农作物秸秆砖砌体干燥收缩试验研究

赵文兰，王刚，姚志斌，姚瑞

（郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001）

0 引言

自21世纪以来，黏土砖已经逐步退出了历史舞台，取而代之的是满足节能、减排、利废的各种新型墙体材料。农作物秸秆砖是将秸秆细化后加入到混凝土中经搅拌、压制、脱模和养护而制成的新型墙体材料。农作物秸秆是一种可再生资源，储量丰富，价格低廉，保温隔热性能良好。农作物秸秆墙体材料的研究开发，不仅缓解了我国墙体材料原料短缺的现状，而且可以推动我国墙材发展，促进产品结构改革。它在工程上的应用一直受到限制，主要是因为其大多仍延用传统烧结砖的施工方法，忽视了这种砖与烧结砖性能的不同。例如农作物秸秆砖与砂浆的粘结强度小于传统烧结砖，收缩变形量较大，这都会导致墙体出现裂缝[1]，从而影响建筑物的耐久性及适用性，阻碍环保节能型住宅的推广应用。因此对农作物秸秆砖砌体进行收缩性能试验研究是十分有必要的。

引起农作物秸秆砖墙体收缩变形的因素有很多，主要有组成材料的特性、砌体沉缩变形、构造不合理以及温度等条件的影响。本文主要讨论龄期、砂浆强度和约束条件对砌体干燥收缩的影响。

1 试验

本试验采用河南省某砖厂生产的同一批农作物秸秆砖，尺寸为240 mm×115 mm×53 mm，实测抗压强度为3.6 MPa，抗折强度为1.34 MPa，自然养护条件下最大收缩率平均值为0.418 m/m，20 d左右收缩渐趋稳定。农作物秸秆砖砌体墙干燥收缩试验的墙片类型、使用的砂浆强度、养护条件、约束条件及几何尺寸的设计方案见表1。

表1 农作物秸秆砖砌体收缩试验方案设计

本试验主要以龄期、砂浆强度和约束条件作为变化参数。为了使试验接近工程实际，试验墙片均采用自然养护条件，均为无面层清水墙，砌筑均参考GB 50203—2015《砌体结构工程施工质量验收规范》的要求。为了保证WⅠ-1和WⅠ-3的无约束状态，WⅡ-2和WⅡ-4为直接在地面上摊铺砂浆砌筑的墙片。

试验在农作物秸秆砖侧面布置4排测点，每排测点有5个钢筋测头，每2个钢筋测头的中间位置处为1个测点，贴上应变片，测头两侧贴玻璃片，在墙片最底端，从左向右为1～4测点，依次往上分别为5～8测点、9～12测点、13～16测点。在试验期间，用外径千分尺来测量测头两侧玻璃片间距离的变化值作为收缩值，精度为 0.001 mm。试验墙体及测点布置见图1。

图1 试验墙体及测点布置

2 农作物秸秆砖砌体收缩影响因素分析

2.1 龄期的影响

在温度为（20±5）℃，相对湿度为（60±5）%的自然养护环境下，各墙片所有测点42 d的平均收缩率曲线如图2所示。

图2 各墙片所有测点平均收缩率曲线

由图2可以看出：

（1）龄期对农作物秸秆砖砌体墙的干燥收缩有较大的影响，第1～13d各墙片收缩呈大幅上升趋势，WⅠ-3墙片的收缩率平均值达到了0.102 mm/m；之后逐渐变得缓慢，到15 d以后基本稳定，后期墙体收缩率虽仍有波动，但大致已趋于稳定。

（2）无论是否存在约束条件，M7.5混合砂浆砌筑墙片的平均收缩率均大于由M5混合砂浆砌筑的墙片。说明砂浆强度是影响墙体收缩的原因之一，砂浆强度越高，墙体收缩率越大；反之，收缩率越小。农作物秸秆砖砌体在15 d左右收缩渐趋稳定，比农作物秸秆砖本身的收缩稳定时间20 d要短。

2.2 砂浆强度的影响

砂浆收缩试验参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行，通过测试2种不同强度等级的砂浆试块在1～100 d龄期的干燥收缩性能，分析砂浆龄期、强度等因素对混合砂浆收缩性能的影响。图3为自然养护条件下M5和M7.5砂浆的平均收缩率曲线。

图3 自然养护条件下M5和M7.5砂浆的平均收缩率曲线

对比图2和图3，砌体稳定后收缩率平均值与农作物秸秆砖收缩率最大值0.418 mm/m、混合砂浆收缩率最大值M5的0.568 mm/m和M7.5的0.760 mm/m相比都小得多。主要原因是砌体干燥收缩是由砖和砂浆共同决定的[2]，在砌筑时，农作物秸秆砖不断吸收砂浆中的水分导致灰缝不可能100%饱满，部分的收缩变形会被有缺陷的灰缝释放，另外，由于砌筑采用的农作物秸秆砖龄期超过28 d，其收缩变形已经大部分完成，砌筑后的砖很少随龄期变形。因此，为了防止农作物秸秆砖墙体开裂，要严格控制农作物秸秆砖上墙龄期以及砂浆用水量[3]。

2.3 高度和约束条件的影响

WⅡ-2、WⅡ-4墙片各排测点的平均收缩率曲线分别见图 4、图 5。

由图4、图5可知，WⅡ-2和WⅡ-4墙片的1～4测点、5～8测点、9～12测点和13～16测点稳定后的收缩率平均值依次增大。因此，距离地面越高的地方，墙体受到的约束越小，墙体收缩值就越大；反之，收缩值就越小。

图4 WⅡ-2墙片各排测点平均收缩率曲线

图5 WⅡ-4墙片各排测点平均收缩率曲线

图6为各墙片13～16测点的42 d平均收缩率曲线。

图6 各墙片13～16测点平均收缩曲线率

由图6可知，各墙片13～16测点收缩趋势与各墙片的整体收缩趋势相似。但各墙片13～16测点收缩率比平均收缩率要大，因最上排测点距离地面最高，受到的约束小，收缩率较大。

对于没有门窗的整体墙体，有时会在墙面的中部出现竖向裂缝[4]。这是由于墙体边缘受到其他墙体或楼板的约束，而中间部位受到的约束力较小，干燥变形较大。当这种干燥收缩应力超过砌体墙体的抗拉或抗剪极限强度时，就会出现墙体裂缝[5]。针对这种情况，建议砌筑时在墙体中部增设一道水平钢筋混凝土加强带，能有效减少墙体开裂。

3 农作物秸秆转砌体自由干燥收缩率估算公式

由于影响农作物秸秆砖砌体收缩的影响因素众多，本文主要考虑了龄期、砂浆强度的影响。本文仅对无约束条件下农作物秸秆砖砌体的干燥收缩率公式进行估算。为了减少由于试验无约束条件的不理想，仅取无约束条件墙片最上2排测点作为试验点。

图7为无约束条件下9～12测点和13～16测点的平均收缩率曲线。

图7 无约束条件下9～12和13～16测点的平均收缩率曲线

由图7可知，自然养护条件下收缩率曲线主要分为1～18 d龄期和18d以后龄期两个阶段：第一阶段的主要影响因素是龄期，第二阶段的主要影响因素是环境相对湿度。因此，本文分两段估算农作物秸秆砖砌体的自由干燥收缩率公式。

3.1 M5混合砂浆砌筑砌体的自由干燥收缩率估算公式

第一阶段估算公式：

式中：t——龄期，d，1＜t＜18；

ε1（t）——第一阶段农作物秸秆砖砌体的自由干燥收缩率，mm/m。

第二阶段主要考虑相对湿度的影响，本文以18～42 d龄期平均值作为基准方程，以平均值与试验值的比值作为因变量，以与之相对应的相对湿度作为自变量，回归相对湿度影响系数β。第二阶段估算公式：

式中：RH——环境相对湿度，%；

ε2（t）——第二阶段农作物秸秆砖砌体的自由干燥收缩率，mm/m。

农作物秸秆砖砌体的自由干燥收缩率可用式（5）表示：

因此：

按照式（5），M5砂浆砌筑农作物秸秆砖砌体不同龄期的自由干燥收缩估算值及其与试验值的比较见图8。

图8 M5砂浆砌筑农作物秸秆砖砌体的自由干燥收缩试验值与估算值

表2是WⅠ-1墙片测点的估算值与试验值比较。

表2 WⅠ-1墙片测点的估算值与试验值比较

由表2可知，自然养护条件下农作物秸秆砖砌体自由干燥收缩率估算值与试验值比值的平均值接近于1，标准差与变异系数均较小，按式（5）估算值与试验值符合较好。

3.2 M7.5混合砂浆砌筑砌体的自由干燥收缩率估算公式

第一阶段估算公式：

第二阶段主要考虑相对湿度的影响，本文以18～42 d龄期平均值作为基准方程，以平均值与试验值的比值作为因变量，以与之相对应的相对湿度作为自变量，回归相对湿度影响系数。第二阶段估算公式：

因此：

农作物秸秆砖砌体的自由干燥收缩率可用式（10）表示：

按照式（10），M7.5砂浆砌筑农作物秸秆砖砌体不同龄期的自由干燥收缩估算值及其与试验值的比较见图9。

图9 M7.5砂浆砌筑农作物秸秆砖砌体的自由干燥收缩试验值与估算值

表3是WⅠ-3墙片测点的估算值与试验值比较。

表3 WⅠ-3墙片测点的估算值与试验值比较

由表3可以看出，自然养护条件下农作物秸秆砖砌体自由干燥收缩率估算值与试验值比值的平均值接近于1，标准差与变异系数均较小，可以认定，按式（10）估算值与试验值符合较好。

4 结论

（1）本文主要考虑了砂浆强度、龄期及约束条件对混凝土多孔砖砌体收缩的影响，依据试验数据得到M5和M7.5混合砂浆砌筑的农作物秸秆砖砌体收缩率估算公式。

（2）农作物秸秆砖砌体的早期收缩较快，到15 d左右渐趋稳定，在工程应用中应适当延长农作物秸秆砖上墙时的龄期，保证施工时砖的收缩能基本完成，有效地控制减小砌体墙收缩变形。

（3）砌筑砂浆强度对墙体收缩有一定的影响，砂浆强度越高，墙体收缩值越大，砂浆强度对砌体收缩率的影响小于对砂浆本身收缩率影响。

（4）无约束墙片的平均收缩率都大于有约束墙片的平均收缩率，距离地面越高的地方，墙体受到的约束越小，墙体收缩率就越大；反之，收缩率就越小。