堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌體受壓本構關系

鄭文忠，敖日格樂，王 英，黃文宣

(1. 結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150090；2. 土木工程智能防災減災工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150090)

礦渣和粉煤灰作為礦物摻合料在拌制混凝土過程中有所應用，而堿礦渣膠凝材料(Alkaliactivated Slag Cementitious Material, AASCM)是以磨細的高爐礦渣工業廢棄物為主要原料，采用適當的激發劑(如水玻璃，氫氧化鈉)激發，經攪拌而成的新型膠凝材料[1]。粒化高爐礦渣是指在高爐冶煉生鐵時，得到的以硅酸鹽為主要成分的熔鑄物，經淬冷成粒后具有潛在水硬活性的材料。一般情況下，礦渣—水漿體并不具有水硬性，只有處于堿性環境下，礦渣才具有水硬性[1]。我國每年礦渣產量約2.4 億噸，占全球總產量的50%[1]。利用礦渣代替水泥作為原材料，可以達到變廢為寶的目的，與水泥相比更加經濟環保[2]。由于這種新型材料本身組成成分的特性，它相比于普通硅酸鹽水泥具有快硬早強[3?7]、耗能低、耐高溫[8]、耐久性好[9?10]等特點。由于堿礦渣膠凝材料具有600 ℃以內強度基本不降低的特點[11]，同時因為堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝土砌體中用陶砂、陶粒替代普通混凝土砌塊砌體里的細骨料及粗骨料，而陶砂、陶粒在高溫煅燒中制得的，由此砌筑的砌體不僅能滿足節能利廢的要求，還可以有效的提高其抗火性能。

完成了126 個用堿礦渣陶砂砂漿和堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌筑的砌體試件的軸心抗壓試驗，其中有60 個由強度等級為MU7.5、MU10、MU15、MU20 的堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊與強度等級為Mb20、Mb25、Mb35、Mb60 的堿礦渣陶砂砂漿砌筑的空心砌塊砌體軸心抗壓試驗和66 個由強度等級為MU25、MU30 的堿礦渣陶粒混凝土實心磚與強度等級為Mb15、Mb20、Mb25、Mb30、Mb45、Mb60 的堿礦渣陶砂砂漿砌筑的實心磚砌體軸心抗壓試驗。基于試驗結果，建立了所研究砌體的軸壓應力-應變關系曲線方程及峰值壓應變、極限壓應變及彈性模量計算公式。

1 試驗材料

1.1 試驗原材料

礦渣采用哈爾濱三發新型節能建材有限公司的“哈爾濱礦渣”和來自唐山唐龍新型建材有限公司的“唐山礦渣”，比表面積分別為379 m2/kg和424 m2/kg，表1 給出了礦渣的化學成分。

表1 礦渣的化學成分 /(%)Table 1 Chemical composition of slag

粉煤灰采用黑龍江省雙達電力設備有限公司提供的Ⅰ級粉煤灰，其密度為2.43 g/cm3。表2 給出了粉煤灰的化學成分。

陶砂采用鞏義市超越濾料廠的粒度1 mm 的陶砂，其圓度 ≥ 0.9。表3 給出了陶砂的化學成分。

陶粒采用河南省鞏義市宇軒環保科技有限公司的陶粒，粒徑為5 mm～16 mm，干表面密度為830 kg/m3，吸水率為20%，筒壓強度為4.2 MPa。

采用了液態硅酸鈉水玻璃，含水率為64.5%，模數為3.2，在試驗過程中可以通過改變氫氧化鈉的用量來調整水玻璃的模數。

選用天津市大陸化學試劑廠生產的NaOH，其質量分數≥96.0%。

選用天津市致遠化學試劑有限公司生產的質量分數≥99.8%的分析Na2CO3。

表2 粉煤灰的化學成分 /(%)Table 2 Chemical composition of fly ash

表3 陶砂的化學成分 /(%)Table 3 Chemical composition of pottery sand

1.2 砌筑用堿礦渣陶砂砂漿與生產砌塊用堿礦渣陶粒混凝土配合比

試驗采用的堿礦渣陶砂砂漿是由礦渣、粉煤灰、陶砂、堿性激發劑按一定質量比配制而成的，采用的堿性激發劑為水玻璃或碳酸鈉與氫氧化鈉的混合溶液，其配合比如表4 所示。

表4 堿礦渣陶砂砂漿的配合比 /(kg/m3)Table 4 Mixing ratio of alkali slag pottery mortar

試驗所采用的砌塊是由礦渣、陶粒、陶砂、堿性激發劑按一定質量比配制而成的堿礦渣陶粒混凝土砌塊，采用的堿性激發劑為水玻璃和氫氧化鈉的混合液。其配合比見表5，表6。

表5 制備空心砌塊用堿礦渣陶粒混凝土配合比 /(kg/m3)Table 5 Mixing ratio of alkali slag ceramsite concrete hollow block

表6 制備實心磚用堿礦渣陶粒混凝土配合比 /(kg/m3)Table 6 Mixing ratio of alkali slag ceramsite concrete solid brick

圖1 堿激發礦渣陶粒混凝土空心砌塊尺寸 /mm Fig.1 Alkali-activated slag ceramsite concrete hollow block size

1.3 材料性能試驗

堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊選用主砌塊的尺寸為390 mm×190 mm×190 mm，空心率為48.3%；輔助砌塊的尺寸為190 mm×190 mm×190 mm，空心率為36.0%。堿礦渣陶粒混凝土與實心磚選用的尺寸為240 mm×115 mm×53 mm。主砌塊和輔助的細部尺寸如圖1 所示。

按照《混凝土砌塊和磚試驗方法》(GB/T4111?2013)[12]對兩類砌塊進行軸心抗壓試驗，每組五件。堿激發礦渣陶粒混凝土砌塊抗壓強度實測值如表7 與表8 所示。

根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70?2009)[13]砌筑砂漿的立方體抗壓強度試驗應采用了70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的帶底試模，且具有足夠剛度并拆裝方便。在《砌體結構設計規范》(GB50003?2011)[14]中規定，確定砂漿強度等級時應采用同類塊體作為試塊底模。由磚底模改為鋼底模后，由于磚底模會吸取砂漿中多余的水分，結硬后的砂漿強度相對較高，而鋼底模不吸收水分，所以砂漿抗壓強度會下降，應對用鋼底模測量出的強度乘于1.35 進行修正。堿礦渣陶砂砂漿抗壓強度試驗結果見表9。

2 試驗設計

2.1 試件設計

軸心受壓試驗的試件設計參照《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB/T50129?2011)[15]中規

表7 堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊抗壓強度實測值Table 7 Actual measured values of compressive strength of alkali slag ceramsite concrete hollow block

表8 堿礦渣陶粒混凝土實心磚抗壓強度實測值Table 8 Measured values of compressive strength of alkali slag ceramsite concrete solid brick

定的砌筑方法，空心砌塊砌體的尺寸為990 mm×590 mm×190 mm，如圖2(a)所示；實心磚砌體的尺 寸 為240 mm×370 mm×750 mm，如 圖2(b)所示，砌塊在砌筑前應先潤濕，砂漿厚度8 mm～12 mm。試驗設計及個數如表10 所示。

表9 堿礦渣陶砂砂漿抗壓強度及折算值 /MPaTable 9 Compressive strength and conversion values of alkali slag pottery mortar

圖2 砌體軸心受壓試件設計 /mm Fig.2 Design of masonry axial compression test piece

表10 堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌體抗壓試驗設計Table 10 Compressive test design of alkali slag ceramsite concrete block masonry

2.2 試驗加載裝置及測量方案

堿礦渣陶粒混凝土砌體的軸心受壓試驗在10000 kN 電液伺服壓力機上進行，加載裝置如圖3所示。

堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體的測量裝置示意圖如4(a)所示，堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體測量裝置示意圖如圖4(b)所示。

2.3 試驗結果

各試件的軸壓應力-應變關系全曲線，如圖5與圖6 所示。圖中“HW10-20-1”表示空心砌塊強度等級為MU10，砌筑砂漿強度等級為Mb20，試件編號為該組第1 號；“SW25-15-1”表示實心磚強度等級為MU25，砌筑砂漿強度等級為Mb15，試件編號為該組第1 號。個別試件未能測到完整的軸壓應力-應變曲線，故部分組別只有五個試件的曲線。

從圖5 和圖6 可以看出，每組試件應力-應變關系曲線的上升段差別較小，但是下降段的離散性較大。

3 試驗結果分析

3.1 砌塊砌體受壓應力-應變關系

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test loading device

圖4 測量裝置示意圖Fig.4 Measuring device schematic

為給出適用于堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌體的受壓應力-應變關系，對實測數據進行歸一化處理后，采用上升段和下降段兩個階段來描述用堿激發礦渣陶砂砂漿砌筑的堿激發礦渣陶粒混凝土砌塊砌體的受壓應力-應變關系全曲線[16?17]。土實心磚砌體，受壓應力-應變曲線下降段如圖10和式(4)所示：

圖5 堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體實測軸心受壓應力-應變關系曲線Fig.5 Measured stress-strain relationship curve of test specimens of alkali slag ceramsite concrete hollow block masonry

對于堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體，受壓應力-應變關系曲線上升段如圖7 和式(1)所示：

對由堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝

圖6 堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體實測軸心受壓應力-應變關系曲線Fig.6 Measured stress-strain relationship curve of solid slag ceramsite concrete brick masonry

3.2 峰值壓應變

表11 給出了堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體的峰值壓應變，表12 給出了的堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體的峰值壓應變。

從表11 和表12 可知，砌塊強度一定時，峰值壓應變隨著砂漿抗壓強度的增大而減小。可見峰值壓應變與砂漿抗壓強度和砌塊抗壓強度有關，因此，著重考察砂漿強度和砌塊強度對峰值壓應變的影響。通過引入砌塊抗壓強度與砌體抗

圖7 基于試驗結果的空心砌塊砌體受壓應力-應變關系曲線上升段Fig.7 The rising section of stress-strain relationship curve of hollow block masonry under pressure based on test results

圖8 基于試驗結果的實心磚砌塊砌體受壓應力-應變關系曲線上升段Fig.8 The rising section of stress-strain relationship curve of solid block masonry under pressure based on test results

圖9 基于試驗結果的空心砌塊砌體受壓應力-應變曲線下降段Fig.9 The descending section of stress-strain relationship curve of hollow block masonry under pressure based on test results

圖10 基于試驗結果的實心磚砌塊砌體受壓應力-應變關系曲線下降段Fig.10 The descending section of stress-strain relationship curve of solid block masonry under pressure based on test results

壓強度之比f1/fm、砂漿抗壓強度與砌體抗壓強度之比f2/fm兩項無量綱參數，通過圖11 可得到堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體的峰值壓應變計算公式，如式(5)所示。

表11 空心砌塊砌體的峰值壓應變Table 11 Peak compressive strain of hollow block masonry

表12 實心磚砌體的峰值壓應變Table 12 Peak compressive strain of solid brick masonry

將堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體的各試驗點置于該坐標系，則磚砌體峰值壓應變ε0與f1/fm和f2/fm的關系如圖12 所示，其計算公式見式(6)：

圖11 空心砌塊砌體峰值壓應變ε0 與f1/fm 和f2/fm 的關系Fig.11 Relationship between peak compressive strain ofhollow block masonry and f1/fm and f2/fm

圖12 實心磚砌體峰值壓應變ε0 與f1/fm 和f2/fm 的關系Fig.12 Relationship between peak compressive strain of solid brick masonry and f1/fm and f2/fm

3.3 極限壓應變

fm為砌體抗壓強度平均值，取下降段應力為0.5fm對應的應變作為砌體豎向荷載下的極限壓應變。

表13 給出了堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體軸心受壓的極限壓應變實測值。

表14 給出了堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體下降段壓應力等于0.5fm的極限壓應變。

根據3.1 節提出的受壓應力-應變關系曲線下降段方程，推導出對應于下降段0.5 倍峰值應力的應變，則用堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌體的極限壓應變建議公式如下：

表13 堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體的極限壓應變Table 13 Ultimate compressive strain of alkali slag ceramsite concrete hollow block masonry

表14 堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體的極限壓應變Table 14 Ultimate compressive strain of alkali slag ceramsite concrete solid brick masonry

3.4 彈性模量

Emc為砌體彈性模量按式(15)或式(16)的計算值，Emt為砌體彈性模量實測值。令x=Emc/Emt，則對空心砌塊砌體，其平均值=1.04，變異系數δ=0.16；對實心磚砌體，平均值=0.97，變異系數δ=0.27。

3.5 泊松比

根據實測結果，建議用堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體的泊松比取0.22，用堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體的泊松比取0.21。

4 結論

本文通過堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌體和堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體軸心抗壓強度試驗得到了以下結論：

(1) 完成了60 個由強度等級為MU7.5、MU10、MU15、MU20 的堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊與強度等級為Mb20、Mb25、Mb35、Mb60 的堿礦渣陶砂砂漿砌筑的空心砌塊砌體軸心抗壓試驗和66 個由強度等級為MU25、MU30 的堿礦渣陶粒混凝土實心磚與強度等級為Mb15、Mb20、Mb25、Mb30、Mb45、Mb60 的堿礦渣陶砂砂漿砌筑的實心磚砌體軸心抗壓試驗，積累了寶貴的試驗資料。

(2) 當砌塊抗壓強度和砌筑砂漿抗壓強度分別相同時，由于堿礦渣陶砂砂漿收縮大，砌體峰值壓應變、極限壓應變均低于普通混凝土砌塊砌體。

(3) 建立了所研究砌體以砌體抗壓強度、砌塊抗壓強度和砌筑砂漿抗壓強度表達的峰值壓應變、極限壓應變及彈性模量計算公式。