蒸壓加氣混凝土砌塊墻體面層增強對比試驗研究

杜紅凱 籍嘉浩 曾德民 趙洪濤

（1.北京建筑大學北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；2.秦皇島市人民政府抗震防災辦公室，秦皇島 066000）

0 引 言

蒸壓加氣混凝土（autoclaved aerated concrete，AAC）作為一種節約資源、容重輕、保溫好的建筑材料，既可以用于框架填充墻，也可以用作自承重墻體，在國內外被應用廣泛。由于AAC的強度和彈性模量低，在地震中易出現破壞［1］，應采取相關措施提高墻體的強度，例如采用較薄的灰縫［2］、增加適量水平筋和桁架筋［3-4］、增加構造柱和圈梁［5-9］、采用RC-AAC組合墻［10］等，國內外相關試驗和分析證明上述方法均能不同程度提高墻體的抗震性能。此外，面層加固（增強）也是提高AAC墻體性能的一種有效方法，既有研究表明高韌性纖維單面加固AAC墻體后，其水平抗剪承載力能夠提高31%、水平變形能力提高75%、耗能能力提高308%［11］。

作為框架填充墻，AAC墻體能夠提高框架結構的抗側剛度、承載力、延性和耗能能力［12-13］，但是墻-梁連接處的砂漿層會發生受剪破壞，導致墻-梁出現相對滑移和承載力突然下降［14-15］。墻-梁之間可以采用柔性連接以避免加氣墻過早出現破壞［13］。既有研究表明，非抹面AAC填充墻在0.35%層間位移角時就已經開裂，抹面之后可見的裂縫在1%層間位移角出現，抗裂性能有很大提升［16］。我國學者建議在填充墻四角采用玻璃纖維網加固［14］，GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》要求在鋼筋混凝土結構樓梯間和人流通道的填充墻上設置鋼絲網砂漿面層［17］。

工程實踐發現鋼絲網砂漿面層增強的成本較高，為探索低成本增強方式，研究不同面層增強材料和粘結材料對墻體強度的影響，本文對4片AAC墻體進行擬靜力試驗，得出墻體破壞現象、特征和抗剪承載力，并驗證既有砌體加固理論抗剪承載力公式的適用性，為實際工程參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計四片雙面面層增強AAC墻體，分別為普通水泥砂漿鋼絲網增強（W1）、普通水泥砂漿雙層玻璃纖維網布增強（W2）、粉煤灰砂漿單層玻璃纖維網布增強（W3）和粉煤灰砂漿雙層玻璃纖維網布增強（W4）。墻體W2面層施工順序為，先在墻體上抹一層水泥砂漿打底，然后涂抹專用聚合物粘結砂漿，鋪設一層玻璃纖維網布，用抹子壓入粘結砂漿，使粘結砂漿從網眼中透出，再鋪設第二層網格布，兩層經緯向交錯布置，再次用抹子抹壓使底層砂漿透出，最后抹壓水泥砂漿并找平。由于W2中聚合物砂漿的厚度較小，其內外均為較厚的水泥砂漿，為方便敘述，將W2表述成普通砂漿增強。其他三片墻體的打底砂漿、粘結砂漿和最外層找平砂漿均采用同一材料，見表1。所有墻體面層砂漿總厚度均在15～20 mm之間。墻體長×厚×高為1 800 mm×250 mm×1 200 mm。砌筑砂漿均為普通砂漿，強度等級M7.5。面層砂漿種類有水泥砂漿、聚合物砂漿以及粉煤灰砂漿，強度分別為 7.5 MPa、10 MPa、6.7 MPa。砌塊尺寸為600 mm×250 mm×200 mm，強度為3.37 MPa，干密度級別為B06。墻體表面所鋪設的鋼絲網直徑為1.6 mm，網眼尺寸20 mm×20 mm，單根鐵絲抗拉力為840 N。玻璃纖維網布的網眼尺寸5 mm×5 mm，50 mm寬抗拉力為1 250 N，涂塑量7.68%。

表1 試件參數Table 1 Specimen parameters

1.2 試驗裝置與加載制度

試驗在北京建筑大學結構實驗室進行，加載裝置如圖1所示。由于水平作動器作用在墻頂，為避免墻體承受彎矩，與實際工程不符，本試驗采用豎向雙作動器，試驗時鎖定兩豎向作動器的位移，使其產生壓力差，行成反彎矩，與墻體上來自水平作動器的彎矩自動平衡。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Sketch of the setup

兩個豎向千斤頂分別作用于墻體頂部沿墻體長度方向1/4、3/4處，初始豎向荷載均為150 kN。水平荷載全程采用力控制的分級加載方式，在墻體開裂前，每一級荷載為10 kN，往復循環一次；在墻體發生開裂后，每一級荷載為20 kN，往復循環一次，當水平荷載下降到極限荷載的85%時，認為該墻體破壞。

2 試驗現象與結果分析

2.1 破壞過程與破壞特征

在試驗過程中，W1在10 kN時出現裂縫，隨著加載等級的增加，裂縫逐漸增多，破壞時墻體面層分布大量交叉斜裂縫（圖2），面層與墻體脫離（圖3），將面層取下后，可見墻體內部大量裂縫（圖4）。W2墻體在20 kN時出現裂縫，破壞時墻體表面布滿交叉斜裂縫（圖5），裂縫密度比W1大，面層中部外鼓（圖6）。W1和W2破壞時，面層的整體性均較好。

圖2 W1交叉斜裂縫Fig.2 Cross diagonal cracks of W1

圖3 W1面層與墻體脫離Fig.3 Separation of the surface mortar and the main body of W1

圖4 W1內部墻體裂縫Fig.4 Cracks in the internal of W1

圖5 W2面層交叉斜裂縫Fig.5 Cross diagonal cracks of W2

圖6 W2面層砂漿中部外鼓Fig.6 Bulge in the middle of W2 surface mortar

W3在160 kN出現首條裂縫，加載初期和中期并未出現墻體均布裂縫，破壞時表面呈現兩條交叉斜裂縫，但僅有一條裂縫不斷開展，并最終導致墻體承載力喪失，墻體破壞時該裂縫兩側部分面層砂漿出現脫落（圖7）。W4在200 kN時出現首條斜裂縫，隨著試驗進行，該裂縫不斷開展，260 kN時墻體喪失承載力（圖8）。W3和W4破壞時面層的裂縫遠少于W1和W2，大部分區域與AAC砌塊的粘結仍較好。

圖7 W3交叉斜裂縫Fig.7 Cross diagonal cracks of W3

圖8 W4部分面層面層脫落Fig.8 Falling off of the surface mortar on W4

2.2 試驗結論與分析

各墻體在往復荷載作用下的試驗結果見表2，典型滯回曲線見圖9。

表2 試驗結果Table 2 Test results

圖9 滯回曲線Fig.9 Hysteresis curves

（1）從墻體面層開裂情況來看，在加載前期，W1、W2兩墻體面層均較早就出現裂縫，隨著加載的進行，裂縫逐漸布滿墻體。而W3、W4墻體面層并未出現均布裂縫，僅有主裂縫且與內部墻體裂縫一致，表明粉煤灰砂漿面層的抗裂性能高于普通砂漿面層。

（2）從墻體的破壞特征可以發現，在試驗結束時，W1、W2的面層出現大面積整體脫離及空鼓，表明普通砂漿的粘結能力低于粉煤灰砂漿。

（3）由表2可以看出，不同材料增強墻體的極限承載力基本屬于同一層級。其主要原因為：在反復荷載作用下，面層不同程度脫落，面層的鋼絲網和玻璃纖維網的強度均無法充分發揮作用，導致鋼絲網、單層玻璃纖維網和雙層玻璃纖維網的增強效果相差不大。另外，面層砂漿和加氣混凝土彈性模量的差異是面層脫落的主要原因，前者彈性模量是后者的10倍左右，在外荷載的作用下，內部加氣塊無法起到骨架作用，較薄的面層出現平面外變形，導致粘結面被拉開。

（4）表2中粉煤灰砂漿增強墻體的承載力略高于普通砂漿增強的墻體，其原因在于粉煤灰砂漿面層僅出現了部分脫落，而普通砂漿墻體出現了整體性脫落?？梢?，面層的增強效果很大程度上取決于砂漿與AAC砌塊的粘結效果。

（5）表2中W1和W2的極限位移大于W3和W4，是因為前兩片墻體出現了大量均布裂縫，裂縫的滑移增大了墻體的變形。

（6）圖9給出了W3和W4的滯回曲線，可以看出，面層增強AAC墻體的屈服階段仍然不明顯，從試驗現象來看，增強后的墻體仍然表現出砌體結構一裂就壞的特征，這也說明鋼絲網和玻璃纖維布的作用沒有得到充分發揮。

3 增強后墻體受剪承載力計算

由于國內外針對AAC墻體面層增強的研究較少，本文將通過試驗結果，驗證砌體墻面層增強抗剪承載力計算公式對本文試驗墻體的適用性，為實際工程提供參考。進行驗算的公式如下：

（1）徐國洲［18］提出的抗剪承載力計算公式：

（2）常云鵬［19］提出的抗剪承載力計算公式：

（3）王天賢［20］提出的抗剪承載力計算公式：

（4）羅瑞［21］提出的抗剪承載力計算公式：

式中：ψ為墻體抗剪強度高寬比修正系數；ψp為高寬比對增強效果影響系數；k為砌體抗剪強度調節系數；μ0、μ均為剪壓復合受力影響系數，但在不同公式中取值不同；ap、as分別是面層砂漿及鋼絲網提供抗剪承載力的加權系數，且與軸壓比有關；fw，v為砌體抗剪強度；fpu為面層砂漿立方體抗壓強度；σ0為豎向壓應力；f為砌體抗壓強度平均值，本文采用規范JGJ/T 17《蒸壓加氣混凝土應用技術規程》中對于加氣混凝土砌體抗壓強度標準值計算公式來計算，f=0.65fck，fck為加氣混凝土抗壓強度標準值，本文實測為3.37 MPa；Ap，AW為面層砂漿及墻體的橫截面面積；b為抹面砂漿厚度；h為墻體水平方向長度；ρ為配筋率；As1為單根鋼筋截面面積；s為鋼筋橫向間距；fy，m為鋼筋抗拉強度，本文計算是將所有鋼筋的參數轉變成鋼絲網和玻璃纖維網布的參數。

實際試驗中所得出的抗剪承載力與按上述四個理論計算公式計算得到的抗剪承載力見表3。

表3 理論公式結果與試驗結果Table 3 Theoretical formula and test results kN

（1）通過比較可以發現，針對試驗的墻體，式（1）計算出的抗剪承載能力與實際試驗數值較為吻合，分別相差0.91%、5.45%、14.58%、12.31%，其余公式所計算出的抗剪承載能力均遠高于試驗所得，因此在進行面層增強AAC墻體的抗剪承載力計算時，式（1）具有一定的適用性。

（2）雖然式（1）計算結果與試驗值相差不大，但砌體材料的離散性以及本文樣本數量少等限制，仍建議工程計算時給出一定折減系數。

4 結論

（1）玻璃纖維網布與鋼絲網面層增強對AAC墻體抗剪承載力提升效果基本一致。

（2）粉煤灰砂漿面層的抗裂性能高于普通水泥砂漿面層的抗裂性能。

（3）可以用一些砌體抗剪承載力計算公式估算加氣混凝土面層增強后的抗剪承載力，但宜給出一定折減系數。