灌孔砼砌塊砌體中材料強(qiáng)度匹配問題的研究

摘 要:砼砌塊砌體中材料強(qiáng)度匹配問題是工程設(shè)計(jì)中需要解決的問題.綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砌體受壓性能的研究成果，分析并總結(jié)了影響砌體抗壓強(qiáng)度的主要因素.依據(jù)芯柱和砌塊豎向變形協(xié)調(diào)原理，推導(dǎo)得到了灌孔砼砌塊砌體中灌孔砼強(qiáng)度與砌塊強(qiáng)度之間的關(guān)系表達(dá)式，據(jù)此編制了灌孔砼砌塊砌體材料強(qiáng)度的最佳組合表，可指導(dǎo)工程設(shè)計(jì).該研究成果豐富了砌體結(jié)構(gòu)的基本理論，為規(guī)范條款提供了理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)灌孔砼砌塊砌體在工程中的應(yīng)用具有參考價(jià)值.

關(guān)鍵詞:灌孔砼;砌塊;受壓性能;抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào):TU362.02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Analyses of Material Strength Match of Grouted Concrete Block Masonry

LIU Gui-qiu1， ZHAO Yan2， SHI Chu-xian1，LI Zhen-mei3

(1.College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China;

2.Shenzhen Guangming New Town Construction Bureau，Shenzhen，Guangdong 518107，China;

3.Hunan Xiangcheng Construction Group Co，Ltd，Changsha，Hunan 410005，China)

Abstract:The material strength match of grouted concrete block masonry must be solved in engineering design. The research results of the compressive behavior of masonry at home and abroad were summed up. The main factors influencing the compressive strength of masonry were analyzed and summarized. The relation between grouted prism strength versus grout strength was derived according to their vertical deformational coordinative principle. The optimum combination table of the material strength of grouted concrete block masonry was compiled，whichcan be used in engineering design. This research result has enriched the fundamental theory of masonry structure and provided theoretical evidences for code items. At the same time， this method can be used for references when grouted concrete block masonry is used in engineering.

Key words:grout; block; compressive behavior; compressive strength

砌體受壓性能是砌體結(jié)構(gòu)最重要的基本力學(xué)性能之一，對(duì)砌體受壓性能的研究一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，研

究較多亦較深入，涉及到砌體材料強(qiáng)度、塊體的規(guī)整程度和尺寸、砂漿的變形與和易性、施工質(zhì)量、試驗(yàn)方法、齡期等^[1-10].這些研究成果不僅豐富了砌體結(jié)構(gòu)的基本理論，而且對(duì)砌體結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用具有指導(dǎo)價(jià)值.砼砌塊是替代燒結(jié)普通粘土磚的主推承重塊體材料，灌孔砼砌塊砌體和配筋砼砌塊砌體在多高層以及抗震設(shè)防地區(qū)的應(yīng)用日益增多.如何更有效地發(fā)揮灌孔砼、砌塊在砌體受壓時(shí)的作用，是灌孔砼砌塊砌體應(yīng)用時(shí)工程界值得關(guān)注的問題.本文將針對(duì)灌孔砼、砌塊強(qiáng)度的匹配問題，尋找這兩種材料強(qiáng)度的最佳組合，從整體上提高灌孔砼砌塊砌體的受壓性能.

1 影響砌體受壓性能的主要因素

11 塊體外形及實(shí)心率

對(duì)于未灌芯的棱柱體，砌塊的實(shí)心率η(η為截面凈面積與毛面積之比)和外形(ts/w，其中ts為砌塊壁厚，w為砌塊寬度)對(duì)棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響不大^[1].對(duì)于灌芯的棱柱體，增大砌塊的實(shí)心率η，棱柱體抗壓強(qiáng)度將隨之增大，砌塊外形(ts/w)的影響不大.文獻(xiàn)[2]中亦指出，砌塊尺寸對(duì)承受軸向荷載的棱柱體受力性能沒有影響.

因此，設(shè)計(jì)灌芯砌體剪力墻時(shí)，宜選擇實(shí)心率較大的混凝土砌塊，可提高砌塊橫向抗拉能力，這樣墻體的抗壓強(qiáng)度亦隨之提高.

12 砂漿

1.2.1砂漿墊層類型

未灌芯棱柱體的砂漿墊層有2種類型:砌塊外壁截面鋪砂漿(face shell bedding )和內(nèi)、外壁整個(gè)截面鋪砂漿(full area bedding).對(duì)于前者，由于肋間存在間隙形成梁的作用，棱柱體產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，在相對(duì)較低的荷載作用下肋部開裂，當(dāng)裂縫貫通整個(gè)棱柱體高度時(shí)，棱柱體即告破壞.此外，軸向壓應(yīng)力沿高度方向的分布非常不均勻.內(nèi)外壁整個(gè)截面鋪砂漿的棱柱體正好與上述情況相反，軸向壓應(yīng)力沿高度方向的分布則相當(dāng)均勻，對(duì)棱柱體的受力有利.

由此可見，砌塊外壁截面鋪砂漿的棱柱體與內(nèi)、外壁整個(gè)截面鋪砂漿的棱柱體在受力性能上存在明顯差別，工程設(shè)計(jì)時(shí)采取內(nèi)、外壁整個(gè)截面鋪砂漿的方式，有助于砌體抗壓強(qiáng)度的發(fā)揮.

1.2.2 砂漿強(qiáng)度及其彈性模量

文獻(xiàn)[2]中通過改變砌塊與砂漿彈性模量之比來(lái)研究砂漿特性對(duì)砌體受壓性能的影響.研究表明，提高Eb/Em(Eb為砌塊的彈性模量，Em為砂漿的彈性模量)會(huì)加大砌塊內(nèi)的橫向拉應(yīng)力，這是由于采用較

強(qiáng)砌塊和較弱砂漿后，砌塊和砂漿之間變形不協(xié)調(diào)的程度加劇，對(duì)砌體受壓顯然不利.另一方面，當(dāng)砌塊強(qiáng)度相同時(shí)，采用常用的M，S，N 3種類型的砂漿(M，S，N 3類砂漿均為水泥石灰混合砂漿，抗壓強(qiáng)度分別為25.5，20和13.8 MPa)，Eb/Em的變化在砌塊中引起的橫向拉應(yīng)力變化不大.N類砂漿相對(duì)于S類砂漿強(qiáng)度降低31%，相應(yīng)的棱柱體強(qiáng)度降低不足10%，砂漿強(qiáng)度對(duì)棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響不大.因此，選擇砌體材料強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，砂漿強(qiáng)度等級(jí)宜比砌塊強(qiáng)度等級(jí)低1~2個(gè)級(jí)別，既經(jīng)濟(jì)又受力合理.

1.2.3 砂漿灰縫厚度

灰縫厚度由9.5 mm增大到19 mm，未灌芯砌塊砌體棱柱體抗壓強(qiáng)度降低16%;灌芯砌塊砌體棱柱體則只降低3%^[1].由此可見，灰縫厚度對(duì)未灌芯砌體抗壓強(qiáng)度的影響較大，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制灰縫厚度，中國(guó)《砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50203-2002)明確規(guī)定灰縫厚度宜控制在8~12 mm以內(nèi)，其原因也在于此.

13 灌芯混凝土

如果未灌芯、灌芯混凝土砌塊砌體棱柱體抗壓強(qiáng)度分別基于凈面積、總面積計(jì)算，試驗(yàn)表明^[1]，灌芯混凝土強(qiáng)度雖然大幅度提高，但灌芯棱柱體強(qiáng)度提高的幅度則相對(duì)很小(如圖1中的實(shí)線及試驗(yàn)點(diǎn)).提高灌芯混凝土強(qiáng)度固然可以提高棱柱體的抗壓強(qiáng)度，但此法并不總是有效.砌塊和芯柱變形特征相匹配可能比提高灌芯混凝土強(qiáng)度更加有效.

學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2010年

14 水平灰縫中鋼筋的形式

水平灰縫中配置的鋼筋形式不同，對(duì)砌體棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響亦不同^[1].其中，一種形式為在砌塊中央水平放置的鋼筋，與未配筋的棱柱體相比，其抗壓強(qiáng)度可提高2%~5%，該鋼筋既沒有提供很大的有利約束作用，也沒有因鋼筋的應(yīng)力集中造成不利的影響.另一種形式為在厚度為13 mm的砂漿灰縫內(nèi)放置2.8 mm厚的約束鋼板，對(duì)于未灌芯的棱柱體，其抗壓強(qiáng)度可提高8%;對(duì)于灌芯的棱柱體，其抗壓強(qiáng)度則可提高18%.與此同時(shí)，破壞形式亦發(fā)生改變，由劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?這表明，通過降低橫向膨脹的約束效應(yīng)可提高棱柱體的抗壓強(qiáng)度.該方法在我國(guó)尚未得到應(yīng)用，值得借鑒.

15 試驗(yàn)方法

1.5.1 試件高厚比

Robert等認(rèn)為二皮砌塊高的棱柱體試件難以反映實(shí)際墻體內(nèi)砌體的受力性能^[1]，其主要原因是棱柱體上下面的側(cè)向約束增大了棱柱體名義的抗壓強(qiáng)度，改變了破壞形式，破壞呈剪切型.因此，采用三皮砌塊高的棱柱體(中間砌塊可不受人為約束的影響)可將兩端的側(cè)向約束減到最小，破壞形式與墻中出現(xiàn)的類似.

Ahmad等利用ANSYS程序?qū)ζ鲶w棱柱體的受壓性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明^[2]，高厚比h/t=2.0的棱柱體中部處于橫向受壓狀態(tài)，破壞呈剪切型，不能反映砌體墻所特有的劈裂破壞特征，高厚比h/t=3.0的棱柱體的中部則處于橫向受拉狀態(tài)，破壞形式與砌體墻相似.采用三皮砌塊高的棱柱體用以確定砌體抗壓強(qiáng)度較合理，中間砌塊上、下均以砂漿為界面，避免端部的約束，這樣可以更好地反映墻中砌體的實(shí)際受力情況.由此可見，我國(guó)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ129-90)規(guī)定以高厚比為3的棱柱體抗壓強(qiáng)度作為砌體抗壓強(qiáng)度的依據(jù)是恰當(dāng)?shù)?

1.5.2 試驗(yàn)時(shí)加載鋼板的厚度

文獻(xiàn)[1]中指出，試驗(yàn)時(shí)加載鋼板厚度為50.8 mm時(shí)，棱柱體頂層砌塊內(nèi)存在較大的橫向拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致棱柱體過早破壞.試驗(yàn)時(shí)加載鋼板厚度為101.6 mm時(shí)，因加載鋼板具有足夠的剛度可消除棱柱體頂層砌塊上不利的橫向拉應(yīng)力.因此，建議加載鋼板厚度不宜小于100 mm.

2 砼砌塊、灌孔砼兩種材料強(qiáng)度的匹配問題

灌孔砼砌塊砌體是由砌塊、砂漿、灌孔砼組成，它們相互影響、相互制約.由前面分析可知，砂漿強(qiáng)度對(duì)灌孔砼砌塊砌體抗壓強(qiáng)度的影響不大，砌塊、灌孔砼強(qiáng)度的影響更大些，但僅靠提高砌塊或灌孔砼強(qiáng)度達(dá)到提高砌體抗壓強(qiáng)度，其效果并不十分理想，依靠?jī)烧咦冃螀f(xié)調(diào)則可取得更佳效果.

灌孔砼砌塊砌體中，芯柱和砌塊達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變是不相同的，當(dāng)芯柱應(yīng)變大約為0.002 3~0.002 5時(shí)，芯柱達(dá)到極限強(qiáng)度，而砌塊只有當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.003 4~0.003 7時(shí)才達(dá)到最大強(qiáng)度^[1].由于芯柱首先達(dá)到其承載力，臨近極限強(qiáng)度時(shí)，泊松比增大，側(cè)向變形(橫向膨脹)亦增大，從而在砌塊內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，最終使砌塊在相對(duì)較低的壓應(yīng)力下受拉破壞.此時(shí)，棱柱體抗壓強(qiáng)度大大低于未灌孔的棱柱體或芯柱的強(qiáng)度.

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，芯柱混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)的平均應(yīng)變?yōu)?.002 4，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck 之間存在以下關(guān)系^[3]:

fck=0.88α1α2 fcu，k.

(1)

式中:α1為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的比值，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≤C50時(shí)， α1取0.76;α2為脆性系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≤C40時(shí)，α2取1.0;式中的系數(shù)0.88是考慮結(jié)構(gòu)中的混凝土強(qiáng)度與混凝土試塊強(qiáng)度之間的差異等因素而確定的混凝土試塊強(qiáng)度修正系數(shù).

混凝土軸心抗壓強(qiáng)度平均值與其標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系為:

fc，m=fck1-1.645δ.

(2)

式中δ為變異系數(shù)，取δ=0.17，則fc，m=fck /0.72.

砌塊的本構(gòu)關(guān)系直到破壞基本上呈線性的，對(duì)應(yīng)于應(yīng)變?yōu)?.002 4時(shí)的應(yīng)力為(0.002 4/0.003 5)f1 =0.686f1 ，f1 為砌塊抗壓強(qiáng)度平均值.基于芯柱和砌塊豎向變形協(xié)調(diào)，可得到:

0.67fcu，k/0.72Ec=0.686f1Eb. (3)

式中:Ec，Eb分別為灌孔砼、砌塊的變形模量.

對(duì)于砌塊，砌塊的變形模量可取其彈性模量，按本人提出的砌塊彈性模量表達(dá)式^[4]計(jì)算:

Eb=2 845f0.51. (4)

灌孔混凝土的變形模量近似取其彈性模量(因其受約束)，按下式^[3]計(jì)算:

Ec=1052.2+34.7/fcu，k. (5)

將式(4)，(5)代入式(3)，得

fcu，k=11.778(f0.51-1.339). (6)

按式(6)確定的fcu，k與 f1的比值如表1所示，fcu，k/f1的平均值為2.06，變異系數(shù)為0.068.當(dāng)f1≥10 MPa 時(shí)，fcu，k≥20 MPa，且fcu，k/f1 比值接近2.0，與《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003—2001)條款3.2.1的規(guī)定^[5]，即灌孔砼強(qiáng)度等級(jí)不宜低于兩倍的塊體強(qiáng)度等級(jí)基本吻合，這也為規(guī)范對(duì)該條款的規(guī)定提供了理論依據(jù).

由前面的分析可知，灌孔砼砌塊砌體中砂漿的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)砌體抗壓強(qiáng)度影響不大，但砂漿強(qiáng)度等級(jí)亦不能過低，否則將影響砌體結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性.從受力合理和經(jīng)濟(jì)的角度，砂漿強(qiáng)度等級(jí)宜比砌塊強(qiáng)度等級(jí)低1~2個(gè)級(jí)別.據(jù)此，編制了灌孔砼砌塊砌體材料強(qiáng)度的最佳組合表，如表2所示.

3 結(jié) 論

作者分析了影響砌體受壓性能的主要因素，在此基礎(chǔ)上根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件建立了灌孔砼砌塊砌體中灌孔砼、砌塊兩種材料強(qiáng)度之間的相互關(guān)系.同時(shí)提出了灌孔砼砌塊砌體材料的最佳組合，與現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定基本吻合，為規(guī)范條款的規(guī)定提供了理論依據(jù)，可供工程設(shè)計(jì)時(shí)參考.

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