淺析粉煤灰中型砌塊砌體結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與鑒定

■ 陳海斌 Chen Haibin 王 昆 Wang Kun

1 概述

粉煤灰硅酸鹽密實(shí)中型砌塊(以下簡稱中型砌塊)是以工業(yè)廢料——粉煤灰和煤渣為主要原料制成的一種墻體材料。它是用粉煤灰、石灰和石膏作膠結(jié)料，煤渣作骨料，按一定的比例配合，再加入一定的水，經(jīng)攪拌、振動(dòng)成型和蒸汽養(yǎng)護(hù)而制成的[1]。上海是中型砌塊建筑利用最早和推廣較好的城市之一。從上世紀(jì)60年代上海逐步形成中型砌塊多層住宅工業(yè)化體系開始，到90年代中期，中型砌塊建筑逐漸退出市場(chǎng)，上海建造了大量的以中型砌塊為承重墻體的多層住宅，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，累計(jì)建筑面積達(dá)到20 000 000m2[2]。

在長期的實(shí)踐過程中，中型砌塊砌體房屋由于在建造成本、質(zhì)量控制方面存在諸多的問題，本世紀(jì)以來，中型砌塊已很少作為新建建筑的承重墻體材料使用，且在《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50003—2001）中規(guī)定“硅酸鹽制品的墻體材料中，只允許采用蒸壓灰砂磚和蒸壓粉煤灰磚，不允許再采用非蒸壓硅酸鹽磚和砌塊”。在后來的《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》（GB 50574—2010）中，則正式明確“墻體不應(yīng)采用非蒸壓硅酸鹽磚（砌塊）”，并將其作為強(qiáng)制性條文。

然而，就上海市現(xiàn)狀而言，大量建造于上世紀(jì)60～80年代的中型砌塊砌體住宅，已超過或即將達(dá)到50年的設(shè)計(jì)使用年限，存在年久失修以及在使用過程中出現(xiàn)的變形和損傷等問題，急需對(duì)這些房屋進(jìn)行安全性鑒定評(píng)估，為其修繕提供相應(yīng)的技術(shù)依據(jù)。然而在實(shí)際工作中，筆者發(fā)現(xiàn)由于該類房屋建造年代較早，目前大部分既有建筑的檢測(cè)和鑒定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其均無明確的規(guī)定，加之相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已不考慮這種結(jié)構(gòu)類型，因此，對(duì)由中型砌塊建造的砌體住宅的檢測(cè)與鑒定尚缺乏基本檢測(cè)鑒定方法，存在不少的技術(shù)難點(diǎn)和問題。本文將對(duì)這些問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方法，以供參考。

2 中型砌塊塊體強(qiáng)度的確定

對(duì)中型砌塊砌體結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定而言，首先需要確定的就是塊體的強(qiáng)度。然而目前而言，并無明確的可以確定中型砌塊塊體強(qiáng)度的檢測(cè)方法，且由于這種塊體材料已不再生產(chǎn)，難以研究對(duì)其強(qiáng)度的檢測(cè)方法。筆者試圖通過研究有關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)中型砌塊這種塊體材料的強(qiáng)度特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)資料中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的測(cè)強(qiáng)曲線。在實(shí)際工程中，對(duì)建立的測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行驗(yàn)證，提出上海地區(qū)中型砌塊塊體強(qiáng)度的驗(yàn)證方法和參考范圍。

2.1 中型砌塊的特點(diǎn)

相對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)其他塊材，中型砌塊的塊體強(qiáng)度及確定方法具有如下的特點(diǎn)。

2.1.1 強(qiáng)度不穩(wěn)定[3]，碳化后強(qiáng)度有一定程度的下降

中型砌塊是一種粉煤灰硅酸鹽制品，其與粉煤灰混凝土最大的區(qū)別就在于其強(qiáng)度會(huì)隨著材料的碳化發(fā)生一定程度的下降。實(shí)際工程中，部分工程人員容易混淆粉煤灰混凝土塊材和粉煤灰硅酸鹽塊材，往往將其強(qiáng)度混用，從而給房屋的安全使用留下隱患。其實(shí)，這兩者之間無論是材料組成，還是強(qiáng)度變化，都存在較大的區(qū)別。粉煤灰混凝土塊材是為了改善普通混凝土性能，摻入一定量的粉煤灰取代部分水泥，其主要的水化產(chǎn)物是Ca(OH)2，后期強(qiáng)度會(huì)隨著材料的碳化略有增加。粉煤灰硅酸鹽塊材主要以粉煤灰、石灰和石膏作膠結(jié)料，煤渣作骨料，經(jīng)自然、常壓蒸汽或高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)生成以水化硅酸鈣為主要水化產(chǎn)物材料，其中，在自然或常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下生成的水化硅酸鈣碳化后強(qiáng)度會(huì)發(fā)生較大程度的降低。

1975年，原國家建委建材局硅酸鹽砌塊技術(shù)調(diào)查組對(duì)生產(chǎn)與使用蒸養(yǎng)粉煤灰硅酸鹽砌塊的調(diào)查結(jié)果表明[4]，硅酸鹽制品長期強(qiáng)度的發(fā)展，主要取決于試件內(nèi)膠結(jié)料的繼續(xù)水化作用和空氣中CO2的分解作用。在使用早期，即3年左右，試件內(nèi)膠結(jié)料的水化起主導(dǎo)作用，因此試件強(qiáng)度有不同程度提高，而后期（3年后）大氣中CO2對(duì)試件內(nèi)水化產(chǎn)物的分解起主導(dǎo)作用，造成試件后期強(qiáng)度有所下降，到全部碳化后，強(qiáng)度就基本穩(wěn)定。碳化對(duì)后期強(qiáng)度的影響程度，主要取決于膠結(jié)料中有效CaO的含量。一般膠結(jié)料中有效CaO含量為15%時(shí)，碳化后強(qiáng)度為原始強(qiáng)度的70%左右（即碳化系數(shù)為0.7）。

1984年，原國家建材局組織了第一次全國粉煤灰砌塊行業(yè)的質(zhì)量大檢查，對(duì)當(dāng)時(shí)正常生產(chǎn)的13個(gè)企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽樣，檢測(cè)結(jié)果表明[1]，大部分企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量符合部標(biāo)準(zhǔn)《粉煤灰硅酸鹽砌塊》( JC 238—78 ) 的要求，但碳化系數(shù)卻比較低，近40%企業(yè)的砌塊人工碳化系數(shù)在0.6以下，最低的僅為0.49。

因此，無論是《中型砌塊建筑設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JGJ 5—80），還是《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 3—88）中，均規(guī)定在確定中型砌塊的強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，塊體的抗壓強(qiáng)度應(yīng)乘以自然碳化系數(shù)，當(dāng)無自然碳化系數(shù)試驗(yàn)時(shí)，可取人工碳化系數(shù)的1.15倍，且不得大于0.9。

2.1.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度標(biāo)號(hào)與實(shí)際設(shè)計(jì)的強(qiáng)度標(biāo)號(hào)不一致

這一點(diǎn)尤其要引起注意。如果混淆這兩者的區(qū)別，則會(huì)帶來較大的安全隱患。

我國關(guān)于中型砌塊的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)前后共頒布了兩個(gè)版本，即部標(biāo)準(zhǔn)《粉煤灰硅酸鹽砌塊》和建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《粉煤灰砌塊》 (JC 238—91)。

（1）《粉煤灰硅酸鹽砌塊》中規(guī)定粉煤灰中型砌塊按其抗壓強(qiáng)度分為100號(hào)和150號(hào)2個(gè)標(biāo)號(hào)。100號(hào)砌塊的強(qiáng)度要求每組3塊邊長200mm立方體的抗壓強(qiáng)度平均值不小于10.0MPa，其中最小值不小于8.0MPa，人工碳化后強(qiáng)度不小于6.0MPa；150號(hào)砌塊的強(qiáng)度要求每組3塊邊長200mm立方體的抗壓強(qiáng)度平均值不小于15.0MPa，其中最小值不小于12.0MPa，人工碳化后強(qiáng)度不小于9.0MPa。

（2）《粉煤灰砌塊》中，規(guī)定粉煤灰中型砌塊按其抗壓強(qiáng)度分為10級(jí)和13級(jí)2個(gè)標(biāo)號(hào)。10級(jí)強(qiáng)度要求每組3塊邊長200mm的立方體抗壓強(qiáng)度平均值不小于10.0MPa，最小值不小于8.0MPa，人工碳化后強(qiáng)度不小于6.0MPa；130號(hào)強(qiáng)度要求每組3塊邊長200mm的立方體抗壓強(qiáng)度平均值不小于13.0MPa，最小值不小于10.5MPa，人工碳化后強(qiáng)度不小于7.5MPa。

上述兩個(gè)版本關(guān)于粉煤灰中型砌塊抗壓強(qiáng)度的驗(yàn)收均以邊長200mm的立方體抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，然而，有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中采用的粉煤灰中型砌塊的設(shè)計(jì)強(qiáng)度卻是塊體強(qiáng)度，比如《中型砌塊建筑設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》中規(guī)定，齡期為28d的砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度R按表2.0.3采用，表中砌塊抗壓強(qiáng)度Rk系指砌塊的單塊抗壓強(qiáng)度，其常用范圍為3.0~10.0MPa，Rk一般應(yīng)由試驗(yàn)確定。當(dāng)確無試驗(yàn)條件時(shí)，Rk可近似取用下列折算值：

式中，R1—砌塊材料標(biāo)號(hào)；

T—自然碳化系數(shù)。

88版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：砌塊的強(qiáng)度等級(jí)分為 MU15、MU10、MU7.5、MU5和MU3.5，確定硅酸鹽塊體的強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，塊體的抗壓強(qiáng)度應(yīng)乘以自然碳化系數(shù)。該規(guī)范中關(guān)于砌塊強(qiáng)度等級(jí)的劃分與上述兩個(gè)版本的粉煤灰砌塊的強(qiáng)度等級(jí)劃分并不一致，且并沒有指出相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。就常識(shí)而言，應(yīng)是指考慮碳化后的塊體抗壓強(qiáng)度，相當(dāng)于《中型砌塊建筑設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》中的Rk。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中型砌塊強(qiáng)度的方法

中型砌塊是一種由膠凝材料將集料固結(jié)成整體的工程復(fù)合材料，屬于廣義的“混凝土”制品[3]，因此可以參考混凝土材料強(qiáng)度的檢測(cè)方法，考慮采用回彈法對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。由于目前缺少相應(yīng)的試驗(yàn)樣本，難以重新確定回彈值與其抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，但對(duì)歷史文獻(xiàn)資料進(jìn)行調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)早在上世紀(jì)70年代，文獻(xiàn)[4]根據(jù)有關(guān)單位的試驗(yàn)資料與調(diào)查中用回彈儀實(shí)測(cè)砌塊抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，繪制了未碳化粉煤灰硅酸鹽混凝土回彈值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線（圖1），并繪制了碳化后粉煤灰硅酸鹽混凝土回彈值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線（圖2）。

由圖1和圖2，我們可以回歸出回彈值與密實(shí)砌塊的計(jì)算公式：

式中，f1ij—砌塊的立方體抗壓強(qiáng)度推定值(MPa)；

R—回彈值。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的說法，一般使用10年左右的砌塊建筑物，外墻碳化深度為40～60mm；內(nèi)墻因室內(nèi)CO2濃度較高，溫濕度條件適宜，碳化速度較外墻快些，一般碳化深度為50～100mm，若200mm厚內(nèi)墻，估計(jì)20年左右全部碳化。目前存在的上世紀(jì)70～80年代中型砌塊砌體房屋，其中型砌塊應(yīng)該基本為全部碳化狀態(tài)，利用公式（3）對(duì)文獻(xiàn)[4]中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并與其評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，利用式（3）對(duì)中型砌體強(qiáng)度推算的結(jié)果與文獻(xiàn)[4]對(duì)中型砌塊塊材推算強(qiáng)度等級(jí)完全一致，因此，利用式（3）對(duì)碳化后中型砌體的立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估是基本可行的。

圖1 未碳化砌塊回彈值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

圖2 碳化后砌塊回彈值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

表1 式（3）與文獻(xiàn)[4]對(duì)比結(jié)果

需要說明的是，利用該公式的評(píng)估結(jié)果是碳化后中型砌塊塊材的立方體抗壓強(qiáng)度，而不是塊材本身的抗壓強(qiáng)度，而無論是《中型砌塊建筑設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》還是88版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，砌體強(qiáng)度中的塊材強(qiáng)度均是指塊材抗壓強(qiáng)度，而不是立方體抗壓強(qiáng)度。如果要按88版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)砌體的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，應(yīng)采用塊材抗壓強(qiáng)度，為安全起見，建議中型砌塊塊材的抗壓強(qiáng)度取立方體抗壓強(qiáng)度的0.8倍。

筆者利用回彈法對(duì)上海地區(qū)數(shù)十幢房屋中型砌塊的立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，其實(shí)測(cè)回彈值在28～33之間，對(duì)應(yīng)的立方體抗壓強(qiáng)度在10.6～14.1MPa之間，乘以0.8的體型系數(shù)，相應(yīng)的塊材抗壓強(qiáng)度在8.5～11.3MPa之間，根據(jù)88版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，上海地區(qū)中型砌塊的強(qiáng)度等級(jí)可偏安全的評(píng)定為MU7.5。

3 中型砌塊墻體的承載力計(jì)算

當(dāng)采用《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50292—2015），按承載能力評(píng)定砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性等級(jí)時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的驗(yàn)算應(yīng)在詳細(xì)調(diào)查工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行。但是，由于《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50003—2001）中取消了中型砌塊材料，其后修訂的GB 50003—2011版也延續(xù)了2001版的做法，因此對(duì)中型砌塊砌體的承載力驗(yàn)算無法按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行，只能夠參照GBJ 3—88版中的規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算。由于規(guī)范版本的變動(dòng)，參照GBJ 3—88版驗(yàn)算中型砌塊砌體承載力時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

3.1 可靠指標(biāo)的一致性[5]

GBJ 3—88版編制時(shí)，中型砌塊的可靠度校準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)取自《中型砌塊建筑設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》，其中，受壓砌體的強(qiáng)度變異系數(shù)取值為0.17，軸壓材料分項(xiàng)系數(shù)取1.5，與燒結(jié)磚的取值基本一致；其軸壓砌體設(shè)計(jì)表達(dá)式的可靠指標(biāo)平均值為3.677，基本符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)≥3.7的要求。GB 50003—2001及GB 50003—2011兩個(gè)版本規(guī)范中，將軸壓材料的分項(xiàng)系數(shù)由1.5提高到1.6，住宅和辦公樓的活荷載取值也有一定的提高，相應(yīng)燒結(jié)磚砌體的軸壓砌體設(shè)計(jì)表達(dá)式的可靠指標(biāo)有了較大程度的提高，由GBJ 3—88版中的3.877提高到4.0以上。由于這兩個(gè)版本的規(guī)范取消了中型砌塊這種材料，因此，在參考GBJ 3—88版對(duì)中型砌塊承載力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，為了與現(xiàn)行規(guī)范的可靠指標(biāo)保持一致，其材料強(qiáng)度的分項(xiàng)系數(shù)也應(yīng)取1.6，即驗(yàn)算時(shí)，采用的中型砌塊砌體材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值應(yīng)在GBJ 3—88版表2.2.1-4的基礎(chǔ)上乘以1.5/1.6=0.94的修正系數(shù)。

3.2 計(jì)算程序中參數(shù)的選擇

需要注意的是，目前對(duì)于結(jié)構(gòu)的承載力驗(yàn)算，大家都習(xí)慣采用相關(guān)的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，很少手工進(jìn)行驗(yàn)算。但《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》自2001版開始取消了中型砌塊這種材料，目前常用的計(jì)算程序，無論是PKPM還是YJK都沒有中型砌塊這個(gè)材料選項(xiàng)，因此，要對(duì)這種材料墻體的承載力進(jìn)行正確的驗(yàn)算，必須進(jìn)行一定的手動(dòng)校核。

若利用相關(guān)計(jì)算程序?qū)χ行推鰤K砌體結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，建議建模時(shí)的砌筑材料選用粉煤灰磚，這是因?yàn)榉勖夯掖u砌墻體和中型砌塊墻體在計(jì)算墻體高厚比時(shí)，相對(duì)于普通燒結(jié)磚砌體，均需要乘以1.2的放大系數(shù)，而高厚比的不同對(duì)ψ值的計(jì)算有一定影響。在根據(jù)程序驗(yàn)算得出相應(yīng)的作用效應(yīng)、ψ值和墻體面積A后，再帶入相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，就可以對(duì)其抗力和作用效應(yīng)的比值進(jìn)行校核。

4 結(jié)語

中型砌塊作為一種粉煤灰硅酸鹽制品，其強(qiáng)度會(huì)隨著材料的碳化發(fā)生一定程度的下降。本文通過對(duì)歷史文獻(xiàn)中相關(guān)資料的分析，建立了粉煤灰中型砌塊強(qiáng)度與回彈值的相關(guān)曲線。通過對(duì)相關(guān)資料和工程實(shí)踐的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，提出上海地區(qū)粉煤灰中型砌塊強(qiáng)度的檢測(cè)方法和參考取值，建議上海地區(qū)中型砌塊設(shè)計(jì)強(qiáng)度的取值不宜過高，取MU7.5相對(duì)比較合理；同時(shí)，為與現(xiàn)行規(guī)范的可靠指標(biāo)保持一致，驗(yàn)算時(shí)采用的中型砌塊砌體材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值應(yīng)在《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 3—88）表2.2.1-4的基礎(chǔ)上乘以0.94的修正系數(shù)。

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[2]吳文達(dá),等.上海建筑施工志[M].上海社會(huì)科學(xué)院出版社,1997.

[3] 李慶繁.對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》強(qiáng)制性條文“墻體不應(yīng)采用非蒸壓硅酸鹽磚（砌塊）”的解讀[J].磚瓦世界,2012(1)：31-46.

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