碱矿渣陶粒混凝土砌块砌体受压本构关系

郑文忠，敖日格乐，王 英，黄文宣

(1. 结构工程灾变与控制教育部重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090；2. 土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090)

矿渣和粉煤灰作为矿物掺合料在拌制混凝土过程中有所应用，而碱矿渣胶凝材料(Alkaliactivated Slag Cementitious Material, AASCM)是以磨细的高炉矿渣工业废弃物为主要原料，采用适当的激发剂(如水玻璃，氢氧化钠)激发，经搅拌而成的新型胶凝材料[1]。粒化高炉矿渣是指在高炉冶炼生铁时，得到的以硅酸盐为主要成分的熔铸物，经淬冷成粒后具有潜在水硬活性的材料。一般情况下，矿渣—水浆体并不具有水硬性，只有处于碱性环境下，矿渣才具有水硬性[1]。我国每年矿渣产量约2.4 亿吨，占全球总产量的50%[1]。利用矿渣代替水泥作为原材料，可以达到变废为宝的目的，与水泥相比更加经济环保[2]。由于这种新型材料本身组成成分的特性，它相比于普通硅酸盐水泥具有快硬早强[3−7]、耗能低、耐高温[8]、耐久性好[9−10]等特点。由于碱矿渣胶凝材料具有600 ℃以内强度基本不降低的特点[11]，同时因为碱矿渣陶砂砂浆砌筑的碱矿渣陶粒混凝土砌体中用陶砂、陶粒替代普通混凝土砌块砌体里的细骨料及粗骨料，而陶砂、陶粒在高温煅烧中制得的，由此砌筑的砌体不仅能满足节能利废的要求，还可以有效的提高其抗火性能。

完成了126 个用碱矿渣陶砂砂浆和碱矿渣陶粒混凝土砌块砌筑的砌体试件的轴心抗压试验，其中有60 个由强度等级为MU7.5、MU10、MU15、MU20 的碱矿渣陶粒混凝土空心砌块与强度等级为Mb20、Mb25、Mb35、Mb60 的碱矿渣陶砂砂浆砌筑的空心砌块砌体轴心抗压试验和66 个由强度等级为MU25、MU30 的碱矿渣陶粒混凝土实心砖与强度等级为Mb15、Mb20、Mb25、Mb30、Mb45、Mb60 的碱矿渣陶砂砂浆砌筑的实心砖砌体轴心抗压试验。基于试验结果，建立了所研究砌体的轴压应力-应变关系曲线方程及峰值压应变、极限压应变及弹性模量计算公式。

1 试验材料

1.1 试验原材料

矿渣采用哈尔滨三发新型节能建材有限公司的“哈尔滨矿渣”和来自唐山唐龙新型建材有限公司的“唐山矿渣”，比表面积分别为379 m2/kg和424 m2/kg，表1 给出了矿渣的化学成分。

表1 矿渣的化学成分 /(%)Table 1 Chemical composition of slag

粉煤灰采用黑龙江省双达电力设备有限公司提供的Ⅰ级粉煤灰，其密度为2.43 g/cm3。表2 给出了粉煤灰的化学成分。

陶砂采用巩义市超越滤料厂的粒度1 mm 的陶砂，其圆度 ≥ 0.9。表3 给出了陶砂的化学成分。

陶粒采用河南省巩义市宇轩环保科技有限公司的陶粒，粒径为5 mm～16 mm，干表面密度为830 kg/m3，吸水率为20%，筒压强度为4.2 MPa。

采用了液态硅酸钠水玻璃，含水率为64.5%，模数为3.2，在试验过程中可以通过改变氢氧化钠的用量来调整水玻璃的模数。

选用天津市大陆化学试剂厂生产的NaOH，其质量分数≥96.0%。

选用天津市致远化学试剂有限公司生产的质量分数≥99.8%的分析Na2CO3。

表2 粉煤灰的化学成分 /(%)Table 2 Chemical composition of fly ash

表3 陶砂的化学成分 /(%)Table 3 Chemical composition of pottery sand

1.2 砌筑用碱矿渣陶砂砂浆与生产砌块用碱矿渣陶粒混凝土配合比

试验采用的碱矿渣陶砂砂浆是由矿渣、粉煤灰、陶砂、碱性激发剂按一定质量比配制而成的，采用的碱性激发剂为水玻璃或碳酸钠与氢氧化钠的混合溶液，其配合比如表4 所示。

表4 碱矿渣陶砂砂浆的配合比 /(kg/m3)Table 4 Mixing ratio of alkali slag pottery mortar

试验所采用的砌块是由矿渣、陶粒、陶砂、碱性激发剂按一定质量比配制而成的碱矿渣陶粒混凝土砌块，采用的碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠的混合液。其配合比见表5，表6。

表5 制备空心砌块用碱矿渣陶粒混凝土配合比 /(kg/m3)Table 5 Mixing ratio of alkali slag ceramsite concrete hollow block

表6 制备实心砖用碱矿渣陶粒混凝土配合比 /(kg/m3)Table 6 Mixing ratio of alkali slag ceramsite concrete solid brick

图1 碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块尺寸 /mm Fig.1 Alkali-activated slag ceramsite concrete hollow block size

1.3 材料性能试验

碱矿渣陶粒混凝土空心砌块选用主砌块的尺寸为390 mm×190 mm×190 mm，空心率为48.3%；辅助砌块的尺寸为190 mm×190 mm×190 mm，空心率为36.0%。碱矿渣陶粒混凝土与实心砖选用的尺寸为240 mm×115 mm×53 mm。主砌块和辅助的细部尺寸如图1 所示。

按照《混凝土砌块和砖试验方法》(GB/T4111−2013)[12]对两类砌块进行轴心抗压试验，每组五件。碱激发矿渣陶粒混凝土砌块抗压强度实测值如表7 与表8 所示。

根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70−2009)[13]砌筑砂浆的立方体抗压强度试验应采用了70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的带底试模，且具有足够刚度并拆装方便。在《砌体结构设计规范》(GB50003−2011)[14]中规定，确定砂浆强度等级时应采用同类块体作为试块底模。由砖底模改为钢底模后，由于砖底模会吸取砂浆中多余的水分，结硬后的砂浆强度相对较高，而钢底模不吸收水分，所以砂浆抗压强度会下降，应对用钢底模测量出的强度乘于1.35 进行修正。碱矿渣陶砂砂浆抗压强度试验结果见表9。

2 试验设计

2.1 试件设计

轴心受压试验的试件设计参照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T50129−2011)[15]中规

表7 碱矿渣陶粒混凝土空心砌块抗压强度实测值Table 7 Actual measured values of compressive strength of alkali slag ceramsite concrete hollow block

表8 碱矿渣陶粒混凝土实心砖抗压强度实测值Table 8 Measured values of compressive strength of alkali slag ceramsite concrete solid brick

定的砌筑方法，空心砌块砌体的尺寸为990 mm×590 mm×190 mm，如图2(a)所示；实心砖砌体的尺 寸 为240 mm×370 mm×750 mm，如 图2(b)所示，砌块在砌筑前应先润湿，砂浆厚度8 mm～12 mm。试验设计及个数如表10 所示。

表9 碱矿渣陶砂砂浆抗压强度及折算值 /MPaTable 9 Compressive strength and conversion values of alkali slag pottery mortar

图2 砌体轴心受压试件设计 /mm Fig.2 Design of masonry axial compression test piece

表10 碱矿渣陶粒混凝土砌块砌体抗压试验设计Table 10 Compressive test design of alkali slag ceramsite concrete block masonry

2.2 试验加载装置及测量方案

碱矿渣陶粒混凝土砌体的轴心受压试验在10000 kN 电液伺服压力机上进行，加载装置如图3所示。

碱矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的测量装置示意图如4(a)所示，碱矿渣陶粒混凝土实心砖砌体测量装置示意图如图4(b)所示。

2.3 试验结果

各试件的轴压应力-应变关系全曲线，如图5与图6 所示。图中“HW10-20-1”表示空心砌块强度等级为MU10，砌筑砂浆强度等级为Mb20，试件编号为该组第1 号；“SW25-15-1”表示实心砖强度等级为MU25，砌筑砂浆强度等级为Mb15，试件编号为该组第1 号。个别试件未能测到完整的轴压应力-应变曲线，故部分组别只有五个试件的曲线。

从图5 和图6 可以看出，每组试件应力-应变关系曲线的上升段差别较小，但是下降段的离散性较大。

3 试验结果分析

3.1 砌块砌体受压应力-应变关系

图3 试验加载装置Fig.3 Test loading device

图4 测量装置示意图Fig.4 Measuring device schematic

为给出适用于碱矿渣陶砂砂浆砌筑的碱矿渣陶粒混凝土砌块砌体的受压应力-应变关系，对实测数据进行归一化处理后，采用上升段和下降段两个阶段来描述用碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的碱激发矿渣陶粒混凝土砌块砌体的受压应力-应变关系全曲线[16−17]。土实心砖砌体，受压应力-应变曲线下降段如图10和式(4)所示：

图5 碱矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体实测轴心受压应力-应变关系曲线Fig.5 Measured stress-strain relationship curve of test specimens of alkali slag ceramsite concrete hollow block masonry

对于碱矿渣陶砂砂浆砌筑的碱矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体，受压应力-应变关系曲线上升段如图7 和式(1)所示：

对由碱矿渣陶砂砂浆砌筑的碱矿渣陶粒混凝

图6 碱矿渣陶粒混凝土实心砖砌体实测轴心受压应力-应变关系曲线Fig.6 Measured stress-strain relationship curve of solid slag ceramsite concrete brick masonry

3.2 峰值压应变

表11 给出了碱矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的峰值压应变，表12 给出了的碱矿渣陶粒混凝土实心砖砌体的峰值压应变。

从表11 和表12 可知，砌块强度一定时，峰值压应变随着砂浆抗压强度的增大而减小。可见峰值压应变与砂浆抗压强度和砌块抗压强度有关，因此，着重考察砂浆强度和砌块强度对峰值压应变的影响。通过引入砌块抗压强度与砌体抗

图7 基于试验结果的空心砌块砌体受压应力-应变关系曲线上升段Fig.7 The rising section of stress-strain relationship curve of hollow block masonry under pressure based on test results

图8 基于试验结果的实心砖砌块砌体受压应力-应变关系曲线上升段Fig.8 The rising section of stress-strain relationship curve of solid block masonry under pressure based on test results

图9 基于试验结果的空心砌块砌体受压应力-应变曲线下降段Fig.9 The descending section of stress-strain relationship curve of hollow block masonry under pressure based on test results

图10 基于试验结果的实心砖砌块砌体受压应力-应变关系曲线下降段Fig.10 The descending section of stress-strain relationship curve of solid block masonry under pressure based on test results

压强度之比f1/fm、砂浆抗压强度与砌体抗压强度之比f2/fm两项无量纲参数，通过图11 可得到碱矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的峰值压应变计算公式，如式(5)所示。

表11 空心砌块砌体的峰值压应变Table 11 Peak compressive strain of hollow block masonry

表12 实心砖砌体的峰值压应变Table 12 Peak compressive strain of solid brick masonry

将碱矿渣陶粒混凝土实心砖砌体的各试验点置于该坐标系，则砖砌体峰值压应变ε0与f1/fm和f2/fm的关系如图12 所示，其计算公式见式(6)：

图11 空心砌块砌体峰值压应变ε0 与f1/fm 和f2/fm 的关系Fig.11 Relationship between peak compressive strain ofhollow block masonry and f1/fm and f2/fm

图12 实心砖砌体峰值压应变ε0 与f1/fm 和f2/fm 的关系Fig.12 Relationship between peak compressive strain of solid brick masonry and f1/fm and f2/fm

3.3 极限压应变

fm为砌体抗压强度平均值，取下降段应力为0.5fm对应的应变作为砌体竖向荷载下的极限压应变。

表13 给出了碱矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体轴心受压的极限压应变实测值。

表14 给出了碱矿渣陶粒混凝土实心砖砌体下降段压应力等于0.5fm的极限压应变。

根据3.1 节提出的受压应力-应变关系曲线下降段方程，推导出对应于下降段0.5 倍峰值应力的应变，则用碱矿渣陶砂砂浆砌筑的碱矿渣陶粒混凝土砌块砌体的极限压应变建议公式如下：

表13 碱矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的极限压应变Table 13 Ultimate compressive strain of alkali slag ceramsite concrete hollow block masonry

表14 碱矿渣陶粒混凝土实心砖砌体的极限压应变Table 14 Ultimate compressive strain of alkali slag ceramsite concrete solid brick masonry

3.4 弹性模量

Emc为砌体弹性模量按式(15)或式(16)的计算值，Emt为砌体弹性模量实测值。令x=Emc/Emt，则对空心砌块砌体，其平均值=1.04，变异系数δ=0.16；对实心砖砌体，平均值=0.97，变异系数δ=0.27。

3.5 泊松比

根据实测结果，建议用碱矿渣陶砂砂浆砌筑的碱矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的泊松比取0.22，用碱矿渣陶砂砂浆砌筑的碱矿渣陶粒混凝土实心砖砌体的泊松比取0.21。

4 结论

本文通过碱矿渣陶粒混凝土砌块砌体和碱矿渣陶粒混凝土实心砖砌体轴心抗压强度试验得到了以下结论：

(1) 完成了60 个由强度等级为MU7.5、MU10、MU15、MU20 的碱矿渣陶粒混凝土空心砌块与强度等级为Mb20、Mb25、Mb35、Mb60 的碱矿渣陶砂砂浆砌筑的空心砌块砌体轴心抗压试验和66 个由强度等级为MU25、MU30 的碱矿渣陶粒混凝土实心砖与强度等级为Mb15、Mb20、Mb25、Mb30、Mb45、Mb60 的碱矿渣陶砂砂浆砌筑的实心砖砌体轴心抗压试验，积累了宝贵的试验资料。

(2) 当砌块抗压强度和砌筑砂浆抗压强度分别相同时，由于碱矿渣陶砂砂浆收缩大，砌体峰值压应变、极限压应变均低于普通混凝土砌块砌体。

(3) 建立了所研究砌体以砌体抗压强度、砌块抗压强度和砌筑砂浆抗压强度表达的峰值压应变、极限压应变及弹性模量计算公式。