摘要：對(duì)同一種原材料、相同的制作工藝制作的4 種不同塊型的混凝土塊材抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過強(qiáng)度理論和有限元分析，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證和修正，建立了塊材抗壓強(qiáng)度與原材料強(qiáng)度等級(jí)及塊型的關(guān)系，分析得到了各種不同塊型塊材的體型系數(shù)，為塊材抗壓強(qiáng)度建立了統(tǒng)一的衡量尺度，并為確定塊材最低強(qiáng)度等級(jí)提供了參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：磚；多孔磚；空心磚；砌塊；強(qiáng)度等級(jí)；體型系數(shù)
按照我國GB/T 2542—2003《砌墻磚試驗(yàn)方法》，普通磚的抗壓強(qiáng)度是將磚切斷成兩截，然后搭砌100 mm，形成115mm×100 mm×106 mm 的試件進(jìn)行試驗(yàn)的，而多孔磚、空心磚和砌塊則是由整塊磚上、下表面用水泥漿抹平后試驗(yàn)的。由于試件尺寸不同，塊材的強(qiáng)度等級(jí)衡量標(biāo)準(zhǔn)不一致，造成每種材的強(qiáng)度等級(jí)無法橫向比較。ISO 的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[1]是將各種塊材的抗壓強(qiáng)度通過塊材體型系數(shù)換算成試件尺寸為100mm×100 mm×100 mm的名義強(qiáng)度來衡量。由于我國長期習(xí)慣于普通磚抗壓強(qiáng)度的表示方法，本文通過試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果，將其它塊材的抗壓強(qiáng)度換算成普通磚的名義抗壓強(qiáng)度。
1 基本假設(shè)
?。?）塊材實(shí)體為連續(xù)、均勻的彈性介質(zhì)；
（2）因塊材試驗(yàn)時(shí)，受試驗(yàn)機(jī)上、下壓板摩擦力約束，塊材上、下表面無水平位移；
（3）材料具有彈—脆性性質(zhì)，即一旦塊體內(nèi)最大拉應(yīng)力處達(dá)到屈服，即認(rèn)為整個(gè)塊材破壞。
2 破壞準(zhǔn)則
塊材在豎向壓力作用下，其內(nèi)部的微元體上的應(yīng)力狀態(tài)主要為T/T/C 三向受力狀態(tài)，容易破壞的區(qū)域通常在遠(yuǎn)離上、下壓板的塊體中部，這個(gè)區(qū)域的3 個(gè)主應(yīng)力σ1>0、σ2>0、σ3<0。對(duì)于多孔的塊材，σ2 通常很小，可以忽略不計(jì)，因此，可以采用二軸破壞準(zhǔn)則。
采用Tasuji- Slate- Nilson 二軸破壞準(zhǔn)則[2- 3（] 見圖1），塊體在T/C 應(yīng)力狀態(tài)下（圖1 中CD 段），其破壞準(zhǔn)則為：
s———主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力的比值；
ft———混凝土單軸抗拉強(qiáng)度。
3 塊體抗壓強(qiáng)度
3.1 試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果
塊材的強(qiáng)度等級(jí)按照GB/T 2542—2003 《砌墻磚試驗(yàn)方法》和GB/T 4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)方法》，得到A、B、C、D 4 種塊材試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度平均值（每組10 個(gè)試件）分別為：17.5 MPa、12.3 MPa、12.8 MPa、5.7 MPa。
3.2 塊體受壓時(shí)的應(yīng)力分析
由于上、下壓板摩擦力約束，近似假定上、下面節(jié)點(diǎn)無水平位移，上、下兩表面，一個(gè)為加壓表面，另一個(gè)為無約束縱向位移表面，這與實(shí)際試驗(yàn)約束條件非常吻合。
在塊體受壓標(biāo)準(zhǔn)試件頂面按凈截面面積作用單位均布荷載，將該荷載化為節(jié)點(diǎn)集中力后，利用ANSYS 分析軟件進(jìn)行分析。輸入原材料的彈性模量和泊松比后，得到最大主拉應(yīng)力
σtmax（σ1）單元的應(yīng)力狀態(tài)（見表1）。
3.3 塊體抗壓強(qiáng)度
根據(jù)基本假定可知，當(dāng)磚內(nèi)最大主拉應(yīng)力達(dá)到復(fù)雜應(yīng)力下的破壞準(zhǔn)則時(shí)，即滿足式（2）時(shí)，試件頂面的凈截面應(yīng)力即為塊體凈截面抗壓強(qiáng)度f1n：
我國現(xiàn)常用的塊材形式有4 類：實(shí)心磚、多孔磚、空心磚及砌塊，本文試驗(yàn)在每一類中選取一種有代表性的塊材形式作為試驗(yàn)研究對(duì)象（見圖2），采用同一盤原材料（混凝土摻少量粉煤灰）、相同成型機(jī)具制作出試驗(yàn)用塊材，并采用相同環(huán)境進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[4]。
將同一盤混凝土（立方抗壓強(qiáng)度實(shí)測值為13.2 MPa），采用相同制作工藝制作的4 種不同塊材的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果以及有限元分析結(jié)果代入式（4），可以得到每個(gè)試件的強(qiáng)度修正系數(shù)，然后由全部40 個(gè)試件的強(qiáng)度系數(shù)統(tǒng)計(jì)得到k=0.043（變異系數(shù)為0.07）。
4 塊體的體型系數(shù)
由于受到試驗(yàn)機(jī)上下壓板的約束作用，在原材料相同的條件下，塊材抗壓強(qiáng)度將隨著塊高的增加和塊體平面尺寸的減少而降低。將各種塊型塊材的抗壓強(qiáng)度f1 乘以體型系數(shù)Ψ，則得
到塊材的名義抗壓強(qiáng)度（普通磚試件尺寸的抗壓強(qiáng)度）：f1，nom=Ψf1=Ψ（1- δ）f1n=Ψ'f1n （5）
式中，Ψ'———塊材的凈截面強(qiáng)度體型系數(shù)，Ψ'=（1- δ）Ψ。
假設(shè)用C13.2 混凝土制作各種不同塊型的塊材，可以利用公式（3a）及有限元分析得到各種不同塊型塊材的抗壓強(qiáng)度f c1 ，不同塊型塊材的體型系數(shù)Ψ' 為普通磚抗壓強(qiáng)度與其抗壓
強(qiáng)度的比值。本研究將我國常用的實(shí)心和空心塊材進(jìn)行了分析計(jì)算，總共16 種塊材，塊材尺寸變化范圍為：長度115～240mm、寬度60～175 mm、高度90～175 mm、孔洞率0～47%。通過分析得到的每種塊材的Ψ（' 圖4 中散點(diǎn)），然后統(tǒng)計(jì)得出：Ψ'=1.5- 0.5b/h （6）
式中，b———塊寬（短邊尺寸）；h———塊高。
各種塊材的凈截面強(qiáng)度體型系數(shù)Ψ' 與按式（6）的計(jì)算值見圖3。
國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/FDIS 9652- 4—2000《砌體試驗(yàn)方法》附錄A[1]中給出了塊體的體型對(duì)塊體強(qiáng)度的影響系數(shù)，表中給出的塊體寬高比小于2.0 的共22 種情況，按公式（6）得到的計(jì)算
值與該表中給定值的比值平均為0.867（變異系數(shù)為11.2%）。值得注意的是，國際標(biāo)準(zhǔn)中名義強(qiáng)度的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，塊體抗壓強(qiáng)度均按毛面積計(jì)算，未考慮塊材孔洞率的影響。
5 討論
由式（5）及式（6）可以得到，各種塊材的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值可以按式（7）等效為普通磚的抗壓強(qiáng)度（名義抗壓強(qiáng)度）：f1，nom=（1.5- 0.5b/h）f1/（1- δ）（7）
對(duì)于我國常用塊材，當(dāng)其名義抗壓強(qiáng)度為10 MPa 時(shí)，塊材抗壓強(qiáng)度如表2 所示。
表2 中，當(dāng)塊體強(qiáng)度等級(jí)為f1 時(shí)（如J 型砌塊強(qiáng)度等級(jí)為MU5）時(shí)，與普通磚的強(qiáng)度等級(jí)為MU10 相當(dāng)。由于塊體的耐久性主要與原材料有關(guān)，因此，在確定塊體的最低強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，如果比較我國砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)普通磚最低強(qiáng)度等級(jí)的要求為MU10，則其它塊型的塊材最低強(qiáng)度等級(jí)可參照表2中f1 確定。
以表2 中J 型砌塊為例，對(duì)于承重砌塊，孔洞率一般為50%，強(qiáng)度等級(jí)為MU5.0 的砌塊的名義抗壓強(qiáng)度就可以達(dá)到MU10；對(duì)非承重砌塊，孔洞率達(dá)到近60%，強(qiáng)度等級(jí)為MU4.0的砌塊的名義抗壓強(qiáng)度就可以達(dá)到MU10。因此，對(duì)承重砌塊，其最低強(qiáng)度等級(jí)建議取MU5.0，而對(duì)非承重砌塊（填充墻），其最低強(qiáng)度等級(jí)建議取MU3.5。
6 結(jié)語
通過試驗(yàn)研究和有限元分析得到的塊體抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型，并用來確定塊材的體型系數(shù)各種塊材的名義抗壓強(qiáng)度可按公式（7）計(jì)算，它為塊材抗壓強(qiáng)度建立了統(tǒng)一的衡量尺度，也為砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范確定塊材的最低強(qiáng)度等級(jí)時(shí)提供了參考依據(jù)。
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