再生砖骨料砌块砌体的基本力学性能试验研究

曹文权，黄靓, 3，高琦，包堂堂，李福安，李隐



再生砖骨料砌块砌体的基本力学性能试验研究

曹文权1，黄靓1, 3，高琦2, 3，包堂堂1，李福安2, 3，李隐1

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 2. 许昌金科资源再生股份有限公司，河南 许昌 461000； 3. 全国循坏经济技术中心，河南 许昌 461000)

通过对再生砖骨料砌块砌体的基本力学性能试验，分析再生砖骨料砌块砌体的破坏过程和特征、极限荷载及变形能力。研究结果表明，再生砖骨料砌块砌体的抗压和抗剪等基本力学性能与普通混凝土小型空心砌块砌体的基本相似。强度平均值与《砌体结构设计规范》(GB50003—2011)的公式计算值相比较，再生砖骨料砌块砌体的抗压和抗剪强度分别降低6%~ 12% 和22%~46%。再生砖骨料砌块砌体采用再生砖骨料砂浆砌筑对砌体抗压强度和弹性模量影响不大，对砌体抗剪强度有显著提高。提出再生砖骨料砌块砌体抗压强度平均值建议公式，试验结果与建议的理论公式的计算值较为接近，对再生砖骨料砂浆和再生砖骨料砌块砌体的推广应用有一定的意义。

再生砖骨料；砌块砌体；抗压强度；抗剪强度

砖在中国应用并发展已经有两千多年的历史，因此在我国墙体材料中，红砖(黏土砖)占有极大的比例。随着我国城镇化进程的不断加快，近年来旧城改造拆除了大量以前的砖混结构，从而导致以废弃红砖为主的建筑垃圾越来越多。目前大部分建筑垃圾废弃红砖都在郊外集中填埋处理，不仅占用农田土地，而且对环境造成严重污染，其处置问题迫切需要解决。混凝土小型空心砌块满足可持续性发展的要求，是一种非常有竞争力的墙体新材料[1]，将废弃红砖破碎加工成再生砖骨料制备再生混凝土小型空心砌块是一种循环再生利用废弃红砖的方式，也是发展绿色环保建筑材料的重要方向。另外，如果筛分出来的再生砖细骨料还可以替代天然砂制备再生砂浆，那么可以极大地提高废弃砖骨料的利用率，产生更高的效益，对可持续发展社会经济具有重大意义。因为混凝土小型空心砌块这种墙体材料强度不高，所以用再生砖骨料混凝土制备再生混凝土小型空心砌块是完全可行的。ZONG等[2−5]对采用再生混凝土骨料制作砌块和砂浆进行了研究，陈忠范等[6−7]对再生混凝土砌块砌体也有一些研究，发现再生混凝土骨料可以应用于砌块砌体结构。但是国内外有关废弃红砖再生骨料应用于砌块砌体结构的研究极少。本文对再生砖骨料砌块砌体进行了基本力学性能试验研究，分析了再生砖骨料砌块砌体的破坏过程、破坏特征、极限荷载和弹性模量等，对再生砖骨料砂浆和再生砖骨料砌块砌体的推广应用有一定的意义。

1 试验简介

1.1 试验材料

随着再生骨料的掺入，一般情况下再生混凝土空心砌块强度会比较低，《墙体材料应用统一技术规范》(GB50574—2010)[8]要求外填充墙砌块强度等级不应低于MU5，砌筑砂浆强度等级不应低于M5。试验选用低强度再生砖骨料混凝土小型空心砌块，按《混凝土砌块和砖试验方法》(GB/T 4111—2013)[9]的规定测定砌块的强度，再生砖骨料混凝土小型空心砌块抗压强度实测平均值为5.7 MPa，大于5.0 MPa，变异系数为0.19。试验选用普通水泥砂浆和再生砖骨料砂浆2种不同的砂浆砌筑，按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009)[10]的规定测定砂浆的强度，试验结果见表1。

表1 砂浆抗压强度试验结果

1.2 试件设计

试验采用的再生砖骨料混凝土小型空心砌块主砌块尺寸大小为390 mm×190 mm×190 mm，孔洞率为57%，砌块见图1。试验按照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)[11]的要求进行试件设计和制作，砌体试件尺寸为390 mm×190 mm×590 mm，试件见图2。

图1 再生砖骨料混凝土小型空心砌块

抗压试件分4组，每组3个试件，编号为P5Y-1~3，H5Y-1~3，P10Y-1~3和H10Y-1~3，抗压试件见图3；抗剪试件分4组，每组6个试件，编号为P5J-1~6，H5J-1~6，P10J-1~6和H10J-1~6，抗剪试件见图4。P代表普通水泥砂浆砌筑，H代表再生砖骨料砂浆砌筑。

单位：mm

图3 抗压试件

图4 抗剪试件

1.3 实验装置和加载方案

本试验为静力加载试验，试件采用金科资源再生股份有限公司的美特斯500 t压力试验机加载。抗压试验开始时先预加荷载20 kN，然后卸载，抗压试件正式加载时每级荷载为预估破坏荷载的10%，然后持荷1~2 min后再进行下一级加载，当分级加荷至预估破坏荷载的80%之后，连续加荷至试件破坏，过程中注意观察抗压试件的开裂情况并及时记录相应的荷载值，试件破坏后在试件上描绘裂缝图；为了保证抗剪试件与压力试验机接触良好和试件受力均匀，抗剪试验开始时在试件上表面中间砌块位置放置一块钢垫板，下表面两端砌块位置分别放置一块钢垫板。抗剪试验采用匀速加载方法，连续加荷至试件的1个受剪面或2个受剪面破坏，此时试验结束并记录相应的荷载值。

2 实验现象及结果

2.1 破坏过程及现象

图 5~6 为抗压试件的破坏情况。试件轴心受压时，按照裂缝的出现和发展等特点，也如普通混凝土空心砌块砌体那样可划分为3个受力阶段。

第 1 阶段：从试件开始受压到第1条裂缝出现。在此过程中，随着压力的增大，通常会在砌体侧面出现沿砌块开槽处的竖向裂缝。在砌体正面(背面)的中部，初裂缝出现在砌块块体孔边或中部两砌块与上层砌块的中间交界连接处。第1条裂缝比较细，一般会在一块砌块的高度内贯通。砌体内第1批裂缝产生时的压力值约为破坏荷载的66%~79%，此时如果不再增加压力，裂缝不会继续发展。第1条裂缝出现之前，砌体处于弹性受力阶段。

第2阶段：随压力的增大，砌体裂缝越来越多，砌体正面(背面)沿砂浆竖缝或砌体孔洞边缘产生新裂缝，砌体侧面单块砌块裂缝不断发展，沿着竖向通过1~2块砌块，并逐步形成一条贯通的裂缝。此时压力值约为破坏荷载的79%~90%，砌体处于弹塑性受力阶段，即使不再增加压力，砌体的裂缝也会继续加长增宽，砌体这时候已接近于破坏。

第3阶段: 压力继续增加至砌体完全破坏。其特点是砌体因裂缝急剧加长增宽而破坏，脆性特征较普通混凝土空心砌块砌体更为明显，且裂缝数量也较普通混凝土空心砌块砌体少得多。

图7为抗剪试件的破坏情况。试件从加荷到破坏，并未出现明显的破坏征兆，其表面也未出现明显裂缝的扩展。当加载至极限破坏荷载值时，其受剪面突然丧失承载力而发生破坏，属于典型的脆性破坏。

(a) 正面；(b) 左侧面；(c) 背面；(d) 右侧面

(a) 正面；(b) 左侧面；(c) 背面；(d)右侧面

(a) P5J和P10J；(b) H5J和H10J

抗剪试件破坏形态大部分为单面剪切破坏，抗剪试件都是在块体与砂浆层的黏结面上发生破坏，而砌块保持完好。

2.2 再生砖骨料砌块砌体抗压强度

再生砖骨料砌块砌体抗压强度试验值与规范值见表2，cr为抗压试件的初裂强度，u为抗压试件的极限破坏强度，m为按《砌体结构设计规范》 (GB50003—2011)[12]抗压强度平均值公式计算得到的砌体抗压强度规范值。计算公式如下：

式中：m为砌体抗压强度平均值；1为与砌块块体类别有关的参数，混凝土小型空心砌块取0.46；1为砌块块体的抗压强度平均值；为与砌块块体高度及类别有关的参数，混凝土小型空心砌块取0.9；2为砂浆的抗压强度平均值；2为与砂浆强度有关的修正系数，普通水泥砂浆和再生砖骨料砂浆都取1。

表2 再生砖骨料砌块砌体抗压强度试验值和规范值比较

从表2可以知道，再生砖骨料砌块砌体的抗压强度随砂浆强度等级的提高而增加，这和普通混凝土砌块砌体相同；抗压试件开裂荷载为破坏荷载的66%~79%，而一般混凝土小型空心砌块砌体约为53%，说明其开裂延迟了，表明再生砖骨料砌块砌体很脆，开裂后不久就达到峰值荷载；抗压试件抗压强度试验值比按规范公式计算的抗压强度平均值低6%~12%，说明按规范公式来计算抗压强度值是不安全的，变异系数为0.05~0.07；相同砂浆强度等级情况下，采用再生砖骨料砂浆砌筑的砌块砌体相比用普通水泥砂浆砌筑的砌块砌体，抗压强度无明显变化。

2.3 再生砖骨料砌块砌体抗剪强度

再生砖骨料砌块砌体抗剪强度试验值与规范值见表3，v为抗剪试件的极限破坏荷载，v,u为抗剪试件的极限破坏强度，v,m为按《砌体结构设计规范》(GB50003—2011)[12]抗剪强度平均值公式计算得出的砌块砌体抗剪强度规范值。破坏形式分为2类：Ⅰ为单剪破坏，Ⅱ为双剪破坏。计算公式 如下：

式中：v,m为砌体抗剪强度平均值；5为砌体抗剪强度相关的系数，混凝土小型空心砌块5=0.069。

从表3可以知道，再生砖骨料砌块砌体的抗剪强度随砂浆强度等级的提高而增加，这和普通混凝土砌块砌体相同；P5J和P10J普通水泥砂浆组试件抗剪强度平均值比规范公式计算值低46%和44%，变异系数为 0.18；H5J和H10J再生砖骨料砂浆组试件抗剪强度平均值比规范公式计算值低22%和24%，说明规范公式计算的抗剪强度值是不安全的，变异系数为0.19；相同砂浆强度等级情况下，采用再生砖骨料砂浆砌筑的砌块砌体相比用普通水泥砂浆砌筑的砌块砌体，抗剪强度显著提高。

2.4 再生砖骨料砌块砌体弹性模量

再生砖骨料砌块砌体受压弹性模量试验值与规范值见表4，《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)[11]规定砌块砌体试件的弹性模量取应力应变曲线中应力为0.4u时的割线弹性模量。《砌体结构设计规范》(GB50003—2011)[12]中的砌体弹性模量m是按砌筑砂浆的强度等级给出的，当砂浆强度为M5时，m=1 500，当砂浆强度等级≥M10时，m=1 700。

表3 砌块砌体抗剪强度试验值和规范值比较

从表4可知，再生砖骨料砌块砌体的弹性模量随砂浆强度等级的提高而增加，这和普通混凝土砌块砌体相同；试件的弹性模量为规范值m的94%~97%，变异系数为0.04~0.10，再生砖骨料砌块砌体的弹性模量有略微降低，但相差不大；相同砂浆强度等级情况下，采用再生砖骨料砂浆砌筑的砌块砌体相比用普通水泥砂浆砌筑的砌块砌体，弹性模量无明显变化。

表4 再生砖骨料砌块砌体弹性模量试验值和规范值比较

3 再生砖骨料砌块砌体设计计算方法

3.1 再生砖骨料砌块砌体抗压强度建议公式

从表2抗压强度试验测值和规范计算值的对比可以看出，再生砖骨料砌块砌体的抗压强度略低于规范值，可以认为再生砖骨料对砌体的抗压强度影响较小，抗压强度发展规律与普通混凝土小型空心砌块砌体基本保持一致[13]。试验结果表明，再生砖骨料砌块砌体的强度计算公式不太安全，相关系数需要修正。

本试验采用的再生砖骨料混凝土空心砌块强度不高，1是与块材有关的系数，由于再生砖骨料砌块特性的不同，1需要修正。使用本文试验数据回归分析得到1=0.37，再生砖骨料砌块砌体抗压强度表示为：

对本文所研究的再生砖骨料砌块砌体，按式(3)计算的抗压强度平均值m0与试验值u的对比见 表5。

表5 再生砖骨料砌块砌体抗压强度试验值和理论值比较

由表5可见，抗压强度试验值u与建议式(3)计算值m0之比为1.13，变异系数为0.06，建议公式的计算值与试验值非常吻合，并且计算值均略低于试验值。因此，用建议式(3)来计算再生砖骨料砌块砌体的抗压强度值比较合理和安全，可以为工程设计提供参考依据。考虑到本试验再生砖骨料砌块的强度等级比较低，所以将其用于重要性较低的砌体结构更为合理。

3.2 再生砖骨料砌块砌体抗剪强度建议公式

从表3抗剪强度试验值和规范计算值的对比可以看出，再生砖骨料砌块砌体的抗剪强度整体降低较多，尤其是普通水泥砂浆组抗剪强度平均值降低了46%和44%，这是由再生砖骨料砌块砌体的材料特性和试验养护环境导致的。再生砖骨料经破碎后会有较多的孔隙，具有比较强的吸水性，由于砂浆中的水分被再生砖骨料所吸收从而导致砌体受剪强度偏低。

本试验采用的再生砖骨料砂浆掺入了羟丙基甲基纤维素，显著提高了砂浆的保水性和黏聚性，所以再生砖骨料砂浆砌筑的砌体抗剪强度有明显提高。实际工程应用中再生砖骨料砂浆可以替代普通水泥砂浆，并建议在再生砖骨料混凝土空心砌块砌筑前进行晒水养护。因抗剪实测平均值与规范值之间存在较大差异，实验结果有一定的离散性，所以再生砖骨料砌块砌体的抗剪强度计算公式还有待于进一步试验研究。

4 结论

1) 再生砖骨料砌块砌体的破坏全过程和普通混凝土砌块砌体的破坏全过程基本相似，再生砖骨料砌块砌体的抗压强度、抗剪强度、弹性模量均随着砂浆的强度增加而增大。

2) 再生砖骨料砌块砌体的抗压强度比规范公式计算值降低了6%~12%，抗剪强度比规范公式计算值降低了22%~46%，弹性模量比规范公式计算值降低了3%~6%。

3) 相同砂浆强度等级情况下，采用再生砖骨料砂浆砌筑的砌块砌体抗压强度和弹性模量无明显变化，但抗剪强度有明显提升，说明实际工程应用中再生砖骨料砂浆可以替代普通水泥砂浆。

4) 本文的抗压强度平均值建议公式能有效地拟合再生砖骨料砌块砌体抗压强度，试验数据与建议公式平均值比较吻合。

[1] 施楚贤. 砌体结构理论与设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014. SHI Chuxian. The theory and design of masonry structure[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2014.

[2] ZONG L, FEI Z, ZHANG S. Permeability of recycled aggregate concrete containing fly ash and clay brick waste[J]. Wall Materials Innovation & Energy Saving in Buildings, 2014, 70(5):175−182.

[3] Diagne M, Tinjum J M, Nokkaew K. The effects of recycled clay brick content on the engineering properties, weathering durability, and resilient modulus of recycled concrete aggregate[J]. Transportation Geotechnics, 2015, 3: 15−23.

[4] Poon C S, Kou S C, Lam L. Use of recycled aggregates in molded concrete bricks and blocks[J]. Construction & Building Materials, 2002, 16(5): 281−289.

[5] Bektas F, Wang K, Ceylan H. Effects of crushed clay brick aggregate on mortar durability[J]. Construction & Building Materials, 2009, 23(5): 1909−1914.

[6] 陈忠范, 刘文坤. 再生混凝土砌块砌体基本力学性能研究[J]. 地震工程与工程振动, 2014, 1(3): 133−141. CHEN Zhongfan, LIU Wenkun. Study on basic mechanical properties of recycled concrete block masonry[J]. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics, 2014, 1(3): 133−141.

[7] 朱丽华, 戴军, 白国良, 等. 再生混凝土砌块砌体力学性能试验[J]. 建筑科学与工程学报, 2014, 31(3): 52−57. ZHU Lihua, DAI Jun, BAI Guoliang, et al. Experiment on mechanical properties of recycled concrete hollow block masonry[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering, 2014, 31(3): 52−57.

[8] GB 50574—2010, 墙体材料应用统一技术规范[S]. GB 50574—2010, Uniform technique code for wall materials used in buildings[S].

[9] GB/T 4111—2013, 混凝土砌块和砖试验方法[S]. GB/T 4111—2013, Test methods for the concrete block and brick[S].

[10] JGJ/T70—2009, 建筑砂浆基本性能试验方法标准[S]. JGJ/T70—2009, Standard for test method of performance on building mortar[S].

[11] GB/T 50129—2011, 砌体基本力学性能试验方法标 准[S]. GB/T 50129—2011, Standard for test method of basic mechanics properties of masonry[S].

[12] GB 50003—2011, 砌体结构设计规范[S]. GB 50003—2011, Code for design of masonry structures[S].

[13] 蔡勇, 吕晓勇, 李得建, 等. 桥用砌体轴心受压应力−应变全曲线试验研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 13(8): 1600−1606. CAI Yong, LÜ Xiaoyong, LI Dejian, et al. Experimental study on axial compression stress-strain full curves of the masonry for bridge[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(8): 1600−1606.

Experimental study on the basic mechanical properties of recycled brick aggregate masonry

CAO Wenquan1, HUANG Liang1, 3, GAO Qi2, 3, BAO Tangtang1, LI Fuan2, 3, LI Yin1

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Xuchang Jinke Resources Recycling Co., Ltd, Xuchang 461000, China; 3. National Circulation Economic and Technological Center, Xuchang 461000, China)

By the experimental study on the basic mechanical properties of recycled brick aggregate masonry, the failure processes, failure characteristics, ultimate capacity and deformation capacity of recycled brick aggregate masonry were analyzed. Results indicates that the compressive and shear behaviors of recycled brick aggregate masonry are similar to that of ordinary hollow block masonry. Compared with the mean value formula of Code for design of masonry structures (GB50003—2011), the compressive and shear strength of recycled brick aggregate masonry are reduced by 6%~12% and 22%~46%, respectively. Recycled brick aggregate mortar has little effect on the compressive strength and elastic modulus of masonry, but can significantly improve the shear strength of masonry. The compressive strength formula of recycled brick aggregate masonry was proposed. Test results match well with the corresponding calculated values of theoretical formula. It is of great significance for the application of recycled brick aggregate mortar and recycled brick aggregate masonry.

recycled brick aggregate; block masonry; compressive strength; shear strength

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.02.014

TU365

A

1672 − 7029(2019)02 − 0384 − 07

2018−03−12

国家重点研发计划专项项目(2017YFC0703300)；河南省重大科技专项项目(141100310800)

黄靓(1974−)，男，湖南株洲人，教授，博士，从事混凝土结构和砌体结构研究；E−mail：huangliangstudy@126.com

(编辑 涂鹏)