菱镁矿尾矿空心砌块及砌体力学与保温性能研究

2021-07-22姜庄园高华国刘春阳王若鑫袁雄洲

辽宁科技大学学报 2021年2期

姜庄园，高华国，刘春阳，王若鑫，袁雄洲

（1.金地集团东北区域地产公司，辽宁沈阳 110023；2.辽宁科技大学土木工程学院，辽宁鞍山 114051；3.深圳职业信息技术学院，广东深圳 518000）

为了保护土质资源，我国大力提倡使用空心混凝土砌体，减少使用实心粘土砌体［1-2］。空心混凝土砌体是一种主要由水泥、骨料、水等根据一定比例加工再养护而形成的块材，具有取材方便、修筑简单、良好的耐火性能和保温性能等优点。郝潞岑［3］等学者研究混凝土空心砌体剪力墙的保温性能，发现在砌体空心率适当条件下墙体的保温效果良好。尚德奎［4］等研究了空心混凝土砌体的抗压强度，证明空心混凝土砌体抗压强度值符合国家规范。空心混凝土砌体在国外也比较盛行，例如，美国、新西兰、欧洲等地区就已经把空心混凝土砌体应用在高层建筑上。

为了减少资源浪费及环境污染，提高菱镁矿资源的利用率，于万增［5］等利用菱镁矿粉充当部分混凝土，研究表明加入菱镁矿粉混凝土的各项性能都有所改善。Matkovic［6］等研究菱镁矿水泥在空气中的质变过程，表明菱镁矿水泥与空气会产生碳化相物质。段绪胜［7］等研发了菱镁矿混凝土夹芯板；丁军［8］等研发了加入粉煤灰、微硅粉及乳白胶等添加剂的菱镁矿水泥；王元荪［9］研发了一种用于建筑墙体砌筑的新型菱镁矿水泥并申请了国家专利。白睿奇［10］等研究表明，以菱镁矿为骨料所制作的建材，具有良好的保温性能。崔自治［11］等研究表明，菱镁矿尾矿石空心砌体可以应用到建筑工程中，在混凝土中按一定的菱镁矿尾矿掺和量可以改善混凝土的力学性能及抗裂性能等特点。

本文提出利用菱镁矿尾矿制作空心砌块砌体，并通过实验来研究菱镁矿尾矿的空心砌块砌体在不同砂浆强度下的力学性能，测试砌体的传热系数研究其保温性能，解决菱镁矿尾矿回收利用问题。

1 菱镁矿尾矿空心砌块原料及制作

1.1 菱镁矿尾矿的成分

利用X射线衍射仪测定菱镁矿尾矿石粉末成分：菱镁矿（Magnesite）质量分数为92.37%，白云石（Dolomite）质量分数为3.10%，石英（Quartz）质量分数为2.44%，斜绿泥石（Clinochlore）质量分数为1.49%，镁铁榴石（Majorite）质量分数为0.80%，方形解石（Calcite）质量分数为0.48%。菱镁矿尾矿混凝土空心砌块的制作选取粒径不大于15 mm的菱镁矿尾矿石代替混凝土中的砂石作为骨料。骨料的粒径过大会使混凝土的密实度降低，严重时会造成空心砌块的抗裂性及抗渗性降低。粒径过小，骨料与水泥砂浆之间所包裹的面积增大，当水泥砂浆用量不变时，砌块的强度会降低。

1.2 空心砌块的制作

按照设计规程要求确定菱镁矿尾矿砌块的配合比［12］，采用32.5级水泥，水灰比为0.5，用量：水171 kg/m3，水泥341 kg/m3，碎石1 673 kg/m3。空心砌块尺寸如图1所示，空心率为52%。放在适宜条件下养护至28 d，共制作空心砌块12块，用于后续试验。

图1 菱镁矿空心砌块尺寸，mmFig.1 Geometric dimensions of magnesite hollow block，mm

2 菱镁矿尾矿空心砌块抗压强度

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）［14］对试件进行抗压强度测定。随机选取6个菱镁矿尾矿砌块，编号后进行抗压强度试验，破坏形式见图2。菱镁矿尾矿石的混凝土立方体在接触压力机的顶面先被压碎，大致在立方体三分点处出现两条裂缝；继续加载，裂缝贯通整个混凝土立方体。砌块的边缘薄弱处先被压碎，底面的边角脱落，菱镁矿尾矿空心砌块最终呈上头细下头粗的锥形破坏不能继续承载。

图2 菱镁矿尾矿空心砌块破坏图Fig.2 Failure of hollow block made of magnesite tailings

抗压强度试验结果详见表1。菱镁矿尾矿砌块的抗压强度平均值为7.06 MPa，满足MU5的抗压强度要求。

表1 菱镁矿尾矿砌块的抗压强度Tab.1 Compressive strengths of hollow block made of magnesite tailings

3 砌筑砂浆试块抗压强度

3.1 砂浆试块的制作

根据《砌筑砂浆配合比设计规程》（JGJT98—2010）［13］制作强度为M5.0与M10.0的两组砂浆试块，分别编号为A1~A6与B1~B6。M5.0砂浆和M10.0砂浆每立方米的水泥与砂用量比值分别为1：6和1：4。试块尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，见图3。养护条件与菱镁矿尾矿空心砌块相同。

图3 砂浆试块制作Fig.3 Preparation of mortar sample

3.2 砌筑砂浆试块的抗压强度

砌筑砂浆试件的抗压强度按照参考文献［15］的方法进行试验测定。加载速度为0.5 kN/min，施加恒荷载至试块破坏，得到极限强度。试块出现上端稍细、下段稍粗的破坏形态，详见图4。

图4 砂浆试块破坏形态Fig.4 Failure pattern of mortar sample

两组砂浆试块抗压强度及破坏荷载如表2所示。A组砂浆试块实际破坏荷载平均值为26.44 kN，抗压强度平均值为5.29 MPa；B组实际破坏荷载平均值为49.56 kN，抗压强度平均值为9.92 MPa。

表2 砂浆实测抗压强度Tab.2 Measured compressive strengths of mortar samples

4 砌体的力学性能

4.1 砌体抗压强度

砌体试件的抗压强度通常以砌体试件的轴心受压实验得出。菱镁矿尾矿混凝土空心砌体试件结构及尺寸如图5所示。砌筑采用A和B两种砂浆。

图5 菱镁矿尾矿空心砌体抗压试件Fig.5 Compressive test sample of hollow masonry made of magnesite tailings

抗压强度试验采用最大输出为1 000 kN的电液伺服多通道静载试验机，加载装置如图6所示。选用10%的破坏荷载施加压力，加载速度（2±0.5）kN/s，当所加载荷达到80%的预估荷载时，加载方式改为（0.2±0.1）mm/min。

图6 加载装置图Fig.6 Picture of loading configuration

菱镁矿尾矿空心混凝土砌体的受压破坏形态与普通砌体一致，从开始受力到破坏的整个过程分为三个阶段。第一阶段是弹性阶段，试件没有裂缝，应力应变图为直线状态；第二阶段是弹塑性阶段，此时出现微裂缝，但裂缝没有通透，砌体没有被完全破坏；第三阶段是破坏阶段，此时砌体塑性变形很大，裂缝增多加深，有裂缝通透，试件被压碎，如图7所示。

图7 砌体破坏形态Fig.7 Failure patterns of masonry samples

砌体的抗压强度测试结果详见表3。A组与B组菱镁矿尾矿空心砌体的实测抗压强度平均值分别为3.81 MPa与4.71 MPa。这说明砂浆强度越大，砌体的抗压强度就越大。砂浆强度应高于砌块强度低于基层材料强度。

表3 菱镁矿尾矿空心砌体实测抗压强度Tab.3 Measured compressive strengths of hollow masonry made of magnesite tailings

GB 50003—2011《砌体结构设计规范》中规定抗压强度计算式［16］

式中：Fm为平均砌体抗压强度值，MPa；K1与α是与砌块有关系数，一般K1取0.46，α取0.9；K2是与砂浆有关的系数，一般取1.0；f1与f2分别是砌块与砂浆的平均抗压强度值，MPa。

抗压强度的测试结果与规范计算结果如表4所示。实测抗压强度平均值略高于计算值，建议采用规范计算值。

表4 砌体抗压强度测试均值与规范计算值对比Tab.4 Comparison between measured mean compressive strengths and calculated values of masonry samples

4.2 砌体抗剪强度

抗剪砌体试件结构如图8所示。将砌体横放，施加水平荷载，采用50 t压力机对砌体中部施压。

图8 抗剪试件Fig.8 Sample for shearing test

试件均在灰缝处出现一条裂缝，发生剪切破坏，是典型的脆性破坏，破坏前没有明显的预兆。如图9所示。

图9 砌体剪切破坏图Fig.9 Failure patterns of masonry samples

砌体的抗剪强度测试结果如表5所示，A组砌体试件抗剪强度平均值为0.16 MPa，B组抗剪强度平均值为0.23 MPa。显然，砌体的抗剪强度与砂浆强度有关，砂浆强度越大，砌体的抗剪强度就会增大。

表5 菱镁矿尾矿空心砌体实测抗剪强度Tab.5 Measured shear strengths of hollow masonry samples made of magnesite tailings

GB 50003—2011中规定的抗剪强度计算式［16］

式中：fv,m为砌体抗剪强度平均值；k5为与砌体材料有关的系数，一般取0.069；f2为砂浆的抗压强度平均值。

实测结果与理论计算结果详见表6。实测抗剪强度平均值略高于规范计算值，建议采用规范计算值。

表6 实测砌体抗剪强度均值与规范计算值对比Tab.6 Comparison between measured mean shear strengths and calculated values of masonry samples

5 砌体的保温性能研究

本文采用冷热箱-热流计法测试砌体导热系数。这种方法不受环境温度与湿度限制，使用比较简单，精度比较高。

为了避免在测试的过程中热量损失，确保冷热箱与砌体紧贴在一起，采用30 mm厚玻璃棉包裹砌体，在砌体顶底面中间位置分别设两个温度测点放置热流计，测点位置及测试仪器如图10所示。菱镁矿尾矿空心砌体的导热系数测试结果详见表7。砌体的导热系数平均值为0.103 W/（m·K），证明菱镁矿尾矿空心砌体具有良好保温隔热性能。