劍麻纖維混凝土砌塊砌體的力學(xué)性能研究

陳偉宏 , 韓春暉, 雷少英 , 姚仲泳, 賈云飛

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 福建 福州 350116;2.宇旺建工集團(tuán)有限公司, 福建 福州 350821;3.平潭綜合試驗(yàn)區(qū)交通與建設(shè)局, 福建 福州 350499)

0 引言

框架-砌體填充墻結(jié)構(gòu)在當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程中占據(jù)很重要的地位。填充墻作為第一道抗震防線,憑借其自身開(kāi)裂、變形和最終的破壞來(lái)吸收地震中的能量,對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能影響顯著[1-3];然而,由于砌體填充墻的砌筑砂漿和混凝土砌塊易開(kāi)裂、延性差,在地震中容易遭到破壞甚至倒塌[4-6],是造成人員傷亡的最主要原因之一,因此,提高填充墻延性變形性能,有利于增加框架填充墻的地震安全性。

為了改善傳統(tǒng)填充砌塊的脆性和低抗拉強(qiáng)度,需要開(kāi)發(fā)比原始基質(zhì)具有更高質(zhì)量或更好性能的新產(chǎn)品[7-8]。在水泥基材料中應(yīng)用了合成或天然纖維[9-15]以改善混凝土砌塊的受力性能。Arslan等[16]對(duì)分別用普通砂漿、摻玄武巖纖維和摻玻璃纖維的砂漿砌筑而成的蒸壓加氣混凝土砌塊墻進(jìn)行擬靜力試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)砂漿內(nèi)摻加纖維能增加填充墻的承載力和耗能能力。楊磊等[17]對(duì)添加聚丙烯纖維和玻璃纖維2種纖維的砂加氣混凝土砌塊進(jìn)行抗壓和抗折試驗(yàn),結(jié)果表明2種纖維砌塊強(qiáng)度相差不大,均比未加纖維的砌塊增加了20%～30%。多種植物纖維被加入混凝土砌塊中并試驗(yàn)其力學(xué)性能,例如木質(zhì)纖維[18-22]、玉米秸稈纖維[23]等。Pitchaipillai等[23]研究了分別用普通砂漿和摻纖維(聚丙烯、劍麻、洋麻和芳綸)砂漿砌筑的砌塊砌體抗壓、抗剪性能,結(jié)果表明,摻纖維砂漿砌筑的砌體具有更高的強(qiáng)度和彈性模量。張艷霞等[24]研究了木纖維混凝土砌塊并的力學(xué)性能試驗(yàn),探索了植物纖維混凝土在重砌塊中應(yīng)用的可能性。劍麻纖維也被用作水泥復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料[25-27],這種復(fù)合材料目前被認(rèn)為是可持續(xù)工程技術(shù)中最有前途的結(jié)構(gòu)材料之一。合適的處理對(duì)水泥基復(fù)合材料中劍麻纖維的力學(xué)性能 (即拉伸強(qiáng)度) 和界面黏結(jié)[28]有積極影響。

目前的研究主要集中在單獨(dú)提高砌塊或者砌筑砂漿的延性,而未考慮砌塊砌體的整體變形能力,因此本文提出一種延性砌塊與配套延性砂漿的新型砌體結(jié)構(gòu),通過(guò)受壓、剪切試驗(yàn),分析其力學(xué)性能、延性和破壞模式,給出相應(yīng)的承載力計(jì)算公式,探討將其應(yīng)用于框架填充墻結(jié)構(gòu)體系的可能性。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,比表面積為330 m2/kg。粉煤灰是由河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司提供的粒徑為27 μm的I級(jí)優(yōu)質(zhì)粉煤灰,比表面積為436 m2/kg。礦粉是精磨后得到粒徑為14 μm的S95礦渣粉,比表面積為453 m2/kg。劍麻纖維為廣西劍麻集團(tuán)生產(chǎn)的劍麻纖維成品,其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)使用的細(xì)砂是白色晶體狀的石英砂。

表1 劍麻纖維技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of sisal fiber

1.2 材料配合比及性能

1.2.1 延性混凝土砌塊

混凝土砌塊的配合比為課題組前期正交試驗(yàn)所得出的最優(yōu)配合比[29],延性混凝土砌塊配合比見(jiàn)表2。對(duì)比砌塊為市場(chǎng)上常用的普通混凝土砌塊。

表2 延性混凝土砌塊配合比Tab.2 Mix ratio of ductile concrete blocks

砌塊空心率為38%,主規(guī)格尺寸為180 mm×180 mm×70 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度),輔助砌塊是主規(guī)格砌塊從中間切割而成,混凝土砌塊具體尺寸如圖1所示。

(a) 砌塊尺寸

按《混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)方法》(GB/T 4111—2013)[30]進(jìn)行延性混凝土砌塊的抗壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3,不同砌塊位移-荷載曲線如圖2所示。

表3 砌塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of compressive strength of blocks

從表3、圖2可以看出,延性砌塊和普通砌塊的抗壓強(qiáng)度相當(dāng),但延性性能有較大的提升。相比普通砌塊,延性砌塊達(dá)到最大載荷后承載力下降緩慢,且破壞后仍有較大的應(yīng)力保留率。

1.2.2 延性砌筑砂漿

本文中設(shè)計(jì)了1種普通砌筑砂漿和4種不同強(qiáng)度等級(jí)的延性砌筑砂漿,按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》(JGJ/T 70-2009)[31]進(jìn)行抗壓試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度),每組6個(gè)。普通砂漿配合比的水∶中砂∶水泥質(zhì)量比為0.29∶1.015∶0.271,抗壓強(qiáng)度為10.45 MPa。延性砂漿配合比及抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見(jiàn)表4,其中纖維體積分?jǐn)?shù)均為0.5%。

表4 延性砌筑砂漿配合比Tab.4 Mixture ratio of ductile masonry mortar

2 延性砌塊-延性砂漿砌體抗壓試驗(yàn)

2.1 試件設(shè)計(jì)

砌體抗壓按照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011)[32]進(jìn)行,試件尺寸為280 mm×180 mm×550 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度),砌塊砌體如圖3所示。為了研究不同砌筑砂漿、砌塊類(lèi)型對(duì)砌體抗壓性能的影響,共設(shè)計(jì)3組試件,每組3個(gè)。其中,相當(dāng)多的砌體樣品失效是由磚和砂漿之間的結(jié)合喪失引起的,特別是當(dāng)砂漿非常弱時(shí),使得磚-砂漿結(jié)合強(qiáng)度也顯示出很大的波動(dòng),預(yù)計(jì)這將帶來(lái)另一個(gè)不確定性[31]。為了更好地研究劍麻纖維延性砂漿砌塊砌體的力學(xué)性能,延性砌筑砂漿的類(lèi)型指定為延性砂漿3。砌體抗壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。

(a) 單個(gè)砌體正面

表5 砌體抗壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.5 Compression test design of masonry

2.2 試驗(yàn)裝置及加載方案

延性砌塊-延性砂漿砌體抗壓試驗(yàn)在500 kN量程的電液伺服壓力機(jī)上進(jìn)行。為了砌塊均勻受壓,在測(cè)試受壓荷載-位移全曲線過(guò)程中,在加壓面增厚度為30 mm的鋼板。試驗(yàn)加載按《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011)[32]規(guī)定進(jìn)行,砌體試件的加載裝置如圖4所示。加載全過(guò)程采用等速位移控制的加載方式,加載速率為0.2 mm/min,并采集受壓荷載-位移全曲線。在試件加載過(guò)程中畫(huà)出裂縫的分布情況并記錄相應(yīng)荷載值,觀察破壞特征。

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

3種砌體受壓破壞分為3個(gè)階段,即未開(kāi)裂階段、初裂縫出現(xiàn)和開(kāi)展階段、破壞階段,但是砌塊及砌筑砂漿不同,砌體的破壞情況又有所區(qū)別。

第1階段:砌體從開(kāi)始承載到出現(xiàn)初裂縫,主要為彈性變形,試件裂縫均出現(xiàn)在豎向砂漿縫處。

第2階段:隨著荷載的增加,裂縫開(kāi)始擴(kuò)展且數(shù)量繼續(xù)增加,其中CP-0試件主要表現(xiàn)為沿原來(lái)的初裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,裂縫較少;CY-0、CY-1試件在沿原有豎向裂縫擴(kuò)展的同時(shí)不斷出現(xiàn)新的細(xì)裂縫,試件的裂縫分布如圖5所示。

(a) CP-0試件

第3階段:CP-0試件,在達(dá)到極限荷載后沿高度外側(cè)被壓碎,然后沿豎向砂漿一條主裂縫破壞,有局部砌塊被壓裂。CP-0、CY-0到達(dá)峰值荷載后,承載力急劇下降。而CY-1試件中的磚比砂漿強(qiáng)度低,且砂漿界面黏結(jié)保持的比較完整,則砌體的失效是由接縫中砂漿的拉伸斷裂后砂漿失效延伸到磚上,導(dǎo)致砌體失效,使得CY-1試件在達(dá)到承載力極限狀態(tài)后沿豎向主裂縫又重新出現(xiàn)多條小裂縫。試件的破壞形態(tài)如圖6所示。上述結(jié)果與Gumaste等[33]關(guān)于配套較高強(qiáng)度砂漿的砌體壓縮破壞模式研究結(jié)論相契合。

(a) CP-0試件

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 砌體抗壓強(qiáng)度

依據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011)的要求,砌體抗壓強(qiáng)度按式(1)計(jì)算,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

(1)

表6 砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of compressive strength tests of masonry

式中:fc,m為試件抗壓強(qiáng)度,MPa;N為試件破壞荷載值,kN;A為試件的截面面積,mm2。

CP-0試件的抗壓強(qiáng)度略低于CY-0試件,這是因?yàn)槠胀ㄆ鰤K抗壓強(qiáng)度小于延性砌塊的。由于延性砂漿的抗壓強(qiáng)度高于普通砌筑砂漿,并且延性砂漿流動(dòng)性較強(qiáng),流入孔洞中形成了砂漿銷(xiāo)鍵現(xiàn)象,使得CY-1試件的抗壓強(qiáng)度大于CY-0試件。

2.4.2 抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式

現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)(簡(jiǎn)稱(chēng)《砌規(guī)》)列出了各類(lèi)砌塊砌體抗壓強(qiáng)度平均值的統(tǒng)一計(jì)算公式為

(2)

式中:fc,m為砌體抗壓強(qiáng)度平均值,MPa;f1、f2為砌塊與砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度平均值,MPa;k1為與砌塊有關(guān)的系數(shù);k2為砌筑砂漿強(qiáng)度的影響修正系數(shù);α為與砌塊高度及砌體類(lèi)型有關(guān)的系數(shù)。

當(dāng)f2>10 MPa時(shí),則公式應(yīng)修正為

(3)

從《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中可知,混凝土多孔磚砌體的系數(shù)取值為k1=0.78,k2=1.0,α=0.5。以延性砌體實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為依據(jù),與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。由于砂漿強(qiáng)度大于10 MPa,因此理論公式采用公式(3)計(jì)算,砌體實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度與理論計(jì)算值比較見(jiàn)表7。

表7 砌體實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度與理論計(jì)算值比較

從表7 可知,按系數(shù)k1=0.78,k2=1.0,α=0.5計(jì)算所得的抗壓強(qiáng)度值與實(shí)測(cè)值非常接近,因此最終砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為

(4)

2.4.3 砌體變形性能

通過(guò)電液伺服壓力機(jī)和豎向位移計(jì)測(cè)得砌塊砌體抗壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖可見(jiàn),3種砌塊砌體剛開(kāi)始加載時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致呈線性。隨著應(yīng)力的增大,CP-0和CY-0試件的應(yīng)變相較于CY-1試件增大幅度更為顯著。當(dāng)荷載達(dá)到最大承載力時(shí),CP-0和CY-0試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸下降,而CY-1試件在荷載達(dá)到極值后短暫下降,然后又緩慢上升至極限承載力。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到17×10-3時(shí),CP-0和CY-0試件承載能力較小,而加載到后期時(shí),CY-1試件仍然有較高的承載力保留率。

圖7 砌體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Compressive stress-strain curve of masonry

可以看出,由于CY-1試件同時(shí)使用了延性砌塊和延性砌筑砂漿,使其在受壓過(guò)程中延性砌筑砂漿和延性砌塊同時(shí)開(kāi)裂,具有多裂縫開(kāi)裂的特征,能消耗更多的能量,承載力緩慢下降,剩余承載力也遠(yuǎn)大于CP-0、CY-0試件。

2.4.4 砌體的彈性模量

彈性模量是砌體變形性能的參數(shù)。根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011),在砌體抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上,取應(yīng)力σ等于0.4fc,m時(shí)的割線模量為試件的彈性模量,并按式(5)計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表8。

(5)

表8 試件的彈性模量Tab.8 Elastic modulus of test piece

式中:E為試件的彈性模量,N/mm;ε0.4為對(duì)應(yīng)于0.4fc,m時(shí)的軸向應(yīng)變值。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得出了3種砌體的彈性模量,即CP-0、CY-0和CY-1分別為252.9、236.4、330.4 GPa,說(shuō)明普通砌塊砌體和延性砌塊普通砂漿砌體的彈性變形能力差。延性砌塊-延性砂漿砌體彈性模量大,再加上其具有的多裂縫開(kāi)裂特性,在地震中能提供更持久的耗能能力。

3 延性砌塊-延性砂漿砌體抗剪試驗(yàn)

3.1 試件設(shè)計(jì)

抗剪試驗(yàn)采用雙剪試件,按《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011)制作,砂漿灰縫厚度為10 mm。按砂漿和砌塊的不同組合,共設(shè)計(jì)了6組試件,每組3個(gè),試件主要參數(shù)見(jiàn)表9。

表9 砌體抗剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.9 Shear test design for masonry

3.2 試驗(yàn)裝置及加載方案

試驗(yàn)加載按《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011)中的規(guī)定進(jìn)行,試驗(yàn)裝置如圖8所示。采用位移控制,加載速率為0.2 mm/min。當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)剪切面破壞時(shí)加載結(jié)束。

圖8 砌體抗剪試驗(yàn)Fig.8 Masonry shear test

3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

在出現(xiàn)荷載峰值后,SP-0試件沿著砂漿縫面瞬間破壞,試件喪失抗剪承載力,無(wú)明顯的破壞征兆,并且破壞前,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)試件表面有明顯的裂縫開(kāi)展現(xiàn)象,為脆性破壞。SY-0試件破壞現(xiàn)象與SP-0試件相似,但是SY-0試件在受剪過(guò)程中,延性砌塊有輕微開(kāi)裂。SY-1、SY-2、SY-3試件剪變形較大,延性砌塊有少量發(fā)育比較充分的裂縫,表現(xiàn)為延性破壞。SY-4試件延性砂漿強(qiáng)度大,表現(xiàn)為延性砌塊多裂縫開(kāi)裂破壞,而并未沿砂漿縫剪切破壞,而且延性砌塊多裂縫開(kāi)裂過(guò)程中極大的消耗能量為延性破壞。不同試件的裂縫形態(tài)如圖9所示。

(a) SP-0

3.4 結(jié)果分析

依據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011)中規(guī)定,試件抗剪強(qiáng)度按式(6)計(jì)算,砌體抗剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

(6)

表10 砌體抗剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Shear test results of masonry

式中:fv,m為試件沿通縫截面的抗剪強(qiáng)度,MPa;Nv為試件的抗剪極限荷載值,N。

3.4.1 抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式

當(dāng)砌體只受剪應(yīng)力作用時(shí),砌體的抗剪強(qiáng)度主要由灰縫砂漿與塊體的黏結(jié)強(qiáng)度決定?！镀鲶w基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了砌體抗剪強(qiáng)度的平均值計(jì)算公式為

(7)

式中:fv0,m為砌體抗剪強(qiáng)度平均值,MPa;k5為系數(shù),對(duì)于蒸壓灰砂磚、蒸壓粉煤灰磚砌體,k5=0.09;對(duì)于混凝土小型空砌塊砌體,k5=0.069。而本試驗(yàn)所用延性混凝土砌塊在規(guī)范中并沒(méi)有明確規(guī)定。線性回歸曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合如圖10所示。對(duì)表10中灰縫厚度為10 mm的抗剪試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得到的砌體抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為

圖10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合Fig.10 Linear fitting of experimental data

(8)

對(duì)計(jì)算出的砌體抗剪強(qiáng)度和試驗(yàn)測(cè)得的砌體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,得出砌體抗剪實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表11。

表11 砌體抗剪實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比Tab.11 Comparison between measured and calculated shear resistance values of masonry

砌體抗剪強(qiáng)度線性回歸得出的殘差平方和為7.68×10-3。通過(guò)表11可以看到,在線性函數(shù)擬合形態(tài)下計(jì)算得出的砌體抗剪強(qiáng)度和試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)非常接近,因此可以通過(guò)公式來(lái)預(yù)測(cè)本延性材料砌體的抗剪強(qiáng)度。

3.4.2 剪切變形

延性砌塊-延性砂漿砌體試件表現(xiàn)出不同于普通抗剪試件的剪切變形性能。不同砌體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖11所示。由圖11可以看出,SP-0試件的荷載-位移曲線達(dá)到最大荷載后就急劇降低,剪切變形很小。SY-0試件曲線與SP-0試件相似,剪切延性增加不大。SY-1試件的延性砌筑砂漿強(qiáng)度相對(duì)較低,雖然延性砌塊有輕微開(kāi)裂,但主要發(fā)生的是延性砂漿的剪切破壞,曲線上升段斜率較小,達(dá)到最大荷載后逐漸降低,剪切延性得到顯著的提高。SY-2、SY-3構(gòu)件的曲線相似,試件的延性砌塊在剪切變形過(guò)程中開(kāi)裂更為嚴(yán)重,但主要還是沿延性砂漿縫的剪切破壞,曲線在到達(dá)最大荷載后逐漸降低,剪切變形較大。SY-4構(gòu)件的延性砌筑砂漿強(qiáng)度相比SY-2和SY-3試件進(jìn)一步提高,抗剪過(guò)程中主要發(fā)生的是延性砌塊的多裂縫開(kāi)裂破壞,在較大的剪切變形情況下仍有極高的剪切強(qiáng)度保留率,使SY-4試件曲線的下降段最為平緩,剪切延性最好。

圖11 不同砌體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Compressive stress-strain curve of masonry

4 結(jié)論

① 延性砌塊-延性砂漿砌體CY-1抗壓強(qiáng)度與普通砌體相差很小,但在受壓過(guò)程中延性砌筑砂漿和延性砌塊均開(kāi)裂,且砂漿界面黏結(jié)保持的比較完整,砂漿裂縫延伸到砌體上,并且在達(dá)到承載力極限狀態(tài)后沿豎向主裂縫又重新出現(xiàn)多條小裂縫,破壞模式為延性破壞,在達(dá)到峰值應(yīng)力后承載力緩慢下降,剩余承載力也遠(yuǎn)大于延性砌塊-普通砂漿試件CP-0試件、普通砌塊-砂漿CY-0試件;CY-0、CP-0達(dá)到極限承載力后,試件很快就破碎,脆性現(xiàn)象明顯。

② 抗剪試驗(yàn)中,普通砌塊-砂漿砌體、延性砌塊-普通砂漿砌體均為脆性破壞;延性砌塊-砂漿砌體則隨著砂漿強(qiáng)度的增大,抵抗剪切能力越強(qiáng)。當(dāng)延性砂漿強(qiáng)度較低時(shí),延性砌塊-延性砂漿砌體仍舊沿著砂漿面破壞,承載力損失較快;當(dāng)延性砂漿強(qiáng)度較大時(shí),為多縫開(kāi)裂特征,并且較大的破壞面出現(xiàn)在砌塊處,延性較好,耗能更高。

③ 按照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的推薦公式,得出延性砌塊-延性砂漿砌體抗壓強(qiáng)度。砌體的抗剪強(qiáng)度,隨砌筑漿體抗壓強(qiáng)度的提高而增大,材料配合比對(duì)砌體抗剪強(qiáng)度的影響不容忽視,故建立了新型延性砌塊-延性砂漿砌體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式。