蒸压加气混凝土制品抗压强度试验研究

蒸压加气混凝土制品抗压强度试验研究

1性能差,影响建筑结构由于其良好的隔热和抗热性，蒸压混凝土产品已成为实现建筑节能目标的理想建筑材料。它可以在中国不同的天气条件下实现自己的“单一材料”自炎系统。这是结构和多层建筑支撑墙和房屋的首选材料。它特别是在未来村庄的节能建筑中发挥主导作用。但是,近年来的工程实践表明,由于蒸压加气混凝土原材料配比不尽合理、设备和生产工艺落后、制品应用的相关技术不完善等原因,墙体饰面掉皮、局部冻伤和抹灰层空鼓等质量问题时有发生,尤其是不同程度的墙体裂缝现象司空见惯,轻者影响墙体热工性能和建筑的使用功能,重者将危及建筑结构的安全,制约着蒸压加气混凝土的推广和应用。为此,本文针对蒸压加气混凝土制品在工程应用中存在的问题开展了试验研究,其研究成果为编制CECS289:2011《蒸压加气混凝土砌块砌体结构技术规范》(以下简称本《规范》)提供了技术支撑。2外墙加热性能表1和表2分别是GB50189《公共建筑节能设计标准》和JGJ26《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》对不同气候地区公共建筑和居住建筑外墙热工性能的要求。表3和表4分别为不同蒸压加气混凝土密度等级、不同砌块墙体厚度以及不同砌筑灰缝厚度墙体的平均传热系数。由上述建筑节能设计标准对建筑外墙热工性能的要求和蒸压加气混凝土砌块墙体的热工指标比较可以看出,加气混凝土砌块墙体不仅满足一般气候条件下建筑外墙节能的需要,而且可以满足寒冷及严寒地区建筑外墙节能的要求。由此可见,加气混凝土制品是目前墙体材料中唯一无需复合就可以满足我国各地区建筑外墙节能要求的墙体材料。另外,加气混凝土砌块墙体的热工性能与砌筑砂浆灰缝厚度有关,因此,采用与加气混凝土砌块保温性能相匹配的砌筑砂浆或减小砌筑灰缝厚度,将会提高墙体的热工性能。减小砌筑灰缝的前提条件是必须降低砌块外形尺寸的误差。3指蒸压混凝土砌块的机械性能指标3.1江苏江苏省某企业试验采用的的蒸压加气混凝土砌块分别来源于北京金隅集团和江苏南通某企业。按照GB11971《加气混凝土力学性能试验方法》规定的试验方法,制作边长为100mm的立方体试件,分别进行了抗压强度和劈拉强度试验。3.1.1单位试件试验北京金隅集团的砌块,共做了4组12个试件;江苏南通砌块,共做了3组9个试件。分两批试验完成。两个单位试件抗压强度实测平均值分别为5.10MPa、5.03MPa。试验及试件破坏情况见图1。3.1.2江苏单位试件概况北京金隅集团的砌块,共做了4组12个试件;江苏南通砌块,共做了3组9个试件。两个单位试件劈拉强度实测平均值分别为0.59MPa、0.53MPa。试验及试件破坏情况见图2。3.2混凝土强度计算公式目前,关于蒸压加气混凝土强度指标标准值的取值有两种不同意见:一是按公式(1)计算,二是借鉴混凝土强度指标取值方法。考虑试件与实际结构构件的诸多差异,取试件强度修正系数0.88,即按公式(2)计算。蒸压加气混凝土抗压、劈拉强度指标和劈压比见表5。式中:fk—强度指标标准值(MPa);fm—实测强度平均值(MPa);σ—标准差(MPa)。试验结果分别按公式(1)和公式(2)计算标准值,公式(2)的计算结果比公式(1)的计算结果小15%左右。表5中两个不同企业所生产加气混凝土制品的抗压和抗拉强度试验值的变异系数分别为0.158、0.193。加气混凝土标准值如何取值有待商榷。本《规范》蒸压加气混凝土砌块强度按公式(3)计算。4加压混凝土填充砌体试件试验采用的蒸压加气混凝土砌块分别来自北京金隅集团和江苏南通某企业,加气混凝土砌块砌体试件按JGJ/T17《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》所规定的方法试验。4.1抗压强度4.1.1抗压承载力抗压强度砌体抗压强度试验共进行了5组30个试验,试件设计见表6,试验结果见表7。由表7试验结果可以看出,试件的砌筑方式对砌体抗压强度影响不大,说明水平灰缝中钢筋或纤维无助于提高砌体抗压强度,专用砂浆对提高砌体抗压强度有一定作用。但是,在砌体灰缝中配钢筋或纤维(试件KY-PG、KY-PX),可以明显提高抗压砌体的开裂荷载,比试件KY-P提高约24%。专用砂浆对提高抗压砌体的开裂荷载有一定影响,比试件KY-P提高约10%。图3、图4为部分破坏情况,图5、图6为部分试件实测应力-应变曲线。4.1.2本试验结果的变异系数JGJ/T17《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》规定,当砂浆强度等级为M5.0时,砌体抗压强度标准值为fk=0.65fck。由表7试验结果可知,30个试件的变异系数为0.155,砌块强度的平均利用率约为73%。尽管试验结果的变异系数小于规程取值(0.17),砌块强度的平均利用率大于65%。但考虑到本次试件数量较少,砌块强度的平均利用率不宜取值过大,建议仍按JGJ/T17《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》规定取值。4.2材料分值的确定蒸压加气混凝土砌块砌体材料分项系数如何取值问题是亟待解决的问题。编制JGJ/T17-84《蒸压加气混凝土应用技术规范》时,考虑到加气混凝土在我国使用的时间短,缺乏长期的应用资料,砌块施工中易损坏等原因,取安全系数为K=3,而GBJ3-73《砖石结构设计规范》取安全系数为K=2.3。为了探讨加气混凝土砌块砌体材料分项系数的取值,以折算安全系数评价可靠度水平。根据砌体承载力计算公式(5)可推得折算安全系计算公式(6)。取不同荷载比值ρ及材料分项系数γf,由公式(6)求得折算安全系数,计算结果见表8。设平均荷载系数:式中:ρ─可变荷载效应标准值与永久荷载效应标准值的比值,ρ=SQ/SG。承载力计算公式:折算安全系数:由表8折算安全系数与材料性能分项系数的分析结果可以看出,对于给定的砌体抗压强度变异系数0.17、荷载比值ρ及荷载分项系数的条件下,当取材料分项系数γf=1.6时,折算安全系数均小于3,当取材料分项系数γf=1.8时,折算安全系数均大于3。另外,鉴于蒸压加气混凝土制品质量、配套材料及应用技术等今非昔比,加气混凝土砌块砌体与其他砌体应具有相同可靠性及适当提高砌体结构可靠度的原则,综合考虑,并为协调本《规范》与JGJ/T17《蒸压加气混凝土应用技术规范》砌体构件承载力计算差异,材料分项系数取γf=1.9。4.3砂浆强度对特征参数的影响砌体通缝抗剪强度试验共进行6组45个试件的试验,试件设计见表9,试验结果见表10。由表9试验结果可以看出,试件的砌筑砂浆的种类及强度对砌体通缝抗剪强度影响较大。普通砂浆砌筑试件KJ-P的砂浆强度较高,为10.6MPa,但由于其砂浆粘结力较差,使得通缝抗剪强度较低,结果离散性较大;试件JQKJ砂浆强度最低,但是由于专用砂浆的粘结力较好,使得其抗剪强度为普通砂浆的2.9倍;试件KJ-Z-BJ砂浆强度最大,其通缝抗剪强度也最大,是试件KJ-P的5.3倍;试件KJ-Z-LZ的通缝抗剪强度在专用砂浆砌筑试件中是最低的,仅为普通砂浆砌筑试件KJ-P的1.2倍。图7、图8为普通砂浆和专用砂浆砌筑试件的破坏情况。5混凝土砌块的抗疲劳性能5.1试验设备和试验方案的设计5.1.1墙体结构设计加气混凝土砌块墙体抗震性能试验共进行10片试件的试验。其中,采用江苏蒸压加气混凝土砌块砌筑墙4片,设计尺寸为1210mm×1230mm×200mm,墙顶混凝土压梁高300mm;采用北京蒸压加气混凝土砌块砌筑墙6片,设计尺寸为1210mm×1290mm×240mm,墙顶混凝土压梁高250mm。耐碱玻璃纤维每米宽可承受30kN拉力。墙片基本参数见表11,试件见图9。5.1.2无砂胶结充填试件根据GBJ129-90《砌体基本力学性能试验方法标准》的规定,墙体在制作过程中,所有试件由同一名中等技术水平的瓦工师傅砌筑,砌筑砂浆要搅拌均匀,尽可能减少砂浆和人工的差异对试件强度的影响。砌块与砂浆粘结后用橡皮锤敲击砌块,力求灰缝平整、密实、饱满,以减少砌筑对试件质量的影响。5.1.3加载水平加载试验采用沈阳建筑大学结构试验室的四连杆机构加载装置。平行四连杆机构能够保证在水平力作用下,试件顶面只发生平动而不发生转动,能有效地阻止墙体的整体转动,使墙体受力状态接近于实际地震时的受力状态。采用250kN的MTS施加水平低周往复荷载。采用液压千斤顶来施加竖向荷载。千斤顶与L形梁间布置有滑板装置,可减小L形梁与千斤顶的水平摩擦。在墙体顶梁中部布置位移计,以量测在加载过程中墙体的水平位移。位移计架设要求水平并垂直于顶梁截面。位移计的支架固定在底梁上,保证所测位移是墙顶梁与底梁的相对位移。位移计连接到FX-346数据采集仪上,由计算机自动采集,平均每秒采集一次。试验墙体所受的竖向压力大小可以从与施加竖向力的千斤顶传感器连接的XL-2101B3+静态应变仪上读数得到。在进行水平反复加载的过程中,通过高精度静态伺服液压控制台来保持竖向压力大小不变。在试验过程中施加的水平荷载可由MTS系统采集,并且可直接绘出滞回曲线。5.1.4荷载及位移控制开始试验时,先施加竖向荷载。在整个试验过程中,竖向荷载值保持不变。水平荷载采用分级加载方式,试件开裂前采用荷载控制,第一级荷载值为10kN,后一级荷载数值较前一级增加10kN,每级荷载循环一次。墙体开裂后采用位移控制加载,以初裂位移为控制量,并以该位移值为级差进行位移控制加载。位移控制时每级荷载循环3次。当水平荷载下降至极限荷载的80%时,认为试件达到破坏极限,停止加载。5.2滞回试验的荷载与无筋普通砂浆墙体比较,普通砂浆水平配纤维和专用砂浆墙体的极限承载力提高了8%;普通砂浆水平配钢筋砌块墙体极限剪切力提高了45%左右;专用砂浆配纤维提高了38%。无筋墙体一旦开裂,承载能力一般不会再提高,这说明墙体开裂后的强度储备较少,材料的脆性异常明显。当墙体配制了水平钢筋或纤维后开裂尚有30%以上的荷载储备。水平配筋和纤维不但提高了砌块的承载能力,也改善了砌块的脆性性质。墙体滞回试验承载力和位移见表12。对于正压力为0.4MPa的试件JQPJ-1和试件JQPJ-3,JQPJ-3的配筋率要大于JQPJ-1,但JQPJ-3的开裂荷载要略小于JQPJ-1,这可能是由加载速度过快而产生的冲击荷载以及试件存在缺陷而造成的。试件JQPJ-3比试件JQPJ-1的极限承载能力提高了10%,试件JQPJ-4比试件JQPJ-2的开裂荷载大10kN,极限荷载相差不多。正应力为0.6MPa的墙体开裂荷载比正应力为0.4MPa的墙体大14%。试件JQPJ-3和试件JQPJ-4的破坏位移比JQPJ-1提高了4倍。JQPJ-1与JQPJ-3的极限荷载与初裂荷载的比值分别为1.24和1.97;JQPJ-2与JQPJ-4的极限荷载与初裂荷载的比值分别为1.88和1.41;JQPJ-1与JQPJ-3的破坏位移与初裂位移的比值分别为5.9和37.2;JQPJ-2与JQPJ-4的破坏位移与初裂位移的比值分别为10.2和20.47。因此可以认为,对蒸压加气混凝土墙体进行适量的配筋可以很好地改善其脆性性质,提高延性,增强其变形能力,从而可以提高房屋的抗震能力。5.2.1墙体破坏特征试件的破坏形态见图10。墙体在开裂前无明显的破坏迹象。当水平荷载达到开裂荷载时,墙体突然出现沿45°方向的斜裂缝,将墙体的两个对角线联通,并伴随有短促而清脆的响声,裂缝大部分穿过砌块而很少沿灰缝破坏。随着荷载的增加,墙体上将出现X形的主交叉裂缝。对于无筋砌体W-P-1和W-Z-6,主交叉裂缝出现后,裂缝扩展迅速,墙体的承载力将迅速下降。专用砂浆砌筑的墙体破坏时的突然性比普通砂浆砌筑的墙体略好一些,开裂也稍晚。其裂缝形式基本为一组交叉主裂缝。对于配筋砌体,主交叉裂缝出现后,墙体还可以承受一定的荷载。对于配筋率较低的墙体,其承载力不会再有较大提高,在较小的位移加载后,墙体承载力急剧下降,墙体严重破坏;而对于配筋率较高的墙体,其承载力还会达到一个新高,并且在较大的位移加载后才破坏,承载力缓慢下降,在墙体出现较多裂缝后仍然可以承受一定的荷载。水平荷载继续增加,在主交叉裂缝附近开始缓慢出现新的斜裂缝,随着荷载的不断增加,裂缝不断地向角部扩展。在墙体破坏后,裂缝将较均匀地分布在整个墙面。这种现象表明配筋墙体应力分布更加均匀,受力更加合理。对于配纤维墙体W-PX-4和W-ZX-5,当水平荷载达到初裂值时,其破坏特征与普通砂浆砌筑墙体相似,墙体出现交叉斜裂缝。随着荷载的增加,主裂缝开始缓慢发展,并在主裂缝附近出现新的斜裂缝。此时的墙体破坏接近水平配钢筋墙体的破坏特征。虽然纤维相对钢筋较弱,但也改善了砌体的延性,墙体的抗剪强度及变形能力均有增长。5.2.2配钢筋墙体的延性和变形能力墙片的滞回曲线见图11。从图11可以看出,在开裂荷载之前,滞回曲线接近直线,说明试件变形很小,基本处于弹性工作状态。在水平力达到开裂荷载后,位移幅值将逐渐增大,曲线变缓,刚度降低。达到极限荷载以后,曲线形状有显著差异:无筋墙体在超过极限强度后荷载下降较大,普通砂浆配纤维、专用砂浆配纤维、普通砂浆水平配钢筋、专用砂浆水平配钢筋墙体从开始加荷到试件破坏滞回环逐渐丰满。试件开裂后,曲线下降缓慢,极限位移较大。无筋试件W-P-1和W-Z-6以及配筋试件JQPJ-1和JQPJ-2在墙体开裂后,随着位移的增加,曲线幅值将会很快下降,说明这四种墙片的延性较差,耗能能力较差;试件W-PG-2、W-PG-3、JQPJ-3和JQPJ-4,在墙体开裂后,随着位移的增加,曲线幅值下降十分缓慢,有时还会有所增加,滞回环比较丰满,说明这四种墙片的延性较好,耗能能力较强;配纤维试件W-PX-4和W-ZX-5在墙体开裂后,曲线幅值下降比较缓慢,具有一定的耗能能力,延性比无筋试件和低配筋率试件好。砌块墙体的变形能力是衡量其抗震性能的一个重要指标。试件W-PG-2、W-PG-3、JQPJ-3和JQPJ-4的变形能力最大,试件W-PX-4和W-ZX-5次之,无筋试件W-P-1和W-Z-6以及配筋试件JQPJ-1和JQPJ-2的变形能力最小。说明对加气混凝土进行一定的配筋和配纤维可以有效地改善蒸压加气混凝土承重墙体的脆性性质和提高墙体的延性,在墙片达到破坏荷载后,依旧可以承受一定的荷载和发生一定的位移,保持裂而不倒。5.2.3墙体砌体强度由图12的骨架曲线的对比可以看出:(1)骨架曲线下的面积反映了墙体抗震耗能的能力,W-PG-2和WPG-3最大,W-PX-4、W-ZX-5、JQPJ-3、JQPJ-4次之,W-P-1、W-Z-6、JQPJ-2、JQPJ-1墙体最差。(2)无筋墙体W-P-1、W-Z-6和配筋墙体JQPJ-1、JQPJ-2在超过极限荷载后,骨架曲线陡峭下降,延性不好,耗能性也较差,专用砂浆砌筑墙体W-Z-6承载力比W-P-1稍好;JQPJ-2的抗震性能较JQPJ-1有比较明显的改善,由于压力较大,抗剪承载力有了更大的峰值点;由于配筋率较大,墙体在极限荷载后,其骨架曲线的斜率变化较小,并且可以延伸较远,这说明JQPJ-2的延性较JQPJ-1有了明显改善。(3)与压力为0.4MPa的墙体比较,压力为0.6MPa的墙体承载力提高许多,正压力能提高墙体的承载力。(4)水平配钢筋和纤维墙体的抗震性能均有比较明显的改善,不但抗剪承载力有了更大的峰值点,在超过极限荷载后,骨架曲线缓慢下降,甚至略有上升,极限荷载以后骨架曲线斜率变化较小,且延伸较远。充分说明钢筋能增加砌体结构的延性。5.3抗疲劳试验5.3.1抗剪性能分析考虑到加气混凝土强度较低,并且在试验中,墙体破坏时的裂缝绝大部分是沿着砌块发展,而很少沿灰缝发展,故对于抗震计算中的蒸压加气混凝土抗剪强度fv,应采用砌块的劈裂抗拉强度,而不再像传统的抗震公式那样采用抗剪试件得出抗剪强度。参考抗震规范,将砌体和水平配筋分开考虑,抗剪承载力等于砌体部分的抗剪承载力和水平配筋部分的抗剪承载力两部分之和。(1)砌体部分贡献的抗震承载力抗剪承载力:正应力影响系数:抗震承载力:取变异系数δf=0.17,当材料性能分项系数取γf=1.8时:(2)水平配筋部分贡献的抗剪承载力水平配筋对抗剪承载力的提高部分,采用抗震规范关于水平配筋普通砖、多孔砖墙体的截面抗剪承载力的公式:其中,系数ηs定义为加气混凝土墙体水平灰缝钢筋参与工作系数,对于其具体取值,还需要更多试验数据的支持。由于试验数据较少,针对本试验的试验数据,建议取0.5。综合以上分析,提出类似砖砌体的加气混凝土砌体抗震承载力验算公式。(1)无筋加气混凝土砌体抗震承载力验算公式:(2)水平配筋加气混凝土砌体抗震承载力验算公式:其中,ζt定义为蒸压加气混凝土正压力影响系数,按表13取用。式中:ηs—加气混凝土墙体水平灰缝钢筋参与工作系数,取ηs=0.5;V—抗震承载力;fy—钢筋的抗拉强度设计值;ρs—按层间墙体竖向截面计算的水平钢筋面积配筋率(%);A—墙体的横截面面积(mm2)。(3)水平配玻璃纤维加气混凝土砌体抗震承载力验算公式:式中:ρx定义为配纤率,即配纤层数与墙体宽度的比值;ηs—加气混凝土墙体水平灰缝纤维参与工作系数,取ηs=0.5;V—抗震承载力;fx—纤维的抗拉强度(MPa);ρx—配纤率(%),配纤层数与墙体宽度的比值;5.3.2公式3.2和公式13的确定用本文建议的蒸压加气混