大面開槽鋼纖維粉煤灰雙免磚的抗折性能研究

王沾義，曾良善，周立新，樊磊

（1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林　541004；2.廣西中澤建筑設(shè)計(jì)有限公司桂林分公司，廣西 桂林　541001）

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大面開槽鋼纖維粉煤灰雙免磚的抗折性能研究

王沾義1，曾良善2，周立新1，樊磊1

（1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林541004；2.廣西中澤建筑設(shè)計(jì)有限公司桂林分公司，廣西 桂林541001）

摘要：在粉煤灰免燒免蒸磚大面帶凹槽的基礎(chǔ)上，通過在磚體內(nèi)摻加鋼纖維的方法，研究大面開槽鋼纖維粉煤灰雙免磚的抗折性能。試驗(yàn)比較了4種不同類型的粉煤灰雙免磚，結(jié)果表明：凹槽的存在，不僅削減了磚塊的截面高度還使得凹槽處產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)，磚體的抗折強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)磚降低了31.43%；而在帶凹槽的磚體內(nèi)摻加體積含量為0.6%的鋼纖維后，較之于標(biāo)準(zhǔn)磚其抗壓強(qiáng)度提高不明顯，但抗折強(qiáng)度提高了32.50%，折壓比為標(biāo)準(zhǔn)磚的1.25倍。證明了鋼纖維的摻入不僅能有效降低凹槽處的應(yīng)力集中效應(yīng)，還能較大幅度提高磚體的抗折性能及折壓比。

關(guān)鍵詞：粉煤灰雙免磚；鋼纖維；大面凹槽；抗折強(qiáng)度；折壓比

0　引言

“雙免磚”即粉煤灰免燒免蒸磚，因其環(huán)保、節(jié)能、節(jié)地、利廢等特點(diǎn)，可有效地緩解燒結(jié)黏土磚的生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約二者之間日益突出的矛盾。但是，因其強(qiáng)度的形成機(jī)理不同于燒結(jié)磚，使其性能還存在的一些不可避免的缺陷，主要表現(xiàn)在耐久性差，砌體收縮大，墻體宏觀裂縫明顯等方面［1］。以至于人們?cè)谑褂眠@種磚的時(shí)候仍有所顧忌和擔(dān)憂，嚴(yán)重制約了該磚的發(fā)展。

當(dāng)磚塊砌筑于砌體中時(shí)，豎向灰縫處往往會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)以及單磚由于砌筑質(zhì)量及砂漿性能等多方面的影響，在砌體內(nèi)往往也會(huì)產(chǎn)生拉、彎、剪等復(fù)雜的附加應(yīng)力［2］，從而使得單磚在這種內(nèi)力較大處首先折斷并產(chǎn)生裂縫，隨著裂縫的延伸而引起砌體的整體破壞，造成砌體的抗壓強(qiáng)度大大低于單磚抗壓強(qiáng)度，致使材料嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，為提高粉煤灰磚的綜合應(yīng)用性能，不少研究人員為其投入了大量的時(shí)間和精力，獲得了不少的理論成果。劉立新等［3-4］為解決蒸壓粉煤灰磚與砌筑砂漿接觸面粘結(jié)力較弱的問題，對(duì)上下大面進(jìn)行開槽處理后的蒸壓粉煤灰磚砌體進(jìn)行了抗剪性能試驗(yàn)。證明凹槽能提高磚和砂漿二者之間的咬合作用，但這種開槽的方法會(huì)降低磚體的抗折強(qiáng)度；英慧［5］通過對(duì)表面變形的蒸壓粉煤灰磚和普通蒸壓粉煤灰磚抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的分析和對(duì)比，證明了磚體表面變形產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)，直接導(dǎo)致了其抗折能力的降低；李海濤和馬芹永［6］對(duì)蒸壓鋼纖維粉煤灰磚開展了長(zhǎng)齡期的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，分析得出了由于鋼纖維的摻入使得粉煤灰磚的抗折強(qiáng)度得到提高并磚體的破壞形態(tài)也得到了改善。但上述研究都只對(duì)粉煤灰磚的單一性能進(jìn)行改善，并未使磚的綜合性能得到有效提高，尤其是在磚體表面開凹槽的方法更是以犧牲其抗折能力來獲得抗剪能力的提高，這種做法有待進(jìn)一步改進(jìn)。那么，基于目前的研究情況，尋找一種改善粉煤灰磚綜合性能的方法就顯得尤為重要。

本試驗(yàn)綜合考慮磚體大面開槽和磚內(nèi)摻加鋼纖維二者各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并將其結(jié)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，為達(dá)到提高磚體破壞韌性，降低脆性，延緩和限制裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展［7］，提高力學(xué)抗力等綜合性能的目的而提供一種解決方法。試驗(yàn)通過比較不開槽不加纖維即標(biāo)準(zhǔn)磚（A型磚）、開槽不加纖維（B型磚）、不開槽加纖維（C型磚）、開槽加纖維（D型磚）4種不同類型的粉煤灰雙免磚，來研究和分析表面開槽及鋼纖維的加入對(duì)該磚抗折性能的變化及破壞形態(tài)的影響，并綜合評(píng)價(jià)該方法的可行性，為該磚以后的發(fā)展提供理論參考。本文雖然以粉煤灰雙免磚為試驗(yàn)載體，但實(shí)際上該方法同樣適用于蒸壓粉煤灰磚的性能改善。

1　試驗(yàn)

1.1試件設(shè)計(jì)

1.1.1試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用粉煤灰磚：均為相同條件下經(jīng)坯料制備、壓制成型、濕熱養(yǎng)護(hù)等工序制作而得，其尺寸為240mm×115mm×53 mm。粉煤灰取自廣西來賓市某火電廠，0.045mm方孔篩篩余＜45%，其主要化學(xué)成分見表1；石膏：袋裝成品石膏，CaSO4含量≥65%；石灰：成品生石灰；水泥：市售42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；集料：砂子，含泥量＜0.5%；鋼纖維：銑削型鋼纖維，長(zhǎng)度38mm，等效直徑0.8mm，長(zhǎng)徑比48，抗拉強(qiáng)度≥700MPa，該鋼纖維最大的優(yōu)點(diǎn)在于攪拌時(shí)不易結(jié)團(tuán)，能均勻的分布于坯料內(nèi)，如圖1所示。粉煤灰磚的質(zhì)量配合比如表2所示，鋼纖維的體積摻量參照文獻(xiàn)［6，8］取為0.6%。其中粉煤灰活性是通過濕熱養(yǎng)護(hù)和化學(xué)激發(fā)來提高的，采用由NaOH和Na2SO4組成的自制復(fù)合激發(fā)劑［9］，使用前按表2質(zhì)量配合比中的要求稱取相應(yīng)的質(zhì)量，按1∶1的比例配制成1%濃度的溶液，在混合材料攪拌過程中用噴霧器將溶液均勻噴灑在混合料中。

圖1　坯料制備

表1　粉煤灰的主要化學(xué)成分　%

表2　粉煤灰磚的質(zhì)量配比　%

1.1.2試件成型

本試驗(yàn)所有試件均采用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行制作，如圖2所示。該裝置由鋼制制磚模具、鋼制反力架、油壓千斤頂3部分組成。其中，鋼制模具的設(shè)計(jì)是為防止在制磚過程中產(chǎn)生變形，采用10mm厚鋼板通過角鋼及螺栓組合而成。千斤頂采用50 t額定起重量的油壓千斤頂，通過泵浦加壓并配備壓力表以確定壓制過程中的壓力值，并控制成型壓力在18 MPa左右。同時(shí)為消除制作條件給試件帶來的影響，在整個(gè)試件制作過程中嚴(yán)格控制投料質(zhì)量、成型壓力、壓制時(shí)間等重要參數(shù)。另外，凹槽的開設(shè)數(shù)量、位置及尺寸經(jīng)綜合考慮最終設(shè)計(jì)其寬為10mm、深約1.5mm，其示意如圖3所示。最后，根據(jù)制作流程將壓制好的磚坯靜停12 h后，放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行濕熱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度約為60℃、濕度90%，養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖2　試件壓制裝置

圖3　粉煤灰磚的凹槽開設(shè)數(shù)量、位置及尺寸示意

1.2試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)粉煤灰雙免磚試件共分為不開槽不加纖維即標(biāo)準(zhǔn)磚（A型磚）、開槽不加纖維（B型磚）、不開槽加纖維（C型磚）、開槽加纖維（D型磚）4種類型。按照GB/T2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法，各選取10塊外形規(guī)整，沒有缺棱掉角，彎曲、裂紋等都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的粉煤灰磚試件分別進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)。并用分度尺為0.5mm的專用卡尺，測(cè)量磚塊的寬度和高度尺寸。測(cè)量寬度時(shí)，應(yīng)在磚的2個(gè)大面中間處分別測(cè)量2個(gè)尺寸，取其平均值；測(cè)量高度時(shí)，應(yīng)在2個(gè)條面的中間處分別測(cè)量2個(gè)尺寸，取其平均值；開槽的磚應(yīng)在凹槽處分別測(cè)量2個(gè)尺寸，取其平均值。

本試驗(yàn)在桂林理工大學(xué)建筑材料試驗(yàn)中心的全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其最大力值為2000 kN。抗折強(qiáng)度試驗(yàn)前將各試件放在溫度為（20±5）℃的水中浸泡24 h后，再進(jìn)行試驗(yàn)。將試件大面平放到支輥上，支輥跨距為200mm，調(diào)整試件位置，使試件兩端面距支輥的距離相等。并保持100N/s的速度勻速加載，至試件破壞，記錄峰值荷載，精確至0.01 kN，試驗(yàn)過程如圖4所示?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)按文獻(xiàn)［10］要求進(jìn)行。

圖4　抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)各類型試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、折壓比測(cè)試結(jié)果見表3～表7。其中抗折強(qiáng)度Rc按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

表3　A型磚的抗折、抗壓強(qiáng)度及折壓比

式中：P——最大破壞荷載，N；L——支輥跨距，mm；

B、H——分別為試件的寬度和高度，其中開槽的磚取破壞部位的高度，mm。

表4　B型磚的抗折、抗壓強(qiáng)度及折壓比

表5　C型磚的抗折、抗壓強(qiáng)度及折壓比

表6　D型磚的抗折、抗壓強(qiáng)度及折壓比

表7　4種類型蒸壓粉煤灰磚的折壓比

2.2結(jié)果分析

從表3～表7可以看出：

（1）從抗壓強(qiáng)度方面分析，4種類型試件的平均抗壓強(qiáng)度總體相差不大。其中C型磚比A型磚高7.96%，B型磚比A型磚低1.01%，說明大面凹槽對(duì)磚體的抗壓強(qiáng)度影響較小，而鋼纖維的摻入對(duì)磚體強(qiáng)度起到有利影響。鋼纖維一般是亂向分布于磚體內(nèi)，當(dāng)其受到試驗(yàn)機(jī)豎向壓力而產(chǎn)生橫向變形時(shí)，磚內(nèi)鋼纖維便會(huì)起到約束橫向變形的作用，產(chǎn)生環(huán)向約束效應(yīng)，從而提高磚體抗壓強(qiáng)度［10-11］。但磚內(nèi)的這種環(huán)向約束作用較小，對(duì)提高磚體抗壓強(qiáng)度的效果不明顯。

（2）從抗折強(qiáng)度方面分析，B型磚的平均抗折強(qiáng)度比A型磚降低31.43%，說明凹槽的存在大大降低了磚體的抗折強(qiáng)度。分析這種情況的成因是由于凹槽的存在削減了磚塊的截面高度以及凹槽處產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)所導(dǎo)致的；C型磚的平均抗折強(qiáng)度比A型磚提高了41.79%，這說明在磚內(nèi)摻加鋼纖維能有效提高磚塊的抗折強(qiáng)度。產(chǎn)生這種效果的原因在于鋼纖維與基體材料之間具有較大的粘結(jié)錨固力，從而在磚塊受力時(shí)，磚內(nèi)下部纖維材料受到拉力，上部基體材料受到壓力［12］，使得各材料的力學(xué)性能得以發(fā)揮以及利用率也相應(yīng)增大，單磚抗折強(qiáng)度也得到提高；相比于B型磚和A型磚，D型磚的平均抗折強(qiáng)度比C型磚僅降低6.55%，說明鋼纖維的摻入能有效降低大面凹槽對(duì)磚體抗折強(qiáng)度的影響。D型磚的平均抗折強(qiáng)度比B型磚提高93.23%，說明鋼纖維對(duì)凹槽磚的抗折強(qiáng)度的提高非常明顯。D型磚的平均抗折強(qiáng)度比A型磚提高32.50%，說明鋼纖維的加入，較好地抵抗了凹槽的負(fù)面作用，并且還較大幅度提高了磚體的抗折強(qiáng)度。證明在磚體大面開凹槽和在磚內(nèi)摻加鋼纖維的方法是可行的，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

（3）從折壓比方面分析，在標(biāo)準(zhǔn)磚的基礎(chǔ)上僅僅通過開凹槽的方法來提高砌體的抗剪強(qiáng)度是不可取的，雖然凹槽的存在可以提高砌體的抗剪強(qiáng)度，但是會(huì)嚴(yán)重降低單磚的抗折強(qiáng)度，使得單磚折壓比達(dá)不到規(guī)范的要求。但在磚體內(nèi)摻加鋼纖維后，則可以較大幅度提高單磚的抗折強(qiáng)度。通過同時(shí)在磚塊大面開凹糟和在磚體內(nèi)摻加鋼纖維，既可提高磚和砂漿之間的粘結(jié)能力又可獲得較高的單磚抗折能力，使得綜合力學(xué)性能得以改善。

2.3試件破壞現(xiàn)象及原因分析

對(duì)A型磚（標(biāo)準(zhǔn)磚）、B型磚（開槽不加纖維）、D型磚（開槽加纖維）3種類型磚體的破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析。通過A、B兩種磚型對(duì)比，主要證明開槽磚具有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，再通過對(duì)D型磚破壞現(xiàn)象的分析，證明鋼纖維的摻入能有效降低開槽磚的應(yīng)力集中效應(yīng)。而C型磚（不開槽加纖維）本身沒有凹槽，沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在破壞現(xiàn)象上，不能得出具有實(shí)際價(jià)值的分析結(jié)論，只能從表7數(shù)據(jù)來分析其抗折承載力的提高。從破壞現(xiàn)象方面來講，D型磚相比于C型磚，其破壞現(xiàn)象更能直觀地說明鋼纖維具有降低應(yīng)力集中效應(yīng)的作用，因此只對(duì)A、B、D型磚的破壞現(xiàn)象進(jìn)行描述和分析。A、B、D型磚裂縫的產(chǎn)生部位及斷裂面形狀見圖5。

圖5 　A、B、D型磚的破壞位置

從圖5可以看出，對(duì)于未摻加鋼纖維的A、B型磚，在達(dá)到破壞荷載之前，磚體沒有明顯的宏觀變化。隨著荷載的增大，裂縫會(huì)在試件底部彎曲拉應(yīng)力最大且抗拉承載力最低的截面首先產(chǎn)生，一般為跨中截面也即上支輥?zhàn)饔命c(diǎn)所在截面，且其破裂面沿著該截面向上延伸至試件頂面。而帶凹槽的試件，絕大部分發(fā)生在凹槽和大面交接點(diǎn)處，只有少部分截面高度較大的試件發(fā)生在中間支輥?zhàn)饔命c(diǎn)截面處，再次充分說明應(yīng)力集中效應(yīng)的存在。另外，在加載過程中，裂縫一經(jīng)形成，便迅速貫穿整個(gè)磚截面，試件發(fā)生脆性破壞，破壞截面均為直線型且斷裂界面較為平整。對(duì)于摻加鋼纖維的D型磚，在達(dá)到破壞荷載之前，隨著荷載的增加，可用肉眼看到試件發(fā)生輕微的撓曲變形，同時(shí)伴隨著裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。此時(shí)不管是帶凹槽還是不帶凹槽的試件的開裂位置，都不一定是中間支輥?zhàn)饔命c(diǎn)處或是凹槽和磚體大面交接點(diǎn)處，而是隨機(jī)分布的，但其破裂面均是從開裂部位朝著中間支輥?zhàn)饔命c(diǎn)延伸發(fā)展。這種開裂位置的分布和磚體內(nèi)鋼纖維的分布直接相關(guān)，其原因在于磚內(nèi)鋼纖維的存在，抵擋了磚體裂縫的發(fā)展，當(dāng)裂縫的延伸遇到鋼纖維時(shí)，鋼纖維受到的彎曲拉應(yīng)力便瞬間增大，裂縫處的拉應(yīng)力全由鋼纖維承擔(dān)，限制了裂縫的發(fā)展。但隨著荷載的增大，由于鋼纖維是亂向分布于磚內(nèi)的，不能保證每個(gè)截面的鋼纖維含量相等，那么裂縫此時(shí)會(huì)尋著一條承載能力薄弱的路徑繼續(xù)發(fā)展并將鋼纖維從基體內(nèi)依次拔出［13］，使裂縫沿著一條彎曲的路線發(fā)展。這說明鋼纖維的存在，改變了試件裂縫的發(fā)展方向，使得凹槽所產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)減弱。另外，在試驗(yàn)加載過程中，試件經(jīng)歷了3個(gè)不同的發(fā)展破壞階段；第一階段為試件開裂前未達(dá)到開裂荷載時(shí)的微撓曲變形階段；第二階段為當(dāng)荷載介于開裂荷載和破壞荷載之間時(shí)的裂縫發(fā)展階段，此階段不加載裂縫不發(fā)展；第三階段為達(dá)到破壞荷載，試件斷裂階段。其斷裂面呈彎曲狀且截面較為凌亂，破壞呈一定的塑性。此外，在斷裂面可看到由于磚體破壞而被拔出的鋼纖維（如圖6所示）。這主要是因?yàn)殇摾w維抗拉強(qiáng)度很高，破壞時(shí)由于鋼纖維與基體之間的錨固粘結(jié)力不足而被拔出。

圖6　試件破壞斷面

3　結(jié)論及展望

（1）在磚體內(nèi)摻加鋼纖維能有效降低磚的脆性，增大韌性，并提高其破壞變形能力，使磚在破壞前經(jīng)歷裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展過程。

（2）大面凹槽對(duì)磚體的抗壓強(qiáng)度影響較小，摻入鋼纖維可以提高抗壓強(qiáng)度，當(dāng)纖維體積摻量為0.6%時(shí)抗壓強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)磚提高7.96%。

（3）大面開槽磚由于在凹槽和砂漿之間產(chǎn)生“砂漿銷鍵”作用，增大了二者接觸面間的粘結(jié)力，但卻大大降低了磚的抗折強(qiáng)度，較標(biāo)準(zhǔn)磚降低31.43%。而通過向磚內(nèi)摻加鋼纖維的方法，既能保證磚塊和砂漿二者之間有較好的粘結(jié)能力又能使單磚的抗折強(qiáng)度相比于標(biāo)準(zhǔn)磚提高32.50%，其折壓比也為標(biāo)準(zhǔn)磚的1.25倍，有效地緩解了凹槽應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，使該磚的綜合力學(xué)性能得到提高?？蔀樵摯u今后的應(yīng)用及發(fā)展提供一定的參考。

（4）由于不同類型的鋼纖維和磚基體材料的粘結(jié)能力各不相同，使得磚體破壞形態(tài)及形式也各不相同。在今后的研究中，可對(duì)不同類型的鋼纖維進(jìn)行綜合比較，得出其對(duì)磚體破壞形態(tài)的影響并得到磚體達(dá)到合理破壞形態(tài)時(shí)的最優(yōu)纖維摻量。從理論上講，磚體底部鋼纖維被拉斷的同時(shí)上部磚基體材料被壓碎是最理想的破壞方式。但實(shí)際上能否達(dá)到這一理想狀態(tài)，還需通過更為深入的試驗(yàn)論證。

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中圖分類號(hào)：TU552.1+9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）05-0035-06

收稿日期：2015-11-07

作者簡(jiǎn)介：王沾義，男，1989年生，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

Research on fracture resistance property of non-burned and non-steamed fly-ash brick which possesses both main side grooves and steel fiber

WANG Zhanyi1，ZENG Liangshan2，ZHOU Lixin1，F(xiàn)AN Lei1
（1.College of Civil Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Guangxi Zhongze Architectural Design Limited Company Guilin Branch，Guilin 541001，China）

Abstract：On the basis of non-burned and non-steamed fly-ash bricks which has notches on the main side，through the method of put steel fiber into brick to research the mechanical property of fracture resistance of non-burned and non-steamed flyash brick which possesses both main side grooves and steel fiber.The test compared with four different kinds of non-burned and non-steamed fly-ash bricks，the results indicate that the existence of grooves not only cut down the section height of brick but also cause the stress concentration effect at the location of grooves that directly decrease the ability of fracture resistance and the reduced value is 31.43%.While put 0.6%volumetric fraction of steel fiber into brick which possess of grooves，the growth of compressive strength that compared with standard brick is not obvious but the flexural strength increase 32.50%and the ratio of bending-compressive strength is 1.25 times of standard brick.It is proved that steel fiber not only could decrease the stress concentration effect caused by grooves but also could increase the flexural strength and the ratio of bending-compressive strength.

Keywords：non-burned and non-steamed fly-ash bricks，steel fiber，the main side grooves，flexural strength，ratio of bendingcompressive strength