朱麗華+戴軍+白國良+張鋒劍

摘要：通過對再生混凝土砌塊砌體的抗壓強度和抗剪強度試驗，探討了砌體的破壞過程和破壞形態(tài)，并根據(jù)試驗結(jié)果分析了再生混凝土砌塊砌體強度與砌塊強度和砂漿強度的關(guān)系?；谠囼灁?shù)據(jù)計算了再生混凝土砌塊砌體的強度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值。研究結(jié)果表明：再生混凝土砌塊砌體與普通混凝土砌塊砌體的力學(xué)性能基本一致，且具有較好的抗壓穩(wěn)定性；普通混凝土砌塊砌體的抗壓強度和抗剪強度計算公式適用于再生混凝土砌塊砌體。

關(guān)鍵詞：再生混凝土砌塊砌體；力學(xué)性能；抗壓強度；抗剪強度

中圖分類號：TU365文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

將廢棄混凝土加工成再生骨料從而生產(chǎn)再生混凝土是發(fā)展綠色混凝土的重要方向[1]。再生集料長期服役的積累損傷和破碎時的二次損傷，會造成其材性退化，其中吸水率和壓碎指標(biāo)的上升最為顯著。在滿足經(jīng)濟性的條件下，很難同時提高再生混凝土的工作性能和力學(xué)性能，而且再生混凝土強度的離散性較大，因此再生混凝土制品的應(yīng)用范圍受到了很大制約[2]。梁、柱作為結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件，應(yīng)保持較高的可靠性水平。由于很難了解再生骨料損傷對梁、柱安全性的時間效應(yīng)，再生混凝土用于梁、柱構(gòu)件時受到了很大限制[3]。在現(xiàn)有理論和工藝條件下，將再生混凝土砌塊砌體作為再生混凝土的主要制品，無疑具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。

目前，各國對再生混凝土砌塊砌體力學(xué)性能的研究還較少。肖建莊等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土砌塊砌體的破壞過程與普通混凝土砌塊砌體相似，其抗壓強度低于普通混凝土砌塊砌體強度。文獻(xiàn)[5]，[6]中的研究表明，再生混凝土空心砌塊砌體抗剪強度低于普通混凝土砌塊砌體抗剪強度，并回歸了其抗剪強度的計算公式。本文中筆者采用三排孔再生混凝土砌塊，選擇合理的砌塊強度和砂漿強度組合，研究再生混凝土砌塊砌體的力學(xué)性能，并為再生混凝土砌塊砌體的應(yīng)用提供了試驗基礎(chǔ)。

1試驗概況

1.1試件設(shè)計

試驗所用的再生混凝土砌塊均為390 mm×240 mm×590 mm三排孔砌塊[7]，見圖1。該類砌塊充分利用廢棄材料，A，B類砌塊中的再生骨料為破碎的廢棄混凝土，再生粗骨料的取代率達(dá)到了100%，再生細(xì)骨料分別選用取代率為0%和40%制成強度等級MU10和MU7.5的承重砌塊；C類砌塊中的再生骨料為廢棄磚渣，其配合比與B類砌塊相同，強度等級為MU5，三排孔再生混凝土砌塊強度如表1所示。

再生混凝土砌塊砌體按照《砌體基本力學(xué)性能

Threerows Blocks砌塊類別1平均抗壓強度/MPa1最小抗壓強度/MPa1強度等級A110.5018.211MU10B17.5316.161MU7.5C15.3114.201MU5試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ 129—90）[8]砌筑，砌體由4塊再生混凝土三排孔砌塊砌成。砌塊砌體抗壓試件如圖2（a），（b）所示；抗剪試件在抗壓試件不同位置處用10 mm厚1∶3水泥砂漿抹面，如圖2（c）所示。考慮砌體質(zhì)量的穩(wěn)定性和試驗數(shù)據(jù)的離散性，在抗壓強度試驗中A類砌塊每組3個試件，B，C類砌塊每組5個試件；在抗剪強度試驗中各類砌塊每組均為6個試件，共設(shè)計93個試件，如表2所示。

再生混凝土砌塊砌體的抗壓試驗在YE200A壓力試驗機上進(jìn)行。試件采用分級加載，每級荷載為預(yù)估破壞荷載的10%。加載初期，砌體表面未出現(xiàn)裂縫，用于測量變形的機械千分表的讀數(shù)穩(wěn)步增長；試件出現(xiàn)第1條裂縫后，砌體進(jìn)入裂縫發(fā)展階段，其中砌體較窄的側(cè)面陸續(xù)出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，較寬的側(cè)面陸續(xù)出現(xiàn)豎向裂縫或斜裂縫，千分表的讀數(shù)大幅度增長；隨著荷載的進(jìn)一步增大，砌體較窄側(cè)面的裂縫逐漸貫通，砌體被分割成幾個小柱體，承載力逐漸喪失，最終壓潰破壞。

通過觀察再生混凝土砌塊砌體的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，破壞裂縫主要集中在砌塊頂面、兩肋連接處，水泥砂漿基本處于完好狀態(tài)[圖3（a），（b）]?？梢?，再生混凝土砌塊對再生混凝土砌塊砌體的抗壓強度具有顯著影響，對砂漿的影響較小。

再生混凝土砌塊砌體的抗剪強度試驗采用勻速連續(xù)加載方式，加載時間控制在1～3 min。砌體由開始加載到破壞，沒有明顯的征兆，屬于典型的脆性破壞。砌體剪切破壞都發(fā)生在水泥砂漿面處，砌塊保持完好[圖3（c），（d）]，可以認(rèn)為砂漿強度對再生混凝土砌塊砌體的抗剪強度起主要作用，且砌體單剪破壞多于雙剪破壞。

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ 129—90），計算出再生混凝土砌塊砌體的抗壓強度和抗剪強度，結(jié)果如表3所示。2試驗結(jié)果分析

2.1再生混凝土砌塊砌體強度

大量研究表明，混凝土砌塊砌體的抗壓強度隨圖3再生混凝土砌塊砌體破壞形態(tài)

Concrete Hollow Block Masonry著砌塊強度的提高而增大，而砌體的抗剪強度隨著砂漿強度的提高而增大。再生混凝土砌塊砌體的材料組分和制作與普通混凝土砌塊砌體相似，只是再生混凝土砌塊砌體中的再生骨料性能比天然骨料差。根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，繪制出砌塊強度、砂漿強度與再生混凝土砌塊砌體抗壓強度和抗剪強度的關(guān)系，如圖4所示，由此可以大致分析再生混凝土砌塊砌體力學(xué)強度與砌塊強度和砂漿強度的關(guān)系。

由圖4（a）可以看出：再生混凝土砌塊砌體的抗壓強度主要受砌塊強度的影響，砌體的抗壓強度隨著砌塊強度的提高而顯著增加；不同砂漿強度的組合下，砌塊強度對砌體的抗壓強度的敏感性相當(dāng)。由圖4（b）可知，再生混凝土砌塊砌體抗壓強度隨著砂漿強度的提高而增大，并且在不同砌塊強度組合下，砂漿強度對砌體抗壓強度的影響程度也不一樣，表3再生混凝土砌塊砌體抗壓強度和抗剪強度

Hollow Block Masonry and Strengths of Mortar， BlockB類砌塊砌體抗壓強度對砂漿強度的敏感性明顯高于A，C類砌塊砌體，這種現(xiàn)象有別于普通混凝土砌塊砌體。其原因可能是大摻量再生混凝土骨料制成的再生混凝土砌塊強度較低且不穩(wěn)定，弱化了砌塊強度對砌體抗壓強度的貢獻(xiàn)程度，相對地提高了砂漿強度對砌體抗壓強度的作用。

從圖4（c）可以看出，砌塊強度對于再生混凝土砌塊砌體的抗剪強度的影響很小，可以忽略，這種現(xiàn)象和普通混凝土砌塊砌體類似。從圖4（d）可以看出，再生混凝土砌塊砌體的抗剪強度主要受砂漿強度的影響，砂漿強度越大，再生混凝土砌塊砌體的抗剪強度越大，即便在不同砌塊強度的組合下，砌體的抗剪強度變化幅度基本相同，這說明再生混凝土砌塊砌體抗剪強度對砌塊強度的敏感性較弱。

圖5為再生混凝土砌塊砌體抗壓試驗中初裂荷載和極限荷載的關(guān)系，其中，R2為判定系數(shù)。從圖5可以看出，初裂荷載和極限荷載的相關(guān)性很高，隨著初裂荷載的提高，砌體的極限荷載幾乎均勻提高。也就是說，不管再生混凝土砌塊砌體中砌塊強度和砂漿強度如何，砌體抗壓的初裂荷載和極限荷載的比例基本不變，這與普通混凝土砌塊砌體一致[9]，這也說明再生混凝土砌塊砌體的抗壓性能具有較好的穩(wěn)定性，可在實際工程中廣泛采用。

考慮到C類再生混凝土砌塊砌體的強度較低且離散性較大，用于重要性較低的砌體結(jié)構(gòu)更為合理。對于A，B類砌塊砌體，有必要進(jìn)一步研究其力學(xué)強度的計算公式。上述分析表明，再生混凝土砌塊砌體抗壓強度及抗剪強度的發(fā)展規(guī)律和內(nèi)在機理與普通混凝土砌塊砌體基本一致，故可采用普通混凝土砌塊砌體的抗壓強度及抗剪強度公式進(jìn)行計算，其公式為

式中：fm，fv，m分別為砌體抗壓強度和抗剪強度計算值；f1，f2分別為砌塊和砂漿的抗壓強度平均值；α，k1均為不同類型砌體的塊材形狀、尺寸及砌筑方法等因素的影響系數(shù)，對于混凝土砌塊，α=0.9，k1=0.46；k2為砂漿強度不同對砌體抗壓強度的影響系數(shù)，對于混凝土砌塊，當(dāng)f2≠0時，k2=1.0；k5為與砌體種類有關(guān)的系數(shù)，對于混凝土砌塊，k5=0.069。

考慮到本試驗再生混凝土砌塊的尺寸和普通砌塊相同，α仍取0.9；將再生混凝土砌塊砌體的強度試驗值進(jìn)行回歸分析，得出k1=0.538，高于規(guī)范中給出的0.46，文獻(xiàn)[10]中也有類似的結(jié)果；k5回歸的取值為0.079 7，同樣高于規(guī)范中給出的0.069?？紤]再生混凝土砌塊砌體強度的離散性，使用規(guī)范中的參數(shù)取值更偏于安全。按式（1）和式（2）計算的結(jié)果如表4所示。

由表4可知，再生混凝土砌塊砌體的抗壓強度表4再生混凝土砌塊砌體的強度試驗值和計算值的比較

砌體的抗壓強度及抗剪強度公式計算再生混凝土砌塊砌體相應(yīng)的力學(xué)強度。3再生混凝土砌塊砌體的強度表達(dá)

在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要知道材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值。材料強度的概率分布宜采用正態(tài)分布，材料強度標(biāo)準(zhǔn)值可按概率分布0.05分位值確定。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，砌體強度服從正態(tài)分布，其抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fk可以按下式計算

由此可見，A類砌塊砌體的平均變異系數(shù)為0.1，B類砌塊砌體的平均變異系數(shù)為0.21，為了安全考慮，將再生混凝土砌塊砌體抗壓強度的變異系數(shù)取為0.21，見表3。

材料性能設(shè)計值是指材料性能標(biāo)準(zhǔn)值除以材料性能分項系數(shù)所得的值。砌體的強度設(shè)計值f是砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時所采用的強度代表值，考慮幾何參數(shù)變異、計算模式不確定性等因素對可靠度的影響，其計算公式為

f=fk1γf（4）

式中：γf為砌體結(jié)構(gòu)的材料性能分項系數(shù)，一般情況下宜按施工質(zhì)量等級為B級考慮，取γf=1.6[12]。

由于再生混凝土砌塊采用高吸水率、多孔隙的再生集料，施工質(zhì)量不易控制，為保證獲得可靠的強度設(shè)計值，可將γf適當(dāng)提高，取γf=1.7。再生混凝土砌塊砌體抗剪強度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值計算公式同公式（3），（4），抗剪強度的變異系數(shù)取為0.19。表5為再生混凝土砌塊砌體抗壓強度與抗剪強度的標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計值。

（1）再生混凝土砌塊砌體在軸壓下的破壞形態(tài)為砌體窄側(cè)面出現(xiàn)貫通裂縫而被分割成柱體，最終壓潰破壞；砌體的受剪破壞為砂漿層被剪壞，為脆性破壞。

（2）再生混凝土砌塊砌體的抗壓強度主要取決于砌塊強度，同時也受砂漿強度的一定影響；砌體的抗剪強度隨著砂漿強度的提高而增大，這與普通混凝土砌塊砌體基本一致。

（3）再生混凝土砌塊砌體抗壓試驗中的初裂荷載和極限荷載存在較高的相關(guān)性，兩者之間的比值基本保持不變，使再生混凝土砌塊砌體的抗壓性能具有較好的穩(wěn)定性。

（4）C類再生混凝土砌塊砌體可用于重要性低的砌體結(jié)構(gòu)；而普通混凝土砌塊砌體的抗壓強度和抗剪強度計算公式適用于A類和B類再生混凝土砌塊砌體。考慮再生混凝土砌塊砌體的施工質(zhì)量，應(yīng)適當(dāng)提高其材料性能分項系數(shù)；基于試驗數(shù)據(jù)，本文中計算了再生混凝土砌塊砌體的強度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值。

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