吳輝琴,吳超,李青,李柱,解小娟,王痛快,劉鵬

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006)

EPS輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊砌體抗剪性能試驗(yàn)研究

吳輝琴,吳超,李青,李柱,解小娟,王痛快,劉鵬

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006)

選擇自制的MU5和MU15可發(fā)性聚苯乙烯(簡(jiǎn)稱EPS)輕質(zhì)、節(jié)能混凝土砌塊與多種級(jí)別的專用砂漿、普通砂漿配合，制作純剪構(gòu)件，開(kāi)展EPS砌塊砌體受剪破壞試驗(yàn)，觀測(cè)砌體受力過(guò)程和變形特點(diǎn)，以此分析EPS混凝土砌塊砌體受剪性能，并通過(guò)分析整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出EPS輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊砌體的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式.為該新材料的推廣使用提供可靠的理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo).

EPS;砌塊砌體;抗剪強(qiáng)度;材料特征系數(shù)

0 引言

節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)是當(dāng)前各項(xiàng)建設(shè)工作的出發(fā)點(diǎn)，發(fā)展輕質(zhì)、節(jié)能、環(huán)保、利廢、高強(qiáng)砌塊是墻材改革的主流方向.聚苯乙烯泡沫(簡(jiǎn)稱EPS)是一種非極性輕質(zhì)憎水性材料，其特點(diǎn)之一就是輕(表觀密度只有12 kg/m3～20 kg/m3)，用于混凝土制作中取代粗、細(xì)骨料可大大降低材料自重;二就是很好的保溫作用，用做外墻材料能保溫隔熱，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo).目前建筑上大量使用的EPS多數(shù)做成整體板，夾在墻體或樓面、屋面中，實(shí)現(xiàn)保溫作用.而用EPS作為混凝土組成成份制作混凝土砌塊未見(jiàn)文獻(xiàn)闡述，關(guān)于EPS混凝土砌塊的力學(xué)性能研究文獻(xiàn)也難以查到.本文資助項(xiàng)目以EPS顆粒為輕骨料，以工業(yè)廢料粉煤灰、礦粉雙摻取代部分水泥，采用特殊工藝，研制出強(qiáng)度等級(jí)為MU5～MU20輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊［1-5］，并對(duì)該砌塊砌體的抗壓性能做了深入研究，提出了抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式和砌體彈性模量、泊松比的建議取值等.在上述研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展EPS砌塊砌體抗剪性能研究，完善EPS輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊砌體力學(xué)性能的設(shè)計(jì)理論，為該新型節(jié)能混凝土砌塊企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制及新材料的推廣應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo).

1 EPS混凝土砌塊砌體受剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

抗剪強(qiáng)度是砌體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要指標(biāo)，砌體單純受剪時(shí)會(huì)發(fā)生剪摩破壞(通縫截面)和剪壓破壞(階梯形截面)2種形態(tài).根據(jù)砌體砌筑特點(diǎn)，通常計(jì)算砌體的抗剪強(qiáng)度，可以忽略豎向灰縫的作用，把砌體單純受剪時(shí)的2種破壞形態(tài)視為等效，以砌體沿通縫截面破壞的抗剪強(qiáng)度作為砌體純剪作用下的抗剪強(qiáng)度［6］.為此，依據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129-2011)［7］設(shè)計(jì)雙剪試件，開(kāi)展砌體受剪破壞試驗(yàn).

1.1.1 EPS砌塊

EPS砌塊是本文資助項(xiàng)目研制的一種新型墻體材料，規(guī)格為240 mm×115 mm×53 mm，同實(shí)心普通標(biāo)準(zhǔn)磚.本文選擇了強(qiáng)度等級(jí)為MU15和MU5的砌塊砌筑標(biāo)準(zhǔn)試件，開(kāi)展抗剪性能的試驗(yàn)研究.實(shí)測(cè)EPS砌塊強(qiáng)度值見(jiàn)表1.

1.1.2 砂漿

砂漿選用普通砂漿和資助項(xiàng)目專設(shè)的EPS砌塊砂漿.普通砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M10，M15，專用砂漿強(qiáng)度等級(jí)為Mb5，Mb10，Mb15，砂漿的實(shí)測(cè)強(qiáng)度見(jiàn)表1.

表1 EPS砌塊砌體抗剪試驗(yàn)材料選擇及試件分組情況Tab.1Situation of material selection and specimen grouping on shear experiments of EPS block masonry

1.1.3 抗剪試件設(shè)計(jì)

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129-2011)，抗剪試件由9塊EPS砌塊構(gòu)成，尺寸為365 mm× 240 mm×180 mm，外形及組合見(jiàn)圖1.標(biāo)示1是砂漿抹面，厚20 mm.試件內(nèi)灰縫厚12 mm，但F～H組件因要分析灰縫厚度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，每組試件設(shè)計(jì)了2種灰縫厚度(12 mm和8 mm).考慮砌體質(zhì)量穩(wěn)定性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性，每組試驗(yàn)設(shè)計(jì)6個(gè)試件，F(xiàn)～H組因設(shè)計(jì)2種灰縫厚，故每組做12個(gè)試件.整個(gè)抗剪試驗(yàn)一共完成66個(gè)試件試驗(yàn).

圖1 抗剪試驗(yàn)試件示意圖Fig.1 Specimen of shear experiments

圖2 抗剪試件、加載裝置與加載方式Fig.2 Specimen,loading equipment and loading method of shear experiments

1.1.4 加載裝置及方案

抗剪試驗(yàn)在廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院的WA-D型200 t微機(jī)屏顯電液萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載裝置見(jiàn)圖2.采用微機(jī)控制液壓加載，加載速度保持連續(xù)均勻，同時(shí)控制加載時(shí)間在1 min～3 min.

1.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

所有的抗剪試件從開(kāi)始加載到破壞，均無(wú)明顯征兆，屬于典型的脆性破壞.破壞發(fā)生在試件豎向粘結(jié)面上，而EPS砌塊保持完好，說(shuō)明砂漿的強(qiáng)度對(duì)EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度起主導(dǎo)作用.破壞類型對(duì)所有EPS砌塊砌體基本相同，有單剪面破壞和雙剪面破壞2種，本次試驗(yàn)雙剪發(fā)生的概率略多些，特別是專用砂漿砌筑的MU15砌塊.試件的破壞形態(tài)見(jiàn)圖3～圖6.

圖3 試件A~B破壞形態(tài)Fig.3Specimen A~B failure mode

圖4 試件C~E破壞形態(tài)Fig.4Specimen C~E failure mode

圖5 試件F~H破壞形態(tài)(灰縫厚度12 mm)Fig.5Specimen F~H failure mode (Mortar joint thickness is 12 mm)

圖6 試件F～H破壞形態(tài)(灰縫厚度8 mm)Fig.6Specimen F~H failure mode (Mortar joint thickness is 8 mm)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能測(cè)定方法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129-2011)，砌體沿通縫截面抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值按fv，1=NF/2A計(jì)算，式中fv，1為通縫截面抗剪強(qiáng)度，NF為砌體純剪極限力，A為砌體一個(gè)剪切面面積.66組試件受剪數(shù)據(jù)及由此計(jì)算出EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度f(wàn)v，1見(jiàn)表2.砌塊受剪破壞時(shí):

1)剪切破壞面發(fā)生在砂漿粘結(jié)面，整個(gè)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有因砌塊強(qiáng)度不足而先破壞的;因此，可以確定砌體抗剪強(qiáng)度與砌塊強(qiáng)度關(guān)系不大;

2)隨著砂漿強(qiáng)度的提高，砌體抗剪強(qiáng)度也增大;專用砂漿試件抗剪強(qiáng)度高于普通砂漿試件，因?yàn)閷Ｓ蒙皾{粘結(jié)性好，能較好發(fā)揮粘結(jié)作用，保證砌體的抗剪強(qiáng)度.對(duì)照試件A與試件G-1、試件B與試件H-1的抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，這一說(shuō)法即可求證;

3)在規(guī)定灰縫厚度范圍內(nèi)，灰縫厚度對(duì)砌體抗剪強(qiáng)度影響不大.因?yàn)樵嚰袅Υ蟛糠肿饔糜谏皾{與砌體間的結(jié)合面，破壞是結(jié)合面的剪切破壞，與厚度關(guān)系不大，對(duì)照試件F-1與F-2，G-1與G-2，H-1與H-2也是吻合的;

表2 EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值Tab.2 Experimental values of shear strength for EPS block masonry

4)砂漿相同，強(qiáng)度等級(jí)低的砌塊砌體比強(qiáng)度等級(jí)高的抗剪強(qiáng)度高，對(duì)照試件C與F，D與G，E與H可得證.分析差異原因主要是兩者間砌塊吸水率不一致引起的.強(qiáng)度高的砌塊EPS含量低，砌塊吸水率也低，反之則相反;因此，砂漿強(qiáng)度相同情況下，強(qiáng)度低的EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度較高，這對(duì)實(shí)際工程中自承重墻體是有利的.

2 EPS混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度計(jì)算

考慮EPS砌塊砌體受剪破壞特點(diǎn)類似普通磚和普通混凝土砌塊砌體，擬定其抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式參照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011)［8］普通混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度計(jì)算式(1)設(shè)計(jì):

式中:fv，m-EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度計(jì)算值;f2-砂漿抗壓強(qiáng)度平均值;k5-砌塊材料特性系數(shù).規(guī)范中普通混凝土磚k5=0.125，蒸壓粉煤灰磚k5=0.09.

1)考慮EPS砌塊成份組成，假設(shè)EPS混凝土砌塊等同普通混凝土磚或蒸壓粉煤灰磚，分別取k5=0.125和k5=0.09代入式(1)，計(jì)算專用砂漿砌筑EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度，記為fv，m1，fv，m2.

2)為統(tǒng)一k5的取值，滿足工程中EPS混凝土砌塊的應(yīng)用，對(duì)上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取規(guī)范式(1)的統(tǒng)一形式，使用最小二乘法將砌塊砌體抗剪強(qiáng)度平均值回歸得到式(2)，按此公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度記為fv，m3.

3)根據(jù)實(shí)測(cè)砂漿強(qiáng)度與EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度平均值數(shù)據(jù)，參閱有關(guān)文獻(xiàn)［9-12］，對(duì)抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步回歸修正，得到EPS混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度修正后的計(jì)算式(3)，按此公式計(jì)算的砌體抗剪強(qiáng)度記為fv，m4.

將式(1)計(jì)算結(jié)果fv，m1，fv，m2和式(2)～式(3)計(jì)算結(jié)果fv,m3，fv,m4和試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果fv，1列于表3分析;同時(shí)將試驗(yàn)值fv，1與公式計(jì)算值fv,m1，fv,m2及fv,m3，fv,m4對(duì)比曲線繪在圖7上.

1)分析表3可以明確:試驗(yàn)值fv，1與計(jì)算值fv,m1(k5=0.125)，fv,m3(k5=0.118)，fv,m4值擬合較好，試驗(yàn)值fv，1與3個(gè)計(jì)算值fv,m1，fv,m3，fv,m4相比的平均值分別為1.083，1.121和1.118，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.119，0.129和0.123;試驗(yàn)值fv，1與計(jì)算值fv,m2(k5=0.09)偏差大，偏差度在24％～57％間，平均值fv，1/fv,m2=1.325，并且是試驗(yàn)值大于計(jì)算值，說(shuō)明fv,m2比較保守，不經(jīng)濟(jì);因此，按式(1)計(jì)算EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度時(shí)，k5=0.09不合適，今后設(shè)計(jì)不采用.

表3 EPS混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較Tab.3 Experimental values compared with calculated values of shear strength for EPS concrete block masonry

2)分析圖7抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值fv，1與幾種抗剪強(qiáng)度計(jì)算值的對(duì)比曲線，試驗(yàn)值fv，1的各點(diǎn)基本都落在fv，m2，fv，m3，fv，m4擬合線上，說(shuō)明按fv，m2，fv，m3，fv，m4計(jì)算強(qiáng)度比較可靠，無(wú)安全隱患.而對(duì)計(jì)算強(qiáng)度f(wàn)v，m1(k5=0.125)而言，試驗(yàn)值fv，1有相當(dāng)部分點(diǎn)落在該曲線的下方，說(shuō)明按fv，m1取值會(huì)有安全隱患;因此，式(1)計(jì)算EPS砌塊砌體抗剪強(qiáng)度k5=0.125不合適.

3)綜合上述分析，考慮與規(guī)范接軌，建議EPS輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式采用式(2)

圖7 抗剪強(qiáng)度擬合曲線Fig.7 The fitting curves of shear strength

3 結(jié)論

1)EPS混凝土砌塊砌體受剪全過(guò)程與普通混凝土砌塊砌體相似，但EPS在砌塊中的含量對(duì)抗剪強(qiáng)度有一定的影響，EPS含量高的砌塊抗剪強(qiáng)度會(huì)高些，這對(duì)自承重砌塊的應(yīng)用來(lái)講是有利的;

3)專用砂漿砌筑的EPS混凝土砌塊砌體抗剪強(qiáng)度較普通砂漿砌筑的高20％左右，且外觀質(zhì)量好，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠.

［1］彭杰，董健苗，吳輝琴，等.礦粉-粉煤灰水泥基材料的試驗(yàn)研制［J］.混凝土，2013，35(5):87-88，92.

［2］陳曉黎，董健苗，吳輝琴，等.EPS改性方法與水泥基材料力學(xué)性能的關(guān)系［J］.混凝土，2013，35(6):13-14，18.

［3］董健苗，畢潔夫，戶相洛.劍麻纖維增強(qiáng)礦粉-粉煤灰水泥基砌塊力學(xué)性能的研究［J］.新型建筑材料，2014，41(2):57-59.

［4］董健苗，戶相洛，曾繁毅，等.聚苯顆粒輕質(zhì)混凝土砌塊的物理力學(xué)性能研究［J］.混凝土，2014，36(2):133-135.

［5］劉鵬，吳輝琴，黃炳珍，等.粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系優(yōu)化設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，25(2):35-39.

［6］施楚賢.砌體結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［7］四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.GB/T 50129-2011砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［8］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50003-2011砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［9］周可可.EPS輕質(zhì)混凝土的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［D］.上海:上海交通大學(xué)，2010.

［10］程從密.EPS輕集料混凝土組成結(jié)構(gòu)與性能研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2013.

［11］趙曉敏，葉燕華，魏威，等.自保溫混凝土砌塊砌體抗壓及抗剪性能試驗(yàn)研究［J］.新型建筑材料，2010，37(11):25-28.

［12］何明勝，王勇，夏多田，等.新型復(fù)合砌塊砌體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2013，43(5):94-98.

Experimental research of shear performance of EPS light weight energy saving concrete block masonry

WU Hui-qin，WU Chao，LI Qing，LI Zhu，XIE Xiao-juan，WANG Tong-kuai，LIU Peng
(School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

Self-made light weight energy saving expandable polystyrene(short for EPS)concrete blocks were selected with strength grades of MU5 and MU15，and coordinated with special mortar and ordinary mortar in various levels.Shear specimens were made to conduct shear failure experiments of EPS concrete block masonry，of which mechanical processes and deformation characteristics were observed to analyze shear performance.And by analyzing and arranging the experimental data，calculation formulas are put forward for shear strength of EPS light weight energy saving concrete block masonry，reliable theoretical and experimental guidance is provided for the promotion and application of this new material.

EPS;block masonry;shear strength;material characteristic coefficient

TU522.3

A

2095-7335(2016)02-0009-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.002

(學(xué)科編輯:黎婭)

2015-12-29

廣西科技廳千億元重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科攻1114016-6);柳州市科技局科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2013B030402);廣西科技大學(xué)科學(xué)基金項(xiàng)目(?？谱?419209)資助.

吳輝琴，教授，研究方向:工程材料與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固理論方法的研究，E-mail:whq6329@163.com.