砌體材料及其力學(xué)性能

1、第三節(jié) 無筋砌體的抗壓強(qiáng)度平均值一、砌體軸心受壓的破壞特征二、影響砌體抗壓強(qiáng)度的主要因素三、各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算一、砌體軸心受壓的破壞特征引言砌體的受壓工作性能與單一勻質(zhì)材料有明顯區(qū)別，由于砂漿鋪砌不均勻等因素，塊體的抗壓強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，使砌體的抗壓強(qiáng)度一般低于單個(gè)塊體的抗壓強(qiáng)度。為了正確了解砌體的受壓工作性能，有必要介紹磚砌體軸心受壓及破壞過程。一、砌體軸心受壓的破壞特征磚與砂漿的應(yīng)力應(yīng)變特征 f應(yīng)力峰值 fmax 0 峰值應(yīng)變0 極限應(yīng)變u磚為脆性材料，具有較長的直線段，達(dá)fu后很快達(dá)到u而破壞。 0 ：0.0010.0015 u ：0.00110.0023圖1 磚的應(yīng)力應(yīng)變特征

2、一、砌體軸心受壓的破壞特征磚與砂漿的應(yīng)力應(yīng)變特征 / fpr,m 0 /0 峰值應(yīng)變0 極限應(yīng)變u與磚相比，砂漿具有較好的變形能力。0 ：0.00140.0021 u ：0.003以上圖2 砂漿的應(yīng)力應(yīng)變特征1. 磚砌體軸心受壓破壞過程從加壓到破壞，磚砌體大致經(jīng)歷三個(gè)受力階段：第一階段單磚先裂：N(加壓荷載)0.5-0.7Nu(破壞荷載)，某些單磚出現(xiàn)豎向裂縫，停止加載，裂縫停止發(fā)展。第二階段裂縫沿豎向貫穿若干皮磚： N0.8-0.9Nu，單磚內(nèi)的個(gè)別裂縫連接形成貫穿幾皮磚的豎向裂縫，停止加載，裂縫繼續(xù)發(fā)展，即對荷載長期效應(yīng)而言，砌體已經(jīng)達(dá)到破壞荷載。第三階段形成若干獨(dú)立小柱子：對短期荷載而言

3、，為砌體完全破壞瞬間，即砌體達(dá)到極限強(qiáng)度，呈失穩(wěn)或壓碎破壞。2. 砌體受壓時(shí)的受力狀態(tài)分析(1)兩組磚砌體的試驗(yàn)結(jié)果揭示有必要對砌體受壓時(shí)的受力狀態(tài)進(jìn)行分析試件尺寸370mm240mm，高720mm組 別磚的強(qiáng)度(N/mm2)砂漿的強(qiáng)度(N/mm2)破壞荷載(KN)砌體的強(qiáng)度(N/mm2)水泥砂漿5.755.401862.10水泥石灰砂漿8.801.401782.00第一組試件：砌體的強(qiáng)度低于磚的強(qiáng)度，也低于砂漿的強(qiáng)度第二組試件：砌體的強(qiáng)度低于磚的強(qiáng)度，但高于砂漿的強(qiáng)度2. 砌體受壓時(shí)的受力狀態(tài)分析(2)砌體受壓時(shí)的受力狀態(tài) 1)砌體中的每一塊磚并不是均勻受壓，而是同時(shí)受彎曲及剪切的作用。 磚

4、的表面不平整、砂漿鋪砌不可能十分均勻。 (磚并不處于均勻受壓狀態(tài)，因磚的抗剪、抗彎強(qiáng)度低而出現(xiàn)第一批裂縫。) 砌體的抗壓強(qiáng)度總是比磚的強(qiáng)度小。 (砌體破壞也只是局部截面上的磚被壓壞。就整個(gè)截面來說，磚的抗壓能力并沒有被充分利用。)2. 砌體受壓時(shí)的受力狀態(tài)分析(2)砌體受壓時(shí)的受力狀態(tài) 2)砌體豎向受壓時(shí)，要產(chǎn)生橫向變形。 強(qiáng)度等級低的砂漿橫向變形比磚大。 (磚與砂漿存在的粘結(jié)力，保證兩者具有共同的變形，而產(chǎn)生交互作用。) 用低強(qiáng)度等級砂漿砌筑的砌體，其抗壓強(qiáng)度可以高于砂漿強(qiáng)度。 (磚上下受壓，橫向受拉；砂漿處于各向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度有所增加。) 強(qiáng)度等級高的砂漿和磚的橫向變形相差很小。 (

5、兩者交互作用不明顯，砌體的強(qiáng)度不能高于砂漿本身的強(qiáng)度。)2. 砌體受壓時(shí)的受力狀態(tài)分析(2)砌體受壓時(shí)的受力狀態(tài) 3)砌體的豎向灰縫不可能完全填滿，截面積減損、粘結(jié)力不能保證，其上磚內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的應(yīng)力集中，引起砌體強(qiáng)度的降低。 二、影響砌體抗壓強(qiáng)度的主要因素1. 塊體和砂漿的強(qiáng)度2. 塊體形狀、尺寸、平整度3. 砂漿的性能4. 砌筑質(zhì)量1. 塊體和砂漿的強(qiáng)度(最主要影響因素) (1)磚強(qiáng)度： 磚強(qiáng)度與砌體強(qiáng)度之間有很大的區(qū)別磚不平整，砂漿厚度與密實(shí)度不均勻，磚與砂漿橫向變形能力差異，豎向灰縫上磚內(nèi)的應(yīng)力集中，試驗(yàn)上的差異(尺寸效應(yīng)、砂漿材料)等。 砌體強(qiáng)度與磚強(qiáng)度的方根成正比。磚的

6、強(qiáng)度越高，在砌體中的利用率越低，一般在15-60之間變化。另外，磚的抗彎強(qiáng)度較抗壓強(qiáng)度對砌體的強(qiáng)度影響更大。 (2)砂漿強(qiáng)度： 當(dāng)磚強(qiáng)度一定時(shí)，砌體強(qiáng)度隨砂漿強(qiáng)度而線性增長(但并不成正比，砌體強(qiáng)度的增長落后砂漿強(qiáng)度的增長很多)。砂漿的強(qiáng)度越高，磚強(qiáng)度在砌體中的利用率越高。 2. 塊體形狀、尺寸、平整度(影響因素) 尺寸：高度，長度彎剪應(yīng)力，強(qiáng)度 形狀與平整度彎剪應(yīng)力，強(qiáng)度 88規(guī)范規(guī)定的磚砌體標(biāo)準(zhǔn)試件截面尺寸為240mm370mm，高度為720mm。 尺寸效應(yīng)換算系數(shù)： =1/(0.72+20S/A) 式中：S試件截面的周長 A試件截面面積 3. 砂漿的性能(影響因素) 流動(dòng)性和保水性：流動(dòng)性

7、和保水性好的砂漿，鋪砌的灰縫的厚度與密實(shí)度較均勻，可以降低塊體在砌體內(nèi)的彎剪應(yīng)力，從而提高砌體的強(qiáng)度。使用摻合料可以提高砂漿的流動(dòng)性并不能直接提高砂漿的強(qiáng)度。 砂漿的變形性能：磚強(qiáng)度不變時(shí)，砂漿的強(qiáng)度等級越低，變形越大。磚與砂漿的相對變形大小將影響單磚的受力情況。4. 砌筑質(zhì)量(影響因素)砌筑質(zhì)量有助于改善砌塊的受力性能： 潤磚增加粘結(jié)力，含水率8-10 水平灰縫的厚度控制砂漿的橫向變形，8-12mm 水平灰縫的飽滿度80 水平灰縫的平整度 豎向灰縫的飽滿度50 新砌灰縫的早期受壓可增加砌體的密實(shí)度，而提高砌體的強(qiáng)度。 三、各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算引言砌體的抗壓強(qiáng)度與許多因素有關(guān)，目前采用

8、從強(qiáng)度破壞機(jī)理上建立計(jì)算模型再用試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定有關(guān)參數(shù)的辦法尚有困難，因此大多根據(jù)范圍較為廣泛的系統(tǒng)試驗(yàn)歸納得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。許多國家的學(xué)者提出過種種計(jì)算方法。為了掌握砌體抗壓強(qiáng)度的各主要因素與砌體強(qiáng)度的關(guān)系，我國有關(guān)單位共取得三千多個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 88規(guī)范修訂組根據(jù)既要與試驗(yàn)值相符合，變異系數(shù)要盡量小，物理概念要明確，并在表達(dá)式方面盡量向國際標(biāo)準(zhǔn)靠攏的原則，通過反復(fù)運(yùn)算和研究，提出了各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算統(tǒng)一公式。三、各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算三、各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算公式特點(diǎn) 為統(tǒng)一公式，涵蓋各類砌體；與試驗(yàn)值符合較好，反映了各因素的影響。 (1)主要取決因素f1-fm與f

9、1的方根成正比 以磚砌體為例： 1)磚強(qiáng)度的利用率隨磚強(qiáng)度的提高而降低 常用材料范圍內(nèi)，磚強(qiáng)度的利用率在15-60之間，并隨磚強(qiáng)度的提高而降低，磚強(qiáng)度提高4倍，砌體強(qiáng)度只提高2倍。例：三、各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算三、各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算 2)砂漿的強(qiáng)度越高，磚強(qiáng)度的利用率越高 如上兩例。 (2)其次影響因素-f2 1)低強(qiáng)度砂漿中，磚強(qiáng)度的利用率很低 2)砌體強(qiáng)度隨砂漿強(qiáng)度而線性增長，但砌體強(qiáng)度的增長落后于砂漿強(qiáng)度的增長很多。 如：f2=1MPa，fm=0.835f1； f2=15MPa，fm=1.6f1 即f2增加15倍，fm僅增加1.92倍。三、各類砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算(3

10、)k1與K1與塊體種類和砌筑方法有關(guān)，與塊體高度有關(guān)，兩者可綜合體現(xiàn)砌體抗壓強(qiáng)度的大小。如混凝土砌塊砌體，因其為單片順砌或丁砌，而易形成獨(dú)立小柱，且其高度一般大于90而對抗彎有利，故修正。(4)k2低強(qiáng)度砂漿橫向變形大，故修正。(5)高強(qiáng)砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度不能用統(tǒng)一公式外延，必須加以修正。見P23表1.9附錄第四節(jié) 砌體的抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度平均值一、砌體拉、彎、剪的破壞形式 計(jì)算中僅考慮水平灰縫中的粘結(jié)力，而不考慮豎向灰縫的粘結(jié)力。 a) 沿塊體和豎縫與塊體的抗拉強(qiáng)度、切向粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)。b) 沿齒縫 切向粘結(jié)強(qiáng)度與砌筑方式有關(guān)c) 沿通縫不允許出現(xiàn)一、砌體拉、彎、剪的破壞形式法向粘結(jié)強(qiáng)度很低

11、，一般不足切向粘結(jié)強(qiáng)度的1/2，而且往往不易保證。砌體的切向受力砌體的法向受力一、砌體拉、彎、剪的破壞形式(1)抗拉：a)不允許設(shè)計(jì)沿通縫截面破壞的受拉構(gòu)件。b)沿齒縫破壞，砌體抗拉承載力取決于破壞截面上水平灰縫的面積，即與砌筑方式有關(guān)不考慮提高，只考慮折減。c)沿塊體和豎縫破壞，砌體抗拉承載力取決于塊體本身的抗拉能力，故抗拉截面積只有砌體受拉截面積的一半。為方便計(jì)算仍取受拉全截面積，但強(qiáng)度以塊體抗拉強(qiáng)度的一半計(jì)算。d)砌體的抗拉強(qiáng)度，取上述兩種強(qiáng)度的較小值。一、砌體拉、彎、剪的破壞形式(2)抗彎：a)沿通縫截面b)沿齒縫截面c)沿塊體和豎向灰縫截面取b)、c)兩種彎曲抗拉強(qiáng)度的較小值。一、砌

12、體拉、彎、剪的破壞形式(3)抗剪：砌體水平灰縫的切向粘結(jié)力實(shí)際上就是砌體沿通縫截面的抗剪強(qiáng)度，一般通過試驗(yàn)確定。單剪試驗(yàn)(73規(guī)范)離散性大雙剪試驗(yàn)砌體結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能(GBJ129-90)一、砌體拉、彎、剪的破壞形式砌體受剪破壞形式。據(jù)試驗(yàn)，三種抗剪強(qiáng)度基本一樣。沿通縫剪切 沿齒縫剪切 沿階梯形縫剪切 剪摩破壞 斜壓破壞 剪壓破壞二、砌體拉、彎、剪平均強(qiáng)度計(jì)算公式軸心抗拉強(qiáng)度平均值彎曲抗拉強(qiáng)度平均值抗剪強(qiáng)度平均值ft,m=k3f2ftm,m=k4f2fv,m=k5f2k3k4k5沿齒縫沿通縫 k值與砌體種類有關(guān)第五節(jié) 砌體的變形性能 一、砌體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系砌體是彈塑性材料，從受壓一開始，應(yīng)力

13、與應(yīng)變就不成直線變化。隨著荷載的增加，變形增長逐漸加快。在接近破壞時(shí)，荷載很少增加，變形急劇增長。所以對砌體來說，應(yīng)力應(yīng)變是一種曲線變化規(guī)律。據(jù)前蘇聯(lián)和國內(nèi)湖南大學(xué)一組4個(gè)試件和西安冶金建筑學(xué)院5個(gè)變形較小試件的量測結(jié)果資料，應(yīng)力應(yīng)變-曲線采用下列對數(shù)關(guān)系式較符合：一、砌體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一、砌體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系二、砌體的彈性模量切線彈性模量E初始彈性模量E0割線彈性模量E二、砌體的彈性模量 規(guī)范主編者建議取值 1)為了避免當(dāng)fm很大時(shí)，E隨fm的加大而增長過多，即避免曲線上翹，取 當(dāng)fm1.5MPa時(shí)，=1250/3 當(dāng)fm1.5MPa時(shí)，=1250(1-1/fm) 所給出的值，與=460f 是

14、一致的。 2)規(guī)范規(guī)定的E，與f成正比，并且仍然以砂漿的強(qiáng)度等級為基準(zhǔn)。 3)石砌體E根據(jù)f2采用。三、砌體的剪變模量由材料力學(xué) G =E/2(1+) 式中： 泊松系數(shù)，一般取0.10.2。對標(biāo)準(zhǔn) 磚與空心磚砌體，近似可取為0.15， 對于砌塊砌體，可取為0.3。 則 G =E/2(1+)=(0.450.38)E 規(guī)范近似?。?G=0.4E三、砌體的物理性能指標(biāo)1. 砌體的線膨脹系數(shù)溫度變化引起砌體膨脹、收縮變形。當(dāng)這種變形受到約束時(shí)，砌體會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力、附加變形及裂縫。當(dāng)計(jì)算這種附加內(nèi)力及變形裂縫時(shí)，砌體的線膨脹系數(shù)是重要的參數(shù)。限制溫度:不超過400度(參見P39)三、砌體的物理性能指標(biāo)2. 砌體的收縮率砌體吸水膨脹，失水干縮，產(chǎn)生變形。對于燒結(jié)塊材砌體，干縮變形較?。欢菬Y(jié)塊材