吳輝琴，淳野楊，解小娟，張騰，李青，李蒼愚

（廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

發(fā)展輕質(zhì)、節(jié)能、環(huán)保、利廢混凝土砌塊是目前墻材改革的主流方向。EPS混凝土砌塊是利用工業(yè)廢渣粉煤灰、礦粉與發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）顆粒、水泥等為原料，添加水性環(huán)氧樹脂、減水劑等自主研發(fā)的一種新型墻體材料。作為粘土磚的替代材料之一，其規(guī)格尺寸與標準磚一致，表觀密度為1200～1750 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.184～0.202 W/（m·K），是典型的輕質(zhì)節(jié)能材料。文獻[1-4]通過理論分析、實驗室小試和工廠中試，完成了EPS混凝土砌塊的制備，并提供了MU5～MU20等多種強度等級EPS混凝土砌塊的配方，其中MU7.5以上等級的砌塊可用于砌體結(jié)構(gòu)承重墻、柱，直接承受屋頂、樓板傳來的豎向荷載。文獻[5-7]選擇MU5、MU15等級砌塊開展EPS混凝土砌塊砌體基本力學(xué)性能（受壓強度、受剪強度、變形性能等）的研究，并提供了EPS砌體抗壓強度、抗剪強度、彈性模量等力學(xué)性能指標的計算方法或確定值。本文設(shè)計6組承重墻體，考慮材料強度、高厚比、偏心距等影響因素，開展墻體豎向荷載作用的靜力試驗，研究該新型墻材的工作性能，明確墻體受壓承載力計算方法，為該砌體的設(shè)計施工及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）EPS混凝土砌塊：強度等級為MU15[1]，自制。根據(jù)GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》規(guī)定，選用與墻體試件同批次、同條件養(yǎng)護28 d的MU15的EPS砌塊10塊分別試驗，測其抗壓強度，取10個抗壓強度的平均值19.21 MPa為砌塊抗壓強度代表值，記為f1。

（2）砂漿：桂林靈川歐德龍新型建材有限公司生產(chǎn)的專用砂漿，強度等級為Mb5和Mb7.5。根據(jù)JGJ/T 50081—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》規(guī)定，制作標準試塊各6塊（3塊標準養(yǎng)護28 d，3塊采用EPS砌塊為底模，并在墻體同條件狀況下養(yǎng)護28 d），開展砂漿抗壓強度測試。結(jié)果Mb5.0砂漿強度依次為9.46 MPa和7.76 MPa，Mb7.5砂漿強度依次為12.31 MPa和12.08 MPa，由此確定同養(yǎng)條件強度為砂漿強度的代表值，記為f2。

（3）混凝土梁：采用強度C30商品混凝土，4根直徑12 mm的HRB335級縱筋，φ6@150的HPB 235級箍筋，澆筑尺寸為 800 mm×240 mm×200 mm 和 750 mm×240 mm×100 mm底梁和頂梁，養(yǎng)護14 d后運至試驗室待用。

1.2 試驗設(shè)計與制作

采用MU15的EPS砌塊與Mb7.5、Mb5專用砂漿，考慮材料強度、墻體高厚比、墻體受力狀況（軸心或偏心）等影響墻體結(jié)構(gòu)受壓破壞特征、受壓承載力及變形性能的主要因素，設(shè)計3種規(guī)格6組18片墻體試件[8-9]，具體分組及參數(shù)等見表1。

表1 墻體抗壓試驗構(gòu)件參數(shù)設(shè)計

墻體制作時，先清理底梁頂面，而后用砂漿找平，接著在梁上按“一順一丁”砌筑法砌筑墻體；成墻養(yǎng)護3 d后，在墻頂做10 mm厚的砂漿找平層，再在找平層上用砂漿粘接頂梁。墻體制作中嚴格遵守GB/T 2542—2012的相關(guān)規(guī)定，并養(yǎng)護28 d后開展抗壓性能試驗。

1.3 試驗儀器

采用自帶電腦控制的YES—500型四柱壓力試驗機加載，YB-15/25型手持應(yīng)變儀測量縱橫向位移和應(yīng)變，并通過3個位移計連接RHA-ASMB2-32型靜態(tài)應(yīng)變采集箱，測試墻體1/4、1/2和3/4高度處的側(cè)向位移。試驗采用物理對中、分級加載制度。

1.4 試驗內(nèi)容

依據(jù)GB/2542—2012和GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對各墻體進行豎向荷載作用下的靜力試驗，分別測試各墻體的開裂荷載Ncr，極限荷載Nu，墻體的縱向和橫向應(yīng)變，觀測各墻體的受力過程和破壞特征。

2 試驗現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 受力過程和破壞特點

觀測6組EPS混凝土砌塊墻體抗壓破壞試驗，可以確定各組墻體加壓受力過程基本都經(jīng)歷了3個階段，即彈性階段、裂縫發(fā)展階段及破壞階段，與普通標準磚或普通混凝土砌塊墻一致。

（1）彈性階段。加載初期裂縫出現(xiàn)之前，所有構(gòu)件豎向位移很小，橫向位移及側(cè)移幾乎為0，荷載與豎向位移基本呈線性關(guān)系。

（2）裂縫出現(xiàn)及發(fā)展階段。加載至70%～75%極限荷載Nu時，聽到細微破裂聲。對軸壓構(gòu)件如w-4：首批豎向裂縫隨機出現(xiàn)在墻體正、反面灰縫處；荷載增大，裂縫增多，并由灰縫逐漸延伸入砌塊內(nèi)部；繼續(xù)加載，墻側(cè)面出現(xiàn)一條自上而下發(fā)展的明顯裂縫，而正、反面裂縫則不斷延伸、連通發(fā)展成一段段連續(xù)的、寬度較大的主裂縫（見圖1）。對偏壓構(gòu)件如w-1：首批裂縫為橫向的，出現(xiàn)在墻體頂部；荷載增大，裂縫左右延伸至墻側(cè)面；繼續(xù)加載，正面墻體底部出現(xiàn)豎向裂縫，而后變寬并向上延伸，而側(cè)面墻體頂部出現(xiàn)豎向裂縫并向下延伸，裂縫寬度變大，墻體有明顯的側(cè)移（見圖2）。

圖1 軸心受壓構(gòu)件w-4各面裂縫分布情況

圖2 偏心受壓構(gòu)件w-1各面裂縫分布情況

（3）破壞階段。加載接近Nu，墻體發(fā)出連續(xù)的開裂響聲。軸壓構(gòu)件：墻體正、反面多條細小裂縫貫通，接近平行分布整個墻面，并隨荷載增加快速變寬變長。構(gòu)件破壞時，墻體外凸，起皮，剝落，墻角處有壓碎現(xiàn)象。偏壓構(gòu)件：除上述現(xiàn)象外，還明顯出現(xiàn)荷載不變或緩慢增大，裂縫也會持續(xù)延伸、變寬的現(xiàn)象。構(gòu)件破壞時，墻體正面嚴重外鼓、起皮，豎向通縫不斷出現(xiàn)，背面則出現(xiàn)貫通橫向裂縫；左右兩側(cè)面上部壓碎、外鼓。EPS混凝土砌塊墻體破壞時壓縮變形值較同條件標準磚砌體和混凝土砌塊砌體都大，最終裂縫寬度也較它們要大（墻體受壓破壞特征見圖3）。

圖3 軸心受壓構(gòu)件w-5破壞情況

2.2 試驗結(jié)果

整個試驗過程通過壓力機自帶電腦采集數(shù)據(jù)，得到6組墻體的開裂荷載Ncr、極限荷載Nu和砌體的抗壓強度f值（見表2），繪出了荷載-位移曲線（見圖4）和墻體上、中、下位置荷載-側(cè)移曲線（見圖5）。

圖4 荷載-縱橫向位移曲線

表2 EPS混凝土砌塊墻體試驗實測數(shù)據(jù)

圖5 荷載-側(cè)移曲線

2.3 試驗結(jié)果分析

（1）EPS 混凝土砌塊墻體 Ncr為（0.70～0.75）Nu，高于普通標準磚比值（0.30～0.46）Nu和普通混凝土砌塊[9]，同時墻體破壞時裂縫數(shù)量多而密，持續(xù)發(fā)展時間長。EPS混凝土砌塊墻體的抗裂性和抵抗變形的能力優(yōu)于標準磚和普通混凝土砌塊砌體，這對結(jié)構(gòu)受力和抗震是有利的。分析上述現(xiàn)象主要與EPS混凝土砌塊組成材料的特性復(fù)合方法有關(guān)。因為該砌塊中骨料顆粒是EPS，輕且強度低，但其表面經(jīng)造殼處理后與復(fù)合膠凝材料粘結(jié)能力強[10]，同時我們在制備EPS砌塊中摻加了植物纖維，對砌體的抗折和阻裂作用是有益的[11]，因此墻體受力傳至砌塊時復(fù)合膠凝材料先受力，達到其極限強度時砌塊才開裂，不像普通混凝土砌塊在骨料與水泥的薄弱界面首先開裂，因此開裂荷載較大。裂縫出現(xiàn)后因骨料不能阻止裂縫擴展，裂縫將沿著骨料顆粒與水泥漿體的界面延伸，或穿過骨料顆粒延伸，因此分布會多而密，受力后期EPS顆粒也會裂開，裂縫持續(xù)時間長而最終寬度也會較大，EPS砌塊組成結(jié)構(gòu)及破壞截面見圖6。

（2）觀察圖4荷載-位移曲線：豎向荷載作用下墻體的縱向壓縮位移遠大于橫向拓展位移（包括側(cè)移），極限壓縮應(yīng)變大于普通粘土磚；小偏壓構(gòu)件w-1、w-3相對同等條件的軸壓構(gòu)件w-2、w-4受壓豎向位移遞增速度要快（圖4中w-1墻比w-2墻的縱向位移變化曲線陡），最終位移也大。觀察圖5荷載-側(cè)移曲線：墻中部水平側(cè)移普遍大于上部和下部的；墻開裂后側(cè)移明顯增加，偏心作用的平面?zhèn)纫拼笥谳S心作用的平面?zhèn)纫啤?/p>

（3）觀察表2實測數(shù)據(jù)，材料強度、墻體高厚比、荷載偏心距對墻體抗壓承載力、變形均有不同程度的影響。將偏壓試件w-1與w-3對比，或者將軸壓試件w-2與w-4對比，它們的砂漿由Mb5替換成Mb7.5，強度由7.76 MPa遞增到12.08 MPa，增幅56%，但墻體的Ncr值分別提高了37%和40%，Nu值分別提高了38%和41%，效果非常明顯。對比軸壓試件w-4、w-5、w-6，它們的高厚比分別為 4.125、5.96、7.79，試件的Ncr值依次為 1270.92 kN、1188.94 kN、1009.40 kN，遞減幅度分別為6.45%和20.6%，Nu值依次為1719.47 kN、1587.37 kN、1386.29 kN，遞減幅度分別為7.68%和19.37%；比較試件w-1與w-2、試件w-3與w-4，它們分別為偏壓（e/h為0.08）和軸壓構(gòu)件，結(jié)果Ncr值是軸壓構(gòu)件的高出偏壓構(gòu)件的29.70%和32.90%，Nu值高出27.69%和25.73%。

綜上分析：影響EPS砌塊墻體受壓性能的主要因素為材料強度，且材料強度對軸壓和偏心構(gòu)件的影響程度相差不大，如砂漿強度提高后，偏心受力的w-3墻相對w-1墻在Ncr及Nu的變化與軸心受力的w-4墻相對w-2墻在Ncr及Nu的變化幾乎相同；高厚比變化對墻體抗壓承載力有一定的影響，其他條件不變墻體的抗壓承載力會隨高厚比的增大而降低；偏心距的影響明顯，偏壓試件較軸壓試件的承載力低。EPS砌塊墻體同樣需要控制偏心距的大小。

圖6 EPS砌塊組成結(jié)構(gòu)及破壞截面

3 EPS砌塊墻體受壓承載力計算

根據(jù)砌體的受力和破壞特點，EPS砌塊砌體抗壓承載力計算可參照GB 50003—2011中關(guān)于無筋砌體受壓構(gòu)件承載力計算按式（1）進行。

Nu=φfA （1）式中：Nu——砌體抗壓承載力；φ——考慮墻體高厚比β和偏心距e對砌體受壓承載力的綜合影響系數(shù)；A——砌體的受壓計算面積；f為EPS砌塊砌體軸心抗壓強度。

3.1 EPS砌塊砌體抗壓強度f計算

據(jù)前期對EPS砌塊砌體的試驗研究和理論分析成果，該砌體抗壓強度f按式（2）[13]進行計算。

式中：f1——EPS混凝土砌塊強度，f2——砂漿強度。

將EPS混凝土砌塊砌體抗壓強度實測值與按式（2）計算得到的砌體抗壓強度計算值對比，并求出計算值與實測值比值見表3，由此可知該新型砌塊砌體的抗壓強度計算值與實測值比值的平均值為1.012，變異系數(shù)為0.089，計算值與試驗值吻合較好。

表3 EPS混凝土砌塊砌體抗壓強度f分析

3.2 綜合影響系數(shù)φ的計算

φ為高厚比β及偏心距е對砌體受壓承載力的綜合影響系數(shù)，仍然根據(jù)GB 50003—2011按式（3）計算：

式中：e——偏心距，h——墻厚，φ0——穩(wěn)定系數(shù)，其計算公式為φ0=1/（1+ηβ2），式中系數(shù)η反映砌體受壓變形能力對穩(wěn)定系數(shù)的影響，主要依據(jù)砂漿的強度確定，對本砌體f2＞5 MPa，η=0.0015；式中高厚比的定義式為 β=γBH0/h，γβ是考慮砌體材料對高厚比值的修正系數(shù)，根據(jù)材料特性，γβ=1.1。為此，6個試件的φ計算結(jié)果見表4。

表4 6個EPS混凝土砌塊墻體的φ系數(shù)計算結(jié)果

3.3 EPS砌塊砌體承載力的計算

按照式（2）計算EPS混凝土砌塊砌體抗壓強度f，按照式（3）計算高厚比β及偏心距е對砌體受壓承載力的綜合影響系數(shù)φ，代入式（1）計算EPS混凝土砌塊墻體受壓承載力Nu，計算結(jié)果列于表5。

表5 EPS混凝土砌塊墻體抗壓承載力分析表

將表5中的計算值與實測值對比可見，所有計算值均接近實測值，該新型砌塊砌體抗壓承載力計算值與實測值比值的平均值為0.946，變異系數(shù)為0.063，計算值與試驗值吻合較好。因此可用規(guī)范公式計算砌體抗壓承載力，式中涉及到的承載力影響因子高厚比β、穩(wěn)定系數(shù)φ0、承載力綜合影響系數(shù)φ均可采用規(guī)范提供的計算式，但砌體的抗壓強度應(yīng)采用課題組研究成果式（2）計算之[13]。

4 結(jié)論

（1）EPS混凝土砌塊墻體在整個受壓過程中大致分為3個階段：彈性階段、裂縫出現(xiàn)和發(fā)展階段、破壞階段，基本與普通標準磚和混凝土砌塊墻體的受壓過程相似。但EPS混凝土砌塊墻體每階段經(jīng)歷的時間與普通標準磚和混凝土砌塊墻體有差異，EPS混凝土砌塊墻體從加載到開裂及開裂至破壞的時間相對要長，最終裂縫數(shù)量要多、裂縫寬度及變形相對也大。

（2）EPS混凝土砌塊墻體受壓的Ncr值為Nu值的70%～75%，即該EPS混凝土砌塊墻體的開裂荷載要高于普通標準磚和混凝土砌塊，EPS混凝土砌塊墻體的抗裂性能和抗變形也優(yōu)于普通標準磚和混凝土砌塊墻體。

（3）EPS混凝土砌塊墻體受壓承載力計算可按 GB 50003—2011提供的公式計算，包括公式中的穩(wěn)定系數(shù)φ0、承載力綜合影響系數(shù)φ的公式，但EPS砌塊砌體的抗壓強度的計算則應(yīng)按課題組研究提供的式（2）進行。

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