EPS轻质节能混凝土砌块砌体抗剪性能试验研究

吴辉琴,吴超,李青,李柱,解小娟,王痛快,刘鹏

(广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州545006)

EPS轻质节能混凝土砌块砌体抗剪性能试验研究

吴辉琴,吴超,李青,李柱,解小娟,王痛快,刘鹏

(广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州545006)

选择自制的MU5和MU15可发性聚苯乙烯(简称EPS)轻质、节能混凝土砌块与多种级别的专用砂浆、普通砂浆配合，制作纯剪构件，开展EPS砌块砌体受剪破坏试验，观测砌体受力过程和变形特点，以此分析EPS混凝土砌块砌体受剪性能，并通过分析整理实验数据，提出EPS轻质节能混凝土砌块砌体的抗剪强度计算公式.为该新材料的推广使用提供可靠的理论和实验指导.

EPS;砌块砌体;抗剪强度;材料特征系数

0 引言

节能减排和环境保护是当前各项建设工作的出发点，发展轻质、节能、环保、利废、高强砌块是墙材改革的主流方向.聚苯乙烯泡沫(简称EPS)是一种非极性轻质憎水性材料，其特点之一就是轻(表观密度只有12 kg/m3～20 kg/m3)，用于混凝土制作中取代粗、细骨料可大大降低材料自重;二就是很好的保温作用，用做外墙材料能保温隔热，实现节能目标.目前建筑上大量使用的EPS多数做成整体板，夹在墙体或楼面、屋面中，实现保温作用.而用EPS作为混凝土组成成份制作混凝土砌块未见文献阐述，关于EPS混凝土砌块的力学性能研究文献也难以查到.本文资助项目以EPS颗粒为轻骨料，以工业废料粉煤灰、矿粉双掺取代部分水泥，采用特殊工艺，研制出强度等级为MU5～MU20轻质节能混凝土砌块［1-5］，并对该砌块砌体的抗压性能做了深入研究，提出了抗压强度计算公式和砌体弹性模量、泊松比的建议取值等.在上述研究基础上，进一步开展EPS砌块砌体抗剪性能研究，完善EPS轻质节能混凝土砌块砌体力学性能的设计理论，为该新型节能混凝土砌块企业标准的编制及新材料的推广应用提供理论和实验指导.

1 EPS混凝土砌块砌体受剪试验

1.1 试验方法

抗剪强度是砌体结构力学性能的重要指标，砌体单纯受剪时会发生剪摩破坏(通缝截面)和剪压破坏(阶梯形截面)2种形态.根据砌体砌筑特点，通常计算砌体的抗剪强度，可以忽略竖向灰缝的作用，把砌体单纯受剪时的2种破坏形态视为等效，以砌体沿通缝截面破坏的抗剪强度作为砌体纯剪作用下的抗剪强度［6］.为此，依据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129-2011)［7］设计双剪试件，开展砌体受剪破坏试验.

1.1.1 EPS砌块

EPS砌块是本文资助项目研制的一种新型墙体材料，规格为240 mm×115 mm×53 mm，同实心普通标准砖.本文选择了强度等级为MU15和MU5的砌块砌筑标准试件，开展抗剪性能的试验研究.实测EPS砌块强度值见表1.

1.1.2 砂浆

砂浆选用普通砂浆和资助项目专设的EPS砌块砂浆.普通砂浆强度等级为M10，M15，专用砂浆强度等级为Mb5，Mb10，Mb15，砂浆的实测强度见表1.

表1 EPS砌块砌体抗剪试验材料选择及试件分组情况Tab.1Situation of material selection and specimen grouping on shear experiments of EPS block masonry

1.1.3 抗剪试件设计

根据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129-2011)，抗剪试件由9块EPS砌块构成，尺寸为365 mm× 240 mm×180 mm，外形及组合见图1.标示1是砂浆抹面，厚20 mm.试件内灰缝厚12 mm，但F～H组件因要分析灰缝厚度对抗剪强度的影响，每组试件设计了2种灰缝厚度(12 mm和8 mm).考虑砌体质量稳定性和试验数据离散性，每组试验设计6个试件，F～H组因设计2种灰缝厚，故每组做12个试件.整个抗剪试验一共完成66个试件试验.

图1 抗剪试验试件示意图Fig.1 Specimen of shear experiments

图2 抗剪试件、加载装置与加载方式Fig.2 Specimen,loading equipment and loading method of shear experiments

1.1.4 加载装置及方案

抗剪试验在广西科技大学土木建筑工程学院的WA-D型200 t微机屏显电液万能试验机上进行，加载装置见图2.采用微机控制液压加载，加载速度保持连续均匀，同时控制加载时间在1 min～3 min.

1.2 试验现象

所有的抗剪试件从开始加载到破坏，均无明显征兆，属于典型的脆性破坏.破坏发生在试件竖向粘结面上，而EPS砌块保持完好，说明砂浆的强度对EPS砌块砌体抗剪强度起主导作用.破坏类型对所有EPS砌块砌体基本相同，有单剪面破坏和双剪面破坏2种，本次试验双剪发生的概率略多些，特别是专用砂浆砌筑的MU15砌块.试件的破坏形态见图3～图6.

图3 试件A~B破坏形态Fig.3Specimen A~B failure mode

图4 试件C~E破坏形态Fig.4Specimen C~E failure mode

图5 试件F~H破坏形态(灰缝厚度12 mm)Fig.5Specimen F~H failure mode (Mortar joint thickness is 12 mm)

图6 试件F～H破坏形态(灰缝厚度8 mm)Fig.6Specimen F~H failure mode (Mortar joint thickness is 8 mm)

1.3 试验结果与分析

根据《砌体基本力学性能测定方法试验标准》(GB/T 50129-2011)，砌体沿通缝截面抗剪强度实测值按fv，1=NF/2A计算，式中fv，1为通缝截面抗剪强度，NF为砌体纯剪极限力，A为砌体一个剪切面面积.66组试件受剪数据及由此计算出EPS砌块砌体抗剪强度fv，1见表2.砌块受剪破坏时:

1)剪切破坏面发生在砂浆粘结面，整个实验没有因砌块强度不足而先破坏的;因此，可以确定砌体抗剪强度与砌块强度关系不大;

2)随着砂浆强度的提高，砌体抗剪强度也增大;专用砂浆试件抗剪强度高于普通砂浆试件，因为专用砂浆粘结性好，能较好发挥粘结作用，保证砌体的抗剪强度.对照试件A与试件G-1、试件B与试件H-1的抗剪强度实测值，这一说法即可求证;

3)在规定灰缝厚度范围内，灰缝厚度对砌体抗剪强度影响不大.因为试件剪力大部分作用于砂浆与砌体间的结合面，破坏是结合面的剪切破坏，与厚度关系不大，对照试件F-1与F-2，G-1与G-2，H-1与H-2也是吻合的;

表2 EPS砌块砌体抗剪强度试验值Tab.2 Experimental values of shear strength for EPS block masonry

4)砂浆相同，强度等级低的砌块砌体比强度等级高的抗剪强度高，对照试件C与F，D与G，E与H可得证.分析差异原因主要是两者间砌块吸水率不一致引起的.强度高的砌块EPS含量低，砌块吸水率也低，反之则相反;因此，砂浆强度相同情况下，强度低的EPS砌块砌体抗剪强度较高，这对实际工程中自承重墙体是有利的.

2 EPS混凝土砌块砌体抗剪强度计算

考虑EPS砌块砌体受剪破坏特点类似普通砖和普通混凝土砌块砌体，拟定其抗剪强度计算公式参照《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)［8］普通混凝土砌块砌体抗剪强度计算式(1)设计:

式中:fv，m-EPS砌块砌体抗剪强度计算值;f2-砂浆抗压强度平均值;k5-砌块材料特性系数.规范中普通混凝土砖k5=0.125，蒸压粉煤灰砖k5=0.09.

1)考虑EPS砌块成份组成，假设EPS混凝土砌块等同普通混凝土砖或蒸压粉煤灰砖，分别取k5=0.125和k5=0.09代入式(1)，计算专用砂浆砌筑EPS砌块砌体抗剪强度，记为fv，m1，fv，m2.

2)为统一k5的取值，满足工程中EPS混凝土砌块的应用，对上述实测数据，取规范式(1)的统一形式，使用最小二乘法将砌块砌体抗剪强度平均值回归得到式(2)，按此公式计算抗剪强度记为fv，m3.

3)根据实测砂浆强度与EPS砌块砌体抗剪强度平均值数据，参阅有关文献［9-12］，对抗剪强度进一步回归修正，得到EPS混凝土砌块砌体抗剪强度修正后的计算式(3)，按此公式计算的砌体抗剪强度记为fv，m4.

将式(1)计算结果fv，m1，fv，m2和式(2)～式(3)计算结果fv,m3，fv,m4和试验实测结果fv，1列于表3分析;同时将试验值fv，1与公式计算值fv,m1，fv,m2及fv,m3，fv,m4对比曲线绘在图7上.

1)分析表3可以明确:试验值fv，1与计算值fv,m1(k5=0.125)，fv,m3(k5=0.118)，fv,m4值拟合较好，试验值fv，1与3个计算值fv,m1，fv,m3，fv,m4相比的平均值分别为1.083，1.121和1.118，标准差分别为0.119，0.129和0.123;试验值fv，1与计算值fv,m2(k5=0.09)偏差大，偏差度在24％～57％间，平均值fv，1/fv,m2=1.325，并且是试验值大于计算值，说明fv,m2比较保守，不经济;因此，按式(1)计算EPS砌块砌体抗剪强度时，k5=0.09不合适，今后设计不采用.

表3 EPS混凝土砌块砌体抗剪强度试验值与计算值的比较Tab.3 Experimental values compared with calculated values of shear strength for EPS concrete block masonry

2)分析图7抗剪强度试验值fv，1与几种抗剪强度计算值的对比曲线，试验值fv，1的各点基本都落在fv，m2，fv，m3，fv，m4拟合线上，说明按fv，m2，fv，m3，fv，m4计算强度比较可靠，无安全隐患.而对计算强度fv，m1(k5=0.125)而言，试验值fv，1有相当部分点落在该曲线的下方，说明按fv，m1取值会有安全隐患;因此，式(1)计算EPS砌块砌体抗剪强度k5=0.125不合适.

3)综合上述分析，考虑与规范接轨，建议EPS轻质节能混凝土砌块砌体抗剪强度计算公式采用式(2)

图7 抗剪强度拟合曲线Fig.7 The fitting curves of shear strength

3 结论

1)EPS混凝土砌块砌体受剪全过程与普通混凝土砌块砌体相似，但EPS在砌块中的含量对抗剪强度有一定的影响，EPS含量高的砌块抗剪强度会高些，这对自承重砌块的应用来讲是有利的;

3)专用砂浆砌筑的EPS混凝土砌块砌体抗剪强度较普通砂浆砌筑的高20％左右，且外观质量好，经济实惠.

［1］彭杰，董健苗，吴辉琴，等.矿粉-粉煤灰水泥基材料的试验研制［J］.混凝土，2013，35(5):87-88，92.

［2］陈晓黎，董健苗，吴辉琴，等.EPS改性方法与水泥基材料力学性能的关系［J］.混凝土，2013，35(6):13-14，18.

［3］董健苗，毕洁夫，户相洛.剑麻纤维增强矿粉-粉煤灰水泥基砌块力学性能的研究［J］.新型建筑材料，2014，41(2):57-59.

［4］董健苗，户相洛，曾繁毅，等.聚苯颗粒轻质混凝土砌块的物理力学性能研究［J］.混凝土，2014，36(2):133-135.

［5］刘鹏，吴辉琴，黄炳珍，等.粉煤灰-矿粉-水泥胶凝体系优化设计的试验研究［J］.广西科技大学学报，2014，25(2):35-39.

［6］施楚贤.砌体结构［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［7］四川省住房和城乡建设厅.GB/T 50129-2011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.

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50003-2011砌体结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［9］周可可.EPS轻质混凝土的实验研究与数值模拟［D］.上海:上海交通大学，2010.

［10］程从密.EPS轻集料混凝土组成结构与性能研究［D］.广州:华南理工大学，2013.

［11］赵晓敏，叶燕华，魏威，等.自保温混凝土砌块砌体抗压及抗剪性能试验研究［J］.新型建筑材料，2010，37(11):25-28.

［12］何明胜，王勇，夏多田，等.新型复合砌块砌体抗剪强度试验研究［J］.工业建筑，2013，43(5):94-98.

Experimental research of shear performance of EPS light weight energy saving concrete block masonry

WU Hui-qin，WU Chao，LI Qing，LI Zhu，XIE Xiao-juan，WANG Tong-kuai，LIU Peng
(School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

Self-made light weight energy saving expandable polystyrene(short for EPS)concrete blocks were selected with strength grades of MU5 and MU15，and coordinated with special mortar and ordinary mortar in various levels.Shear specimens were made to conduct shear failure experiments of EPS concrete block masonry，of which mechanical processes and deformation characteristics were observed to analyze shear performance.And by analyzing and arranging the experimental data，calculation formulas are put forward for shear strength of EPS light weight energy saving concrete block masonry，reliable theoretical and experimental guidance is provided for the promotion and application of this new material.

EPS;block masonry;shear strength;material characteristic coefficient

TU522.3

A

2095-7335(2016)02-0009-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.002

(学科编辑:黎娅)

2015-12-29

广西科技厅千亿元重大科技攻关项目(桂科攻1114016-6);柳州市科技局科技开发项目(2013B030402);广西科技大学科学基金项目(校科自1419209)资助.

吴辉琴，教授，研究方向:工程材料与应用、结构检测与加固理论方法的研究，E-mail:whq6329@163.com.