蒸压粉煤灰多孔砖砌体抗压强度试验研究

蒸压粉煤灰多孔砖砌体抗压强度试验研究

0试验内容的确定碳灰粉多孔砖的抗压强度和抗压弹性是创建堆垛板结构的重要参数。这些值关系到堆栈结构的安全性和经济性。我国在蒸压粉煤灰砖砌体的应用研究方面尚刚刚起步,对其砌体的基本力学性能试验研究开展得也不多,本试验研究的目的是在有关试验研究基础上,进一步研究蒸压粉煤灰多孔砖砌体的基本力学性能。在确定本文的试验内容时,充分考虑了砂浆强度及厚度对砌体抗压强度的影响,以及与普通黏土砖砌体的力学性能进行比较。共进行了11组33个试件(其中包括18个蒸压粉煤灰多孔砖试件及15个普通黏土砖试件)的抗压强度与弹性模量试验,在分析试验结果的基础上,提出了蒸压粉煤灰多孔砖砌体抗压强度及抗压弹性模量的计算方法。本课题的研究内容及结果可以为编制相应的应用技术规程和完善我国的砌体结构设计规范(GB50003—2001)提供试验依据,可以促进蒸压粉煤灰砖在实际工程中的应用。1测试1.1混凝土砌体材料试验选用的蒸压粉煤灰多孔砖,主要以粉煤灰、石灰、石膏以及骨料为原料,经坯料制备,高吨位压力机压制成型。其规格尺寸为240mm×115mm×90mm,实际尺寸误差约-2mm,圆形孔径为23mm、孔洞率为30%,其侧面及上下两面平整光滑,如图1所示。试验用普通黏土砖规格尺寸240mm×115mm×53mm,为传统砌体材料,用于与蒸压粉煤灰多孔砖砌体进行对比分析。抽样蒸压粉煤灰多孔砖及普通黏土砖单砖抗压强度实测值见表1。1.2试验使用砂浆试验采用设计强度为M2.5、M5、M7.5、M10共4种强度等级的水泥混合砂浆和M10专用砂浆进行对比试验。1.3弹性模量试件蒸压粉煤灰多孔砖及普通黏土砖与5种设计强度砂浆进行组合,共11组33个试件,其中6组18个蒸压粉煤灰多孔砖砌体试件及5组15个普通黏土砖砌体试件,各组试件中各选1个进行弹性模量试验。蒸压粉煤灰多孔砖砌体试件由8皮砖砌成,其外廓尺寸为240mm×370mm×790mm,上、下顶面用10mm厚的水泥砂浆找平。普通黏土砖砌体试件由12皮砖砌成,其外廓尺寸为240mm×370mm×740mm,上、下顶面用10mm厚的水泥砂浆找平。试件分组情况见表2。1.4加载方案和测量方法1.4.1压板及试件的铺设为避免因试件承压面与试验机压板接触不均匀紧密而影响试验结果,先在下压板上放置钢板并铺1层干砂,然后将试件吊起,吊起过程中保护好试件,不要使试件破损,清除试件下承压面的杂物后,置于试验机下压板上的钢板上,并使试件下承压面与干砂之间密实,再在试件上承压面铺少量干细砂。1.4.2试验结果的测量试验中因需测量试件的横纵变形值,故在试件2个宽侧面的横竖向中线上,分别通过粘附于试件表面的表座安装百分表。其中纵向的百分表测点距离约为试件高的1/3,且为1个块体厚加1条灰缝厚的倍数,测量试件的轴向变形;横向的百分表测点与试件边缘的距离不小于50mm,测量试件的横向变形。进而可以求得试件的轴向应变和横向应变以及弹性模量。试验装置如图2所示。1.4.3模量试验的加载试验在沈阳建筑大学结构试验室2000kN压力机上进行。试件加载按照标准规定的试验方法,缓慢匀速加荷至试件破坏。弹性模量试验的试件加载参照砌体试验的标准方法进行,根据同批试件的抗压强度试验值,在预估破坏荷载的20%区间内反复预压3~5次,并同时进行试件的物理对中调整,使其安装在2个宽侧面的轴向应变值的相对误差小于10%,然后按预估破坏荷载的10%,约每级100kN进行加载并记录每级荷载下的变形读数,直至加载至大约0.8倍的极限荷载后卸下百分表,继续加载至试件破坏。1.4.4数据收集和记录试验过程中试件的开裂荷载、极限破坏荷载由屏显式压力机读取;百分表读数由人工读取。试件的裂缝状态在试验现场人工描绘,然后拍照记录。2试验现象分析2.1单砖裂缝与单砖抗拉力裂缝的发生试件受压破坏过程可大致分成以下5个阶段:(1)在加载初始阶段[pa=(0.30~0.40)pu,pu为最大荷载值],应力-应变曲线基本呈直线,说明试件基本处于弹性阶段。该阶段中,若荷载不增加,千分表读数则保持不变。(2)继续加载pa至(0.50~0.70)pu时,一般在单砖强度较低的地方或者竖向灰缝不太饱满的地方出现第1条竖向单砖裂缝(平均为0.6805pu时出现第1条竖向单砖裂缝)。此时荷载不增加,裂缝则缓慢发展,若继续增大荷载,则单砖裂缝不断发展,并沿竖向穿过若干皮砖。(3)随着荷载pa再增大至(0.80~0.90)pu时,单砖内裂缝不断发展,并逐渐连接成一段段的裂缝,沿竖向通过若干皮砖,这时既使不增加荷载,裂缝仍继续发展,百分表指针的读数增大速率较快。在实际结构中若发生这样情况,应该看作是结构处于危险状态的特征。(4)当荷载加pa至(0.90~0.95)pu时,此时裂缝基本上下贯通整个试件;到达pu后,试件的承载力马上下降,但试件的裂缝迅速加宽、连通,多孔砖试件顶部的砖开始出现脱皮、外鼓,并伴随着局部掉块,而实心砖试件没有出现这种现象。(5)当荷载pa下降至(0.70~0.80)pu,试件被裂缝分割成若干小柱体,逐渐从中间部位外凸失稳、脱落,最后破坏。破坏形式见图3。2.2单砖裂缝在单砖裂缝0.600.70pu出现由于专用砂浆粘结性能较好,对砖的约束加强,使得单砖裂缝在(0.60~0.70)pu出现(平均为0.6688pu)。其它现象与混合砂浆砌体试件类似。2.3混合砂浆砌体试件普通黏土砖砌体的第1批裂缝发生于破坏荷载的60%左右(平均为0.6665pu),其它现象与混合砂浆砌体试件类似。破坏时蒸压粉煤灰多孔砖与普通黏土实心砖的最大区别是被压碎的形状不同,粉煤灰砖为粉末状,而普通黏土砖为块状或片状。3试验结果与分析3.1抗压强度计算公式影响砌体抗压强度的因素很多,如试件尺寸和形状、砌块强度、砌块孔洞内砂浆的饱满度、砂浆的强度、砌块的空心率以及试验时的加荷速率等。如果在统一试件标准和试验标准后,则多孔砖砌体的抗压强度就主要与块材强度、砂浆强度有关。对于多孔砌体的抗压强度,可以简化成由两部分组成:第一部分是块材对抗压强度的贡献;第二部分是砂浆强度对抗压强度的贡献。但实际上多孔砖与砂浆在垂直荷载作用下的相互作用和共同工作机理是非常复杂的,它和两者在受压状态下的横向变形及相互作用、两者之间的粘结力等因素有关,特别是和它们各自的应力-应变关系及应力峰值的相对关系有很大的影响。从文献中也可看到,一般都把多孔砖的强度和砂浆的强度作为影响多孔砖砌体抗压强度的主要因素。本文的试验结果经整理分析后如表3所示。表3数据为各组试验数据的平均值,试验结果表明砂浆强度对砌体抗压强度的影响较大。根据GB50003—2001《砌体结构设计规范》,砌体抗压强度平均值fm计算公式为:式中:f1———砖的抗压强度平均值,MPa;f2———砂浆的抗压强度平均值,MPa;α、k1、k2———系数,α=0.5,k1=0.78,k2=1.0。对本试验试件进行试验验证,从表3可以发现,规范公式的计算结果与实测结果差别不是很大,蒸压粉煤灰多孔砖实测值fmt与规范值fmc的比值在0.72~1.28,平均为1.09。规范值基本包络住了实测值。因此,通过验证说明规范要求的砌体抗压强度平均值计算公式适用于蒸压粉煤灰多孔砖。由此建议蒸压粉煤灰多孔砖砌体抗压强度平均值计算公式为式(1)。但由表3发现,随着砂浆强度的增加,fmt与fmc的比值降低,说明当砂浆强度较高或砂浆强度高于块材强度时,规范公式过高估计了砂浆强度对砌体抗压强度的影响,但在砂浆强度不大于30MPa时,采用规范公式还是安全的。但如果高强砂浆的出现,建议修改规范中公式。3.2砌体弹性模量与强度的测试砌体的弹性模量是结构设计的基本参数,可以影响砌体结构设计的很多方面,不仅在静力计算中会影响结构构件之间的内力分配、结构的变形等,而且在结构的抗震动力设计中会影响到结构本身的自振周期,进而影响结构的地震作用、结构的耗能能力以及结构的地震反应等。砌体的弹性模量实际上是指在一定应力区域内其应力-应变的相对关系,我国《砌体基本力学性能试验方法标准》规定,应力与轴向应变的关系曲线应以σ为纵座标、ε为横座标绘制。且当加荷至预估破坏荷载值的80%时,拆除仪表。因此本次试验只测出了曲线的上升段,如图4、图5所示。根据曲线,应取应力σ=0.4fc,m时的割线模量为该试件的弹性模量,并应按式(2)计算:式中:E———试件的弹性模量,MPa;fc,m———试件的抗压强度,MPa;ε0.4———对应于0.4fc,m时的轴向应变值。根据公式(2)及图4应力-应变曲线,得到弹性模量实测值。GB50003—2001《砌体结构设计规范》给出的蒸压粉煤灰砖砌体弹性模量计算公式如下:当M=2.5MPa时,E=960f(3)当M≥5.0MPa时,E=1060f(4)式中:f———砌体强度设计值,根据文献有:式中:fm———砌体抗压强度平均值,按式(1)计算,MPa;fk———砌体抗压强度标准值,MPa;δf———砌体抗压强度变异系数,取δf=0.17;所以,f=0.45fm(7)由实测值f1t、f2t及公式(1)、(3)~(7)计算得规范抗压强度设计值fc及弹性模量规范值Ec,列入表4与弹性模量实测值Et比较。从表4可见,实测值均高于规范值。由于试验的试件数量有限,尚不能充分反映砌体的弹性模量值,但根据试验结果可以知道,规范公式(4)的表达式取值偏低。因此,结合本次试验成果,综合考虑各方面的影响因素,对公式(4)进行合理修正,取蒸压粉煤灰多孔砖砌体受压弹性模量的计算公式如式(8)所示。为了比较试验值与计算值的差异,将实测的蒸压粉煤灰多孔砖砌体的弹性模量值以及按公式(8)计算得到的相应结果Ex列于表4中。由于多孔砖砌体的变形与孔中砂浆率、多孔砖块材以及砌筑砂浆等有关,它们之间的相对关系决定了多孔砖砌体受力及变形的复杂性。从表4也可以看到,蒸压粉煤灰多孔砖砌体的弹性模量试验值离散较大,但是公式(8)更接近实测值。图6是实测弹性模量与抗压强度的关系。相对而言,公式(8)比公式(4)要合理一些。4抗压强度及应用结果(1)蒸压粉煤灰多孔砖砌体的抗压强度与块材强度,以及砌筑砂浆强度有关。(2)通过验证说明砌体结构设计规范公式fm=k1f1α(1+0.07