多孔頁巖磚砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

多孔頁巖磚砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

中國是一個(gè)使用混凝土結(jié)構(gòu)的大國。歷史上有許多著名的混凝土結(jié)構(gòu)，如萬里長城和都江堰水利工程。新中國成立后，在工業(yè)和民用建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)仍然發(fā)揮著主導(dǎo)作用。辦公樓、工業(yè)設(shè)施、公共建筑等主要用于磚塊。許多大型建筑，如煙草塔，也由磚結(jié)構(gòu)組成。其中，鎮(zhèn)隆市的大型氣塔塔尖厚2.18m，底徑4.78m，高60.00m。改革開放以來，建筑市場迅速發(fā)展，年平均增長率在40%以上。每年建設(shè)1億元以上的建筑面積超過1億元。建筑市場的發(fā)展增加了建筑材料的需求。以粘土磚為例，20世紀(jì)80年代的年年產(chǎn)量為1600億塊，1996年達(dá)到6000億塊。1996年，剩余的粘土磚被近7萬hm損壞，1.8萬噸的標(biāo)煤被消耗。1988年，國際建筑材料研究會(huì)首次提出“綠色建筑材料”的概念。1992年6月，巴西圣保羅召開的世界國家第一腦會(huì)議通過了21世紀(jì)議程草案，強(qiáng)調(diào)了協(xié)調(diào)共生、可持續(xù)和自然的原則。盡量減少自然資源的消耗，充分利用工業(yè)廢物。為了環(huán)境保護(hù)，節(jié)約耕地，減少能源消耗，近年來，地方政府禁止工程建筑中使用粘土磚。國家還高度重視節(jié)能建筑材料。這些建筑材料包括：利用工業(yè)廢物、粉煤灰和少量水泥生產(chǎn)的蒸壓灰砂產(chǎn)品；將研磨后的巖石屑和其他材料添加到多孔板板中。該產(chǎn)品由工業(yè)廢物、粉煤灰和其他材料制成，以及幾種材料生產(chǎn)的多孔板板和復(fù)合塊。天津市政府已于2002年宣布,在市區(qū)及近郊禁止使用粘土磚,因此,城市建筑急需大量粘土磚的替代材料.多孔頁巖磚屬于燒結(jié)磚,其性質(zhì)在很多方面與粘土磚相似,同時(shí)又具有不占用耕地、節(jié)省能源、磚體孔隙率高、容重小、生產(chǎn)簡單、造價(jià)低廉、保溫性能好等許多優(yōu)點(diǎn),因此,在近期是我市較為理想的粘土磚替代建筑材料之一.目前,國內(nèi)生產(chǎn)的多孔頁巖磚大多用作墻體填充材料,用作承重砌體建筑材料的報(bào)道較少.天津市也尚未公布統(tǒng)一的頁巖磚砌體設(shè)計(jì)規(guī)范.筆者通過對(duì)多孔頁巖磚砌體的基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究,分析其工作特性和破壞規(guī)律,為多孔頁巖磚砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的編制提供試驗(yàn)依據(jù).1多孔頁巖磚的制備我市薊縣擁有豐富的頁巖資源,現(xiàn)已建成多孔頁巖磚生產(chǎn)線多條,遠(yuǎn)期計(jì)劃生產(chǎn)能力為4億塊.本試驗(yàn)采用的多孔頁巖磚是薊縣國環(huán)公司生產(chǎn)的DM型和KP型兩種多孔頁巖磚,試件砌筑用砂漿為普通水泥砂漿.試驗(yàn)采用的DM型多孔頁巖磚規(guī)格為240mm×190mm×90mm,孔洞率35.47%,容重1303kg/m3,孔型分為圓形及長條形兩種,設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度MU15;KP型磚規(guī)格為240mm×115mm×90mm,孔型為圓孔型,孔洞率25.35%,容重1367kg/m3,設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度MU15.1.1設(shè)計(jì)強(qiáng)度及試件多孔頁巖磚砌體試件的幾何參數(shù)及砌筑方法符合文獻(xiàn)的有關(guān)要求.試驗(yàn)根據(jù)所用磚型、磚塊強(qiáng)度及砌筑砂漿強(qiáng)度的不同進(jìn)行組合,制作軸心抗壓強(qiáng)度試件7組24件,砌體沿通縫截面抗剪試件11組45件,砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試件2組(砌體沿齒縫截面彎曲抗拉及沿通縫截面彎曲抗拉試件各1組)14件.試驗(yàn)用多孔頁巖磚設(shè)計(jì)強(qiáng)度為MU15,砌筑砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為M7.5、M10.0、M15.0,具體分組情況見表1.砌體軸心抗壓強(qiáng)度試件分別由DM型和KP型多孔頁巖磚制作,DM型多孔頁巖磚軸心抗壓強(qiáng)度試件的截面尺寸為500mm×240mm,高度為790mm;KP型多孔頁巖磚軸心抗壓強(qiáng)度試件的截面尺寸為360mm×240mm,高度為790mm.沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試件尺寸為240mm×390mm×1190mm;沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試件尺寸為240mm×295mm×890mm.DM型多孔頁巖磚沿通縫截面抗剪強(qiáng)度試件尺寸為240mm×300mm×290mm和340mm×300mm×290mm兩種,KP型多孔頁巖磚沿通縫截面抗剪強(qiáng)度試件尺寸為240mm×360mm×290mm.全部試件由一名中等技術(shù)水平技術(shù)工人砌筑,砌筑質(zhì)量為中等,試件砌筑后,立即鎮(zhèn)壓5層頁巖磚.試件在室內(nèi)常溫灑水養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)期28d.試件的加載面在試驗(yàn)前均采用1:3的水泥砂漿抹平,找平層為10mm.為保證砌體受力均勻,應(yīng)用水平尺檢查找平層平整度.找平層經(jīng)3d養(yǎng)護(hù)后開始試驗(yàn).1.2復(fù)合式組合結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試驗(yàn)方法按照文獻(xiàn)的有關(guān)要求進(jìn)行.多孔頁巖磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是在2000kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行.為保證試件荷載分布均勻,軸心受壓試件上下兩端均加墊50mm厚鋼板,液壓加載速度控制在0.3～0.5MPa/s左右.試驗(yàn)采取荷載控制,試驗(yàn)荷載分為10級(jí),每級(jí)荷載取砌體設(shè)計(jì)荷載的10%,DM型多孔頁巖磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的每級(jí)荷載為100kN;KP型多孔頁巖磚砌體每級(jí)試驗(yàn)荷載為70kN,荷載分級(jí)施加,直至試件破壞為止.砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)是在垂直加載架中進(jìn)行,加載器采用液壓千斤頂,荷載是利用壓力傳感器配接具有最大荷載記錄能力的荷載顯示儀進(jìn)行荷載控制與記錄.試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加荷方式,荷載分配梁及其附件的質(zhì)量應(yīng)計(jì)入試驗(yàn)荷載值中.試驗(yàn)中,應(yīng)詳細(xì)記錄每個(gè)試件的幾何尺寸、試件實(shí)際質(zhì)量和實(shí)際加載尺寸,以供計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果使用.砌體沿通縫截面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)是在壓力試驗(yàn)機(jī)中完成,每個(gè)試件的試驗(yàn)加載過程應(yīng)控制在1～3min內(nèi)完成2砌體強(qiáng)度試驗(yàn)和彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)在砌體軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中可以觀察到:隨著荷載的增加,首先沿試件中軸線附近出現(xiàn)少量豎向細(xì)微裂縫,荷載繼續(xù)增加,裂縫變寬、逐漸貫通并產(chǎn)生新的裂縫,隨著裂縫不斷加長、變寬,裂縫數(shù)量也不斷增加,直至砌體最終被壓碎而破壞.在砌體的開裂過程中,伴隨有清脆的爆裂聲.砌體的開裂荷載達(dá)砌體極限破壞荷載的85%以上,砌體破壞后殘余承載能力為極限破壞荷載的35%左右.在砌體沿齒縫截面或通縫截面做彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),試件的破壞區(qū)都發(fā)生在純彎段內(nèi).沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞面主要沿縱向砌筑砂漿界面發(fā)生,抗拉強(qiáng)度主要受砂漿強(qiáng)度的影響,砌筑砂漿強(qiáng)度越高,彎曲抗拉強(qiáng)度也越高;沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞面可能沿磚塊及砌筑砂漿縱向發(fā)生,磚塊本身也被剪斷,也可能沿砌筑砂漿成齒形裂縫發(fā)生.磚塊抗剪強(qiáng)度對(duì)沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度有較大影響,磚塊抗剪強(qiáng)度越高,則砌體沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度也越高.砌體沿通縫截面做抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),試件的破壞是突然發(fā)生的,有明顯的脆性破壞特征,其破壞現(xiàn)象和普通粘土磚砌體沿通縫截面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞現(xiàn)象相似.破壞面多發(fā)生在磚塊與砂漿之間的結(jié)合面上,砌體沿通縫截面抗剪強(qiáng)度主要受砂漿強(qiáng)度的影響,砂漿強(qiáng)度越高,抗剪強(qiáng)度也越高.3砌體強(qiáng)度和應(yīng)變關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)的有關(guān)要求對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并列于表2.表2列出的數(shù)據(jù)包括試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如試驗(yàn)數(shù)據(jù)的強(qiáng)度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、強(qiáng)度設(shè)計(jì)值等.因?yàn)楸驹囼?yàn)涉及的砌體試件數(shù)量較少,其統(tǒng)計(jì)結(jié)果代表性較差,因此表2還列出了文獻(xiàn)條文說明中給出的變異系數(shù),并將兩種變異系數(shù)計(jì)算出的結(jié)果與設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比.圖1、圖2分別繪出了多孔頁巖磚和粘土實(shí)心磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,試驗(yàn)曲線表明:多孔頁巖磚砌體與粘土實(shí)心磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度特性相似,但多孔頁巖磚砌體較粘土實(shí)心磚砌體具有更大的脆性.4多孔頁巖磚砌體的填充施工(1)多孔頁巖磚中的KP型頁巖磚砌體及長孔DM型多孔頁巖磚砌體,其砌體抗壓強(qiáng)度、沿通縫截面抗剪強(qiáng)度和彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均滿足文獻(xiàn)中的相關(guān)要求,因此KP型及長孔DM型多孔頁巖磚的建筑設(shè)計(jì)可參照文獻(xiàn)中有關(guān)粘土燒結(jié)磚的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.但圓孔DM型多孔頁巖磚砌體的試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)文獻(xiàn)給出的變異系數(shù)計(jì)算時(shí),沿通縫截面抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不能滿足文獻(xiàn)的要求,應(yīng)予以關(guān)注.(2)多孔頁巖磚較粘土燒結(jié)磚脆性高,由于多孔,破壞后砌體殘余承載能力較低,因此應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采取一定的措施,提高安全性.(3)多孔頁巖磚砌體在砌筑過程中,由于部分砂漿浸入磚孔中形成砂漿銷栓,有利于提高砌體的抗剪承載力,但也增加了砂漿的用量,此外,磚孔的存在易影響砌筑砂漿層的飽滿度.因此,建議生產(chǎn)半盲孔形式磚,砌筑時(shí)將盲孔面朝上,既便于砌筑施工,也可有效提高砂漿飽滿度,提高施工質(zhì)量.(4)多孔頁巖磚由