黃榜彪,盧強(qiáng),朱基珍,黃炳章

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006;2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢430074)

矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪試驗(yàn)研究

黃榜彪1,2,盧強(qiáng)1,朱基珍1,黃炳章1

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006;2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢430074)

采用不同強(qiáng)度的砂漿砌筑矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪試件，按砂漿強(qiáng)度等級(jí)分為3組共計(jì)27個(gè)，并進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，研究其抗剪承載能力.試驗(yàn)結(jié)果表明:矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體受剪破壞具有明顯的脆性破壞特征.通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，提出了矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式.公式計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了對(duì)于同一強(qiáng)度等級(jí)的砂漿，矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度高于現(xiàn)行砌體設(shè)計(jì)規(guī)范的抗剪強(qiáng)度取值，表明規(guī)范抗剪強(qiáng)度取值適用于矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體且有一定的安全儲(chǔ)備.

矩形孔;燒結(jié)頁巖磚;砌體;抗剪強(qiáng)度

0 引言

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊》(GB 13544-2011)中，取消了圓型孔和其它孔型，規(guī)定孔型只能采用矩形條孔或矩形孔［1］.矩形孔燒結(jié)磚相對(duì)于新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行前流行的圓形孔燒結(jié)磚有更高的孔洞率和更好的熱工性能，更有利于節(jié)能環(huán)保［2］;另一方面，孔型的改變會(huì)造成受力時(shí)應(yīng)力分布不同，所以在力學(xué)性能上存在差異.新型墻體材料一直是砌體結(jié)構(gòu)材料研究的重要方向，許多專家學(xué)者對(duì)此做了大量研究［3-11］，但是關(guān)于矩形孔燒結(jié)頁巖磚的研究相對(duì)較少;因此，本文對(duì)矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度和抗剪機(jī)理進(jìn)行研究，為其推廣使用提供參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件選用材料和試件砌筑方法

砌塊采用強(qiáng)度等級(jí)為MU25的矩形孔燒結(jié)頁巖磚(如圖1所示)，幾何尺寸為240 mm×115 mm×90 mm.砂漿采用混合砂漿，強(qiáng)度等級(jí)分為M5，M7.5和M10共3個(gè)等級(jí).試件模型采用雙剪試件(也即九磚試件)，按照砂漿強(qiáng)度等級(jí)分為A組(M5)，B組(M7.5)和C組(M10)，每組9個(gè)，共27個(gè)試件.為了保證砌筑質(zhì)量，試件的制作過程依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50129-2011)和《砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50203-2011)，由中等技術(shù)水平的砌筑工人砌筑，砌筑完畢后，在試件頂部平壓四皮磚，保持14 d.試件在溫度為15℃～20℃的室內(nèi)灑水養(yǎng)護(hù)28 d.

圖1 矩形孔燒結(jié)頁巖磚Fig.1 Rectangular hole sintered shale brick

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用精密液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)抗剪試件進(jìn)行加載，圖2(a)為試件受力示意圖，圖2(b)為加載裝置圖.試件就位前測(cè)量試件的受剪截面尺寸.試件就位時(shí)，在抗剪試件和壓力機(jī)底部鋼板的接觸面上以及試件上部受力面上各鋪一層厚度較薄的細(xì)沙，以便調(diào)整試件的水平度，并進(jìn)行幾何對(duì)中，使試件中心線和壓力試驗(yàn)機(jī)的上下壓板中心線重合.為保證精確測(cè)量破壞荷載，把荷載傳感器放置在壓力試驗(yàn)機(jī)器上加壓板下方，由傳力構(gòu)件將荷載均勻地傳遞到試件.加載時(shí)勻速連續(xù)加荷，使試件在1 min～3 min內(nèi)破壞.試驗(yàn)前測(cè)量試件、傳感器和傳力構(gòu)件的重量，破壞后記錄破壞荷載值及破壞特征.

圖2 試件受力圖和加載裝置Fig.2 Force diagram of the specimen and equipment of test

2 試驗(yàn)結(jié)果和理論分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

加載過程中，試件沒有表現(xiàn)出明顯的破壞征兆，當(dāng)超過極限破壞極值后，儀表荷載讀數(shù)回落，試件突然發(fā)生破壞，破壞過程有明顯的脆性.試件最終的破壞形式可以分為單剪破壞(圖3(a))、雙剪破壞(圖3(b))和磚體破壞(圖3(c)).各種破壞形式的統(tǒng)計(jì)情況見表1.

當(dāng)砂漿強(qiáng)度比較低時(shí)，主要是單剪破壞和雙剪破壞，且單剪破壞要遠(yuǎn)多于雙剪破壞.原因主要是2個(gè)受力面處的砌塊表面平整度、施工質(zhì)量有所差異，導(dǎo)致兩側(cè)豎向灰縫與塊體的粘結(jié)強(qiáng)度有一定的離散性，兩側(cè)粘結(jié)強(qiáng)度大致相當(dāng)?shù)那闆r比較少.破壞先沿著比較薄弱的一側(cè)發(fā)生時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)單剪破壞;當(dāng)兩側(cè)粘結(jié)強(qiáng)度大致相當(dāng)，2個(gè)側(cè)面共同受力，就出現(xiàn)雙剪破壞，這種破壞比較少.砂漿強(qiáng)度較高時(shí)還會(huì)發(fā)生磚體破壞，原因主要是矩形孔燒結(jié)頁巖磚個(gè)別孔肋較薄且邊角為直角，導(dǎo)致該處的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，容易局部開裂進(jìn)一步削弱砌塊承載能力，而導(dǎo)致磚體整個(gè)破壞.上述3種破壞形式，都伴隨著砂漿鍵被剪斷，這表明砂漿鍵也承擔(dān)了較大的剪力.

圖3 單剪破壞、雙剪破壞和磚體破壞Fig.3 Single shear damage,double shear damage and the destruction of brick

表1 試件破壞統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Specimens damage statistics

2.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度公式采用《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129-2011)中的公式:

式(1)中，fv，i表示試件抗剪強(qiáng)度(N/mm2)，Nv指試件破壞荷載值，A表示試件的一個(gè)受剪面面積.

整理后結(jié)果見表2，可以看出，A，B，C組的砂漿抗剪強(qiáng)度平均值分別為0.461 MPa，0.553 MPa和0.620 MPa，抗剪強(qiáng)度平均值隨著砂漿強(qiáng)度的提高而提高.

表2 矩形孔燒結(jié)頁巖磚抗剪強(qiáng)度Tab.2 Rectangular hole sintered shale brick masonry's shear strength

2.3 抗剪強(qiáng)度平均值

試驗(yàn)結(jié)果說明矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體受剪破壞既包括砂漿本身的破壞，也包括砂漿和孔洞之間的銷鍵破壞，所以抗剪強(qiáng)度也主要包括砂漿與磚體表面的粘結(jié)作用和砂漿的銷鍵作用.砌體規(guī)范采用的砌體抗剪強(qiáng)度平均值公式如下:

式(2)中，fv，m表示砌體抗剪強(qiáng)度平均值，f2表示砂漿強(qiáng)度，k5為對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析得出的系數(shù).規(guī)范取值是對(duì)多家單位的研究數(shù)據(jù)的綜合整理，對(duì)燒結(jié)多孔磚的取值為0.125.

對(duì)照上述公式，采用最小二乘法對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸處理，求得k5等于0.189，所以本試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度平均值公式為:

表3和圖4將式(3)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，有少部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)小于式(3)計(jì)算出來的抗剪強(qiáng)度平均值，說明式(3)表示的抗剪強(qiáng)度有些偏高.為了提高安全性，需要調(diào)整系數(shù)k5，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡可能落在計(jì)算公式的上方.

經(jīng)過試算，取k5為0.161時(shí)，矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度平均值公式可以表示為:

圖4 抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值和式(3)、式(4)的比較Fig.4 Comparisonbetweenmeasuringresultsofshearstrength andplotsofformula(3)andformula(4)

表3 各組抗剪強(qiáng)度最小值和式(3)的比較Tab.3 Comparison between minimum shear strength in each group and formula(3)MPa

在圖4中用實(shí)線表示式(4)，A組，B組和C組試驗(yàn)數(shù)據(jù)落在式(4)上方;所以式(4)可以看作試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度值的下包線，比式(3)安全性更高，建議采用式(4)計(jì)算矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度平均值.

2.4 抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值

根據(jù)砌體規(guī)范，具有95％保證率的多孔磚砌體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式可以表示為［12］:

式(5)中，fv，k為抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，σf表示抗剪強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差.

表4列出了各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，考慮到安全性取最大的標(biāo)準(zhǔn)差0.065，代入式(5)得到:

考慮到安全儲(chǔ)備，將式(6)乘以折減系數(shù)0.85，得到建議的矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算式:

設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式參考砌體規(guī)范，將上式除

以分項(xiàng)系數(shù)γf=1.6，得出文中建議的矩形孔燒結(jié)頁巖磚抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算公式:

2.5 矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度和規(guī)范值的對(duì)比

表5列出了矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪試驗(yàn)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值以及砌體規(guī)范給出的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值，其中本文得出的矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相比規(guī)范給出的設(shè)計(jì)值有顯著提高，砂漿的銷鍵作用對(duì)其抗剪性能的提高也有較大貢獻(xiàn)，規(guī)范取值相對(duì)保守，有比較高的安全儲(chǔ)備.

表4 矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)Tab.4 Standard deviation and coefficient of variation of rectangular hole sintered shale brick masonry's shear strength

表5 抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值與規(guī)范取值的對(duì)比Tab.5 Comparison of rectangular hole sintered shale brick's and current masonry structures code's standard value and design value of shear strength MPa

3 結(jié)論

1)矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體的抗剪破壞形式主要是單剪破壞和雙剪破壞，且單剪破壞多于雙剪破壞.矩形孔的孔肋較薄，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，會(huì)降低磚體的強(qiáng)度導(dǎo)致少量的試件發(fā)生磚體破壞;

2)得出了矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度建議計(jì)算公式，和試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合，并有一定的安全儲(chǔ)備;

3)矩形孔燒結(jié)頁巖磚砌體抗剪強(qiáng)度取值相對(duì)砌體規(guī)范有顯著提高，填充矩形孔的砂漿銷鍵起到了重要作用.

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB13544-2011燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

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Research of the shear strength of rectangular hole sintered shale brick masonry

HUANG Bang-biao1，2，LU Qiang1，ZHU Ji-zhen1，HUANG Bing-zhang1
(1.School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China;2.School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Twenty-seven sintered shale brick masonry specimens are divided into three groups according to the mortar strength for shear strength test.The result of the test shows that the destruction of rectangular hole sintered shale brick is brittle failure.Based on the regression analysis of experimental data，the shear strength calculation formula of rectangular hole sintered shale brick masonry was proposed，which shows that average of rectangular hole sintered shale brick masonry shear strength is higher than the value of the shear strength in current masonry structures code with the same strength grade mortar.It also indicates that the current masonry structures code is applicable to the rectangular hole sintered shale brick masonry with enough safety coefficient.

rectangular hole;sintered shale brick;masonry;shear strength

TU362

A

2095-7335(2016)02-0027-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.005

(學(xué)科編輯:黎婭)

2015-11-19

廣西千億元產(chǎn)業(yè)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科攻11107021-3-5，桂科攻1099058);廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科攻12100007，桂科攻14126001-4);柳州市科技開發(fā)項(xiàng)目(2013J010404)資助.

黃榜彪，教授級(jí)高級(jí)工程師，教授，研究方向:新型建筑材料，E-mail:752359768@qq.com.