保温承重砌块砌体的抗压强度试验分析

方福军

在更新旧建筑的过程中，产生了越来越多的建筑垃圾。如果不能合理地对其进行回收利用，将严重影响人们的生活、生产及自然环境。保温承重砌块砌体作为一种新型的建筑材料，具有良好的保温性能和较高的抗压强度，并逐渐在建筑领域得到广泛应用。保温承重砌块砌体的抗压强度是评价其力学性能的重要指标之一[1]。为研究和优化保温承重砌块砌体的设计和施工，需要深入了解其抗压强度及影响因素。

确定保温承重砌体的抗压强度是结构设计的重要要求。目前，关于砖砌体、水泥砌块砌体性能的相关研究内容仍然很少，有关水泥砌块或砖砌块抗压强度的信息不足以确定保温承重砌块砌体的抗压强度。虽然砌体的抗压强度可通过试验来确定，但测试工作所需的材料成本较高，寻找适用的经验关系来预测砌块单元（砖或砌块）和砂浆的性能具有重要意义。通常可通过试验研究砖、砌块和砂浆的强度来预测砌体的抗压强度。许多研究者已经开发出不同的关于砖、砌块单元、砂浆与砌体的抗压强度的经验表达式[2]。

1 保温承重砌块砌体的抗压强度概述

虽然砌体抗压强度取决于砌体单元（砖或砌块）、砂浆、砌体单元与砂浆的界面结合、砌体单元平整时的湿度、砂浆厚度、砌体棱柱的长细度及工艺等，但主要受砌体单元和接缝砂浆性能的影响。BENNETT 等[3]提出了砌体抗压强度和砖抗压强度之间的简单方程：砌体抗压强度等于砖抗压强度的0.3 倍。然而，在大多数其他的经验表达式中，通常也会考虑砂浆的强度。

当同时考虑砌体单元和砂浆强度来确定砌体抗压强度fm时，其关系可用式（1）来表示，即：

式中：K、α、β分别为常数；fb、fj分别为砖和砂浆的平均抗压强度。

有人将α和β值分别定义为0.7和0.3。K是常数，其值取决于砌体单元类型和砂浆的特性。对于黏土砖和普通砂浆，标准规范规定的K值为0.35 ～0.55。在大多数研究中，都考虑了砌体单元强度和砂浆强度，并以式（1）的形式提出了经验表达式[4]。

1.1 试验材料

采用普通硅酸盐水泥制备稳定土块，当地可用的土壤用作稳定土块的集料。为制备联合砂浆，除当地土壤外，还采用了天然河砂。此次试验使用第四系沉积物中的河砂，在过去传统情况下常用于生产水泥块。试验所用材料性能如表1 所示。铸造尺寸为205 mm×105 mm×65 mm 的实心块，分别按1 : 4、1 : 6、1 : 8 和1 : 10 的体积比制备水泥土砂浆砌块。对于联合砂浆的制造，根据国家标准，根据砂浆的占比选择3 种黏合剂，指定使用2种类型的砂浆：水泥河砂和黏土砂浆。砂浆是在搅拌机中将水泥和土按1 : 5、1 : 7 和1 : 9 的体积比配制而成的[5]。

表1 水泥、砂、土壤的物理性质

砖石棱柱体采用4 种不同强度的稳定土块和6 种砂浆（水泥土和水泥砂混合砂浆各3 种）的组合制备了144个砌体试样。使用砂浆混合料铸造不同类型的棱柱砌块，水泥与砂混合料的体积比分别为1 : 5、1 : 7 和1 : 9。对于棱镜，使用尺寸205 mm×105 mm×65 mm 的块单元，并在制备样品前将块保持在正常的环境条件下。每个棱镜由3 个稳定土块和2 个10 mm 厚的砂浆接缝组成。测试前将样品保存在室内试验室环境中，固化28 d。

1.2 砖块测试

1.2.1 抗压强度试验

采用置换控制法确定稳定土块的抗压强度，以2 mm/min 的速度增加载荷，直到发生失效，计算公式为：

式中：Fmax为最大负荷；S为有效面积。

1.2.2 弯曲强度试验

采用三点弯曲试验确定稳定土块的弯曲强度PB，计算公式为：

式中：P为失效时施加在砌块中间的载荷；l为支架之间的距离；b、d分别为中跨段的宽度和深度。

1.2.3 吸水试验

稳定土块在105 ℃的烘箱中干燥24 h。在室内实验室环境条件下，这些区块在水中合并24 h，测量并记录砌块的烤箱干湿状态和质量。

吸水率Q的计算公式为：

式中：Wd干燥状态水泥块的质量；Ws为湿态水泥块的质量；V为水泥块的体积。

1.3 砂浆立方体砖块棱柱体试验

根据现有的欧洲标准（EN772-1）评估砂浆立方体抗压强度，砂浆立方体尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。放置在通用轴向试验机中，以2 mm/min 的速度增加载荷，直到发生故障为止。测试标准和强度计算与砌块压缩试验相似[6]。

同时，为了获得砖块棱柱体抗压强度测试结果，根据标准进行了压缩试验，测试标准和加载位移率与砖块的压缩试验相似。

2 试验结果分析

抗压试验指试件成型后不受任何侧向约束的情况下进行的单轴抗压试验。此次试验以粉砂质泥岩碎石含量和试件成型方式为变量，总结分析粉砂质泥岩碎石土的强度特性影响因素和规律，为保温承重砌块砌体施工提供材料参数参考依据[7]。

选取不同泥岩碎石含量填料对应最优含水率，对试件通过振动压实成型进行无侧限抗压强度试验（图1），振动压实成型试验机的激振力0.39 MPa 。试件制备采用重型击实试验所得的最优含水率控制填料含石量，填料掺配完成后闷料24 h 进行试件制备。填料含石量情况控制如下：粉砂质泥岩碎石含量控制为50%、60%、70%，对应填料含水率为10.1%、9.2%、8.1%。粉砂质泥岩土石混合料成型过程中分3 层进行，压实度保证不低于95%，每种含石量及成型方式分别设置3 组平行试验[8]。

图1 抗压试件试验设备（来源：作者自摄）

抗压试验轴向力施加采用校内WHY-1000 微机控制压力试验机，仪器规格为1000 kN。试验采用控制应变速度进行加载，加载速率3 mm/min，当加载过程中应力应变曲线达到明显峰值或随着加载的进行应力值变化不明显时停止加载。如果应力应变曲线未出现明显峰值或应力稳定状态时，则将试验进行到轴向应变达20%及以上时结束加载。

随着荷载的逐渐增加，块正面出现第一个裂纹，然后块一侧出现许多小裂纹，侧皮开始裂纹脱落。随后块前部的裂缝逐渐发展和延长，最终破坏了块结构，失去承载能力，保温承重砌块砌体主体部分的损坏更为严重。腔内回收泡沫混凝土保护良好，说明砌块主要由空心体加载。

当泥岩碎石含量为60%和70%时，随着加载的进行，试件顶部开始出现较为明显的裂缝，并逐渐向下延伸，但试件的仍保持较高的完整性，显示出一定的塑性破坏特征。当泥岩碎石含量为50%时，试件中部出现鼓胀，并伴随试件外侧起皮脱落现象，出现较为明显的软塑性破坏特征。试验得到振动压实成型试件的破坏过程的应力应变曲线如图2 所示，试件在振动压实成型时，当泥岩碎石含量分别为50%、60%、70%时，试件的无侧限抗压强度则分别为524、618.3、695.7 kPa。

由图2 可知，泥岩碎石含量与试件的成型方式会对填料的无侧限抗压强度于试件在轴向应力作用下的破坏形式产生不同程度的影响。3 种级配粉砂质泥岩碎石土填料无侧限抗压强度振动压实成型试件所测应力峰值均较大。这是因为振动荷载作用于粉砂质泥岩土石混合料时，混合料的原有内摩擦角会在振动荷载的作用下被破坏，导致试样剪切强度与抗压阻力均减小，所以在振动荷载的作用下试样的密实程度更高，无侧限抗压强度也就越大[9]。砌块的抗压强度超过了预期的强度，这可能是由于其他回收材料的掺入，保温承重气体砌块的后期强度不断加大。由于砌块选择的材料相互匹配，混合均匀，获得了较好的效果。

通过与不同的研究结果获得的实验数据进行比较，检验了保温承重砌体抗压强度的经验表达式（图3）。结果表明，此次研究提出的经验表达式具有较好的拟合性，且始终优于其他经验表达式。块的抗压强度Pc计算公式为：

图3 试验结果对比分析（来源：作者自摄）

式中：N为块破坏载荷；L为块轴承面的长度；B为块轴承面的宽度。

表2 为此次砌体强度试验数据与其他文献试验数据的平均值和方差系数。与其他提出文献相比，此次试验砌体强度的平均值更接近1.00，提出的方程给出的估计标准误差更小。结果表明，与其他研究相比，此次研究中得出的强度变化较小。

表2 此次试验数据与其他文献试验数据的对比结果单位：MPa

3 结语

保温承重砌块砌体作为一种新型的建筑材料，具有相对较好的保温性能和较高的抗压强度。对该材料的抗压强度进行进一步的试验分析和研究，具有重要的理论和实际意义。通过对多个棱柱体砌体进行试验来确定砌块、砂浆抗压强度与砌体抗压强度的简单关系。将已发表文献的经验公式和试验结果进行，证明所提出的抗压强度预测数据与相应的试验数据具有较好的一致性。因此，在实际工程中，需要合理控制玻化微珠的使用量，以确保保温承重砌块承重质量。研究结果对于指导和优化保温承重砌块砌体的设计和施工具有重要的意义。