EPS轻质节能混凝土砌块砌体抗压性能研究

吴辉琴,解小娟,李　青,吴　超,王痛快,李　柱,刘　鹏

(广西科技大学土木建筑工程学院， 广西柳州545006)



EPS轻质节能混凝土砌块砌体抗压性能研究

吴辉琴,解小娟,李青,吴超,王痛快,李柱,刘鹏

(广西科技大学土木建筑工程学院， 广西柳州545006)

聚苯乙烯混凝土砌块砌体；抗压性能；试验研究

0　引　言

在国家“禁粘”的大背景下，发展轻质、节能、环保、利废、高强的砌块是墙体材料改革的主流方向。聚苯乙烯泡沫(简称EPS)是一种非极性的轻质憎水性材料，将这种超轻的EPS集料以不同掺量加入水泥混凝土中，可制作出密度不同的EPS混凝土砌块，用于房屋的墙体材料，可获得优良的保温性能，实现建筑节能目的。国内已有学者专家利用EPS良好的保温性能，制成墙体外保温层材料，或作为填充料，填充在空心砌块孔洞内，成为内保温墙体。这些做法虽然很好地解决房屋的保温问题，但EPS作为墙体外保温层使用寿命较短，后期维护工作会很多；而作为填充料内保温墙体，施工工序又太复杂。将EPS作为轻骨料制成不同强度等级的轻质节能混凝土，能很好的解决上述问题。

文献[1]～文献[5]以工业废料粉煤灰、矿粉双掺取代50%～70%的水泥，加入3%～5%的硫酸钠激活，并以EPS颗粒为轻骨料，通过水性环氧树脂对轻骨料表面改性，采用特殊工艺自然养护成型，研制出强度等级为MU5～MU20，折压比在0.3～0.20范围、表观密度在1 200～1 750 kg/m3之间，导热系数在0.184～0.202 W/(m·K)范围的轻型节能混凝土砌块，该砌块兼具保温和承重双重功能。本文选择两种配比的EPS轻质节能混凝土砌块开展抗压试验，分析砂浆种类、强度等级等对EPS砌体抗压强度的影响，给出了该砌体抗压强度平均值建议公式和受压本构关系，提出EPS砌块砌体弹性模量、泊松比的建议取值，为该新型节能混凝土砌块企业标准编制及新材料的推广应用提供理论和实验依据。

1　EPS混凝土砌块砌体的抗压试验

1.1试件的设计制作

1.1.1EPS砌块

EPS砌块是本课题组研制的一种新型墙体材料，砌块规格尺寸为240 mm×115 mm×53 mm，同实心普通标准砖。本文选择强度等级为MU15、MU5的EPS砌块(EPS掺量分别为20%和40%)开展抗压性能实验研究，依据《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542-2012)[6]测出EPS砌块抗压强度实测值见表1。

表1　聚苯乙烯泡沫(EPS)砌块强度实测值Tab.1　The tested compressive strength of expanded polystyrene (EPS) block

1.1.2砂浆

因EPS混凝土砌块中掺有较大比例的聚苯乙烯颗粒，致使砌块与普通砂浆的粘结力相对较弱，不易挂浆，尤其是竖向灰缝。本文通过试验独立配置了一种EPS砌块的专用砂浆，为更好研究EPS砌块砌体抗压性能，本文选用了强度等级为Mb5、Mb10、Mb15的专用砂浆与强度等级为M10、M15的普通砂浆砌筑EPS砌块，且浆料均按1∶4的水料比拌合。砂浆的实际强度值按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/70 2009)[7]要求制作和测定，实测的普通砂浆和专用砂浆强度值见表2。

表2　砂浆强度实测值Tab.2　The tested compressive strength of mortar

1.1.3试件设计与制作

根据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129-2011)[8]规定，制作240 mm×370 mm×756 mm(高厚比β=3)EPS砌块砌体抗压试件8组，编号A～H，分别是M10、M15普通砂浆砌筑MU15EPS砌块，Mb5、Mb10、Mb15专用砂浆砌筑MU15、MU5 EPS砌块，分组情况见表3。试件砌筑在带有起吊环的钢垫板上，砌筑工程由同一个工人完成，每组3个样品，灰缝控制在10～12 mm间，并预留砂浆试块测其抗压强度。砌筑完成后，在试件面上坐1∶3找平砂浆并找平，然后室内自然条件养护28 d。砌筑完成的构件见图1。

表3　EPS混凝土砌块砌体抗压强度值fa实测值Tab.3　The experiment values of compression strength of EPS block concrete masonry (fa)

1.2加载装置及方案

抗压试验在广西科技大学YES-500长柱压力机上开展，加载装置见图2，采用分级加载制度。首级荷载取预估破坏荷载的5%，观测仪表灵敏度、检查试件安装牢固性，而后每级取预估破坏荷载的1/10左右值，接近开裂和极限时荷载级差加密。加载速度均匀连续，每级荷载持稳3 min，量测试件竖向、横向变形。变形观测点布在试件两个宽侧面的中线和竖向中线上，每面4个，对称布置。

(a) 专用砂浆砌筑构件

(b) 普通砂浆砌筑构件

图1抗压试件

Fig.1The specimens of masonry

(a) 试验机主体

(b) 试验机控制系统

图2加载装置

Fig.2The specimens for the loading way

2　试验现象与结果

2.1受力过程

EPS砌体试件受压全过程与普通混凝土砌块砌体相似，加载至破坏分成三个阶段：弹性阶段、裂缝发展阶段和破坏阶段。

①MU15EPS砌体fe=(0.5～0.7)fu(fe、fu分别为弹性极限和极限应力)，fcr=(0.64～0.84)fu(fcr为开裂应力)，首支裂缝在试件宽侧面加载板下出现。而MU5砌体fe=(0.6～0.7)fu，fcr=(0.74～0.91)fu，首支裂缝位置也在宽侧面加载板下。

②裂缝出现后，随着压力的不断增大，裂缝由加载板下陆续出现一些细小裂缝，逐渐向砌块内部发展，通过1～3块砌块后，形成贯通裂缝，此时即使构件应力不增大，裂缝也会继续发展。

③当外加应力达到(0.85～0.92)fu后，裂缝迅速加长加宽，且单砖裂缝不断的贯通，砌体的压缩变形逐渐增大，最终都因侧面裂缝骤然加宽而破坏，EPS砌块砌体破坏时裂缝分布见图3和图4。砌体受压破坏时裂缝不多，比较细(初始裂缝0.5～1.5 mm，极限贯通裂缝2～4 mm)，裂缝主要集中在砌块顶面，整个加载过程没有出现砌块破损剥落情况，主裂缝在宽侧面上。

(a) 前宽侧面

(a) 前宽侧面

2.2开裂荷载、极限荷载与抗压强度

EPS混凝土砌体开裂荷载、极限荷载实测值及按实测值计算的抗压强度见表 3。

①EPS砌体的fe值比普通粘土砖(fe=0.5fu)、粉煤灰砖[fe=(0.3～0.4)fu]的大，fcr亦更接近fu，因此EPS 砌体脆性较重，特别是MU5 EPS砌体，实测fcr/fu最大值达到0.91，几乎是一裂就坏，且MU5 EPS砌体强度较低，离散性较大，即使砂浆强度增加很多，砌体强度变化不大。因此,MU5 EPS砌块不宜用于承重墙体材料，建议用作自承重砌体，这也与《砌体结构设计规范》(GB 50003-2011)[9]对承重轻骨料混凝土砌块的最低强度要求相符；

②砂浆相同，砌体强度随砌块强度增大而增大，但非线性增长，砌块强度越高递增的速度越慢；

③砌块强度相同，砌体强度随着砂浆强度增大而增大，但当砂浆强度超过砌块强度时，砌体抗压强度增长速度降低，甚至出现强度倒置现象，《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)通过控制砌块最小强度来防止砌体因为块体的强度不足引起脆性破坏对EPS砌体也适用，而且利用高强度砂浆并不能有效的改进砌体的抗压性能，同时也不经济。

④专用砂浆砌筑的EPS砌体的强度高于普通砂浆砌筑的EPS砌体强度10%左右，且专用砂浆砌筑墙体质量好，外形美观。

3　EPS砌块砌体抗压强度的计算表达式

3.1基于规范公式构建的EPS砌块砌体抗压强度公式

EPS砌块砌体受力机理和破坏特点与普通混凝土砌块砌体基本一致，可采用《砌体结构设计规范》(GB 50003-2011)[9]中混凝土砌块砌体抗压强度计算公式(1)进行架构。

(1)

式中,fm为砌体抗压强度计算值；f1、f2为砌块和砂浆抗压强度平均值；α、k1为块材形状、尺寸及施工方法等因素的影响系数；k2为砂浆强度影响的修正系数，对混凝土砌块砌体f2≠0，k2=1。

由公式(1)，考虑EPS砌体组成成分，参考相关文献[10-11]，初选系数k1=0.78,α=0.5,k2=1，EPS砌体抗压强度公式：

fm=0.78f10.5(1+0.07f2)。

(2)

将实测砂浆和块体强度f1、f2带入公式(2)，计算fm列入表4。对照实测结果，发现用《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)计算EPS混凝土砌块砌体的抗压强度值有较多的富裕，尤其对专用砂浆而言，规范值比实测值小较多，fa/fm在1.09～1.61之间，平均值达到1.24。这是由于EPS混凝土砌块自身的破坏特点以及砌体所用专用砂浆与砌块粘结良好等原因产生的，因此采用《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)中公式(2)虽可靠，但较为浪费材料。笔者应用数理统计方法，将EPS砌体抗压强度实验值进行多元回归分析，得到统一的EPS砌体抗压强度平均值fm修正公式(3)：

(3)

再将实测砂浆和块体强度值带入计算式(3)，计算fm1列入表4。并与实测数据比较，得到公式(3)的相关性系数R=0.969，标准差SD为0.288，说明公式(3)的拟合性较好。

3.2基于弹性理论构建EPS砌块砌体抗压强度公式

基于弹性理论的分析方法，是通过研究砌体受压的破坏机理建立强度计算表达式的分析方法。Francis A J等[12]早在20世纪70年代就根据单块砖叠砌的棱柱体受压试件，建立了砌体抗压强度公式。由Francis A J理论及朱丽华等[13-16]假设：

①砌体在竖向(y方向)压力作用时，砌块横向(x、z方向)产生拉应力，而砂浆内横向则产生压应力；

②不考虑竖向压力下砂浆和砌块间的错动，即两者粘结良好；

③不考虑承压板与构件之间的“套箍作用”。

由此建立砌体的计算模型如图5所示。设块体尺寸长×宽×高为l×w×tb；砂浆厚为tm；则σyb=σym=σy=fm2，其中σyb为块体正应力，σym为砂浆正应力，σy=fm2为砌体正应力；εxm、εzm为砂浆x、z方向的变形；νb、νm为块体和砂浆的泊松比；Eb、Em为块体和砂浆的弹性模量。

由Francis砌体破坏模型图6[13]得到：

(4)

式中，σtb、σcb为块体的单轴抗压、抗拉强度。

图5块体与砂浆分离计算模型

Fig.5A model for calculating of brock and mortar

图6Francis砌体受压破坏模型

Fig.6Francis masonry compression

damage model

考虑砌体受压时变形条件、物理条件和力学平衡条件，建立砌体块体应力关系为：

(5)

将式(4)带入式(5)，取α=tb/tm，β1=Eb/Em，并考虑αβ1(1-νm)远大于(1-νb)，得到：

(6)

式中，泊松比νb、νm及块体的压强—拉强比σcb/σtb是一常量，弹性模量Eb、Em又与f1、f2有关，公式(6)进一步简化为f1、f2函数式。

结合EPS砌块砌体受压实验数据，运用Origin数学软件进行多元非线性回归分析，得到EPS混凝土砌块砌体抗压强度公式，计算结果用fm2表示：

(7)

将实测f1、f2值带入式(7)计算fm2，结果也列入表4，并与实测数据比较，得到公式(7)的相关性系数R=0.977，标准差SD为0.26，说明公式(7)拟合效果较好。

3.3EPS砌块砌体抗压强度建议公式

汇总公式(2)、(3)、(7)计算值与实测值fa比较，分析拟合度，结果见表4。

表4　EPS砌块砌体抗压强度值拟合对比Tab.4　The contrast fitting data of compression strength for EPS concrete block masonry

由表4知：采用经验回归计算方法和弹性理论分析方法推导的公式(3)与公式(7)计算出的砌体抗压强度，与实测值拟合度高，也比较经济，在实际设计计算时都具有参考意义。但鉴于计算形式和计算简化方式，建议采用与《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)中的公式形式相近的公式(3)作为EPS混凝土砌块砌体抗压强度平均值计算公式。

4　EPS 混凝土砌块砌体受压变形性能

4.1EPS砌块砌体本构关系

本文在对比分析指数型、多项式型、对数型等砌体结构的本构模型基础上，根据实测数据回归分析采用对数型模型[17]建立EPS砌块砌体本构关系，得到：

①EPS承重砌块砌体本构关系(以MU15EPS砌块砌体的实验数据建立)：

(8)

②EPS自承重砌块砌体本构关系(以MU5EPS砌块砌体的实验数据建立)：

(9)

经测算：公式(8)计算结果与实测数据相关系数R=0.935、方差为0.07；公式(9)与实测数据相关系数R=0.901、方差为0.105，两者均拟合较好。根据实测数据与公式(8)、(9)计算结果，绘制EPS砌块砌体受压应力—应变曲线如图7所示。从图7知公式(8)、(9)能较好的反映砌体结构单轴受压上升段的应力—应变曲线，并与实测曲线值吻合较好。

(a) EPS承重砌块砌体

(b) EPS自承重砌块砌体

图7EPS砌块砌体应力—应变曲线

Fig.7Stress-strain curve of EPS concrete masonry

4.2 EPS砌块砌体弹性模量

根据《砌体结构设计规范》(GB 50003-2011)对砌体弹性模量取值的规定，取σ=0.43fm[18]代入公式(8)和(9)，推导弹性模量计算公式：

①EPS承重混凝土砌块砌体：

10)

②EPS自承重混凝土砌块砌体：

(11)

实测值与公式计算结果见表5，两者符合度较好，满足要求。

表5　弹性模量对比Tab.5　Comparison of elastic modulu

4.3EPS砌块砌体泊松比

实测EPS块砌体泊松比均值分别为0.195(承重墙)与0.223(自承重墙)。

采用四川省建筑科学研究所建立的砖砌体泊松比计算模型，对照实测数据回归分析，得到EPS砌体泊松比计算公式(12)、(13)，回归曲线见图8。

①EPS承重混凝土砌块砌体：

(12)

②EPS自承重混凝土砌块砌体：

(13)

将σ=0.43fm[18]代入公式(12)、(13)得到泊松比均值分别为0.199(承重墙)与0.252(自承重墙)。因此，EPS混凝土砌块砌体泊松比较普通粘土砖砌体泊松比(ν=0.12～0.16)大，且随着EPS掺量增大泊松比会增大。综合理论计算和实验结果，考虑材料的离散性，建议EPS承重混凝土砌块砌体泊松比为0.190，EPS自承重混凝土砌块砌体为0.220。

(a) EPS承重砌块砌体

(b) EPS自承重砌块砌体

图8EPS砌块砌体泊松比回归曲线

Fig.8The regression curve of Poisson ratio for EPS masonry

5　结　论

①EPS混凝土砌块砌体试件受压全过程与普通混凝土砌块砌体相似，但初裂应力与极限应力的比值较普通混凝土砌块砌体大，因此脆性明显；

④砌体强度随砌块强度增大而增大，但非线性增长，砌块强度越高递增的速度越慢；

⑤砌体强度随着砂浆强度增大而增大，但当砂浆强度超过砌块强度时，砌体抗压强度增长速度降低，甚至出现强度倒置现象，因此高强度砂浆并不能有效的改进砌体的抗压性能，同时也不经济；

⑥专用砂浆砌筑的EPS混凝土砌块砌体抗压强度较普通砂浆砌筑的高10%左右，且外观质量好，而自制专用砂浆价格与普通砂浆砌筑混凝土砌块相差不大，建议采用专用砂浆砌筑。

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(责任编辑唐汉民梁健)

Research on compressive performance of EPS lightweight energy-saving concrete masonry

WU Hui-qin, XIE Xiao-juan, LI Qing, WU Chao, WANG Tong-kuai, LI Zhu, LIU Peng

(School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

expanded polystyrene (EPS) concrete masonry; compressive performance; experimental study

2016-04-02；

2016-06-17

广西科技厅科技开发项目 (桂科攻1598007-5)；柳州市科技开发项目 (2013B030402)；广西科技大学科学基金项目(校科自1419209)

吴辉琴(1965—)，女，广东恩平人，广西科技大学教授；E-mail：whq6329@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0982

TU522.3+3

A

1001-7445(2016)04-0982-10

引文格式：吴辉琴,解小娟,李青,等.EPS轻质节能混凝土砌块砌体抗压性能研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：982-991.