剑麻纤维混凝土砌块砌体的力学性能研究

陈伟宏 , 韩春晖, 雷少英 , 姚仲泳, 贾云飞

(1.福州大学 土木工程学院, 福建 福州 350116;2.宇旺建工集团有限公司, 福建 福州 350821;3.平潭综合试验区交通与建设局, 福建 福州 350499)

0 引言

框架-砌体填充墙结构在当前结构工程中占据很重要的地位。填充墙作为第一道抗震防线,凭借其自身开裂、变形和最终的破坏来吸收地震中的能量,对结构的抗震性能影响显著[1-3];然而,由于砌体填充墙的砌筑砂浆和混凝土砌块易开裂、延性差,在地震中容易遭到破坏甚至倒塌[4-6],是造成人员伤亡的最主要原因之一,因此,提高填充墙延性变形性能,有利于增加框架填充墙的地震安全性。

为了改善传统填充砌块的脆性和低抗拉强度,需要开发比原始基质具有更高质量或更好性能的新产品[7-8]。在水泥基材料中应用了合成或天然纤维[9-15]以改善混凝土砌块的受力性能。Arslan等[16]对分别用普通砂浆、掺玄武岩纤维和掺玻璃纤维的砂浆砌筑而成的蒸压加气混凝土砌块墙进行拟静力试验,发现砂浆内掺加纤维能增加填充墙的承载力和耗能能力。杨磊等[17]对添加聚丙烯纤维和玻璃纤维2种纤维的砂加气混凝土砌块进行抗压和抗折试验,结果表明2种纤维砌块强度相差不大,均比未加纤维的砌块增加了20%～30%。多种植物纤维被加入混凝土砌块中并试验其力学性能,例如木质纤维[18-22]、玉米秸秆纤维[23]等。Pitchaipillai等[23]研究了分别用普通砂浆和掺纤维(聚丙烯、剑麻、洋麻和芳纶)砂浆砌筑的砌块砌体抗压、抗剪性能,结果表明,掺纤维砂浆砌筑的砌体具有更高的强度和弹性模量。张艳霞等[24]研究了木纤维混凝土砌块并的力学性能试验,探索了植物纤维混凝土在重砌块中应用的可能性。剑麻纤维也被用作水泥复合材料中的增强材料[25-27],这种复合材料目前被认为是可持续工程技术中最有前途的结构材料之一。合适的处理对水泥基复合材料中剑麻纤维的力学性能 (即拉伸强度) 和界面黏结[28]有积极影响。

目前的研究主要集中在单独提高砌块或者砌筑砂浆的延性,而未考虑砌块砌体的整体变形能力,因此本文提出一种延性砌块与配套延性砂浆的新型砌体结构,通过受压、剪切试验,分析其力学性能、延性和破坏模式,给出相应的承载力计算公式,探讨将其应用于框架填充墙结构体系的可能性。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥,比表面积为330 m2/kg。粉煤灰是由河南铂润铸造材料有限公司提供的粒径为27 μm的I级优质粉煤灰,比表面积为436 m2/kg。矿粉是精磨后得到粒径为14 μm的S95矿渣粉,比表面积为453 m2/kg。剑麻纤维为广西剑麻集团生产的剑麻纤维成品,其技术参数见表1。试验使用的细砂是白色晶体状的石英砂。

表1 剑麻纤维技术参数Tab.1 Technical parameters of sisal fiber

1.2 材料配合比及性能

1.2.1 延性混凝土砌块

混凝土砌块的配合比为课题组前期正交试验所得出的最优配合比[29],延性混凝土砌块配合比见表2。对比砌块为市场上常用的普通混凝土砌块。

表2 延性混凝土砌块配合比Tab.2 Mix ratio of ductile concrete blocks

砌块空心率为38%,主规格尺寸为180 mm×180 mm×70 mm(长度×宽度×高度),辅助砌块是主规格砌块从中间切割而成,混凝土砌块具体尺寸如图1所示。

(a) 砌块尺寸

按《混凝土小型空心砌块试验方法》(GB/T 4111—2013)[30]进行延性混凝土砌块的抗压试验,试验结果见表3,不同砌块位移-荷载曲线如图2所示。

表3 砌块抗压强度试验结果Tab.3 Test results of compressive strength of blocks

从表3、图2可以看出,延性砌块和普通砌块的抗压强度相当,但延性性能有较大的提升。相比普通砌块,延性砌块达到最大载荷后承载力下降缓慢,且破坏后仍有较大的应力保留率。

1.2.2 延性砌筑砂浆

本文中设计了1种普通砌筑砂浆和4种不同强度等级的延性砌筑砂浆,按《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)[31]进行抗压试验,标准尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(长度×宽度×高度),每组6个。普通砂浆配合比的水∶中砂∶水泥质量比为0.29∶1.015∶0.271,抗压强度为10.45 MPa。延性砂浆配合比及抗压强度实测值见表4,其中纤维体积分数均为0.5%。

表4 延性砌筑砂浆配合比Tab.4 Mixture ratio of ductile masonry mortar

2 延性砌块-延性砂浆砌体抗压试验

2.1 试件设计

砌体抗压按照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011)[32]进行,试件尺寸为280 mm×180 mm×550 mm(长度×宽度×高度),砌块砌体如图3所示。为了研究不同砌筑砂浆、砌块类型对砌体抗压性能的影响,共设计3组试件,每组3个。其中,相当多的砌体样品失效是由砖和砂浆之间的结合丧失引起的,特别是当砂浆非常弱时,使得砖-砂浆结合强度也显示出很大的波动,预计这将带来另一个不确定性[31]。为了更好地研究剑麻纤维延性砂浆砌块砌体的力学性能,延性砌筑砂浆的类型指定为延性砂浆3。砌体抗压试验设计参数见表5。

(a) 单个砌体正面

表5 砌体抗压试验设计参数Tab.5 Compression test design of masonry

2.2 试验装置及加载方案

延性砌块-延性砂浆砌体抗压试验在500 kN量程的电液伺服压力机上进行。为了砌块均匀受压,在测试受压荷载-位移全曲线过程中,在加压面增厚度为30 mm的钢板。试验加载按《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011)[32]规定进行,砌体试件的加载装置如图4所示。加载全过程采用等速位移控制的加载方式,加载速率为0.2 mm/min,并采集受压荷载-位移全曲线。在试件加载过程中画出裂缝的分布情况并记录相应荷载值,观察破坏特征。

2.3 试验现象

3种砌体受压破坏分为3个阶段,即未开裂阶段、初裂缝出现和开展阶段、破坏阶段,但是砌块及砌筑砂浆不同,砌体的破坏情况又有所区别。

第1阶段:砌体从开始承载到出现初裂缝,主要为弹性变形,试件裂缝均出现在竖向砂浆缝处。

第2阶段:随着荷载的增加,裂缝开始扩展且数量继续增加,其中CP-0试件主要表现为沿原来的初裂缝继续扩展,裂缝较少;CY-0、CY-1试件在沿原有竖向裂缝扩展的同时不断出现新的细裂缝,试件的裂缝分布如图5所示。

(a) CP-0试件

第3阶段:CP-0试件,在达到极限荷载后沿高度外侧被压碎,然后沿竖向砂浆一条主裂缝破坏,有局部砌块被压裂。CP-0、CY-0到达峰值荷载后,承载力急剧下降。而CY-1试件中的砖比砂浆强度低,且砂浆界面黏结保持的比较完整,则砌体的失效是由接缝中砂浆的拉伸断裂后砂浆失效延伸到砖上,导致砌体失效,使得CY-1试件在达到承载力极限状态后沿竖向主裂缝又重新出现多条小裂缝。试件的破坏形态如图6所示。上述结果与Gumaste等[33]关于配套较高强度砂浆的砌体压缩破坏模式研究结论相契合。

(a) CP-0试件

2.4 结果分析

2.4.1 砌体抗压强度

依据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011)的要求,砌体抗压强度按式(1)计算,试验结果见表6。

(1)

表6 砌体抗压强度试验结果Tab.6 Results of compressive strength tests of masonry

式中:fc,m为试件抗压强度,MPa;N为试件破坏荷载值,kN;A为试件的截面面积,mm2。

CP-0试件的抗压强度略低于CY-0试件,这是因为普通砌块抗压强度小于延性砌块的。由于延性砂浆的抗压强度高于普通砌筑砂浆,并且延性砂浆流动性较强,流入孔洞中形成了砂浆销键现象,使得CY-1试件的抗压强度大于CY-0试件。

2.4.2 抗压强度计算公式

现行《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)(简称《砌规》)列出了各类砌块砌体抗压强度平均值的统一计算公式为

(2)

式中:fc,m为砌体抗压强度平均值,MPa;f1、f2为砌块与砌筑砂浆抗压强度平均值,MPa;k1为与砌块有关的系数;k2为砌筑砂浆强度的影响修正系数;α为与砌块高度及砌体类型有关的系数。

当f2>10 MPa时,则公式应修正为

(3)

从《砌体基本力学性能试验方法标准》中可知,混凝土多孔砖砌体的系数取值为k1=0.78,k2=1.0,α=0.5。以延性砌体实测抗压强度为依据,与计算结果进行比较。由于砂浆强度大于10 MPa,因此理论公式采用公式(3)计算,砌体实测抗压强度与理论计算值比较见表7。

表7 砌体实测抗压强度与理论计算值比较

从表7 可知,按系数k1=0.78,k2=1.0,α=0.5计算所得的抗压强度值与实测值非常接近,因此最终砌体抗压强度计算公式为

(4)

2.4.3 砌体变形性能

通过电液伺服压力机和竖向位移计测得砌块砌体抗压的应力-应变曲线如图7所示。由图可见,3种砌块砌体刚开始加载时,应力-应变曲线大致呈线性。随着应力的增大,CP-0和CY-0试件的应变相较于CY-1试件增大幅度更为显著。当荷载达到最大承载力时,CP-0和CY-0试件的应力-应变曲线逐渐下降,而CY-1试件在荷载达到极值后短暂下降,然后又缓慢上升至极限承载力。当应变达到17×10-3时,CP-0和CY-0试件承载能力较小,而加载到后期时,CY-1试件仍然有较高的承载力保留率。

图7 砌体抗压应力-应变曲线Fig.7 Compressive stress-strain curve of masonry

可以看出,由于CY-1试件同时使用了延性砌块和延性砌筑砂浆,使其在受压过程中延性砌筑砂浆和延性砌块同时开裂,具有多裂缝开裂的特征,能消耗更多的能量,承载力缓慢下降,剩余承载力也远大于CP-0、CY-0试件。

2.4.4 砌体的弹性模量

弹性模量是砌体变形性能的参数。根据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011),在砌体抗压试验的应力-应变曲线上,取应力σ等于0.4fc,m时的割线模量为试件的弹性模量,并按式(5)计算,结果见表8。

(5)

表8 试件的弹性模量Tab.8 Elastic modulus of test piece

式中:E为试件的弹性模量,N/mm;ε0.4为对应于0.4fc,m时的轴向应变值。

根据实测数据,得出了3种砌体的弹性模量,即CP-0、CY-0和CY-1分别为252.9、236.4、330.4 GPa,说明普通砌块砌体和延性砌块普通砂浆砌体的弹性变形能力差。延性砌块-延性砂浆砌体弹性模量大,再加上其具有的多裂缝开裂特性,在地震中能提供更持久的耗能能力。

3 延性砌块-延性砂浆砌体抗剪试验

3.1 试件设计

抗剪试验采用双剪试件,按《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011)制作,砂浆灰缝厚度为10 mm。按砂浆和砌块的不同组合,共设计了6组试件,每组3个,试件主要参数见表9。

表9 砌体抗剪试验设计Tab.9 Shear test design for masonry

3.2 试验装置及加载方案

试验加载按《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011)中的规定进行,试验装置如图8所示。采用位移控制,加载速率为0.2 mm/min。当出现一个剪切面破坏时加载结束。

图8 砌体抗剪试验Fig.8 Masonry shear test

3.3 试验现象

在出现荷载峰值后,SP-0试件沿着砂浆缝面瞬间破坏,试件丧失抗剪承载力,无明显的破坏征兆,并且破坏前,没有发现试件表面有明显的裂缝开展现象,为脆性破坏。SY-0试件破坏现象与SP-0试件相似,但是SY-0试件在受剪过程中,延性砌块有轻微开裂。SY-1、SY-2、SY-3试件剪变形较大,延性砌块有少量发育比较充分的裂缝,表现为延性破坏。SY-4试件延性砂浆强度大,表现为延性砌块多裂缝开裂破坏,而并未沿砂浆缝剪切破坏,而且延性砌块多裂缝开裂过程中极大的消耗能量为延性破坏。不同试件的裂缝形态如图9所示。

(a) SP-0

3.4 结果分析

依据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011)中规定,试件抗剪强度按式(6)计算,砌体抗剪试验结果见表10。

(6)

表10 砌体抗剪试验结果Tab.10 Shear test results of masonry

式中:fv,m为试件沿通缝截面的抗剪强度,MPa;Nv为试件的抗剪极限荷载值,N。

3.4.1 抗剪强度计算公式

当砌体只受剪应力作用时,砌体的抗剪强度主要由灰缝砂浆与块体的黏结强度决定。《砌体基本力学性能试验方法标准》规定了砌体抗剪强度的平均值计算公式为

(7)

式中:fv0,m为砌体抗剪强度平均值,MPa;k5为系数,对于蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖砌体,k5=0.09;对于混凝土小型空砌块砌体,k5=0.069。而本试验所用延性混凝土砌块在规范中并没有明确规定。线性回归曲线试验数据的线性拟合如图10所示。对表10中灰缝厚度为10 mm的抗剪试件试验数据进行线性回归得到的砌体抗剪强度计算公式为

图10 试验数据的线性拟合Fig.10 Linear fitting of experimental data

(8)

对计算出的砌体抗剪强度和试验测得的砌体抗剪强度进行对比,得出砌体抗剪实测值和计算值对比见表11。

表11 砌体抗剪实测值和计算值对比Tab.11 Comparison between measured and calculated shear resistance values of masonry

砌体抗剪强度线性回归得出的残差平方和为7.68×10-3。通过表11可以看到,在线性函数拟合形态下计算得出的砌体抗剪强度和试验测得的实际数据非常接近,因此可以通过公式来预测本延性材料砌体的抗剪强度。

3.4.2 剪切变形

延性砌块-延性砂浆砌体试件表现出不同于普通抗剪试件的剪切变形性能。不同砌体抗压应力-应变曲线如图11所示。由图11可以看出,SP-0试件的荷载-位移曲线达到最大荷载后就急剧降低,剪切变形很小。SY-0试件曲线与SP-0试件相似,剪切延性增加不大。SY-1试件的延性砌筑砂浆强度相对较低,虽然延性砌块有轻微开裂,但主要发生的是延性砂浆的剪切破坏,曲线上升段斜率较小,达到最大荷载后逐渐降低,剪切延性得到显著的提高。SY-2、SY-3构件的曲线相似,试件的延性砌块在剪切变形过程中开裂更为严重,但主要还是沿延性砂浆缝的剪切破坏,曲线在到达最大荷载后逐渐降低,剪切变形较大。SY-4构件的延性砌筑砂浆强度相比SY-2和SY-3试件进一步提高,抗剪过程中主要发生的是延性砌块的多裂缝开裂破坏,在较大的剪切变形情况下仍有极高的剪切强度保留率,使SY-4试件曲线的下降段最为平缓,剪切延性最好。

图11 不同砌体抗压应力-应变曲线Fig.11 Compressive stress-strain curve of masonry

4 结论

① 延性砌块-延性砂浆砌体CY-1抗压强度与普通砌体相差很小,但在受压过程中延性砌筑砂浆和延性砌块均开裂,且砂浆界面黏结保持的比较完整,砂浆裂缝延伸到砌体上,并且在达到承载力极限状态后沿竖向主裂缝又重新出现多条小裂缝,破坏模式为延性破坏,在达到峰值应力后承载力缓慢下降,剩余承载力也远大于延性砌块-普通砂浆试件CP-0试件、普通砌块-砂浆CY-0试件;CY-0、CP-0达到极限承载力后,试件很快就破碎,脆性现象明显。

② 抗剪试验中,普通砌块-砂浆砌体、延性砌块-普通砂浆砌体均为脆性破坏;延性砌块-砂浆砌体则随着砂浆强度的增大,抵抗剪切能力越强。当延性砂浆强度较低时,延性砌块-延性砂浆砌体仍旧沿着砂浆面破坏,承载力损失较快;当延性砂浆强度较大时,为多缝开裂特征,并且较大的破坏面出现在砌块处,延性较好,耗能更高。

③ 按照《砌体基本力学性能试验方法标准》的推荐公式,得出延性砌块-延性砂浆砌体抗压强度。砌体的抗剪强度,随砌筑浆体抗压强度的提高而增大,材料配合比对砌体抗剪强度的影响不容忽视,故建立了新型延性砌块-延性砂浆砌体抗剪强度的计算公式。