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胶州蒸压粉煤灰砂加气混凝土应力应变全曲线及其砌块砌体力学性能试验研究


墙的售价大大低于普通混凝土墙板,

从工程造价上来说经济优势明显。另一方面,在节能环保上,耗煤量为粘土砖的1/41/2[2],是一种节土、利废、节能的新型墙体材料。除此之外,蒸压加气混凝土也存在一些缺点,但是通过一些途径改善还是完全可以用于建筑。

1.强度低:蒸压加气混凝土砌块抗压强度为110Mpa比实心烧结粘土砖的1030Mpa要小,抗拉强度也比较低。

2.吸水导湿性缓慢[11]:吸水率与其内部孔隙率有关,孔隙率大使得其吸水速度缓慢,这也是蒸压加气混凝土墙体产生干裂的原因之一。

3.干燥收缩性差[12,13]:干燥收缩时蒸压加气混凝土墙体产生裂缝和空鼓的主要原因。施工时保持平衡含水率和使用配套砂浆都是控制其收缩值的主要措施。



1.3蒸压加气混凝土的应用与发展

1.3.1国外的发展

1929年在瑞典建成世界上第一家蒸压加气混凝土生产厂,最初名为“伊通”(英文名为YTONG,Y表示产品生产城市的第一个字母,TONG表示瑞典文中水泥的后缀[8,14])。之后,在瑞典又出现了另一种品牌的蒸压加气混凝土被称之为“西波列克斯”(siporex),随后形成了一大批蒸压加气混凝土生产商,主要集中在波兰、芬兰等北欧国家[15]。在二次大战后,西欧、东欧、前苏联以及日本等国相继引进蒸压加气混凝土生产技术并完善了生产工艺,并涌现出一批专利技术。国外对蒸压加气混凝土的研制和应用较早,并且做了大量的研究试验,从蒸压加气混凝土微观层面到宏观运用都趋于成熟。1983年ElesvierSclenceRbllislelr出版社出版的一本关于蒸压加气混凝土的书就系统的研究了其强度、耐久性,导热性与含水率关系,也对蒸压加气混凝土砌体的挠度、抗剪、弯曲等性能进行了一定的研究[16]。1977年波兰的HallnaZlellblikac为控制砌体裂缝产生对多孔混凝土的微孔结构与其收缩性能的关系进行了研究[17]。1991年希腊的A.Georgiades和J.Marinos对蒸压加气混凝土的微孔结构与收缩之间的关系进一步研究,建立两者之间的函数关系式。此外Hu.WY等人针对北美地区厂家的多种粉煤灰蒸压加气混凝土进行了大量的试验研究,其中主要包括含水率与抗压强度以及与抗拉强度的关系[18]。还有N.Narayanan等人对蒸压加气混凝土的结构及性能进行了全面的总结[19]。

近年来蒸压加气混凝土在美国、日本、韩国和印度等国家发展迅速,他们研究包括对蒸压加气混凝土的改性、蒸压加气混凝土的断裂性能和抗震性能[20,21]。

日本的西波列克斯公司通过利用体积憎水处理法在蒸压加气混凝土配料中掺入硅油,大大提高了产品的性能[22]。此外,美国的研究者通过在蒸压加气混凝土加入纤维对其进行改性并取得良好的技术效果。

1.3.2国内的发展

我国引进瑞典希波列克思公司的专利生产技术,与1965年建成了我国第一家蒸压加气混凝土工厂—北京蒸压加气混凝土厂,1976年以后,由于墙体改革的推
进,蒸压加气混凝土在全国高速发展迅速,促进了工业化大生产。随着蒸压加气混凝土更为广泛的研究,根据我国的具体国情,国外的蒸压加气混凝土所采用的主要原料是水泥、矿渣和砂,这并不适合当时以燃煤为主的中国。为了充分利用粉煤灰,我国早期的蒸压加气混凝土采用以水泥、石灰、粉煤灰及水泥、石灰、砂为主的组合配料。到目前为止,我国成为利用粉煤灰生产、应用数量最多最大的国家,这是我国利用工业固体废弃物生产蒸压加气混凝土对世界的一大贡献。国内对蒸压加气混凝土的研制,主要是清华大学、北京市建材科研所等与北京蒸压加气混凝土厂一起的研究小组,对蒸压加气混凝土砌块、屋面板及内外墙等从生产到设计、施工及结构构造等进行了系统的研究[2]。20世纪以来,我国墙改政策的不断完善,蒸压加气混凝土已经迈入一个新的高速发展时期。蒸压加气混凝土以其优越的保温性能,结构的围护墙中广泛采用,但其砌块抗压和抗拉强度较低使其应用范围受到了限制。50年代初,国内一些单位为了发展蒸压加气混凝土承重性能,曾用一批制品建造了一些试验性建筑,并且取得了一定的实践经验。80年代初,各种蒸压加气混凝土制品越来越被广泛应用,从矿渣砂、粉煤灰以及灰砂逐步开始越来越深入的研究。

对于矿渣砂蒸压加气混凝土的研究最早从清华大学开始,其中对矿渣砂蒸压加气混凝土砌块、砌体的试验研究材料的应力应变全曲线进行了分析,同时指出含水率对矿渣砂蒸压加气混凝土强度的影响较大,而且矿渣砂后期的变形较大,在最大应力时的变形值反而会变小。后来由哈尔滨市建筑设计院蒋秀仑[23]等人对水泥矿渣砂蒸压加气混凝土粘结剂砌体力学性能方面进行了试验研究,包括短期荷载作用下中心受压强度、变形(粘结剂、块材和砌体变形值)、抗裂性能、破坏机理等,初步提出中心受压强度、变形和弹性模量的计算公式。
对粉煤灰蒸压加气混凝土的研究最具代表的是浙江大学、东北设计院等单位。
浙江大学唐仁美[24]对粉煤灰蒸压加气混凝土砌体力学性能进行了试验研究,其中

包括短期荷载作用下中心受压强度、变形、抗裂性能、破坏机理和砌体水平抗剪强度的研究。后来浙江大学严家熺对粉煤灰蒸压加气混凝土砌块砌体抗压强度进行试验,分析了受压砌体破坏形态及影响其抗压强度的主要因素,通过计算机模

拟得出3个回归抗压强度公式。以及浙江大学姚谏[25]等人对初始缺陷的粉煤灰蒸

压加气混凝土砌体轴心受压构件极限承载力的研究,分析了轴压下粉煤灰蒸压加气混凝土砌体构件的工作性能、破坏特征及砂浆的影响,确定了砌体组成材料的本构关系,结合计算机模拟提出计算Pu的纵向弯曲系数建议公式。

中国建筑东北设计研究院、沈阳建筑大学高连玉、赵成文[26]对采用不同砌筑方式的A类蒸压加气混凝土砌块砌体力学性能进行研究,讨论了蒸压加气混凝土砌体的裂缝发展特点和破坏特征,分析了抗压承载力及应力应变关系,表明蒸压加气混凝土承重砌块砌体的强度已经达到甚至超过传统承重砌体的强度,可以作为多层住宅房屋的承重结构。还有徐洪平[27]通过试验研究对轻质高强粉煤灰蒸压加气混凝土砌体的受压性能和粘土实心砖砌体抗压试验进行了对比,发现加气混凝土砌体中的砌块自身强度利用率高,而粘土实心砖砌体中砖的强度利用率相对来说较小,说明其抗压性能较好。

21世纪初,对灰砂蒸压加气混凝土的研究也逐渐开展起来。同济大学程才渊和吴明舜[28]对伊通轻质砂蒸压加气混凝土砌块砌筑的砌体进行了轴压和偏压、抗剪及弯曲抗拉试验,表明砌块利用率达到70%,抗剪强度稍高于M2.5混合砂浆砌筑的粘土砖砌体,弯曲抗拉强度相当于M2.5混合砂浆的粘土砖砌体强度。以及天津大学建筑工程学院的李久鹏[29]以及同济大学的程才渊对蒸压加气混凝土(灰砂、德国伊通砂)砌块的基本力学性能进行了进一步的试验研究并得到了其受压应力应变全曲线以及上升段的曲线方程。
随着蒸压加气混凝土在应用中弊病的不断出现,如墙体产生裂缝,粉刷层起壳、龟裂等等。近些年来,关于蒸压加气混凝土研究资料和文章相继发表,总结起来这些问题的解决办法从以下两点着手[22]:其一是在生产和施工工艺应该严格控制,采取完善的构造措施,一是研发蒸压加气混凝土与之配套砌筑和抹面砂浆。但是引起这些问题产生的原因还是要从蒸压加气混凝土本身材性的研究开始着手。蒸压粉煤灰砂加气混凝土作为加气混凝土的一种新型混合材料,依照加气混凝土的一些共性对其深入研究,以便更多的解决弊病、更方便的用于实际工程显得尤为重要。

1.4本文研究的主要内容

本文所做的研究工作主要是针对蒸压粉煤灰砂加气混凝土的主要特点,从原材料、及其本构关系和所砌筑的砌体三方面进行验研究和理论分析,从材料内部探讨其变形关系以及为结构设计提供一些基本参数。试验材料数量有限以及时间的关系,主要研究内容如下:

1.对于蒸压粉煤灰砂加气混凝土材料,通过立方体抗压强度和轴心抗压强度的试验研究,提出两者之间的转换关系式,同时为建立本构关系提供必要的试验

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资料;并分析其抗压强度与试件尺寸之间的关系式及轴力抗压强度与干密度的关系式。

2.通过蒸压粉煤灰砂加气混凝土单轴受压应力应变全曲线的试验研究,得出

完整的全曲线图形,分析其破坏过程、破坏形式以及全曲线的几何特点,对比与混凝土全曲线的特点,为建立本构关系提供参考模型。

3.对蒸压粉煤灰砂加气混凝土的相关参数进行了试验研究,主要对轴心抗压强度、试件尺寸及含水率与弹性模量的影响关系进行了研究,另外,还对峰值应变和抗压强度的关系、残余强度及泊松比的取值等进行了研究;对单轴受力应力应变全曲线本构方程进行研究,根据全曲线对应的破坏特点,得出蒸压粉煤灰砂加气混凝土的本构模型。