再生混凝土砌块砌体力学性能试验

朱丽华+戴军+白国良+张锋剑

摘要：通过对再生混凝土砌块砌体的抗压强度和抗剪强度试验，探讨了砌体的破坏过程和破坏形态，并根据试验结果分析了再生混凝土砌块砌体强度与砌块强度和砂浆强度的关系。基于试验数据计算了再生混凝土砌块砌体的强度标准值和设计值。研究结果表明：再生混凝土砌块砌体与普通混凝土砌块砌体的力学性能基本一致，且具有较好的抗压稳定性；普通混凝土砌块砌体的抗压强度和抗剪强度计算公式适用于再生混凝土砌块砌体。

关键词：再生混凝土砌块砌体；力学性能；抗压强度；抗剪强度

中图分类号：TU365文献标志码：A

0引言

将废弃混凝土加工成再生骨料从而生产再生混凝土是发展绿色混凝土的重要方向[1]。再生集料长期服役的积累损伤和破碎时的二次损伤，会造成其材性退化，其中吸水率和压碎指标的上升最为显著。在满足经济性的条件下，很难同时提高再生混凝土的工作性能和力学性能，而且再生混凝土强度的离散性较大，因此再生混凝土制品的应用范围受到了很大制约[2]。梁、柱作为结构主要承重构件，应保持较高的可靠性水平。由于很难了解再生骨料损伤对梁、柱安全性的时间效应，再生混凝土用于梁、柱构件时受到了很大限制[3]。在现有理论和工艺条件下，将再生混凝土砌块砌体作为再生混凝土的主要制品，无疑具有广阔的应用前景[12]。

目前，各国对再生混凝土砌块砌体力学性能的研究还较少。肖建庄等[4]的研究发现，再生混凝土砌块砌体的破坏过程与普通混凝土砌块砌体相似，其抗压强度低于普通混凝土砌块砌体强度。文献[5]，[6]中的研究表明，再生混凝土空心砌块砌体抗剪强度低于普通混凝土砌块砌体抗剪强度，并回归了其抗剪强度的计算公式。本文中笔者采用三排孔再生混凝土砌块，选择合理的砌块强度和砂浆强度组合，研究再生混凝土砌块砌体的力学性能，并为再生混凝土砌块砌体的应用提供了试验基础。

1试验概况

1.1试件设计

试验所用的再生混凝土砌块均为390 mm×240 mm×590 mm三排孔砌块[7]，见图1。该类砌块充分利用废弃材料，A，B类砌块中的再生骨料为破碎的废弃混凝土，再生粗骨料的取代率达到了100%，再生细骨料分别选用取代率为0%和40%制成强度等级MU10和MU7.5的承重砌块；C类砌块中的再生骨料为废弃砖渣，其配合比与B类砌块相同，强度等级为MU5，三排孔再生混凝土砌块强度如表1所示。

再生混凝土砌块砌体按照《砌体基本力学性能

Threerows Blocks砌块类别1平均抗压强度/MPa1最小抗压强度/MPa1强度等级A110.5018.211MU10B17.5316.161MU7.5C15.3114.201MU5试验方法标准》（GBJ 129—90）[8]砌筑，砌体由4块再生混凝土三排孔砌块砌成。砌块砌体抗压试件如图2（a），（b）所示；抗剪试件在抗压试件不同位置处用10 mm厚1∶3水泥砂浆抹面，如图2（c）所示。考虑砌体质量的稳定性和试验数据的离散性，在抗压强度试验中A类砌块每组3个试件，B，C类砌块每组5个试件；在抗剪强度试验中各类砌块每组均为6个试件，共设计93个试件，如表2所示。

再生混凝土砌块砌体的抗压试验在YE200A压力试验机上进行。试件采用分级加载，每级荷载为预估破坏荷载的10%。加载初期，砌体表面未出现裂缝，用于测量变形的机械千分表的读数稳步增长；试件出现第1条裂缝后，砌体进入裂缝发展阶段，其中砌体较窄的侧面陆续出现细微竖向裂缝，较宽的侧面陆续出现竖向裂缝或斜裂缝，千分表的读数大幅度增长；随着荷载的进一步增大，砌体较窄侧面的裂缝逐渐贯通，砌体被分割成几个小柱体，承载力逐渐丧失，最终压溃破坏。

通过观察再生混凝土砌块砌体的破坏形态发现，破坏裂缝主要集中在砌块顶面、两肋连接处，水泥砂浆基本处于完好状态[图3（a），（b）]。可见，再生混凝土砌块对再生混凝土砌块砌体的抗压强度具有显著影响，对砂浆的影响较小。

再生混凝土砌块砌体的抗剪强度试验采用匀速连续加载方式，加载时间控制在1～3 min。砌体由开始加载到破坏，没有明显的征兆，属于典型的脆性破坏。砌体剪切破坏都发生在水泥砂浆面处，砌块保持完好[图3（c），（d）]，可以认为砂浆强度对再生混凝土砌块砌体的抗剪强度起主要作用，且砌体单剪破坏多于双剪破坏。

根据《砌体基本力学性能试验方法标准》（GBJ 129—90），计算出再生混凝土砌块砌体的抗压强度和抗剪强度，结果如表3所示。2试验结果分析

2.1再生混凝土砌块砌体强度

大量研究表明，混凝土砌块砌体的抗压强度随图3再生混凝土砌块砌体破坏形态

Concrete Hollow Block Masonry着砌块强度的提高而增大，而砌体的抗剪强度随着砂浆强度的提高而增大。再生混凝土砌块砌体的材料组分和制作与普通混凝土砌块砌体相似，只是再生混凝土砌块砌体中的再生骨料性能比天然骨料差。根据表3中的数据，绘制出砌块强度、砂浆强度与再生混凝土砌块砌体抗压强度和抗剪强度的关系，如图4所示，由此可以大致分析再生混凝土砌块砌体力学强度与砌块强度和砂浆强度的关系。

由图4（a）可以看出：再生混凝土砌块砌体的抗压强度主要受砌块强度的影响，砌体的抗压强度随着砌块强度的提高而显著增加；不同砂浆强度的组合下，砌块强度对砌体的抗压强度的敏感性相当。由图4（b）可知，再生混凝土砌块砌体抗压强度随着砂浆强度的提高而增大，并且在不同砌块强度组合下，砂浆强度对砌体抗压强度的影响程度也不一样，表3再生混凝土砌块砌体抗压强度和抗剪强度

Hollow Block Masonry and Strengths of Mortar， BlockB类砌块砌体抗压强度对砂浆强度的敏感性明显高于A，C类砌块砌体，这种现象有别于普通混凝土砌块砌体。其原因可能是大掺量再生混凝土骨料制成的再生混凝土砌块强度较低且不稳定，弱化了砌块强度对砌体抗压强度的贡献程度，相对地提高了砂浆强度对砌体抗压强度的作用。

从图4（c）可以看出，砌块强度对于再生混凝土砌块砌体的抗剪强度的影响很小，可以忽略，这种现象和普通混凝土砌块砌体类似。从图4（d）可以看出，再生混凝土砌块砌体的抗剪强度主要受砂浆强度的影响，砂浆强度越大，再生混凝土砌块砌体的抗剪强度越大，即便在不同砌块强度的组合下，砌体的抗剪强度变化幅度基本相同，这说明再生混凝土砌块砌体抗剪强度对砌块强度的敏感性较弱。

图5为再生混凝土砌块砌体抗压试验中初裂荷载和极限荷载的关系，其中，R2为判定系数。从图5可以看出，初裂荷载和极限荷载的相关性很高，随着初裂荷载的提高，砌体的极限荷载几乎均匀提高。也就是说，不管再生混凝土砌块砌体中砌块强度和砂浆强度如何，砌体抗压的初裂荷载和极限荷载的比例基本不变，这与普通混凝土砌块砌体一致[9]，这也说明再生混凝土砌块砌体的抗压性能具有较好的稳定性，可在实际工程中广泛采用。

考虑到C类再生混凝土砌块砌体的强度较低且离散性较大，用于重要性较低的砌体结构更为合理。对于A，B类砌块砌体，有必要进一步研究其力学强度的计算公式。上述分析表明，再生混凝土砌块砌体抗压强度及抗剪强度的发展规律和内在机理与普通混凝土砌块砌体基本一致，故可采用普通混凝土砌块砌体的抗压强度及抗剪强度公式进行计算，其公式为

式中：fm，fv，m分别为砌体抗压强度和抗剪强度计算值；f1，f2分别为砌块和砂浆的抗压强度平均值；α，k1均为不同类型砌体的块材形状、尺寸及砌筑方法等因素的影响系数，对于混凝土砌块，α=0.9，k1=0.46；k2为砂浆强度不同对砌体抗压强度的影响系数，对于混凝土砌块，当f2≠0时，k2=1.0；k5为与砌体种类有关的系数，对于混凝土砌块，k5=0.069。

考虑到本试验再生混凝土砌块的尺寸和普通砌块相同，α仍取0.9；将再生混凝土砌块砌体的强度试验值进行回归分析，得出k1=0.538，高于规范中给出的0.46，文献[10]中也有类似的结果；k5回归的取值为0.079 7，同样高于规范中给出的0.069。考虑再生混凝土砌块砌体强度的离散性，使用规范中的参数取值更偏于安全。按式（1）和式（2）计算的结果如表4所示。

由表4可知，再生混凝土砌块砌体的抗压强度表4再生混凝土砌块砌体的强度试验值和计算值的比较

砌体的抗压强度及抗剪强度公式计算再生混凝土砌块砌体相应的力学强度。3再生混凝土砌块砌体的强度表达

在砌体结构设计中，需要知道材料强度的标准值和设计值。材料强度的概率分布宜采用正态分布，材料强度标准值可按概率分布0.05分位值确定。根据文献[11]，砌体强度服从正态分布，其抗压强度标准值fk可以按下式计算

由此可见，A类砌块砌体的平均变异系数为0.1，B类砌块砌体的平均变异系数为0.21，为了安全考虑，将再生混凝土砌块砌体抗压强度的变异系数取为0.21，见表3。

材料性能设计值是指材料性能标准值除以材料性能分项系数所得的值。砌体的强度设计值f是砌体结构构件按承载能力极限状态设计时所采用的强度代表值，考虑几何参数变异、计算模式不确定性等因素对可靠度的影响，其计算公式为

f=fk1γf（4）

式中：γf为砌体结构的材料性能分项系数，一般情况下宜按施工质量等级为B级考虑，取γf=1.6[12]。

由于再生混凝土砌块采用高吸水率、多孔隙的再生集料，施工质量不易控制，为保证获得可靠的强度设计值，可将γf适当提高，取γf=1.7。再生混凝土砌块砌体抗剪强度的标准值和设计值计算公式同公式（3），（4），抗剪强度的变异系数取为0.19。表5为再生混凝土砌块砌体抗压强度与抗剪强度的标准值及设计值。

（1）再生混凝土砌块砌体在轴压下的破坏形态为砌体窄侧面出现贯通裂缝而被分割成柱体，最终压溃破坏；砌体的受剪破坏为砂浆层被剪坏，为脆性破坏。

（2）再生混凝土砌块砌体的抗压强度主要取决于砌块强度，同时也受砂浆强度的一定影响；砌体的抗剪强度随着砂浆强度的提高而增大，这与普通混凝土砌块砌体基本一致。

（3）再生混凝土砌块砌体抗压试验中的初裂荷载和极限荷载存在较高的相关性，两者之间的比值基本保持不变，使再生混凝土砌块砌体的抗压性能具有较好的稳定性。

（4）C类再生混凝土砌块砌体可用于重要性低的砌体结构；而普通混凝土砌块砌体的抗压强度和抗剪强度计算公式适用于A类和B类再生混凝土砌块砌体。考虑再生混凝土砌块砌体的施工质量，应适当提高其材料性能分项系数；基于试验数据，本文中计算了再生混凝土砌块砌体的强度标准值和设计值。

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