趙文蘭，王剛，姚志斌，姚瑞

（鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

自21世紀以來，黏土磚已經(jīng)逐步退出了歷史舞臺，取而代之的是滿足節(jié)能、減排、利廢的各種新型墻體材料。農(nóng)作物秸稈磚是將秸稈細化后加入到混凝土中經(jīng)攪拌、壓制、脫模和養(yǎng)護而制成的新型墻體材料。農(nóng)作物秸稈是一種可再生資源，儲量豐富，價格低廉，保溫隔熱性能良好。農(nóng)作物秸稈墻體材料的研究開發(fā)，不僅緩解了我國墻體材料原料短缺的現(xiàn)狀，而且可以推動我國墻材發(fā)展，促進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改革。它在工程上的應用一直受到限制，主要是因為其大多仍延用傳統(tǒng)燒結(jié)磚的施工方法，忽視了這種磚與燒結(jié)磚性能的不同。例如農(nóng)作物秸稈磚與砂漿的粘結(jié)強度小于傳統(tǒng)燒結(jié)磚，收縮變形量較大，這都會導致墻體出現(xiàn)裂縫[1]，從而影響建筑物的耐久性及適用性，阻礙環(huán)保節(jié)能型住宅的推廣應用。因此對農(nóng)作物秸稈磚砌體進行收縮性能試驗研究是十分有必要的。

引起農(nóng)作物秸稈磚墻體收縮變形的因素有很多，主要有組成材料的特性、砌體沉縮變形、構(gòu)造不合理以及溫度等條件的影響。本文主要討論齡期、砂漿強度和約束條件對砌體干燥收縮的影響。

1 試驗

本試驗采用河南省某磚廠生產(chǎn)的同一批農(nóng)作物秸稈磚，尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，實測抗壓強度為3.6 MPa，抗折強度為1.34 MPa，自然養(yǎng)護條件下最大收縮率平均值為0.418 m/m，20 d左右收縮漸趨穩(wěn)定。農(nóng)作物秸稈磚砌體墻干燥收縮試驗的墻片類型、使用的砂漿強度、養(yǎng)護條件、約束條件及幾何尺寸的設計方案見表1。

表1 農(nóng)作物秸稈磚砌體收縮試驗方案設計

本試驗主要以齡期、砂漿強度和約束條件作為變化參數(shù)。為了使試驗接近工程實際，試驗墻片均采用自然養(yǎng)護條件，均為無面層清水墻，砌筑均參考GB 50203—2015《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的要求。為了保證WⅠ-1和WⅠ-3的無約束狀態(tài)，WⅡ-2和WⅡ-4為直接在地面上攤鋪砂漿砌筑的墻片。

試驗在農(nóng)作物秸稈磚側(cè)面布置4排測點，每排測點有5個鋼筋測頭，每2個鋼筋測頭的中間位置處為1個測點，貼上應變片，測頭兩側(cè)貼玻璃片，在墻片最底端，從左向右為1～4測點，依次往上分別為5～8測點、9～12測點、13～16測點。在試驗期間，用外徑千分尺來測量測頭兩側(cè)玻璃片間距離的變化值作為收縮值，精度為 0.001 mm。試驗墻體及測點布置見圖1。

圖1 試驗墻體及測點布置

2 農(nóng)作物秸稈磚砌體收縮影響因素分析

2.1 齡期的影響

在溫度為（20±5）℃，相對濕度為（60±5）%的自然養(yǎng)護環(huán)境下，各墻片所有測點42 d的平均收縮率曲線如圖2所示。

圖2 各墻片所有測點平均收縮率曲線

由圖2可以看出：

（1）齡期對農(nóng)作物秸稈磚砌體墻的干燥收縮有較大的影響，第1～13d各墻片收縮呈大幅上升趨勢，WⅠ-3墻片的收縮率平均值達到了0.102 mm/m；之后逐漸變得緩慢，到15 d以后基本穩(wěn)定，后期墻體收縮率雖仍有波動，但大致已趨于穩(wěn)定。

（2）無論是否存在約束條件，M7.5混合砂漿砌筑墻片的平均收縮率均大于由M5混合砂漿砌筑的墻片。說明砂漿強度是影響墻體收縮的原因之一，砂漿強度越高，墻體收縮率越大；反之，收縮率越小。農(nóng)作物秸稈磚砌體在15 d左右收縮漸趨穩(wěn)定，比農(nóng)作物秸稈磚本身的收縮穩(wěn)定時間20 d要短。

2.2 砂漿強度的影響

砂漿收縮試驗參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行，通過測試2種不同強度等級的砂漿試塊在1～100 d齡期的干燥收縮性能，分析砂漿齡期、強度等因素對混合砂漿收縮性能的影響。圖3為自然養(yǎng)護條件下M5和M7.5砂漿的平均收縮率曲線。

圖3 自然養(yǎng)護條件下M5和M7.5砂漿的平均收縮率曲線

對比圖2和圖3，砌體穩(wěn)定后收縮率平均值與農(nóng)作物秸稈磚收縮率最大值0.418 mm/m、混合砂漿收縮率最大值M5的0.568 mm/m和M7.5的0.760 mm/m相比都小得多。主要原因是砌體干燥收縮是由磚和砂漿共同決定的[2]，在砌筑時，農(nóng)作物秸稈磚不斷吸收砂漿中的水分導致灰縫不可能100%飽滿，部分的收縮變形會被有缺陷的灰縫釋放，另外，由于砌筑采用的農(nóng)作物秸稈磚齡期超過28 d，其收縮變形已經(jīng)大部分完成，砌筑后的磚很少隨齡期變形。因此，為了防止農(nóng)作物秸稈磚墻體開裂，要嚴格控制農(nóng)作物秸稈磚上墻齡期以及砂漿用水量[3]。

2.3 高度和約束條件的影響

WⅡ-2、WⅡ-4墻片各排測點的平均收縮率曲線分別見圖 4、圖 5。

由圖4、圖5可知，WⅡ-2和WⅡ-4墻片的1～4測點、5～8測點、9～12測點和13～16測點穩(wěn)定后的收縮率平均值依次增大。因此，距離地面越高的地方，墻體受到的約束越小，墻體收縮值就越大；反之，收縮值就越小。

圖4 WⅡ-2墻片各排測點平均收縮率曲線

圖5 WⅡ-4墻片各排測點平均收縮率曲線

圖6為各墻片13～16測點的42 d平均收縮率曲線。

圖6 各墻片13～16測點平均收縮曲線率

由圖6可知，各墻片13～16測點收縮趨勢與各墻片的整體收縮趨勢相似。但各墻片13～16測點收縮率比平均收縮率要大，因最上排測點距離地面最高，受到的約束小，收縮率較大。

對于沒有門窗的整體墻體，有時會在墻面的中部出現(xiàn)豎向裂縫[4]。這是由于墻體邊緣受到其他墻體或樓板的約束，而中間部位受到的約束力較小，干燥變形較大。當這種干燥收縮應力超過砌體墻體的抗拉或抗剪極限強度時，就會出現(xiàn)墻體裂縫[5]。針對這種情況，建議砌筑時在墻體中部增設一道水平鋼筋混凝土加強帶，能有效減少墻體開裂。

3 農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)砌體自由干燥收縮率估算公式

由于影響農(nóng)作物秸稈磚砌體收縮的影響因素眾多，本文主要考慮了齡期、砂漿強度的影響。本文僅對無約束條件下農(nóng)作物秸稈磚砌體的干燥收縮率公式進行估算。為了減少由于試驗無約束條件的不理想，僅取無約束條件墻片最上2排測點作為試驗點。

圖7為無約束條件下9～12測點和13～16測點的平均收縮率曲線。

圖7 無約束條件下9～12和13～16測點的平均收縮率曲線

由圖7可知，自然養(yǎng)護條件下收縮率曲線主要分為1～18 d齡期和18d以后齡期兩個階段：第一階段的主要影響因素是齡期，第二階段的主要影響因素是環(huán)境相對濕度。因此，本文分兩段估算農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率公式。

3.1 M5混合砂漿砌筑砌體的自由干燥收縮率估算公式

第一階段估算公式：

式中：t——齡期，d，1＜t＜18；

ε1（t）——第一階段農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率，mm/m。

第二階段主要考慮相對濕度的影響，本文以18～42 d齡期平均值作為基準方程，以平均值與試驗值的比值作為因變量，以與之相對應的相對濕度作為自變量，回歸相對濕度影響系數(shù)β。第二階段估算公式：

式中：RH——環(huán)境相對濕度，%；

ε2（t）——第二階段農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率，mm/m。

農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率可用式（5）表示：

因此：

按照式（5），M5砂漿砌筑農(nóng)作物秸稈磚砌體不同齡期的自由干燥收縮估算值及其與試驗值的比較見圖8。

圖8 M5砂漿砌筑農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮試驗值與估算值

表2是WⅠ-1墻片測點的估算值與試驗值比較。

表2 WⅠ-1墻片測點的估算值與試驗值比較

由表2可知，自然養(yǎng)護條件下農(nóng)作物秸稈磚砌體自由干燥收縮率估算值與試驗值比值的平均值接近于1，標準差與變異系數(shù)均較小，按式（5）估算值與試驗值符合較好。

3.2 M7.5混合砂漿砌筑砌體的自由干燥收縮率估算公式

第一階段估算公式：

第二階段主要考慮相對濕度的影響，本文以18～42 d齡期平均值作為基準方程，以平均值與試驗值的比值作為因變量，以與之相對應的相對濕度作為自變量，回歸相對濕度影響系數(shù)。第二階段估算公式：

因此：

農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮率可用式（10）表示：

按照式（10），M7.5砂漿砌筑農(nóng)作物秸稈磚砌體不同齡期的自由干燥收縮估算值及其與試驗值的比較見圖9。

圖9 M7.5砂漿砌筑農(nóng)作物秸稈磚砌體的自由干燥收縮試驗值與估算值

表3是WⅠ-3墻片測點的估算值與試驗值比較。

表3 WⅠ-3墻片測點的估算值與試驗值比較

由表3可以看出，自然養(yǎng)護條件下農(nóng)作物秸稈磚砌體自由干燥收縮率估算值與試驗值比值的平均值接近于1，標準差與變異系數(shù)均較小，可以認定，按式（10）估算值與試驗值符合較好。

4 結(jié)論

（1）本文主要考慮了砂漿強度、齡期及約束條件對混凝土多孔磚砌體收縮的影響，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到M5和M7.5混合砂漿砌筑的農(nóng)作物秸稈磚砌體收縮率估算公式。

（2）農(nóng)作物秸稈磚砌體的早期收縮較快，到15 d左右漸趨穩(wěn)定，在工程應用中應適當延長農(nóng)作物秸稈磚上墻時的齡期，保證施工時磚的收縮能基本完成，有效地控制減小砌體墻收縮變形。

（3）砌筑砂漿強度對墻體收縮有一定的影響，砂漿強度越高，墻體收縮值越大，砂漿強度對砌體收縮率的影響小于對砂漿本身收縮率影響。

（4）無約束墻片的平均收縮率都大于有約束墻片的平均收縮率，距離地面越高的地方，墻體受到的約束越小，墻體收縮率就越大；反之，收縮率就越小。