農(nóng)作物秸稈磚砌體干燥收縮試驗(yàn)研究

趙文蘭，王剛，姚志斌，姚瑞

（鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

自21世紀(jì)以來(lái)，黏土磚已經(jīng)逐步退出了歷史舞臺(tái)，取而代之的是滿足節(jié)能、減排、利廢的各種新型墻體材料。農(nóng)作物秸稈磚是將秸稈細(xì)化后加入到混凝土中經(jīng)攪拌、壓制、脫模和養(yǎng)護(hù)而制成的新型墻體材料。農(nóng)作物秸稈是一種可再生資源，儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，保溫隔熱性能良好。農(nóng)作物秸稈墻體材料的研究開(kāi)發(fā)，不僅緩解了我國(guó)墻體材料原料短缺的現(xiàn)狀，而且可以推動(dòng)我國(guó)墻材發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改革。它在工程上的應(yīng)用一直受到限制，主要是因?yàn)槠浯蠖嗳匝佑脗鹘y(tǒng)燒結(jié)磚的施工方法，忽視了這種磚與燒結(jié)磚性能的不同。例如農(nóng)作物秸稈磚與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度小于傳統(tǒng)燒結(jié)磚，收縮變形量較大，這都會(huì)導(dǎo)致墻體出現(xiàn)裂縫[1]，從而影響建筑物的耐久性及適用性，阻礙環(huán)保節(jié)能型住宅的推廣應(yīng)用。因此對(duì)農(nóng)作物秸稈磚砌體進(jìn)行收縮性能試驗(yàn)研究是十分有必要的。

引起農(nóng)作物秸稈磚墻體收縮變形的因素有很多，主要有組成材料的特性、砌體沉縮變形、構(gòu)造不合理以及溫度等條件的影響。本文主要討論齡期、砂漿強(qiáng)度和約束條件對(duì)砌體干燥收縮的影響。

1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用河南省某磚廠生產(chǎn)的同一批農(nóng)作物秸稈磚，尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為3.6 MPa，抗折強(qiáng)度為1.34 MPa，自然養(yǎng)護(hù)條件下最大收縮率平均值為0.418 m/m，20 d左右收縮漸趨穩(wěn)定。農(nóng)作物秸稈磚砌體墻干燥收縮試驗(yàn)的墻片類型、使用的砂漿強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)條件、約束條件及幾何尺寸的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

表1 農(nóng)作物秸稈磚砌體收縮試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要以齡期、砂漿強(qiáng)度和約束條件作為變化參數(shù)。為了使試驗(yàn)接近工程實(shí)際，試驗(yàn)墻片均采用自然養(yǎng)護(hù)條件，均為無(wú)面層清水墻，砌筑均參考GB 50203—2015《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求。為了保證WⅠ-1和WⅠ-3的無(wú)約束狀態(tài)，WⅡ-2和WⅡ-4為直接在地面上攤鋪砂漿砌筑的墻片。

試驗(yàn)在農(nóng)作物秸稈磚側(cè)面布置4排測(cè)點(diǎn)，每排測(cè)點(diǎn)有5個(gè)鋼筋測(cè)頭，每2個(gè)鋼筋測(cè)頭的中間位置處為1個(gè)測(cè)點(diǎn)，貼上應(yīng)變片，測(cè)頭兩側(cè)貼玻璃片，在墻片最底端，從左向右為1～4測(cè)點(diǎn)，依次往上分別為5～8測(cè)點(diǎn)、9～12測(cè)點(diǎn)、13～16測(cè)點(diǎn)。在試驗(yàn)期間，用外徑千分尺來(lái)測(cè)量測(cè)頭兩側(cè)玻璃片間距離的變化值作為收縮值，精度為 0.001 mm。試驗(yàn)墻體及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)墻體及測(cè)點(diǎn)布置

2 農(nóng)作物秸稈磚砌體收縮影響因素分析

2.1 齡期的影響

在溫度為（20±5）℃，相對(duì)濕度為（60±5）%的自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，各墻片所有測(cè)點(diǎn)42 d的平均收縮率曲線如圖2所示。

圖2 各墻片所有測(cè)點(diǎn)平均收縮率曲線

由圖2可以看出：

（1）齡期對(duì)農(nóng)作物秸稈磚砌體墻的干燥收縮有較大的影響，第1～13d各墻片收縮呈大幅上升趨勢(shì)，WⅠ-3墻片的收縮率平均值達(dá)到了0.102 mm/m；之后逐漸變得緩慢，到15 d以后基本穩(wěn)定，后期墻體收縮率雖仍有波動(dòng)，但大致已趨于穩(wěn)定。

（2）無(wú)論是否存在約束條件，M7.5混合砂漿砌筑墻片的平均收縮率均大于由M5混合砂漿砌筑的墻片。說(shuō)明砂漿強(qiáng)度是影響墻體收縮的原因之一，砂漿強(qiáng)度越高，墻體收縮率越大；反之，收縮率越小。農(nóng)作物秸稈磚砌體在15 d左右收縮漸趨穩(wěn)定，比農(nóng)作物秸稈磚本身的收縮穩(wěn)定時(shí)間20 d要短。

2.2 砂漿強(qiáng)度的影響

砂漿收縮試驗(yàn)參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，通過(guò)測(cè)試2種不同強(qiáng)度等級(jí)的砂漿試塊在1～100 d齡期的干燥收縮性能，分析砂漿齡期、強(qiáng)度等因素對(duì)混合砂漿收縮性能的影響。圖3為自然養(yǎng)護(hù)條件下M5和M7.5砂漿的平均收縮率曲線。

圖3 自然養(yǎng)護(hù)條件下M5和M7.5砂漿的平均收縮率曲線

對(duì)比圖2和圖3，砌體穩(wěn)定后收縮率平均值與農(nóng)作物秸稈磚收縮率最大值0.418 mm/m、混合砂漿收縮率最大值M5的0.568 mm/m和M7.5的0.760 mm/m相比都小得多。主要原因是砌體干燥收縮是由磚和砂漿共同決定的[2]，在砌筑時(shí)，農(nóng)作物秸稈磚不斷吸收砂漿中的水分導(dǎo)致灰縫不可能100%飽滿，部分的收縮變形會(huì)被有缺陷的灰縫釋放，另外，由于砌筑采用的農(nóng)作物秸稈磚齡期超過(guò)28 d，其收縮變形已經(jīng)大部分完成，砌筑后的磚很少隨齡期變形。因此，為了防止農(nóng)作物秸稈磚墻體開(kāi)裂，要嚴(yán)格控制農(nóng)作物秸稈磚上墻齡期以及砂漿用水量[3]。

2.3 高度和約束條件的影響

WⅡ-2、WⅡ-4墻片各排測(cè)點(diǎn)的平均收縮率曲線分別見(jiàn)圖 4、圖 5。

由圖4、圖5可知，WⅡ-2和WⅡ-4墻片的1～4測(cè)點(diǎn)、5～8測(cè)點(diǎn)、9～12測(cè)點(diǎn)和13～16測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后的收縮率平均值依次增大。因此，距離地面越高的地方，墻體受到的約束越小，墻體收縮值就越大；反之，收縮值就越小。

圖4 WⅡ-2墻片各排測(cè)點(diǎn)平均收縮率曲線

圖5 WⅡ-4墻片各排測(cè)點(diǎn)平均收縮率曲線

圖6為各墻片13～16測(cè)點(diǎn)的42 d平均收縮率曲線。

圖6 各墻片13～16測(cè)點(diǎn)平均收縮曲線率

由圖6可知，各墻片13～16測(cè)點(diǎn)收縮趨勢(shì)與各墻片的整體收縮趨勢(shì)相似。但各墻片13～16測(cè)點(diǎn)收縮率比平均收縮率要大，因最上排測(cè)點(diǎn)距離地面最高，受到的約束小，收縮率較大。

對(duì)于沒(méi)有門窗的整體墻體，有時(shí)會(huì)在墻面的中部出現(xiàn)豎向裂縫[4]。這是由于墻體邊緣受到其他墻體或樓板的約束，而中間部位受到的約束力較小，干燥變形較大。當(dāng)這種干燥收縮應(yīng)力超過(guò)砌體墻體的抗拉或抗剪極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)墻體裂縫[5]。針對(duì)這種情況，建議砌筑時(shí)在墻體中部增設(shè)一道水平鋼筋混凝土加強(qiáng)帶，能有效減少墻體開(kāi)裂。

3 農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)砌體自由干燥收縮率估算公式

由于影響農(nóng)作物秸稈磚砌體收縮的影響因素眾多，本文主要考慮了齡期、砂漿強(qiáng)度的影響。本文僅對(duì)無(wú)約束條件下農(nóng)作物秸稈磚砌體的干燥收縮率公式進(jìn)行估算。為了減少由于試驗(yàn)無(wú)約束條件的不理想，僅取無(wú)約束條件墻片最上2排測(cè)點(diǎn)作為試驗(yàn)點(diǎn)。

圖7為無(wú)約束條件下9～12測(cè)點(diǎn)和13～16測(cè)點(diǎn)的平均收縮率曲線。

圖7 無(wú)約束條件下9～12和13～16測(cè)點(diǎn)的平均收縮率曲線

由圖7可知，自然養(yǎng)護(hù)條件下收縮率曲線主要分為1～18 d齡期和18d以后齡期兩個(gè)階段：第一階段的主要影響因素是齡期，第二階段的主要影響因素是環(huán)境相對(duì)濕度。因此，本文分兩段估算農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率公式。

3.1 M5混合砂漿砌筑砌體的自由干燥收縮率估算公式

第一階段估算公式：

式中：t——齡期，d，1＜t＜18；

ε1（t）——第一階段農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率，mm/m。

第二階段主要考慮相對(duì)濕度的影響，本文以18～42 d齡期平均值作為基準(zhǔn)方程，以平均值與試驗(yàn)值的比值作為因變量，以與之相對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度作為自變量，回歸相對(duì)濕度影響系數(shù)β。第二階段估算公式：

式中：RH——環(huán)境相對(duì)濕度，%；

ε2（t）——第二階段農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率，mm/m。

農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率可用式（5）表示：

因此：

按照式（5），M5砂漿砌筑農(nóng)作物秸稈磚砌體不同齡期的自由干燥收縮估算值及其與試驗(yàn)值的比較見(jiàn)圖8。

圖8 M5砂漿砌筑農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮試驗(yàn)值與估算值

表2是WⅠ-1墻片測(cè)點(diǎn)的估算值與試驗(yàn)值比較。

表2 WⅠ-1墻片測(cè)點(diǎn)的估算值與試驗(yàn)值比較

由表2可知，自然養(yǎng)護(hù)條件下農(nóng)作物秸稈磚砌體自由干燥收縮率估算值與試驗(yàn)值比值的平均值接近于1，標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)均較小，按式（5）估算值與試驗(yàn)值符合較好。

3.2 M7.5混合砂漿砌筑砌體的自由干燥收縮率估算公式

第一階段估算公式：

第二階段主要考慮相對(duì)濕度的影響，本文以18～42 d齡期平均值作為基準(zhǔn)方程，以平均值與試驗(yàn)值的比值作為因變量，以與之相對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度作為自變量，回歸相對(duì)濕度影響系數(shù)。第二階段估算公式：

因此：

農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率可用式（10）表示：

按照式（10），M7.5砂漿砌筑農(nóng)作物秸稈磚砌體不同齡期的自由干燥收縮估算值及其與試驗(yàn)值的比較見(jiàn)圖9。

圖9 M7.5砂漿砌筑農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮試驗(yàn)值與估算值

表3是WⅠ-3墻片測(cè)點(diǎn)的估算值與試驗(yàn)值比較。

表3 WⅠ-3墻片測(cè)點(diǎn)的估算值與試驗(yàn)值比較

由表3可以看出，自然養(yǎng)護(hù)條件下農(nóng)作物秸稈磚砌體自由干燥收縮率估算值與試驗(yàn)值比值的平均值接近于1，標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)均較小，可以認(rèn)定，按式（10）估算值與試驗(yàn)值符合較好。

4 結(jié)論

（1）本文主要考慮了砂漿強(qiáng)度、齡期及約束條件對(duì)混凝土多孔磚砌體收縮的影響，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到M5和M7.5混合砂漿砌筑的農(nóng)作物秸稈磚砌體收縮率估算公式。

（2）農(nóng)作物秸稈磚砌體的早期收縮較快，到15 d左右漸趨穩(wěn)定，在工程應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)農(nóng)作物秸稈磚上墻時(shí)的齡期，保證施工時(shí)磚的收縮能基本完成，有效地控制減小砌體墻收縮變形。

（3）砌筑砂漿強(qiáng)度對(duì)墻體收縮有一定的影響，砂漿強(qiáng)度越高，墻體收縮值越大，砂漿強(qiáng)度對(duì)砌體收縮率的影響小于對(duì)砂漿本身收縮率影響。

（4）無(wú)約束墻片的平均收縮率都大于有約束墻片的平均收縮率，距離地面越高的地方，墻體受到的約束越小，墻體收縮率就越大；反之，收縮率就越小。