再生混凝土砌塊砌體抗壓性能試驗(yàn)研究

近年來世界地震頻發(fā)，我國(guó)最近就出現(xiàn)了罕見的汶川地震和玉樹地震。在這些自然災(zāi)害中，倒塌房屋及拆除危房產(chǎn)生的建筑垃圾十分驚人，需要及時(shí)有效的處理[1－2]。同時(shí)我國(guó)又處在大規(guī)模的城市改造建設(shè)階段，由此產(chǎn)生的建筑垃圾也需要處理。
傳統(tǒng)填埋處理不僅占用大量的土地，而且污染環(huán)境，把建筑垃圾資源化利用是一種有效的處理方式[3－4]。通過利用廢舊混凝土及廢棄磚渣分別生產(chǎn)不同的再生骨料，即再生碎混凝土骨料和再生磚渣骨料，同時(shí)利用本課題組設(shè)計(jì)的三排孔承重再生混凝土砌塊，生產(chǎn)再生碎混凝土骨料的再生混凝土砌塊（A類）和再生磚渣骨料的再生混凝土砌塊（B類）。經(jīng)過試驗(yàn)A類再生混凝土砌塊強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到MU10.0，B類再生混凝土砌塊強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到MU5.0，都滿足承重砌塊強(qiáng)度等級(jí)要求。通過研究對(duì)比這兩種砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力－應(yīng)變規(guī)律、彈性模量和泊松比表明，再生混凝土砌體具有很好的抗壓強(qiáng)度和變形能力，可作為承重墻體材料使用。
1試驗(yàn)方案及抗壓試驗(yàn)
1.1再生混凝土砌塊
再生混凝土砌塊為本課題組自己設(shè)計(jì)的三排孔再生混凝土砌塊，具體尺寸見圖1。

圖1再生混凝土砌塊
用于生產(chǎn)再生混凝土砌塊的兩種再生骨料，第一種再生碎混凝土骨料是廢舊混凝土粉碎而成的，廢舊混凝土經(jīng)顎式破碎機(jī)粉碎后進(jìn)行篩分，分別得到粒徑范圍大于10mm，5～10mm，小于5mm三種粒徑的再生骨料。本試驗(yàn)生產(chǎn)再生混凝土砌塊所用的骨料為粒徑小于5mm的再生細(xì)骨料和粒徑5～10mm的再生粗骨料。第二種再生磚渣骨料是由廢舊磚渣生產(chǎn)，經(jīng)錘式破碎機(jī)一次粉碎得到小于10mm的再生磚渣粗、細(xì)骨料的混合料。通過調(diào)整不同配合比試驗(yàn)，由廢舊混凝土粉碎的再生骨料生產(chǎn)的再生混凝土砌塊平均抗壓強(qiáng)度為10.5MPa，達(dá)到MU10.0砌塊強(qiáng)度等級(jí)。由廢磚渣生產(chǎn)的再生混凝土砌塊平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.31MPa，強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到MU5.0要求。
1.2試件設(shè)計(jì)
再生混凝土砌塊分別用A類再生混凝土砌塊和B類再生混凝土砌塊，砂漿分別用M2.5，M5.0，M7.5，M10.0五種強(qiáng)度等級(jí)的水泥砂漿。抗壓再生混凝土砌體按GBJ129—90《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]砌筑，砌體的厚度為砌塊寬度，砌體的寬度為主規(guī)格砌塊長(zhǎng)度，高度為三皮砌塊高度加二層灰縫厚度，中間一皮砌塊有一條豎向灰縫，如圖2所示。再生混凝土砌塊砌體抗壓試驗(yàn)共分6組，在本課題組前期研究中，A類砌塊質(zhì)量較穩(wěn)定，每組設(shè)計(jì)3個(gè)試件，B類砌塊由于用再生磚渣生產(chǎn)，抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)較大，每組設(shè)計(jì)5個(gè)試件，共計(jì)24個(gè)試件，具體方案見表1。
表1再生混凝土砌塊砌體抗壓試驗(yàn)方案

圖2再生混凝土砌體
砌體試件同等級(jí)砂漿由一名中等技術(shù)水平的瓦工，采用分層流水作業(yè)法砌筑，并應(yīng)使每盤砂漿均勻地用于各個(gè)試件。砌體試件的砌筑過程中，應(yīng)隨時(shí)檢查砂漿的飽滿度。砌體試件和砂漿試件在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)28d后，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。試件頂部用厚度為10mm的1∶3水泥砂漿找平，并應(yīng)采用水平尺檢查其平整度。
1.3再生混凝土砌體抗壓試驗(yàn)
試驗(yàn)在YE－200A壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，最大壓力2000kN。在試件兩個(gè)寬側(cè)面的豎向中線上，通過粘附與試件表面的表座，安裝千分表測(cè)量試件的軸向變形。測(cè)點(diǎn)間的距離，為一個(gè)砌塊厚度加一條灰縫厚度倍數(shù)。在寬側(cè)面的水平中線上安裝儀表，測(cè)點(diǎn)和試件邊緣的距離不應(yīng)小于50mm，測(cè)量試件的橫向變形，加載及測(cè)試方案

對(duì)于試件施加預(yù)估破壞荷載的5%時(shí)，檢查儀表的靈敏性和安裝的牢靠性。在預(yù)估破壞荷載的5%至20%區(qū)間內(nèi)，應(yīng)反復(fù)預(yù)壓3～5次。兩個(gè)寬側(cè)面的軸向變形值的相對(duì)誤差，不應(yīng)超過10%。當(dāng)超過時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整試件的位置或墊平試件。預(yù)壓后，應(yīng)卸荷并將千分表指針挑撥至0點(diǎn)，每級(jí)的荷載，應(yīng)為預(yù)估破壞荷載值的10%，并應(yīng)在1～1.5min內(nèi)均勻加完；恒載1～2min后施加下一級(jí)荷載。施加荷載時(shí)，不得沖擊試件，并應(yīng)同時(shí)測(cè)記變形值。當(dāng)加荷至預(yù)估荷載值的80%時(shí)，應(yīng)拆除儀表，然后將試件連續(xù)加荷至破壞。
從試件破壞特征上看，在破壞前沒有顯著征兆。一般在窄側(cè)面先出現(xiàn)細(xì)微的豎線裂紋，一旦裂紋出現(xiàn)，承載力就增加緩慢。隨著繼續(xù)加載，裂縫在寬側(cè)面也出現(xiàn)豎向或斜向裂縫，窄側(cè)面的豎向裂縫逐漸擴(kuò)大，并連成豎向通縫而向外鼓出，最后整個(gè)試件破壞（圖4）。

圖4再生混凝土砌體破壞特征
從試件斷裂面看，在三排孔再生混凝土砌塊頂面兩肋連接處容易出現(xiàn)豎向裂縫，并與相鄰的混凝土砌塊形成通縫而導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件破壞。從試驗(yàn)過程來看，砌體的初裂荷載出現(xiàn)較晚，有些試件初裂荷載與極限荷載相差不大，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)引起重視。再生混凝土砌塊砌體的試驗(yàn)結(jié)果見表2，在表中列出了試驗(yàn)構(gòu)件的砌塊強(qiáng)度、砂漿強(qiáng)度、初裂荷載、極限荷載等。
表2再生混凝土砌塊砌體試驗(yàn)結(jié)果

2試驗(yàn)結(jié)果分析
2.1抗壓強(qiáng)度分析
GB50003—2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中采用的砌體軸心抗壓強(qiáng)度平均值公式是

，利用公式計(jì)算6組的抗壓強(qiáng)度及試驗(yàn)實(shí)測(cè)值見表3。通過表3比較，無論是A類砌體還是B類砌體再生混凝土砌體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算值均小于實(shí)測(cè)值，說明我國(guó)現(xiàn)行砌體規(guī)范軸心抗壓強(qiáng)度平均值計(jì)算公式可以應(yīng)用于再生混凝土砌體，再生混凝土砌體與普通混凝土砌體破壞機(jī)理是相似的。
A類砌塊生產(chǎn)用的再生骨料是由廢舊混凝土破碎而成，有些性能接近天然骨料，用于生產(chǎn)再生混凝土砌塊已達(dá)到MU10.0強(qiáng)度等級(jí)。B類砌塊是由再生磚渣骨料生產(chǎn)而成，由于廢磚渣中含有大量的廢舊砂漿，粉碎后不但壓碎指標(biāo)大得多，而且含有大量的粉塵及細(xì)微泥土顆粒，生產(chǎn)出的再生混凝土砌塊只有MU5.0強(qiáng)度等級(jí)。由于以上原因，A類砌塊的各方面性能均優(yōu)于B類砌塊，雖然B類砌體經(jīng)過試驗(yàn)計(jì)算值也小于實(shí)測(cè)值，但建議實(shí)際應(yīng)用計(jì)算時(shí)還應(yīng)慎重對(duì)待，B類砌塊不應(yīng)用于有抗震要求的砌體結(jié)構(gòu)中。
由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，再生混凝土砌塊砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式還需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)用于工程實(shí)際還需要進(jìn)一步研究。
表3再生混凝土砌體試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

2.2應(yīng)力－應(yīng)變曲線
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，畫出6組試驗(yàn)砌體應(yīng)力－應(yīng)變曲線，每組應(yīng)力及應(yīng)變?nèi)?duì)應(yīng)的平均值。A類砌體如圖5，B類砌體如圖6所示。圖5、圖6中所示應(yīng)力－應(yīng)變曲線的相關(guān)特性是在普通壓力試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到砌體極限強(qiáng)度時(shí)，由于試驗(yàn)機(jī)剛度不足，砌體內(nèi)的應(yīng)力減小，積蓄在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)的應(yīng)變能迅速釋放，砌體急劇破壞，因此很難測(cè)出應(yīng)力－應(yīng)變下降段曲線，所以本文也只討論應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段部分。

1）對(duì)于同一類再生混凝土砌體，無論是A類，還是B類，砂漿是影響砌體性能的主要因素，隨著砂漿強(qiáng)度的提高，砌體的抗壓強(qiáng)度也升高，但對(duì)于同一類砌塊砌體其變形減少。
2）比較A類與B類砌體，由于A1、B3用的砂漿強(qiáng)度相同，從圖中可以看出，砂漿相同時(shí)，砌塊性能又影響再生混凝土砌體應(yīng)力－應(yīng)變曲線。A類砌塊整體性能優(yōu)于B類砌塊，A1的強(qiáng)度和變形值均大于B3試件，說明再生碎混凝土砌塊砌體性能優(yōu)于再生磚渣砌體的性能，即強(qiáng)度高、延性好。
3）應(yīng)力－應(yīng)變曲線的斜率表示砌體的彈性模量，從圖中可以看出，對(duì)于同一類砌體，隨著砂漿強(qiáng)度的提高，其斜率越大，即彈性模量越大。比較圖5、圖6可知，當(dāng)砂漿強(qiáng)度相同時(shí)，A類砌體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線的斜率越較B類的斜率大，即彈性模量較大。說明砌塊性能越好，再生混凝土砌塊的彈性模量越大，砌體的抗壓剛度也越大。
2.3彈性模量
根據(jù)應(yīng)力－應(yīng)變曲線可計(jì)算出再生混凝土砌塊砌體的彈性模量。由于砌體是一種彈塑性材料，曲線上各點(diǎn)應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系在不斷變化。通常用下列3種方式表達(dá)砌體的彈性模量：1）砌體的切線模量，即砌體應(yīng)力應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)切線與橫坐標(biāo)夾角的正切值。2）初始彈性模量，即應(yīng)力－應(yīng)變曲線在原點(diǎn)切線的斜率。3）砌體的割線模量，即應(yīng)力－應(yīng)變曲線上某點(diǎn)與原點(diǎn)所連割線的斜率。按照我國(guó)相關(guān)規(guī)范規(guī)定取σ=0.43fm時(shí)的割線模量E。
按照砌體規(guī)范彈性模量E的計(jì)算方法，對(duì)于混凝土砌塊砌體，采用M5.0砂漿時(shí)，E=1500f；M7.5砂漿時(shí)，E=1600f；采用大于M10砂漿時(shí)，E=1700f。f為砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，根據(jù)GB50003—2001取值，對(duì)于B1，B3組合沒有給出其設(shè)計(jì)值，故本文暫未列出其對(duì)應(yīng)的彈性模量計(jì)算值。彈性模量的實(shí)測(cè)值及規(guī)范計(jì)算值結(jié)果見表3。
從表3及圖5、圖6中可以得出，再生混凝土砌塊砌體，對(duì)于同一類砌體（A類或B類）砂漿是影響其彈性模量的主要因素，隨著砂漿強(qiáng)度的提高，彈性模量增大。對(duì)比A1、B3可知，若砂漿強(qiáng)度相同，由于A類砌塊的性能優(yōu)于B類砌塊，故在砂漿強(qiáng)度相同時(shí)，A類砌體的彈性模量大于B類砌體。
對(duì)于再生混凝土砌塊砌體，彈性模量的計(jì)算值均小于實(shí)測(cè)值，說明再生混凝土砌體具有很好的抗壓剛度，具有較高的抵抗變形能力。
2.4泊松比
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果畫出A類再生混凝土砌體及B類再生混凝土砌體應(yīng)力－泊松比曲線，如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，泊松比在0.1之前不是很規(guī)律，有小幅波動(dòng)，這是由于剛開始加載時(shí)砌體和儀表之間有個(gè)協(xié)調(diào)過程，在0.1～0.2之間泊松比隨應(yīng)力近九十度角直線上升趨勢(shì)，泊松比較穩(wěn)定，泊松比超過0.2時(shí)，由于此時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載使砌體出現(xiàn)豎向裂縫，橫向應(yīng)變急劇增加，從圖中可以看出，在應(yīng)力增加很小的情況下泊松比大幅度增長(zhǎng)，幾乎呈水平直線，直到砌體完全破壞。

按GBJ129—90《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》取應(yīng)力等于0.4fc,m時(shí)的泊松比為該試件的泊松比，實(shí)測(cè)計(jì)算值見表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果A類再生混凝土砌體和B類再生混凝土砌體的泊松比相差不大，都在0.1～0.2之間，由于數(shù)據(jù)較少，再生混凝土砌體泊松比取值還需要近一步研究。
3結(jié)語
1）試驗(yàn)結(jié)果表明，再生混凝土砌塊砌體無論是A類再生碎混凝土砌塊砌體，還是B類再生磚渣混凝土砌塊砌體，其實(shí)測(cè)值均大于規(guī)范計(jì)算值，故可用現(xiàn)行國(guó)家砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算再生混凝土砌體。對(duì)于A類砌體可用于抗震要求的結(jié)構(gòu)中，B類砌體不建議使用在有抗震要求的結(jié)構(gòu)。
2）再生混凝土砌塊砌體的彈性模量均大于規(guī)范計(jì)算值，再生混凝土砌體具有很好的抗壓剛度，抵抗變形能力較好。
3）再生混凝土砌塊砌體的泊松比在0.1～0.2之間，由于數(shù)據(jù)較少，其具體確定時(shí)仍需根據(jù)再生混凝土砌體具體情況選用。
4）砌塊性能和砂漿強(qiáng)度都影響再生混凝土砌塊砌體的性能，隨著砌塊及砂漿強(qiáng)度提高，砌體的強(qiáng)度和彈性模量也相應(yīng)增加，在砌塊相同時(shí)，砂漿強(qiáng)度提高，砌體的變形能力下降。
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