两端开口式新型保温承重砌块砌体抗压强度试验研究

2018-03-09王剑温佳斌孙莉孙伟民刘青

新型建筑材料 2018年1期

王剑，温佳斌，孙莉，孙伟民，刘青

（1.江苏农林职业技术学院，江苏句容 212400；2.南京工业大学土木工程学院，江苏南京 210009）

0 引言

两端开口式新型保温承重砌块具有既节能、又承重、经济性等特点，可以替代普通黏土砖的使用，对建设新农村具有积极的促进作用，符合当代建筑环保节能的要求。

为进一步研究该类开口式新型保温承重砌块砌体的基本力学性能，通过对两端开口式新型保温承重砌块砌体抗压试验，考察新型保温承重砌块砌体的受压性能和极限承载力，分析砌体的受压变形和破坏特征；通过对试验数据进行分析，借鉴现有规范里有关抗压强度的计算公式，推导出在一定范围内适用于该类新型保温承重砌块砌体抗压强度的计算公式，从而为该新型保温承重砌块在工程实际中的推广应用和相关规程的制定与编写提供一定的参考依据。

1 试验

1.1 原材料

本试验使用的砌块均由苏州世好建材新技术工程有限公司生产。

内墙主砌块：尺寸为400 mm×190 mm×200 mm，辅助砌块尺寸为197 mm×190 mm×200 mm，壁厚a=35 mm，内墙主砌块肋、壁、孔型尺寸见图1。根据GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》，测得内墙砌块的抗压强度为7.8 MPa。

图1 内墙主砌块尺寸

外墙主砌块：尺寸为400 mm×260 mm×200 mm，辅助砌块尺寸为197 mm×260 mm×200 mm。外墙砌块由承重部分和外保温层两部分组成。承重部分尺寸为400 mm×190 mm×200 mm；保温层厚c=70 mm，槽型孔b=10 mm，用作插隔声、隔热材料，槽型孔自上而下逐渐变厚，外墙主砌块肋、壁、孔型尺寸见图2。根据GB/T 4111—2013，测得外墙砌块的抗压强度为9.2 MPa。

图2 外墙主砌块尺寸

薄层砂浆：外购。根据GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》、JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，测得薄层砂浆的抗压强度为16.2 MPa。

普通砂浆：自配。根据 GB/T50129—2011、JGJ/T70—2009，测得普通砂浆的抗压强度为11.8 MPa。

1.2 试件制作

根据GB/T 50129—2011的要求，试验所用试件均由五皮砌块交错砌筑而成，试件均砌筑在经过找平的刚性垫板上。抗压试验共制作5组砌筑试件，每组6件，共30件。内墙薄层砂浆试件长度为600 mm、宽度为190 mm、高度为1015 mm。不同试件的具体尺寸及构造见表1，内墙薄层砂浆试件如图3所示。

表1 试件具体尺寸及构造

图3 内墙薄层砂浆试件

1.3 加载装置

试验采用100 t手动千斤顶，HRB-4型100 t拉压力传感器，试验加载装置见图4。

图4 砌体抗压试验装置

2 试验过程及结果分析

2.1 砌体破坏形态分析（见图5）

图5 砌块砌体破坏形态

由图5（a）可见，与普通混凝土砌块砌体相似，内墙薄层砂浆砌体试件从初始加载到破坏的过程大致可分为裂缝产生、裂缝发展和试件破坏3个阶段，基本上都是砌体延着竖向灰缝处形成由上到下的通长主裂缝，将试件分隔为几个独立的部分，试件最终破坏。

由图5（b）可见，外墙薄层砂浆砌体试件的初始裂缝出现在砌体侧面沿承重部分和保温部分的交汇处，最终砌体的外保温层部分与承重部分脱开，试件破坏，此时砌体承重部分正立面出现明显的延竖向灰缝向两端延伸的裂缝，同时砌体侧面横向肋处也存上下通长的裂缝。

由图5（c）可见，内墙普通砂浆砌体试件的破坏形态与内墙薄层砂浆砌体相似，砌体延着竖向灰缝向上下端延伸形成上下贯通裂缝，最终试件破坏。但内墙薄层砂浆砌体破坏时被压垮或者局部块体掉落的数量较少，说明内墙薄层砂浆砌体的整体性更好。

2.2 砌体力学性能分析

各试件开裂荷载、极限荷载以及计算得到的抗压强度、均方差及变异系数见表2。

表2 各试件的力学性能分析

由表2可见：

（1）外墙薄层砂浆砌体抗压强度比内墙薄层砂浆砌体抗压强度高39%，说明外墙砌块外保温部分一方面对外墙承重部分起到了约束作用，另一方面使得受压部分的应力向保温层扩散，因此提高了外墙砌块砌体的强度。

（2）内墙薄层砂浆砌体抗压强度比内墙普通砂浆砌体高16%，考虑到2种砂浆强度的差别，转换成同一强度条件下进行对比，根据GB 50003—2011《砌体结构设计规范》公式（2-2）换算后，内墙薄层砂浆砌体的抗压强度比内墙普通砂浆砌体的抗压强度提高5.5%，说明减小砌体砂浆层厚度可以提高砌体的抗压强度。

2.3 内墙抗压强度计算公式

施楚贤[1]《砌体结构》中采用的英国计算公式如下：

式中：fm——砌体抗压强度平均值，MPa；

f1——砌块抗压强度平均值，MPa；

f2——砂浆抗压强度平均值，MPa。

此公式忽略了f2=0时的极限状态，显然考虑不够全面，存在一定的问题。

GB 50003—2011规定，砌体轴心抗压强度平均值主要与砌块抗压强度和砂浆抗压强度有关，砌体轴心抗压强度平均值采用下式计算：

式中：k1——与砌块类别有关的参数；

α——与砌块高度及砌体类别有关的参数；

k2——与砂浆抗压强度有关的修正系数。

用英国公式计算内墙薄层砂浆砌体的抗压强度为3.75 MPa，与试验得出的抗压强度均值3.56 MPa相差5%，两者较为符合；按GB 50003—2011公式求得的强度为5.79 MPa，与试验结果相差63%，两者强度值偏差较大。

按GB 50003—2011计算抗压强度偏差较大的原因，一方面是由砌块纵横肋交汇处的通长圆孔所引起，圆孔的内部直径达到40 mm，砌体受压时在此处较易形成应力集中，圆孔的空洞率削弱了这些关键部位的抗压能力，整个砌块砌体的整体性降低，对此在试验中也有所体现（破坏形态见图6）。另一方面，普通混凝土砌块一般有3条横肋，而新型混凝土砌块只有2条横肋，降低了新型砌块砌体的抗压强度。

图6 圆孔处受压破坏形态

从图6可以发现，在砌块受压破坏时，中间部分较为完整，而从4个圆孔往外则基本全部掉落；砌体试件受压破坏时，内部八边形空洞的中间4个角均出现通长裂缝，且这4条裂缝又与肋上圆孔连接，此处在受压时应力较为集中，降低了横向肋的抗压作用，导致了破坏荷载的降低。

由于α是与砌块高度及砌体类别有关的系数，新型保温承重砌块的高度与普通混凝土空心砌块接近且类别相同，故α=0.9；k2是与砂浆强度有关的修正系数，k2=1.0；本试验中薄层砂浆的平均抗压强度f2=16.2 MPa＞10 MPa，故砌体的抗压强度均值应乘修正系数（1.1-0.01f2）；将上述参数代入式（2）求得k1，取平均值k1=0.29。GB 50003—2011中推荐 k1=0.46，根据试验数据得到的k1值小于规范推荐的值。因此，考虑安全要求，砌体的平均抗压强度值应按回归式（3）计算：

按式（3）计算的砌体轴心平均抗压强度值与试验值的比较见表3。从表3可以得出：按式（3）计算的各组砌块砌体抗压强度平均值与试验值接近，误差都在10%以内，计算结果与试验结果吻合，说明回归得到的公式（3）比较合理。

表3 砌体抗压强度试验值与回归公式计算值的比较

3 砌体受压性能数值模拟

3.1 有限元单元模型建立及加载方式

利用ABAQUS建模，使用分离模型，把砌块和砂浆分别建模，不考虑块体与砂浆之间的相对位移，模拟砌块与砂浆之间的作用和砌体破坏机理。对尺寸为1015 mm×600 mm×190 mm的内墙砌块砌体与尺寸为1015 mm×600 mm×260 mm的外墙砌块砌体建模分析[2-6]，网格尺寸定为20 mm。试件的三维模型如图7、8所示。

内外墙砌体模型底面均采取固结约束，对于内墙砌体模型，直接将荷载加在顶面，取值7.5 MPa；对于外墙砌体模型，将荷载加在顶面的50 mm厚的刚性垫板上，刚性垫板宽190 mm，置于外墙的承重部位，取值5.0 MPa。

图7 内墙砌体三维模型

图8 外墙砌体三维模型

3.2 有限元分析结果与试验结果的对比

经有限元分析的内、外墙砌块砌体在轴心压力作用下的模型云图分别见图9、图10。正号为拉应力，负号为压应力。

图9 内墙模型云图

图10 外墙模型云图

由图9可知，内墙砌块砌体轴心受压的最大应力主要分布在竖向灰缝和沿竖向灰缝方向的上、下两皮的砌块处，砌体受压试验主要破坏形态是延竖向灰缝形成上下贯通的主裂缝，其次中间肋处的Y轴向拉应力也较大[见图9（d）]，试验中也出现砌体窄侧面中间部分竖向通长裂缝的破坏模式。

由图10可知，外墙砌块砌体轴向受压承重部分的正面最大压应力分布情况与内墙砌块砌体相似。从侧向应力分布图10（e）可以看出：（1）外墙外保温层也参与了砌体的轴向抗压，顶部压应力逐渐分散到外保温部分（试验中外墙砌块砌体抗压强度较内墙高39%）；（2）保温层与承重部分交汇处的拉应力较大（试验中外墙砌块砌体破坏时外保温层与承重部分之间形成通长裂缝，整体剥离），由此可见，有限元的模拟较为符合记录下的试验现象，结果比较接近。采用ABAQUS对新型保温承重砌块砌体进行了非线性分析对于砌体的受压性能有一定的参考意义。