蒸壓加氣混凝土制品抗壓強度試驗研究

蒸壓加氣混凝土制品抗壓強度試驗研究

1性能差,影響建筑結(jié)構(gòu)由于其良好的隔熱和抗熱性，蒸壓混凝土產(chǎn)品已成為實現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)的理想建筑材料。它可以在中國不同的天氣條件下實現(xiàn)自己的“單一材料”自炎系統(tǒng)。這是結(jié)構(gòu)和多層建筑支撐墻和房屋的首選材料。它特別是在未來村莊的節(jié)能建筑中發(fā)揮主導(dǎo)作用。但是,近年來的工程實踐表明,由于蒸壓加氣混凝土原材料配比不盡合理、設(shè)備和生產(chǎn)工藝落后、制品應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)不完善等原因,墻體飾面掉皮、局部凍傷和抹灰層空鼓等質(zhì)量問題時有發(fā)生,尤其是不同程度的墻體裂縫現(xiàn)象司空見慣,輕者影響墻體熱工性能和建筑的使用功能,重者將危及建筑結(jié)構(gòu)的安全,制約著蒸壓加氣混凝土的推廣和應(yīng)用。為此,本文針對蒸壓加氣混凝土制品在工程應(yīng)用中存在的問題開展了試驗研究,其研究成果為編制CECS289:2011《蒸壓加氣混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱本《規(guī)范》)提供了技術(shù)支撐。2外墻加熱性能表1和表2分別是GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ26《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對不同氣候地區(qū)公共建筑和居住建筑外墻熱工性能的要求。表3和表4分別為不同蒸壓加氣混凝土密度等級、不同砌塊墻體厚度以及不同砌筑灰縫厚度墻體的平均傳熱系數(shù)。由上述建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對建筑外墻熱工性能的要求和蒸壓加氣混凝土砌塊墻體的熱工指標(biāo)比較可以看出,加氣混凝土砌塊墻體不僅滿足一般氣候條件下建筑外墻節(jié)能的需要,而且可以滿足寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)建筑外墻節(jié)能的要求。由此可見,加氣混凝土制品是目前墻體材料中唯一無需復(fù)合就可以滿足我國各地區(qū)建筑外墻節(jié)能要求的墻體材料。另外,加氣混凝土砌塊墻體的熱工性能與砌筑砂漿灰縫厚度有關(guān),因此,采用與加氣混凝土砌塊保溫性能相匹配的砌筑砂漿或減小砌筑灰縫厚度,將會提高墻體的熱工性能。減小砌筑灰縫的前提條件是必須降低砌塊外形尺寸的誤差。3指蒸壓混凝土砌塊的機械性能指標(biāo)3.1江蘇江蘇省某企業(yè)試驗采用的的蒸壓加氣混凝土砌塊分別來源于北京金隅集團和江蘇南通某企業(yè)。按照GB11971《加氣混凝土力學(xué)性能試驗方法》規(guī)定的試驗方法,制作邊長為100mm的立方體試件,分別進行了抗壓強度和劈拉強度試驗。3.1.1單位試件試驗北京金隅集團的砌塊,共做了4組12個試件;江蘇南通砌塊,共做了3組9個試件。分兩批試驗完成。兩個單位試件抗壓強度實測平均值分別為5.10MPa、5.03MPa。試驗及試件破壞情況見圖1。3.1.2江蘇單位試件概況北京金隅集團的砌塊,共做了4組12個試件;江蘇南通砌塊,共做了3組9個試件。兩個單位試件劈拉強度實測平均值分別為0.59MPa、0.53MPa。試驗及試件破壞情況見圖2。3.2混凝土強度計算公式目前,關(guān)于蒸壓加氣混凝土強度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的取值有兩種不同意見:一是按公式(1)計算,二是借鑒混凝土強度指標(biāo)取值方法?？紤]試件與實際結(jié)構(gòu)構(gòu)件的諸多差異,取試件強度修正系數(shù)0.88,即按公式(2)計算。蒸壓加氣混凝土抗壓、劈拉強度指標(biāo)和劈壓比見表5。式中:fk—強度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值(MPa);fm—實測強度平均值(MPa);σ—標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)。試驗結(jié)果分別按公式(1)和公式(2)計算標(biāo)準(zhǔn)值,公式(2)的計算結(jié)果比公式(1)的計算結(jié)果小15%左右。表5中兩個不同企業(yè)所生產(chǎn)加氣混凝土制品的抗壓和抗拉強度試驗值的變異系數(shù)分別為0.158、0.193。加氣混凝土標(biāo)準(zhǔn)值如何取值有待商榷。本《規(guī)范》蒸壓加氣混凝土砌塊強度按公式(3)計算。4加壓混凝土填充砌體試件試驗采用的蒸壓加氣混凝土砌塊分別來自北京金隅集團和江蘇南通某企業(yè),加氣混凝土砌塊砌體試件按JGJ/T17《蒸壓加氣混凝土建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》所規(guī)定的方法試驗。4.1抗壓強度4.1.1抗壓承載力抗壓強度砌體抗壓強度試驗共進行了5組30個試驗,試件設(shè)計見表6,試驗結(jié)果見表7。由表7試驗結(jié)果可以看出,試件的砌筑方式對砌體抗壓強度影響不大,說明水平灰縫中鋼筋或纖維無助于提高砌體抗壓強度,專用砂漿對提高砌體抗壓強度有一定作用。但是,在砌體灰縫中配鋼筋或纖維(試件KY-PG、KY-PX),可以明顯提高抗壓砌體的開裂荷載,比試件KY-P提高約24%。專用砂漿對提高抗壓砌體的開裂荷載有一定影響,比試件KY-P提高約10%。圖3、圖4為部分破壞情況,圖5、圖6為部分試件實測應(yīng)力-應(yīng)變曲線。4.1.2本試驗結(jié)果的變異系數(shù)JGJ/T17《蒸壓加氣混凝土建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,當(dāng)砂漿強度等級為M5.0時,砌體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為fk=0.65fck。由表7試驗結(jié)果可知,30個試件的變異系數(shù)為0.155,砌塊強度的平均利用率約為73%。盡管試驗結(jié)果的變異系數(shù)小于規(guī)程取值(0.17),砌塊強度的平均利用率大于65%。但考慮到本次試件數(shù)量較少,砌塊強度的平均利用率不宜取值過大,建議仍按JGJ/T17《蒸壓加氣混凝土建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定取值。4.2材料分值的確定蒸壓加氣混凝土砌塊砌體材料分項系數(shù)如何取值問題是亟待解決的問題。編制JGJ/T17-84《蒸壓加氣混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》時,考慮到加氣混凝土在我國使用的時間短,缺乏長期的應(yīng)用資料,砌塊施工中易損壞等原因,取安全系數(shù)為K=3,而GBJ3-73《磚石結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取安全系數(shù)為K=2.3。為了探討加氣混凝土砌塊砌體材料分項系數(shù)的取值,以折算安全系數(shù)評價可靠度水平。根據(jù)砌體承載力計算公式(5)可推得折算安全系計算公式(6)。取不同荷載比值ρ及材料分項系數(shù)γf,由公式(6)求得折算安全系數(shù),計算結(jié)果見表8。設(shè)平均荷載系數(shù):式中:ρ─可變荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值與永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的比值,ρ=SQ/SG。承載力計算公式:折算安全系數(shù):由表8折算安全系數(shù)與材料性能分項系數(shù)的分析結(jié)果可以看出,對于給定的砌體抗壓強度變異系數(shù)0.17、荷載比值ρ及荷載分項系數(shù)的條件下,當(dāng)取材料分項系數(shù)γf=1.6時,折算安全系數(shù)均小于3,當(dāng)取材料分項系數(shù)γf=1.8時,折算安全系數(shù)均大于3。另外,鑒于蒸壓加氣混凝土制品質(zhì)量、配套材料及應(yīng)用技術(shù)等今非昔比,加氣混凝土砌塊砌體與其他砌體應(yīng)具有相同可靠性及適當(dāng)提高砌體結(jié)構(gòu)可靠度的原則,綜合考慮,并為協(xié)調(diào)本《規(guī)范》與JGJ/T17《蒸壓加氣混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》砌體構(gòu)件承載力計算差異,材料分項系數(shù)取γf=1.9。4.3砂漿強度對特征參數(shù)的影響砌體通縫抗剪強度試驗共進行6組45個試件的試驗,試件設(shè)計見表9,試驗結(jié)果見表10。由表9試驗結(jié)果可以看出,試件的砌筑砂漿的種類及強度對砌體通縫抗剪強度影響較大。普通砂漿砌筑試件KJ-P的砂漿強度較高,為10.6MPa,但由于其砂漿粘結(jié)力較差,使得通縫抗剪強度較低,結(jié)果離散性較大;試件JQKJ砂漿強度最低,但是由于專用砂漿的粘結(jié)力較好,使得其抗剪強度為普通砂漿的2.9倍;試件KJ-Z-BJ砂漿強度最大,其通縫抗剪強度也最大,是試件KJ-P的5.3倍;試件KJ-Z-LZ的通縫抗剪強度在專用砂漿砌筑試件中是最低的,僅為普通砂漿砌筑試件KJ-P的1.2倍。圖7、圖8為普通砂漿和專用砂漿砌筑試件的破壞情況。5混凝土砌塊的抗疲勞性能5.1試驗設(shè)備和試驗方案的設(shè)計5.1.1墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計加氣混凝土砌塊墻體抗震性能試驗共進行10片試件的試驗。其中,采用江蘇蒸壓加氣混凝土砌塊砌筑墻4片,設(shè)計尺寸為1210mm×1230mm×200mm,墻頂混凝土壓梁高300mm;采用北京蒸壓加氣混凝土砌塊砌筑墻6片,設(shè)計尺寸為1210mm×1290mm×240mm,墻頂混凝土壓梁高250mm。耐堿玻璃纖維每米寬可承受30kN拉力。墻片基本參數(shù)見表11,試件見圖9。5.1.2無砂膠結(jié)充填試件根據(jù)GBJ129-90《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,墻體在制作過程中,所有試件由同一名中等技術(shù)水平的瓦工師傅砌筑,砌筑砂漿要攪拌均勻,盡可能減少砂漿和人工的差異對試件強度的影響。砌塊與砂漿粘結(jié)后用橡皮錘敲擊砌塊,力求灰縫平整、密實、飽滿,以減少砌筑對試件質(zhì)量的影響。5.1.3加載水平加載試驗采用沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室的四連桿機構(gòu)加載裝置。平行四連桿機構(gòu)能夠保證在水平力作用下,試件頂面只發(fā)生平動而不發(fā)生轉(zhuǎn)動,能有效地阻止墻體的整體轉(zhuǎn)動,使墻體受力狀態(tài)接近于實際地震時的受力狀態(tài)。采用250kN的MTS施加水平低周往復(fù)荷載。采用液壓千斤頂來施加豎向荷載。千斤頂與L形梁間布置有滑板裝置,可減小L形梁與千斤頂?shù)乃侥Σ?。在墻體頂梁中部布置位移計,以量測在加載過程中墻體的水平位移。位移計架設(shè)要求水平并垂直于頂梁截面。位移計的支架固定在底梁上,保證所測位移是墻頂梁與底梁的相對位移。位移計連接到FX-346數(shù)據(jù)采集儀上,由計算機自動采集,平均每秒采集一次。試驗墻體所受的豎向壓力大小可以從與施加豎向力的千斤頂傳感器連接的XL-2101B3+靜態(tài)應(yīng)變儀上讀數(shù)得到。在進行水平反復(fù)加載的過程中,通過高精度靜態(tài)伺服液壓控制臺來保持豎向壓力大小不變。在試驗過程中施加的水平荷載可由MTS系統(tǒng)采集,并且可直接繪出滯回曲線。5.1.4荷載及位移控制開始試驗時,先施加豎向荷載。在整個試驗過程中,豎向荷載值保持不變。水平荷載采用分級加載方式,試件開裂前采用荷載控制,第一級荷載值為10kN,后一級荷載數(shù)值較前一級增加10kN,每級荷載循環(huán)一次。墻體開裂后采用位移控制加載,以初裂位移為控制量,并以該位移值為級差進行位移控制加載。位移控制時每級荷載循環(huán)3次。當(dāng)水平荷載下降至極限荷載的80%時,認(rèn)為試件達(dá)到破壞極限,停止加載。5.2滯回試驗的荷載與無筋普通砂漿墻體比較,普通砂漿水平配纖維和專用砂漿墻體的極限承載力提高了8%;普通砂漿水平配鋼筋砌塊墻體極限剪切力提高了45%左右;專用砂漿配纖維提高了38%。無筋墻體一旦開裂,承載能力一般不會再提高,這說明墻體開裂后的強度儲備較少,材料的脆性異常明顯。當(dāng)墻體配制了水平鋼筋或纖維后開裂尚有30%以上的荷載儲備。水平配筋和纖維不但提高了砌塊的承載能力,也改善了砌塊的脆性性質(zhì)。墻體滯回試驗承載力和位移見表12。對于正壓力為0.4MPa的試件JQPJ-1和試件JQPJ-3,JQPJ-3的配筋率要大于JQPJ-1,但JQPJ-3的開裂荷載要略小于JQPJ-1,這可能是由加載速度過快而產(chǎn)生的沖擊荷載以及試件存在缺陷而造成的。試件JQPJ-3比試件JQPJ-1的極限承載能力提高了10%,試件JQPJ-4比試件JQPJ-2的開裂荷載大10kN,極限荷載相差不多。正應(yīng)力為0.6MPa的墻體開裂荷載比正應(yīng)力為0.4MPa的墻體大14%。試件JQPJ-3和試件JQPJ-4的破壞位移比JQPJ-1提高了4倍。JQPJ-1與JQPJ-3的極限荷載與初裂荷載的比值分別為1.24和1.97;JQPJ-2與JQPJ-4的極限荷載與初裂荷載的比值分別為1.88和1.41;JQPJ-1與JQPJ-3的破壞位移與初裂位移的比值分別為5.9和37.2;JQPJ-2與JQPJ-4的破壞位移與初裂位移的比值分別為10.2和20.47。因此可以認(rèn)為,對蒸壓加氣混凝土墻體進行適量的配筋可以很好地改善其脆性性質(zhì),提高延性,增強其變形能力,從而可以提高房屋的抗震能力。5.2.1墻體破壞特征試件的破壞形態(tài)見圖10。墻體在開裂前無明顯的破壞跡象。當(dāng)水平荷載達(dá)到開裂荷載時,墻體突然出現(xiàn)沿45°方向的斜裂縫,將墻體的兩個對角線聯(lián)通,并伴隨有短促而清脆的響聲,裂縫大部分穿過砌塊而很少沿灰縫破壞。隨著荷載的增加,墻體上將出現(xiàn)X形的主交叉裂縫。對于無筋砌體W-P-1和W-Z-6,主交叉裂縫出現(xiàn)后,裂縫擴展迅速,墻體的承載力將迅速下降。專用砂漿砌筑的墻體破壞時的突然性比普通砂漿砌筑的墻體略好一些,開裂也稍晚。其裂縫形式基本為一組交叉主裂縫。對于配筋砌體,主交叉裂縫出現(xiàn)后,墻體還可以承受一定的荷載。對于配筋率較低的墻體,其承載力不會再有較大提高,在較小的位移加載后,墻體承載力急劇下降,墻體嚴(yán)重破壞;而對于配筋率較高的墻體,其承載力還會達(dá)到一個新高,并且在較大的位移加載后才破壞,承載力緩慢下降,在墻體出現(xiàn)較多裂縫后仍然可以承受一定的荷載。水平荷載繼續(xù)增加,在主交叉裂縫附近開始緩慢出現(xiàn)新的斜裂縫,隨著荷載的不斷增加,裂縫不斷地向角部擴展。在墻體破壞后,裂縫將較均勻地分布在整個墻面。這種現(xiàn)象表明配筋墻體應(yīng)力分布更加均勻,受力更加合理。對于配纖維墻體W-PX-4和W-ZX-5,當(dāng)水平荷載達(dá)到初裂值時,其破壞特征與普通砂漿砌筑墻體相似,墻體出現(xiàn)交叉斜裂縫。隨著荷載的增加,主裂縫開始緩慢發(fā)展,并在主裂縫附近出現(xiàn)新的斜裂縫。此時的墻體破壞接近水平配鋼筋墻體的破壞特征。雖然纖維相對鋼筋較弱,但也改善了砌體的延性,墻體的抗剪強度及變形能力均有增長。5.2.2配鋼筋墻體的延性和變形能力墻片的滯回曲線見圖11。從圖11可以看出,在開裂荷載之前,滯回曲線接近直線,說明試件變形很小,基本處于彈性工作狀態(tài)。在水平力達(dá)到開裂荷載后,位移幅值將逐漸增大,曲線變緩,剛度降低。達(dá)到極限荷載以后,曲線形狀有顯著差異:無筋墻體在超過極限強度后荷載下降較大,普通砂漿配纖維、專用砂漿配纖維、普通砂漿水平配鋼筋、專用砂漿水平配鋼筋墻體從開始加荷到試件破壞滯回環(huán)逐漸豐滿。試件開裂后,曲線下降緩慢,極限位移較大。無筋試件W-P-1和W-Z-6以及配筋試件JQPJ-1和JQPJ-2在墻體開裂后,隨著位移的增加,曲線幅值將會很快下降,說明這四種墻片的延性較差,耗能能力較差;試件W-PG-2、W-PG-3、JQPJ-3和JQPJ-4,在墻體開裂后,隨著位移的增加,曲線幅值下降十分緩慢,有時還會有所增加,滯回環(huán)比較豐滿,說明這四種墻片的延性較好,耗能能力較強;配纖維試件W-PX-4和W-ZX-5在墻體開裂后,曲線幅值下降比較緩慢,具有一定的耗能能力,延性比無筋試件和低配筋率試件好。砌塊墻體的變形能力是衡量其抗震性能的一個重要指標(biāo)。試件W-PG-2、W-PG-3、JQPJ-3和JQPJ-4的變形能力最大,試件W-PX-4和W-ZX-5次之,無筋試件W-P-1和W-Z-6以及配筋試件JQPJ-1和JQPJ-2的變形能力最小。說明對加氣混凝土進行一定的配筋和配纖維可以有效地改善蒸壓加氣混凝土承重墻體的脆性性質(zhì)和提高墻體的延性,在墻片達(dá)到破壞荷載后,依舊可以承受一定的荷載和發(fā)生一定的位移,保持裂而不倒。5.2.3墻體砌體強度由圖12的骨架曲線的對比可以看出:(1)骨架曲線下的面積反映了墻體抗震耗能的能力,W-PG-2和WPG-3最大,W-PX-4、W-ZX-5、JQPJ-3、JQPJ-4次之,W-P-1、W-Z-6、JQPJ-2、JQPJ-1墻體最差。(2)無筋墻體W-P-1、W-Z-6和配筋墻體JQPJ-1、JQPJ-2在超過極限荷載后,骨架曲線陡峭下降,延性不好,耗能性也較差,專用砂漿砌筑墻體W-Z-6承載力比W-P-1稍好;JQPJ-2的抗震性能較JQPJ-1有比較明顯的改善,由于壓力較大,抗剪承載力有了更大的峰值點;由于配筋率較大,墻體在極限荷載后,其骨架曲線的斜率變化較小,并且可以延伸較遠(yuǎn),這說明JQPJ-2的延性較JQPJ-1有了明顯改善。(3)與壓力為0.4MPa的墻體比較,壓力為0.6MPa的墻體承載力提高許多,正壓力能提高墻體的承載力。(4)水平配鋼筋和纖維墻體的抗震性能均有比較明顯的改善,不但抗剪承載力有了更大的峰值點,在超過極限荷載后,骨架曲線緩慢下降,甚至略有上升,極限荷載以后骨架曲線斜率變化較小,且延伸較遠(yuǎn)。充分說明鋼筋能增加砌體結(jié)構(gòu)的延性。5.3抗疲勞試驗5.3.1抗剪性能分析考慮到加氣混凝土強度較低,并且在試驗中,墻體破壞時的裂縫絕大部分是沿著砌塊發(fā)展,而很少沿灰縫發(fā)展,故對于抗震計算中的蒸壓加氣混凝土抗剪強度fv,應(yīng)采用砌塊的劈裂抗拉強度,而不再像傳統(tǒng)的抗震公式那樣采用抗剪試件得出抗剪強度。參考抗震規(guī)范,將砌體和水平配筋分開考慮,抗剪承載力等于砌體部分的抗剪承載力和水平配筋部分的抗剪承載力兩部分之和。(1)砌體部分貢獻(xiàn)的抗震承載力抗剪承載力:正應(yīng)力影響系數(shù):抗震承載力:取變異系數(shù)δf=0.17,當(dāng)材料性能分項系數(shù)取γf=1.8時:(2)水平配筋部分貢獻(xiàn)的抗剪承載力水平配筋對抗剪承載力的提高部分,采用抗震規(guī)范關(guān)于水平配筋普通磚、多孔磚墻體的截面抗剪承載力的公式:其中,系數(shù)ηs定義為加氣混凝土墻體水平灰縫鋼筋參與工作系數(shù),對于其具體取值,還需要更多試驗數(shù)據(jù)的支持。由于試驗數(shù)據(jù)較少,針對本試驗的試驗數(shù)據(jù),建議取0.5。綜合以上分析,提出類似磚砌體的加氣混凝土砌體抗震承載力驗算公式。(1)無筋加氣混凝土砌體抗震承載力驗算公式:(2)水平配筋加氣混凝土砌體抗震承載力驗算公式:其中,ζt定義為蒸壓加氣混凝土正壓力影響系數(shù),按表13取用。式中:ηs—加氣混凝土墻體水平灰縫鋼筋參與工作系數(shù),取ηs=0.5;V—抗震承載力;fy—鋼筋的抗拉強度設(shè)計值;ρs—按層間墻體豎向截面計算的水平鋼筋面積配筋率(%);A—墻體的橫截面面積(mm2)。(3)水平配玻璃纖維加氣混凝土砌體抗震承載力驗算公式:式中:ρx定義為配纖率,即配纖層數(shù)與墻體寬度的比值;ηs—加氣混凝土墻體水平灰縫纖維參與工作系數(shù),取ηs=0.5;V—抗震承載力;fx—纖維的抗拉強度(MPa);ρx—配纖率(%),配纖層數(shù)與墻體寬度的比值;5.3.2公式3.2和公式13的確定用本文建議的蒸壓加氣混