蒸壓粉煤灰磚的研究與應(yīng)用

在本試驗中使用的研磨磨粉碳灰磚是由粉煤灰、水泥、激勵材料和骨料制成的高級粘土粉磚，通過制備、壓碎、高溫高壓氣（蒸汽溫度176c以上，工作壓力0.8m以上）等工藝過程制成的高產(chǎn)粉碳灰磚。其規(guī)格尺寸與普通粘土粉相同，為240153mm。蒸壓粉煤灰磚活性組分水熱反應(yīng)充分,強(qiáng)度高,性能趨于穩(wěn)定。其抗壓強(qiáng)度可達(dá)10MPa—20MPa,能經(jīng)受住30次凍融循環(huán)的抗凍要求。由于它是一種有潛在活性的水硬性材料,在潮濕的環(huán)境能夠繼續(xù)產(chǎn)生水化反應(yīng),使磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密,有利于強(qiáng)度的提高,根據(jù)試驗和眾多實際工程的調(diào)查發(fā)現(xiàn),把用于勒角、基礎(chǔ)及排水溝等處的蒸壓粉煤灰磚取樣做試驗,經(jīng)過一、二十年的凍融和干濕雙重作用,有的磚已完全碳化,但強(qiáng)度并未降低,而均有所提高,這是粉煤灰磚的一個優(yōu)越性。生產(chǎn)蒸壓粉煤灰磚可大量應(yīng)用粉煤灰,而且可以利用濕排灰,每1m3磚至少可用800kg粉煤灰,一個年產(chǎn)5000萬塊標(biāo)磚的工廠、年可用掉6萬噸粉煤灰,這對節(jié)約土地,保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著深遠(yuǎn)的意義。目前粉煤灰磚在全國已有一定的生產(chǎn)規(guī)模,應(yīng)用已相當(dāng)普遍,并制定有產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC239-2001。蒸壓粉煤灰磚的建筑設(shè)計與施工,一些地方已制定了專門的地方規(guī)程,但目前尚未統(tǒng)一,設(shè)計與施工主要參照采用與普通粘土磚、燒結(jié)粉煤灰磚的規(guī)程和規(guī)范,即GBJ3-88“砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范”和GB50203-98“砌體結(jié)構(gòu)施工及驗收規(guī)范”,其結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計值與標(biāo)準(zhǔn)值沒有一套完整可靠的數(shù)據(jù)可提供(3)。為此,我們結(jié)合蒸壓粉煤灰磚的實際情況,在參照GBJ129-90“砌體基本力學(xué)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)”的基礎(chǔ)上,經(jīng)過仔細(xì)研究確定了一套試驗方案,在東北建筑設(shè)計院,全國砌體結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)起草委員會主任苑振芳教授的指導(dǎo)下,進(jìn)行了蒸壓粉煤灰磚砌體軸心抗壓強(qiáng)度、沿通縫截面抗剪強(qiáng)度、沿通縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度、沿齒縫截面彎曲抗拉強(qiáng)度及砌體的彈性模量等五項砌體結(jié)構(gòu)性能試驗,得出了一套較完整的試驗數(shù)據(jù),具體論述如下:1、試驗中選擇的原材料1.1主要技術(shù)性能全部試驗用磚系采用吉林省建材工業(yè)設(shè)計研究院粉煤灰磚的專項技術(shù),利用大慶油田熱電廠粉煤灰和其它當(dāng)?shù)卦?在輝南隆基合力駟墻體材料廠試生產(chǎn)的中試產(chǎn)品。主要技術(shù)性能:(1)單塊標(biāo)磚重量:2.1kg/標(biāo)磚(2)吸水率:19.3%(3)干燥收縮-0.26mm/m(4)平均抗壓強(qiáng)度:18.5MPa單塊最小值12.6MPa(5)平均抗折強(qiáng)度3.4MPa,單塊最小值2.4MPa(6)抗凍性以上水中凍5h融3h,30次循環(huán)合格,凍后強(qiáng)度19.8MPa,質(zhì)量損失0.2%。試驗編號:2001墻體31—1,2001—217—1。1.2水泥：p.032.5蛇牌大連天馬有限公司,實測強(qiáng)度:35.7MPa,試驗編號:01～0456。1.3泥塊含量、充填密度飲馬河產(chǎn)、中砂,II區(qū),顆粒級配合格。含泥量<1.3%,泥塊含量0.4%,空隙率47%,堆積密度1360kg/m3,表觀密度2.56g/cm3,μf:2.9,試驗編號:01～0268。1.4抗壓強(qiáng)度及養(yǎng)護(hù)條件配合比:水泥:砂子:摻合料(消石灰粉)=1:6.24:0.51,砂漿稠度8cm,7天抗壓強(qiáng)度3.4MPa,28天抗壓強(qiáng)度:5.8MPa,養(yǎng)護(hù)條件:標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。2、試驗場地和設(shè)備2.1測試場長春工程學(xué)院建設(shè)工程檢測中心(吉林省建設(shè)廳建工、建材一級試驗室)試驗溫度:18～23℃,相對溫度:55～65%2.2主要試驗設(shè)備(1)液壓式萬能試驗機(jī)(2)計算機(jī)自動測量及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(精度10N)(3)杠桿式傳動計數(shù)引伸儀(4)數(shù)碼相機(jī)3、抗壓強(qiáng)度和軸向壓力的選擇3.1試件的養(yǎng)護(hù)和試驗過程本次試驗共采用3組試件,砌筑方式如圖(1)示。試件的尺寸為240×370×720(mm),灰縫厚10mm,試件高厚比3.0,符合β=2～3的要求;試件砌筑在厚10mm帶吊鉤鋼板上,砌筑前鋼板用水平尺找平,砌筑中用皮數(shù)桿控制灰縫厚度,用水平尺控制試件的平整度,試件均在室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28d后開始試驗。試件的測試儀表如圖(1)所示,在其二個寬側(cè)面的中軸線上,分別安置一個杠桿引伸儀,以測量試件的軸向變形,測點距離均為試件高的1/3處。試驗前,先在壓力試驗機(jī)的下壓板上鋪一層干砂,并使試件鋼墊板與干砂之間密實,然后調(diào)節(jié)試件位置,將其對中。再在試件頂部鋪一層濕細(xì)砂,將試驗機(jī)上壓板緩緩壓下,在預(yù)估極限荷載的10～20%范圍內(nèi)反復(fù)試壓,讀取試件兩寬側(cè)面的變形值,看相對誤差是否在10%范圍內(nèi)。否則重新調(diào)節(jié)試件位置,直到滿足這一條件,預(yù)壓后卸荷,重新讀初始值。荷載分級施加,每級荷載約為預(yù)估荷載的10%,并在1～2min內(nèi)加完,然后持荷1～2min,進(jìn)行儀表讀數(shù)。3.2砌體實際破壞階段整個實驗全過程砌體受力及破壞現(xiàn)象見表1(系根據(jù)極限壓力值調(diào)整荷載百分?jǐn)?shù),臨近平均值的一組),其與普通實心粘土磚類似,蒸壓粉煤灰磚砌體軸心受壓過程大致可分為三個階段。試件在其荷載破壞值的50%以下時,其兩側(cè)面千分表所測的軸向變形為0,表明砌體處于彈性階段;當(dāng)荷載加至破壞荷載的50～75%時,砌體窄面上單塊磚首先開裂,一般位于中間豎縫附近,此時表1、表2開始變化,如停止加荷,裂紋則停止發(fā)展;如果繼續(xù)加荷裂紋則繼續(xù)發(fā)展,如圖(2)所示,砌體逐漸轉(zhuǎn)入第II階段工作,隨著荷載的不斷增加,當(dāng)加大破壞荷載的80～90%左右,單塊磚內(nèi)的部分裂紋將連接起來逐漸形成貫通幾層磚的豎向裂縫。第二階段荷載的破壞特征是如果荷載不再增加,裂縫仍將繼續(xù)擴(kuò)展,實際上因為建筑物是在長期荷載作用下,應(yīng)認(rèn)為這一階段就是砌體的實際破壞階段,實際工程中應(yīng)控制長期荷載不超過比值(3)。隨著荷載的進(jìn)一步增大,砌體內(nèi)發(fā)出爆裂聲,窄面中間處裂縫,寬面的上角部出現(xiàn)裂縫,并發(fā)展較快,這是試件頂部平面兩個方向上的橫向變形所致,由于底部受鋼墊板的約束,故未見角部裂縫,當(dāng)達(dá)到極限荷載時,在其短期作用下,只聽“嘣”的一聲,試件被劈裂成互不連接的幾個類似矩形狀的小柱,見圖片(3),可視為第III破壞階段,此時,試驗機(jī)壓力快速回檔,宣告試件已完全破壞。3.3評估結(jié)果和壓力分析3.3.1評估結(jié)果3.3.1.修正系數(shù)的確定單個試件的軸心抗壓強(qiáng)度fc,m,應(yīng)按下式計算,其結(jié)果取值應(yīng)精確至0.01N/mm2fc,m=N/Afc,m——試件的抗壓強(qiáng)度(N/mm2)N——試件的抗壓破壞荷載值(N)A——試件的截面面積(mm2)試件(1)N=332.0kN,A=87885mm2,fc,m=3.78MPa試件(2)N=418.0kN,A=88349mm2,fc,m=4.73MPa試件(3)N=288.0kN,A=88972mm2,fc,m=3.24MPa;平均值fc,m=3.92MPa因砌體的截面尺寸符合β(高厚比)等于3.0之規(guī)定(GBJ129—90)。故其修正系數(shù)φ=1.0;由此確定,該蒸壓粉煤灰磚砌體的軸心抗壓強(qiáng)度應(yīng)為3.92MPa。3.3.1.抗壓強(qiáng)度l試件(1)～(2)的應(yīng)變曲線如圖(4)示其彈性模量就按下式計算E——砌體的彈性模量(MPa)fc,m——軸心抗壓強(qiáng)度ε0.4——軸向應(yīng)變值(對應(yīng)于0.4fc,m時)3.3.2砌體的厚度和厚度蒸壓粉煤灰磚的表面比普通紅磚的表面平整、光潔。相比之下,砂漿在磚表面的鋪設(shè)比較均勻,提高了單塊磚的受壓均勻性,又由于其外觀尺寸的均勻性,(變形、翹曲度等尺寸幾近于0),比普通紅磚更容易鋪設(shè)成厚度和密實性都比較均勻的水平灰縫,使磚表面上灰縫更平整、均勻、等厚。將上層傳下來的壓力均勻地傳到下層磚上,減小了壓力對磚的彎剪作用。提高了其整體受壓力的均勻分布。故強(qiáng)度級別相同的蒸壓粉煤灰磚的砌體軸心抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通紅磚(普通紅磚砌體標(biāo)準(zhǔn)值是2.38MPa)。至于砌體的整體受力分析及砌體強(qiáng)度低于單磚強(qiáng)度的分析,很多學(xué)術(shù)資料及教材都有較詳盡的敘述,這里就不再敘述。4、抗修剪強(qiáng)度沿通縫截面4.1試驗裝置及測量參數(shù)試件采用3層共9塊磚砌成的雙剪試件,控制灰縫10mm。(如圖(5)示)當(dāng)試件的砂漿強(qiáng)度達(dá)到70%以上后,將試件立放,先后對承壓面和加荷面采用1:3水泥砂漿找平,找平層厚約10mm左右,上、下找平層應(yīng)相互平行,并垂直于受剪面的灰縫,其平正度用水平尺校檢,試驗裝置采用液壓式萬能試驗機(jī)上下受力面(如圖(5)示)由細(xì)砂找平,墊鋼板支撐,采用自動測量加壓及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。加荷速度0.8kN/s,勻速連續(xù)加荷,加荷過程在3min內(nèi)完成。4.2應(yīng)力作用下,砂漿與磚的粘連強(qiáng)度試驗結(jié)果試件破壞均沿兩豎向砂漿縫剪切面發(fā)生,并形成如圖(5)示的破壞狀態(tài)。從破壞的形態(tài)來看,受剪面中部的砂漿在主應(yīng)力的作用下先行出現(xiàn)微裂紋,隨著應(yīng)力增大,砂漿開裂,中間芯部與兩邊部逐漸發(fā)生位移并增大,然后砌體沿豎向砂漿縫分離,整個試驗9塊磚除受壓面凸出的單塊磚受到輕微破壞外,其他無較大程度破壞,由此可見,在應(yīng)力作用下,砂漿與磚的粘接強(qiáng)度起關(guān)鍵作用。數(shù)據(jù)的結(jié)果處理應(yīng)按下式計算:fv,m——試件沿通縫截面的抗剪強(qiáng)度(MPa)Nv——試件的抗剪破壞荷載值(N)A——試件的一個受剪面的面積(mm2)5、帶芯的彎曲強(qiáng)度5.1試件結(jié)構(gòu)及試驗構(gòu)件設(shè)計試件采用如圖(6)所示砌筑方式,立砌,尺寸為240×370×930mm(長度為試件跨度+60mm),要求灰縫飽滿,橫平豎直,寬度為8—10mm,尺寸均勻,并用水平尺校平,試驗采用簡支梁三分點集中加荷的辦法,試件的支座處及荷載作用處預(yù)先用1:3水泥砂漿找平,找平層厚10mm左右,寬度50mm左右。操作時,在試件上標(biāo)出支座及荷載作用線的準(zhǔn)確位置,并應(yīng)在純彎屈段,測量截面尺寸,精度為1mm,測自重并精確至10N,在試驗臺上,按筒支梁三分點集中加荷的要求,使試件準(zhǔn)確就位,采用均速加荷的辦法,加荷速度為4.0KN/s,即在3—5min內(nèi)加荷完畢。5.2砂漿與磚的粘結(jié)強(qiáng)度試件破壞前沒有明顯的預(yù)兆,破壞時發(fā)出生較大聲響,如圖(6)所示,破壞均沿中間部位的剪切面砂漿縫處開裂,磚面未破壞,由此可見,砂漿與磚的粘結(jié)強(qiáng)度在此亦起決定作用。數(shù)據(jù)處理應(yīng)按如下方式計算:Nt,m=試件的抗彎破壞荷載值,包括荷載分配梁等物件自重(N)l—試件跨度(mm)G—試件的自重(N)b—試件的截面高度(mm)h—試件的截面高度(mm)6、軸沿著牙齒的開口部分的抵抗力6.1試驗設(shè)備的設(shè)計和實驗方法試件采用如圖(7)示砌筑方式,平砌,一順一丁。尺寸為240×370×1060mm,其試驗方法同5。6.2縫斷裂率試件的破壞狀況與5相似,只是破壞面是沿齒縫斷裂,受彎面中部的砂漿在主應(yīng)力作用下先沿45°方向被拉斷,然后砂漿與磚的接觸面被拉斷,斷裂面形成了如圖(7)示的嚙合狀。7、煤灰磚抗剪性能(1)該等級的蒸壓粉煤灰磚用M5.0砂漿砌筑,其砌體各項強(qiáng)度值見各章節(jié)。(2)同強(qiáng)度等級的蒸壓粉煤灰磚砌體的軸心抗壓強(qiáng)度和砌體的彈性模量均大大高于燒結(jié)普通磚的相對強(qiáng)度,約分別提高65%,103%,其抗剪強(qiáng)度亦有較大幅度的提高。(3)同強(qiáng)度等級的蒸壓粉度煤灰磚砌體的沿通縫截面的彎曲抗拉強(qiáng)度、沿齒縫截面的彎曲抗拉強(qiáng)度與燒結(jié)普通磚的基本持平,與其抗壓強(qiáng)度等的提高幅度不匹配。未提高的主要原因是因為蒸壓粉煤灰磚的表面比燒結(jié)普通磚的表面光滑,砂漿的粘結(jié)力相對較低造成的,這就需要配制蒸壓粉煤灰磚的專用砂漿以提