菱鎂礦尾礦空心砌塊及砌體力學(xué)與保溫性能研究

姜莊園，高華國(guó)，劉春陽(yáng)，王若鑫，袁雄洲

（1.金地集團(tuán)東北區(qū)域地產(chǎn)公司，遼寧 沈陽(yáng) 110023；2.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；3.深圳職業(yè)信息技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518000）

為了保護(hù)土質(zhì)資源，我國(guó)大力提倡使用空心混凝土砌體，減少使用實(shí)心粘土砌體［1-2］?？招幕炷疗鲶w是一種主要由水泥、骨料、水等根據(jù)一定比例加工再養(yǎng)護(hù)而形成的塊材，具有取材方便、修筑簡(jiǎn)單、良好的耐火性能和保溫性能等優(yōu)點(diǎn)。郝潞岑［3］等學(xué)者研究混凝土空心砌體剪力墻的保溫性能，發(fā)現(xiàn)在砌體空心率適當(dāng)條件下墻體的保溫效果良好。尚德奎［4］等研究了空心混凝土砌體的抗壓強(qiáng)度，證明空心混凝土砌體抗壓強(qiáng)度值符合國(guó)家規(guī)范。空心混凝土砌體在國(guó)外也比較盛行，例如，美國(guó)、新西蘭、歐洲等地區(qū)就已經(jīng)把空心混凝土砌體應(yīng)用在高層建筑上。

為了減少資源浪費(fèi)及環(huán)境污染，提高菱鎂礦資源的利用率，于萬(wàn)增［5］等利用菱鎂礦粉充當(dāng)部分混凝土，研究表明加入菱鎂礦粉混凝土的各項(xiàng)性能都有所改善。Matkovic［6］等研究菱鎂礦水泥在空氣中的質(zhì)變過(guò)程，表明菱鎂礦水泥與空氣會(huì)產(chǎn)生碳化相物質(zhì)。段緒勝［7］等研發(fā)了菱鎂礦混凝土夾芯板；丁軍［8］等研發(fā)了加入粉煤灰、微硅粉及乳白膠等添加劑的菱鎂礦水泥；王元蓀［9］研發(fā)了一種用于建筑墻體砌筑的新型菱鎂礦水泥并申請(qǐng)了國(guó)家專利。白睿奇［10］等研究表明，以菱鎂礦為骨料所制作的建材，具有良好的保溫性能。崔自治［11］等研究表明，菱鎂礦尾礦石空心砌體可以應(yīng)用到建筑工程中，在混凝土中按一定的菱鎂礦尾礦摻和量可以改善混凝土的力學(xué)性能及抗裂性能等特點(diǎn)。

本文提出利用菱鎂礦尾礦制作空心砌塊砌體，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究菱鎂礦尾礦的空心砌塊砌體在不同砂漿強(qiáng)度下的力學(xué)性能，測(cè)試砌體的傳熱系數(shù)研究其保溫性能，解決菱鎂礦尾礦回收利用問(wèn)題。

1 菱鎂礦尾礦空心砌塊原料及制作

1.1 菱鎂礦尾礦的成分

利用X射線衍射儀測(cè)定菱鎂礦尾礦石粉末成分：菱鎂礦（Magnesite）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.37%，白云石（Dolomite）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.10%，石英（Quartz）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.44%，斜綠泥石（Clinochlore）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.49%，鎂鐵榴石（Majorite）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.80%，方形解石（Calcite）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%。菱鎂礦尾礦混凝土空心砌塊的制作選取粒徑不大于15 mm的菱鎂礦尾礦石代替混凝土中的砂石作為骨料。骨料的粒徑過(guò)大會(huì)使混凝土的密實(shí)度降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成空心砌塊的抗裂性及抗?jié)B性降低。粒徑過(guò)小，骨料與水泥砂漿之間所包裹的面積增大，當(dāng)水泥砂漿用量不變時(shí)，砌塊的強(qiáng)度會(huì)降低。

1.2 空心砌塊的制作

按照設(shè)計(jì)規(guī)程要求確定菱鎂礦尾礦砌塊的配合比［12］，采用32.5級(jí)水泥，水灰比為0.5，用量：水171 kg/m3，水泥341 kg/m3，碎石1 673 kg/m3?？招钠鰤K尺寸如圖1所示，空心率為52%。放在適宜條件下養(yǎng)護(hù)至28 d，共制作空心砌塊12塊，用于后續(xù)試驗(yàn)。

圖1 菱鎂礦空心砌塊尺寸，mmFig.1 Geometric dimensions of magnesite hollow block，mm

2 菱鎂礦尾礦空心砌塊抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）［14］對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)定。隨機(jī)選取6個(gè)菱鎂礦尾礦砌塊，編號(hào)后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，破壞形式見(jiàn)圖2。菱鎂礦尾礦石的混凝土立方體在接觸壓力機(jī)的頂面先被壓碎，大致在立方體三分點(diǎn)處出現(xiàn)兩條裂縫；繼續(xù)加載，裂縫貫通整個(gè)混凝土立方體。砌塊的邊緣薄弱處先被壓碎，底面的邊角脫落，菱鎂礦尾礦空心砌塊最終呈上頭細(xì)下頭粗的錐形破壞不能繼續(xù)承載。

圖2 菱鎂礦尾礦空心砌塊破壞圖Fig.2 Failure of hollow block made of magnesite tailings

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1。菱鎂礦尾礦砌塊的抗壓強(qiáng)度平均值為7.06 MPa，滿足MU5的抗壓強(qiáng)度要求。

表1 菱鎂礦尾礦砌塊的抗壓強(qiáng)度Tab.1 Compressive strengths of hollow block made of magnesite tailings

3 砌筑砂漿試塊抗壓強(qiáng)度

3.1 砂漿試塊的制作

根據(jù)《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJT98—2010）［13］制作強(qiáng)度為M5.0與M10.0的兩組砂漿試塊，分別編號(hào)為A1~A6與B1~B6。M5.0砂漿和M10.0砂漿每立方米的水泥與砂用量比值分別為1：6和1：4。試塊尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，見(jiàn)圖3。養(yǎng)護(hù)條件與菱鎂礦尾礦空心砌塊相同。

圖3 砂漿試塊制作Fig.3 Preparation of mortar sample

3.2 砌筑砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度

砌筑砂漿試件的抗壓強(qiáng)度按照參考文獻(xiàn)［15］的方法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。加載速度為0.5 kN/min，施加恒荷載至試塊破壞，得到極限強(qiáng)度。試塊出現(xiàn)上端稍細(xì)、下段稍粗的破壞形態(tài)，詳見(jiàn)圖4。

圖4 砂漿試塊破壞形態(tài)Fig.4 Failure pattern of mortar sample

兩組砂漿試塊抗壓強(qiáng)度及破壞荷載如表2所示。A組砂漿試塊實(shí)際破壞荷載平均值為26.44 kN，抗壓強(qiáng)度平均值為5.29 MPa；B組實(shí)際破壞荷載平均值為49.56 kN，抗壓強(qiáng)度平均值為9.92 MPa。

表2 砂漿實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度Tab.2 Measured compressive strengths of mortar samples

4 砌體的力學(xué)性能

4.1 砌體抗壓強(qiáng)度

砌體試件的抗壓強(qiáng)度通常以砌體試件的軸心受壓實(shí)驗(yàn)得出。菱鎂礦尾礦混凝土空心砌體試件結(jié)構(gòu)及尺寸如圖5所示。砌筑采用A和B兩種砂漿。

圖5 菱鎂礦尾礦空心砌體抗壓試件Fig.5 Compressive test sample of hollow masonry made of magnesite tailings

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用最大輸出為1 000 kN的電液伺服多通道靜載試驗(yàn)機(jī)，加載裝置如圖6所示。選用10%的破壞荷載施加壓力，加載速度（2±0.5）kN/s，當(dāng)所加載荷達(dá)到80%的預(yù)估荷載時(shí)，加載方式改為（0.2±0.1）mm/min。

圖6 加載裝置圖Fig.6 Picture of loading configuration

菱鎂礦尾礦空心混凝土砌體的受壓破壞形態(tài)與普通砌體一致，從開(kāi)始受力到破壞的整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段。第一階段是彈性階段，試件沒(méi)有裂縫，應(yīng)力應(yīng)變圖為直線狀態(tài)；第二階段是彈塑性階段，此時(shí)出現(xiàn)微裂縫，但裂縫沒(méi)有通透，砌體沒(méi)有被完全破壞；第三階段是破壞階段，此時(shí)砌體塑性變形很大，裂縫增多加深，有裂縫通透，試件被壓碎，如圖7所示。

圖7 砌體破壞形態(tài)Fig.7 Failure patterns of masonry samples

砌體的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表3。A組與B組菱鎂礦尾礦空心砌體的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度平均值分別為3.81 MPa與4.71 MPa。這說(shuō)明砂漿強(qiáng)度越大，砌體的抗壓強(qiáng)度就越大。砂漿強(qiáng)度應(yīng)高于砌塊強(qiáng)度低于基層材料強(qiáng)度。

表3 菱鎂礦尾礦空心砌體實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度Tab.3 Measured compressive strengths of hollow masonry made of magnesite tailings

GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定抗壓強(qiáng)度計(jì)算式［16］

式中：Fm為平均砌體抗壓強(qiáng)度值，MPa；K1與α是與砌塊有關(guān)系數(shù)，一般K1取0.46，α取0.9；K2是與砂漿有關(guān)的系數(shù)，一般取1.0；f1與f2分別是砌塊與砂漿的平均抗壓強(qiáng)度值，MPa。

抗壓強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果如表4所示。實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度平均值略高于計(jì)算值，建議采用規(guī)范計(jì)算值。

表4 砌體抗壓強(qiáng)度測(cè)試均值與規(guī)范計(jì)算值對(duì)比Tab.4 Comparison between measured mean compressive strengths and calculated values of masonry samples

4.2 砌體抗剪強(qiáng)度

抗剪砌體試件結(jié)構(gòu)如圖8所示。將砌體橫放，施加水平荷載，采用50 t壓力機(jī)對(duì)砌體中部施壓。

圖8 抗剪試件Fig.8 Sample for shearing test

試件均在灰縫處出現(xiàn)一條裂縫，發(fā)生剪切破壞，是典型的脆性破壞，破壞前沒(méi)有明顯的預(yù)兆。如圖9所示。

圖9 砌體剪切破壞圖Fig.9 Failure patterns of masonry samples

砌體的抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表5所示，A組砌體試件抗剪強(qiáng)度平均值為0.16 MPa，B組抗剪強(qiáng)度平均值為0.23 MPa。顯然，砌體的抗剪強(qiáng)度與砂漿強(qiáng)度有關(guān)，砂漿強(qiáng)度越大，砌體的抗剪強(qiáng)度就會(huì)增大。

表5 菱鎂礦尾礦空心砌體實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度Tab.5 Measured shear strengths of hollow masonry samples made of magnesite tailings

GB 50003—2011中規(guī)定的抗剪強(qiáng)度計(jì)算式［16］

式中：fv,m為砌體抗剪強(qiáng)度平均值；k5為與砌體材料有關(guān)的系數(shù)，一般取0.069；f2為砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值。

實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表6。實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度平均值略高于規(guī)范計(jì)算值，建議采用規(guī)范計(jì)算值。

表6 實(shí)測(cè)砌體抗剪強(qiáng)度均值與規(guī)范計(jì)算值對(duì)比Tab.6 Comparison between measured mean shear strengths and calculated values of masonry samples

5 砌體的保溫性能研究

本文采用冷熱箱-熱流計(jì)法測(cè)試砌體導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法不受環(huán)境溫度與濕度限制，使用比較簡(jiǎn)單，精度比較高。

為了避免在測(cè)試的過(guò)程中熱量損失，確保冷熱箱與砌體緊貼在一起，采用30 mm厚玻璃棉包裹砌體，在砌體頂?shù)酌嬷虚g位置分別設(shè)兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)放置熱流計(jì)，測(cè)點(diǎn)位置及測(cè)試儀器如圖10所示。菱鎂礦尾礦空心砌體的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表7。砌體的導(dǎo)熱系數(shù)平均值為0.103 W/（m·K），證明菱鎂礦尾礦空心砌體具有良好保溫隔熱性能。

表7 砌體試件導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.7 Measured thermal conductivities of masonry samples

圖10 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試儀器Fig.10 Measuring point layout and testing instruments

6 結(jié)論

（1）菱鎂礦尾礦空心砌塊的抗壓強(qiáng)度平均值為7.06 MPa，滿足MU5的抗壓強(qiáng)度要求。

（2）A組與B組菱鎂礦尾礦空心砌體的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度平均值分別為3.81 MPa與4.71 MPa，抗剪強(qiáng)度平均值分別為為0.16 MPa與0.23 MPa。隨著砂漿強(qiáng)度的增加，砌體的抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度均有提升。砂漿強(qiáng)度應(yīng)高于砌塊強(qiáng)度而低于基層材料強(qiáng)度。

（3）實(shí)測(cè)菱鎂礦尾礦空心砌體的抗壓強(qiáng)度平均值及抗剪強(qiáng)度平均值均略高于規(guī)范計(jì)算值，按規(guī)范計(jì)算值偏于安全。

（4）抗壓砌體試件破壞過(guò)程分為三個(gè)階段。彈性階段試件沒(méi)有裂縫；彈塑性階段出現(xiàn)微裂縫；破壞階段砌體塑性變形很大，裂縫增多且有裂縫通透，試件被壓碎?？辜羝鲶w試件在破壞之前沒(méi)有明顯預(yù)兆，試件為脆性破壞。

（5）菱鎂礦尾礦空心砌體導(dǎo)熱系數(shù)平均值為0.103 W（/m·K），保溫隔熱性能符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。