污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

黃榜彪，廖天權(quán)，廖天元，朱基珍，李治，張貝（．廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州　545006；.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院土木工程系，四川樂山　64000）

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污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

黃榜彪1，廖天權(quán)1，廖天元2，朱基珍1，李治1，張貝1
（1．廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院土木工程系，四川樂山614000）

摘要：為了研究污泥頁巖多孔磚砌體的本構(gòu)關(guān)系，提出了一個(gè)待定系數(shù)的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式，通過對(duì)砌筑的6組共36個(gè)砌體試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了待定系數(shù)，得到本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。通過與其它研究者提出的本構(gòu)關(guān)系式對(duì)比結(jié)果表明，文中得到的本構(gòu)關(guān)系式與這些本構(gòu)關(guān)系式上升和下降段走勢(shì)基本一致，且符合性較好，可作為反映污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

關(guān)鍵詞：污泥；頁巖多孔磚；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；砌體；抗壓強(qiáng)度

0 引言

我國城市化規(guī)模不斷加快，城市污水排放量也在逐年增長，與此同時(shí)，處理污水產(chǎn)生的副產(chǎn)品——干污泥量也在增長。2015年我國污水排放總量達(dá)810.71億t［1］，根據(jù)污水處理量與干污泥產(chǎn)生量比例關(guān)系，則2015年干污泥產(chǎn)量達(dá)5200 萬t。干污泥無害化處理是我國迫切需要解決的問題。經(jīng)研究將干污泥按一定比例摻和到頁巖粉中制備污泥燒結(jié)頁巖多孔磚，作為一種新型墻體材料，其基本的力學(xué)性能滿足建筑墻體材料要求［2-4］。因此，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚將會(huì)在全國范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)外對(duì)不同砌塊的砌體力學(xué)性能研究甚多［5-12］，但對(duì)砌體受壓本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究很少；而對(duì)污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體的受壓本構(gòu)關(guān)系研究尚未檢索到。為了便于今后污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元模擬，有必要對(duì)其本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)

用MU10、MU15的污泥燒結(jié)頁巖多孔磚分別和M7.5、M10、M15強(qiáng)度等級(jí)水泥混合砂漿砌筑6組試件，每組6件，共36個(gè)試件。

1.1 試驗(yàn)用磚

試驗(yàn)用磚為由柳州高陽磚廠生產(chǎn)的污泥燒結(jié)頁巖多孔磚，強(qiáng)度等級(jí)分別為MU10、MU15；污泥摻量分別為30%和25%［4］。標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格為240 mm×115 mm×90 mm，實(shí)際尺寸偏差為±2 mm。隨機(jī)抽取強(qiáng)度等級(jí)為MU10、MU15的矩形多孔磚單磚各6塊，共12塊，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)污泥燒結(jié)頁巖多孔磚單磚實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度

1.2 試驗(yàn)砂漿

試件用M7.5、M10和M15強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)的水泥混合砂漿砌筑。砂漿嚴(yán)格按照其強(qiáng)度等級(jí)的材料配合比拌和，每種強(qiáng)度等級(jí)砂漿采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的有底試模制作6個(gè)砂漿試塊。試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)測(cè)其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2。

表2 砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度

1.3 試件制作

按照GB/T 50129—2011《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體試驗(yàn)試件尺寸為365 mm×240 mm×710 mm，制作允許誤差±5 mm。試件由一名瓦工技術(shù)員在平整的場(chǎng)地上砌筑6組，每組6件；灰縫厚度控制在8～10 mm。砌筑前用細(xì)砂找平放置焊接有吊鋼環(huán)墊板的地面，砌筑砌體上下表面用10 mm厚1∶3的水泥砂漿找平。試件砌筑完成用550 mm×400 mm×8 mm平板玻璃蓋住試件承壓面，并于玻璃上加壓5層多孔磚保持壓力14 d以上，以確保砌體承壓面的平整度和密實(shí)度。試件砌筑完成后，與砂漿試塊置于同一環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d以上。試驗(yàn)方案見表3。

表3 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 試驗(yàn)裝置布置

為了保證試件就位對(duì)中準(zhǔn)確和均勻受壓，在試件4個(gè)側(cè)面標(biāo)記出橫、縱中位線；用高強(qiáng)鋼板作承壓板，并平鋪5 mm厚干砂找平試件承壓面。試件寬側(cè)面中部橫向和縱向各布置一個(gè)測(cè)橫向變形和縱向變形的位移計(jì)（見圖1）。

1.4.2 加載方式

采用200T型精密液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)。正式加載前按5%～20%的預(yù)估破壞荷載對(duì)試件反復(fù)預(yù)壓3～5次后，檢查百分表的靈敏性和安裝的牢固性。正式加載分2個(gè)階段，第一階段按照預(yù)估破壞荷載的5%逐級(jí)加載直至出現(xiàn)第一條發(fā)絲裂縫出現(xiàn)；第二階段按照10%的預(yù)估破壞荷載逐級(jí)加載至壓力機(jī)加載指針回彈，即試件破壞，完成加載。試驗(yàn)加載過程中，每級(jí)加載在1.5 min內(nèi)均勻加載完成并保持荷載2 min，仔細(xì)觀察試件裂縫發(fā)展，采集記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件變形描述

試件加載至破壞可分為3個(gè)階段，即彈性階段、裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段和破壞階段，各階段對(duì)應(yīng)的典型裂縫特征如圖2～圖4所示。

圖2 初裂縫

彈性階段：試件正式加載至初始裂縫出現(xiàn)前，試件所受的壓力較小，雖然砌體內(nèi)部固有的一些微裂縫尖端由于應(yīng)力集中而略有發(fā)展，同時(shí)也有些微裂縫因?yàn)槭軌憾]合，因此對(duì)整個(gè)試件的宏觀形變影響不明顯，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為應(yīng)力隨應(yīng)變線性增長，當(dāng)加載值達(dá)極限荷載40%左右時(shí)，試件中部豎向灰縫上下塊體表面出現(xiàn)第一條發(fā)絲裂縫（見圖2），標(biāo)志彈性階段完成轉(zhuǎn)入裂縫發(fā)展階段。

圖3 發(fā)展裂縫

圖4 破壞裂縫

裂縫發(fā)展階段：初始裂縫出現(xiàn)后，隨著荷載的增加裂縫會(huì)向上、向下延伸，同時(shí)在初裂縫周圍相繼出現(xiàn)多條與初裂縫平行的微裂縫。由于試件端部橫向變形受承壓板約束，試件中部膨脹變形大，故新生裂縫主要集中在試件中部（見圖3）。這一階新生的微裂縫較多，變形增長也較快；但是，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)保持荷載的時(shí)候，裂縫不發(fā)展且形態(tài)也相對(duì)穩(wěn)定。

破壞階段：試驗(yàn)機(jī)加載到極限荷載的75%左右，即使試驗(yàn)機(jī)保持荷載，試件中部裂縫也會(huì)自由向上、向下發(fā)展。試件接近極限荷載，多條裂縫橫向擴(kuò)張并且豎向貫通至試件端部將試件劈裂成幾個(gè)單獨(dú)受壓的柱體（見圖4）。此時(shí)，雖然每個(gè)柱體局部承載能力在增長，但砌體試件由于失去整體性而達(dá)到最大承載能力，加載試驗(yàn)機(jī)指針回退，隨著一聲悶響試件宣告破壞。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），砌體抗壓強(qiáng)度平均值fm的計(jì)算公式為：

式中：fm——標(biāo)準(zhǔn)砌體試件軸心抗壓強(qiáng)度平均值，MPa；

k1——砌體種類參數(shù)，對(duì)于燒結(jié)多孔磚而言，取0.78；

k2——與砂漿有關(guān)參數(shù)，取1.0；

α——砌塊類別參數(shù)，取0.5；

f1、f2——分別為砌塊和砂漿的平均抗壓強(qiáng)度，MPa。

表4為本次試驗(yàn)的主要數(shù)據(jù)結(jié)果。

表4 抗壓試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以得出：

（1）試件實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于按《規(guī)范》式（3）計(jì)算的平均抗壓強(qiáng)度，故本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是合理的；試件實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度與按《規(guī)范》式（3）計(jì)算的平均抗壓強(qiáng)的比值隨砂漿強(qiáng)度等級(jí)的提高而減??；盡管如此，其比值的最小值仍遠(yuǎn)大于1。故《規(guī)范》式（3）適用于城市污泥頁巖磚砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)且安全系數(shù)較高。

（2）通過比較A-Ⅰ與B-Ⅰ、A-Ⅱ與B-Ⅱ、A-Ⅲ與B-Ⅲ發(fā)現(xiàn)，提高砌塊強(qiáng)度等級(jí)能較大幅度地提高砌體的開裂荷載和極限荷載。

（3）砂漿強(qiáng)度或砌塊強(qiáng)度的提高峰值壓應(yīng)變隨之減小，脆性破壞越明顯，且砌塊強(qiáng)度對(duì)于峰值應(yīng)變的影響略大于砂漿強(qiáng)度。峰值應(yīng)變作為應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要的參數(shù)，文獻(xiàn)［6］提出取值范圍應(yīng)為0.0026～0.0049；西安建筑科技大學(xué)根據(jù)多孔磚砌體抗壓試驗(yàn)結(jié)果建議取0.0024；新西蘭砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定無筋砌體受壓時(shí)的取0.002［13］；重慶大學(xué)根據(jù)頁巖磚砌體抗壓試驗(yàn)結(jié)果建議取0.0033［6］。根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果建議污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體峰值應(yīng)變?nèi)?.003，在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有較大的安全儲(chǔ)備。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體試驗(yàn)采集記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出逐級(jí)加載下的應(yīng)力（σ）和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變（ε）。采用無量綱坐標(biāo)，以應(yīng)變與峰值應(yīng)變比值（ε/ε0）為橫坐標(biāo)，以應(yīng)力與峰值應(yīng)力比值（σ/σmax）為縱坐標(biāo)，采用origin8.0數(shù)據(jù)處理軟件擬合各組試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5。由于試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)機(jī)剛度不足，在試件達(dá)到最大承載力后卸載，試驗(yàn)機(jī)恢復(fù)變形，加載過程中儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能釋放出來瞬間將試件擊碎，故只測(cè)出應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 各組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5可以看出，MU15多孔磚砌筑的砌體離散性相對(duì)MU10多孔磚砌筑的試件較大，說明多孔磚強(qiáng)度高，砌體的受壓脆性明顯；而在試驗(yàn)中也觀察到，MU15多孔磚砌體在受壓過程中脆性表現(xiàn)明顯。

2.4 本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式

由各組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，盡管各組砌體試件的塊體和砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)不同，但是其擬合的曲線大體走勢(shì)相同，區(qū)別很小。為了建立污泥燒結(jié)頁巖多孔磚本構(gòu)關(guān)系理想化的統(tǒng)一表達(dá)式，提出擬合公式（1）對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以確定其中參數(shù)a和b。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了式（1）中的參數(shù)，得到了污泥燒結(jié)頁巖多孔磚的本構(gòu)關(guān)系式。

將式（2）與本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)在同一張圖中反映，見圖6。

圖6 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻分布在曲線上方，與曲線上升段符合得較好。由于試驗(yàn)條件限制，本實(shí)驗(yàn)中未能獲得砌體峰值后試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文式（2）的正確性，將本文式（2）與表5中其它研究者提出的砌體本構(gòu)關(guān)系式進(jìn)行對(duì)比［6］，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。

表5 不同研究者的砌體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式

圖7 砌體應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

從圖7可以看出，本文得到的污泥頁巖多孔磚砌體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式與其它研究者提出的表達(dá)式相比較，不論上升段還是下降段走勢(shì)基本一致，且形式簡(jiǎn)潔。故本文式（2）可作為污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。

3 結(jié)論

（1）提出了砌體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式，結(jié)合實(shí)測(cè)污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到其受壓本構(gòu)關(guān)系；對(duì)比國內(nèi)外研究者提出的砌體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式，此本構(gòu)關(guān)系不僅能夠反映污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體受壓的基本特征，還具有砌體受壓本構(gòu)關(guān)系的普遍代表性，形式簡(jiǎn)潔，可用于有限元軟件模擬的本構(gòu)關(guān)系式。

（2）污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體和普通磚砌體破壞特征類似，典型破壞特征是砌體被劈裂成幾個(gè)小柱體，角部出現(xiàn)外鼓、脫皮和掉塊的現(xiàn)象。

（3）就比較MU10和MU15兩種砌體試件而言，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚強(qiáng)度提高，其砌筑的砌體開裂荷載和極限破壞荷載也隨之提高；但其破壞時(shí)的峰值應(yīng)變隨塊體強(qiáng)度提高而減小，砌體脆性破壞特征越明顯。

（4）污泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體結(jié)構(gòu)可按GB 50003—2011中的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，且安全系數(shù)較高。

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Research on stress-strain curve for sintered sludge-shale porous brick masonry

HUANG Bangbiao1，LIAO Tianquan1，LIAO Tianyuan2，ZHU Jizhen1，LI Zhi1，ZHANG Bei1
（1．School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；（2．Department of Civil Engineering，College of Engineering，Chengdu University of Technology，Leshan 614000，China）

Abstract：In order to study the constitutive relation of mud shale porous brick masonry，this paper proposed a constitutive relation expression of undetermined coefficients，based on the compression test on 6 groups of a total of 36 masonry specimens，combined with the experimental data，determined the undetermined coefficients，and got the constitutive relation expression. Compared with the constitutive relationship proposed by other researchers，movements in rising and falling period of the constitutive equation got in this paper are basically the same with that of other constitutive equation，has better compliance，can be used as stress-strain relationship reflecting the compression of sludge sintered shale porous brick masonry.

Key words：sludge，porous shale brick，stress-strain curve，masonry，compressive strength

中圖分類號(hào)：TU362

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）03-0065-05

基金項(xiàng)目：廣西千億元產(chǎn)業(yè)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（桂科攻11107021－3－5；桂科攻1099058）；廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目（桂科攻12100007，桂科攻1377001－1）；柳州市科技局項(xiàng)目（2013J010404）

收稿日期：2015-11-18

作者簡(jiǎn)介：黃榜彪，男，1964年生，廣西桂平人，教授級(jí)高級(jí)工程師。