EPS-棉秆纤维灌孔轻质复合砌块砌体的基本力学性能研究

陈驰 夏多田 朱清峰 武海洋 梁轩

摘要：為推广利用基于地方煤基固废资源和棉杆纤维资源的三低型复合砌块墙体结构在新疆地区村镇低层建筑中的工程应用，以砂浆强度和芯柱材料强度为变量，对57件（27件受压、30件受剪）复合砌体试件进行抗压和抗剪力学性能试验，并对试件的破坏过程、破坏形态特征、抗压及抗剪强度进行了分析。结果表明：当砂浆与砌块的强度比低于1.6时，砂浆强度的提升对三低型复合砌体的抗压强度影响较大；芯材部分对复合砌体抗压和抗剪强度贡献最大，且随着芯柱材料强度的提升，贡献持续增大。基于砌体实际强度测定方法，建立并拟合得出了适用于三低型砌块砌体的抗压强度、抗剪强度的平均值计算公式。这对了解EPS-棉秆纤维灌孔复合混凝土砌块砌体基本力学性能具有一定的参考价值，为其在实际工程中的应用提供科学的理论依据。

关键词：煤基固废；三低型砌体；破坏形态；抗压强度；抗剪强度

中图分类号：TU364文献标志码：A文献标识码

Study on basic mechanical properties of EPS-cotton straw fiber perforated

lightweight composite block masonry

CHEN  Chi1，XIA  Duotian1，2*，ZHU  Qingfeng1，WU  Haiyang1，LIANG  Xuan1

（1 College of Water Conservancy & Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China;

2 Xinjiang Production & Construction Groups Engineering Laboratory for Seismic and Energy-Saving Building in High

Earthquake Intensity and Cold Zone，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract： In order to promote the engineering application of the three-low composite block wall structure utilizing local coal-based solid waste resources and cotton stalk fiber resources in low-rise buildings in rural areas of Xinjiang，a total of 57 composite masonry specimens （27 under compression and 30 under shear） were subjected to compressive and shear strength tests，with mortar strength and perforated material strength as variables.The failure process，failure mode characteristics，compressive and shear strength of the specimens were analyzed.The results showed that when the ratio of mortar strength to block strength was less than 1.6，the improvement of mortar strength had a significant impact on the compressive strength of the three-low composite masonry.The core material contributed the most to the compressive and shear strength of the composite masonry，and the contribution continued to increase with the increase of the core column strength.Based on the actual strength determination method of masonry，suggested formulas for the average compressive strength and shear strength applicable to the three-low composite block masonry were established and fitted.The research results have certain reference value for understanding the basic mechanical properties of EPS-cotton stalk fiber perforated composite concrete block masonry and provide a scientific theoretical basis for its practical application in engineering.

Key words： coal-based solid waste;three-low type blocks;destruction patterns;compressive strength;shear strength

新疆各地区地处广袤的西北内陆，受限于多种因素，砌体结构目前仍是该地区村镇建筑中应用最广泛的建筑结构形式之一［1］。但传统以黏土砖为承重主体的复合墙体结构，无法满足建筑行业结构一体化的新要求和趋势。尤其村镇低层自建房，限于当地的经济水平、建房习惯和施工经验，往往会选用强度较低的建筑材料并且缺乏合理的科学设计，导致房屋结构满足不了相应的国家规范要求，在地震作用下存在较大的安全隐患［2］。

基于因地制宜的原则，本研究课题组结合新疆本地丰富的煤基固废资源，将工业固废应用到新型砌块制作之中，形成了一种强度适中的新型自保温复合砌块墙体结构，该结构具有轻质保温、低碳绿色、节能利废、经济性等诸多优点，适用于新疆村镇地区的低层建筑［3-4］。

灌孔砌块砌体的抗压强度和抗剪强度是房屋结构的重要力学性能指标之一，影响灌孔砌块砌体强度的因素主要有砂浆、外模砌块以及芯柱材料。对于灌孔砌块砌体的抗压性能而言，抗压强度是以芯柱材料和外模砌块贡献为主，砂浆强度对于提高砌体抗压强度的作用不明显［5-8］。对于灌孔砌体的抗剪性能而言，砂浆强度和芯柱材料强度对砌体的抗剪强度都有很大的影响，特别是芯柱的存在，能较大延缓了剪切破坏的发生，芯柱材料强度越高，抗剪强度越大［9-11］。

综上可知，对于普通或高强范围下的灌孔砌块砌体的抗压及抗剪力学性能变化的规律，大多数学者的研究结果基本一致，但是对采用较低强度等级的外模砌块、芯柱材料和砌筑砂浆建造的复合砌块砌体的基本力学性能的研究仍较少，提出的抗压、抗剪强度预测公式不相同。可见，研究低强度砌块、砌筑砂浆和芯柱材料三者共同组成的新型砌体结构的基本力学性能显得尤为重要。因此，本文以3种砂浆强度和3种芯柱材料强度为变量因素，共制作了57件（27件受压、30件受剪）砌体试件，基于抗压及抗剪性能试验对其强度、破坏特征及形态进行研究分析，旨在为该新型砌体结构的工程化应用提供一定的理论支撑及参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验所采用的主砌块规格尺寸为390mm×190mm×190mm，輔助砌块尺寸为190mm×190mm×190mm，两者的壁厚均为30mm。空心砌块的形状及尺寸如图1所示；抗压试件为5皮高的棱柱体，尺寸为590mm×190mm×990mm，抗剪试件则为3皮高的棱柱体，尺寸为390mm×190mm×590mm，试件砂浆层厚度10mm，如图2所示。

为研究砂浆强度和芯柱材料强度对砌体抗压和抗剪强度的影响，抗压设计了9组试验（每组3个试件），抗剪设计了5组试验（每组6个试件），各组砌块砌体命名及强度组合的具体参数设计见表1。

1.2 试验加载及步骤

试验在石河子大学结构中心5 000 kN的电液伺服万能试验机上进行，加载示意图见图3，加载与测量方案采用GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》规定中抗压强度试验方案以及双剪破坏方案。灌孔砌体的受压试验是采用静力单调加载方法［12］进行。正式加载后，控制每级加荷大小为破坏荷载的10%，1～2min内均匀加载完；恒压1～2min后继续加载，直至试件破坏。灌孔砌体的受剪试验采用匀速连续加荷，速率为0.5kN/s，试验过程中，当有一个受剪面被剪坏，即视为试件破坏，同时记录试件破坏荷载值和破坏特征。

2 试验结果与分析

2.1 受压试验

2.1.1 试验现象

按照裂缝的出现与发展等特点，复合砌块砌体的受压破坏过程大致可以分为初始阶段、裂缝阶段、破坏阶段3个阶段，如图4所示。

第一阶段（初始阶段）：从试件开始受压至某单块开裂。试验加载初期，受压砌体表面未观察到任何变化。但随着压力的继续增大，荷载增长到极限荷载的20%～40%时，试件加压变形，内部开始发出吱吱响声，随后某单砌块宽侧面处出现第一条细微裂缝（图4a）。

第二阶段（裂缝阶段）：形成连续裂缝。当加荷至60%～70%极限荷载时，已有裂缝沿着竖向灰缝发展，穿过砂浆层贯通至上下1至2皮砌块处，并伴随着新的裂缝陆续产生（图4b）。

第三阶段（破坏阶段）：裂缝变长变宽形成贯通裂缝，砌体完全受压破坏。两宽窄面裂缝随着施加荷载达到极限荷载时，迅速变长变宽形成若干条贯通砌体的通缝（图4c）。部分砌块外壁横向外鼓剥落，芯柱有明显竖向裂缝。最终砌体受压破坏后分解成数个独立的小柱，呈支离破碎状。

2.1.2 典型破坏的原因分析

试验过程中复合砌块砌体主要发生了以下4种典型破坏形态：砌块劈裂、砌块溃坏、砂浆压溃和芯柱崩裂，具体形态见图5。

针对上述典型的破坏形态分析其原因如下：

1）砌块劈裂。砌块、砂浆与芯柱材料结合牢固，强度匹配性好，但在受压过程中因砌块自身的凹凸缺陷，导致强度局部的不均匀，沿缺陷处发生极小的细微裂缝，随着荷载的持续增加使这些裂缝不断地加深变宽，最终导致砌块劈裂［13］。

2）砌块溃坏。砌块与芯柱材料强度不匹配，砌块与芯柱材料变形不协调，初裂系数不相近，导致在受压时不能与砌块保持工作协同性，此种工况下绝大部分荷载将由外模砌块承担，致使砌块提前被压溃［11］。

3）砂浆压溃。砌块阻止砂浆变形，使砂浆受到横向压力，砌块则受到横向拉力。当砂浆层厚度和强度较小且饱满度不足时，其抗拉和抗压强度较低［14］，容易破坏，两者相互约束调节的能力会变差，导致未达峰值荷载前砂浆已被压溃，砌块外鼓剥落和发生平面外的错动，继续施加荷载后试件发生破坏。

4）芯柱崩裂。砌块表面出现细微裂缝后，除表面发展外还有向内部加深的趋势，当芯柱材料灌注时振捣不均匀，会出现空鼓蜂窝等缺陷，而此时裂缝就在此位置向内部发展，芯柱混凝土容易受压开裂导致其体积膨胀，使外模砌块的裂缝宽度进一步加大，最终砌块外模剥落脱离，芯柱混凝土被压溃［3］。

2.1.3 试验结果

根据GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》规定，单个标准砌体试件的轴心抗压强度为试验破坏荷载值除以试件受压面面积，各组砌体抗压强度试验结果，见表2。

2.2 受剪试验

2.2.1 试验现象

试验加载至复合砌块砌体破坏前无明显征兆，当超过极限破坏值后，试件的受剪面会突然发生破坏，沿着灰缝发生较大的位移，呈现出明显的脆性破坏特征。试件破坏大多数都是双剪破坏，只有少数为单剪破坏。

2.2.2 典型破坏的原因分析

如图6所示，抗剪试件的破坏形态主要有单剪破坏、双剪破坏、砌块破坏以及单柱剪断4种形态。

1）单剪破坏。当加载装置的合力作用点临近砌块灰缝边缘，粘结强度小于砂浆受剪强度，灰缝受到纯剪切作用而在砌块与砂浆层的粘结薄弱面发生破坏；再者是标准件砌筑养护时预压不足，导致固化过程中的两条水平灰缝与砌块的粘结性能存在差异，试验时较薄弱的粘结面率先破坏，即出现单剪破坏［13］。

2）双剪破坏。当受剪面共同受力相近并且两水平灰缝与砌块的粘结性能良好时，会出现双剪破坏［3］。

3）砌块破裂。一般砌体试件受剪时水平灰缝处的裂缝扩展至一定高度后会有可能发生贯穿砂浆层的情况［21］，但极少会发生裂缝继续贯穿砌块外壁使其局部开裂的现象。由于贯穿砂浆层的剪力沿着砌块壁肋传递，当砌块强度低于砂浆强度时，砌块外壁容易局部开裂，削弱试件的抗剪承载力，导致整个试件破坏。

4）单柱剪断。当砂浆层退出工作后，由芯柱混凝土承担全部剪切荷载。由于试件两辅块之间粘结不够紧密或竖向砂浆灰缝不饱满，两辅助砌块在加载时发生了相对位移。加载临近破坏时，外侧芯柱处灰缝面出现裂缝随后芯柱被剪断。在间隔相对很短时间后，内侧芯柱也迅速剪断但最终的破坏形态类似于双剪［3］。

2.2.3 试验结果

按GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》中的定义计算抗剪试件抗剪强度，结果见表3。

2.3 试验结果分析

2.3.1 砂浆强度对受压砌体强度的影响

由图7可知：当砂浆与砌块的强度比（f2/f1）从1.1增至1.6时，3种不同芯柱材料强度（fc=0、1.48、3.98MPa）的砌体抗压强度增幅与砂浆强度增幅的比值分别为：11.9%、20.6%、15.6%；当砂浆与砌块的强度比从1.6增至3.3时，3种不同内芯强度砌块砌体抗压强度的增幅与砂浆强度增幅的比值分别为：3.6%、5.8%、12.6%。由此可知：砂浆强度对三低复合砌块砌体的抗压强度是一直有影响的，并且砂浆与砌块的强度比小于1.6时，提高砂浆的抗压强度对提高复合砌块砌体抗压强度效果明显。这是因为此时砂浆与砌块受力时的变形协调，砂浆能约束砌体中砌块的横向变形，且砂浆强度等级越高对砌块的横向变形约束作用越大，从而有助于砌体抗压强度的提髙［12］。

2.3.2 砂浆强度对受剪砌体强度的影响

砂浆强度对受剪试件（CIIVT-a、CIIVT-b、CIIVT-c，取每组6个试件的平均值）抗剪强度的影响结果（图8）显示：当砂浆强度从4.26MPa依次增大到6.44、13.18MPa时，砌体抗剪强度增幅与砂浆强度增幅之比分别为1.6%、0.9%。可见：砂浆与砌块的强度比小于1.6时，砂浆强度的提升对复合砌体抗剪强度的影响比较显著；砂浆与砌块的强度比大于1.6时，砂浆强度的提升对复合砌体抗剪强度影响不显著。

2.3.3 芯柱材料强度对受压砌体强度的影响

由图9可知：与空心砌体相比，芯柱材料强度为1.48MPa时，采用3种不同强度砂浆（f2=4.26、6.44、13.18MPa）砌筑的复合砌体抗压强度分别提高了99.3%、95.3%、91.2%，强度明显增长；芯柱与砌块强度比（fc/f1）从0.4提升到1时，3种砂浆砌筑的试件芯柱部分对各自试件抗压强度贡献分别从49.8%、48.8%、47.7%提升至63.5%、60.3%、62.2%。由此可知：随着芯柱与砌块的强度比从0.4增長至1，芯柱部分对砌体的平均抗压强度贡献占比从原来的48.8%提升到62%，贡献占比越来越大。这是因为轴压荷载是由外模和芯柱共同承担，芯柱材料强度越大，芯柱所能承受的极限承载力也就越大，在外模极限承载力大致不变的情形下，芯柱所占的抗压贡献比会呈增大趋势［12］。

2.3.4 芯柱材料强度对受剪砌体强度的影响

由图10可知：受剪试件（GIVT-b、GIIVT-b、GIIIVT-b，取每组6个试件的平均值）的抗剪强度随着芯柱材料强度的增强而提高，增强走势上是先陡后缓。与空心砌体相比，芯柱材料强度为1.48MPa时，砌体的抗剪强度提高了382.1%。芯柱与砌块的强度比从0.4提升至1时，抗压强度提高了169%，砌体抗剪强度提高了61%且从砂浆和芯柱材料强度对复合砌体抗剪强度比较发现，芯柱对砌体的抗剪强度贡献从79.3%提升至87.2%。这表明：随芯柱材料强度的提高，芯柱部分对砌体抗剪强度贡献也越大。在受剪的过程中，主要是芯柱和砂浆承担剪力，在砂浆不变的情况下增加芯柱材料强度能有效提升砌体的抗剪强度［13］。

3 砌块砌体强度计算方法

3.1 抗压强度计算公式

砌体抗压强度试验值和按GB 50003—2011《砌体结构设计规范》中灌孔复合砌体抗压强度平均值fg，m及其中fm计算公式的计算值（计算fg，m、fm中有关参数的取值如下：k1=0.46，α=0.45，取p=0.9）以及两者的比值（表4）显示：空心砌体规范公式的计算值大于试验值，而灌孔砌体规范公式的计算值小于试验值。说明无论是空心还是灌孔砌体，规范公式均无法准确计算本文灌孔复合砌块砌体的抗压强度。

灌孔砌块砌体的实际抗压强度不是简单的直接利用空心砌体强度和芯柱材料强度的线性叠加［15］，实际强度通常比直接叠加得到的抗压强度偏大，因此，为准确预测以及考虑芯柱材料对砌体强度的影响，引入空心砌体强度利用系数φ、芯柱材料强度增益系数μ两项无量纲参数，对试验数据回归分析，并拟合得到适合本文低强型灌孔混凝土砌块砌体抗压强度计算公式如下：

f′g，m=φf′m+μ·0.63αfcu

=1.54f′m+0.947αfcu，（1）

当0MPa

f′m=0.321f′0.91（1+0.07f2）k2；（2）

当f2>10MPa时，

f′m=0.321f′0.91（1+0.07f2）（1.1-0.01f2）。（3）

由试验值和本文拟合公式、规范公式计算的砌体抗压强度计算结果（表4）可知，公式计算值与试验结果吻合良好，说明可以预测本研究的低强型EPS-棉秆纤维灌孔砌块组合砌体的抗压强度。

用公式（1）计算文献［16-18］中试件的理论抗压强度，结果见表5所示。由表5可见，本文得出的低强砌体抗压强度计算公式可以较好的预测文献［16-18］中的砌体试件抗压强度。

3.2 抗剪强度计算公式

复合砌体抗剪强度由砂浆和芯柱混凝土纯剪切强度决定［15］，经对抗剪试验数据的拟合分析，提出复合砌体抗剪强度计算公式如下：

f′vg，m=0.048f2+0.65αf0.57c;（4）

f′v，m=0.048f2。（5）

拟合公式计算的本文砌体抗剪强度结果见表6，公式计算值与试验结果吻合良好，说明可以适用预测本研究的三低型EPS-棉秆纤维灌孔砌块组合砌体的抗剪强度。

砌体抗剪强度试验值和按GB 50003—2011《砌体结构设计规范》中灌孔复合砌体抗剪强度平均值fvg，m及fv，m计算公式的计算值（计算fvg，m、fv，m中有关参数的取值如下：k5=0.069，以及两者的比值（表6）显示：空心砌体规范公式计算值大于试验值，而灌孔砌体规范公式计算值小于试验值。说明无论是空心还是灌孔砌体，规范公式均无法准确计算本文灌孔复合砌块砌体的抗剪强度。

用公式（4）、（5）计算文献［19-21］中试件的理论抗剪强度，结果见表7。由表7可见，本文提出的低强砌体抗剪强度计算公式可以较好的预测文献［19-21］中的砌体试件抗剪强度。表6、表7中各符号的意义与表4、5中的相同。

4 结论

通过对新型复合混凝土砌块砌体基本力学性能的试验研究，得出以下结论：

（1） 新型复合砌块砌体受压、受剪破坏阶段与普通混凝土小型砌块砌体类似，但试件呈现出更多的破坏形态，具体表现为：砌体受压破坏形态呈现出砌块溃坏、芯柱崩裂，受剪破坏形态则呈现出砌块破坏以及单柱剪断两种破坏模式。

（2） 当砂浆与砌块的强度比小于1.6，砂浆强度的提升对复合砌块砌体的抗压强度和抗剪强度影响显著；当砂浆与砌块的强度比大于1.6时，砂浆强度的提升对砌体抗压和抗剪强度影响都较弱。

（3） 随着芯柱材料强度的提升，芯柱部分对砌体的抗压和抗剪强度贡献越来越大。当芯柱与砌块的强度比从0.4提升至1.0，芯柱对砌体的抗压贡献从48.8%增加至62.0%，芯柱对砌体的抗剪贡献从79.3%提升至87.2%。

（4） 当外模砌块采用3.96MPa，砂浆与砌块的强度比采用1.6（即砂浆强度为6.44MPa）、芯柱与砌块的强度比采用1.0（即芯柱材料强度为3.98Mpa）时，有利于充分利用三者的强度。

（5） 通过对砌体试验数据回归分析与拟合，得出了适合“三低型”EPS-棉秆纤维灌孔复合砌块砌体的抗压强度及抗剪强度计算公式，且能较好的预测同类型（低强型）砌块砌体的强度。

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（责任编辑：编辑张忠）