基金项目:国家科技支撑课题合作单位项目(2012BAJ19B04-02); 陕西省社发重点项目(2015KTZDSF03-05-01)
通讯作者:刘 亚(1990- ),男,江苏徐州人,硕士,E-mail:786129799@qq.com
西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055
(Department of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China)
sintered hollow fly-ash brick masonry; compressive property; joint shear strength; shear-compression composite performance; stress-strain relation
DOI: 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0610
为研究粉煤灰烧结保温砖砌体抗压、通缝抗剪、剪-压复合受力3方面性能,采用试验和理论计算的方法,对砌块砌体进行试验研究,得出相应的抗压强度标准值和设计值的建议取值; 在对应力—应变实测曲线回归分析的基础上,得出粉煤灰烧结保温砖砌体应力—应变曲线的函数表达式,并给出弹性模量和泊松比的实测值; 得出粉煤灰烧结保温砖砌体通缝抗剪强度的平均值和计算式; 得出粉煤灰烧结保温砖砌体剪压复合受力抗剪强度平均值的建议计算式; 掌握了该型砌体的主要破坏特征,并为后续研究及该类型砌体的推广应用提供基本的力学性能参数。
In order to study the properties of the three aspects of the compressive property,the joint shear strength and the performance under shear-compression loading of the sintered hollow fly-ash brickwork,the method of experiment and theoretical calculation is adopted to conduct experimental study on the masonry.The proposed characteristic value and design value is calculated.On the basis of the experimental data,the expression of stress-strain relationship of sintered hollow fly-ash brick masonry is put forward.The modulus of elasticity and the recommended value of the Poisson's ratio of this type of fly-ash brick masonry are given.The average value of shear strength of sintered hollow fly-ash brick masonry is obtained.The shear-compression composite strength formula for the average value of the sintered hollow fly-ash brick masonry are derived.Explore its main failure characteristics and provide basic mechanics property parameters for further study,popularization and application.
工业的发展造成了全球性的能源危机,建筑领域“可持续发展”的倡导,使节能建筑越来越引起建筑设计师的重视[1]。中国燃煤电厂每年排放的粉煤灰总量约为3亿吨且随着电力需求的增加而逐年增加[2],粉煤灰的综合利用已成为经济建设中缓解经济、能源需求增长和环境污染之间矛盾的重要经济政策和技术手段,然而中国粉煤灰的综合利用率不足30%,远小于国外发达国家水平,因此提高粉煤灰的综合利用响应了“可持续发展”在建筑领域的倡导。
在建材领域,粉煤灰空心保温砖等新型墙体材料是粉煤灰再利用的重要研究方向之一,由于粉煤灰的活性较低,大量添加会降低其强度[3],因此强度是否能满足强度要求是推广粉煤灰砖的关键。国内对粉煤灰保温砖的研究已有一些重要成果,文献[4]研究了块材湿度对抗压抗剪强度的影响; 文献[5]对KP1型烧结粉煤灰多孔砖的剪-压复合单剪、双剪破坏特征等作了研究; 文献[6]研究了免蒸压免烧结粉煤灰多孔砖砌体的基本力学性能。虽然国内对粉煤灰保温砖的研究已有一定的成果,但烧结粉煤灰砖的推广应用还需要进一步研究其基本力学性能。
文中主要针对粉煤灰烧结保温砖砌体的基本力学性能展开试验研究,分析粉煤灰砌块砌体受压、受剪及剪-压复合的破坏过程和破坏特征,建立相应的建议公式,为粉煤灰烧结保温砖的推广和应用提供试验和理论依据。
本次块材抗压试验所采用粉煤灰烧结保温砖的原料为粉煤灰、石粉污泥、淤泥和工程废土按照7:7:7:9的比例由大胜窑业有限公司生产。砖尺寸为:长×宽×高=240 mm×180 mm×90 mm,孔洞率为32%,设计强度等级为MU3.5,砌块产品质量符合《烧结保温砖和保温砌块》[7]的规定。按照《砌墙砖试验方法》[8]的要求,从制作砌体试件的备用砖中随机选取10块进行砌块抗压试验,测得砌块强度平均值为3.95 MPa达到MU3.5.
水泥采用标号为325的矿渣硅酸盐水泥,砂浆试验依据《建筑砂浆基本力学性能试验方法标准》[9]的规定,以试件实测值的算术平均值的1.3倍作为试件的砂浆立方体抗压强度平均值,测得该砂浆抗压强度平均值为5.4 MPa达到M5.
依据《砌体基本力学性能试验方法标准》[10]对试件高厚比、截面尺寸的相关规定,试验设计尺寸为:b×t×h=430 mm×370 mm×1 390 mm,设计制作了9个粉煤灰烧结保温砖砌体轴心受压试件,编为KY-1~9.
抗剪及剪压复合试件的设计尺寸为b×t×h=430 mm×370 mm×290 mm,采用三皮砌块组成的抗剪试件,试验设计制作10个抗剪试件,分别编为KJ1~10.考虑到本次试验中粉煤灰烧结保温砖砌体的抗压强度均值不大,由于砌体轴压比较小,为研究粉煤灰烧结保温砖砌体在不同压应力下的抗剪性能及变化规律,根据不同压应力的分级,将试件划分为3组,设计压应力分别为0.1,0.2,0.3 MPa,每组6个,共18个剪-压复合受力试件,分别编为JY1-1~6,JY2-1~6,JY3-1~6.
粉煤灰烧结保温砖砌体的抗压试验现象反映出,从加载之初到丧失承载能力,试件的破坏过程可划分为弹性、弹塑性和破坏阶段。受压砌体从开始加载至破坏荷载的50%左右时,试件处于弹性受力阶段,竖向千分表读数增长稳定,近似线性增长,稳荷时千分表读数基本保持不变; 荷载继续增加至破坏荷载的80%左右时,裂缝不断增多变宽,千分表读数增大幅度逐步变大,稳荷时千分表指针仍缓慢移动,试件中部以上表面通常会有砖表皮的外鼓剥落现象发生,试件处于弹塑性阶段; 继续加载,试件表面很少有新裂缝出现,已有裂缝充分发展,千分表已不能准确读数,拆除千分表继续加载直至破坏,试件处于破坏阶段。
综合各个试件的破坏全过程:抗压试件上部1/3区域的砖相比于底层砖破坏严重。个别试件中,由于试件与仪器接触面的摩擦作用,顶部(或底部)砖的裂缝较多且在上部形成“倒八”(或八)型裂缝,最终破坏时在近中部处交汇,与中部竖缝连接贯通,如图1(a)所示。也有个别试件,在弹塑性阶段时,由于局部砖被率先压坏,导致应力重分布,强度和贯穿裂隙条数之间呈幂指数衰减关系[12],主要裂缝沿试件对角方向发展贯通,最后引起偏心受压破坏,如图1(b)所示; 典型地,主裂缝往往沿着竖向,在试件立面的中竖线附近出现并发展,最终将试件劈开,很好地吻合了受压破坏的理论特征,如图1(c)所示。整个破坏过程中,由于砖的孔壁厚薄不一,受力和变形不均匀等,在较大压力作用下引起试件表面有外鼓弹出现象出现。试验数据见表1.
2.2 砌体抗剪试验 试件在加载初期,随荷载增加,砂浆层与砖的粘结处首先能观察到微小的开裂或滑移; 当荷载增大到更大值时,灰缝及砌体表面并未出现更多的试验现象; 当荷载达到最终破坏荷载时,试件受剪面的灰缝粘结面会突然开裂并丧失承载能力而破坏,破坏前试件表明没有呈现明显的征兆。试验中的10个试件发生了7个双剪破坏和3个单剪破坏,破坏面均发生在砖与砂浆的粘结面上; 抗剪试验中典型单剪破坏形态及破坏时的砂浆层表面与砂浆层上侧砖底面如图2所示。试验中抗剪试件最终破坏时大部分为砂浆层与上一层砖底面剥离破坏,仅有少数试件砂浆层边角局部为砂浆层被破坏。试件砌筑时,砂浆在砖孔洞处形成了有一定抗剪强度的砂浆销键,在加载过程中被剪断; 试件中局部砖的孔壁有缺陷或较薄,加载后出现破坏现象,这是因为在销键挤压试件孔壁而使其形成应力集中,最终造成孔壁破坏,试验结果见表2.
根据试验现象,剪压复合受力试件的破坏形态变化分为3个阶段:剪摩破坏、剪压破坏和局压破坏阶段。当轴压力为0.1 MPa时视为剪摩破坏,如图3(a)所示,这种破坏主要是沿砂浆灰缝面产生的破坏,砌体内的销键也沿灰缝被剪断,此时的破坏现象近似通缝抗剪破坏。当轴压力为0.2 MPa时,在砂浆强度较大,灰缝较饱满的情况下,试件通常会发生剪压破坏,如图3(b)所示,表现为试件表面产生八字形裂缝。当轴向压应力为0.3 MPa时,试件表面没有呈现出明显的斜压破坏特征,而是带有局部破坏特征的剪压破坏,如图3(c)所示,表现为破坏现象集中发生在试件剪力施加面附近,在中间砖相对两侧砖出现较短滑移之后,剪力施加面下方出现裂缝时砖即突然被压塌压碎,破坏呈现出明显的脆性。试验结果见表3.
表3 烧结页岩保温砌块剪-压复合抗剪强度试验值
Tab.3 Shear-pressure composite shear strength of sintered hollow fly-ash brick masonry
《砌体结构设计规范》(GB5003-2011)[13]给出的砌体轴心抗压强度平均值计算公式
fm=k1fα1(1+0.07f2)k2.(1)
式中 fm为砌体轴心抗压强度的平均值,MPa; k1为与块体种类有关的参数; k2为与砂浆强度有关的参数,k2=1; f1为块体的抗压强度平均值,MPa; f2为砂浆抗压强度平均值,MPa; α为与块体高度及砌体类别有关的参数。
文中借鉴规范所给公式,将试验实测结果平均值与现行规范公式(3-1)得出的值 fm1 进行对比:按照烧结多孔砖取值α=0.5,k1=0.78,k2=1.0,即依据公式(3-2)算得fm1 =2.03 MPa,该值与试验所得均值 fm=2.02 MPa十分接近。故文中建议采用规范规范所给公式作为粉煤灰烧结保温砖砌体抗压强度平均值的建议式。
fm=0.78f0.51(1+0.07f2).(2)
由于在荷载加至破坏荷载的80%左右时需要卸去千分表,因而不能采集到试件破坏时的峰值应变0读数,更难以得到下降段数据。故文中在此根据测得的各试件0到0.8倍破坏荷载对应的变形数据分析应力—应变曲线上升段。根据试验结果给出烧结页岩保温砌块KY-1~KY-10试件归一化的应力-应变曲线如图4所示,σ0.8为为粉煤灰烧结保温砖砌体0.8倍峰值应力,其中ε0.8为为其对应的应变。
根据文献[14]提出的砌体抛物线型本构关系模型,对粉煤灰烧结保温砖砌体应力-应变曲线进行拟合
σ/(σ0)=Aε/(ε0)+B(ε/(ε0))2,(3)
式中 σ为压应力; ε为压应变; A,B为待定参数。对试验数据进行拟合,得出A=1.61,B=-0.61,这与文献[15]中21排孔薄灰缝砌体受压应力-应变曲线接近,即
σ/(σ0)=1.61ε/(ε0)-0.61(ε/(ε0))2. (4)
实测各点与按(4)拟合曲线作对比,如图5所示。由图5可以看出,由式(4)绘制的曲线与各个试件经归一化后的受压应力—应变曲线上的各点吻合较好,故文中建议采用式(4)作为粉煤灰烧结保温砖砌体应力—应变关系表达式。
根据规范中烧结普通砖的弹性模量与泊松比的计算方法,计算弹性模量和泊松比,与试验值进行比较,见表4,由于试件KY-2中横向千分表出现故障,故在平均值计算时将该试件泊松比测值剔除。从表4可以看出,本次试验所测得泊松比实测值是现行砌体规范规定的烧结普通砖砌体泊松比值的0.87倍,两者比较接近。
根据文献[13],砌体沿通缝抗剪强度平均值计算公式为
fv,m=k5(f2)1/2,(5)
式中 fv,m为砌体抗剪强度平均值; k5为与砌体种类有关的系数。根据试验结果对k5进回归分析,取k5=0.058,则文中对该砌体的抗剪强度建议公式为
fv,m=0.058(f2)1/2.(6)
表5给出了按照烧结普通砖、烧结多孔砖计算的抗剪强度平均值。其中fv1代表按烧结普通砖、烧结多孔砖计算值; fv,m为本次实测值。由表5可以看出,规范计算值比试验值偏大,这是由于本次所试验的粉煤灰烧结保温砖孔洞率较高,且孔洞较大,一方面导致净粘结面积较小,砂浆粘结力不足,另一方面由于孔洞过大,砌体内部形成的砂浆销键并不能紧密挤占孔洞而充分发挥作用,且销键形成时影响了灰缝砂浆的饱满度,所以使得其试验值偏小。
粉煤灰烧结保温砌体的剪-压复合受力试验,轴压力增大时使砖与砂浆之间的摩擦力增强,砌块与砂浆共同作用时,砂浆的变形对砌块产生较大拉应力,砌体的抗剪强度因轴向压力的存在而增强,并且在一定范围内随着轴压力的增大而增大。骆万康等[16]提出了剪压复合作用下的砌体抗剪强度建议公式,经文中试验值回归的公式(7)。
(fv,m)/(fm)=0.125+0.265(σ0)/(fm)-0.281((σ0)/(fm))2.(7)
fv,m为剪压复合受力下砌体的抗剪强度平均值; fm为砖砌体抗压强度平均值; σ0为压应力。按照其建议公式(7)计算本次试验的抗剪强度并与试验值作对比得到表6的数据,由表6可知按照公式(7)计算的结果与试验结果较为接近,因此文中取公式(7)作为建议公式。由于本次粉煤灰烧结保温砖砌体剪压复合抗剪强度试验的数据量较少,其准确性还有待后续研究进行验证。
1)通过抗压性能试验,发现该型砌体受压破坏时呈现明显脆性,并得出了烧结粉煤灰保温砖抗压强度平均值; 将现行《砌体结构设计规范》给出的烧结普通砖抗压强度均值公式作为建议公式;
2)通过实测数据绘制了粉煤灰烧结保温砖砌体的应力-应变曲线,采用抛物线型曲线模型回归得到了应力—应变曲线表达式; 给出了粉煤灰烧结保温砖砌体弹性模量及泊松比实测值;
3)本次抗剪强度试验值比规范提供的计算公式算得抗剪强度值小; 得出了粉煤灰烧结保温砖砌体的抗剪强度平均值的建议计算式;
4)剪-压复合受力试件破坏形态分为剪摩破坏、剪压破坏和局压破坏3类; 根据试验数据,给出剪压复合受力状态的抗剪强度建议公式。