EPS混凝土砌塊墻體抗壓性能試驗(yàn)研究

吳輝琴，淳野楊，解小娟，張騰，李青，李蒼愚

（廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

發(fā)展輕質(zhì)、節(jié)能、環(huán)保、利廢混凝土砌塊是目前墻材改革的主流方向。EPS混凝土砌塊是利用工業(yè)廢渣粉煤灰、礦粉與發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）顆粒、水泥等為原料，添加水性環(huán)氧樹脂、減水劑等自主研發(fā)的一種新型墻體材料。作為粘土磚的替代材料之一，其規(guī)格尺寸與標(biāo)準(zhǔn)磚一致，表觀密度為1200～1750 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.184～0.202 W/（m·K），是典型的輕質(zhì)節(jié)能材料。文獻(xiàn)[1-4]通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)室小試和工廠中試，完成了EPS混凝土砌塊的制備，并提供了MU5～MU20等多種強(qiáng)度等級(jí)EPS混凝土砌塊的配方，其中MU7.5以上等級(jí)的砌塊可用于砌體結(jié)構(gòu)承重墻、柱，直接承受屋頂、樓板傳來(lái)的豎向荷載。文獻(xiàn)[5-7]選擇MU5、MU15等級(jí)砌塊開展EPS混凝土砌塊砌體基本力學(xué)性能（受壓強(qiáng)度、受剪強(qiáng)度、變形性能等）的研究，并提供了EPS砌體抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算方法或確定值。本文設(shè)計(jì)6組承重墻體，考慮材料強(qiáng)度、高厚比、偏心距等影響因素，開展墻體豎向荷載作用的靜力試驗(yàn)，研究該新型墻材的工作性能，明確墻體受壓承載力計(jì)算方法，為該砌體的設(shè)計(jì)施工及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）EPS混凝土砌塊：強(qiáng)度等級(jí)為MU15[1]，自制。根據(jù)GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》規(guī)定，選用與墻體試件同批次、同條件養(yǎng)護(hù)28 d的MU15的EPS砌塊10塊分別試驗(yàn)，測(cè)其抗壓強(qiáng)度，取10個(gè)抗壓強(qiáng)度的平均值19.21 MPa為砌塊抗壓強(qiáng)度代表值，記為f1。

（2）砂漿：桂林靈川歐德龍新型建材有限公司生產(chǎn)的專用砂漿，強(qiáng)度等級(jí)為Mb5和Mb7.5。根據(jù)JGJ/T 50081—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，制作標(biāo)準(zhǔn)試塊各6塊（3塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，3塊采用EPS砌塊為底模，并在墻體同條件狀況下養(yǎng)護(hù)28 d），開展砂漿抗壓強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果Mb5.0砂漿強(qiáng)度依次為9.46 MPa和7.76 MPa，Mb7.5砂漿強(qiáng)度依次為12.31 MPa和12.08 MPa，由此確定同養(yǎng)條件強(qiáng)度為砂漿強(qiáng)度的代表值，記為f2。

（3）混凝土梁：采用強(qiáng)度C30商品混凝土，4根直徑12 mm的HRB335級(jí)縱筋，φ6@150的HPB 235級(jí)箍筋，澆筑尺寸為 800 mm×240 mm×200 mm 和 750 mm×240 mm×100 mm底梁和頂梁，養(yǎng)護(hù)14 d后運(yùn)至試驗(yàn)室待用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

采用MU15的EPS砌塊與Mb7.5、Mb5專用砂漿，考慮材料強(qiáng)度、墻體高厚比、墻體受力狀況（軸心或偏心）等影響墻體結(jié)構(gòu)受壓破壞特征、受壓承載力及變形性能的主要因素，設(shè)計(jì)3種規(guī)格6組18片墻體試件[8-9]，具體分組及參數(shù)等見表1。

表1 墻體抗壓試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)設(shè)計(jì)

墻體制作時(shí)，先清理底梁頂面，而后用砂漿找平，接著在梁上按“一順一丁”砌筑法砌筑墻體；成墻養(yǎng)護(hù)3 d后，在墻頂做10 mm厚的砂漿找平層，再在找平層上用砂漿粘接頂梁。墻體制作中嚴(yán)格遵守GB/T 2542—2012的相關(guān)規(guī)定，并養(yǎng)護(hù)28 d后開展抗壓性能試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)儀器

采用自帶電腦控制的YES—500型四柱壓力試驗(yàn)機(jī)加載，YB-15/25型手持應(yīng)變儀測(cè)量縱橫向位移和應(yīng)變，并通過(guò)3個(gè)位移計(jì)連接RHA-ASMB2-32型靜態(tài)應(yīng)變采集箱，測(cè)試墻體1/4、1/2和3/4高度處的側(cè)向位移。試驗(yàn)采用物理對(duì)中、分級(jí)加載制度。

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

依據(jù)GB/2542—2012和GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)各墻體進(jìn)行豎向荷載作用下的靜力試驗(yàn)，分別測(cè)試各墻體的開裂荷載Ncr，極限荷載Nu，墻體的縱向和橫向應(yīng)變，觀測(cè)各墻體的受力過(guò)程和破壞特征。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 受力過(guò)程和破壞特點(diǎn)

觀測(cè)6組EPS混凝土砌塊墻體抗壓破壞試驗(yàn)，可以確定各組墻體加壓受力過(guò)程基本都經(jīng)歷了3個(gè)階段，即彈性階段、裂縫發(fā)展階段及破壞階段，與普通標(biāo)準(zhǔn)磚或普通混凝土砌塊墻一致。

（1）彈性階段。加載初期裂縫出現(xiàn)之前，所有構(gòu)件豎向位移很小，橫向位移及側(cè)移幾乎為0，荷載與豎向位移基本呈線性關(guān)系。

（2）裂縫出現(xiàn)及發(fā)展階段。加載至70%～75%極限荷載Nu時(shí)，聽到細(xì)微破裂聲。對(duì)軸壓構(gòu)件如w-4：首批豎向裂縫隨機(jī)出現(xiàn)在墻體正、反面灰縫處；荷載增大，裂縫增多，并由灰縫逐漸延伸入砌塊內(nèi)部；繼續(xù)加載，墻側(cè)面出現(xiàn)一條自上而下發(fā)展的明顯裂縫，而正、反面裂縫則不斷延伸、連通發(fā)展成一段段連續(xù)的、寬度較大的主裂縫（見圖1）。對(duì)偏壓構(gòu)件如w-1：首批裂縫為橫向的，出現(xiàn)在墻體頂部；荷載增大，裂縫左右延伸至墻側(cè)面；繼續(xù)加載，正面墻體底部出現(xiàn)豎向裂縫，而后變寬并向上延伸，而側(cè)面墻體頂部出現(xiàn)豎向裂縫并向下延伸，裂縫寬度變大，墻體有明顯的側(cè)移（見圖2）。

圖1 軸心受壓構(gòu)件w-4各面裂縫分布情況

圖2 偏心受壓構(gòu)件w-1各面裂縫分布情況

（3）破壞階段。加載接近Nu，墻體發(fā)出連續(xù)的開裂響聲。軸壓構(gòu)件：墻體正、反面多條細(xì)小裂縫貫通，接近平行分布整個(gè)墻面，并隨荷載增加快速變寬變長(zhǎng)。構(gòu)件破壞時(shí)，墻體外凸，起皮，剝落，墻角處有壓碎現(xiàn)象。偏壓構(gòu)件：除上述現(xiàn)象外，還明顯出現(xiàn)荷載不變或緩慢增大，裂縫也會(huì)持續(xù)延伸、變寬的現(xiàn)象。構(gòu)件破壞時(shí)，墻體正面嚴(yán)重外鼓、起皮，豎向通縫不斷出現(xiàn)，背面則出現(xiàn)貫通橫向裂縫；左右兩側(cè)面上部壓碎、外鼓。EPS混凝土砌塊墻體破壞時(shí)壓縮變形值較同條件標(biāo)準(zhǔn)磚砌體和混凝土砌塊砌體都大，最終裂縫寬度也較它們要大（墻體受壓破壞特征見圖3）。

圖3 軸心受壓構(gòu)件w-5破壞情況

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)壓力機(jī)自帶電腦采集數(shù)據(jù)，得到6組墻體的開裂荷載Ncr、極限荷載Nu和砌體的抗壓強(qiáng)度f(wàn)值（見表2），繪出了荷載-位移曲線（見圖4）和墻體上、中、下位置荷載-側(cè)移曲線（見圖5）。

圖4 荷載-縱橫向位移曲線

表2 EPS混凝土砌塊墻體試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 荷載-側(cè)移曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）EPS 混凝土砌塊墻體 Ncr為（0.70～0.75）Nu，高于普通標(biāo)準(zhǔn)磚比值（0.30～0.46）Nu和普通混凝土砌塊[9]，同時(shí)墻體破壞時(shí)裂縫數(shù)量多而密，持續(xù)發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)。EPS混凝土砌塊墻體的抗裂性和抵抗變形的能力優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)磚和普通混凝土砌塊砌體，這對(duì)結(jié)構(gòu)受力和抗震是有利的。分析上述現(xiàn)象主要與EPS混凝土砌塊組成材料的特性復(fù)合方法有關(guān)。因?yàn)樵撈鰤K中骨料顆粒是EPS，輕且強(qiáng)度低，但其表面經(jīng)造殼處理后與復(fù)合膠凝材料粘結(jié)能力強(qiáng)[10]，同時(shí)我們?cè)谥苽銭PS砌塊中摻加了植物纖維，對(duì)砌體的抗折和阻裂作用是有益的[11]，因此墻體受力傳至砌塊時(shí)復(fù)合膠凝材料先受力，達(dá)到其極限強(qiáng)度時(shí)砌塊才開裂，不像普通混凝土砌塊在骨料與水泥的薄弱界面首先開裂，因此開裂荷載較大。裂縫出現(xiàn)后因骨料不能阻止裂縫擴(kuò)展，裂縫將沿著骨料顆粒與水泥漿體的界面延伸，或穿過(guò)骨料顆粒延伸，因此分布會(huì)多而密，受力后期EPS顆粒也會(huì)裂開，裂縫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)而最終寬度也會(huì)較大，EPS砌塊組成結(jié)構(gòu)及破壞截面見圖6。

（2）觀察圖4荷載-位移曲線：豎向荷載作用下墻體的縱向壓縮位移遠(yuǎn)大于橫向拓展位移（包括側(cè)移），極限壓縮應(yīng)變大于普通粘土磚；小偏壓構(gòu)件w-1、w-3相對(duì)同等條件的軸壓構(gòu)件w-2、w-4受壓豎向位移遞增速度要快（圖4中w-1墻比w-2墻的縱向位移變化曲線陡），最終位移也大。觀察圖5荷載-側(cè)移曲線：墻中部水平側(cè)移普遍大于上部和下部的；墻開裂后側(cè)移明顯增加，偏心作用的平面?zhèn)纫拼笥谳S心作用的平面?zhèn)纫啤?/p>

（3）觀察表2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，材料強(qiáng)度、墻體高厚比、荷載偏心距對(duì)墻體抗壓承載力、變形均有不同程度的影響。將偏壓試件w-1與w-3對(duì)比，或者將軸壓試件w-2與w-4對(duì)比，它們的砂漿由Mb5替換成Mb7.5，強(qiáng)度由7.76 MPa遞增到12.08 MPa，增幅56%，但墻體的Ncr值分別提高了37%和40%，Nu值分別提高了38%和41%，效果非常明顯。對(duì)比軸壓試件w-4、w-5、w-6，它們的高厚比分別為 4.125、5.96、7.79，試件的Ncr值依次為 1270.92 kN、1188.94 kN、1009.40 kN，遞減幅度分別為6.45%和20.6%，Nu值依次為1719.47 kN、1587.37 kN、1386.29 kN，遞減幅度分別為7.68%和19.37%；比較試件w-1與w-2、試件w-3與w-4，它們分別為偏壓（e/h為0.08）和軸壓構(gòu)件，結(jié)果Ncr值是軸壓構(gòu)件的高出偏壓構(gòu)件的29.70%和32.90%，Nu值高出27.69%和25.73%。

綜上分析：影響EPS砌塊墻體受壓性能的主要因素為材料強(qiáng)度，且材料強(qiáng)度對(duì)軸壓和偏心構(gòu)件的影響程度相差不大，如砂漿強(qiáng)度提高后，偏心受力的w-3墻相對(duì)w-1墻在Ncr及Nu的變化與軸心受力的w-4墻相對(duì)w-2墻在Ncr及Nu的變化幾乎相同；高厚比變化對(duì)墻體抗壓承載力有一定的影響，其他條件不變墻體的抗壓承載力會(huì)隨高厚比的增大而降低；偏心距的影響明顯，偏壓試件較軸壓試件的承載力低。EPS砌塊墻體同樣需要控制偏心距的大小。

圖6 EPS砌塊組成結(jié)構(gòu)及破壞截面

3 EPS砌塊墻體受壓承載力計(jì)算

根據(jù)砌體的受力和破壞特點(diǎn)，EPS砌塊砌體抗壓承載力計(jì)算可參照GB 50003—2011中關(guān)于無(wú)筋砌體受壓構(gòu)件承載力計(jì)算按式（1）進(jìn)行。

Nu=φf(shuō)A （1）式中：Nu——砌體抗壓承載力；φ——考慮墻體高厚比β和偏心距e對(duì)砌體受壓承載力的綜合影響系數(shù)；A——砌體的受壓計(jì)算面積；f為EPS砌塊砌體軸心抗壓強(qiáng)度。

3.1 EPS砌塊砌體抗壓強(qiáng)度f(wàn)計(jì)算

據(jù)前期對(duì)EPS砌塊砌體的試驗(yàn)研究和理論分析成果，該砌體抗壓強(qiáng)度f(wàn)按式（2）[13]進(jìn)行計(jì)算。

式中：f1——EPS混凝土砌塊強(qiáng)度，f2——砂漿強(qiáng)度。

將EPS混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與按式（2）計(jì)算得到的砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算值對(duì)比，并求出計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比值見表3，由此可知該新型砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比值的平均值為1.012，變異系數(shù)為0.089，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

表3 EPS混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度f(wàn)分析

3.2 綜合影響系數(shù)φ的計(jì)算

φ為高厚比β及偏心距е對(duì)砌體受壓承載力的綜合影響系數(shù)，仍然根據(jù)GB 50003—2011按式（3）計(jì)算：

式中：e——偏心距，h——墻厚，φ0——穩(wěn)定系數(shù)，其計(jì)算公式為φ0=1/（1+ηβ2），式中系數(shù)η反映砌體受壓變形能力對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響，主要依據(jù)砂漿的強(qiáng)度確定，對(duì)本砌體f2＞5 MPa，η=0.0015；式中高厚比的定義式為 β=γBH0/h，γβ是考慮砌體材料對(duì)高厚比值的修正系數(shù)，根據(jù)材料特性，γβ=1.1。為此，6個(gè)試件的φ計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 6個(gè)EPS混凝土砌塊墻體的φ系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.3 EPS砌塊砌體承載力的計(jì)算

按照式（2）計(jì)算EPS混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度f(wàn)，按照式（3）計(jì)算高厚比β及偏心距е對(duì)砌體受壓承載力的綜合影響系數(shù)φ，代入式（1）計(jì)算EPS混凝土砌塊墻體受壓承載力Nu，計(jì)算結(jié)果列于表5。

表5 EPS混凝土砌塊墻體抗壓承載力分析表

將表5中的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比可見，所有計(jì)算值均接近實(shí)測(cè)值，該新型砌塊砌體抗壓承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比值的平均值為0.946，變異系數(shù)為0.063，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。因此可用規(guī)范公式計(jì)算砌體抗壓承載力，式中涉及到的承載力影響因子高厚比β、穩(wěn)定系數(shù)φ0、承載力綜合影響系數(shù)φ均可采用規(guī)范提供的計(jì)算式，但砌體的抗壓強(qiáng)度應(yīng)采用課題組研究成果式（2）計(jì)算之[13]。

4 結(jié)論

（1）EPS混凝土砌塊墻體在整個(gè)受壓過(guò)程中大致分為3個(gè)階段：彈性階段、裂縫出現(xiàn)和發(fā)展階段、破壞階段，基本與普通標(biāo)準(zhǔn)磚和混凝土砌塊墻體的受壓過(guò)程相似。但EPS混凝土砌塊墻體每階段經(jīng)歷的時(shí)間與普通標(biāo)準(zhǔn)磚和混凝土砌塊墻體有差異，EPS混凝土砌塊墻體從加載到開裂及開裂至破壞的時(shí)間相對(duì)要長(zhǎng)，最終裂縫數(shù)量要多、裂縫寬度及變形相對(duì)也大。

（2）EPS混凝土砌塊墻體受壓的Ncr值為Nu值的70%～75%，即該EPS混凝土砌塊墻體的開裂荷載要高于普通標(biāo)準(zhǔn)磚和混凝土砌塊，EPS混凝土砌塊墻體的抗裂性能和抗變形也優(yōu)于普通標(biāo)準(zhǔn)磚和混凝土砌塊墻體。

（3）EPS混凝土砌塊墻體受壓承載力計(jì)算可按 GB 50003—2011提供的公式計(jì)算，包括公式中的穩(wěn)定系數(shù)φ0、承載力綜合影響系數(shù)φ的公式，但EPS砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度的計(jì)算則應(yīng)按課題組研究提供的式（2）進(jìn)行。

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