浅析粉煤灰中型砌块砌体结构的检测与鉴定

■ 陈海斌 Chen Haibin 王 昆 Wang Kun

1 概述

粉煤灰硅酸盐密实中型砌块(以下简称中型砌块)是以工业废料——粉煤灰和煤渣为主要原料制成的一种墙体材料。它是用粉煤灰、石灰和石膏作胶结料，煤渣作骨料，按一定的比例配合，再加入一定的水，经搅拌、振动成型和蒸汽养护而制成的[1]。上海是中型砌块建筑利用最早和推广较好的城市之一。从上世纪60年代上海逐步形成中型砌块多层住宅工业化体系开始，到90年代中期，中型砌块建筑逐渐退出市场，上海建造了大量的以中型砌块为承重墙体的多层住宅，据不完全统计，累计建筑面积达到20 000 000m2[2]。

在长期的实践过程中，中型砌块砌体房屋由于在建造成本、质量控制方面存在诸多的问题，本世纪以来，中型砌块已很少作为新建建筑的承重墙体材料使用，且在《砌体结构设计规范》（GB 50003—2001）中规定“硅酸盐制品的墙体材料中，只允许采用蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖，不允许再采用非蒸压硅酸盐砖和砌块”。在后来的《墙体材料应用统一技术规范》（GB 50574—2010）中，则正式明确“墙体不应采用非蒸压硅酸盐砖（砌块）”，并将其作为强制性条文。

然而，就上海市现状而言，大量建造于上世纪60～80年代的中型砌块砌体住宅，已超过或即将达到50年的设计使用年限，存在年久失修以及在使用过程中出现的变形和损伤等问题，急需对这些房屋进行安全性鉴定评估，为其修缮提供相应的技术依据。然而在实际工作中，笔者发现由于该类房屋建造年代较早，目前大部分既有建筑的检测和鉴定标准对其均无明确的规定，加之相关的设计标准已不考虑这种结构类型，因此，对由中型砌块建造的砌体住宅的检测与鉴定尚缺乏基本检测鉴定方法，存在不少的技术难点和问题。本文将对这些问题进行分析，并提出相应的解决方法，以供参考。

2 中型砌块块体强度的确定

对中型砌块砌体结构的检测鉴定而言，首先需要确定的就是块体的强度。然而目前而言，并无明确的可以确定中型砌块块体强度的检测方法，且由于这种块体材料已不再生产，难以研究对其强度的检测方法。笔者试图通过研究有关文献资料，对中型砌块这种块体材料的强度特点进行分析，并对资料中的数据进行分析，建立相应的测强曲线。在实际工程中，对建立的测强曲线进行验证，提出上海地区中型砌块块体强度的验证方法和参考范围。

2.1 中型砌块的特点

相对于砌体结构其他块材，中型砌块的块体强度及确定方法具有如下的特点。

2.1.1 强度不稳定[3]，碳化后强度有一定程度的下降

中型砌块是一种粉煤灰硅酸盐制品，其与粉煤灰混凝土最大的区别就在于其强度会随着材料的碳化发生一定程度的下降。实际工程中，部分工程人员容易混淆粉煤灰混凝土块材和粉煤灰硅酸盐块材，往往将其强度混用，从而给房屋的安全使用留下隐患。其实，这两者之间无论是材料组成，还是强度变化，都存在较大的区别。粉煤灰混凝土块材是为了改善普通混凝土性能，掺入一定量的粉煤灰取代部分水泥，其主要的水化产物是Ca(OH)2，后期强度会随着材料的碳化略有增加。粉煤灰硅酸盐块材主要以粉煤灰、石灰和石膏作胶结料，煤渣作骨料，经自然、常压蒸汽或高压蒸汽养护生成以水化硅酸钙为主要水化产物材料，其中，在自然或常压蒸汽养护条件下生成的水化硅酸钙碳化后强度会发生较大程度的降低。

1975年，原国家建委建材局硅酸盐砌块技术调查组对生产与使用蒸养粉煤灰硅酸盐砌块的调查结果表明[4]，硅酸盐制品长期强度的发展，主要取决于试件内胶结料的继续水化作用和空气中CO2的分解作用。在使用早期，即3年左右，试件内胶结料的水化起主导作用，因此试件强度有不同程度提高，而后期（3年后）大气中CO2对试件内水化产物的分解起主导作用，造成试件后期强度有所下降，到全部碳化后，强度就基本稳定。碳化对后期强度的影响程度，主要取决于胶结料中有效CaO的含量。一般胶结料中有效CaO含量为15%时，碳化后强度为原始强度的70%左右（即碳化系数为0.7）。

1984年，原国家建材局组织了第一次全国粉煤灰砌块行业的质量大检查，对当时正常生产的13个企业进行现场抽样，检测结果表明[1]，大部分企业的产品质量符合部标准《粉煤灰硅酸盐砌块》( JC 238—78 ) 的要求，但碳化系数却比较低，近40%企业的砌块人工碳化系数在0.6以下，最低的仅为0.49。

因此，无论是《中型砌块建筑设计与施工规程》（JGJ 5—80），还是《砌体结构设计规范》（GBJ 3—88）中，均规定在确定中型砌块的强度等级时，块体的抗压强度应乘以自然碳化系数，当无自然碳化系数试验时，可取人工碳化系数的1.15倍，且不得大于0.9。

2.1.2 验收标准的强度标号与实际设计的强度标号不一致

这一点尤其要引起注意。如果混淆这两者的区别，则会带来较大的安全隐患。

我国关于中型砌块的质量标准前后共颁布了两个版本，即部标准《粉煤灰硅酸盐砌块》和建材行业标准《粉煤灰砌块》 (JC 238—91)。

（1）《粉煤灰硅酸盐砌块》中规定粉煤灰中型砌块按其抗压强度分为100号和150号2个标号。100号砌块的强度要求每组3块边长200mm立方体的抗压强度平均值不小于10.0MPa，其中最小值不小于8.0MPa，人工碳化后强度不小于6.0MPa；150号砌块的强度要求每组3块边长200mm立方体的抗压强度平均值不小于15.0MPa，其中最小值不小于12.0MPa，人工碳化后强度不小于9.0MPa。

（2）《粉煤灰砌块》中，规定粉煤灰中型砌块按其抗压强度分为10级和13级2个标号。10级强度要求每组3块边长200mm的立方体抗压强度平均值不小于10.0MPa，最小值不小于8.0MPa，人工碳化后强度不小于6.0MPa；130号强度要求每组3块边长200mm的立方体抗压强度平均值不小于13.0MPa，最小值不小于10.5MPa，人工碳化后强度不小于7.5MPa。

上述两个版本关于粉煤灰中型砌块抗压强度的验收均以边长200mm的立方体抗压强度为标准，然而，有关设计规范中采用的粉煤灰中型砌块的设计强度却是块体强度，比如《中型砌块建筑设计与施工规程》中规定，龄期为28d的砌块砌体的抗压强度R按表2.0.3采用，表中砌块抗压强度Rk系指砌块的单块抗压强度，其常用范围为3.0~10.0MPa，Rk一般应由试验确定。当确无试验条件时，Rk可近似取用下列折算值：

式中，R1—砌块材料标号；

T—自然碳化系数。

88版《砌体结构设计规范》中规定：砌块的强度等级分为 MU15、MU10、MU7.5、MU5和MU3.5，确定硅酸盐块体的强度等级时，块体的抗压强度应乘以自然碳化系数。该规范中关于砌块强度等级的划分与上述两个版本的粉煤灰砌块的强度等级划分并不一致，且并没有指出相应的验收标准。就常识而言，应是指考虑碳化后的块体抗压强度，相当于《中型砌块建筑设计与施工规程》中的Rk。

2.2 现场实测中型砌块强度的方法

中型砌块是一种由胶凝材料将集料固结成整体的工程复合材料，属于广义的“混凝土”制品[3]，因此可以参考混凝土材料强度的检测方法，考虑采用回弹法对其抗压强度进行测试。由于目前缺少相应的试验样本，难以重新确定回弹值与其抗压强度的相关关系，但对历史文献资料进行调查，我们发现早在上世纪70年代，文献[4]根据有关单位的试验资料与调查中用回弹仪实测砌块抗压强度数据，绘制了未碳化粉煤灰硅酸盐混凝土回弹值与抗压强度的关系曲线（图1），并绘制了碳化后粉煤灰硅酸盐混凝土回弹值与抗压强度的关系曲线（图2）。

由图1和图2，我们可以回归出回弹值与密实砌块的计算公式：

式中，f1ij—砌块的立方体抗压强度推定值(MPa)；

R—回弹值。

根据文献[4]的说法，一般使用10年左右的砌块建筑物，外墙碳化深度为40～60mm；内墙因室内CO2浓度较高，温湿度条件适宜，碳化速度较外墙快些，一般碳化深度为50～100mm，若200mm厚内墙，估计20年左右全部碳化。目前存在的上世纪70～80年代中型砌块砌体房屋，其中型砌块应该基本为全部碳化状态，利用公式（3）对文献[4]中的相关数据进行计算，并与其评估结果进行对比，结果如表1所示。

由表1可知，利用式（3）对中型砌体强度推算的结果与文献[4]对中型砌块块材推算强度等级完全一致，因此，利用式（3）对碳化后中型砌体的立方体抗压强度进行评估是基本可行的。

图1 未碳化砌块回弹值与抗压强度的关系图

图2 碳化后砌块回弹值与抗压强度的关系图

表1 式（3）与文献[4]对比结果

需要说明的是，利用该公式的评估结果是碳化后中型砌块块材的立方体抗压强度，而不是块材本身的抗压强度，而无论是《中型砌块建筑设计与施工规程》还是88版《砌体结构设计规范》中，砌体强度中的块材强度均是指块材抗压强度，而不是立方体抗压强度。如果要按88版《砌体结构设计规范》对砌体的承载力进行验算，应采用块材抗压强度，为安全起见，建议中型砌块块材的抗压强度取立方体抗压强度的0.8倍。

笔者利用回弹法对上海地区数十幢房屋中型砌块的立方体抗压强度进行检测，其实测回弹值在28～33之间，对应的立方体抗压强度在10.6～14.1MPa之间，乘以0.8的体型系数，相应的块材抗压强度在8.5～11.3MPa之间，根据88版《砌体结构设计规范》，上海地区中型砌块的强度等级可偏安全的评定为MU7.5。

3 中型砌块墙体的承载力计算

当采用《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB 50292—2015），按承载能力评定砌体结构构件的安全性等级时，结构构件的验算应在详细调查工程质量的基础上按现行设计规范进行。但是，由于《砌体结构设计规范》（GB 50003—2001）中取消了中型砌块材料，其后修订的GB 50003—2011版也延续了2001版的做法，因此对中型砌块砌体的承载力验算无法按现行设计规范的要求进行，只能够参照GBJ 3—88版中的规定进行验算。由于规范版本的变动，参照GBJ 3—88版验算中型砌块砌体承载力时，应注意以下事项。

3.1 可靠指标的一致性[5]

GBJ 3—88版编制时，中型砌块的可靠度校准的统计参数取自《中型砌块建筑设计与施工规程》，其中，受压砌体的强度变异系数取值为0.17，轴压材料分项系数取1.5，与烧结砖的取值基本一致；其轴压砌体设计表达式的可靠指标平均值为3.677，基本符合统一标准≥3.7的要求。GB 50003—2001及GB 50003—2011两个版本规范中，将轴压材料的分项系数由1.5提高到1.6，住宅和办公楼的活荷载取值也有一定的提高，相应烧结砖砌体的轴压砌体设计表达式的可靠指标有了较大程度的提高，由GBJ 3—88版中的3.877提高到4.0以上。由于这两个版本的规范取消了中型砌块这种材料，因此，在参考GBJ 3—88版对中型砌块承载力进行计算时，为了与现行规范的可靠指标保持一致，其材料强度的分项系数也应取1.6，即验算时，采用的中型砌块砌体材料强度设计值取值应在GBJ 3—88版表2.2.1-4的基础上乘以1.5/1.6=0.94的修正系数。

3.2 计算程序中参数的选择

需要注意的是，目前对于结构的承载力验算，大家都习惯采用相关的计算程序进行计算，很少手工进行验算。但《砌体结构设计规范》自2001版开始取消了中型砌块这种材料，目前常用的计算程序，无论是PKPM还是YJK都没有中型砌块这个材料选项，因此，要对这种材料墙体的承载力进行正确的验算，必须进行一定的手动校核。

若利用相关计算程序对中型砌块砌体结构的承载力进行验算，建议建模时的砌筑材料选用粉煤灰砖，这是因为粉煤灰砖砌墙体和中型砌块墙体在计算墙体高厚比时，相对于普通烧结砖砌体，均需要乘以1.2的放大系数，而高厚比的不同对ψ值的计算有一定影响。在根据程序验算得出相应的作用效应、ψ值和墙体面积A后，再带入相应的强度设计值，就可以对其抗力和作用效应的比值进行校核。

4 结语

中型砌块作为一种粉煤灰硅酸盐制品，其强度会随着材料的碳化发生一定程度的下降。本文通过对历史文献中相关资料的分析，建立了粉煤灰中型砌块强度与回弹值的相关曲线。通过对相关资料和工程实践的数据进行总结，提出上海地区粉煤灰中型砌块强度的检测方法和参考取值，建议上海地区中型砌块设计强度的取值不宜过高，取MU7.5相对比较合理；同时，为与现行规范的可靠指标保持一致，验算时采用的中型砌块砌体材料强度设计值取值应在《砌体结构设计规范》（GBJ 3—88）表2.2.1-4的基础上乘以0.94的修正系数。

[1]刘春木.粉煤灰硅酸盐中型砌块调研[J].四川建筑科学研究 ,1986(03)：36-40.

[2]吴文达,等.上海建筑施工志[M].上海社会科学院出版社,1997.

[3] 李庆繁.对国家标准《墙体材料应用统一技术规范》强制性条文“墙体不应采用非蒸压硅酸盐砖（砌块）”的解读[J].砖瓦世界,2012(1)：31-46.

[4]国家建委建材局硅酸盐砌块技术调查组.生产与使用蒸养粉煤灰硅酸盐砌块调查报告[J].硅酸盐建筑制品 ,1975(2)：6-33.

[5]严家熺.砌体结构可靠度的发展[J].武汉大学学报 ,2015(4)：16-25.