混凝土多孔磚的基本材性和砌體軸心抗壓試驗(yàn)研究

　　摘　要：通過不同孔型的混凝土多孔磚的基本材性和砌體的軸心抗壓對(duì)比試驗(yàn)研究，得出了不同孔型的混凝土多孔磚砌體的破壞特點(diǎn)和力學(xué)性能，同時(shí)揭示出影響混凝土多孔磚砌體力學(xué)性能的因素，為推廣應(yīng)用混凝土多孔磚和制定相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范提供科學(xué)依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：混凝土多孔磚；砌體；軸心抗壓強(qiáng)度；彈性模量；泊松比。

　　1.前言

　　兩千多年“秦磚漢瓦”的使用,導(dǎo)致土地壓力越來越大.有限的資源越來越少（如:每燒制粘土磚1萬塊,需標(biāo)煤1.4t~1.5t）。同時(shí)，大量的SO2和CO2氣體排放，污染了環(huán)境。鑒于此，國家經(jīng)貿(mào)委2001年6月5日發(fā)布550號(hào)文，要求湖北省等10個(gè)省會(huì)城市在2003年6月30日前禁止生產(chǎn)、銷售和使用粘土磚，推廣應(yīng)用新型墻體材料。于是全國各地墻體材料改革方興未艾，其中武漢市墻改辦走在了全國的前面，率先研發(fā)了新型墻體材料——混凝土多孔磚。由于混凝土多孔磚的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)尚屬空白，現(xiàn)行的[文獻(xiàn)4]和[文獻(xiàn)5]均沒有涵蓋此類材料，為此市墻改辦會(huì)同武漢市抗震辦公室、武漢理工大學(xué)等單位進(jìn)行了大量日常工作和試驗(yàn)研究，于2003年7月形成和頒布了在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位的[文獻(xiàn)6]，本文介紹其中的部分試驗(yàn)研究工作：A、B型混凝土多孔磚的基本材性試驗(yàn)和砌體的軸心抗壓試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)兩種不同孔型的混凝土多孔磚的基本材性和砌體力學(xué)性能。作為一種新的墻體材料，研究其代替粘土普通磚和粘土多孔磚的可能性，使這種混凝土多孔磚得以推廣應(yīng)用，以便獲得更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　2.試驗(yàn)材料及試件制作

　　2.1試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)用磚按孔型分為A、B型磚。其中A型磚為兩排六孔（四大孔、兩小孔）排列形式，B型磚為雙排八小孔排列形式，單磚尺寸均為240mm×ll5mm×90mm（長×寬×厚），強(qiáng)度等級(jí)均為MUl0。試驗(yàn)用砂為中粗砂，水泥為同一批號(hào)的P.O 32.5R普通硅酸鹽水泥，砌筑用砂漿為混合砂漿，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為M10。

　　2.2試件制作

　　用A、B型混凝土多孔磚砌筑軸心抗壓砌體兩組，每組6件，共12件，試件尺寸為240mm×370mm×720mm。為了消除試驗(yàn)室與施工現(xiàn)場(chǎng)的差異，中等技術(shù)水平的工人來自于施工現(xiàn)場(chǎng)；為了減少砌筑水平及砂漿拌和帶來的質(zhì)量差異，試件均采用流水作業(yè)方式進(jìn)行砌筑，如此循環(huán)，直到所有試件砌筑完畢。試件均采用同一盤砂漿砌筑，且在3~4h內(nèi)用完。試件成型后，在其頂部加壓兩皮同種類型的混凝土多孔磚，養(yǎng)護(hù)28d后陸續(xù)試驗(yàn)。砌筑用的每盤砂漿以混凝土多孔磚為底模，制作足夠數(shù)量的砂漿試塊與試件同等條件澆水養(yǎng)護(hù)。

　　砌體試件的尺寸和制作按[文獻(xiàn)1]的要求進(jìn)行；砂漿試塊的留取及試驗(yàn)方法按[文獻(xiàn)2]的要求進(jìn)行。

　　3.試驗(yàn)方法

　　混凝土多孔磚砌體抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比的試驗(yàn)方法按[文獻(xiàn)1]的要求進(jìn)行。

　　軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比試驗(yàn)在5000kN長柱試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在進(jìn)行砌體抗壓強(qiáng)試驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行砌體彈性模量和泊松比的測(cè)試。砌體軸向變形值采用安裝在試件兩寬側(cè)面上的千分表測(cè)得，測(cè)量標(biāo)距為250mm；橫向變形值采用安裝在試件寬側(cè)面上的千分表測(cè)得，測(cè)量標(biāo)距為200mm。試驗(yàn)時(shí)，將試件的承壓面墊平并幾何對(duì)中，安裝儀表。在預(yù)計(jì)破壞荷載的5%~20%內(nèi)反復(fù)預(yù)壓3~5次，使兩次大面的軸向變形之差小于10%。試壓正常后正式加載，加載等級(jí)為預(yù)計(jì)破壞荷載的10%，每級(jí)荷載加荷時(shí)間約為l~1.5min，恒載約1min讀表和觀察裂縫。當(dāng)試件臨近破壞時(shí)，拆出儀表，試件按前一級(jí)加荷速度加至破壞。

　　4.混凝土多孔磚基本材性試驗(yàn)

　　A型和B型混凝土多孔磚的基本材性按[文獻(xiàn)4]中的指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，其結(jié)果見表1~3。

　　表1 A型混凝土多孔磚基本材性檢驗(yàn)結(jié)果
檢驗(yàn)項(xiàng)目 標(biāo)準(zhǔn)要求 樣本檢驗(yàn)結(jié)果 單項(xiàng)評(píng)定 備注
一、尺寸偏差外觀質(zhì)量 尺寸偏差外觀質(zhì)量 符合標(biāo)準(zhǔn)中表1合格品的要求，樣本數(shù)量50塊，一次抽樣d1≤5, 5＜d2＜9時(shí)再次抽樣，（d1+ d2）≤12 1塊不合格 合格 d1、d2為樣品中不合格塊數(shù)
孔洞率 ≥25% 44.1%
二、強(qiáng)度等級(jí) 抗壓強(qiáng)度平均值 ≥10.0Mpa 11.7 Mpa MU10合格 變異系數(shù)δ=0.10
抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 ≥6.5 Mpa 9.6 Mpa
三、體積密度 平均值 ≤1600kg/m3 1127 kg/m3 合格
四、吸水率 平均值 ≤18% 12.3% 合格
五、干燥收縮率（合格品） 平均值 ≤0.75mm/m 0.54 mm/m 合格
六、軟化系數(shù) ＞0.80 1.00 合格
七、碳化系數(shù) Kc＞0.80 1.00 合格
八、泛霜（合格品） 不允許出現(xiàn)中等泛霜 無 合格
九、抗凍性（MU10） 1、抗壓強(qiáng)度 平均值 ≥8.0 Mpa 11.2 Mpa 合格

　　2、干質(zhì)量損失 單塊值 ≤2.0% 0.3~0.9% 合格

　　說明：1、變異凍系數(shù)δ≤0.21時(shí),被抗壓強(qiáng)度平均值、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值指標(biāo)評(píng)定磚的強(qiáng)度等級(jí)；
變異凍系數(shù)δ＞0.21時(shí),被抗壓強(qiáng)度平均值、單塊最小抗壓強(qiáng)度值指標(biāo)評(píng)定強(qiáng)度等級(jí)

　　2、表中“標(biāo)準(zhǔn)要求”按湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)——混凝土多孔磚（DB42/T222——2002）執(zhí)行。

　　表2A A型混凝土多孔磚放射性檢驗(yàn)結(jié)果
檢驗(yàn)項(xiàng)目 標(biāo)準(zhǔn)要求 樣本檢驗(yàn)結(jié)果 單項(xiàng)評(píng)定 備注
一、放射性 內(nèi)照射指數(shù) CRa/200≤1.0 0.1 合格
外照射指數(shù) CRa/370+CRh/260+ Ck/4200≤1.0 0.3

　　說明：表中“標(biāo)準(zhǔn)要求”按國家標(biāo)準(zhǔn)：建筑材料放射性核素限量標(biāo)準(zhǔn)（GB6566——2001）執(zhí)行

　　表3 B型混凝土多孔磚基本材性檢驗(yàn)結(jié)果
檢驗(yàn)項(xiàng)目 標(biāo)準(zhǔn)要求 樣本檢驗(yàn)結(jié)果 單項(xiàng)評(píng)定 備注
一、尺寸偏差外觀質(zhì)量 尺寸偏差外觀質(zhì)量 符合標(biāo)準(zhǔn)中表1合格品的要求，樣本數(shù)量50塊，一次抽樣d1≤5, 5＜d2＜9時(shí)再次抽樣，（d1+ d2）≤12 1塊不合格 合格 d1、d2為樣品中不合格塊數(shù)
孔洞率 ≥25% 32.6%
二、強(qiáng)度等級(jí) 抗壓強(qiáng)度平均值 ≥10.0Mpa 11.9 Mpa MU10合格 變異系數(shù)δ=0.17
抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 ≥6.5 Mpa 8.4Mpa
三、體積密度 平均值 ≤1600kg/m3 1433 kg/m3 合格
四、吸水率 平均值 ≤18% 10.1% 合格
五、干燥收縮率(合格品) 平均值 ≤0.75mm/m 0.43 mm/m 合格
六、軟化系數(shù) ＞0.80 1.00 1.00
七、碳化系數(shù) Kc＞0.80 1.00 合格
八、泛霜（合格品） 不允許出現(xiàn)中等泛霜 無 合格
九、抗凍性（MU10） 1、抗壓強(qiáng)度 平均值 ≥8.0 Mpa 11.3Mpa 合格

　　2、干質(zhì)量損失 單塊值 ≤2.0% 0.0~0.3% 合格

　　說明：1、變異系數(shù)δ≤0.21時(shí)，被抗壓強(qiáng)度平均值、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值指標(biāo)評(píng)定磚的強(qiáng)度等級(jí)；
變異系數(shù)δ＞0.21時(shí)，被抗壓強(qiáng)度平均值、單塊最小抗壓強(qiáng)度值指標(biāo)評(píng)定強(qiáng)度等級(jí)。

　　2、表中“標(biāo)準(zhǔn)要求”按湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)——混凝土多磚（DB42/T222——2002）執(zhí)行。

　　從表1~3看出：A、B型混凝土多孔磚的各項(xiàng)指標(biāo)滿足[文獻(xiàn)3]和建筑材料放射核素限量標(biāo)準(zhǔn)（GB6566—2001）的規(guī)定，并與上海、浙江等地的規(guī)定和試驗(yàn)結(jié)果一致。

　　5.混凝土多孔磚砌體軸心抗壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　5.1破壞特征

　　混凝土多孔磚砌體的抗壓破壞模式大體上同普通粘土磚砌體，但同時(shí)也有其不同之處。試件在極限荷載的62%~88%左右時(shí)（平均為76%），首先在承壓面一皮磚高度范圍內(nèi)出現(xiàn)首批裂縫；當(dāng)荷載接近于極限荷載時(shí)，豎向裂縫急劇擴(kuò)展和增多，分布在四個(gè)側(cè)面上，并形成通縫，最后使砌體分離獨(dú)立小磚柱而導(dǎo)致試件破壞。試件破壞時(shí)，在窄面一般只有一條主裂縫，小裂縫較少；寬面上一般不止一條主裂縫，小裂縫分布也較多。部分砌體破壞時(shí)的裂縫展開圖如圖1~2，試驗(yàn)結(jié)果見表4，不同之處在于：
（1）混凝土多孔磚破壞時(shí)有劈裂、剝落現(xiàn)象較嚴(yán)重；
（2）開裂荷載出現(xiàn)較晚，即開裂荷載與極限荷載之間安全儲(chǔ)備較少；
（3）裂縫在接近極限荷載時(shí)急劇擴(kuò)展和增多，且發(fā)展時(shí)間很短；
（4）砌體最后被分離成獨(dú)立小磚柱而破壞時(shí)，試件有較突出的外鼓現(xiàn)象。上述幾個(gè)方面較普通粘土磚有更顯著特點(diǎn)，值得在生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)注意。

　　5.2軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

　　表4 混凝土多孔磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
砌體類型 f1(Mpa) f2(Mpa) 試件數(shù)量（件） 抗壓強(qiáng)度 規(guī)范計(jì)算f (Mpa) f f
f (Mpa) δ
A型磚 10 9.6 9 4.2 0.09 4.1 1.02
B型磚 10 9.6 9 5.5 0.13 4.1 1.34

　　表4結(jié)果表明：

　?。?）A型和B型混凝土多孔磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值分別比[文獻(xiàn)4]的計(jì)算值高出2%和34%，且實(shí)測(cè)變異系數(shù)分別為0.09和0.13，小于[文獻(xiàn)5]的給出值0.17。根據(jù)[文獻(xiàn)4]，普通粘土磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度平均值（表中規(guī)范計(jì)算值）按下式計(jì)算：
fm=0.78 （1+0.07f2）
式中f1為塊體抗壓強(qiáng)度平均值；f2為砂漿抗壓強(qiáng)度平均值。

　?。?）B型混凝土多孔磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值比A型磚砌體試驗(yàn)值高出31%。

　　初步分析此原因?yàn)椋旱谝?，兩種混凝土多孔磚的孔型、孔洞率等不同；第二，生產(chǎn)過程中的質(zhì)量及原材料配比等不同。從破碎的磚體看，A型混凝土多孔磚內(nèi)有較大顆粒的骨料。過多粉煤灰的摻和及不適當(dāng)骨料級(jí)配是否是造成A型混凝土多孔磚比B型混凝土多孔磚砌體抗壓強(qiáng)度和彈性模量低的原因，有待進(jìn)一步研究。

　　5.3建議

　　（1）優(yōu)化孔型設(shè)計(jì)，孔型大小、排列方式等有利于提高砌體的抗壓強(qiáng)度；
　?。?）承重用磚必須適當(dāng)控制空洞率。過大的空洞率將導(dǎo)致磚砌體抗壓強(qiáng)度降低，導(dǎo)致砌體的劈裂、剝落現(xiàn)象嚴(yán)重和脆性表現(xiàn)更明顯。根據(jù)KP1和DM模數(shù)多孔磚等成熟經(jīng)驗(yàn)，空洞率最好控制在30%以內(nèi)。
　?。?）控制原材料質(zhì)量和配比，加強(qiáng)生產(chǎn)質(zhì)量管理和監(jiān)督。對(duì)于粉煤灰的摻和量以及粗、細(xì)骨料的級(jí)配要合理控制。

（作者單位：武漢理工大學(xué)、武漢市墻改辦、武漢土木建筑學(xué)會(huì)）