矩形孔烧结页岩砖砌体抗压强度及弹性模量研究

黄榜彪，赖 骏，朱基珍，武卫峰，吴元昌，盛 琪，卢 强，刘 阳

(1.广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州545006;2.华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉430074)

目前，《“十二五”墙体材料革新指导意见》中提出了墙体的发展新目标，到2015 年，全国50%以上的县城实现“禁实”、30%以上城市实现“限粘”。在此背景下，砌体结构正处于改革发展之中，尤其在替换传统实心粘土砖方面，各种墙体材料推陈出新，发展迅猛。页岩多孔砖因其高强度、节能、环保等优点，在我国砌体结构中广泛使用。传统实心烧结粘土砖在原材料、生产工艺上与矩形孔烧结页岩砖不同，故两者抗压强度是否有异，本文将对这一问题进行研究。

矩形孔烧结页岩砖砌体的抗压强度及其弹性模量是砌体结构基本指标，是砌体结构进行变形计算、动力分析和有限元模拟的重要参数［1］，其取值大小直接影响到砌体结构建筑物的经济性与安全性。但国内外对新生产的矩形孔烧结页岩多孔砖进行专门研究甚少，其砌体基本力学性能试验研究尚刚刚起步［2-9］。本试验在广西科技大学轻质烧结页岩砖课题组有关实验研究［10-14］基础上，进一步研究矩形孔烧结页岩砖砌体的抗压强度及弹性模量。

1 试 验

1.1 试验用砖

试验选用的矩形孔烧结页岩砖由古灵二页岩砖厂生产制备，其规格尺寸为240 mm×115 mm×90 mm，实际尺寸偏差±2 mm，孔洞率为28.48%，砖型见图1(a);试验用传统烧结粘土砖规格尺寸为240 mm×115 mm×53 mm，砖型见图1(b)，用于与矩形孔烧结页岩砖砌体进行对比分析。

图1 试验用的两种砖型Fig.1 Two kinds of brick type used in the experiment

每种砖型各随机抽取10 块进行单砖抗压强度试验，实测值见表1。

表1 试验用砖的抗压强度值Tab.1 Measured value of the compressive strength for bricks

1.2 试验砂浆

砂浆的强度等级对于矩形孔烧结页岩砖砌体的抗压强度有着显著的影响。本次试验采用设计强度为M7.5、M10、M15 共3 种强度等级水泥混合砂浆。按照规范要求，严格控制材料用量配比制作，并分3 组，每组为6 件，将砂浆试件和轴压矩形孔烧结页岩砖砌体试件一同放置于同一室温下进行养护28 d。

1.3 抗压试件

矩形孔烧结页岩多孔砖和烧结粘土砖分别与3 种上述强度砂浆进行组合，总共6 种组合，每组3 个试件，总计18 个试件，各组试件中各选1 个去进行弹性模量试验。矩形孔烧结页岩砖砌体尺寸为365 mm×240 mm×710 mm(长×厚×高)，砌筑时砌体底部垫约10 mm 厚找平刚性钢板，砌体上下均用10 mm厚水泥砂浆找平。烧结粘土砖砌体试件由12 皮砖砌筑而成，尺寸为365 mm×240 mm×710 mm(长×厚×高)，砌筑时砌体底部垫约10 mm 厚找平刚性钢板，砌体上下均用10 mm 厚水泥砂浆找平。

1.4 试验方案

1.4.1 试验装置布置

为防止砌体试件上下两承压面与试验机压力板由于砌筑原因导致的不平整而影响试验结果，分别在试件上下两面添加50 mm 厚找平钢板，并且在钢板与砌体试件之间垫上1 层约5 mm 厚细砂，使得整个试验构件之间密实。最后，将试件与装置进行几何对中。

根据现有试验条件进行测点的布置，测点装置布置如图2 所示。

图2 测点装置布置Fig.2 Plant arrangement of measuring points

1.4.2 加载制度

矩形孔烧结页岩砖砌体轴压试验在200 T 精密液压伺服压力试验机内进行。初始加载采用荷载分级均匀加载方式，每级预估破坏荷载为10%，在1 ～1.5 min 内均匀逐渐加载完毕，恒载1 ～2 min 之后施加下一级荷载，在施加荷载时不得冲击试件。加载到达预估破坏荷载值约80%之时卸下百分表，继续加载至试件破坏。

整个试验过程中，详细记录好每个试件的开裂荷载、极限荷载以及百分表读数，注意观察砖砌体裂缝发展状态。

3 试验结果与分析

3.1 试验现象

3.1.1 矩形孔烧结页岩砖砌体试件破坏过程

试件出现第一批初裂缝、裂缝贯通与试件的破坏如图3 所示，试件破坏过程大致可以分为以下3 个阶段。

第一阶段:试件基本处于弹性受力状态阶段，目标荷载约为极限荷载40%～60%。从试件开始受压到单砖内出现竖向发丝裂缝，一般在单块砖强度较低的地方或在不太饱满的竖向灰缝出现第一批裂缝稍微增长、变宽，如图3(a)所示。在此阶段中，如果荷载不增加，位移计数器读数保持不变。

第二阶段:当荷载增加到极限荷载80%～90%时，第一批发丝裂缝逐渐发展，并且沿着竖向通过临近砖，逐渐形成一段段连续裂缝，如图3(b)所示。这表明砖砌体已进入弹塑性受力阶段。此时即使不增加荷载，裂缝也继续发展，位移计数器读数增大速率较快。在实际工程中，若产生如此裂缝可认为该砌体已经接近破坏，已是结构处于危险状态的情况。

第三阶段:裂缝基本贯通整个试件，个别砖甚至被压碎，多孔砖砌体顶部砖出现脱皮、外鼓，并伴随局部掉块，然而实心砖没有出现这种现象。最终试件被裂缝分割成若干独立小柱体，此时试件完全丧失承载力而破坏，如图3(c)所示。

图3 矩形孔页岩砖砌体破坏阶段Fig.3 Rectangular hole sinter shale brick masonry failure stage

3.1.2 普通烧结粘土砖砌体试件破坏过程

普通烧结粘土砖砌体破坏过程与矩形孔烧结页岩砖砌体破坏过程大概一致，但矩形孔烧结页岩砖砌体第一批裂缝出现时间较普通烧结粘土砖砌体裂缝出现时间晚，弹性形变时间更长，裂缝较之更大。可以看出，矩形孔烧结页岩砖砌体相对于普通烧结粘土砖砌体表现出更明显的脆性特征。

3.2 矩形孔烧结页岩砖砌体抗压试验结果及公式表达

表3 给出了矩形孔烧结页岩砖砌体抗压强度实验数据。试验结果表明，砂浆强度对砌体抗压强度影响较大。根据《砌体结构设计规范》GB500003-2011，砌体抗压强度平均值fm计算公式为:

式(1)中，f1为试件抗压强度平均值(MPa);f2为砂浆抗压强度平均值(MPa);α、k1、k2为系数，α 取0.5，k1取0.78，k2取1。

从表3 可以发现，规范公式的计算结果与实测结果差别偏大，矩形孔烧结页岩砖实测值与规范值比值见表3。

从表3 可以看出，矩形孔烧结页岩多孔砖砌体抗压强度试验值高于现行规范公式计算值，随着砂浆强度的增加，之值逐渐降低，3 组计算值分别为1.38、1.31、1.19。由此可知，矩形孔烧结页岩多孔砖砌体抗压强度满足现行规范要求，且安全储备较大。

表3 矩形孔烧结页岩砖砌体抗压强度Tab.3 Rectangular hole sinter shale brick masonry compressive strength

3.3 矩形孔烧结页岩砖砌体的弹性模量

砌体弹性模量是砌体基本力学指标，是砌体结构变形计算、动力分析及有限元模拟必不可少的重要参数之一。要对矩形孔烧结页岩砖砌体的基本力学性能进行进一步研究，就必须要考察其弹性模量的取值。

由于试验中当荷载加至预估破坏荷载值80%时卸下了百分表。因此，本次试验只测出砌体应力-应变曲线上升段，结果如图4、图5 所示。

图4 JK-MX 应力－应变图Fig.4 JK-MXStress-strain diagrams

图5 NT-MX 应力－应变图Fig.5 NT-MX Stress-strain diagrams

根据施楚贤教授提出应力-应变曲线σ=0.4fm时的割线模量为该砌体的弹性模量［15］，并按式(1)计算:

式(2)中，E 为弹性模量;fc，m为极限抗压强度;ε0.4为对应于0.4fc，m时的轴向应变值。

试验结果见表4，表中E0表示为弹性模量试验值，E1表示弹性模量规范值。

由表4 可看出，当砂浆实测强度分别为8.10、11.00、15.90 MPa 时，矩形孔烧结页岩多孔砖砌体实测弹性模量值分别为矩形孔烧结页岩多孔砖砌体规范值的1.02 倍，1.08 倍，1.10 倍，平均为1.07 倍，符合规范要求。因此，矩形孔烧结页岩多孔砖砌体依据现行规范计算弹性模量可行。

表4 弹性模量实测值与规范值的比较Tab.4 Elastic modulus measured values compared with the standard values

4 结 语

①矩形孔烧结页岩多孔砖砌体的抗压强度与块材强度以及砂浆强度有关，随着砂浆强度的提高，试件破坏荷载增大，抗压强度也相应增大。

③矩形孔烧结页岩多孔砖砌体弹性模量与砌体抗压强度有关，试验结果表明，用现行规范公式计算合适，结果可靠。

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