淺析粉煤灰中型砌塊砌體結(jié)構(gòu)的檢測與鑒定

■ 陳海斌 Chen Haibin 王 昆 Wang Kun

1 概述

粉煤灰硅酸鹽密實中型砌塊(以下簡稱中型砌塊)是以工業(yè)廢料——粉煤灰和煤渣為主要原料制成的一種墻體材料。它是用粉煤灰、石灰和石膏作膠結(jié)料，煤渣作骨料，按一定的比例配合，再加入一定的水，經(jīng)攪拌、振動成型和蒸汽養(yǎng)護而制成的[1]。上海是中型砌塊建筑利用最早和推廣較好的城市之一。從上世紀60年代上海逐步形成中型砌塊多層住宅工業(yè)化體系開始，到90年代中期，中型砌塊建筑逐漸退出市場，上海建造了大量的以中型砌塊為承重墻體的多層住宅，據(jù)不完全統(tǒng)計，累計建筑面積達到20 000 000m2[2]。

在長期的實踐過程中，中型砌塊砌體房屋由于在建造成本、質(zhì)量控制方面存在諸多的問題，本世紀以來，中型砌塊已很少作為新建建筑的承重墻體材料使用，且在《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50003—2001）中規(guī)定“硅酸鹽制品的墻體材料中，只允許采用蒸壓灰砂磚和蒸壓粉煤灰磚，不允許再采用非蒸壓硅酸鹽磚和砌塊”。在后來的《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》（GB 50574—2010）中，則正式明確“墻體不應(yīng)采用非蒸壓硅酸鹽磚（砌塊）”，并將其作為強制性條文。

然而，就上海市現(xiàn)狀而言，大量建造于上世紀60～80年代的中型砌塊砌體住宅，已超過或即將達到50年的設(shè)計使用年限，存在年久失修以及在使用過程中出現(xiàn)的變形和損傷等問題，急需對這些房屋進行安全性鑒定評估，為其修繕提供相應(yīng)的技術(shù)依據(jù)。然而在實際工作中，筆者發(fā)現(xiàn)由于該類房屋建造年代較早，目前大部分既有建筑的檢測和鑒定標準對其均無明確的規(guī)定，加之相關(guān)的設(shè)計標準已不考慮這種結(jié)構(gòu)類型，因此，對由中型砌塊建造的砌體住宅的檢測與鑒定尚缺乏基本檢測鑒定方法，存在不少的技術(shù)難點和問題。本文將對這些問題進行分析，并提出相應(yīng)的解決方法，以供參考。

2 中型砌塊塊體強度的確定

對中型砌塊砌體結(jié)構(gòu)的檢測鑒定而言，首先需要確定的就是塊體的強度。然而目前而言，并無明確的可以確定中型砌塊塊體強度的檢測方法，且由于這種塊體材料已不再生產(chǎn)，難以研究對其強度的檢測方法。筆者試圖通過研究有關(guān)文獻資料，對中型砌塊這種塊體材料的強度特點進行分析，并對資料中的數(shù)據(jù)進行分析，建立相應(yīng)的測強曲線。在實際工程中，對建立的測強曲線進行驗證，提出上海地區(qū)中型砌塊塊體強度的驗證方法和參考范圍。

2.1 中型砌塊的特點

相對于砌體結(jié)構(gòu)其他塊材，中型砌塊的塊體強度及確定方法具有如下的特點。

2.1.1 強度不穩(wěn)定[3]，碳化后強度有一定程度的下降

中型砌塊是一種粉煤灰硅酸鹽制品，其與粉煤灰混凝土最大的區(qū)別就在于其強度會隨著材料的碳化發(fā)生一定程度的下降。實際工程中，部分工程人員容易混淆粉煤灰混凝土塊材和粉煤灰硅酸鹽塊材，往往將其強度混用，從而給房屋的安全使用留下隱患。其實，這兩者之間無論是材料組成，還是強度變化，都存在較大的區(qū)別。粉煤灰混凝土塊材是為了改善普通混凝土性能，摻入一定量的粉煤灰取代部分水泥，其主要的水化產(chǎn)物是Ca(OH)2，后期強度會隨著材料的碳化略有增加。粉煤灰硅酸鹽塊材主要以粉煤灰、石灰和石膏作膠結(jié)料，煤渣作骨料，經(jīng)自然、常壓蒸汽或高壓蒸汽養(yǎng)護生成以水化硅酸鈣為主要水化產(chǎn)物材料，其中，在自然或常壓蒸汽養(yǎng)護條件下生成的水化硅酸鈣碳化后強度會發(fā)生較大程度的降低。

1975年，原國家建委建材局硅酸鹽砌塊技術(shù)調(diào)查組對生產(chǎn)與使用蒸養(yǎng)粉煤灰硅酸鹽砌塊的調(diào)查結(jié)果表明[4]，硅酸鹽制品長期強度的發(fā)展，主要取決于試件內(nèi)膠結(jié)料的繼續(xù)水化作用和空氣中CO2的分解作用。在使用早期，即3年左右，試件內(nèi)膠結(jié)料的水化起主導(dǎo)作用，因此試件強度有不同程度提高，而后期（3年后）大氣中CO2對試件內(nèi)水化產(chǎn)物的分解起主導(dǎo)作用，造成試件后期強度有所下降，到全部碳化后，強度就基本穩(wěn)定。碳化對后期強度的影響程度，主要取決于膠結(jié)料中有效CaO的含量。一般膠結(jié)料中有效CaO含量為15%時，碳化后強度為原始強度的70%左右（即碳化系數(shù)為0.7）。

1984年，原國家建材局組織了第一次全國粉煤灰砌塊行業(yè)的質(zhì)量大檢查，對當時正常生產(chǎn)的13個企業(yè)進行現(xiàn)場抽樣，檢測結(jié)果表明[1]，大部分企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量符合部標準《粉煤灰硅酸鹽砌塊》( JC 238—78 ) 的要求，但碳化系數(shù)卻比較低，近40%企業(yè)的砌塊人工碳化系數(shù)在0.6以下，最低的僅為0.49。

因此，無論是《中型砌塊建筑設(shè)計與施工規(guī)程》（JGJ 5—80），還是《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ 3—88）中，均規(guī)定在確定中型砌塊的強度等級時，塊體的抗壓強度應(yīng)乘以自然碳化系數(shù)，當無自然碳化系數(shù)試驗時，可取人工碳化系數(shù)的1.15倍，且不得大于0.9。

2.1.2 驗收標準的強度標號與實際設(shè)計的強度標號不一致

這一點尤其要引起注意。如果混淆這兩者的區(qū)別，則會帶來較大的安全隱患。

我國關(guān)于中型砌塊的質(zhì)量標準前后共頒布了兩個版本，即部標準《粉煤灰硅酸鹽砌塊》和建材行業(yè)標準《粉煤灰砌塊》 (JC 238—91)。

（1）《粉煤灰硅酸鹽砌塊》中規(guī)定粉煤灰中型砌塊按其抗壓強度分為100號和150號2個標號。100號砌塊的強度要求每組3塊邊長200mm立方體的抗壓強度平均值不小于10.0MPa，其中最小值不小于8.0MPa，人工碳化后強度不小于6.0MPa；150號砌塊的強度要求每組3塊邊長200mm立方體的抗壓強度平均值不小于15.0MPa，其中最小值不小于12.0MPa，人工碳化后強度不小于9.0MPa。

（2）《粉煤灰砌塊》中，規(guī)定粉煤灰中型砌塊按其抗壓強度分為10級和13級2個標號。10級強度要求每組3塊邊長200mm的立方體抗壓強度平均值不小于10.0MPa，最小值不小于8.0MPa，人工碳化后強度不小于6.0MPa；130號強度要求每組3塊邊長200mm的立方體抗壓強度平均值不小于13.0MPa，最小值不小于10.5MPa，人工碳化后強度不小于7.5MPa。

上述兩個版本關(guān)于粉煤灰中型砌塊抗壓強度的驗收均以邊長200mm的立方體抗壓強度為標準，然而，有關(guān)設(shè)計規(guī)范中采用的粉煤灰中型砌塊的設(shè)計強度卻是塊體強度，比如《中型砌塊建筑設(shè)計與施工規(guī)程》中規(guī)定，齡期為28d的砌塊砌體的抗壓強度R按表2.0.3采用，表中砌塊抗壓強度Rk系指砌塊的單塊抗壓強度，其常用范圍為3.0~10.0MPa，Rk一般應(yīng)由試驗確定。當確無試驗條件時，Rk可近似取用下列折算值：

式中，R1—砌塊材料標號；

T—自然碳化系數(shù)。

88版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：砌塊的強度等級分為 MU15、MU10、MU7.5、MU5和MU3.5，確定硅酸鹽塊體的強度等級時，塊體的抗壓強度應(yīng)乘以自然碳化系數(shù)。該規(guī)范中關(guān)于砌塊強度等級的劃分與上述兩個版本的粉煤灰砌塊的強度等級劃分并不一致，且并沒有指出相應(yīng)的驗收標準。就常識而言，應(yīng)是指考慮碳化后的塊體抗壓強度，相當于《中型砌塊建筑設(shè)計與施工規(guī)程》中的Rk。

2.2 現(xiàn)場實測中型砌塊強度的方法

中型砌塊是一種由膠凝材料將集料固結(jié)成整體的工程復(fù)合材料，屬于廣義的“混凝土”制品[3]，因此可以參考混凝土材料強度的檢測方法，考慮采用回彈法對其抗壓強度進行測試。由于目前缺少相應(yīng)的試驗樣本，難以重新確定回彈值與其抗壓強度的相關(guān)關(guān)系，但對歷史文獻資料進行調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)早在上世紀70年代，文獻[4]根據(jù)有關(guān)單位的試驗資料與調(diào)查中用回彈儀實測砌塊抗壓強度數(shù)據(jù)，繪制了未碳化粉煤灰硅酸鹽混凝土回彈值與抗壓強度的關(guān)系曲線（圖1），并繪制了碳化后粉煤灰硅酸鹽混凝土回彈值與抗壓強度的關(guān)系曲線（圖2）。

由圖1和圖2，我們可以回歸出回彈值與密實砌塊的計算公式：

式中，f1ij—砌塊的立方體抗壓強度推定值(MPa)；

R—回彈值。

根據(jù)文獻[4]的說法，一般使用10年左右的砌塊建筑物，外墻碳化深度為40～60mm；內(nèi)墻因室內(nèi)CO2濃度較高，溫濕度條件適宜，碳化速度較外墻快些，一般碳化深度為50～100mm，若200mm厚內(nèi)墻，估計20年左右全部碳化。目前存在的上世紀70～80年代中型砌塊砌體房屋，其中型砌塊應(yīng)該基本為全部碳化狀態(tài)，利用公式（3）對文獻[4]中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算，并與其評估結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，利用式（3）對中型砌體強度推算的結(jié)果與文獻[4]對中型砌塊塊材推算強度等級完全一致，因此，利用式（3）對碳化后中型砌體的立方體抗壓強度進行評估是基本可行的。

圖1 未碳化砌塊回彈值與抗壓強度的關(guān)系圖

圖2 碳化后砌塊回彈值與抗壓強度的關(guān)系圖

表1 式（3）與文獻[4]對比結(jié)果

需要說明的是，利用該公式的評估結(jié)果是碳化后中型砌塊塊材的立方體抗壓強度，而不是塊材本身的抗壓強度，而無論是《中型砌塊建筑設(shè)計與施工規(guī)程》還是88版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中，砌體強度中的塊材強度均是指塊材抗壓強度，而不是立方體抗壓強度。如果要按88版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對砌體的承載力進行驗算，應(yīng)采用塊材抗壓強度，為安全起見，建議中型砌塊塊材的抗壓強度取立方體抗壓強度的0.8倍。

筆者利用回彈法對上海地區(qū)數(shù)十幢房屋中型砌塊的立方體抗壓強度進行檢測，其實測回彈值在28～33之間，對應(yīng)的立方體抗壓強度在10.6～14.1MPa之間，乘以0.8的體型系數(shù)，相應(yīng)的塊材抗壓強度在8.5～11.3MPa之間，根據(jù)88版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，上海地區(qū)中型砌塊的強度等級可偏安全的評定為MU7.5。

3 中型砌塊墻體的承載力計算

當采用《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB 50292—2015），按承載能力評定砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性等級時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的驗算應(yīng)在詳細調(diào)查工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范進行。但是，由于《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50003—2001）中取消了中型砌塊材料，其后修訂的GB 50003—2011版也延續(xù)了2001版的做法，因此對中型砌塊砌體的承載力驗算無法按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求進行，只能夠參照GBJ 3—88版中的規(guī)定進行驗算。由于規(guī)范版本的變動，參照GBJ 3—88版驗算中型砌塊砌體承載力時，應(yīng)注意以下事項。

3.1 可靠指標的一致性[5]

GBJ 3—88版編制時，中型砌塊的可靠度校準的統(tǒng)計參數(shù)取自《中型砌塊建筑設(shè)計與施工規(guī)程》，其中，受壓砌體的強度變異系數(shù)取值為0.17，軸壓材料分項系數(shù)取1.5，與燒結(jié)磚的取值基本一致；其軸壓砌體設(shè)計表達式的可靠指標平均值為3.677，基本符合統(tǒng)一標準≥3.7的要求。GB 50003—2001及GB 50003—2011兩個版本規(guī)范中，將軸壓材料的分項系數(shù)由1.5提高到1.6，住宅和辦公樓的活荷載取值也有一定的提高，相應(yīng)燒結(jié)磚砌體的軸壓砌體設(shè)計表達式的可靠指標有了較大程度的提高，由GBJ 3—88版中的3.877提高到4.0以上。由于這兩個版本的規(guī)范取消了中型砌塊這種材料，因此，在參考GBJ 3—88版對中型砌塊承載力進行計算時，為了與現(xiàn)行規(guī)范的可靠指標保持一致，其材料強度的分項系數(shù)也應(yīng)取1.6，即驗算時，采用的中型砌塊砌體材料強度設(shè)計值取值應(yīng)在GBJ 3—88版表2.2.1-4的基礎(chǔ)上乘以1.5/1.6=0.94的修正系數(shù)。

3.2 計算程序中參數(shù)的選擇

需要注意的是，目前對于結(jié)構(gòu)的承載力驗算，大家都習慣采用相關(guān)的計算程序進行計算，很少手工進行驗算。但《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》自2001版開始取消了中型砌塊這種材料，目前常用的計算程序，無論是PKPM還是YJK都沒有中型砌塊這個材料選項，因此，要對這種材料墻體的承載力進行正確的驗算，必須進行一定的手動校核。

若利用相關(guān)計算程序?qū)χ行推鰤K砌體結(jié)構(gòu)的承載力進行驗算，建議建模時的砌筑材料選用粉煤灰磚，這是因為粉煤灰磚砌墻體和中型砌塊墻體在計算墻體高厚比時，相對于普通燒結(jié)磚砌體，均需要乘以1.2的放大系數(shù)，而高厚比的不同對ψ值的計算有一定影響。在根據(jù)程序驗算得出相應(yīng)的作用效應(yīng)、ψ值和墻體面積A后，再帶入相應(yīng)的強度設(shè)計值，就可以對其抗力和作用效應(yīng)的比值進行校核。

4 結(jié)語

中型砌塊作為一種粉煤灰硅酸鹽制品，其強度會隨著材料的碳化發(fā)生一定程度的下降。本文通過對歷史文獻中相關(guān)資料的分析，建立了粉煤灰中型砌塊強度與回彈值的相關(guān)曲線。通過對相關(guān)資料和工程實踐的數(shù)據(jù)進行總結(jié)，提出上海地區(qū)粉煤灰中型砌塊強度的檢測方法和參考取值，建議上海地區(qū)中型砌塊設(shè)計強度的取值不宜過高，取MU7.5相對比較合理；同時，為與現(xiàn)行規(guī)范的可靠指標保持一致，驗算時采用的中型砌塊砌體材料強度設(shè)計值取值應(yīng)在《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ 3—88）表2.2.1-4的基礎(chǔ)上乘以0.94的修正系數(shù)。

[1]劉春木.粉煤灰硅酸鹽中型砌塊調(diào)研[J].四川建筑科學(xué)研究 ,1986(03)：36-40.

[2]吳文達,等.上海建筑施工志[M].上海社會科學(xué)院出版社,1997.

[3] 李慶繁.對國家標準《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》強制性條文“墻體不應(yīng)采用非蒸壓硅酸鹽磚（砌塊）”的解讀[J].磚瓦世界,2012(1)：31-46.

[4]國家建委建材局硅酸鹽砌塊技術(shù)調(diào)查組.生產(chǎn)與使用蒸養(yǎng)粉煤灰硅酸鹽砌塊調(diào)查報告[J].硅酸鹽建筑制品 ,1975(2)：6-33.

[5]嚴家熺.砌體結(jié)構(gòu)可靠度的發(fā)展[J].武漢大學(xué)學(xué)報 ,2015(4)：16-25.