粉煤灰混凝土磚—一種新型墻體材料的試驗(yàn)研究

[摘要] 本文通過對(duì)一種新型墻體材料的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析比較,為該產(chǎn)品的推廣和設(shè)計(jì)、施工提供了詳盡的數(shù)據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 粉煤灰混凝土磚;砌體力學(xué)性能

1 概述

    隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 住宅建設(shè)已成為基本建設(shè)的重要方面。而目前, 住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又以限制粘土磚的生產(chǎn), 發(fā)展新型墻體材料為重要方向。目前,各種新型墻體材料不斷涌現(xiàn), 一些新型材料的性能優(yōu)良, 可以起到代替粘土磚的作用。但由于設(shè)計(jì)人員對(duì)這些材料的性能不了解,所以在設(shè)計(jì)上不敢大膽使用, 這使得許多材料只能作為填充墻作用, 從而限制了企業(yè)的發(fā)展。

    常熟是全國170 個(gè)到2003 年7 月1 日前禁止使用實(shí)心粘土紅磚的試點(diǎn)城市之一。為了能盡快向社會(huì)提供出一種既能為使用者接受又能在性能上替代粘土磚的新型墻材, 常熟某廠生產(chǎn)了一種新型蒸養(yǎng)粉煤灰混凝土磚(240 × 115 ×53) 。為了給設(shè)計(jì)人員提供出該材料的各種性能數(shù)據(jù), 該公司委托江蘇省建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。

2 原材料及磚的物理力學(xué)性能

2. 1 原材料

①水泥為32. 5 的普通硅酸鹽水泥

②砂采用取材廣泛的河砂或礦山石砂

③考慮到濕灰不利于攪拌且活性低, 并在考慮經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上,粉煤灰采用Ⅲ級(jí)以上干灰

④石屑

2. 2 磚的物理力學(xué)性能結(jié)果見表1

    由于該產(chǎn)品是一種新型材料, 沒有專門的標(biāo)準(zhǔn), 所以檢測(cè)依據(jù)參照了JC239 - 2001《粉煤灰磚》。通過檢測(cè), 我們發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的性能比預(yù)計(jì)的要好,達(dá)到了一等品MU20 的技術(shù)要求。尤其是干燥收縮率非常小,僅為0. 14mm/ m。普通混凝土砌塊的混合料屬于貧水泥混凝土, 在其中摻入一定的粉煤灰, 調(diào)整了混合料的級(jí)配, 有效地改善了混合料的工作性能。在同樣的成型條件下可增加密實(shí)性,降低混凝土內(nèi)部空隙率,減少干縮,提高砌塊強(qiáng)度。

3 砌體的力學(xué)性能和熱工試驗(yàn)

    對(duì)于砌體的力學(xué)性能試驗(yàn), 我們主要進(jìn)行了砌體的抗壓、抗剪、彎曲抗拉強(qiáng)度等試驗(yàn)。由于砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和主要承重構(gòu)件的砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般都采用M10 , 所以我們把試驗(yàn)的重點(diǎn)也放在砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M10 的砌體上, 適當(dāng)做一部分砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M5、M7. 5 的砌體。試驗(yàn)方法按國標(biāo)BGJ129 - 90《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》

3. 1 砌體抗壓強(qiáng)度見表2

    砌體的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)共測(cè)試了砂漿強(qiáng)度等級(jí)M10 的砌體21 個(gè)、M7. 5 的砌體3 個(gè)、M5 的砌體3 個(gè)。砌體抗壓強(qiáng)度的試件尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)要求的240mm×370mm×720mm的試件。為了使鋪砌方便, 并使灰縫獲得較均勻的厚度和密實(shí)性,所用砂漿為水泥石灰混合砂漿。從試驗(yàn)的結(jié)果(表2) 來看,該產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度值較高。這主要是由于該產(chǎn)品的表面平整度比燒結(jié)普通磚的表面要光滑和平整。由于磚本身總是存在一定的不平整度,在受壓時(shí),每塊磚并不是支撐在其整塊面積上, 我們可以夸大的設(shè)想僅支撐在個(gè)別剛性部位。因此在荷載作用下,磚內(nèi)除了有壓應(yīng)力外,還引起了彎曲和剪應(yīng)力。所以平整度高的塊體的砌體抗壓強(qiáng)度也高。

    由于M10 的砌體組數(shù)較多, 共21 個(gè), 試驗(yàn)沒能在短期內(nèi)完成, 這使得砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為M10 砌體存在不同的強(qiáng)度。為推算砌體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,我們到其中砂漿強(qiáng)度實(shí)測(cè)值相同的9 個(gè)構(gòu)件來進(jìn)行計(jì)算。

    在對(duì)27 個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后, 參照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B 中燒結(jié)普通磚的公式, 我們提出該產(chǎn)品的砌體抗壓強(qiáng)度平均值計(jì)算公式。為計(jì)算方便,設(shè)計(jì)計(jì)算公式的形式和燒結(jié)普通磚相同:

fm = k₁f₁^a (1 + 0. 07 f₂) k₂             (1)

    由于沒有試驗(yàn)砂漿強(qiáng)度小于1 時(shí)的情況, 所以k2 沒有得出相應(yīng)的計(jì)算公式。利用最小二乘法原理,我們得出了相應(yīng)的計(jì)算公式。規(guī)范中的公式和該產(chǎn)品的公式見表3。

注:1、k2 在表列條件以外時(shí)均等于1 ;

2、式中f1 為塊體抗壓強(qiáng)度平均值; f2 為砂漿抗壓強(qiáng)度平均值。單位均以MPa 記;

3、未考慮f2 < 1 時(shí)的情況。

另外, 在試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的出現(xiàn)裂縫荷載和破壞荷載很接近, 出現(xiàn)裂縫荷載大約為破壞荷載的60 %～ 70 % ,這是設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題。

3. 2 砌體沿通縫截面抗剪強(qiáng)度見表4

    砌體沿通縫的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)共測(cè)試了砂漿強(qiáng)度等級(jí)M10 的砌體14 個(gè)、M7. 5 的砌體6 個(gè)、M5 的砌體6 個(gè)。砌體的抗剪強(qiáng)度與灰縫強(qiáng)度有關(guān), 而灰縫強(qiáng)度又由砂漿和磚的粘接力所決定。根據(jù)力的作用方向,粘結(jié)力分為法向粘接力和切向粘接力,前者垂直地作用于灰縫,后者則平行于灰縫。當(dāng)受剪時(shí),切向粘接力起著重要的作用。沿通縫抗剪強(qiáng)度采用的是雙剪試驗(yàn)方法, 事實(shí)上砌體中的豎向灰縫是不參與工作的,因?yàn)橐环矫尕Q向灰縫中砂漿不易填滿,另一方面砂漿硬化時(shí)的收縮關(guān)系,使該處的粘接力幾乎被破壞。水平灰縫因砌體隨砂漿硬化收縮而不斷沉降,粘接力所受影響較小。另外砌筑時(shí)磚的含水率對(duì)砌體的抗剪強(qiáng)度有較大影響。由于該產(chǎn)品的吸水率很小。在試驗(yàn)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)磚在濕的情況下,砌筑成型很不理想,所以砌筑時(shí)所用磚均為自然干燥狀態(tài)下的磚。

在檢測(cè)中我們發(fā)現(xiàn)試件的抗剪強(qiáng)度離散較大, 其中M10 砌體的14 個(gè)數(shù)據(jù)中最大為0. 68MPa , 最小為0. 21MPa 。這使得砂漿強(qiáng)度等級(jí)M10 的砌體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值僅為0. 24MPa ,比燒結(jié)普通磚的標(biāo)準(zhǔn)值0. 27MPa 略低。

     三個(gè)不同強(qiáng)度等級(jí)的試件的平均抗剪強(qiáng)度分析后, 推算出相應(yīng)的計(jì)算公式。規(guī)范中的公式和該產(chǎn)品的公式見表5。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和有關(guān)資料表明, 粉煤灰磚的抗剪強(qiáng)度是比較低的, 這主要是由于該產(chǎn)品與砂漿的粘接強(qiáng)度低的原因,另外該產(chǎn)品表面比較光滑也是一個(gè)重要因素。因此可以考慮在以后生產(chǎn)中增加表面的粗糙程度或設(shè)置凹槽, 以增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度。

3. 3 砌體彎曲抗拉強(qiáng)度

    砌體沿通縫彎曲抗拉強(qiáng)度共測(cè)試了砂漿標(biāo)號(hào)M10 的砌體3 個(gè)、M7. 5 的砌體3 個(gè)、M5 的砌體3 個(gè)。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少, 僅計(jì)算了它們的平均值, 分別為: 0. 41MPa 、0. 22MPa 、0. 20MPa 。砌體沿齒縫彎曲抗拉強(qiáng)度也按上述方法測(cè)試了9 個(gè)砌體,平均值分別為:1. 16MPa 、0. 69MPa 、0. 55MPa 。從測(cè)試的結(jié)果來看該產(chǎn)品的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值都比GB 50003 - 2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B 中的粘土磚砌體的相應(yīng)強(qiáng)度相近。

3. 4 熱工性能

    為了了解該產(chǎn)品的熱工性能, 我們對(duì)該產(chǎn)品的砌體按GB/ T13475《建筑構(gòu)件穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)的測(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》進(jìn)行了比熱阻試驗(yàn)。砌體的測(cè)試一般有三種方法: 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法(熱流計(jì)法) ; 護(hù)熱板法; 護(hù)熱箱法和標(biāo)定熱箱法。其中第三種方法是目前比較流行且精度較高的測(cè)試方法,比較適合于混凝土磚等一些新型墻體材料。我們對(duì)1200 ×1200 ×240 的試件測(cè)試了未粉刷的比熱阻,測(cè)試結(jié)果為0. 366 .k/w。由于測(cè)試方法不同,因此有關(guān)資料對(duì)各種墻體材料的熱阻有不同的數(shù)據(jù)。一般來說240 厚未粉刷的粘土磚墻體的熱阻為0. 4 .k/ w左右、混凝土雙排孔砌塊為0. 4～0. 5 .k/ w左右、一厚三排孔浮石混凝土為0. 6 左右。因此該材料與粘土磚的熱工性能相近,比多孔磚和空心砌塊要低一些。

4 經(jīng)濟(jì)分析和工程應(yīng)用價(jià)值

4. 1 節(jié)土節(jié)能十分可觀

粉煤灰混凝土磚不用粘土。一個(gè)10萬.墻材廠每年可少毀良田60畝。假如幾年內(nèi)形成50萬.規(guī)模替代3. 5億粘土紅磚,每年可節(jié)約土地資源300畝,這是十分可觀的節(jié)土效益。粉煤灰混凝土磚的免燒磚綜合能耗約30kg/ . , 標(biāo)煤而粘土實(shí)心紅磚綜合能耗是76kg/ . ,以上數(shù)據(jù)可以看出節(jié)能效果十分明顯。

4. 2 利廢為寶

    粉煤灰混凝土磚的主要原材料之一是粉煤灰。粉煤灰是電廠和小型熱電廠的廢料, 不加利用將對(duì)社會(huì)產(chǎn)生可怕的環(huán)境污染。

4. 3 推動(dòng)地方新型墻材應(yīng)用力度

    新型墻體材料在推廣應(yīng)用中增長速度不盡人意, 問題在于:盡管種數(shù)繁多,但還沒有被設(shè)計(jì)、施工、用戶十分認(rèn)可的產(chǎn)品。而該產(chǎn)品具有節(jié)土、節(jié)材、節(jié)能、利廢眾多優(yōu)越性, 它符合我國新型墻體材料的發(fā)展方向,且性能優(yōu)良,能夠代替粘土磚,對(duì)社會(huì)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

    2004 年5 月,該產(chǎn)品在大量的研究分析、檢測(cè)報(bào)告和用戶使用報(bào)告的基礎(chǔ)上通過了省級(jí)鑒定。應(yīng)該說,該產(chǎn)品雖然通過了鑒定,但試驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)畢竟有限,工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不多, 尚需要對(duì)它的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究和更多大量的工程實(shí)例驗(yàn)證,以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的編制,以指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工和質(zhì)量驗(yàn)收。它的施工工法、抗震性能和墻體收縮等還需要進(jìn)一步研究。從目前的數(shù)據(jù)來看,該產(chǎn)品應(yīng)該是一種潛在比較理想的粘土磚替代產(chǎn)品