矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體短柱偏心受壓性能試驗

黃榜彪，潘佳玉，朱基珍，祁偉偉，李曉，王俊云，王銳，李杰能

（廣西科技大學 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006）

0 引言

根據(jù)“禁黏”政策和磚體孔型的要求，頁巖多孔磚已成為替代黏土磚的新型墻體材料之一。矩形孔燒結(jié)頁巖磚不僅自重小，而且耐久性好，在市場中受到廣泛歡迎[1]。國內(nèi)外大量文獻研究表明[2-5]，矩形孔頁巖磚的熱工性能良好，優(yōu)于圓形孔頁巖磚，但其力學性能較差。

偏心受壓是磚砌體工程中常見的受力形式。磚體和砂漿自身的力學性能、砌筑質(zhì)量、外力作用時的偏心距都是影響無筋砌體偏心受壓承載力的重要因素[6-7]。本文在對圓形孔和矩形孔燒結(jié)頁巖多孔磚基本力學性能研究的基礎(chǔ)上[8-9]，結(jié)合磚砌體實際工程中的受力形式，采用上部偏心受壓的試驗方法，對矩形孔頁巖磚砌體短柱進行單側(cè)偏心受壓性能試驗。主要研究砂漿強度和偏心率對矩形孔頁巖磚砌體短柱偏心受壓承載力的影響，通過試驗結(jié)果與偏心影響系數(shù)回歸分析為相關(guān)規(guī)程的修訂和完善提供參考數(shù)據(jù)，供同行業(yè)進行參考。

1 試件概況

1.1 試件原材料

本次試驗采用古靈磚廠提供的矩形孔頁巖磚進行砌體短柱的砌筑。單磚統(tǒng)一為240mm×115mm×90mm的KP1型多孔磚，孔洞率為29.1%，孔洞排列組合如圖1所示。砌筑砂漿采用P·O42.5水泥、細度模數(shù)為3.0～2.3的河砂和自來水機械拌和。

圖1 矩形孔燒結(jié)頁巖磚

1.2 試件制作和養(yǎng)護

單磚的強度直接影響砌體試件的承載力，為了保證矩形孔燒結(jié)頁巖磚的強度大致處于同一等級，依據(jù)JC/T796—2013《回彈儀評定燒結(jié)普通磚強度的方法》篩選矩形孔頁巖磚，以保證所使用的磚體大致為同一個強度等級，按照坐漿法制樣，并在實驗室養(yǎng)護72h后進行編號。

依據(jù)JCJ/T98—2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計規(guī)程》制備M5和M10的砌筑砂漿，根據(jù)砂的含水率對配比進行適當調(diào)整。依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準立方體砂漿試塊，將試塊靜置24 h后，拆模編號。

依據(jù)GB/T 50129—2011《砌體基本力學性能試驗方法標準》制備矩形孔頁巖磚砌體偏心受壓試件，偏心受壓短柱尺寸為240 mm×365 mm×710 mm，分別采用M5和M10兩種強度等級的砂漿砌筑，偏心率（e/h）分為0、0.1、0.2和0.3四種情況，具體分組見表1。試件砌筑時嚴格依據(jù)GB 50203—2011《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》，統(tǒng)一采用“三一”砌筑法，控制灰縫厚度在10 mm左右，灰縫砂漿飽滿度在90%以上。試件砌筑完成后，在試件上部平壓3皮磚，保持14 d。將試塊和試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d后進行試驗。

表1 砌體短柱偏心受壓試驗試件分組

1.3 試驗方法

1.3.1 矩形孔頁巖磚和砂漿試塊抗壓強度試驗

依據(jù)GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》和JGJ/T 70—2009中抗壓強度試驗方法，分別測試矩形孔頁巖磚和砂漿試塊的抗壓強度。頁巖磚試樣數(shù)量為10個，每種砂漿強度的試塊為12個，均取測試結(jié)果的平均值。

1.3.2 砌體短柱偏心受壓試驗

參照砌體上部偏心受壓的試驗方法進行砌體短柱偏心受壓試驗。試驗時，先在壓力機下均勻鋪1層細沙，以防止因砌體底部不平整影響加載效果。然后采用吊裝的形式，將試件安置于壓力機底板，確保緊密接觸，并且偏心加載線、側(cè)面中線均與壓力機中線準確對齊。待下部對齊后，試件上部也鋪上1層均勻的細沙，然后在其上部安放厚度為30mm的鋼板，利用水準尺找平，最后在上部安置偏心加載裝置，試驗裝置如圖2所示。

圖2 試驗裝置示意

使用500 t精密液壓伺服壓力試驗機進行加載。采用分級加載的方式，先進行預(yù)壓，大小為預(yù)估破壞荷載的5%，檢查儀表的靈敏性并消除不利影響。正式加載每級大小為預(yù)估破壞荷載的10%，時間控制在1.0～1.5 min，并保持當前加載狀態(tài)1～2 min，按級進行。當加載至預(yù)估破壞荷載的50%后，將每級荷載降為5%，直至出現(xiàn)第1條裂縫，恢復(fù)每級荷載至10%，當壓力機讀數(shù)明顯下降，表明試件喪失承載能力，即達到破壞狀態(tài)。

試驗應(yīng)變測量裝置中應(yīng)變片沿試件長邊每隔60 mm布置，同時跨過2條灰縫和1塊磚，共5個，具體布置如圖3所示。計算時，截面尺寸分別取每個試件在1/4、1/2和3/4高度處的平均值，抗壓強度取所測結(jié)果的平均值。

圖3 應(yīng)變測量布置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 矩形孔頁巖磚和砂漿試塊的抗壓強度（見表2）

表2 矩形孔頁巖磚和砂漿試塊的抗壓強度

2.2 砌體短柱的偏心受壓試驗

2.2.1 試件破壞形態(tài)

矩形孔頁巖磚砌體短柱偏心受壓試件脆性破壞特征明顯，當達到破壞荷載時，表現(xiàn)為裂縫貫通整個試件，部分磚體碎片脫落，試件最終被分割為幾個小磚柱，壓碎失穩(wěn)破壞。試件的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

2.2.2 截面應(yīng)變分布

實測矩形孔頁巖磚砌體短柱偏心受壓時截面應(yīng)變隨荷載變化情況如圖5所示。

圖5 截面平均應(yīng)變分布

由圖5可知，分別由M5和M10砂漿砌筑的偏心受壓試件應(yīng)變隨荷載的變化規(guī)律相似。各試件應(yīng)變絕對值都隨著荷載的增加呈遞增趨勢。砌筑砂漿強度一致時，隨著偏心率的增大，同等荷載下的應(yīng)變逐漸增大，最終破壞荷載減小。

當偏心率為e/h=0.1時，偏心距較小，靠近偏心荷載的測點壓應(yīng)變較大，遠離偏心荷載的測點壓應(yīng)變較小，且均為壓應(yīng)變，出現(xiàn)小偏壓破壞；當偏心率達到e/h=0.2和e/h=0.3時，偏心距增大，靠近偏心荷載的測點仍為壓應(yīng)變，而遠離偏心荷載的測點則開始產(chǎn)生拉應(yīng)變，出現(xiàn)大偏壓現(xiàn)象，且當偏心率e/h=0.3時更明顯。當試件開裂前，截面上各點應(yīng)變在荷載作用下大體成直線分布，總體上看能夠較好的符合材料力學中的平截面假定。

2.2.3 短柱偏心抗壓結(jié)果分析

參照GB/T50129—2011給出的計算公式，矩形孔頁巖磚砌體短柱偏心受壓破壞荷載及抗壓強度見表3，表中破壞荷載和抗壓強度的數(shù)據(jù)均為6個試件計算結(jié)果的平均值。抗壓強度的計算公式如式（1）所示。

式中：fc，m——偏心受壓試件的抗壓強度，MPa；

Nu——試件的破壞荷載，N；

表3 試件的開裂荷載和破壞荷載

由表3可知：

（1）同一種砂漿強度的試件，其破壞荷載隨著偏心率的增加呈減小趨勢。偏心率相同時，砂漿強度高的試件破壞荷載高于砂漿強度低的試件，主要是因為砂漿強度會直接影響到砌體的軸心強度，進而偏心力作用下間接影響到其偏心承載力。

（2）當砂漿強度為M5時，與軸心受壓試件M5-P0相比，e/h=0.1時，Nu減小了 21%；e/h=0.2時，Nu減小了 38%；e/h=0.3時，Nu減小了56%。當砂漿強度為M10時，與軸心受壓試件M10-P0相比，e/h=0.1時，Nu減小了 18%；e/h=0.2時，Nu減小了40%；e/h=0.3時，Nu減小了55%。比較可知，在偏心率一致時，對不同砂漿強度的試件影響程度差不多，當偏心率達到0.3時，Nu降低了一半。

2.2.4 偏心影響系數(shù)回歸分析

按照GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的計算公式[見式（2）和式（3）]對矩形孔頁巖磚砌體短柱進行規(guī)范值計算，結(jié)果見表4。

式中：N——偏心受壓承載力，N；

φ——偏心距對受壓構(gòu)件承載力的影響系數(shù)；

2.4 不同嚴重程度NAFLD患者CD4+CD25+T細胞結(jié)果比較 重度NAFLD患者外周血CD4+CD25+T細胞百分率較中、輕度患者明顯降低，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），且中度NAFLD患者也明顯低于輕度NAFLD患者（P＜0.05），見表4。

A——試件受壓截面面積，mm2；

fm——砌體的抗壓強度平均值，MPa；

f1——燒結(jié)多孔磚塊體的抗壓強度平均值，MPa；f2——砂漿的抗壓強度平均值，MPa。

表4 偏心抗壓試驗值與規(guī)范值

由表4可以看出：矩形孔頁巖磚砌體短柱偏心破壞荷載實測值均大于規(guī)范值，這主要是因為當偏心率為0，即軸心受壓時矩形孔頁巖磚砌體短柱抗壓強度本身就高出規(guī)范值很多，有較高的強度儲備，非常安全。

因此，為了避免承載能力富余現(xiàn)象，對偏心影響系數(shù)進行適當調(diào)整，以使矩形孔頁巖磚在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計中得以合理利用，同時具有一定的安全儲備。

（1）忽略砌體的抗拉強度，僅考慮受壓側(cè)并將其簡化為軸心受壓，此時應(yīng)力分布為恒值，即應(yīng)力按照矩形分布，根據(jù)平衡式（4），推導出偏心影響系數(shù)公式（5）：

（2）GB50003—2011對大量試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，給出了砌體短柱偏心作用下影響系數(shù)的計算式（6）：

式中：φ——偏心影響系數(shù)。

（3）按照規(guī)范公式對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，將式（6）改寫為式（7）：

（4）根據(jù)線性模型，湖南大學錢義良和施楚賢教授提出了偏心影響系數(shù)的近似計算公式（9）[10-11]：

（5）根據(jù)本文試驗數(shù)據(jù)，參考上述線性模型進行綜合回歸分析得到公式（10）。試驗偏心矩為0的試件承載力取6個試件的平均值，將其與其它各組偏心率的試件的破壞荷載相比較，按式（11）進行運算，即可得到偏心影響系數(shù)α，計算結(jié)果見表5。

表5 破壞荷載試驗值與偏心影響系數(shù)

圖6繪制了規(guī)范式（6）和式（5）、式（9）、擬合式（8）和擬合式（10）的數(shù)值曲線，上述各公式的計算值參考表6。

圖6 偏心影響系數(shù)回歸曲線

表6 偏心影響系數(shù)比較

由圖6和表6分析可知：

（1）擬合式（8）和式（10）所得結(jié)果均小于規(guī)范式（6）的偏心影響系數(shù)，但試驗實測偏心抗壓強度值要大于按照規(guī)范計算的抗壓強度，這主要是因為矩形孔燒結(jié)頁巖磚的平均抗壓強度高于規(guī)范中的抗壓強度。

（2）回歸擬合式（10）得到的偏心影響系數(shù)要大于截面應(yīng)力按照矩形分布得出的公式（5），但高出的值不是太多，二者比較接近。

3 結(jié)論

（1）矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體短柱偏心受壓時，其截面的平均應(yīng)變能夠較好地符合平截面假設(shè)。

（2）矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體短柱偏心受壓破壞，當偏心率較小時，全截面受壓，屬于小偏心；當偏心率較大時，遠離偏心荷載的一側(cè)會出現(xiàn)水平拉裂縫，有明顯的大偏心受壓特征。

（3）對于同一種砂漿強度的砌體短柱試件，其破壞荷載隨著偏心率的增大呈減小趨勢，當偏心率達到0.3時，偏心受壓強度較軸心抗壓強度降低了50%。當偏心率相同時，砂漿強度越高，偏心承載力也越大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是砌筑砂漿強度會直接影響到砌體的軸心荷載，從而在偏心力作用下間接影響其偏心承載力。

（4）通過計算可知，矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體短柱偏心承載力高于規(guī)范對應(yīng)的值，有較高的安全儲備。因此，為了避免承載能力富余現(xiàn)象，對偏心影響系數(shù)進行適當調(diào)整。通過理論分析并參考已有計算公式，對試驗數(shù)據(jù)擬合回歸，最終提出了適用于矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體短柱偏心受壓影響系數(shù)的表達式（10）。