保溫承重砌塊砌體的抗壓強度試驗分析

方福軍

在更新舊建筑的過程中，產生了越來越多的建筑垃圾。如果不能合理地對其進行回收利用，將嚴重影響人們的生活、生產及自然環境。保溫承重砌塊砌體作為一種新型的建筑材料，具有良好的保溫性能和較高的抗壓強度，并逐漸在建筑領域得到廣泛應用。保溫承重砌塊砌體的抗壓強度是評價其力學性能的重要指標之一[1]。為研究和優化保溫承重砌塊砌體的設計和施工，需要深入了解其抗壓強度及影響因素。

確定保溫承重砌體的抗壓強度是結構設計的重要要求。目前，關于磚砌體、水泥砌塊砌體性能的相關研究內容仍然很少，有關水泥砌塊或磚砌塊抗壓強度的信息不足以確定保溫承重砌塊砌體的抗壓強度。雖然砌體的抗壓強度可通過試驗來確定，但測試工作所需的材料成本較高，尋找適用的經驗關系來預測砌塊單元（磚或砌塊）和砂漿的性能具有重要意義。通常可通過試驗研究磚、砌塊和砂漿的強度來預測砌體的抗壓強度。許多研究者已經開發出不同的關于磚、砌塊單元、砂漿與砌體的抗壓強度的經驗表達式[2]。

1 保溫承重砌塊砌體的抗壓強度概述

雖然砌體抗壓強度取決于砌體單元（磚或砌塊）、砂漿、砌體單元與砂漿的界面結合、砌體單元平整時的濕度、砂漿厚度、砌體棱柱的長細度及工藝等，但主要受砌體單元和接縫砂漿性能的影響。BENNETT 等[3]提出了砌體抗壓強度和磚抗壓強度之間的簡單方程：砌體抗壓強度等于磚抗壓強度的0.3 倍。然而，在大多數其他的經驗表達式中，通常也會考慮砂漿的強度。

當同時考慮砌體單元和砂漿強度來確定砌體抗壓強度fm時，其關系可用式（1）來表示，即：

式中：K、α、β分別為常數；fb、fj分別為磚和砂漿的平均抗壓強度。

有人將α和β值分別定義為0.7和0.3。K是常數，其值取決于砌體單元類型和砂漿的特性。對于黏土磚和普通砂漿，標準規范規定的K值為0.35 ～0.55。在大多數研究中，都考慮了砌體單元強度和砂漿強度，并以式（1）的形式提出了經驗表達式[4]。

1.1 試驗材料

采用普通硅酸鹽水泥制備穩定土塊，當地可用的土壤用作穩定土塊的集料。為制備聯合砂漿，除當地土壤外，還采用了天然河砂。此次試驗使用第四系沉積物中的河砂，在過去傳統情況下常用于生產水泥塊。試驗所用材料性能如表1 所示。鑄造尺寸為205 mm×105 mm×65 mm 的實心塊，分別按1 : 4、1 : 6、1 : 8 和1 : 10 的體積比制備水泥土砂漿砌塊。對于聯合砂漿的制造，根據國家標準，根據砂漿的占比選擇3 種黏合劑，指定使用2種類型的砂漿：水泥河砂和黏土砂漿。砂漿是在攪拌機中將水泥和土按1 : 5、1 : 7 和1 : 9 的體積比配制而成的[5]。

表1 水泥、砂、土壤的物理性質

磚石棱柱體采用4 種不同強度的穩定土塊和6 種砂漿（水泥土和水泥砂混合砂漿各3 種）的組合制備了144個砌體試樣。使用砂漿混合料鑄造不同類型的棱柱砌塊，水泥與砂混合料的體積比分別為1 : 5、1 : 7 和1 : 9。對于棱鏡，使用尺寸205 mm×105 mm×65 mm 的塊單元，并在制備樣品前將塊保持在正常的環境條件下。每個棱鏡由3 個穩定土塊和2 個10 mm 厚的砂漿接縫組成。測試前將樣品保存在室內試驗室環境中，固化28 d。

1.2 磚塊測試

1.2.1 抗壓強度試驗

采用置換控制法確定穩定土塊的抗壓強度，以2 mm/min 的速度增加載荷，直到發生失效，計算公式為：

式中：Fmax為最大負荷；S為有效面積。

1.2.2 彎曲強度試驗

采用三點彎曲試驗確定穩定土塊的彎曲強度PB，計算公式為：

式中：P為失效時施加在砌塊中間的載荷；l為支架之間的距離；b、d分別為中跨段的寬度和深度。

1.2.3 吸水試驗

穩定土塊在105 ℃的烘箱中干燥24 h。在室內實驗室環境條件下，這些區塊在水中合并24 h，測量并記錄砌塊的烤箱干濕狀態和質量。

吸水率Q的計算公式為：

式中：Wd干燥狀態水泥塊的質量；Ws為濕態水泥塊的質量；V為水泥塊的體積。

1.3 砂漿立方體磚塊棱柱體試驗

根據現有的歐洲標準（EN772-1）評估砂漿立方體抗壓強度，砂漿立方體尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。放置在通用軸向試驗機中，以2 mm/min 的速度增加載荷，直到發生故障為止。測試標準和強度計算與砌塊壓縮試驗相似[6]。

同時，為了獲得磚塊棱柱體抗壓強度測試結果，根據標準進行了壓縮試驗，測試標準和加載位移率與磚塊的壓縮試驗相似。

2 試驗結果分析

抗壓試驗指試件成型后不受任何側向約束的情況下進行的單軸抗壓試驗。此次試驗以粉砂質泥巖碎石含量和試件成型方式為變量，總結分析粉砂質泥巖碎石土的強度特性影響因素和規律，為保溫承重砌塊砌體施工提供材料參數參考依據[7]。

選取不同泥巖碎石含量填料對應最優含水率，對試件通過振動壓實成型進行無側限抗壓強度試驗（圖1），振動壓實成型試驗機的激振力0.39 MPa 。試件制備采用重型擊實試驗所得的最優含水率控制填料含石量，填料摻配完成后悶料24 h 進行試件制備。填料含石量情況控制如下：粉砂質泥巖碎石含量控制為50%、60%、70%，對應填料含水率為10.1%、9.2%、8.1%。粉砂質泥巖土石混合料成型過程中分3 層進行，壓實度保證不低于95%，每種含石量及成型方式分別設置3 組平行試驗[8]。

圖1 抗壓試件試驗設備（來源：作者自攝）

抗壓試驗軸向力施加采用校內WHY-1000 微機控制壓力試驗機，儀器規格為1000 kN。試驗采用控制應變速度進行加載，加載速率3 mm/min，當加載過程中應力應變曲線達到明顯峰值或隨著加載的進行應力值變化不明顯時停止加載。如果應力應變曲線未出現明顯峰值或應力穩定狀態時，則將試驗進行到軸向應變達20%及以上時結束加載。

隨著荷載的逐漸增加，塊正面出現第一個裂紋，然后塊一側出現許多小裂紋，側皮開始裂紋脫落。隨后塊前部的裂縫逐漸發展和延長，最終破壞了塊結構，失去承載能力，保溫承重砌塊砌體主體部分的損壞更為嚴重。腔內回收泡沫混凝土保護良好，說明砌塊主要由空心體加載。

當泥巖碎石含量為60%和70%時，隨著加載的進行，試件頂部開始出現較為明顯的裂縫，并逐漸向下延伸，但試件的仍保持較高的完整性，顯示出一定的塑性破壞特征。當泥巖碎石含量為50%時，試件中部出現鼓脹，并伴隨試件外側起皮脫落現象，出現較為明顯的軟塑性破壞特征。試驗得到振動壓實成型試件的破壞過程的應力應變曲線如圖2 所示，試件在振動壓實成型時，當泥巖碎石含量分別為50%、60%、70%時，試件的無側限抗壓強度則分別為524、618.3、695.7 kPa。

由圖2 可知，泥巖碎石含量與試件的成型方式會對填料的無側限抗壓強度于試件在軸向應力作用下的破壞形式產生不同程度的影響。3 種級配粉砂質泥巖碎石土填料無側限抗壓強度振動壓實成型試件所測應力峰值均較大。這是因為振動荷載作用于粉砂質泥巖土石混合料時，混合料的原有內摩擦角會在振動荷載的作用下被破壞，導致試樣剪切強度與抗壓阻力均減小，所以在振動荷載的作用下試樣的密實程度更高，無側限抗壓強度也就越大[9]。砌塊的抗壓強度超過了預期的強度，這可能是由于其他回收材料的摻入，保溫承重氣體砌塊的后期強度不斷加大。由于砌塊選擇的材料相互匹配，混合均勻，獲得了較好的效果。

通過與不同的研究結果獲得的實驗數據進行比較，檢驗了保溫承重砌體抗壓強度的經驗表達式（圖3）。結果表明，此次研究提出的經驗表達式具有較好的擬合性，且始終優于其他經驗表達式。塊的抗壓強度Pc計算公式為：

圖3 試驗結果對比分析（來源：作者自攝）

式中：N為塊破壞載荷；L為塊軸承面的長度；B為塊軸承面的寬度。

表2 為此次砌體強度試驗數據與其他文獻試驗數據的平均值和方差系數。與其他提出文獻相比，此次試驗砌體強度的平均值更接近1.00，提出的方程給出的估計標準誤差更小。結果表明，與其他研究相比，此次研究中得出的強度變化較小。

表2 此次試驗數據與其他文獻試驗數據的對比結果單位：MPa

3 結語

保溫承重砌塊砌體作為一種新型的建筑材料，具有相對較好的保溫性能和較高的抗壓強度。對該材料的抗壓強度進行進一步的試驗分析和研究，具有重要的理論和實際意義。通過對多個棱柱體砌體進行試驗來確定砌塊、砂漿抗壓強度與砌體抗壓強度的簡單關系。將已發表文獻的經驗公式和試驗結果進行，證明所提出的抗壓強度預測數據與相應的試驗數據具有較好的一致性。因此，在實際工程中，需要合理控制玻化微珠的使用量，以確保保溫承重砌塊承重質量。研究結果對于指導和優化保溫承重砌塊砌體的設計和施工具有重要的意義。