劍麻纖維混凝土砌塊砌體的力學性能研究

陳偉宏 , 韓春暉, 雷少英 , 姚仲泳, 賈云飛

(1.福州大學 土木工程學院, 福建 福州 350116;2.宇旺建工集團有限公司, 福建 福州 350821;3.平潭綜合試驗區交通與建設局, 福建 福州 350499)

0 引言

框架-砌體填充墻結構在當前結構工程中占據很重要的地位。填充墻作為第一道抗震防線,憑借其自身開裂、變形和最終的破壞來吸收地震中的能量,對結構的抗震性能影響顯著[1-3];然而,由于砌體填充墻的砌筑砂漿和混凝土砌塊易開裂、延性差,在地震中容易遭到破壞甚至倒塌[4-6],是造成人員傷亡的最主要原因之一,因此,提高填充墻延性變形性能,有利于增加框架填充墻的地震安全性。

為了改善傳統填充砌塊的脆性和低抗拉強度,需要開發比原始基質具有更高質量或更好性能的新產品[7-8]。在水泥基材料中應用了合成或天然纖維[9-15]以改善混凝土砌塊的受力性能。Arslan等[16]對分別用普通砂漿、摻玄武巖纖維和摻玻璃纖維的砂漿砌筑而成的蒸壓加氣混凝土砌塊墻進行擬靜力試驗,發現砂漿內摻加纖維能增加填充墻的承載力和耗能能力。楊磊等[17]對添加聚丙烯纖維和玻璃纖維2種纖維的砂加氣混凝土砌塊進行抗壓和抗折試驗,結果表明2種纖維砌塊強度相差不大,均比未加纖維的砌塊增加了20%～30%。多種植物纖維被加入混凝土砌塊中并試驗其力學性能,例如木質纖維[18-22]、玉米秸稈纖維[23]等。Pitchaipillai等[23]研究了分別用普通砂漿和摻纖維(聚丙烯、劍麻、洋麻和芳綸)砂漿砌筑的砌塊砌體抗壓、抗剪性能,結果表明,摻纖維砂漿砌筑的砌體具有更高的強度和彈性模量。張艷霞等[24]研究了木纖維混凝土砌塊并的力學性能試驗,探索了植物纖維混凝土在重砌塊中應用的可能性。劍麻纖維也被用作水泥復合材料中的增強材料[25-27],這種復合材料目前被認為是可持續工程技術中最有前途的結構材料之一。合適的處理對水泥基復合材料中劍麻纖維的力學性能 (即拉伸強度) 和界面黏結[28]有積極影響。

目前的研究主要集中在單獨提高砌塊或者砌筑砂漿的延性,而未考慮砌塊砌體的整體變形能力,因此本文提出一種延性砌塊與配套延性砂漿的新型砌體結構,通過受壓、剪切試驗,分析其力學性能、延性和破壞模式,給出相應的承載力計算公式,探討將其應用于框架填充墻結構體系的可能性。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,比表面積為330 m2/kg。粉煤灰是由河南鉑潤鑄造材料有限公司提供的粒徑為27 μm的I級優質粉煤灰,比表面積為436 m2/kg。礦粉是精磨后得到粒徑為14 μm的S95礦渣粉,比表面積為453 m2/kg。劍麻纖維為廣西劍麻集團生產的劍麻纖維成品,其技術參數見表1。試驗使用的細砂是白色晶體狀的石英砂。

表1 劍麻纖維技術參數Tab.1 Technical parameters of sisal fiber

1.2 材料配合比及性能

1.2.1 延性混凝土砌塊

混凝土砌塊的配合比為課題組前期正交試驗所得出的最優配合比[29],延性混凝土砌塊配合比見表2。對比砌塊為市場上常用的普通混凝土砌塊。

表2 延性混凝土砌塊配合比Tab.2 Mix ratio of ductile concrete blocks

砌塊空心率為38%,主規格尺寸為180 mm×180 mm×70 mm(長度×寬度×高度),輔助砌塊是主規格砌塊從中間切割而成,混凝土砌塊具體尺寸如圖1所示。

(a) 砌塊尺寸

按《混凝土小型空心砌塊試驗方法》(GB/T 4111—2013)[30]進行延性混凝土砌塊的抗壓試驗,試驗結果見表3,不同砌塊位移-荷載曲線如圖2所示。

表3 砌塊抗壓強度試驗結果Tab.3 Test results of compressive strength of blocks

從表3、圖2可以看出,延性砌塊和普通砌塊的抗壓強度相當,但延性性能有較大的提升。相比普通砌塊,延性砌塊達到最大載荷后承載力下降緩慢,且破壞后仍有較大的應力保留率。

1.2.2 延性砌筑砂漿

本文中設計了1種普通砌筑砂漿和4種不同強度等級的延性砌筑砂漿,按《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ/T 70-2009)[31]進行抗壓試驗,標準尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(長度×寬度×高度),每組6個。普通砂漿配合比的水∶中砂∶水泥質量比為0.29∶1.015∶0.271,抗壓強度為10.45 MPa。延性砂漿配合比及抗壓強度實測值見表4,其中纖維體積分數均為0.5%。

表4 延性砌筑砂漿配合比Tab.4 Mixture ratio of ductile masonry mortar

2 延性砌塊-延性砂漿砌體抗壓試驗

2.1 試件設計

砌體抗壓按照《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB 50129—2011)[32]進行,試件尺寸為280 mm×180 mm×550 mm(長度×寬度×高度),砌塊砌體如圖3所示。為了研究不同砌筑砂漿、砌塊類型對砌體抗壓性能的影響,共設計3組試件,每組3個。其中,相當多的砌體樣品失效是由磚和砂漿之間的結合喪失引起的,特別是當砂漿非常弱時,使得磚-砂漿結合強度也顯示出很大的波動,預計這將帶來另一個不確定性[31]。為了更好地研究劍麻纖維延性砂漿砌塊砌體的力學性能,延性砌筑砂漿的類型指定為延性砂漿3。砌體抗壓試驗設計參數見表5。

(a) 單個砌體正面

表5 砌體抗壓試驗設計參數Tab.5 Compression test design of masonry

2.2 試驗裝置及加載方案

延性砌塊-延性砂漿砌體抗壓試驗在500 kN量程的電液伺服壓力機上進行。為了砌塊均勻受壓,在測試受壓荷載-位移全曲線過程中,在加壓面增厚度為30 mm的鋼板。試驗加載按《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB 50129—2011)[32]規定進行,砌體試件的加載裝置如圖4所示。加載全過程采用等速位移控制的加載方式,加載速率為0.2 mm/min,并采集受壓荷載-位移全曲線。在試件加載過程中畫出裂縫的分布情況并記錄相應荷載值,觀察破壞特征。

2.3 試驗現象

3種砌體受壓破壞分為3個階段,即未開裂階段、初裂縫出現和開展階段、破壞階段,但是砌塊及砌筑砂漿不同,砌體的破壞情況又有所區別。

第1階段:砌體從開始承載到出現初裂縫,主要為彈性變形,試件裂縫均出現在豎向砂漿縫處。

第2階段:隨著荷載的增加,裂縫開始擴展且數量繼續增加,其中CP-0試件主要表現為沿原來的初裂縫繼續擴展,裂縫較少;CY-0、CY-1試件在沿原有豎向裂縫擴展的同時不斷出現新的細裂縫,試件的裂縫分布如圖5所示。

(a) CP-0試件

第3階段:CP-0試件,在達到極限荷載后沿高度外側被壓碎,然后沿豎向砂漿一條主裂縫破壞,有局部砌塊被壓裂。CP-0、CY-0到達峰值荷載后,承載力急劇下降。而CY-1試件中的磚比砂漿強度低,且砂漿界面黏結保持的比較完整,則砌體的失效是由接縫中砂漿的拉伸斷裂后砂漿失效延伸到磚上,導致砌體失效,使得CY-1試件在達到承載力極限狀態后沿豎向主裂縫又重新出現多條小裂縫。試件的破壞形態如圖6所示。上述結果與Gumaste等[33]關于配套較高強度砂漿的砌體壓縮破壞模式研究結論相契合。

(a) CP-0試件

2.4 結果分析

2.4.1 砌體抗壓強度

依據《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB 50129—2011)的要求,砌體抗壓強度按式(1)計算,試驗結果見表6。

(1)

表6 砌體抗壓強度試驗結果Tab.6 Results of compressive strength tests of masonry

式中:fc,m為試件抗壓強度,MPa;N為試件破壞荷載值,kN;A為試件的截面面積,mm2。

CP-0試件的抗壓強度略低于CY-0試件,這是因為普通砌塊抗壓強度小于延性砌塊的。由于延性砂漿的抗壓強度高于普通砌筑砂漿,并且延性砂漿流動性較強,流入孔洞中形成了砂漿銷鍵現象,使得CY-1試件的抗壓強度大于CY-0試件。

2.4.2 抗壓強度計算公式

現行《砌體結構設計規范》(GB 50003—2011)(簡稱《砌規》)列出了各類砌塊砌體抗壓強度平均值的統一計算公式為

(2)

式中:fc,m為砌體抗壓強度平均值,MPa;f1、f2為砌塊與砌筑砂漿抗壓強度平均值,MPa;k1為與砌塊有關的系數;k2為砌筑砂漿強度的影響修正系數;α為與砌塊高度及砌體類型有關的系數。

當f2>10 MPa時,則公式應修正為

(3)

從《砌體基本力學性能試驗方法標準》中可知,混凝土多孔磚砌體的系數取值為k1=0.78,k2=1.0,α=0.5。以延性砌體實測抗壓強度為依據,與計算結果進行比較。由于砂漿強度大于10 MPa,因此理論公式采用公式(3)計算,砌體實測抗壓強度與理論計算值比較見表7。

表7 砌體實測抗壓強度與理論計算值比較

從表7 可知,按系數k1=0.78,k2=1.0,α=0.5計算所得的抗壓強度值與實測值非常接近,因此最終砌體抗壓強度計算公式為

(4)

2.4.3 砌體變形性能

通過電液伺服壓力機和豎向位移計測得砌塊砌體抗壓的應力-應變曲線如圖7所示。由圖可見,3種砌塊砌體剛開始加載時,應力-應變曲線大致呈線性。隨著應力的增大,CP-0和CY-0試件的應變相較于CY-1試件增大幅度更為顯著。當荷載達到最大承載力時,CP-0和CY-0試件的應力-應變曲線逐漸下降,而CY-1試件在荷載達到極值后短暫下降,然后又緩慢上升至極限承載力。當應變達到17×10-3時,CP-0和CY-0試件承載能力較小,而加載到后期時,CY-1試件仍然有較高的承載力保留率。

圖7 砌體抗壓應力-應變曲線Fig.7 Compressive stress-strain curve of masonry

可以看出,由于CY-1試件同時使用了延性砌塊和延性砌筑砂漿,使其在受壓過程中延性砌筑砂漿和延性砌塊同時開裂,具有多裂縫開裂的特征,能消耗更多的能量,承載力緩慢下降,剩余承載力也遠大于CP-0、CY-0試件。

2.4.4 砌體的彈性模量

彈性模量是砌體變形性能的參數。根據《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB 50129—2011),在砌體抗壓試驗的應力-應變曲線上,取應力σ等于0.4fc,m時的割線模量為試件的彈性模量,并按式(5)計算,結果見表8。

(5)

表8 試件的彈性模量Tab.8 Elastic modulus of test piece

式中:E為試件的彈性模量,N/mm;ε0.4為對應于0.4fc,m時的軸向應變值。

根據實測數據,得出了3種砌體的彈性模量,即CP-0、CY-0和CY-1分別為252.9、236.4、330.4 GPa,說明普通砌塊砌體和延性砌塊普通砂漿砌體的彈性變形能力差。延性砌塊-延性砂漿砌體彈性模量大,再加上其具有的多裂縫開裂特性,在地震中能提供更持久的耗能能力。

3 延性砌塊-延性砂漿砌體抗剪試驗

3.1 試件設計

抗剪試驗采用雙剪試件,按《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB 50129—2011)制作,砂漿灰縫厚度為10 mm。按砂漿和砌塊的不同組合,共設計了6組試件,每組3個,試件主要參數見表9。

表9 砌體抗剪試驗設計Tab.9 Shear test design for masonry

3.2 試驗裝置及加載方案

試驗加載按《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB 50129—2011)中的規定進行,試驗裝置如圖8所示。采用位移控制,加載速率為0.2 mm/min。當出現一個剪切面破壞時加載結束。

圖8 砌體抗剪試驗Fig.8 Masonry shear test

3.3 試驗現象

在出現荷載峰值后,SP-0試件沿著砂漿縫面瞬間破壞,試件喪失抗剪承載力,無明顯的破壞征兆,并且破壞前,沒有發現試件表面有明顯的裂縫開展現象,為脆性破壞。SY-0試件破壞現象與SP-0試件相似,但是SY-0試件在受剪過程中,延性砌塊有輕微開裂。SY-1、SY-2、SY-3試件剪變形較大,延性砌塊有少量發育比較充分的裂縫,表現為延性破壞。SY-4試件延性砂漿強度大,表現為延性砌塊多裂縫開裂破壞,而并未沿砂漿縫剪切破壞,而且延性砌塊多裂縫開裂過程中極大的消耗能量為延性破壞。不同試件的裂縫形態如圖9所示。

(a) SP-0

3.4 結果分析

依據《砌體基本力學性能試驗方法標準》(GB 50129—2011)中規定,試件抗剪強度按式(6)計算,砌體抗剪試驗結果見表10。

(6)

表10 砌體抗剪試驗結果Tab.10 Shear test results of masonry

式中:fv,m為試件沿通縫截面的抗剪強度,MPa;Nv為試件的抗剪極限荷載值,N。

3.4.1 抗剪強度計算公式

當砌體只受剪應力作用時,砌體的抗剪強度主要由灰縫砂漿與塊體的黏結強度決定?！镀鲶w基本力學性能試驗方法標準》規定了砌體抗剪強度的平均值計算公式為

(7)

式中:fv0,m為砌體抗剪強度平均值,MPa;k5為系數,對于蒸壓灰砂磚、蒸壓粉煤灰磚砌體,k5=0.09;對于混凝土小型空砌塊砌體,k5=0.069。而本試驗所用延性混凝土砌塊在規范中并沒有明確規定。線性回歸曲線試驗數據的線性擬合如圖10所示。對表10中灰縫厚度為10 mm的抗剪試件試驗數據進行線性回歸得到的砌體抗剪強度計算公式為

圖10 試驗數據的線性擬合Fig.10 Linear fitting of experimental data

(8)

對計算出的砌體抗剪強度和試驗測得的砌體抗剪強度進行對比,得出砌體抗剪實測值和計算值對比見表11。

表11 砌體抗剪實測值和計算值對比Tab.11 Comparison between measured and calculated shear resistance values of masonry

砌體抗剪強度線性回歸得出的殘差平方和為7.68×10-3。通過表11可以看到,在線性函數擬合形態下計算得出的砌體抗剪強度和試驗測得的實際數據非常接近,因此可以通過公式來預測本延性材料砌體的抗剪強度。

3.4.2 剪切變形

延性砌塊-延性砂漿砌體試件表現出不同于普通抗剪試件的剪切變形性能。不同砌體抗壓應力-應變曲線如圖11所示。由圖11可以看出,SP-0試件的荷載-位移曲線達到最大荷載后就急劇降低,剪切變形很小。SY-0試件曲線與SP-0試件相似,剪切延性增加不大。SY-1試件的延性砌筑砂漿強度相對較低,雖然延性砌塊有輕微開裂,但主要發生的是延性砂漿的剪切破壞,曲線上升段斜率較小,達到最大荷載后逐漸降低,剪切延性得到顯著的提高。SY-2、SY-3構件的曲線相似,試件的延性砌塊在剪切變形過程中開裂更為嚴重,但主要還是沿延性砂漿縫的剪切破壞,曲線在到達最大荷載后逐漸降低,剪切變形較大。SY-4構件的延性砌筑砂漿強度相比SY-2和SY-3試件進一步提高,抗剪過程中主要發生的是延性砌塊的多裂縫開裂破壞,在較大的剪切變形情況下仍有極高的剪切強度保留率,使SY-4試件曲線的下降段最為平緩,剪切延性最好。

圖11 不同砌體抗壓應力-應變曲線Fig.11 Compressive stress-strain curve of masonry

4 結論

① 延性砌塊-延性砂漿砌體CY-1抗壓強度與普通砌體相差很小,但在受壓過程中延性砌筑砂漿和延性砌塊均開裂,且砂漿界面黏結保持的比較完整,砂漿裂縫延伸到砌體上,并且在達到承載力極限狀態后沿豎向主裂縫又重新出現多條小裂縫,破壞模式為延性破壞,在達到峰值應力后承載力緩慢下降,剩余承載力也遠大于延性砌塊-普通砂漿試件CP-0試件、普通砌塊-砂漿CY-0試件;CY-0、CP-0達到極限承載力后,試件很快就破碎,脆性現象明顯。

② 抗剪試驗中,普通砌塊-砂漿砌體、延性砌塊-普通砂漿砌體均為脆性破壞;延性砌塊-砂漿砌體則隨著砂漿強度的增大,抵抗剪切能力越強。當延性砂漿強度較低時,延性砌塊-延性砂漿砌體仍舊沿著砂漿面破壞,承載力損失較快;當延性砂漿強度較大時,為多縫開裂特征,并且較大的破壞面出現在砌塊處,延性較好,耗能更高。

③ 按照《砌體基本力學性能試驗方法標準》的推薦公式,得出延性砌塊-延性砂漿砌體抗壓強度。砌體的抗剪強度,隨砌筑漿體抗壓強度的提高而增大,材料配合比對砌體抗剪強度的影響不容忽視,故建立了新型延性砌塊-延性砂漿砌體抗剪強度的計算公式。