污泥烧结页岩多孔砖砌体应力-应变关系

黄榜彪，廖天权，廖天元，朱基珍，李治，张贝（．广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州　545006；.成都理工大学工程技术学院土木工程系，四川乐山　64000）



污泥烧结页岩多孔砖砌体应力-应变关系

黄榜彪1，廖天权1，廖天元2，朱基珍1，李治1，张贝1
（1．广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州545006；2.成都理工大学工程技术学院土木工程系，四川乐山614000）

摘要：为了研究污泥页岩多孔砖砌体的本构关系，提出了一个待定系数的本构关系表达式，通过对砌筑的6组共36个砌体试件进行抗压试验，结合试验数据，确定了待定系数，得到本构关系表达式。通过与其它研究者提出的本构关系式对比结果表明，文中得到的本构关系式与这些本构关系式上升和下降段走势基本一致，且符合性较好，可作为反映污泥烧结页岩多孔砖砌体受压的应力-应变关系。

关键词：污泥；页岩多孔砖；应力-应变曲线；砌体；抗压强度

0 引言

我国城市化规模不断加快，城市污水排放量也在逐年增长，与此同时，处理污水产生的副产品——干污泥量也在增长。2015年我国污水排放总量达810.71亿t［1］，根据污水处理量与干污泥产生量比例关系，则2015年干污泥产量达5200 万t。干污泥无害化处理是我国迫切需要解决的问题。经研究将干污泥按一定比例掺和到页岩粉中制备污泥烧结页岩多孔砖，作为一种新型墙体材料，其基本的力学性能满足建筑墙体材料要求［2-4］。因此，污泥烧结页岩多孔砖将会在全国范围内得到推广应用。目前国内外对不同砌块的砌体力学性能研究甚多［5-12］，但对砌体受压本构关系试验研究很少；而对污泥烧结页岩多孔砖砌体的受压本构关系研究尚未检索到。为了便于今后污泥烧结页岩多孔砖砌体结构设计和有限元模拟，有必要对其本构关系进行试验研究。

1 试验

用MU10、MU15的污泥烧结页岩多孔砖分别和M7.5、M10、M15强度等级水泥混合砂浆砌筑6组试件，每组6件，共36个试件。

1.1 试验用砖

试验用砖为由柳州高阳砖厂生产的污泥烧结页岩多孔砖，强度等级分别为MU10、MU15；污泥掺量分别为30%和25%［4］。标准尺寸规格为240 mm×115 mm×90 mm，实际尺寸偏差为±2 mm。随机抽取强度等级为MU10、MU15的矩形多孔砖单砖各6块，共12块，进行抗压试验，结果见表1。

表1 试验污泥烧结页岩多孔砖单砖实测抗压强度

1.2 试验砂浆

试件用M7.5、M10和M15强度设计等级的水泥混合砂浆砌筑。砂浆严格按照其强度等级的材料配合比拌和，每种强度等级砂浆采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的有底试模制作6个砂浆试块。试块标准养护28 d后进行抗压试验测其抗压强度，结果见表2。

表2 砂浆试块的抗压强度

1.3 试件制作

按照GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》，污泥烧结页岩多孔砖砌体试验试件尺寸为365 mm×240 mm×710 mm，制作允许误差±5 mm。试件由一名瓦工技术员在平整的场地上砌筑6组，每组6件；灰缝厚度控制在8～10 mm。砌筑前用细砂找平放置焊接有吊钢环垫板的地面，砌筑砌体上下表面用10 mm厚1∶3的水泥砂浆找平。试件砌筑完成用550 mm×400 mm×8 mm平板玻璃盖住试件承压面，并于玻璃上加压5层多孔砖保持压力14 d以上，以确保砌体承压面的平整度和密实度。试件砌筑完成后，与砂浆试块置于同一环境下标准养护28 d以上。试验方案见表3。

表3 污泥烧结页岩多孔砖砌体试验方案

1.4 试验方法

1.4.1 试验装置布置

为了保证试件就位对中准确和均匀受压，在试件4个侧面标记出横、纵中位线；用高强钢板作承压板，并平铺5 mm厚干砂找平试件承压面。试件宽侧面中部横向和纵向各布置一个测横向变形和纵向变形的位移计（见图1）。

1.4.2 加载方式

采用200T型精密液压伺服压力试验机对试件进行轴压试验。正式加载前按5%～20%的预估破坏荷载对试件反复预压3～5次后，检查百分表的灵敏性和安装的牢固性。正式加载分2个阶段，第一阶段按照预估破坏荷载的5%逐级加载直至出现第一条发丝裂缝出现；第二阶段按照10%的预估破坏荷载逐级加载至压力机加载指针回弹，即试件破坏，完成加载。试验加载过程中，每级加载在1.5 min内均匀加载完成并保持荷载2 min，仔细观察试件裂缝发展，采集记录试验数据。

2 试验结果及分析

2.1 试件变形描述

试件加载至破坏可分为3个阶段，即弹性阶段、裂缝稳定发展阶段和破坏阶段，各阶段对应的典型裂缝特征如图2～图4所示。

图2 初裂缝

弹性阶段：试件正式加载至初始裂缝出现前，试件所受的压力较小，虽然砌体内部固有的一些微裂缝尖端由于应力集中而略有发展，同时也有些微裂缝因为受压而闭合，因此对整个试件的宏观形变影响不明显，在应力-应变曲线上表现为应力随应变线性增长，当加载值达极限荷载40%左右时，试件中部竖向灰缝上下块体表面出现第一条发丝裂缝（见图2），标志弹性阶段完成转入裂缝发展阶段。

图3 发展裂缝

图4 破坏裂缝

裂缝发展阶段：初始裂缝出现后，随着荷载的增加裂缝会向上、向下延伸，同时在初裂缝周围相继出现多条与初裂缝平行的微裂缝。由于试件端部横向变形受承压板约束，试件中部膨胀变形大，故新生裂缝主要集中在试件中部（见图3）。这一阶新生的微裂缝较多，变形增长也较快；但是，当试验机保持荷载的时候，裂缝不发展且形态也相对稳定。

破坏阶段：试验机加载到极限荷载的75%左右，即使试验机保持荷载，试件中部裂缝也会自由向上、向下发展。试件接近极限荷载，多条裂缝横向扩张并且竖向贯通至试件端部将试件劈裂成几个单独受压的柱体（见图4）。此时，虽然每个柱体局部承载能力在增长，但砌体试件由于失去整体性而达到最大承载能力，加载试验机指针回退，随着一声闷响试件宣告破坏。

2.2 试验结果分析

根据GB 50003—2011《砌体结构设计规范》（以下简称《规范》），砌体抗压强度平均值fm的计算公式为：

式中：fm——标准砌体试件轴心抗压强度平均值，MPa；

k1——砌体种类参数，对于烧结多孔砖而言，取0.78；

k2——与砂浆有关参数，取1.0；

α——砌块类别参数，取0.5；

f1、f2——分别为砌块和砂浆的平均抗压强度，MPa。

表4为本次试验的主要数据结果。

表4 抗压试验结果

由表4可以得出：

（1）试件实测抗压强度远大于按《规范》式（3）计算的平均抗压强度，故本实验数据是合理的；试件实测抗压强度与按《规范》式（3）计算的平均抗压强的比值随砂浆强度等级的提高而减小；尽管如此，其比值的最小值仍远大于1。故《规范》式（3）适用于城市污泥页岩砖砌体结构设计且安全系数较高。

（2）通过比较A-Ⅰ与B-Ⅰ、A-Ⅱ与B-Ⅱ、A-Ⅲ与B-Ⅲ发现，提高砌块强度等级能较大幅度地提高砌体的开裂荷载和极限荷载。

（3）砂浆强度或砌块强度的提高峰值压应变随之减小，脆性破坏越明显，且砌块强度对于峰值应变的影响略大于砂浆强度。峰值应变作为应力-应变曲线主要的参数，文献［6］提出取值范围应为0.0026～0.0049；西安建筑科技大学根据多孔砖砌体抗压试验结果建议取0.0024；新西兰砌体结构设计规范规定无筋砌体受压时的取0.002［13］；重庆大学根据页岩砖砌体抗压试验结果建议取0.0033［6］。根据表4试验结果建议污泥烧结页岩多孔砖砌体峰值应变取0.003，在砌体结构设计中有较大的安全储备。

2.3 应力-应变曲线

根据污泥烧结页岩多孔砖砌体试验采集记录的试验数据，计算出逐级加载下的应力（σ）和对应的应变（ε）。采用无量纲坐标，以应变与峰值应变比值（ε/ε0）为横坐标，以应力与峰值应力比值（σ/σmax）为纵坐标，采用origin8.0数据处理软件拟合各组试件应力-应变曲线见图5。由于试验条件的限制，试验机刚度不足，在试件达到最大承载力后卸载，试验机恢复变形，加载过程中储存的弹性势能释放出来瞬间将试件击碎，故只测出应力-应变曲线上升段试验数据。

图5 各组试件的应力-应变曲线

由图5可以看出，MU15多孔砖砌筑的砌体离散性相对MU10多孔砖砌筑的试件较大，说明多孔砖强度高，砌体的受压脆性明显；而在试验中也观察到，MU15多孔砖砌体在受压过程中脆性表现明显。

2.4 本构关系表达式

由各组试件的应力-应变曲线可知，尽管各组砌体试件的块体和砌筑砂浆强度等级不同，但是其拟合的曲线大体走势相同，区别很小。为了建立污泥烧结页岩多孔砖本构关系理想化的统一表达式，提出拟合公式（1）对所有试验数据进行拟合，以确定其中参数a和b。

结合试验数据确定了式（1）中的参数，得到了污泥烧结页岩多孔砖的本构关系式。

将式（2）与本实验数据点在同一张图中反映，见图6。

图6 污泥烧结页岩多孔砖应力-应变曲线

由图6可以看出，试验数据点均匀分布在曲线上方，与曲线上升段符合得较好。由于试验条件限制，本实验中未能获得砌体峰值后试验数据。

为了进一步验证本文式（2）的正确性，将本文式（2）与表5中其它研究者提出的砌体本构关系式进行对比［6］，应力-应变曲线如图7所示。

表5 不同研究者的砌体本构关系表达式

图7 砌体应力-应变曲线对比

从图7可以看出，本文得到的污泥页岩多孔砖砌体本构关系表达式与其它研究者提出的表达式相比较，不论上升段还是下降段走势基本一致，且形式简洁。故本文式（2）可作为污泥烧结页岩多孔砖砌体的本构关系表达式。

3 结论

（1）提出了砌体本构关系表达式，结合实测污泥烧结页岩多孔砖砌体抗压试验数据，得到其受压本构关系；对比国内外研究者提出的砌体本构关系表达式，此本构关系不仅能够反映污泥烧结页岩多孔砖砌体受压的基本特征，还具有砌体受压本构关系的普遍代表性，形式简洁，可用于有限元软件模拟的本构关系式。

（2）污泥烧结页岩多孔砖砌体和普通砖砌体破坏特征类似，典型破坏特征是砌体被劈裂成几个小柱体，角部出现外鼓、脱皮和掉块的现象。

（3）就比较MU10和MU15两种砌体试件而言，污泥烧结页岩多孔砖强度提高，其砌筑的砌体开裂荷载和极限破坏荷载也随之提高；但其破坏时的峰值应变随块体强度提高而减小，砌体脆性破坏特征越明显。

（4）污泥烧结页岩多孔砖砌体结构可按GB 50003—2011中的公式进行设计，且安全系数较高。

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Research on stress-strain curve for sintered sludge-shale porous brick masonry

HUANG Bangbiao1，LIAO Tianquan1，LIAO Tianyuan2，ZHU Jizhen1，LI Zhi1，ZHANG Bei1
（1．School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；（2．Department of Civil Engineering，College of Engineering，Chengdu University of Technology，Leshan 614000，China）

Abstract：In order to study the constitutive relation of mud shale porous brick masonry，this paper proposed a constitutive relation expression of undetermined coefficients，based on the compression test on 6 groups of a total of 36 masonry specimens，combined with the experimental data，determined the undetermined coefficients，and got the constitutive relation expression. Compared with the constitutive relationship proposed by other researchers，movements in rising and falling period of the constitutive equation got in this paper are basically the same with that of other constitutive equation，has better compliance，can be used as stress-strain relationship reflecting the compression of sludge sintered shale porous brick masonry.

Key words：sludge，porous shale brick，stress-strain curve，masonry，compressive strength

中图分类号：TU362

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0065-05

基金项目：广西千亿元产业重大科技攻关项目（桂科攻11107021－3－5；桂科攻1099058）；广西科技攻关项目（桂科攻12100007，桂科攻1377001－1）；柳州市科技局项目（2013J010404）

收稿日期：2015-11-18

作者简介：黄榜彪，男，1964年生，广西桂平人，教授级高级工程师。