承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的抗剪性能

張敬書 ，郭航 ，王政 ，劉樂 ，趙俊

（1.西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室（蘭州大學），甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅蘭州730000；3.中南大學土木工程學院，湖南長沙410075；4.天津天華北方建筑設(shè)計有限公司，天津300000；5.深圳瑞捷工程咨詢股份有限公司，廣東深圳518129）

混凝土砌塊砌體由砂漿和砌塊砌筑而成，墻的延性較小，砌體的抗剪強度是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的主要因素[1].因此，對砌體抗剪性能的研究，直接關(guān)系到砌體結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的應(yīng)用.

由于砌體的非均勻性和各向異性，砌體在剪切作用時的力學特性與均質(zhì)、各向同性材料不同[2-3]，因此主要采用試驗方法來研究砌體的抗剪強度，從而建立砌體抗剪強度的計算方法.

由于砌塊和砂漿的強度相對比較高，因此在一般情況下，砌體剪切破壞主要是砂漿與砌塊之間黏結(jié)面的剪切破壞[1，4]，即黏結(jié)剪切破壞.對砌體黏結(jié)剪切破壞的研究較多.Mosalam 等[5]和Sarangapani 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，砂漿與砌體黏結(jié)面的摩擦以及兩者之間的化學鍵是黏結(jié)抗剪強度的主要組成部分.Lawrence 等[7]認為，砂漿與砌塊的黏結(jié)作用是由于水泥水化產(chǎn)物滲透到砌塊的空隙中形成的.Walker[8]和Jonaitis 等[9]發(fā)現(xiàn)，水泥水化產(chǎn)物的強度除了與水膠比有關(guān)外，還與砌塊表面溫濕度相關(guān).Thamboo 等[10]和方萍等[11]認為，砂漿外加劑對黏結(jié)抗剪強度有較大提升作用.此外，Sathiparan 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，砌塊的孔洞率對砌體抗剪強度有很大影響.對于實際工程中的混凝土砌塊而言，在砌塊類型、砌筑方式確定后，砂漿強度是影響砌體抗剪強度的決定性因素[13-14].施楚賢等[15]、葉燕華等[16]、黃靚等[17]對砌塊砌體進行了靜力剪切試驗，分析了混凝土空心砌塊砌體的破壞模式及其抗剪強度.

橫孔連鎖混凝土砌塊是一種新型砌塊，具有砌筑效率高和節(jié)省砂漿的優(yōu)點.最初只有吳方伯研發(fā)的一種口字形的塊型[18]，一般僅用于填充墻.承重型橫孔連鎖混凝土砌塊[19-20]的抗壓強度較高，可用于承重墻.劉深和張敬書等[21]對其抗壓性能進行了試驗研究，認為該砌塊強度可滿足多層砌體結(jié)構(gòu)承重墻的承壓要求.但該砌塊砌體尚未進行剪切試驗研究，還沒有適合于該砌塊砌體抗剪強度的計算方法.因此，本文將對承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的抗剪強度進行試驗研究，擬提出該砌體抗剪強度的計算方法.

1 試驗概況

1.1 試件參數(shù)及材料性能

試驗采用的承重型橫孔連鎖混凝土砌塊均采用砌塊成型機制作，混凝土配合比相同.砌塊類型如圖1 所示，共 3 種，分別為 240 mm、290 mm 厚 H 形砌塊和240 mm 厚田字形砌塊，編號分別為BH-240、BH-290、BT-240.

圖1 承重型橫孔連鎖混凝土砌塊類型（單位：mm）Fig.1 Type of LB-HHICB（unit：mm）

每種類型砌塊分別采用3 種不同強度的砂漿砌筑.剪切試驗前，采用《砌體基本力學性能試驗方法標準》（GB/T 50129—2011）[22]的方法，分別測得了砌塊和砂漿的抗壓強度.測試結(jié)果見表1.

表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the specimens

1.2 試件制作

《砌體基本力學性能試驗方法標準》[22]規(guī)定，中、小型砌塊砌體的剪切試驗應(yīng)采用雙剪試件.本試驗的試件如圖2 所示，分為上、中、下3 個部分，上部和下部為一個整塊砌塊，中部為兩個半塊砌塊.砌塊之間砌筑砂漿的厚度均為10 mm.試件有三個受力面，各受力面均鋪設(shè)一層15 mm 厚的抹面砂漿.試件尺寸為240 mm×240 mm×610 mm.

每種類型砌塊每種砂漿強度各設(shè)一組試件，每組試件的數(shù)量為8 個，共制作了72 個試件.

1.3 試驗加載及量測

試件加載如圖3 所示.首先將試件平放于試驗臺座上，試件上下各墊一塊20 mm 厚鋼板.然后啟動試驗機在試件上施加向下的力.加載到任意一個受剪面發(fā)生破壞即判定試驗結(jié)束.

圖2 BH-240（290）型試件（單位：mm）Fig.2 Specimen of BH-240（290）（unit：mm）

圖3 試件加載示意圖Fig.3 Diagram of specimen loading

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件從加壓到破壞的過程可分為兩個階段.最初加載時試件無明顯變化，隨著荷載增加，試件底部砌塊與砂漿之間處開始出現(xiàn)微裂紋；之后隨著荷載的增加，裂紋很快向上延伸；最后砂漿與砌塊突然分開，荷載急劇下降，試件發(fā)生剪切破壞.

在72 個試件中，除一個試件發(fā)生了兩個剪切面的破壞外，其余試件均為單個受剪面的破壞.破壞均發(fā)生在砂漿和砌塊之間的接觸面上，為黏結(jié)剪切破壞.破壞照片如圖4 所示.

圖4 試件剪切破壞照片F(xiàn)ig.4 Shear failure photographs

2.2 極限荷載和抗剪強度

各組砌塊砌體剪切試驗的極限荷載見表2.

試件破壞前均為兩個剪切面共同受力.設(shè)一側(cè)砂漿與砌塊黏結(jié)面的面積為A，則所承擔剪力為Nv/2，故試件的抗剪強度fv按式（1）計算.

式中：Nv為試驗測得的極限荷載.

值得注意的是，式（1）中，A 為試件的一個受剪面面積.根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50003—2011）[23]要求，A 應(yīng)為砌體截面面積，即包含孔洞的毛面積Aa.但孔洞并不參與抗剪，實際參與抗剪的為扣除孔洞的凈面積，即有效面積An.故本文分別按Aa、An計算砌體抗剪強度fva、fvn，結(jié)果見表2.

3 分析與討論

3.1 抗剪強度影響因素分析

砌體的抗剪強度主要與砂漿強度、制作和試驗條件及砌塊表面粗糙度等因素有關(guān).由于本試驗的混凝土砌塊的混凝土配合比相同，均采用同一個砌塊成型機制作，因此，可認為砌塊表面粗糙度相同.故本文從砂漿強度、施工水平和試驗條件對抗剪強度加以分析.

3.1.1 砂漿強度

由表2 可看出，3 種砌塊砌體的抗剪強度隨著砂漿強度的增大而增大.其原因是本文砌體試件的剪切破壞主要表現(xiàn)為砂漿與混凝土之間的黏結(jié)破壞.砂漿強度越高，水泥用量越多，砂漿與砌塊之間的水泥漿體也越多，因此，砂漿與砌塊之間的黏結(jié)抗剪強度也越高.

3.1.2 制作和試驗條件

制作及試驗條件對砌體的抗剪強度也有重要影響.本文試件破壞類型多為砂漿與砌塊之間的黏結(jié)面發(fā)生破壞，且絕大多數(shù)為單個剪切面破壞.

從圖2 所示的試件制作來看，試件均豎直進行制作.砌筑完畢后，也是豎放進行養(yǎng)護.由于自重作用，兩層砌筑砂漿中，上層的密實度小于下層，因此其黏結(jié)抗剪強度也不同.

再從圖5 所示的試驗加載來看，試件并不是中心對稱的，加載鋼板中心偏向中間砌塊左側(cè)的砂漿縫，試件整體為偏心受力.最終試件破壞形式絕大多數(shù)表現(xiàn)為單個剪切面的破壞.

表2 剪切試驗結(jié)果Tab.2 Shear test results

圖5 試件加載俯視圖Fig.5 Top view of specimen loading

若砌塊是對稱的，加載也沒有偏心，則砌體的承載力會有少量的提高.

3.2 混凝土砌塊砌體抗剪強度的計算

《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50003—2011）[23]采用砌體橫截面面積，即毛面積計算抗剪強度.沿通縫的抗剪強度的計算公式見式（2）.

式中：fvm為砌體抗剪強度平均值；f2為砂漿抗壓強度平均值；k5為與塊材及砌體類別有關(guān)的參數(shù)，混凝土砌塊砌體為0.069.

根據(jù)式（2）所計算的砌體抗剪強度fvm和試驗值等見表3.

表3 抗剪強度試驗值及規(guī)范值Tab.3 Test values and specification values of shear strength

從表3 可看出，試驗值是規(guī)范[23]計算值的2～3倍.從式（2）可看出，該式所計算的砌體抗剪強度僅與砂漿抗壓強度有關(guān)，而與有效面積無關(guān).而橫孔連鎖混凝土砌塊砌體砌筑面的有效面積遠大于豎孔混凝土砌塊砌體，因此，該式僅適用于砌筑面的有效面積變化不大的傳統(tǒng)豎孔混凝土砌塊砌體，不適用于計算承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體抗剪強度.

由于混凝土砌塊砌體的剪切破壞形式一般為砂漿層與砌塊之間的黏結(jié)剪切破壞，空心部分不承擔剪力，因此砌體所承擔的剪力取決于砂漿與砌塊之間的黏結(jié)抗剪強度和有效黏結(jié)面積.抗剪強度的計算應(yīng)采用有效黏結(jié)面積而非毛面積.

有鑒于此，本文采用砂漿與砌塊有效面積計算圖6 所示的加腋錐式肋混凝土空心砌塊[24]、混凝土小型空心砌塊[15]、承重節(jié)能復合混凝土空心砌塊[16]及本文試驗的抗剪強度.計算結(jié)果見表4.

圖6 混凝土空心砌塊Fig.6 Hollow concrete block

表4 各砌塊砌體抗剪強度值Tab.4 Shear strength values of each block masonry

從表4 可看出，由于承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體砌筑面的有效面積與毛面積接近，因此采用不同面積計算的差值較小，田字形砌塊則完全一致.豎孔混凝土砌塊砌體砌筑面的有效面積與毛面積相差較大，因此采用不同面積計算的差值較大.

混凝土小型空心砌塊[15]、承重節(jié)能復合混凝土空心砌塊[16]及本文采用有效黏結(jié)面積計算的抗剪強度fvn與砂漿抗壓強度f2關(guān)系如圖7 所示.

圖7 抗剪強度與砂漿抗壓強度關(guān)系Fig.7 Relationship between shear strength and compressive strength of mortar

對表4、圖7 所示的采用有效面積計算的抗剪強度fvn和砂漿抗壓強度f2進行回歸分析，得出只考慮砂漿與砌塊接觸面黏結(jié)的抗剪強度公式見式（3）.

為驗證上述采用有效面積計算抗剪強度的方法，對混凝土磚砌體[25-27]、新型混凝土橫孔空心砌塊砌體[28]、加長型混凝土砌塊砌體[29]、混凝土空心磚砌體[30]和連鎖式混凝土小型空心砌塊砌體[31]等各種類型砌塊砌體的抗剪強度的試驗結(jié)果fv進行了統(tǒng)計，并與采用本文公式（3）計算的抗剪強度fvn進行了對比，結(jié)果見表5.

則砌體的剪切破壞荷載NV可由公式（4）確定.

將式（3）代入式（4）得:

表5 砂漿和混凝土抗剪強度試驗值與計算值Tab.5 Experimental and calculated values of shear strength between mortar and concrete

從表5 可看出，除新型混凝土橫孔空心砌塊[28]外，其他類型砌塊計算值與試驗值的比值在0.70～1.35 之間，說明式（3）采用有效面積計算砌塊砌體抗剪強度是可行的.

本文研究的承重型橫孔連鎖混凝土砌塊與新型混凝土橫孔空心砌塊[28]相似.但由于試驗條件和砌塊的塊型限制，新型混凝土橫孔空心砌塊[28]難以保證砌塊凹槽中砂漿飽滿，故該組計算值與試驗值有一定差異，其比值在1.17～1.53 之間.

對表5 所列21 組抗剪強度試驗值與計算值數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并進行t 檢驗.

試驗值與計算值統(tǒng)計結(jié)果見表6.

表6 試驗值與計算值統(tǒng)計結(jié)果Tab.6 Processing results of test and calculated values

由表6 可知，采用本文提出方法所得黏結(jié)抗剪強度計算值與試驗值的比值的平均值為1.03，變異系數(shù)為0.20.取顯著性水平α=0.05，n1=n2=21，查t分布表可知 Tα（n1+n2-2）=1.68，t=0.10 ＜ Tα（n1+n2-2），說明試驗值和計算值之間無顯著性差異.

規(guī)范[23]采用毛截面面積計算抗剪強度，這對于孔洞率變化不大的豎孔混凝土砌塊[15-16，24]來說，雖然偏于保守，但用于設(shè)計是可以的.而承重型橫孔連鎖混凝土砌塊的孔洞率遠小于豎孔混凝土砌塊，采用規(guī)范方法計算承重型橫孔連鎖混凝土砌塊的抗剪強度，就過于保守了.因此，本文采用砂漿和砌塊扣除孔洞后的有效黏結(jié)面積計算砌體抗剪強度，不但符合混凝土砌塊黏結(jié)剪切破壞的實際情況，在理論上更加嚴密，而且該方法適用面廣，可用于所有混凝土砌塊抗剪強度的計算.

4 結(jié) 論

根據(jù)以上分析，可得到以下結(jié)論：

1）由于橫孔連鎖混凝土砌塊砌體砌筑面的有效面積遠大于豎孔混凝土砌塊砌體，因此現(xiàn)行規(guī)范的公式不能直接用于計算承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的抗剪強度.

2）本文提出的采用砂漿和砌塊扣除孔洞后的有效黏結(jié)面積計算砌體抗剪強度，符合混凝土砌塊砌體黏結(jié)剪切破壞的實際情況，可用于所有類型混凝土砌塊砌體抗剪強度的計算.

3）承重型橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的剪切破壞均為砂漿與混凝土砌塊接觸面的黏結(jié)剪切破壞.砂漿強度越高，砌體抗剪強度越高.