再生混凝土砌块砌体抗压性能试验研究

近年来世界地震频发，我国最近就出现了罕见的汶川地震和玉树地震。在这些自然灾害中，倒塌房屋及拆除危房产生的建筑垃圾十分惊人，需要及时有效的处理[1－2]。同时我国又处在大规模的城市改造建设阶段，由此产生的建筑垃圾也需要处理。
传统填埋处理不仅占用大量的土地，而且污染环境，把建筑垃圾资源化利用是一种有效的处理方式[3－4]。通过利用废旧混凝土及废弃砖渣分别生产不同的再生骨料，即再生碎混凝土骨料和再生砖渣骨料，同时利用本课题组设计的三排孔承重再生混凝土砌块，生产再生碎混凝土骨料的再生混凝土砌块（A类）和再生砖渣骨料的再生混凝土砌块（B类）。经过试验A类再生混凝土砌块强度等级达到MU10.0，B类再生混凝土砌块强度等级达到MU5.0，都满足承重砌块强度等级要求。通过研究对比这两种砌块砌体的抗压强度、应力－应变规律、弹性模量和泊松比表明，再生混凝土砌体具有很好的抗压强度和变形能力，可作为承重墙体材料使用。
1试验方案及抗压试验
1.1再生混凝土砌块
再生混凝土砌块为本课题组自己设计的三排孔再生混凝土砌块，具体尺寸见图1。

图1再生混凝土砌块
用于生产再生混凝土砌块的两种再生骨料，第一种再生碎混凝土骨料是废旧混凝土粉碎而成的，废旧混凝土经颚式破碎机粉碎后进行筛分，分别得到粒径范围大于10mm，5～10mm，小于5mm三种粒径的再生骨料。本试验生产再生混凝土砌块所用的骨料为粒径小于5mm的再生细骨料和粒径5～10mm的再生粗骨料。第二种再生砖渣骨料是由废旧砖渣生产，经锤式破碎机一次粉碎得到小于10mm的再生砖渣粗、细骨料的混合料。通过调整不同配合比试验，由废旧混凝土粉碎的再生骨料生产的再生混凝土砌块平均抗压强度为10.5MPa，达到MU10.0砌块强度等级。由废砖渣生产的再生混凝土砌块平均抗压强度达到5.31MPa，强度等级达到MU5.0要求。
1.2试件设计
再生混凝土砌块分别用A类再生混凝土砌块和B类再生混凝土砌块，砂浆分别用M2.5，M5.0，M7.5，M10.0五种强度等级的水泥砂浆。抗压再生混凝土砌体按GBJ129—90《砌体基本力学性能试验方法标准》[5]砌筑，砌体的厚度为砌块宽度，砌体的宽度为主规格砌块长度，高度为三皮砌块高度加二层灰缝厚度，中间一皮砌块有一条竖向灰缝，如图2所示。再生混凝土砌块砌体抗压试验共分6组，在本课题组前期研究中，A类砌块质量较稳定，每组设计3个试件，B类砌块由于用再生砖渣生产，抗压强度的变异系数较大，每组设计5个试件，共计24个试件，具体方案见表1。
表1再生混凝土砌块砌体抗压试验方案

图2再生混凝土砌体
砌体试件同等级砂浆由一名中等技术水平的瓦工，采用分层流水作业法砌筑，并应使每盘砂浆均匀地用于各个试件。砌体试件的砌筑过程中，应随时检查砂浆的饱满度。砌体试件和砂浆试件在室内自然条件下养护28d后，同时进行试验。试件顶部用厚度为10mm的1∶3水泥砂浆找平，并应采用水平尺检查其平整度。
1.3再生混凝土砌体抗压试验
试验在YE－200A压力试验机上进行，最大压力2000kN。在试件两个宽侧面的竖向中线上，通过粘附与试件表面的表座，安装千分表测量试件的轴向变形。测点间的距离，为一个砌块厚度加一条灰缝厚度倍数。在宽侧面的水平中线上安装仪表，测点和试件边缘的距离不应小于50mm，测量试件的横向变形，加载及测试方案

对于试件施加预估破坏荷载的5%时，检查仪表的灵敏性和安装的牢靠性。在预估破坏荷载的5%至20%区间内，应反复预压3～5次。两个宽侧面的轴向变形值的相对误差，不应超过10%。当超过时，应重新调整试件的位置或垫平试件。预压后，应卸荷并将千分表指针挑拨至0点，每级的荷载，应为预估破坏荷载值的10%，并应在1～1.5min内均匀加完；恒载1～2min后施加下一级荷载。施加荷载时，不得冲击试件，并应同时测记变形值。当加荷至预估荷载值的80%时，应拆除仪表，然后将试件连续加荷至破坏。
从试件破坏特征上看，在破坏前没有显著征兆。一般在窄侧面先出现细微的竖线裂纹，一旦裂纹出现，承载力就增加缓慢。随着继续加载，裂缝在宽侧面也出现竖向或斜向裂缝，窄侧面的竖向裂缝逐渐扩大，并连成竖向通缝而向外鼓出，最后整个试件破坏（图4）。

图4再生混凝土砌体破坏特征
从试件断裂面看，在三排孔再生混凝土砌块顶面两肋连接处容易出现竖向裂缝，并与相邻的混凝土砌块形成通缝而导致整个构件破坏。从试验过程来看，砌体的初裂荷载出现较晚，有些试件初裂荷载与极限荷载相差不大，在实际应用中应引起重视。再生混凝土砌块砌体的试验结果见表2，在表中列出了试验构件的砌块强度、砂浆强度、初裂荷载、极限荷载等。
表2再生混凝土砌块砌体试验结果

2试验结果分析
2.1抗压强度分析
GB50003—2001《砌体结构设计规范》[6]中采用的砌体轴心抗压强度平均值公式是

，利用公式计算6组的抗压强度及试验实测值见表3。通过表3比较，无论是A类砌体还是B类砌体再生混凝土砌体抗压强度的计算值均小于实测值，说明我国现行砌体规范轴心抗压强度平均值计算公式可以应用于再生混凝土砌体，再生混凝土砌体与普通混凝土砌体破坏机理是相似的。
A类砌块生产用的再生骨料是由废旧混凝土破碎而成，有些性能接近天然骨料，用于生产再生混凝土砌块已达到MU10.0强度等级。B类砌块是由再生砖渣骨料生产而成，由于废砖渣中含有大量的废旧砂浆，粉碎后不但压碎指标大得多，而且含有大量的粉尘及细微泥土颗粒，生产出的再生混凝土砌块只有MU5.0强度等级。由于以上原因，A类砌块的各方面性能均优于B类砌块，虽然B类砌体经过试验计算值也小于实测值，但建议实际应用计算时还应慎重对待，B类砌块不应用于有抗震要求的砌体结构中。
由于试验数据较少，再生混凝土砌块砌体抗压强度计算公式还需要大量的试验数据进行验证，应用于工程实际还需要进一步研究。
表3再生混凝土砌体试验实测值与计算值

2.2应力－应变曲线
根据试验结果，画出6组试验砌体应力－应变曲线，每组应力及应变取对应的平均值。A类砌体如图5，B类砌体如图6所示。图5、图6中所示应力－应变曲线的相关特性是在普通压力试验机上的试验结果。当应力达到砌体极限强度时，由于试验机刚度不足，砌体内的应力减小，积蓄在试验机内的应变能迅速释放，砌体急剧破坏，因此很难测出应力－应变下降段曲线，所以本文也只讨论应力应变曲线的上升段部分。

1）对于同一类再生混凝土砌体，无论是A类，还是B类，砂浆是影响砌体性能的主要因素，随着砂浆强度的提高，砌体的抗压强度也升高，但对于同一类砌块砌体其变形减少。
2）比较A类与B类砌体，由于A1、B3用的砂浆强度相同，从图中可以看出，砂浆相同时，砌块性能又影响再生混凝土砌体应力－应变曲线。A类砌块整体性能优于B类砌块，A1的强度和变形值均大于B3试件，说明再生碎混凝土砌块砌体性能优于再生砖渣砌体的性能，即强度高、延性好。
3）应力－应变曲线的斜率表示砌体的弹性模量，从图中可以看出，对于同一类砌体，随着砂浆强度的提高，其斜率越大，即弹性模量越大。比较图5、图6可知，当砂浆强度相同时，A类砌体的应力－应变曲线的斜率越较B类的斜率大，即弹性模量较大。说明砌块性能越好，再生混凝土砌块的弹性模量越大，砌体的抗压刚度也越大。
2.3弹性模量
根据应力－应变曲线可计算出再生混凝土砌块砌体的弹性模量。由于砌体是一种弹塑性材料，曲线上各点应力与应变之间的关系在不断变化。通常用下列3种方式表达砌体的弹性模量：1）砌体的切线模量，即砌体应力应变曲线上任一点切线与横坐标夹角的正切值。2）初始弹性模量，即应力－应变曲线在原点切线的斜率。3）砌体的割线模量，即应力－应变曲线上某点与原点所连割线的斜率。按照我国相关规范规定取σ=0.43fm时的割线模量E。
按照砌体规范弹性模量E的计算方法，对于混凝土砌块砌体，采用M5.0砂浆时，E=1500f；M7.5砂浆时，E=1600f；采用大于M10砂浆时，E=1700f。f为砌体抗压强度设计值，根据GB50003—2001取值，对于B1，B3组合没有给出其设计值，故本文暂未列出其对应的弹性模量计算值。弹性模量的实测值及规范计算值结果见表3。
从表3及图5、图6中可以得出，再生混凝土砌块砌体，对于同一类砌体（A类或B类）砂浆是影响其弹性模量的主要因素，随着砂浆强度的提高，弹性模量增大。对比A1、B3可知，若砂浆强度相同，由于A类砌块的性能优于B类砌块，故在砂浆强度相同时，A类砌体的弹性模量大于B类砌体。
对于再生混凝土砌块砌体，弹性模量的计算值均小于实测值，说明再生混凝土砌体具有很好的抗压刚度，具有较高的抵抗变形能力。
2.4泊松比
根据试验结果画出A类再生混凝土砌体及B类再生混凝土砌体应力－泊松比曲线，如图7、图8所示。从图中可以看出，泊松比在0.1之前不是很规律，有小幅波动，这是由于刚开始加载时砌体和仪表之间有个协调过程，在0.1～0.2之间泊松比随应力近九十度角直线上升趋势，泊松比较稳定，泊松比超过0.2时，由于此时对应的荷载使砌体出现竖向裂缝，横向应变急剧增加，从图中可以看出，在应力增加很小的情况下泊松比大幅度增长，几乎呈水平直线，直到砌体完全破坏。

按GBJ129—90《砌体基本力学性能试验方法标准》取应力等于0.4fc,m时的泊松比为该试件的泊松比，实测计算值见表3。根据计算结果A类再生混凝土砌体和B类再生混凝土砌体的泊松比相差不大，都在0.1～0.2之间，由于数据较少，再生混凝土砌体泊松比取值还需要近一步研究。
3结语
1）试验结果表明，再生混凝土砌块砌体无论是A类再生碎混凝土砌块砌体，还是B类再生砖渣混凝土砌块砌体，其实测值均大于规范计算值，故可用现行国家砌体结构设计规范计算再生混凝土砌体。对于A类砌体可用于抗震要求的结构中，B类砌体不建议使用在有抗震要求的结构。
2）再生混凝土砌块砌体的弹性模量均大于规范计算值，再生混凝土砌体具有很好的抗压刚度，抵抗变形能力较好。
3）再生混凝土砌块砌体的泊松比在0.1～0.2之间，由于数据较少，其具体确定时仍需根据再生混凝土砌体具体情况选用。
4）砌块性能和砂浆强度都影响再生混凝土砌块砌体的性能，随着砌块及砂浆强度提高，砌体的强度和弹性模量也相应增加，在砌块相同时，砂浆强度提高，砌体的变形能力下降。
参考文献
[1]孙跃东，周德源.我国再生混凝土的研究现状和需要解决的问题[J].混凝土，2006（4）：25－28.
[2]权宗刚.地震后建筑垃圾资源化技术及其在重建中的应用探讨[J].砖瓦，2008（9）：92－95.
[3]王武祥.建筑垃圾的循环利用[J].建材发展导向，2005（1）：67－71.
[4]刘婷婷，张涛.再生混凝土研究现状和存在的问题[J].山东建材，2005（4）：58－60.
[5]GBJ129—90砌体基本力学性能试验方法标准[S].
[6]GB50003—2001砌体结构设计规范[S]