榫式复合节能砌块砌体抗压性能试验研究

冯建新，刘锡军，周锫

（1湖南工程职业技术学院，湖南长沙 410151；2湖南科技大学 土木工程学院，湖南湘潭 411201）

0 引言

为了落实“绿色、可持续”发展的理念，采用新型混凝土砌块来代替传统黏土烧结多孔砖，既符合墙改政策，又环保，更适合社会发展需求。采用较大尺寸的砌块代替小块砖砌筑可减轻劳动量，加快施工进度，是墙体材料改革的一个重要方向。本文选择以新型轻集料（陶粒、煤矸石）混凝土制作而成的榫式节能砌块来实现复合墙体结构层材料强度的要求，选择榫式连接方式来增强其抗剪和抗压能力，并在榫式节能砌块砌体空心中灌入轻骨料保温材料，可以有效地解决榫式节能砌体承重与节能的矛盾。

本文对榫式复合节能砌块砌体进行了抗压强度试验，研究榫式复合节能砌块砌体的受压性能和极限荷载，分析榫式复合节能砌块砌体的受压变形和破坏特征。本次榫式复合节能砌块砌体试验结果为其进一步研究提供了试验和理论基础。

图1 砌块尺寸示意图（单位：mm）

1 砌块与砂浆的抗压强度试验

榫式节能砌块是陶粒、煤矸石等混凝土制成的一种轻集料混凝土小型空心砌块。主块尺寸为400mm×240mm×115mm，辅助砌块尺寸为230mm×240mm×115mm，壁厚为30mm，砌块肋、壁、孔型尺寸如图1所示。

本组试验共采用5个试验砌块，根据GB/T 4111-2013《混凝土砌块和砖试验方法》[1]相关规定，测得试验砌块抗压强度平均值为4.9MPa。

根据JC 860-2008《混凝土小型空心砌块和混凝土砖砌筑砂浆》[2]及反复试验配得出水泥:消石灰粉:砂:水=1:0.86:5.6:1.35的混凝土小型空心砌块的专用砂浆。依据JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[3]等相关规定，该试验中混凝土小型空心砌块的专用砂浆的强度平均值为7.40MPa。

2 砌体抗压强度试验

2.1 试验制作及试验加载装置

根据GB/T 50129-2011《砌体基本力学性能试验方法标准》[4]的要求，该试验选用3组均由3皮砌块交错砌筑而成的试件，试件砌筑在用1:3的水泥砂浆找平的刚性垫板上。砌筑的试件长度为400mm，宽度为240mm，试件高度为砌块加灰缝厚度为365mm，试件设计如图2所示。该试验加载装置是微机控制电液伺服万能试验机，采用等速位移控制。

图2 抗压试件设计图（单位：mm）

2.2 试验过程及破坏形态

榫式节能砌块砌体在抗压试验从开始加载受压直至破坏过程大致分为裂缝产生、裂缝发展、试件破坏三个阶段：

第一阶段：初期受力开裂阶段，从榫式节能砌块砌体试件开始受压到出现第一条裂缝。在本过程中，随着荷载的不断增大，砌体试件底部开始产生一条或多条细小的斜向裂缝。

第二阶段：持续加载阶段，榫式节能砌块砌体试件出现多处微裂缝并形成一条贯通的裂缝。在本阶段中，随着荷载继续不断增加，纵向裂缝不断向砌块中部延伸，并逐步贯通3皮砌块，形成一条贯通的裂缝，并在砌体正面及侧壁开始出现一些新的裂缝。此时榫式节能砌体处于临界破坏阶段状态。

第三阶段：榫式节能砌体试件破坏阶段。在本阶段中，压力增加缓慢，砌体试件裂缝继续扩大，最终砌体试件外侧肋出现胀鼓从而发生挤压破坏，在很短的时间内砌块从出现第一条裂缝发展到荷载全部耗损，其初裂荷载约为破坏荷载的85%～90%，如图3所示。

2.3 试验结果分析

根据GB/T 50129-2011《砌体基本力学性能试验方法标准》的抗压强度测定方法进行试验，结合GB 50003-2011《砌体结构设计规范》[5]的相关规定，砌体轴心抗压强度平均值主要与砌块抗压强度和砂浆抗压强度有关，砌体轴心抗压强度平均值采用如下计算公式：

式中：fm为砌体抗压强度平均值 （MPa）；f1为砌块的抗压强度平均值（MPa）；f2为砂浆的抗压强度平均值（MPa）；k1为与砌块类别有关的参数；a为与砌块高度及砌体类别有关的参数；k2为砂浆强度较低或较高时砌体抗压强度的修正系数。

对于混凝土砌块，式中a的取值为0.9，k1的取值为0.46，k2的取值为1。

图3 砌体试件受压破坏形态图

表1 砌块轴心抗压强度试验结果

表2 抗压强度理论值与试验值的对比表

利用GB 50003-2011《砌体结构设计规范》中砌体抗压强度的计算公式计算砌体的抗压强度，并与砌体的试验值进行对比，验算砌体的规范公式是否适用于砌体[6]。试验数据表明：砌体规范公式计算值大于砌体的试验值，偏差较大且采用砌体的规范公式计算偏于不安全，因此砌体的规范公式并不适用于砌体抗压强度平均值的计算，砌体受压强度平均值公式有待进一步研究。

2.4 抗压强度计算公式

由于榫式节能砌块是一种全新的砌块型式，且砌块结构型式在不断地改进。根据砌体试件的试验结果，绘制出以应变与极限应变的比值为横坐标，以应力与极限应力的比值为纵坐标的砌体应力应变曲线，如图4所示。

图4 抗压试验的标准化本构曲线

根据抗压试验的标准本构关系曲线及试验数据[7]，砌体的本构关系曲线大致呈二次抛物线，将曲线的上升段设为二次方程函数：

式中：ε0为极限应变，σ0为极限应力，x为无量纲化应变ε/ε0，y为无量纲化应力σ/σ0。

利用函数绘图软件对试验数据进行本构曲线的拟合，拟合结果如图5所示，拟合系数的取值如表3所示。可以看出，本文推导出的拟合后抗压试验的本构曲线与抗压试验的标准化本构曲线模型非常相似。采取等速位移加载方式为榫式节能砌块砌体进行试件抗压试验，根据试验结果和拟合分析得出：抗压试验的标准本构关系曲线的下降段较长，证明榫式节能砌块砌体的延性较好；比传统粘土砖砌体的受压应力应变曲线下降显著些，则表明榫式节能砌块砌体的脆性特征更为显著。

图5 拟合后抗压试验的本构曲线

表3 试验数据拟合系数的取值

3 结论

（1）砌体受压试验表明，榫式节能砌块与普通混凝土砌块破坏类似[8-10]，从开始加载受压直至破坏过程大致分为裂缝产生、裂缝发展、试件破坏三个阶段，都是沿着竖向灰缝处形成贯通的主裂缝，最终砌体试件外侧肋出现胀鼓从而发生挤压破坏。

（2）参考规范现有公式，利用函数绘图软件对试验数据进行本构曲线的拟合，提出了符合榫式节能砌块砌体抗压强度平均值的建议计算公式。但是由于试验条件的限制，所得到的试验结果具有一定的分散性[11]，仍需进行大量的试验来进一步验证榫式节能砌块砌体受压强度平均值建议计算公式。