污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體彎曲抗拉性能

黃榜彪，廖天權(quán)，黃秉章，朱基珍，李 治，張 貝，吳元昌，劉 陽，盧 強(qiáng)，盛 琪

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006;2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體彎曲抗拉性能

黃榜彪1，2，廖天權(quán)1，黃秉章1，朱基珍1，李 治1，張 貝1，吳元昌1，劉 陽1，盧 強(qiáng)1，盛 琪1

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006;2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

為研究污泥燒結(jié)頁巖多孔磚的彎曲抗拉性能，分別對4種普通水泥砂漿砌筑的36個沿通縫和36個沿齒縫的標(biāo)準(zhǔn)砌體試件進(jìn)行彎曲抗拉試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿通縫和齒縫的彎曲抗拉強(qiáng)度均隨砂漿強(qiáng)度的提高而增長。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，提出了污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿通縫和齒縫的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值計算公式，可供污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體設(shè)計參考。

污泥;多孔磚;彎曲抗拉;砌體

為積極貫徹落實(shí)國家關(guān)于節(jié)能減排的政策要求，達(dá)到污泥減量化、資源化、穩(wěn)定化、無害化處理的目的，將一定量的污泥摻入到磚坯中制備污泥燒結(jié)頁巖多孔磚，不僅可以降低磚體的容重，而且還能達(dá)到較好的保溫隔熱性能，是一種新型建筑節(jié)能墻體材料［1］。經(jīng)過對污泥頁巖多孔磚砌體軸壓和抗剪試驗(yàn)研究，其抗壓強(qiáng)度值和抗剪強(qiáng)度值均高于現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計》規(guī)定的平均值［2－7］。為了便于污泥燒結(jié)頁巖多孔磚推廣應(yīng)用，以及為編制《污泥燒結(jié)頁巖多孔磚技術(shù)規(guī)程》提供依據(jù)，必須對污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體力學(xué)性能進(jìn)行全面研究。本文通過4種普通水泥砂漿砌筑的72個試件，展開污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿通縫和齒縫的彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

1 材料性能

1.1 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚

本試驗(yàn)用磚是由柳州市高陽磚廠提供的KP1型矩形孔污泥燒結(jié)頁巖多孔磚，強(qiáng)度設(shè)計等級為MU15，共27孔，孔洞率為28.6%，標(biāo)準(zhǔn)尺寸240 mm×115 mm×90 mm，實(shí)際尺寸偏差為±2 mm。按《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)在同一批生產(chǎn)磚中抽取10塊表面完整的磚體進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，實(shí)測其抗壓強(qiáng)度值(表1)，其值滿足要求。

1.2 砂漿

嚴(yán)格按照《砌筑砂漿配合比設(shè)計規(guī)程》拌和A、B、C、D四組砂漿，強(qiáng)度設(shè)計等級分別為M7.5、M10、M15和M20，并且按照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)規(guī)定，每完成一組砂漿的拌和，采用邊長為70.7 mm的立方體鋼模制作6個砂漿試件，1 d后拆模與砌筑砌體置于同條件下養(yǎng)護(hù)，28 d后進(jìn)行軸壓試驗(yàn)測定其抗壓強(qiáng)度，實(shí)測抗壓強(qiáng)度值見表2。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件設(shè)計

砌體的彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)分為沿通縫截面和沿齒縫截面彎曲抗拉試驗(yàn)。試驗(yàn)試件的尺寸規(guī)格和砌筑方法嚴(yán)格按照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)執(zhí)行。沿通縫截面抗彎砌體試件的尺寸為800mm×240mm×240mm(圖1)，采用立砌的方式砌筑完成，立即于頂面加壓4塊多孔磚以保證灰縫的密實(shí)度和平整度;沿齒縫截面抗彎試件尺寸為1 000 mm×290 mm× 240 mm(圖2)，采用一順一丁平砌方式。所有試件的砌筑均由同一中等技術(shù)瓦工完成，灰縫厚度控制在8～12mm內(nèi)，砌筑完成后置于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行彎曲抗拉試驗(yàn)。

表1 實(shí)測單磚抗壓強(qiáng)度值Table 1 Measured compressive strength for bricks MPa

表2 實(shí)測砂漿試塊抗壓強(qiáng)度Table 2 Measured compressive strength ofmortar test samples MPa

圖1 通縫抗彎試件Fig.1 Bendingmasonry test along the linear joint

圖2 齒縫抗彎試件Fig.2 Bendingmasonry test along the dentate joint

2.2 試驗(yàn)裝置

采用梁式三分點(diǎn)集中荷載加載法。試驗(yàn)裝置由加載架、液壓千斤頂、荷載傳感器、剛性分配梁、臺座等組成加載系統(tǒng)(圖3)。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前先注明通縫抗彎試件和沿齒縫抗彎試件，準(zhǔn)確標(biāo)出試件支座和集中荷載作用線的位置，并量測純彎段中部截面尺寸，精確至1 mm。測出試件、分配梁、輥軸、荷載傳感器等附件自重，精確至10 N。通縫抗彎試件的就位:先將試件平放在試驗(yàn)臺座上，按標(biāo)記的支座線和集中力作用線準(zhǔn)確對中。沿齒縫截面抗彎試件的就位:先以長邊為軸轉(zhuǎn)過90°后，再平移至試驗(yàn)臺座上進(jìn)行準(zhǔn)確對中。按簡支梁三分點(diǎn)集中荷載要求對試件加載，加載作用線與輥軸準(zhǔn)確對中后，液壓千斤頂以0.08 kN/s勻速加載，確保試件在3～5 min內(nèi)被破壞，詳細(xì)觀察并記錄破壞特征和極限荷載值。

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Bendingmasonry test device

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)破壞形態(tài)分析

污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿通縫和齒縫的彎曲脆性破壞特征明顯，表現(xiàn)為試件從加載至破壞整個過程中未見裂縫出現(xiàn)，當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時，伴隨“砰”的一聲悶響，試件突然斷裂，即“一裂即壞”。試件的典型破壞特征見圖4。通縫和齒縫受彎破壞的大多數(shù)破壞截面位于砌體試件跨中/3范圍內(nèi)，極少數(shù)破壞面發(fā)生在距離支座l/3內(nèi)。這是由于采用三分點(diǎn)加載方式，在跨中l(wèi)/3范圍內(nèi)為純彎段，且彎矩最大，試件底部產(chǎn)生拉應(yīng)力也就最大。而極少數(shù)的破壞截面發(fā)生在距離支座l/3內(nèi)，砌筑質(zhì)量的差異導(dǎo)致的破壞總是沿薄弱的截面發(fā)生。

圖4 試件抗彎破壞圖Fig.4 Bending specimen failure feature

通縫試件的破壞面分為砂漿層與磚體的粘結(jié)破壞和砂漿被撕裂破壞兩種，前者破壞面較平整。齒縫的試件也有兩種破壞形態(tài):第一種表現(xiàn)為試件跨中某個截面內(nèi)磚體和砂漿一起被拉斷;第二種表現(xiàn)為磚未被拉斷，而是沿著灰縫形成齒狀的凹凸破壞面，砂漿層與砌塊的粘結(jié)破壞，前者破壞荷載大于后者。不論沿通縫還是沿齒縫的彎曲破壞面，均有大量砂漿鍵被拉斷，少數(shù)則被拔出，砂漿鍵的存在極大地提高了砌體彎曲抗拉強(qiáng)度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

參照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)規(guī)范，實(shí)測砌體沿通縫和齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度為［8－9］

式中:ft，i為砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值(N/mm2);Nt為試件受彎破壞極限荷載，包括荷載傳感器、輥軸、分配梁等附件的自重(N);G為試件自重(N); b和h分別為試件橫截面寬度和高度(mm)。

參照規(guī)范《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)，砌體的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值為

式中:ft，m為砌體彎曲抗拉強(qiáng)度計算平均值(MPa);k4為磚體類別系數(shù)，對于燒結(jié)多孔磚沿通縫截面受彎取值為0.125，沿齒縫取0.250;f2為砂漿強(qiáng)度設(shè)計值(MPa)。

表3和表4分別列出了污泥頁巖多孔磚砌體沿通縫和齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)平均值ft，i、實(shí)測最小值ft，imin、按式(2)計算的平均值ft，m和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計值ft。

表3 砌體通縫彎曲抗拉強(qiáng)度值比較Table 3 Comparison of bending tensile strength along themasonry linear joint MPa

表4 砌體齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度值比較Table 4 Comparison of bending tensile strength along themasonry dentate joint MPa

可以看出:①污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿通縫和沿齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)平均值ft，i約為按式(2)計算平均值的兩倍，且每組砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值中最小值均遠(yuǎn)大于按規(guī)范計算平均值。而砌體結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計是按照砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計值ft進(jìn)行設(shè)計的，通過比較污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體試驗(yàn)最小值ft，imin和砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計值ft發(fā)現(xiàn)，若按照現(xiàn)行砌體設(shè)計規(guī)范進(jìn)行污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計，承載能力的富余量過大。②同強(qiáng)度等級砂漿砌筑的砌體，沿齒縫的彎曲抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于通縫砌體的彎曲抗拉強(qiáng)度，表明砌體的彎曲抗拉強(qiáng)度受砌筑方式的影響。③ 砌體試件沿通縫和齒縫的彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值隨其砌筑砂漿強(qiáng)度的提高而增長，這是因?yàn)槠鲶w的彎曲抗拉強(qiáng)度主要由砂漿與磚體的粘結(jié)強(qiáng)度、砂漿鍵及砂漿面抗拉強(qiáng)度組成。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

由于污泥燒結(jié)頁巖多孔磚按照現(xiàn)行砌體設(shè)計規(guī)范設(shè)計時其承載能力富余量過大，若按規(guī)范設(shè)計污泥燒結(jié)頁巖磚抗彎砌體，勢必會造成材料的浪費(fèi)。故建議適當(dāng)調(diào)整規(guī)范中砌體彎曲抗拉強(qiáng)度平均值計算公式中系數(shù)k4的取值，推導(dǎo)出污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體強(qiáng)度設(shè)計值分項(xiàng)系數(shù)γf，以使污泥燒結(jié)頁巖多孔磚在砌體設(shè)計中得到合理利用，并且具備一定安全儲備。

采用規(guī)范給出的公式ft，m=k4對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿通縫和齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度平均值計算式(3)和式(4)，并分別將通縫和齒縫回歸值ft，m與試驗(yàn)彎曲抗拉強(qiáng)度最小值ft，imin及其兩者之比ft，imin/ft，m列于表5和表6中。

可以看出，擬合的污泥燒結(jié)頁巖多孔磚平均強(qiáng)度計算回歸式(3)和式(4)反映的是砌體彎曲抗拉強(qiáng)度平均值。為了確保砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全，還需要對回歸式(3)和式(4)中的系數(shù)k4作進(jìn)一步調(diào)整，使調(diào)整后彎曲抗拉強(qiáng)度計算式既能將試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)包絡(luò)在其上方，又能反映污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度隨砂漿強(qiáng)度增長的趨勢。為此，按下式確定通縫和齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度平均值系數(shù)k4:

表5 通縫彎曲抗拉強(qiáng)度回歸值與試驗(yàn)最小值比較Table 5 Comparison between minimum bending value of test along the linear joint and regressive value of formula

表6 齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度回歸值與試驗(yàn)最小值比較Table 6 Comparison between minimum bending value of test along the dentate joint and regressive value of formula

式中，k為回歸式(3)和式(4)的系數(shù):通縫試件為0.235，齒縫試件為0.464;(ft，imin/ft，m)min為表5和表6中ft，imin/ft，m的最小值。

經(jīng)式(5)計算得到污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體通縫和齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度計算式(6)和式(7):

將通縫和齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度計算式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)比較，如圖5和圖6?？梢姡p彎曲抗拉強(qiáng)度計算式(6)和齒縫計算式(7)的曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)走勢基本一致，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在其上方，故可用式(6)和式(7)計算污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度，從而進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

依據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)，砌體的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值分別按式(8)和式(9)計算

圖5 通縫彎曲抗拉強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.5 Bending tensile strength envelope along the linear joint

圖6 齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.6 Bending tensile strength envelope along the dentate joint

式中:δf為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，沿齒縫截面δf= 0.390，沿通縫截面δf=0.186;γf為砌體材料分項(xiàng)系數(shù)，取1.6。

由式(6)～(9)計算結(jié)果提出污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿通縫和齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值的建議取值(表7)，可供污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

表7 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值Table 7 Standard and design value reference of bending tensile strength for structure design MPa

4 結(jié)論

(1)污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿通縫和齒縫的彎曲抗拉破壞脆性特征明顯，破壞前無裂縫出現(xiàn)，一裂即壞。

(2)污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體沿齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度大于通縫彎曲抗拉強(qiáng)度，砌筑方式對砌體彎曲抗拉強(qiáng)度影響明顯。不論齒縫和通縫，彎曲抗拉強(qiáng)度都隨砂漿強(qiáng)度的增長而提高。

(3)由于污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體中砂漿鍵對砌體彎曲抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，實(shí)測彎曲抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范彎曲抗拉強(qiáng)度平均值。若按規(guī)范設(shè)計則造成材料的浪費(fèi)，為了合理利用材料，通過數(shù)據(jù)回歸分析，提出了污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度平均值建議計算式(6)和式(7)，并在此基礎(chǔ)上提出了具有一定安全儲備的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值的建議取值，可供砌體設(shè)計參考。

［1］黃榜彪，張向華，朱基珍，等．污泥摻量對燒結(jié)污泥頁巖磚抗壓強(qiáng)度的影響［J］．四川建材，2012，38(5):3－4．

［2］吳元昌，朱基珍，黃榜彪，等．城市污水污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體軸壓試驗(yàn)［J］．廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，39(1):32－37．

［3］黃榜彪，賴駿，朱基珍，等．矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗壓強(qiáng)度及彈性模量研究［J］．廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2015，40(1):43－49．

［4］黎喜強(qiáng)．城市污泥燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪性能的試驗(yàn)研究［D］．柳州:廣西科技大學(xué)，2014．

［5］張向華．城市污泥燒結(jié)頁巖多孔磚的研發(fā)及其砌體抗壓性能分析［D］．柳州:廣西科技大學(xué)，2013．

［6］Huang B B，Jing JH，Zhu JZ，et al．The comparative analysis of lime burst between sintered shale brick and light-weight sintered brick［J］．Advanced Materials Research，2012，450－451:683－687．

［7］Huang B Z，Lai J，Huang B B，et al．Experimental study on the effect to compressive strength of flux on sludge lightweight sintered shale brick［J］．Advanced Materials Research，2014，838－841:2330－2333．

［8］張中脊，楊偉軍．蒸壓灰砂磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］．新型建筑材料，2009(5):43－47．

［9］陳萬山．蒸壓灰渣頁巖磚砌體彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］．低溫建筑技術(shù)，2011(9):10－12．

Bending tensile performance on sludge sintered shale perforated brick masonry

HUANG Bang-biao1，2，LIAO Tian-quan1，HUANG Bing-zhang1，ZHU Ji-zhen1，LIZhi1，ZHANG Bei1，WU Yuan-chang1，LIU Yang1，LU Qiang1，SHENG Qi1
(1.College of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China;2.College of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

In order to study the bending tensile strength of sludge sintered shale perforated brick masonry，standard-brick masonry specimens，4 kinds of cementmortar，36 used for test bending tensile strength along the dentatemortar joint and 36 for the linear jointwere tested．The results show that both the strength along the dentatemortar joint and the linear joint are increased with the cementmortar strength improved．The bending tensile strength calculation formula for themasonry along the dentatemortar jointand the linear joint are suggested after regression analysis of test results was conducted，which can be a reference for the structure design of sludge sintered shale perforated brick masonry．

sludge;perforated brick;flexural tensile strength;masonry

TU522;TU521.22

:A

2015－06－12

廣西科技廳重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目 (桂科AB16380341);柳州市科技局項(xiàng)目 (科技攻關(guān)2015J020201);柳州市柳北區(qū)科技局項(xiàng)目 (公共安全技術(shù)研究與應(yīng)用20160102)

黃榜彪 (1964—)，男，教授級高級工程師，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，752359768@qq.com。

黃榜彪，廖天權(quán)，黃秉章，等．污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體彎曲抗拉性能［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報，2016，36 (4):743－747．

1674－9057(2016)04－0743－05

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.016