砌体材料及其力学性能

1、第三节 无筋砌体的抗压强度平均值一、砌体轴心受压的破坏特征二、影响砌体抗压强度的主要因素三、各类砌体抗压强度平均值的计算一、砌体轴心受压的破坏特征引言砌体的受压工作性能与单一匀质材料有明显区别，由于砂浆铺砌不均匀等因素，块体的抗压强度不能充分发挥，使砌体的抗压强度一般低于单个块体的抗压强度。为了正确了解砌体的受压工作性能，有必要介绍砖砌体轴心受压及破坏过程。一、砌体轴心受压的破坏特征砖与砂浆的应力应变特征 f应力峰值 fmax 0 峰值应变0 极限应变u砖为脆性材料，具有较长的直线段，达fu后很快达到u而破坏。 0 ：0.0010.0015 u ：0.00110.0023图1 砖的应力应变特征

2、一、砌体轴心受压的破坏特征砖与砂浆的应力应变特征 / fpr,m 0 /0 峰值应变0 极限应变u与砖相比，砂浆具有较好的变形能力。0 ：0.00140.0021 u ：0.003以上图2 砂浆的应力应变特征1. 砖砌体轴心受压破坏过程从加压到破坏，砖砌体大致经历三个受力阶段：第一阶段单砖先裂：N(加压荷载)0.5-0.7Nu(破坏荷载)，某些单砖出现竖向裂缝，停止加载，裂缝停止发展。第二阶段裂缝沿竖向贯穿若干皮砖： N0.8-0.9Nu，单砖内的个别裂缝连接形成贯穿几皮砖的竖向裂缝，停止加载，裂缝继续发展，即对荷载长期效应而言，砌体已经达到破坏荷载。第三阶段形成若干独立小柱子：对短期荷载而言

3、，为砌体完全破坏瞬间，即砌体达到极限强度，呈失稳或压碎破坏。2. 砌体受压时的受力状态分析(1)两组砖砌体的试验结果揭示有必要对砌体受压时的受力状态进行分析试件尺寸370mm240mm，高720mm组 别砖的强度(N/mm2)砂浆的强度(N/mm2)破坏荷载(KN)砌体的强度(N/mm2)水泥砂浆5.755.401862.10水泥石灰砂浆8.801.401782.00第一组试件：砌体的强度低于砖的强度，也低于砂浆的强度第二组试件：砌体的强度低于砖的强度，但高于砂浆的强度2. 砌体受压时的受力状态分析(2)砌体受压时的受力状态 1)砌体中的每一块砖并不是均匀受压，而是同时受弯曲及剪切的作用。 砖

4、的表面不平整、砂浆铺砌不可能十分均匀。 (砖并不处于均匀受压状态，因砖的抗剪、抗弯强度低而出现第一批裂缝。) 砌体的抗压强度总是比砖的强度小。 (砌体破坏也只是局部截面上的砖被压坏。就整个截面来说，砖的抗压能力并没有被充分利用。)2. 砌体受压时的受力状态分析(2)砌体受压时的受力状态 2)砌体竖向受压时，要产生横向变形。 强度等级低的砂浆横向变形比砖大。 (砖与砂浆存在的粘结力，保证两者具有共同的变形，而产生交互作用。) 用低强度等级砂浆砌筑的砌体，其抗压强度可以高于砂浆强度。 (砖上下受压，横向受拉；砂浆处于各向受压状态，其抗压强度有所增加。) 强度等级高的砂浆和砖的横向变形相差很小。 (

5、两者交互作用不明显，砌体的强度不能高于砂浆本身的强度。)2. 砌体受压时的受力状态分析(2)砌体受压时的受力状态 3)砌体的竖向灰缝不可能完全填满，截面积减损、粘结力不能保证，其上砖内产生横向拉应力和剪应力的应力集中，引起砌体强度的降低。 二、影响砌体抗压强度的主要因素1. 块体和砂浆的强度2. 块体形状、尺寸、平整度3. 砂浆的性能4. 砌筑质量1. 块体和砂浆的强度(最主要影响因素) (1)砖强度： 砖强度与砌体强度之间有很大的区别砖不平整，砂浆厚度与密实度不均匀，砖与砂浆横向变形能力差异，竖向灰缝上砖内的应力集中，试验上的差异(尺寸效应、砂浆材料)等。 砌体强度与砖强度的方根成正比。砖的

6、强度越高，在砌体中的利用率越低，一般在15-60之间变化。另外，砖的抗弯强度较抗压强度对砌体的强度影响更大。 (2)砂浆强度： 当砖强度一定时，砌体强度随砂浆强度而线性增长(但并不成正比，砌体强度的增长落后砂浆强度的增长很多)。砂浆的强度越高，砖强度在砌体中的利用率越高。 2. 块体形状、尺寸、平整度(影响因素) 尺寸：高度，长度弯剪应力，强度 形状与平整度弯剪应力，强度 88规范规定的砖砌体标准试件截面尺寸为240mm370mm，高度为720mm。 尺寸效应换算系数： =1/(0.72+20S/A) 式中：S试件截面的周长 A试件截面面积 3. 砂浆的性能(影响因素) 流动性和保水性：流动性

7、和保水性好的砂浆，铺砌的灰缝的厚度与密实度较均匀，可以降低块体在砌体内的弯剪应力，从而提高砌体的强度。使用掺合料可以提高砂浆的流动性并不能直接提高砂浆的强度。 砂浆的变形性能：砖强度不变时，砂浆的强度等级越低，变形越大。砖与砂浆的相对变形大小将影响单砖的受力情况。4. 砌筑质量(影响因素)砌筑质量有助于改善砌块的受力性能： 润砖增加粘结力，含水率8-10 水平灰缝的厚度控制砂浆的横向变形，8-12mm 水平灰缝的饱满度80 水平灰缝的平整度 竖向灰缝的饱满度50 新砌灰缝的早期受压可增加砌体的密实度，而提高砌体的强度。 三、各类砌体抗压强度平均值的计算引言砌体的抗压强度与许多因素有关，目前采用

8、从强度破坏机理上建立计算模型再用试验数据确定有关参数的办法尚有困难，因此大多根据范围较为广泛的系统试验归纳得出的经验公式进行计算。许多国家的学者提出过种种计算方法。为了掌握砌体抗压强度的各主要因素与砌体强度的关系，我国有关单位共取得三千多个试验数据。 88规范修订组根据既要与试验值相符合，变异系数要尽量小，物理概念要明确，并在表达式方面尽量向国际标准靠拢的原则，通过反复运算和研究，提出了各类砌体抗压强度平均值的计算统一公式。三、各类砌体抗压强度平均值的计算三、各类砌体抗压强度平均值的计算公式特点 为统一公式，涵盖各类砌体；与试验值符合较好，反映了各因素的影响。 (1)主要取决因素f1-fm与f

9、1的方根成正比 以砖砌体为例： 1)砖强度的利用率随砖强度的提高而降低 常用材料范围内，砖强度的利用率在15-60之间，并随砖强度的提高而降低，砖强度提高4倍，砌体强度只提高2倍。例：三、各类砌体抗压强度平均值的计算三、各类砌体抗压强度平均值的计算 2)砂浆的强度越高，砖强度的利用率越高 如上两例。 (2)其次影响因素-f2 1)低强度砂浆中，砖强度的利用率很低 2)砌体强度随砂浆强度而线性增长，但砌体强度的增长落后于砂浆强度的增长很多。 如：f2=1MPa，fm=0.835f1； f2=15MPa，fm=1.6f1 即f2增加15倍，fm仅增加1.92倍。三、各类砌体抗压强度平均值的计算(3

10、)k1与K1与块体种类和砌筑方法有关，与块体高度有关，两者可综合体现砌体抗压强度的大小。如混凝土砌块砌体，因其为单片顺砌或丁砌，而易形成独立小柱，且其高度一般大于90而对抗弯有利，故修正。(4)k2低强度砂浆横向变形大，故修正。(5)高强砌块砌体的抗压强度不能用统一公式外延，必须加以修正。见P23表1.9附录第四节 砌体的抗拉、抗弯、抗剪强度平均值一、砌体拉、弯、剪的破坏形式 计算中仅考虑水平灰缝中的粘结力，而不考虑竖向灰缝的粘结力。 a) 沿块体和竖缝与块体的抗拉强度、切向粘结强度有关。b) 沿齿缝 切向粘结强度与砌筑方式有关c) 沿通缝不允许出现一、砌体拉、弯、剪的破坏形式法向粘结强度很低

11、，一般不足切向粘结强度的1/2，而且往往不易保证。砌体的切向受力砌体的法向受力一、砌体拉、弯、剪的破坏形式(1)抗拉：a)不允许设计沿通缝截面破坏的受拉构件。b)沿齿缝破坏，砌体抗拉承载力取决于破坏截面上水平灰缝的面积，即与砌筑方式有关不考虑提高，只考虑折减。c)沿块体和竖缝破坏，砌体抗拉承载力取决于块体本身的抗拉能力，故抗拉截面积只有砌体受拉截面积的一半。为方便计算仍取受拉全截面积，但强度以块体抗拉强度的一半计算。d)砌体的抗拉强度，取上述两种强度的较小值。一、砌体拉、弯、剪的破坏形式(2)抗弯：a)沿通缝截面b)沿齿缝截面c)沿块体和竖向灰缝截面取b)、c)两种弯曲抗拉强度的较小值。一、砌

12、体拉、弯、剪的破坏形式(3)抗剪：砌体水平灰缝的切向粘结力实际上就是砌体沿通缝截面的抗剪强度，一般通过试验确定。单剪试验(73规范)离散性大双剪试验砌体结构基本力学性能(GBJ129-90)一、砌体拉、弯、剪的破坏形式砌体受剪破坏形式。据试验，三种抗剪强度基本一样。沿通缝剪切 沿齿缝剪切 沿阶梯形缝剪切 剪摩破坏 斜压破坏 剪压破坏二、砌体拉、弯、剪平均强度计算公式轴心抗拉强度平均值弯曲抗拉强度平均值抗剪强度平均值ft,m=k3f2ftm,m=k4f2fv,m=k5f2k3k4k5沿齿缝沿通缝 k值与砌体种类有关第五节 砌体的变形性能 一、砌体的应力应变关系砌体是弹塑性材料，从受压一开始，应力

13、与应变就不成直线变化。随着荷载的增加，变形增长逐渐加快。在接近破坏时，荷载很少增加，变形急剧增长。所以对砌体来说，应力应变是一种曲线变化规律。据前苏联和国内湖南大学一组4个试件和西安冶金建筑学院5个变形较小试件的量测结果资料，应力应变-曲线采用下列对数关系式较符合：一、砌体的应力应变关系一、砌体的应力应变关系二、砌体的弹性模量切线弹性模量E初始弹性模量E0割线弹性模量E二、砌体的弹性模量 规范主编者建议取值 1)为了避免当fm很大时，E随fm的加大而增长过多，即避免曲线上翘，取 当fm1.5MPa时，=1250/3 当fm1.5MPa时，=1250(1-1/fm) 所给出的值，与=460f 是

14、一致的。 2)规范规定的E，与f成正比，并且仍然以砂浆的强度等级为基准。 3)石砌体E根据f2采用。三、砌体的剪变模量由材料力学 G =E/2(1+) 式中： 泊松系数，一般取0.10.2。对标准 砖与空心砖砌体，近似可取为0.15， 对于砌块砌体，可取为0.3。 则 G =E/2(1+)=(0.450.38)E 规范近似取： G=0.4E三、砌体的物理性能指标1. 砌体的线膨胀系数温度变化引起砌体膨胀、收缩变形。当这种变形受到约束时，砌体会产生附加内力、附加变形及裂缝。当计算这种附加内力及变形裂缝时，砌体的线膨胀系数是重要的参数。限制温度:不超过400度(参见P39)三、砌体的物理性能指标2. 砌体的收缩率砌体吸水膨胀，失水干缩，产生变形。对于烧结块材砌体，干缩变形较小；而非烧结块材