再生砂漿砌體抗剪性能試驗(yàn)研究

馬政偉，張鋒劍,2，董曉峰,張文彬，楊賦安，邢智巖，栗書亞，徐進(jìn)進(jìn)

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山467036；2.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100013)

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再生砂漿砌體抗剪性能試驗(yàn)研究

馬政偉1，張鋒劍1,2，董曉峰1,張文彬1，楊賦安1，邢智巖1，栗書亞1，徐進(jìn)進(jìn)1

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山467036；2.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100013)

抗剪性能是砌體結(jié)構(gòu)的重要性能之一。通過標(biāo)準(zhǔn)砌體構(gòu)件抗剪試驗(yàn)，研究了再生砂漿多孔磚砌體的抗剪強(qiáng)度、破壞特征，并與《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011)中的普通多孔磚砌體計(jì)算公式相比較，給出了再生砂漿多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的建議取值。試驗(yàn)及結(jié)果分析表明：再生砂漿體具有很好的強(qiáng)度和變形能力，可作為砌體結(jié)構(gòu)中的砌筑砂漿。

再生砂漿多孔磚砌體；抗剪強(qiáng)度；再生細(xì)骨料

隨著城市規(guī)模擴(kuò)大，舊城改造得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，由此產(chǎn)生的建筑垃圾也越來越多[1-2]。2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：我國每年產(chǎn)生約35億t建筑垃圾，且普遍采取堆放和掩埋的方式處理，其綜合利用率不足5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐盟(90%)、日本(97%)和韓國(97%)等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。與此同時(shí)，由于建筑業(yè)大量消耗天然砂石，造成我國很多地區(qū)天然砂石嚴(yán)重短缺，導(dǎo)致建筑成本增加、建筑質(zhì)量下降。通過對(duì)廢舊混凝土及磚渣進(jìn)行粉碎篩分，得到不同品質(zhì)和粒徑的再生骨料，根據(jù)其性能分別用于生產(chǎn)再生混凝土、再生混凝土砌塊及再生砂漿等再生混凝土制品,不僅解決了建筑垃圾無處堆放難以處理的問題，而且解決了建筑材料日益短缺的問題，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，符合國家可持續(xù)發(fā)展的基本國策。本文使用固體廢棄物實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的廢棄混凝土塊，利用設(shè)備破碎后再進(jìn)行篩分得到粒徑小于5 mm的再生細(xì)骨料作為替代天然砂的材料。實(shí)驗(yàn)中使用不同百分率的再生細(xì)骨料，配置了兩種強(qiáng)度等級(jí)的再生砂漿，然后砌筑標(biāo)準(zhǔn)的抗剪試驗(yàn)構(gòu)件，最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)砌體構(gòu)件抗剪試驗(yàn)來研究再生砂漿多孔磚砌體的抗剪強(qiáng)度及剪切面破壞形態(tài)。通過抗剪試驗(yàn)研究及結(jié)果分析，再生砂漿多孔磚砌體具有良好的抗剪性能，在工程中可以作為砌筑砂漿使用。

1　試驗(yàn)方案及抗剪試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原材料

本實(shí)驗(yàn)中使用的再生細(xì)骨料來自河南城建學(xué)院建材實(shí)驗(yàn)室，由本科試驗(yàn)壓碎的廢棄混凝土立方體試塊組成。首先進(jìn)行人工初步破碎，再利用顎式破碎進(jìn)行二次破碎，最后進(jìn)行人工篩分得到粒徑小于5 mm的再生細(xì)骨料，用于配置本次試驗(yàn)用的再生砂漿。本文按照《建設(shè)用砂》[3]中所規(guī)定的試驗(yàn)方法，對(duì)普通細(xì)骨料和再生細(xì)骨料進(jìn)行取樣測(cè)試，得到兩種材料的主要物理性能指標(biāo)見表1。

表1　細(xì)骨料主要性能指標(biāo)

通過表1中再生細(xì)骨料跟天然細(xì)骨料的各項(xiàng)物理性能對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，天然砂的顆粒級(jí)配相對(duì)均勻，堆積密度和表觀密度比再生細(xì)骨料大20.4%和10.3%，并且再生細(xì)骨料的吸水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然砂。

本試驗(yàn)使用的煤矸石多孔磚為平頂山市亞坤建材有限公司生產(chǎn)，該磚尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，強(qiáng)度等級(jí)為MU10?？辜粼囼?yàn)前按照《砌墻磚試驗(yàn)方法》[4]中的規(guī)定，從實(shí)驗(yàn)用煤矸石多孔磚中隨機(jī)抽取了10塊多孔磚作為測(cè)試單磚抗壓強(qiáng)度試樣。將每個(gè)試樣對(duì)半切開使用水泥凈漿砌筑，養(yǎng)護(hù)3 d后利用TYE-3000C型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示，其抗壓強(qiáng)度平均值為10.5 MPa，達(dá)到MU10強(qiáng)度等級(jí)。

表2　燒結(jié)煤矸石多孔磚抗壓強(qiáng)度(MPa)

1.2試件設(shè)計(jì)及制作

試驗(yàn)采用的砂漿為使用不同再生細(xì)骨料取代率的再生水泥砂漿，砌筑成尺寸為290 mm×240 mm×365 mm的通縫抗剪試驗(yàn)試件。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，主要研究再生細(xì)骨料取代率對(duì)砌體抗剪性能的影響，配置了M7.5、M10兩種強(qiáng)度等級(jí)的再生水泥砂漿[5]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)再生細(xì)骨料取代天然砂的摻量為0、30%、45%、60%，砌成八組試件，每組6 個(gè)，總計(jì)48個(gè)試件。具體試驗(yàn)方案見表3，其中再生細(xì)骨料取代率為再生細(xì)骨料與全部細(xì)骨料的質(zhì)量比值。

試件的制作、養(yǎng)護(hù)及試驗(yàn)方法均嚴(yán)格按照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) 》(GB 50129-2011)[6]的要求。抗剪砌體試件砌筑完成之后，養(yǎng)護(hù)7 d，當(dāng)砂漿強(qiáng)度達(dá)到100%之后，按照?qǐng)D1在試件頂部的中間磚和底部的兩側(cè)磚上用1:3水泥砂漿抹面找平，厚度在10～12 mm。抹面后利用鋼化玻璃塊壓在砂漿上部保證上下兩個(gè)受力面平行，然后把抹好面的試件放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)，當(dāng)抹面砂漿也達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開始進(jìn)行砌體抗剪試驗(yàn)。具體構(gòu)件尺寸見圖1。

表3　再生砂漿砌體試驗(yàn)方案

圖1　砌體試件的組砌示意圖

圖2　加載裝置示意圖

在砌筑抗剪砌體試件的同時(shí)，每組預(yù)留6塊標(biāo)準(zhǔn)砂漿立方體試塊且與試驗(yàn)砌體試件在同條件下養(yǎng)護(hù)，在抗剪試驗(yàn)開始前一天利用MTS810材料試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)砂漿立方體試塊的抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4　砂漿試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值

1.3抗剪性能試驗(yàn)

砌塊抗剪試驗(yàn)采用成都伺服液壓加載系統(tǒng)的300 kN液壓千斤頂進(jìn)行加載，千斤頂配有荷載傳感器，加載系統(tǒng)可測(cè)定荷載值。先將千斤頂安裝在反力架上，連上油泵，然后將試件置于反力架下兩塊鋪有一層砂的厚鋼板表面上。再在試件頂面中間塊磚受力面上鋪一層薄薄的砂并放置一塊厚20 mm的鋼板，保證千斤頂傳來的荷載能夠均勻作用在試件加載面上。抗剪試驗(yàn)加載裝置示意圖如圖2所示。

試驗(yàn)前，首先測(cè)量受剪面尺寸，測(cè)量精度要達(dá)到1 mm，然后將多孔磚砌體試件放置在兩塊厚鋼板上，調(diào)整試件位置使試件中心跟上部千斤頂中心對(duì)照，再將20 mm鋼板放在砌體上部加載面上。砌體抗剪試驗(yàn)采用勻速連續(xù)加載的方法，控制試件在1～3 min內(nèi)達(dá)到破壞。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象描述

通過試驗(yàn)可知再生砂漿多孔磚砌體抗剪試件的破壞形態(tài)均為脆性破壞，破壞前沒有征兆，當(dāng)荷載達(dá)到受剪面極限承載力時(shí)，受剪面突然破壞。受剪面的破壞形態(tài)分為單剪面破壞，見圖3(a)、雙剪面破壞，見圖3(b)兩種形式。在48個(gè)再生砂漿多孔磚砌體受剪破壞試件中，有20個(gè)試件出現(xiàn)了單剪面破壞，占總試件數(shù)的42%；有28個(gè)試件出現(xiàn)了雙剪面破壞，占總試件數(shù)的58%。從兩種破壞面上可以看出，多孔磚的孔洞中填充的再生砂漿都出現(xiàn)了斷裂，這種現(xiàn)象稱為砂漿銷鍵作用，說明在砌體抗剪試驗(yàn)過程中，多孔磚中砂漿銷鍵發(fā)揮了作用[9]。

(a)單剪面破壞　　　　　(b)雙剪面破壞圖3　砌體試件剪切破壞形態(tài)

2.2抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129-2011)[6]規(guī)定:抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值等于試件破壞荷載除以試件的兩個(gè)受剪面的毛面積之和，單個(gè)試件沿通縫截面的抗剪強(qiáng)度由式(1)求得，計(jì)算結(jié)果精確到0.01 N/mm2。

(1)

式中：fv,m—試件沿通縫截面的抗剪強(qiáng)度，N/mm2；Nv—試件的抗剪破壞荷載值，N；A—試件的一個(gè)受剪面的面積，mm2。按式(1)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到試件實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度見表5。

表5　多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值

2.3燒結(jié)煤矸石多孔磚抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由表5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值跟再生砂漿強(qiáng)度實(shí)測(cè)值成正比，這是因?yàn)槭芗粼嚰钠茐男螒B(tài)均是沿著受剪面破壞，且破壞面上的砂漿銷鍵均已經(jīng)被剪斷，這說明多孔磚砌體沿通縫的抗剪強(qiáng)度只跟砂漿有關(guān)，多孔磚砌體沿通縫的抗剪承載力由剪切面砂漿的粘結(jié)抗剪力和孔洞中的砂漿銷鍵抗剪力兩部分組成。根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 》(GB5003-2011)[7]附錄B中通縫抗剪強(qiáng)度平均值公式：

(2)

式中：fv,m—砌體抗剪強(qiáng)度平均值；f2—砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值；k5—根據(jù)試驗(yàn)等確定的系數(shù)，現(xiàn)行砌體規(guī)范為0.125。

按式(2)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表6。

表6　多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

對(duì)比多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值和按照規(guī)范計(jì)算公式的計(jì)算值(圖4)可以看出，再生砂漿多孔磚砌體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度平均值普遍高于《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 》(GB5003-2011)[7]附錄B中通縫抗剪強(qiáng)度平均值。這是因?yàn)闊Y(jié)煤矸石多孔磚的剪切面上每個(gè)孔洞中都有砂漿銷鍵，且最終剪切面破壞時(shí)砂漿銷鍵全部被剪斷，與燒結(jié)普通磚相比，這種“砂漿銷鍵”作用提高了多孔磚砌體的抗剪強(qiáng)度[8]。

圖4　多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.4砌體抗剪強(qiáng)度的取值

規(guī)范規(guī)定，砌體的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度與平均強(qiáng)度之間的關(guān)系可寫成：

fk=fv,m(1-1.65σf)

(3)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，各組試件變異系數(shù)σf見表7。

表7　變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果

我國現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 》(GB5003-2011)[7]中，按施工質(zhì)量控制等級(jí)B級(jí)考慮，砌體結(jié)構(gòu)的材料性能分項(xiàng)系數(shù)取為γf=1.6，則砌體的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為：

(4)

則再生砂漿多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值的建議取值，見表5。

表8　抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果(MPa)

根據(jù)我國現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 》(GB5003-2011)[7]中附錄B抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fv,k的規(guī)定，燒結(jié)多孔磚抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為0.27 MPa(M10)和0.23 MPa(M7.5)。對(duì)比表8中數(shù)據(jù)可知，三種不同再生細(xì)骨料替代率的再生砂漿抗剪強(qiáng)度均超過了規(guī)范值，說明當(dāng)再生細(xì)骨料取代率≤60%時(shí)，再生砂漿多孔磚砌體結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求強(qiáng)度值，可以在工程中應(yīng)用。

3　結(jié)論

(1)再生砂漿多孔磚砌體在受剪試驗(yàn)中的破壞形態(tài)有兩種：?jiǎn)渭裘嫫茐?，雙剪面破壞。

(2)通過對(duì)再生砂漿多孔磚砌體，再生細(xì)骨料不同取代率的抗剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用廢棄混凝土塊得到的再生細(xì)骨料取代水泥砂漿中天然砂是可行的，再生砂漿多孔磚的抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(3)取代率30%的再生砂漿多孔磚砌體其抗剪強(qiáng)度與天然砂水泥砂漿多孔磚砌體接近；取代率45%的再生砂漿多孔磚砌體其抗剪強(qiáng)度比天然砂水泥砂漿多孔磚砌體強(qiáng)度提高了2.8%(M7.5)和7.7%(M10)；取代率60%的再生砂漿多孔磚砌體其抗剪強(qiáng)度比天然砂水泥砂漿多孔磚砌體強(qiáng)度降低了22.9%(M7.5)和20.5%(M10)。建議實(shí)際應(yīng)用中再生砂漿中再生細(xì)骨料的取代率控制在45%以內(nèi)，由于本次試驗(yàn)試件數(shù)量有限，對(duì)于再生細(xì)骨料的其他取代率對(duì)再生砂漿多孔磚抗剪強(qiáng)度的影響還需進(jìn)一步研究。

[1]王長(zhǎng)青.再生混凝土結(jié)構(gòu)性能研究最新進(jìn)展[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014,44(22):60-65.

[2]張鋒劍.再生混凝土砌塊熱工性能試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品,2015(1):69-72.

[3]GB/T 14684-2011 建設(shè)用砂[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[4]GB/T 2542-2012 砌墻磚試驗(yàn)方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[5]JGJ/T98-2010砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6]GB/T50129-2011 砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[7]GB50003-2011砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[8]李衛(wèi)波.燒結(jié)頁巖多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度及其應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué),2009.

[9]胡新安.再生混凝土多孔磚砌體抗壓抗剪試驗(yàn)研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2007.

Experimental study on shear behavior of recycled mortar masonry

MA Zheng-wei1,ZHANG Feng-jian1,2,DONG Xiao-feng1,ZHANG Wen-bin1,YANG Fu-an1,XING Zhi-yan1,LI Shu-ya1,XU Jin-jin1

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;2.StateKeyLaboratoryofBuildingSafetyandEnvironment,Beijing100013,China)

Shear behavior is one of the important properties of masonry structure.Shear strength and failure characteristics of recycled mortar perforated brick masonry are studied through the shear test of standard masonry members.Compared with the calculation formula of the common porous brick in the code for design of masonry structure,the proposed value of the shear strength of recycled mortar perforated brick masonry is given in the GB50003-2011.Tests and results show that the recycled mortar has good strength and deformation capacity,and can be used as masonry mortar in masonry structure.

recycled mortar perforated brick masonry;shear strength;recycled fine aggregate

2016-05-26

建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助(BSBE2015-04)；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102310470，162102210283)

馬政偉(1986—)，男，河南鄢陵人，碩士，助教。

1674-7046(2016)05-0001-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.001

TU362

A