多[1-2]。2015年统计数据表明：我国每年产生约35亿t建筑垃圾，且普遍采取堆放和掩埋的方式处理，其综合利用率不足5%，远远低于欧盟(90%)、日本(97%)和韩国(97%)等发达国家和地区。与此同时，由于建筑业大量消耗天然砂石，造成我国很多地区天然砂石严重短缺，导致建筑成本增加、建筑质量下降。通过对废旧混凝土及砖渣进行粉碎筛分，得到不同品质和粒径的再生骨料，根据其性能分别用于生产再生混凝土、再生混凝土砌块及再生砂浆等再生混凝土制品,不仅解决了建筑垃圾无处堆放难以处理的问题，而且解决了建筑材料日益短缺的问题，实现了资源的循环利用，符合国家可持续发展的基本国策。本文使用固体废弃物实验室产生的废弃混凝土块，利用设备破碎后再进行筛分得到粒径小于5 mm的再生细骨料作为替代天然砂的材料。实验中使用不同百分率的再生细骨料，配置了两种强度等级的再生砂浆，然后砌筑标准的抗剪试验构件，最后进行标准砌体构件抗剪试验来研究再生砂浆多孔砖砌体的抗剪强度及剪切面破坏形态。通过抗剪试验研究及结果分析，再生砂浆多孔砖砌体具有良好的抗剪性能，在工程中可以作为砌筑砂浆使用。

1　试验方案及抗剪试验

1.1试验原材料

本实验中使用的再生细骨料来自河南城建学院建材实验室，由本科试验压碎的废弃混凝土立方体试块组成。首先进行人工初步破碎，再利用颚式破碎进行二次破碎，最后进行人工筛分得到粒径小于5 mm的再生细骨料，用于配置本次试验用的再生砂浆。本文按照《建设用砂》[3]中所规定的试验方法，对普通细骨料和再生细骨料进行取样测试，得到两种材料的主要物理性能指标见表1。

表1　细骨料主要性能指标

通过表1中再生细骨料跟天然细骨料的各项物理性能对比分析可以发现，天然砂的颗粒级配相对均匀，堆积密度和表观密度比再生细骨料大20.4%和10.3%，并且再生细骨料的吸水率远远大于天然砂。

本试验使用的煤矸石多孔砖为平顶山市亚坤建材有限公司生产，该砖尺寸为240 mm×115 mm×90 mm，强度等级为MU10。抗剪试验前按照《砌墙砖试验方法》[4]中的规定，从实验用煤矸石多孔砖中随机抽取了10块多孔砖作为测试单砖抗压强度试样。将每个试样对半切开使用水泥净浆砌筑，养护3 d后利用TYE-3000C型压力试验机进行抗压试验，测试结果如表2所示，其抗压强度平均值为10.5 MPa，达到MU10强度等级。

表2　烧结煤矸石多孔砖抗压强度(MPa)

1.2试件设计及制作

试验采用的砂浆为使用不同再生细骨料取代率的再生水泥砂浆，砌筑成尺寸为290 mm×240 mm×365 mm的通缝抗剪试验试件。根据研究内容，主要研究再生细骨料取代率对砌体抗剪性能的影响，配置了M7.5、M10两种强度等级的再生水泥砂浆[5]。试验设计再生细骨料取代天然砂的掺量为0、30%、45%、60%，砌成八组试件，每组6 个，总计48个试件。具体试验方案见表3，其中再生细骨料取代率为再生细骨料与全部细骨料的质量比值。

试件的制作、养护及试验方法均严格按照《砌体基本力学性能试验方法标准 》(GB 50129-2011)[6]的要求。抗剪砌体试件砌筑完成之后，养护7 d，当砂浆强度达到100%之后，按照图1在试件顶部的中间砖和底部的两侧砖上用1:3水泥砂浆抹面找平，厚度在10～12 mm。抹面后利用钢化玻璃块压在砂浆上部保证上下两个受力面平行，然后把抹好面的试件放在实验室内进行常温养护，当抹面砂浆也达到设计强度后开始进行砌体抗剪试验。具体构件尺寸见图1。

表3　再生砂浆砌体试验方案

图1　砌体试件的组砌示意图

图2　加载装置示意图

在砌筑抗剪砌体试件的同时，每组预留6块标准砂浆立方体试块且与试验砌体试件在同条件下养护，在抗剪试验开始前一天利用MTS810材料试验系统测定标准砂浆立方体试块的抗压强度，测试结果见表4。

表4　砂浆试块抗压强度试验值

1.3抗剪性能试验

砌块抗剪试验采用成都伺服液压加载系统的300 kN液压千斤顶进行加载，千斤顶配有荷载传感器，加载系统可测定荷载值。先将千斤顶安装在反力架上，连上油泵，然后将试件置于反力架下两块铺有一层砂的厚钢板表面上。再在试件顶面中间块砖受力面上铺一层薄薄的砂并放置一块厚20 mm的钢板，保证千斤顶传来的荷载能够均匀作用在试件加载面上。抗剪试验加载装置示意图如图2所示。

试验前，首先测量受剪面尺寸，测量精度要达到1 mm，然后将多孔砖砌体试件放置在两块厚钢板上，调整试件位置使试件中心跟上部千斤顶中心对照，再将20 mm钢板放在砌体上部加载面上。砌体抗剪试验采用匀速连续加载的方法，控制试件在1～3 min内达到破坏。

2　试验结果分析

2.1试验现象描述

通过试验可知再生砂浆多孔砖砌体抗剪试件的破坏形态均为脆性破坏，破坏前没有征兆，当荷载达到受剪面极限承载力时，受剪面突然破坏。受剪面的破坏形态分为单剪面破坏，见图3(a)、双剪面破坏，见图3(b)两种形式。在48个再生砂浆多孔砖砌体受剪破坏试件中，有20个试件出现了单剪面破坏，占总试件数的42%；有28个试件出现了双剪面破坏，占总试件数的58%。从两种破坏面上可以看出，多孔砖的孔洞中填充的再生砂浆都出现了断裂，这种现象称为砂浆销键作用，说明在砌体抗剪试验过程中，多孔砖中砂浆销键发挥了作用[9]。

(a)单剪面破坏　　　　　(b)双剪面破坏图3　砌体试件剪切破坏形态

2.2抗剪强度试验数据

根据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129-2011)[6]规定:抗剪强度试验值等于试件破坏荷载除以试件的两个受剪面的毛面积之和，单个试件沿通缝截面的抗剪强度由式(1)求得，计算结果精确到0.01 N/mm2。

(1)

式中：fv,m—试件沿通缝截面的抗剪强度，N/mm2；Nv—试件的抗剪破坏荷载值，N；A—试件的一个受剪面的面积，mm2。按式(1)对试验结果进行计算，得到试件实测抗剪强度见表5。

表5　多孔砖砌体抗剪强度试验值

2.3烧结煤矸石多孔砖抗剪强度试验数据分析

由表5中试验数据可知，抗剪强度实测值跟再生砂浆强度实测值成正比，这是因为受剪试件的破坏形态均是沿着受剪面破坏，且破坏面上的砂浆销键均已经被剪断，这说明多孔砖砌体沿通缝的抗剪强度只跟砂浆有关，多孔砖砌体沿通缝的抗剪承载力由剪切面砂浆的粘结抗剪力和孔洞中的砂浆销键抗剪力两部分组成。根据《砌体结构设计规范 》(GB5003-2011)[7]附录B中通缝抗剪强度平均值公式：

(2)

式中：fv,m—砌体抗剪强度平均值；f2—砂浆的抗压强度平均值；k5—根据试验等确定的系数，现行砌体规范为0.125。

按式(2)对试验结果进行计算，得到多孔砖砌体抗剪强度计算结果见表6。

表6　多孔砖砌体抗剪强度计算结果

对比多孔砖砌体抗剪强度实测值和按照规范计算公式的计算值(图4)可以看出，再生砂浆多孔砖砌体的实际抗剪强度平均值普遍高于《砌体结构设计规范 》(GB5003-2011)[7]附录B中通缝抗剪强度平均值。这是因为烧结煤矸石多孔砖的剪切面上每个孔洞中都有砂浆销键，且最终剪切面破坏时砂浆销键全部被剪断，与烧结普通砖相比，这种“砂浆销键”作用提高了多孔砖砌体的抗剪强度[8]。

图4　多孔砖砌体抗剪强度实测值与计算结果对比

2.4砌体抗剪强度的取值

规范规定，砌体的标准强度与平均强度之间的关系可写成：

fk=fv,m(1-1.65σf)

(3)

由试验数据可知，各组试件变异系数σf见表7。

表7　变异系数计算结果

我国现行《砌体结构设计规范 》(GB5003-2011)[7]中，按施工质量控制等级B级考虑，砌体结构的材料性能分项系数取为γf=1.6，则砌体的抗剪强度设计值为：

(4)

则再生砂浆多孔砖砌体抗剪强度的标准值和设计值的建议取值，见表5。

表8　抗剪强度标准值和设计值计算结果(MPa)

根据我国现行《砌体结构设计规范 》(GB5003-2011)[7]中附录B抗剪强度标准值fv,k的规定，烧结多孔砖抗剪强度标准值为0.27 MPa(M10)和0.23 MPa(M7.5)。对比表8中数据可知，三种不同再生细骨料替代率的再生砂浆抗剪强度均超过了规范值，说明当再生细骨料取代率≤60%时，再生砂浆多孔砖砌体结构抗剪强度满足规范要求强度值，可以在工程中应用。

3　结论

(1)再生砂浆多孔砖砌体在受剪试验中的破坏形态有两种：单剪面破坏，双剪面破坏。

(2)通过对再生砂浆多孔砖砌体，再生细骨料不同取代率的抗剪试验发现，利用废弃混凝土块得到的再生细骨料取代水泥砂浆中天然砂是可行的，再生砂浆多孔砖的抗剪强度满足规范要求。

(3)取代率30%的再生砂浆多孔砖砌体其抗剪强度与天然砂水泥砂浆多孔砖砌体接近；取代率45%的再生砂浆多孔砖砌体其抗剪强度比天然砂水泥砂浆多孔砖砌体强度提高了2.8%(M7.5)和7.7%(M10)；取代率60%的再生砂浆多孔砖砌体其抗剪强度比天然砂水泥砂浆多孔砖砌体强度降低了22.9%(M7.5)和20.5%(M10)。建议实际应用中再生砂浆中再生细骨料的取代率控制在45%以内，由于本次试验试件数量有限，对于再生细骨料的其他取代率对再生砂浆多孔砖抗剪强度的影响还需进一步研究。

[1]王长青.再生混凝土结构性能研究最新进展[J].建筑结构，2014,44(22):60-65.

[2]张锋剑.再生混凝土砌块热工性能试验研究[J].混凝土与水泥制品,2015(1):69-72.

[3]GB/T 14684-2011 建设用砂[S]. 北京：中国标准出版社,2011.

[4]GB/T 2542-2012 砌墙砖试验方法[S]. 北京：中国标准出版社,2012.

[5]JGJ/T98-2010砌筑砂浆配合比设计规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2011.

[6]GB/T50129-2011 砌体基本力学性能试验方法标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2011.

[7]GB50003-2011砌体结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2012.

[8]李卫波.烧结页岩多孔砖砌体抗剪强度及其应变试验研究[D]. 重庆：重庆大学,2009.

[9]胡新安.再生混凝土多孔砖砌体抗压抗剪试验研究[D]. 郑州：郑州大学，2007.

Experimental study on shear behavior of recycled mortar masonry

MA Zheng-wei1,ZHANG Feng-jian1,2,DONG Xiao-feng1,ZHANG Wen-bin1,YANG Fu-an1,XING Zhi-yan1,LI Shu-ya1,XU Jin-jin1

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;2.StateKeyLaboratoryofBuildingSafetyandEnvironment,Beijing100013,China)

Shear behavior is one of the important properties of masonry structure.Shear strength and failure characteristics of recycled mortar perforated brick masonry are studied through the shear test of standard masonry members.Compared with the calculation formula of the common porous brick in the code for design of masonry structure,the proposed value of the shear strength of recycled mortar perforated brick masonry is given in the GB50003-2011.Tests and results show that the recycled mortar has good strength and deformation capacity,and can be used as masonry mortar in masonry structure.

recycled mortar perforated brick masonry;shear strength;recycled fine aggregate

2016-05-26

建筑安全与环境国家重点实验室开放课题基金资助(BSBE2015-04)；河南省科技攻关项目(142102310470，162102210283)

马政伟(1986—)，男，河南鄢陵人，硕士，助教。

1674-7046(2016)05-0001-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.001

TU362

A