燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體力學(xué)性能

李書進(jìn)等

摘要：介紹和分析了燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體的構(gòu)造和特點(diǎn)，通過試驗(yàn)研究了其力學(xué)性能；進(jìn)行了夾心復(fù)合墻體的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、低周往復(fù)水平荷載試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析，研究了該種墻體的破壞形態(tài)、抗震性能及變形能力。結(jié)果表明：燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體的理論分析結(jié)果與墻體試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；該類夾心墻體具有良好的耗能能力及變形能力；燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體有廣闊的應(yīng)用前景，值得推廣使用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合墻體；燒結(jié)清水裝飾磚；擬靜力試驗(yàn)；節(jié)能；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU362文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在建筑的能耗中，外墻作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，其能耗約占總能耗的50%[1]，可見外墻所用材料的保溫性能將直接影響建筑的耗能量，加強(qiáng)墻體的保溫隔熱性能是建筑節(jié)能的必經(jīng)之路。多年以來，中國(guó)建筑墻體一般采用單一材料，如早期的實(shí)心粘土磚，目前的空心磚、空心砌塊、加氣混凝土砌塊等。單一材料導(dǎo)熱系數(shù)大，一般為高效保溫材料的20倍以上，即使采用有效保溫措施也難以達(dá)到節(jié)能65%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要走復(fù)合墻體的道路[2]。

隨著建筑市場(chǎng)優(yōu)質(zhì)工程需求的加大，高檔裝飾磚在建筑施工與應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)已逐漸被市場(chǎng)認(rèn)識(shí)和接受，市場(chǎng)空間也不斷加大。承重多孔磚已經(jīng)朝著高利廢、高強(qiáng)度、同時(shí)具有清水磚裝飾效果的多功能方向發(fā)展。中國(guó)有些地區(qū)已經(jīng)開始利用當(dāng)?shù)刭Y源（主要是頁(yè)巖、淤泥等）生產(chǎn)高檔清水磚，部分有遠(yuǎn)見的建筑企業(yè)也開始使用清水磚或其過渡產(chǎn)品——清水貼片建設(shè)高檔樓盤，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[3]。將燒結(jié)清水裝飾磚與普通多孔磚相結(jié)合組成的夾心復(fù)合節(jié)能墻體由于具有強(qiáng)度高、裝飾效果好、耐候性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，將具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將對(duì)這一體系進(jìn)行介紹，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體

所謂燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體是指將傳統(tǒng)磚墻沿墻厚方向一分為二，采用燒結(jié)清水裝飾磚作為墻體的外葉，普通燒結(jié)多孔磚作為墻體內(nèi)葉，兩葉之間夾以保溫材料，并用鋼筋加以拉結(jié)的夾心復(fù)合墻體，具體構(gòu)造如圖1所示。

燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體采用清水裝飾磚作為墻體的外葉，且直接作為外墻裝飾，與傳統(tǒng)的單一材料墻體或夾心墻體相比，除有保溫、隔熱、節(jié)能等性能外，還具有其他墻體無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

首先，該體系暴露在外與外界惡劣氣候相接觸的是耐候性極強(qiáng)的高檔燒結(jié)磚，耐候性不強(qiáng)的材料則被保護(hù)在內(nèi)部，避免了普通外墻飾面過于脆弱、易開裂、脫落、使用壽命短等缺點(diǎn)，提高了建筑物的耐久性，延長(zhǎng)了建筑壽命。

其次，采用清水裝飾磚直接作為外墻裝飾節(jié)省了做外墻保溫層、粘貼外墻磚或刷涂料的時(shí)間以及相應(yīng)的人工費(fèi)和材料費(fèi)，提高了砌筑效率，降低了建筑成本。

此外，清水裝飾磚作外墻裝飾，典雅、自然、莊重、美觀，適用于建設(shè)文化藝術(shù)氛圍濃厚的精品建筑、田園式建筑、仿歐美建筑和相應(yīng)的城市景觀等，用途十分廣泛。

近年來，筆者以武漢湖泊淤泥為主要原料，研制出了一種高強(qiáng)、耐久、具有古樸典雅裝飾風(fēng)格的環(huán)保陶瓷清水磚。湖泊淤泥在該清水磚配方的添加量超過80%，產(chǎn)品規(guī)格一般為240 mm×115 mm×90 mm或240 mm×115 mm×53 mm，孔洞率25%以上，也可以做成各種異型產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室樣品已試制成功（圖2），擬準(zhǔn)備進(jìn)行批量生產(chǎn)。將這種新材料應(yīng)用到夾心復(fù)合墻體不僅能變廢為寶，而且可以引領(lǐng)建筑向藝術(shù)化、個(gè)性化、返璞歸真和自然天成的方向發(fā)展，進(jìn)一步提升建筑品位，具有巨大的社會(huì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。

2力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1抗壓試驗(yàn)

2.1.1試件設(shè)計(jì)

抗壓試驗(yàn)的試件尺寸為240 mm×250 mm×690 mm（圖3），按照夾心復(fù)合墻體系的施工方法與工藝流程進(jìn)行砌筑，試件實(shí)際尺寸平均值為235 mm×247 mm×700 mm。燒結(jié)清水裝飾磚和普通燒結(jié)多孔磚的強(qiáng)度等級(jí)為MU20，砂漿強(qiáng)度等級(jí)分M7.5和M10兩種，每種各3個(gè)試件，將這些構(gòu)件依次編號(hào)為SJ1至SJ6。

試件砌筑完成后，在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)，達(dá)到強(qiáng)度后按砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法在壓力機(jī)上進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)。砌筑完成后的試件抗壓試驗(yàn)情況如圖4所示。

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

開裂荷載與極限荷載在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義，它們是反映結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵指標(biāo)。試件開裂荷載的取值是通過試驗(yàn)過程肉眼觀察而來的，具有隨機(jī)性和離散性，極限荷載是試件發(fā)生極限破壞時(shí)的荷載，取壓力試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力計(jì)指針明顯回退時(shí)的讀數(shù)，該讀數(shù)為試驗(yàn)過程中最大的荷載讀數(shù)。表1為墻體試件的開裂荷載和極限荷載。

對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，其公式為σ=N/A，其中σ為試件的抗壓強(qiáng)度，A為試件受壓面積，A=0.058 m2。取試件抗壓強(qiáng)度f1，f2，f3的平均值fm，試件抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=0.45fm，按《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)配筋砌體的規(guī)定，試件抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)修正值按fM=γaf進(jìn)行修正，其中γa為修正系數(shù)，當(dāng)其中砌體截面面積小于0.2 m2時(shí)，γa為其截面面積加0.8，得γa=0.858。試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表2。

2.1.3墻體拉結(jié)筋的作用

節(jié)能夾心復(fù)合墻中Z形拉結(jié)筋的作用主要是保證內(nèi)、外2片墻體的協(xié)同工作、協(xié)調(diào)變形，同時(shí)提高夾心墻體的整體穩(wěn)定性，使之成為一個(gè)有機(jī)整體。試驗(yàn)中通過粘貼在拉結(jié)筋表面的應(yīng)變片可以觀測(cè)到，當(dāng)豎向荷載較小時(shí)，拉結(jié)筋應(yīng)變較小，基本上不起作用，墻體平面外變形小。隨著荷載的增大，拉結(jié)筋應(yīng)變開始增大，拉結(jié)筋開始發(fā)揮作用，試件有發(fā)生平面外變形的傾向。在加載至開裂荷載之前，鋼筋受力基本上隨荷載增加而有規(guī)律地變化。至接近極限荷載到試件完全喪失承載力階段，拉結(jié)筋應(yīng)變陡然增加到最大值，墻體進(jìn)入塑性發(fā)展階段，兩葉墻平面外變形增大。

2.2低周往復(fù)水平荷載試驗(yàn)

2.2.1試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2片墻體，分別為墻1和墻2，試件尺寸如圖5所示。

試件按照夾心復(fù)合墻體系的施工方法與工藝流程進(jìn)行制作。夾心墻體試件墻1和墻2均采用燒結(jié)清水裝飾磚和普通燒結(jié)多孔磚，其強(qiáng)度等級(jí)為MU20，砂漿強(qiáng)度等級(jí)分為M7.5和M10兩種。構(gòu)造柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，頂梁及底梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。構(gòu)造柱截面尺寸為240 mm×240 mm，縱向鋼筋為412，箍筋為6@200。

2.2.2加載方案和加載程序

該試驗(yàn)加載裝置如圖6所示，水平荷載采用頂點(diǎn)加載。豎向加載采用2個(gè)液壓千斤頂通過分配梁將豎向荷載傳至墻頂。構(gòu)造柱內(nèi)上下端鋼筋及墻體均布置了若干電阻應(yīng)變片。

（1）彈性階段

當(dāng)荷載較小時(shí)，墻體荷載位移曲線近似為直線，此階段夾心墻體能協(xié)同工作，變形協(xié)調(diào)，內(nèi)、外葉相對(duì)變形較小。

（2）彈塑性階段

當(dāng)荷載增大，內(nèi)、外葉墻體開裂并發(fā)展，墻面交叉裂縫形成，其荷載位移曲線呈曲線上升，形成滯回環(huán)。

（3）下降段

當(dāng)達(dá)到極限荷載后，墻體抗側(cè)能力將隨著位移增大而減小，其荷載位移曲線呈曲線下降。

隨著荷載繼續(xù)增大，墻體逐漸形成對(duì)角交叉裂縫，甚至有墻片剝落現(xiàn)象，直至試件破壞。試件典型破壞形態(tài)如圖8所示。

2.2.5試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析可知，在砂漿強(qiáng)度范圍內(nèi)，夾心墻體的抗剪承載力隨砂漿強(qiáng)度的提高而增大。這主要是因?yàn)楸疚脑囼?yàn)的破壞形式為沿砌體灰縫截面的剪摩破壞，砌體的抗剪破壞主要取決于水平灰縫中砂漿與砌塊的粘結(jié)強(qiáng)度。隨著砂漿強(qiáng)度的提高，砌體的抗剪強(qiáng)度也隨之增大，從而夾心墻體的抗剪承載力也隨之增大。

3數(shù)值模擬

為進(jìn)一步了解夾心復(fù)合墻體的力學(xué)性能，采用有限元方法對(duì)夾心復(fù)合墻體進(jìn)行了數(shù)值模擬和計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

有限元分析采用大型軟件ABAQUS進(jìn)行。夾心復(fù)合墻體的有限元模型主要包括砌塊、砂漿、底梁、頂梁、構(gòu)造柱和拉接件。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將砌塊和砂漿構(gòu)成的砌體視為均質(zhì)材料[89]。

3.1基本假定

（1）墻體底梁在試驗(yàn)?zāi)M過程中無任何轉(zhuǎn)角及位移。

（2）鋼筋混凝土材料及砌體磚塊均為均質(zhì)材料，且各向同性。

（3）拉接件同砌體之間連接緊密，且破壞前不產(chǎn)生滑移[10]。

（4）構(gòu)造柱、頂梁、底梁同夾心復(fù)合墻體之間緊密連接。

（5）底梁和頂梁始終處于彈性狀態(tài)，即不產(chǎn)生破壞。

（6）不考慮夾心復(fù)合墻體內(nèi)部保溫材料的受力。

3.2模型參數(shù)選擇

夾心復(fù)合墻體中各構(gòu)件材料參數(shù)按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況確定，實(shí)測(cè)參數(shù)見表3。構(gòu)造柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，頂梁及底梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。構(gòu)造柱截面尺寸為240 mm×240 mm，縱向鋼筋為412，箍筋為6@200?；炷?、砌塊、砂漿、鋼筋等均根據(jù)基本力學(xué)性能試驗(yàn)來確定其材料參數(shù)，如實(shí)測(cè)強(qiáng)度、彈性模量等。

3.3模型的建立

砌體、構(gòu)造柱、頂梁、底梁的模擬均按應(yīng)用實(shí)體單元中的完全積分單元（C3D8），梁柱內(nèi)部鋼筋及拉接件的模擬均采用空間桁架單元（T3D2）。砌體及混凝土材料本構(gòu)模型均采用ABAQUS中自帶的混凝土損傷塑性模型[1112]，模型參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果取值。

圖11為構(gòu)造柱應(yīng)力云圖，云圖顯示構(gòu)造柱底部受拉應(yīng)力較大，這也與試驗(yàn)現(xiàn)象中構(gòu)造柱底部裂紋較多相符。圖12為拉接件應(yīng)力云圖，云圖顯示拉接件發(fā)生彎曲屈服的位置主要分布在墻體中間偏上部位，而其他部位的拉接件變形較小，這與試驗(yàn)中得到的結(jié)論較吻合。圖13為試驗(yàn)夾心復(fù)合墻體滯回曲線，通過比較數(shù)值試驗(yàn)同夾心墻體試件試驗(yàn)的開裂荷載可知，兩者數(shù)值很接近。通過對(duì)比可以看出復(fù)合夾心墻體數(shù)值試驗(yàn)中應(yīng)力集中部位同試驗(yàn)中破壞較嚴(yán)重的部位較吻合，且數(shù)值試驗(yàn)所得的開裂荷載同夾心墻體試件試驗(yàn)的開裂荷載較接近，表明該數(shù)值計(jì)算可以比較精確地模擬夾心復(fù)合墻體的受力性能。

本文試驗(yàn)中夾心復(fù)合墻體處于低周反復(fù)水平荷載和豎向荷載作用下的復(fù)合受力狀態(tài)，主拉應(yīng)力破壞理論和庫(kù)侖破壞理論這2種基本理論是復(fù)合受力狀態(tài)下墻體破壞的主要理論。根據(jù)主拉應(yīng)力破壞理論，即當(dāng)作用于砌體上的主拉應(yīng)力大于其抗主拉應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，砌體就會(huì)發(fā)生剪切破壞，砌體抗剪強(qiáng)度的一般表達(dá)式為

fV=fV01+σ0fV0（1）

式中：σ0為作用于砌體截面的平均壓應(yīng)力；fV為砌體抗剪強(qiáng)度；fV0為砌體水平灰縫抗剪強(qiáng)度。

庫(kù)侖破壞理論（剪摩理論）認(rèn)為，砌體水平灰縫的抗剪強(qiáng)度fV0與作用于砌體截面的平均壓應(yīng)力σ0形成的摩阻力之和構(gòu)成了砌體的剪摩強(qiáng)度即抗剪強(qiáng)度。當(dāng)砌體所受的剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，砌體將沿砂漿的剪切面發(fā)生剪切破壞，其強(qiáng)度表達(dá)式為

fV=αfV0+μσ0（2）

式中：α為相關(guān)系數(shù)，變化范圍為0.5～1.0；μ為摩擦因數(shù)。

試驗(yàn)顯示，在豎向荷載與水平荷載的共同作用下，夾心復(fù)合墻體在初始時(shí)刻基本上維持彈性狀態(tài)，因此夾心復(fù)合墻體的荷載位移曲線基本上是一條直線。由此可見，在豎向荷載和水平荷載初始加載時(shí)，夾心墻體的剛度基本不變。隨著水平荷載的逐漸增加，在水平和豎向灰縫中同時(shí)出現(xiàn)裂縫，然后裂縫沿著夾心墻體灰縫向墻體兩側(cè)斜向發(fā)展，形成X形裂縫。因此，夾心墻體所受的主拉應(yīng)力超過其抗主拉應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)會(huì)導(dǎo)致夾心墻體產(chǎn)生裂縫，表明可以采用主拉應(yīng)力破壞理論來計(jì)算夾心復(fù)合墻體的開裂荷載[13]。

在夾心復(fù)合墻體的X形主裂縫形成后，夾心墻體沒有立刻進(jìn)入承載力極限狀態(tài)，其仍具有抵抗一定側(cè)力的能力，顯然這一現(xiàn)象無法用主拉應(yīng)力破壞理論來解釋。試驗(yàn)觀察到在夾心墻體的灰縫開裂后，夾心墻體并沒有在垂直于X形主裂縫的方向上被完全拉開，而是沿著水平灰縫相互錯(cuò)動(dòng)，所以墻體能夠繼續(xù)承受水平反復(fù)荷載的作用，直至沿X形主裂縫的水平灰縫粘合強(qiáng)度完全喪失，隨著摩擦因數(shù)不斷變小，夾心墻體會(huì)產(chǎn)生較大的水平位移，墻體的剪切摩擦機(jī)制不斷破壞，當(dāng)夾心墻體兩側(cè)的構(gòu)造柱剪斷后，達(dá)到墻體的極限荷載[13]。

試驗(yàn)分析得出，通過主拉應(yīng)力破壞理論可以描述夾心復(fù)合墻體開裂前的狀態(tài)，以及計(jì)算夾心復(fù)合墻體的開裂荷載；通過庫(kù)侖破壞理論可以解釋夾心復(fù)合墻體開裂后的承載力極限狀態(tài)，以及計(jì)算夾心復(fù)合墻體的極限荷載，所以應(yīng)根據(jù)夾心墻體的狀態(tài)去選擇對(duì)應(yīng)的理論進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，參考以往研究[13]，本文通過采用組合截面抗剪計(jì)算模式進(jìn)行夾心復(fù)合墻體的抗剪承載力計(jì)算，即將內(nèi)、外葉墻的抗剪承載力V1，V2相加得到夾心復(fù)合墻體的抗剪承載力V，即

V=V1+V2（3）

V1，V2均采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）中有構(gòu)造柱參與的磚砌體抗剪承載力計(jì)算模型，即

V1=ηcfV1（A1-Ac）+ξftAc+0.08fyAs（4）

V2=ηcfV2（A2-Ac）+ξftAc+0.08fyAs（5）

式中：ηc為內(nèi)葉墻墻體約束修正系數(shù)，在一般情況下系數(shù)取值為1.0，當(dāng)存在構(gòu)造柱且柱間距不大于3.0 m時(shí)系數(shù)取值為1.1，本文試驗(yàn)中ηc取值為1.1；fV1，fV2分別為內(nèi)、外葉墻抗剪強(qiáng)度；A1，A2分別為內(nèi)、外葉墻橫截面面積（包括端部構(gòu)造柱），本文試驗(yàn)中取值為0.3 m2；ξ為中部構(gòu)造柱參與工作系數(shù)，居中設(shè)1根時(shí)取0.5，多于1根時(shí)取0.4；As，Ac分別為鋼筋和混凝土截面面積。

由于本文試驗(yàn)的2片夾心復(fù)合墻體的內(nèi)、外葉墻兩端均有構(gòu)造柱約束，同時(shí)考慮到在墻體開裂時(shí)墻體兩端構(gòu)造柱基本處在彈性小變形階段，該階段構(gòu)造柱的作用主要是加強(qiáng)對(duì)中間墻體的約束從而提高夾心墻體的抗剪承載力，所以根據(jù)規(guī)范公式簡(jiǎn)化得到本文所研究的夾心復(fù)合墻體的抗剪承載力計(jì)算公式為

V=ηc（fV1A1+fV2A2）（6）

采用彈性方法計(jì)算時(shí)，復(fù)合受力狀態(tài)下計(jì)算夾心復(fù)合墻體的開裂荷載采用的是主拉應(yīng)力理論。根據(jù)中國(guó)試驗(yàn)與研究，取剪力不均勻系數(shù)為1.2，采用主拉應(yīng)力理論，則內(nèi)、外葉墻的抗剪強(qiáng)度分別按下式進(jìn)行計(jì)算

5結(jié)語(yǔ)

夾心復(fù)合墻由于其具有良好的保溫、隔熱、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，必將能得到更廣泛的應(yīng)用，對(duì)其加以研究和推廣亦具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。將燒結(jié)清水裝飾磚應(yīng)用到夾心復(fù)合墻體更能體現(xiàn)該體系的優(yōu)勢(shì)，可以使建筑更加耐久和美觀，更體現(xiàn)出自然魅力。本文通過對(duì)該墻體的試驗(yàn)和理論研究表明，理論分析同墻體試驗(yàn)情況吻合較好，該類夾心墻體具有較好的耗能能力及變形能力，因此，中國(guó)應(yīng)盡快出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，促進(jìn)這類墻體的應(yīng)用和發(fā)展，建立起科學(xué)、可持續(xù)發(fā)展的建筑體系。

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