一种新型空心砌块砌体的基本力学性能试验研究*

陈鹏 李梦辉 朱朔

1.天津城建大学土木工程学院 300384

2.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室 300384

引言

混凝土小型空心砌块在我国建筑领域应用广泛，与普通黏土砖相比具有自重较轻、施工效率高、热工性能好等优点，且有助于节能减排［1-3］。然而空心砌块孔洞率大，与水平砂浆层的粘结面积小，故空心砌块砌体抗剪强度较低，且水平荷载作用下通常在水平灰缝处出现剪切破坏，因此普通空心砌块砌体结构的抗震性能较差。

国内外学者针对混凝土小型空心砌块墙体抗震性能进行了一系列研究，研究结果表明，在空心砌块墙体的适当位置设置圈梁、构造柱和芯柱，从而形成约束空心砌块砌体的做法在一定程度上提高了墙体的受剪承载力，从宏观上改善了墙体整体性能和抗震性能［1-6］。但从微观角度来看，空心砌块砌体抗剪能力仍由空心砌块与砂浆的粘结性能决定。因此为提高空心砌块与砂浆层的粘结性能，专家学者也开展了一系列研究。如通过在砌块局部空洞中浇灌混凝土的方式形成灌孔砌体，其抗剪强度将大幅提高［7-9］，但灌孔的同时砌体自重也会大幅增加。因此灌孔砌体往往仅用于局部重点位置如梁端支撑处、地面以下或防潮层以下的墙体等。再如，基于几何联锁互卡机制形成新型无砂浆空心砌块砌体，具有连接可靠、砌筑快速、墙体整体性能好的特点［10-12］，但因为块材之间缺乏砂浆的粘结，墙体的密闭性会受到明显影响。此外，砌体砌筑过程中，可通过在空心砌块的孔洞中设置销键或预制抗剪混凝土块的方法提高块材和砂浆间的粘结性能，进而提高砌体抗剪能力［13-15］，但因为需单独制作销键或混凝土预制块，所以施工较繁琐。

本文在文献［13-15］基础上，提出一种新型空心砌块，即砌块空腔内填入保温材料，并利用保温材料表面与空心砌块表面的高差形成预留凹槽。采用该新型空心砌块用常规方法砌筑的墙体，可形成带键齿的水平灰缝，如图1所示。水平荷载作用下，键齿与砌块相互咬合，所产生的销栓力可有效提高砌体抗剪强度。本文进行了新型空心砌块的抗剪强度和抗压强度试验，以检验该新型空心砌块砌体的基本力学性能。

图1 新型空心砌块砌体示意Fig.1 Schematic diagram of a new hollow block masonry

1 试验概况

试件采用MU7.5级混凝土小型空心砌块砌筑，主砌块尺寸390mm×190mm×190mm，孔洞率50%，辅砌块尺寸190mm×190mm，孔洞率47%，砌块孔洞内填塞入泡沫块并预留凹槽，从而形成新型空心砌块。砌筑砂浆强度为Mb7.5，砌筑时首先在铺浆面上均匀摊铺水平砂浆层，砂浆自然流入铺浆面新型空心砌块的预留凹槽内形成键齿，从而使水平灰缝铺浆面一侧呈锯齿状；将新一皮新型空心砌块放置于铺浆面上时，部分砂浆向上侵入到坐浆面的预留凹槽内形成销键，从而使水平砂浆层坐浆面一侧呈锯齿状。为研究键齿数量对砌体基本力学性能的影响，本文考虑了三种键齿率（或称泡沫填充率），分别为50%、75%和100%，以抗剪试件为例，键齿率示意如图2所示。

图2 不同键齿率的抗剪试件示意Fig.2 Schematic diagram of shear specimens with different keyway ratio

同类别、同强度等级砂浆或同一对比组的试件，均由一名具有中等技术水平的瓦工采用分层流水作业法砌筑，抗剪和抗压试件均砌筑在涂有机油隔离层的钢垫板上。砌筑过程中随时检测和控制试件的垂直度和平整度。试件砌筑完毕后，在其顶部用10mm厚的1∶3水泥砂浆找平，上铺玻璃板，玻璃板顶部再平压一皮砌块，平压时间为14d，室内养护28d。

2 抗剪强度试验

2.1 试件设计与制作

共设计制作了6组抗剪试件，基本情况见表1，每组6个试件。本试验以键齿率和凹槽深度为变量，探索带键齿的新型空心砌块砌体抗剪性能，以及键齿率和凹槽深度对砌体抗剪强度的影响规律。

表1 抗剪试件基本情况Tab.1 Basic information of shear specimens

抗剪试件为三皮砌块砌成的双剪试件，试件的两个窄侧面上分别做出两个承压面和一个加载面，承压面和加载面应垂直于水平灰缝且垂直平整度误差控制在3mm以内。三皮砌块的竖向中线上分别安装位移计，用以量测试件的剪切变形。将块材视为刚体，认为剪切变形集中在灰缝处，剪应变即约为量测得到的剪切变形与灰缝厚度（10mm）的比值。抗剪试件及位移量测仪器布置情况如图3a所示。

2.2 试验装置和加载制度

在20000kN电液伺服试验机加荷架下，采用500kN液压千斤顶手动加载进行抗剪试验，加载装置如图3b所示。抗剪试件放置于试验机平台，试件顶部湿砂找平，上铺厚度为30mm的钢板，千斤顶上顶力传感器靠近试验机加载钢板。试件放置妥当后连接应变片、位移计与采集装置之间的导线。

图3 抗剪试件及试验装置Fig.3 Shear specimen and test device

采用匀速连续加荷方法，避免冲击试件，加荷速度按试件在1min～3min内破坏控制，当有一个受剪面被剪坏，即认为试件破坏。

2.3 试件破坏形态

根据试验结果，将试件受剪破坏形态分为五类，即破坏形态Ⅰ～Ⅴ［16］，各类破坏现象见表2，破坏情况如图4所示。

表2 剪切破坏形态分类及其破坏特征Tab.2 Classification of shear failure modes and failure characteristics

图4 典型抗剪试件的剪切破坏形态Fig.4 Shear failure modes of typical shear specimens

对比试件组SB中，由于空心砌块与砂浆层的接触面较小，所产生的粘结力较小，因此破坏大多属于破坏形态Ⅰ，当水平砂浆层质量较好时也会发生破坏形态Ⅱ。有键齿试件中，由于水平荷载作用下键齿与砌块相互咬合产生的销栓力有效提高了砂浆与砌块间的粘结性能，剪切破坏时键齿和水平灰缝破损明显，某些试件中的砌块也发生局部破损，因此属于破坏形态Ⅲ-Ⅴ。根据试验结果，认为绝大多数有键齿试件的破坏属于键齿及砌块肋壁均破损的破坏形态Ⅴ。

2.4 试验结果及分析

试验结果数据见表3，典型试件的剪应力-剪应变关系对比见图5。表3中，试件沿通缝截面的抗剪强度fv0，t＝Nv/（2A），式中Nv为试件破坏荷载，取试验中记录的第一个水平荷载峰值点，即一个剪切面发生破坏时达到的水平荷载值；A为试件一个受剪面面积。fv0，m为一组试件的抗剪强度平均值。

图5中提及的典型试件为各试件组中与本组平均实验数据最相近者，同时能明显体现本组剪应力和剪应变分布特点的试件。由表3和图5可以看出：

（1）与普通空心砌块砌体相比，有键齿的新型空心砌块砌体的抗剪强度得到大幅度提高。100%键齿率10mm凹槽深度的试件组SNB1-10抗剪强度提高了163.4%，100%键齿率20mm凹槽深度的试件组SNB1-20提高了126.8%，100%键齿率30mm凹槽深度的试件组SNB1-30提高了156.1%，75%键齿率20mm凹槽深度的试件组SNB2-20提高了92.7%，50%键齿率20mm凹槽深度的试件组SNB3-20提高了80.5%。以上数据表明，键齿率对砌体抗剪强度的影响程度大于凹槽深度，100%键齿率试件的抗剪性能最佳。主要原因是，新型空心砌块的凹槽深度越大，砌筑时坐浆面键齿（销键）的质量越不易保证，因此对抗剪强度贡献的优势不能明显体现；同时凹槽深度较大试件组的试验数据离散性也较大，试件力学性能不稳定，因此通过降低键齿率同时增大凹槽深度的做法并不能有效提高抗剪强度。

（2）由图5可知，无键齿试件组SB的剪应力-剪应变曲线上有两个波峰，第一个波峰出现在一个剪切面破坏时，第二个波峰出现在另一个剪切面破坏时，两个峰值的间隔及数据差别均不大。有键齿试件的剪应力-剪应变曲线上也有两个波峰，与75%和50%键齿率试件组相比，100%键齿率试件组在第一个波峰出现后，曲线再度回升，第二个峰值点可以超越第一个峰值点，说明其后期抗剪承载性能更好。

（3）由图5可知，与无键齿试件组相比，有键齿试件的剪应变显著增大，剪切破坏的脆性性质得到大幅度改善。

另外需要说明的是，本文中新型空心砌块砌体试件制作时，为最大限度贴近实际施工条件，选择了如前述的常规砌块砌筑方法，因此只在铺浆面形成有效键齿，坐浆面则仅由于水平砂浆层向上皮砌块侵入而形成一定销键作用，所以坐浆面销键的形成质量具有一定不可预见性，进而造成各试件抗剪强度的差异以及实验数据的离散。若严格施工条件，保证铺浆面和坐浆面均形成有效键齿，则砌体抗剪强度将有更显著的提高且更稳定。

3 抗压强度试验

3.1 试件设计与制作

共设计制作了四组抗压试件，基本情况见表4，每组3个试件。试件尺寸（长×宽×高）为600mm×190mm×1000mm，高厚比约5.3。试件正反面宽侧面的水平中线上分别安装两个位移计，用以量测试件的横向变形，测点间的距离为400mm；试件正反面宽侧面的竖向中线上分别安装两个位移计，用以量测试件的竖向变形，测点间的距离为400mm。抗压试件及位移量测仪器布置情况如图6所示。

图6 抗压试件及量测仪器布置Fig.6 Compressive specimens and Layout of measuring instruments

3.2 加载装置和加载制度

抗压试验加载装置如图7所示。根据《砌体基本力学性能试验方法标准》（GB/T50129—2011），试验采用几何对中、分级施加荷载方法，预估破坏荷载约187kN。试验时，先对试件施加预估破坏荷载的5%（10kN）预压3～5次，检查仪表的灵敏性和安装的牢固性；正式加载时，每级荷载为预估破坏荷载的10%（20kN），在1min～1.5min内施加完毕，并持荷1min～2min；加载至预估破坏荷载的50%（95kN）后，每级荷载减小至预估破坏荷载值的5%（10kN）；当试件出现第一条受力裂缝后，每级荷载恢复到20kN，直至试件破坏；当力传感器的读数明显回退时，视该试件丧失承载能力，最大荷载读数即该试件的破坏荷载值。

图7 抗压试验装置Fig.7 Compression test device

3.3 试验现象

有键齿的新型空心砌块砌体与普通混凝土空心砌块砌体具有相似的抗压试验现象，其破坏过程大致分为三个阶段。第一阶段为个别砌块开裂，约为极限抗压强度的60%～75%。键齿率越高，初裂缝出现越早，说明键齿与砂浆层共同作用对砌体开裂产生影响；第二阶段为形成上下贯通几皮砌块的连续裂缝，约为极限抗压强度的85%～90%；第三阶段为形成连续的竖向贯通裂缝，即沿试件顶部竖向灰缝向下的贯通裂缝，以及从试件顶部主砌块中部向下延伸的贯通裂缝，两条裂缝将试件大致劈裂成三个小立柱，最终小立柱失稳，试件丧失承载能力。试验过程中，试件窄侧面砌块有被压酥现象。

总体来讲，无键齿的普通空心砌块砌体和100%键齿率砌体的受压性能及破坏过程较稳定，而50%键齿率试件在试验结束时出现了严重压溃情况。典型抗压试件的破坏情况如图8所示。

图8 典型试件的最终破坏情况Fig.8 Failure of typical specimens

3.4抗压试验结果及分析

各试件的抗压强度试验结果数据见表5，典型试件的受压应力-应变关系如图9所示。

图9 典型试件的应力-应变关系Fig.9 Comparison of stress-strain of typical specimens

表5 新型空心砌块砌体的抗压强度试验结果Tab.5 Experimental results of compressive strength of new type hollow block masonry

（1）由表5可以看出，与普通空心砌块砌体相比，带键齿的新型空心砌块砌体的抗压强度并未得到明显提高；虽然CNB2-10组试件的抗压强度值有所提升，但数据离散性大；CNB1-10组和CNB1-20组试件的抗压强度数据离散性相对较小，表明100%键齿率试件受压性能较稳定，且凹槽深度较大者抗压强度较高。

（2）由图9a可以看出，因为键齿对砌体的竖向约束作用，新型空心砌块砌体试件的竖向应变均比普通试件小，即刚度提高；100%键齿率的试件CNB1-20-2和50%键齿率的试件CNB2-10-3不仅刚度提高，抗压强度也提高，但试件组CNB2-10的离散性较大。

（3）由图9b可以看出，因为键齿对砌体的横向被动约束作用，新型空心砌块砌体试件的横向应变均比普通试件小。

4 结论

1.普通空心砌块砌体的剪切破坏属于粘结破坏，破坏或发生于坐浆面（砂浆层完好，即砂浆层不参与工作），或铺浆面及坐浆面均破坏（砂浆层断裂，即砂浆层参与工作），抗剪强度低；而新型空心砌块砌体发生剪切破坏时，铺浆面键齿发生或轻微或严重的破损，部分砌块肋壁在键齿的作用下出现明显开裂，说明键齿及砌块肋壁参与了砌体抗剪并发挥明显作用，与普通空心砌块砌体相比，其抗剪强度提高了80.5%～163.4%。

2.凹槽深度一定时，100%键齿率试件的抗剪强度最高，且力学性能更稳定，后期受剪承载力更有保证；凹槽深度增大，坐浆面键齿（销键）质量不易保证，即键齿作用不会随之增大，所以键齿率一定时，凹槽深度对抗剪强度的影响不明显。

3.新型空心砌块砌体的抗压强度有所提高但不是很明显，而键齿的存在则使试件整体性能得到改善，刚度增大。

4.结合新型空心砌块砌体抗剪及抗压强度试验及分析结果，认为100%键齿率和10mm～20mm凹槽深度是最稳定和最优的新型空心砌块砌体施工技术参数，相应砌体的综合力学性能最佳。