（材料学专业论文）采用配套砂浆的非粘土墙体材料砌体性能研究.pdf

摘要 摘要 由于烧结粘土砖不利于墙体材料的可持续发展，节土、节能、利废的非粘土新 型墙体材料日益得至日发展。但是，墙体材料虽然改变了，施工方法和建筑砂浆并未 随之发生变化。用普通砂浆砌筑非粘土墙材效果不够理想，在某种程度上造成了墙 体开裂，严重影响了这种墙材的使用。因此，开展非粘土墙材配套砂浆及其砌体性 能的研究具有十分重要的意义。 本文结合南京市墙体材料革新与建筑节能科研项目“非粘土墙体材料建筑的裂 缝机理及防治对策研究”，采用研制的配套砂浆砌筑非粘土墙材砌体，研究其抗压、 抗剪等力学性能，并根据试验结果建立有限元模型，分析砌体在荷载作用下的应力、 应变和开裂等情况。 力学性能研究采用了蒸压粉煤灰砖和混凝土多孔砖两种非粘土墙体材料。抗压 试验表明，配套砂浆砌筑的粉煤灰砖砌体和混凝土多孔砖砌体分别在0 6 6 、o 5 0 倍 极限荷载作用下开始出现裂缝，其轴心受压破坏特征与传统的砌体抗压理论相符。 抗剪试验表明，配套砂浆砌筑的粉煤灰砖砌体和混凝土多孔砖砌体具有良好的抗剪 性能。通缝抗剪强度均在0 5 0 m p a 以上，远超过规范设计要求。墙体砌筑抹灰试验 表明，配套砂浆可以有效地改善非粘土墙材砌体的整体性、抗裂性和抗渗漏性。 通过a n s y s 建立抗压砌体整体连续模型和抗剪砌体分离模型，对配套砂浆非 粘土墙材砌体进行有限元分析。结果表明，分离模型分析得到的抗剪砌体开裂情况 较符合实际。 关键词：非粘土墙材；配套砂浆；砌体；力学性能；有限元分析 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r e dc l a yb r i c ki sg o i n ga g a i n s tt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fw a l lm a t e r i a l s t h e r eh a sb e e nat r e n di nr e c e n ty e a r st o w a r d st h en e wt y p ew a l lm a t e r i a l sc h a r a c t e r i z e d w i t hs o i ls a v i n g , e n e r g ys a v i n g , w a s t er e c y c l i n ga n dm u l t i f u n c t i o ni nc o n s t r u c t i o n b u t b e c a u s eo ft h el a c ko fu n d e r s t a n d i n go ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n df e wa c c e s s o r ym a t e r i a l s d e v e l o p e d ，t h ep r o b l e mo fc r a c kh a sb a d l yi n f l u e n c e dm a s o n r y sf u n c t i o n s o i ti s n e c e s s a r yt os t u d ya s s o c i a t e da c c e s s o r ym o r t a l a n dm a s o n r yo fn o n - c l a yw a l lm a t e r i a l s b a s e do nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c to fn a n j i n gw a l lm a t e r i a l si n n o v a t i o na n d b u i l d i n ge n e r g y s a v i n g “t h em e c h a n i s mo ft h ec r a c k i n gi nn o n c l a yw a l lm a t e r i a l s b u i l d i n ga n dt h ec o u n t e r m e a s u r e s , t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h em e c h 删p e r f o r m a n c e o f t h en o n c l a yw a l lm a t e r i a l sa n da s s o c i a t e da c c e s s o r ym o r t a rm a s o n r y a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a ld a t ao ft y p i c a lm a s o n r ys p e c i m e n s ，a n s y s ，a ne f f e c t i v et o o lf o rf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，w a sa p p l i e dt os i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s ，s t r a i n ，c r a c k sa n d c r u s h i n go ft h em a s o n r ym o d e l t h em a s o n r ys p e c i m e n sw e r ec o n s t r u c t e dw i t ha s s o c i a t e da c c e s s o r ym o r t a ra n dt w o t y p e so fn o n c l a yw a l lm a t e r i a l sr e s p e c t i v e l y t h r o u g h t h et e s t so ft h ea x i a lc o m p r e s s i o n a n ds t a c ks h e a rs t r e n g t ho fs t a n d a r dm a s o n r ys p e c i m e n s ，t h ep a p e ro b t a i n e df o l l o w i n g m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a s o n r i e s ：c o m p r e s s i o ns t r e n g t h , s t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p ， m o d u l u so fe l a s t i c i t y , p o i s s o nr a t i o ，s t a c ks h e a rs t r e n g t ha n df a i l u r em e c h a n i s m t h e a v e r a g ei n i t i a lc r a c k i n gs t r e n g t ho ft h ea u t o c l a v e df l ya s hb r i c km a s o n r yp r i s m c o n s t r u c t e dw i t ha s s o c i a t e da c c e s s o r ym o r t a ri s6 6 o fi t su l t i m a t ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ， w h i l ei ti sa b o u t5 0 f o rc o n c r e t eh o l l o wb r i c km a s o n r yp r i s m t h ee x p e t i m e n t a lr e s u l t s s h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht r a d i t i o n a lt h e o r yo fb r i c km a s o n r y , w h i c hp r o v et h a ts u c h n e w t y p ew a l lm a t e r i a l sm a s o n r yp r i s m sh a v es i m i l a rd e v e l o p i n gf e a t u r eo fc r a c ka n d a p p r o x i m a t el i m i tl o a d sc o m p a r e dw i t hn o r m a lb r i c km a s o n r y ha d d i t i o n t h es t a c k s h e a r s t r e n g t h i sm o r et h a n0 5 0m p a , e x c e e d i n gd e s i g ns t a n d a r dg r e a t l y as i t e e x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u ti nt h ef o r mo fm a s o n r yw a l l s ，w h i c hw e r ee x p o s e dt o n a t u r a le n v i r o n m e n t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea p p l i c a t i o no fs u i t a b l ea s s o c i a t e d a c c e s s o r ym o r t a ri sv e r ye f f e c t i v ei ni m p r o v i n gt h ei n t e g r i t y , c r a c kr e s i s t a n c e ，a n d i m p e r m e a b i l i t yo fn o n c l a yb r i c km a s o n r yw a l l s c o n t i n u u mf i n i t ee l e m e n tm o d e l sp r o v i d et h ed e t a i l e dd i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n d s t r a i no ft h em a s o n r yp r i s m s f o rs h e a rm a s o n r y , t h ec r a c kd i s t r i b u t i o no fd i s c r c t i z c d m o d e l ss h o w sg o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lc a s e s f i n a l l y , s o m es u g g e s t i o n sf o r t h ea p p l i c a t i o no f a n s y sa l ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：n o n 。c l a yw a l lm a t e r i a l s ；a s s o c i a t e da c c e s s o r ym o r t a r ；m a s o n r y ； m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s n i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 赵宣 习 力肿哗多月形日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ； 赵潮 2 ，- 佯岁月厉日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 我国目前的建筑结构形式多样，在经济发达地区以框架结构为主，而绝大 部分地区仍以砖混结构为主，砖砌体材料建造的各类房屋占7 0 p a 上1 1 2 1 。 烧结粘土实心砖曾经是我国建筑业中砌体的基本材料，利用具有较强粘性 的泥土烧制而成。这种砖建造的房屋在耐久性、经济性和实用性等方面具有许 多其它制品难以替代的优点，在人类生存和居住方面作出了巨大贡献【3 i 。但是 烧结粘土砖以耕地粘土为原材料，会毁坏大批肥沃的土地，导致耕地流失，妨 碍农业的可持续发展。为了保护日益稀缺的耕地资源，适应节能环保的要求， 我们必须重新看待曾经在建筑历史舞台上扮演重要角色的烧结粘土实心砖。 据统计，每万块烧结粘土实心砖消耗煤1 0 3 1 4 6 t ，消耗粘土1 2 1 7 m 3 ， 相当于o 0 1 5 亩土地l 。以全国每年生产粘土实心砖5 0 0 0 亿块计，大约耗煤 6 0 0 0 万t ，耗粘土8 亿m 3 ，相当于7 0 万亩土地。此外，在粘土砖生产过程中 会产生大量的大气污染物，如s o z 、n o x 、c o 和粉尘等i r l 。大量排放c 0 2 和 s 0 2 有悖于京都协议书中限制温室气体排放以抑制全球变暖的原则。中国 作为发展中国家虽然不必承担二氧化碳的减排义务，但是，随着经济发展带来 的严重污染，中国将无法置身其外。 传统的粘土实心砖生产能耗高、浪费资源、破坏环境，政府通过征收生态 效益税和社会效益税的方式调节市场上实心粘土砖的供给和需求。同时，各地 相继出台禁止、限制使用粘土砖的政策。全国于2 0 0 4 年累计实现“禁实”的城 市( 区) 达2 2 9 个，占“禁实”目标1 7 0 个城市的1 3 5 1 8 1 。国家发改委等四部 委联合下发的发改环资2 0 0 5 1 2 6 5 6 号文件公布了全国第二批限时禁止使用实 心粘土砖城市名单( 共计2 5 6 个) ，计划2 0 1 0 年底，所有城市城区禁止使用 实心粘土砖【9 1 。北京、上海、广州等城市在实现“禁实”目标后，还继续向深 度和广度推进，分别由禁止使用向禁止生产，由禁止使用实心粘土砖向禁止使 用粘土空心砖以及粘土制品推进【8 】。由此可见，在我国取消粘土砖制品，推广 应用非粘土新型墙体材料已进入大规模实施阶段。 河海大学硕士学位论文 1 2 非粘土墙体材料 非粘土墙体材料是指除粘土砖以外的所有墙体建筑材料，主要是用水泥、 砂、混凝土等硅酸质材料，有的再掺加部分粉煤灰、煤矸石、炉渣等工业废料 或建筑垃圾，经过压制、蒸养、蒸压等制成的砖、块体和板材，如混凝土多孔 砖、粉煤灰砖等 1 0 - 1 1 1 。 1 2 1 混凝土多孔砖 混凝土多孔砖属于硅酸盐砖制品，不用粘土、不毁田、生产能耗低、物理 力学性能指标稳定可靠、生产施工方便，可满足墙体承重和填充的需要，符合 可持续发展的战略要求，是一种理想的粘土砖替代产品【1 , 3 1 。 混凝土多孔砖与其它硅酸盐制品获得强度的机理基本一致。首先是压砖成 型机的机械作用使混凝土获得足够的粘聚强度得以成型，随后胶凝材料不断进 行水化，各种水化产物逐渐填满原来由水所占据的空间，固体粒子逐渐接近。 钙矾石针、棒状晶体相互搭接，特别是大量薄片状、纤维状c s h 交叉攀附， 使原先分散的水泥颗粒以及水化产物连接起来，构成一个三度空问牢固结合、 密实的整体【1 二1 3 1 。 粉煤灰、炉渣等矿物掺合料含有大量的活性氧化硅和活性氧化铝，在碱性 激发剂( 石灰或水化时能析出c a ( o h ) 2 的水泥熟料) 或硫酸盐激发剂的作用下 发生水化反应，生成类似于水泥水化产物的水硬性胶凝物质水化硅酸钙 ( c s h ) 、水化铝酸钙( c a h ) 等，从而不断提高砖的强度【1 3 1 。 粉煤灰等火山灰质材料的水化反应如下： s + x c h + m h x c s h ( 1 1 ) a + y c h + n h y c - a h ( 1 2 ) 高炉矿渣是含有c a o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 的玻璃态物质，跟火山灰相比，它有不 同的反应方式： ( c s 一爿) 咖，+ h ；c 3 岱，彳) 2 h b ( 1 3 ) 水泥、粉煤灰等胶凝材料凝结硬化而成的水泥石起着胶结集料和填充孔隙 的作用，使混凝土多孔砖产生所需的强度。 2 第一章绪论 混凝土多孔砖与粘土砖相比可减轻自重1 5 以上，能减少基础荷重，降低 建筑造价。多孔砖刚度大、抗剪强度大，具有良好的抗震性能。而且，混凝土 多孔砖与混凝土圈梁、柱、楼板等属于同质材料，线膨胀系数比较接近，约为 1 0 1 5 1 0 ，当温度变化相同时，这两种材料不致产生相对的温度变形而破 坏它们之问的结合1 1 4 1 。 1 2 2 粉煤灰砖 粉煤灰系热电厂排放的工业固体废弃物，其主要化学成分活性s i 0 2 和a 1 2 0 3 ( 铝硅酸盐的主要成分) 在碱性条件下能水化生成稳定的水化硅酸钙( c s h ) 和水化铝酸钙( c a l l ) ，与粉煤灰颗粒胶结在一起，组成骨架，形成强度i ”i 。 在粉煤灰砖中，粉煤灰一方面作为胶凝材料起胶结作用，另一方面作为集料起 骨架作用f 1 5 l 。国内粉煤灰砖的生产方法主要有：压制烧结法、加气蒸压( 养) 法、加石灰蒸压( 养) 法和自然养护法等【1 6 i 。 粉煤灰砖具有重量轻、污染小、节土利废等优点，是烧结粘土实心砖的另 一种理想替代产品。免烧高掺量粉煤反砖曾被列入国家建材局新型建材及制品 发展导向目录【2 1 。蒸养粉煤灰砖通过火山灰反应和蒸养获得强度，因此可以大 量减少s 0 2 等温室气体的释放，还有节能的效果，因此，常被称为“环境友好 材料” i t l 。粉煤灰双免砖不需要烧结也不需要蒸养和蒸压，成本更低，约为 0 0 7 5 - - , 0 0 9 5 元块，售价为0 1 5 , - , 0 1 8 元块1 1 6 1 。 除混凝土多孔砖和粉煤灰砖外，还有混凝土小型空心砌块、轻集料砌块、 加气混凝土砌块、石膏砌块、轻质墙板、复合墙板等非粘土墙材。一些发达国 家，如美国、闩本、加拿大等，粘土墙材制品仅占墙体材料的1 5 ，而各种混 凝土空心砌块、保温复合板等新型墙材却占了相当大的比例1 1 8 】。非粘土墙体材 料作为我国墙材改革中推广应用的主要产品，适合我国国情，具有强大的生命 力、竞争力和广阔的发展前景。因此，各地墙改部门积极鼓励非粘土墙材的推 广应用工作，并设法降低成本：使之最终替代粘土砖在墙体建筑中的主导地位。 1 2 3 优缺点 非粘土墙体材料具有以下几个优点：( 1 ) 保护土地资源，在一定程度上解 河海大学硕士学位论文 决了“烧砖毁用”的问题。( 2 ) 生产能耗低，节约能源，如采用蒸汽养护的混 凝土空心砌块比烧结粘土砖节能近三分之二。( 3 ) 保护环境。可以充分利用地 方资源和工业废渣( 如粉煤灰、石屑等) ，减少环境污染。( 4 ) 强度高，自重轻， 砌筑速度快。如混凝土多孔砖( 2 4 0 m m 1 1 5 m m 9 0 r a m ) 的厚度是粘土实心砖 ( 2 4 0 r a m x1 1 5 m m 5 3 r a m ) 的1 7 倍，砌筑速度约为粘土实心砖的1 3 倍1 1 9 】。 非粘土墙体材料的这些优势充分显示出其巨大的发展潜力。但是，自全国 推广使用非粘土墙材以来，由于使用时间较短，对其特性了解不足，在生产和 使用中仍然存在不少问题：受烧结粘土砖的影响，用户始终不能真正接受免烧 砖，觉得经过烧结的砖性能才可靠：容易产生墙体裂缝、雨水渗漏；二次装修 不便等。这些问题严重困扰着设计、施工和业主及物业管理等单位，影响了非 粘土墙体材料的推广和应用，制约了非粘土墙材建筑的发展。 1 3 裂缝问题及对策 建筑物裂缝是住户评定其安全程度的一个非常直观的标准。随着我国经济 的快速发展，人们对居住环境的要求不断提高，对建筑物墙体裂缝的控制也更 为严格。因此，有必要对非粘土墙材在施工和使用过程中出现的裂缝进行调查 和研究，了解材料的性能和裂缝产生的机理，采取相应的措施防治裂缝。 1 3 1 裂缝产生原因 非粘土墙材建筑的裂缝经常出现在顶层和次顶层端开问及楼梯间的纵墙及 横墙端部、圈梁与梁底砌体以及窗台角部等位置f 2 0 1 。引起墙体裂缝的原因很多， 既有地基沉降、温度变形、干缩变形，也有设计疏忽、施工质量差、材料质量 不合格及经验缺乏等。工程实践和统计资料表明这几类裂缝几乎占全部可遇裂 缝的8 0 以上。最常见的裂缝有温度裂缝和干燥收缩裂缝两大类，还有由温度 和干缩共同作用产生的裂缝f 2 1 】。 1 3 1 1 温度裂缝 温度变化会引起材料的热胀冷缩，当约束条件下温度变形引起的温度应力 足够大时，墙体就会产生温度裂缝。温度裂缝通常发生在砌块墙体和水平灰缝 4 第一章绪论 的交接处，主要有八字裂缝( 斜裂缝) 、水平裂缝、竖向裂缝等三种形式i 切。温 度裂缝是造成墙体早期裂缝的主要原因，这些裂缝一般经过一段时间之后才逐 渐稳定，不再继续发展，裂缝的宽度随着温度变化而略有变化。 1 3 1 2 干缩裂缝 干缩变形的特征是早期发展比较快，以后逐渐变慢，几年后材料才能停止 干缩。干缩后的材料受湿后仍会发生膨胀，脱水后再次发生干缩变形，但其干 缩率有所减小，约为第一次的8 0 【2 1 1 。这类干缩变形引起的裂缝在建筑上分布 广、数量多，裂缝的程度也比较严重。 1 3 1 3 温度、干缩裂缝 对于烧结砖砌体，最常见的是温度裂缝，对于非烧结墙材砌体，如混凝土 多孔砖、粉煤灰砖等砌体，存在温度和干缩共同作用产生的裂缝。在非粘土墙 材建筑物上，一般为温度裂缝和干缩裂缝组合分布，或因具体条件不同而呈现 出不同的裂缝现象，其后果往往较单一裂缝更严重。 1 3 1 4 墙体材料差异 如果不能针对混凝土多孔砖、粉煤灰砖等非粘土墙体材料的特殊性采用合 适的砌筑砂浆、注芯材料和相应的构造措施，仍沿用粘土砖使用的普通砂浆和 抗裂措施，必然使墙体出现较严重的裂缝。 传统的烧结粘土实心砖质地密实，干缩变形较小，一般不用考虑砌体本身 干缩变形引起的附加应力。与烧结粘土砖相比，粉煤灰砖对温湿度变化敏感， 容易发生温度变形和干缩变形，表面光洁，与砂浆的粘结性能差；混凝土多孔 砖孔洞率大，砌筑时灰缝难以保证。虽然非粘土墙材砌体的抗压强度较高，但 是沿齿缝截面的弯曲抗拉强度、沿通缝截面的弯曲抗拉强度和抗剪强度很低( 依 次仅为烧结砖砌体的3 0 、4 5 5 0 、5 0 5 5 ) 【捌。普通砂浆难以适应非 粘土墙体材料的这些特殊性，因此这类墙体容易出现开裂。 1 3 2 防治墙体材料裂缝的措施 1 3 2 1 设计构造措施 在建筑的不同部位采取相应的构造措施可以保证墙体的强度和稳定性，如 5 河海大学硕士学位论文 对面积较大的非承重混凝土多孔砖填充墙设置构造柱、门窗洞口顶设过梁板、 易出现裂缝的部位铺设钢筋或网片等【2 2 州。 高海玲【2 2 1 通过a b a q u s 软件对不同构造措施下建筑的温度效应进行有限元 模拟分析，认为在门窗口处设置小框架、端开间设置构造柱等措施对降低屋面 温差、减小位移变形有很好的效果，可以在一定程度上防治裂缝。此外，屋盖 上设置保温层或隔热层可以减小建筑不同部位的温度差异，也能起到防治裂缝 的作用【刎。 采用合理的拉结构造措施可以限制块体间的滑移从而达到控制墙体开裂的 目的。在英、德等欧洲国家，预应力砌体结构发展较快，已经开始逐步应用于 工程实践，并取得了良好的效果【矧。但是构造措旌需要进行专门的结构设计和 旌工，造价较高。 1 3 2 2 建筑材料及施工方法 砂浆与墙体材料粘结不良是造成墙体开裂的主要原因之一i 冽。因此，改善 砂浆与墙材间的粘结性能，提高砌体的抗剪强度，解决粘结不良造成的开裂和 渗漏问题具有极其重要的意义。 文献【2 7 】提出通过控制建筑不同部位墙体材料的最低强度等级和建筑砂浆 的施工性能、力学性能等防治裂缝，并建议按照d g t j0 8 5 0 2 预拌砂浆生产 与应用规程与d g 门j0 8 5 0 2 a 干粉砂浆生产与应用技术规程等有关规定 施工。薛鹏飞【2 5 j 从砂浆与墙材的粘结强度入手，用聚合物制备改性砂浆，达到 了提高试件抗剪强度、限制砌体开裂的目的。 现在混凝土砖( 砌块) 和粉煤灰砖等非粘土墙体材料已成为砌体材料的主 导产品，再沿用传统砂浆已难以满足新型墙材的发展。因此，有必要研究应用 工作性能良好、抗裂能力较高且具有柔韧性的配套砂浆，一方面可以保证施工 质量，另一方面可以提高墙体的抗裂性能。 1 4 建筑砂浆 随着国家墙材革新力度的加大，非粘土墙体材料的用量日益增多，烧结粘 土砖将逐渐退出历史舞台。但是，墙体砌筑材料虽然改变了，很多地方的施工 6 第一章绪论 并没有随着墙材种类的改变而发生变化，仍在沿用粘土实心砖的传统方法。尤 其是对墙体材料起着胶结、装饰、防护等关键作用的建筑砂浆，仍在沿用传统 的现场拌制砂浆。这种建筑砂浆与砌体材料脱节的现象，在某种程度造成了墙 体的开裂、灰缝渗漏、抹灰层空鼓和剥落等弊病，影响了非粘土墙体材料的声 誉【2 8 1 。 1 4 1 传统砂浆 建筑砂浆由无机胶凝材料、细骨料和水，有时也加入某些外掺材料，按一 定比例配制而成，广泛用于砌筑、粉刷、地面找平等工程。传统砂浆一般都在 施工现场拌制，受人员素质、材料来源、设备工具、气候条件等多种因素的影 响，常出现计量不准、拌和不匀等问题，砂浆质量难以保证。而且，现场配制 砂浆劳动强度大、工效低，不可避免地造成资源浪费和环境污染。传统砂浆的 工作性能不理想、抗渗性差、收缩值大、粘结强度低，使墙体容易出现开裂、 渗漏、起壳等质量问题。可以说，现场拌制的砂浆只起到了把砖体块材粘结在 一起的作用，没有赋予墙体材料必须的使用功能圆j 。 1 4 2 配套砂浆 预拌砂浆，又称商品砂浆，具有质量高、计量准等优点，解决了传统工艺 配制难以把握、质量不稳定的问题。由于预拌砂浆可以准确加入现代混凝土中 重要的功能性成分外加剂，所以能保证保水性、粘结性、抗渗性、变形性、 柔韧性、改善工作性的含气量及硬度等特殊性能，而这些性能在非粘土墙体材 料中正是十分必要的【捌。因此，在预拌砂浆的基础上研究开发非粘土墙材的配 套砂浆产品切实可行。 非粘土墙体材料的物理性能与烧结粘土砖不同，这就对配套砂浆的功能性 和匹配性提出了更高的要求。在砌筑混凝土多孔砖时，为避免混凝土砖过快地 吸收砂浆中的水分，砌筑砂浆应具有良好的保水性，保证砂浆水化所需的水分； 截面孔洞使多孔砖的坐浆面比密实墙体材料小得多，因此应重点提高砂浆的和 易性和粘附性。蒸压粉煤灰砖在制作过程中经高压成型，表面光滑，因此必须 加强底层抹灰砂浆的粘结性能。一些轻质墙板的拼缝和上下水平拼接处应允许 7 河海大学硕士学位论文 少量的收缩和位移，因此重点考虑砂浆的粘结性和抗裂性【2 l l 。 配套砂浆利用纤维素醚增稠保水，可以防止新拌砂浆分层离析，使其具有 良好的工作性能，还能增加砂浆的粘附力，提高抗渗、抗冻和抗裂性能；可再 分散乳胶粉可以增加配套砂浆的内聚力、粘聚力和柔韧性，有利于提高砂浆的 耐久性和粘结强度1 3 0 - 3 1 1 。 传统的现场拌制砂浆是烧结粘土实心砖的配套材料，今天已发展到使用非 粘土新型墙体材料来代替粘土砖，为保证非粘土墙体材料的功能和优势，推广 优质的配套砂浆产品、研究非粘土墙材砌体的性能已迫在眉睫。 1 5 研究现状 近年来，随着建筑行业和施工技术的迅速发展，墙体材料日新月异。国内 外的专家学者对非粘土墙材砌体的力学性能做了不少研究，许多成果对非粘土 墙材的应用和推广起到了推动作用。 湖南大学刘桂秋【3 2 l 对砌体受压本构关系、破坏准则、受压及受剪性能进行 了较系统的研究，给出了合理的对应于峰值应力的应变e o 和极限压应变c l 的比 值e d e o ，砖砌体和混凝土砌块砌体分别取1 6 、4 0 ，提出了包括砖砌体和混凝 土砌块砌体在内的受压本构关系表达式，简化了m j n p r i e s t l e y 等提出的无约 束混凝土砌块砌体本构关系下降段的斜率表达式。长沙理工大学杨伟军等【3 3 】通 过混凝土空心砖砌体抗剪强度试验研究得出结论：混凝土空心砖砌体的剪切破 坏形态较为复杂，受砂浆强度、销键作用等多方面因素的影响。胡新安阻l 对再 生混凝土多孔砖砌体受压、受剪力学性能的试验研究显示，再生混凝土多孔砖 砌体的开裂荷载与其极限荷载的比值在0 8 以上，较一般砌体偏高，呈现出较 明显的脆性特征。重庆大学朱宇峰【3 5 j 对蒸压粉煤灰实心砖墙片抗震性能进行了 试验研究，结果表明，影响蒸压粉煤灰砖墙片抗震抗剪强度的因素主要有砖和 砂浆的强度、竖向压应力和墙体的高宽比。郑州大学王东威等p 6 l 对粉煤狄砖砌 体进行了研究，发现该墙体材料和普通砖砌体具有相似的裂缝发展特点，极限 荷载也相近，可以作为替代粘土砖的新型承重墙体材料。 此外，研究人员还通过计算机软件技术对砌体性能进行数学模拟分析。东 北大学王述红等【”i 将砌体看成是由块体、砂浆、粘结带组成的三相材料，利用 8 第一章绪论 材料破碎过程分析系统，从细观力学层次上数值模拟了砌体试件在水平剪切荷 载作用下从损伤到开裂破坏过程，为砌体开裂破坏预测预报基础理论的研究提 供了新的分析方法。文献【2 1 】、【3 8 f f h 3 9 将块体和砂浆均匀化得到一个等效体 积单元( r v e ，r e p r e s e n t a t i v ev o l u m ee l e m e n t ) ，认为采用将砌体简化为单一的 匀质连续体的有限元模型是基本可行的，可以通过匀质化数学模拟研究得到墙 体的等效材料参数。通过数学模型可以分析试验中难以获得的数据和现象，完 成试验难以完成的复杂受力，而且成本较低。 砌体性能的诸多研究帮助我们较全面地认识了不同种类的非粘土墙材砌体 的各种性能。但是，这些试验主要着跟于非粘土墙材替代烧结粘土砖的可行性 及其普通砂浆砌体的力学性能，对配套砂浆砌筑的非粘土墙材砌体的研究较少。 g i h a dm o h a m a d 等1 4 0 】通过分析指出，混凝土多孔砖砌体的的泊松比、破坏形式 等力学性能受砂浆种类的影响，砂浆控制着砌体的非线性特征。因此，有必要 开展配套砂浆非粘土墙材砌体的科学研究。 1 6 本文的研究目的、内容和方法 1 6 。1 研究目的 随着“禁实”、“禁粘”措施的逐步实施，新型墙体材料不断涌现。非粘土 墙体材料作为替代粘土砖的新产品，生产和使用逐渐增多，但是还缺乏系统的 科学研究。研究配套砂浆与非粘土墙材的适应性和力学性能，目的是从材料设 计和施工这一角度研究非粘土墙材砌体的开裂机理，为防治墙体开裂及编制非 粘土墙材建筑的设计、施工技术规程提供参考。 目前，我国的基本建设规模宏大，本研究有助于进一步推动非粘土新型墙 体材料在土木工程领域的应用和发展，技术经济效益巨大。 1 6 2 研究内容和方法 目前非粘土新型墙体材料的研究还缺乏系统性和针对性，致使工程建设中 出现了裂缝和墙体渗漏等问题，严重影响了非粘土新型墙体材料的推广使用。 本文从新型墙体材料和建筑砂浆出发，通过砂浆基本性能试验和砌体试验，对 9 河海大学硕士学位论文 比分析配套砂浆与普通砂浆的性能差异，并研究这两种砂浆对砌体性能的影响， 具体工作有： ( 1 ) 查阅文献，了解非粘土新型墙体材料的发展及应用情况。认识新型墙 体材料在应用中存在的问题，从配套材料的角度考虑问题的解决方法。 ( 2 ) 采用配套砂浆砌筑非粘土墙材砌体，深入分析配套砂浆对裂缝的协调 和抑制作用。 ( 3 ) 对砌体试件进行力学性能试验，研究配套砂浆的施工性能及其对砌体 力学性能的影响。从砌体试验出发，分析其受压性能、短期荷载下受力与变形 之间的本构关系、轴心压力作用下的破坏模式与开裂机理；观察抗剪试件的破 坏形态，研究它的受剪性能。 ( 4 ) 通过有限元程序对砌体模型进行模拟计算，并与物理模型的试验结果 进行比较，结合理论分析来探究砌体在受力状态下的破坏机理。 1 0 第二章试验研究概况 第二章试验研究概况 砂浆是由胶凝材料、细集料、矿物掺加料、化学外加剂和水按一定比例配 制而成的建筑工程材料，在建筑中起粘结、衬垫和传递应力的作用。砌体是由 块体和砂浆砌筑而成的墙、柱，一般作为建筑物的主要受力构件。本章主要介 绍各组成材料的基本性能，并对试验方法和研究方案进行设计。 2 1 试验原材料 2 1 1 水泥 水泥经过一系列的物理、化学作用，能把松散的集料粘结成整体，属于水 硬性胶凝材料。选用中国水泥厂生产的海螺牌3 2 5 普通硅酸盐水泥，满足国家 标准g b1 7 5 1 9 9 9 硅酸赫水泥、普通硅酸盐水泥的要求【4 l l 。水泥的基本性 能见表2 1 。 表2 1p 0 3 2 5 水泥的主要性能 2 1 2 粉煤灰 选用南京热电厂生产的粉煤灰，符合国家推荐标准g b t1 5 9 6 2 0 0 5 用于 水泥和混凝土中的粉煤灰对级粉煤灰的性能要求1 4 2 1 。粉煤灰的基本性能见 表2 2 。 表2 2i i 级粉煤灰的主要性能 1 1 河海大学硕七学位论文 2 1 3 天然砂 所用天然砂为中砂，符合行业标准j g j5 2 2 0 0 6 普通混凝土用砂、石质量 及检验方法标准的规定【4 3 1 。砌筑砂浆所用砂的最大粒径通过5 m m 筛孔，抹 灰砂浆所用砂的最大粒径通过2 5 r a m 筛孔，其性能见表2 3 。 表2 3 砂的主要性能 2 。1 4 纤维素醚 在配套砂浆中，纤维素醚的添加量很低，但能起到保水、增稠等作用。选 用某地产的羟丙基甲基纤维素醚，英文名h y d r o x y p r o p y lm e t h y lc e l l u l o s e ，简称 h p m c ，属于非离子型纤维素醚，其物理性能见表2 4 。 表2 4 纤维素醚的物理性能 2 1 5 可再分散乳胶粉 可再分散乳胶粉是高分子聚合物乳液经喷雾干燥，经后续处理而成的粉状 热塑性树脂。乳胶粉在砂浆成型后可以逐渐聚合成膜，在间隙与固体表面构成 柔性网络，提高砂浆的粘聚力和柔韧性，改善砂浆的粘结强度和变形能力1 3 l 】。 本试验选用的可再分散乳胶粉是北京罗建科技有限公司提供的d a 1 4 2 0 型乳胶 粉，性能见表2 5 。 表2 5 可再分散乳胶粉的性能 第二章试验研究概况 2 1 6 减水剂 减水剂可以减少砂浆在同一流动度水平上的用水量，其减水效应可以缓解 纤维素醚对砂浆强度的降低作用。选用南京瑞迪高新技术公司产萘系高效减水 剂，其性能指标如表2 6 所示。 表2 6 减水剂的主要性能 2 1 7 粉煤灰砖和混凝土多孔砖 选用南京秦砖新型墙体建材有限公司生产的蒸压粉煤灰砖和南京市浦口区 闽业新型建材厂生产的混凝土多孔砖，砖材性能见表2 7 。 表2 7 蒸压粉煤灰砖和混凝土多孔砖的主要性能 2 1 8 水 选用符合国家饮用标准的自来水。 2 2 试验方案与方法 非粘土墙材配套砂浆各外加剂组分的掺量依次为：纤维素醚1 ，可再分 散乳胶粉2 ，减水剂6 7 0 0 ，粉煤灰2 5 t 4 4 j 。试验中粉煤灰等量取代水泥，各化 学外加剂掺量均为胶凝材料总量的质量百分数。 配套砂浆配合比设计中的试配强度按行业标准j g j9 8 2 0 0 0 砌筑砂浆配合 比设计舰程确定，抹灰砂浆的试配强度参照执行1 4 5 1 。砌筑砂浆设计强度等级 河海大学硕士学位论文 m 7 5 ，胶砂比1 ：6 ，与相同胶砂比的普通砂浆对比。参照上海市工程建设规范 d g t j0 8 5 0 2 a - 2 0 0 0 干粉砂浆生产与应用技术规范确定稠度取值范围：砌 筑砂浆( 8 0 1 0 ) m m ，抹灰砂浆( 1 0 0 + 1 0 ) m m i 删。原材料组成见表2 8 ，通 过稠度控制用水量。 表2 8 砌筑砂浆的配合比 2 2 1 砂浆性能试验 2 2 1 1 流动性 砂浆流动性又称稠度，表示砂浆在重力或外力作用下流动的性能。砂浆流 动性的大小用稠度值( 或沉入度) 表示，通常用砂浆稠度测定仪测定。稠度值 大的砂浆表示流动性较好。选用流动性适宜的砂浆，能提高施工效率，有利于 保证施工质量。 2 2 1 。2 保水性 砂浆保水性是指砂浆保持水分的能力，即搅拌好的砂浆在运输、停放和使 用过程中，砂浆中的水分与胶凝材料及集料分离快慢的性质。如果砂浆的保水 性不好，部分多余的水分很容易从浆体中析出，上升到新拌砂浆的表面( 图2 1 ) ， 还可能伴随固体粒子的沉淀，产生分层现象，破坏砂浆的均一性，出现水灰比 极大、强度较差的薄弱层。这种砂浆拌和物很容易被接触的砖、砌块吸去水分， 影响砂浆正常凝结和硬化，降低其可塑性与粘结性，而且施工也不方便。因此， 施工过程中要求砂浆各组成材料彼此不发生分离，避免析水。 砂浆保水性以分层度表示，用砂浆分层度测量仪测定。测定分层度时，先 测定均匀砂浆拌和物的稠度，然后装入内径1 5 0 r a m 、高3 0 0 r a m 的分层度筒内， 静置3 0 r a i n 后除去筒上部2 3 高度的砂浆，再测定下部1 3 高度砂浆的稠度，静 置前后测定的稠度值之差即为砂浆分层度。砂浆分层度越小，则保水性越好， 1 4 第二章试验研究概况 一般以1 0 3 0 m m 为宜【3 1 1 。 图2 1 砂浆拌和物泌水示意图 2 。2 1 3 抗压强度 抗压强度是硬化砂浆的重要性质。无论是粘结砌体、传递荷载的砌筑砂浆， 还是装饰墙材、保护基体的抹灰砂浆，都要经受环境的长期作用。砂浆强度直 接影响着砌体的性能和寿命，因此，应根据需要选择合适强度等级的砂浆。 砂浆的稠度、分层度和强度等试验按照建筑砂浆基本性能试验方法 ( j g j 7 0 9 0 ) 规定的方法测试；配套砂浆的养护、强度等按照聚合物改性水 泥砂浆试验规程( d l c t 5 1 2 6 2 0 0 1 ) 规定的方法进行【4 7 舶】。 2 2 1 4 粘结强度 对于测试砂浆粘结强度的试验方法及试件类型，我国还没有相应的国家标 准，国际上也尚无通用的试验方法和试件形式【4 9 】。目前已知的粘结强度试验方 法主要来自国内的几个产品标准，如复层建筑涂料g b9 7 7 9 8 8 、建筑室内 用腻子o b t3 0 4 9 1 9 9 8 、合成树脂乳液砂壁状建筑涂料j g t2 4 2 0 0 0 和混 凝土界面处理剂j c t9 0 7 2 0 0 2 等t s o - s 3 1 。这些标准中关于粘结强度试验方法的 适用范围、试验条件及试样形式等都不尽相同，但都是通过拉力机拉拔预先制 备好的试样来获取试验数据。 本研究参照江苏省工程建设强制性标准预拌砂浆技术规程( d g j 3 2 j 1 3 - - 2 0 0 5 ) ，用拉拔法测量砂浆与砖的2 8 d 粘结强度彤1 。图2 2 是粘结强度拉伸试 验的示意图。 河海大学硕士学位论文 图2 2 粘结强度拉伸试验示意图 ( 1 ) 采用切割得到的砖块作基底，其尺寸为7 0 m m x 7 0 m m x 6 0 m m ；以内部 尺寸4 0 m m x 4 0 m m x l o m m 的金属试模在砖块基底上成型砂浆。成型时均匀插捣 1 5 次以上，轻敲基底以密实，带模放入水泥试件标准养护箱内，2 4 h 后拆去金 属试模，保证砂浆与砖块基底的粘结不受破坏，将试件置于2 0 _ + 3 。c ，相对湿度 8 5 以上的室内，继续养护至2 8 d 龄期。 ( 2 ) 试件养护至龄期前4 8 h ，在试件的砂浆上表面涂上结构胶，将上部夹 具( 下端为4 0 m m x 4 0 m m x l o m m 的钢块，正中间连有f 9 的钢制连杆) 对正位 置放在秸合剂上粘结紧密，确保央具不歪斜，以防止受拉时发生偏心。 ( 3 ) 2 8 天龄期时，将试件嵌入自制的夹具中( 凹形钢制框架结构，在其 正中间有f 1 3 的钢制连杆) ，装入w e - - 1 0 0 型液压式万能试验机进行加载。试 验机测量范围0 2 0 千牛顿，最小刻度0 0 4 千牛顿，夹持央具的钢筋连杆并施 加拉力，用力传感器控制荷载大小，加荷速率为3 0 n s _ + s n s ，直至试件破坏， 记下破坏荷载和破坏形态。拉伸试验及其试件形式见图2 3 。 图2 3 粘结强度拉伸试验 1 6 第二章试验研究概况 ( 4 ) 试验结果： 只r t s ( 2 1 ) 式中 n 广粘结强度，m p a p 叫玻坏荷载，n 争一粘结面积，m m 2 以5 个试件为一组，计算5 个试件的算术平均值，若单个试件强度超过平 均值的1 5 时，应予以剔除，取其余试件强度的算术平均值为试验结果，结果 精确至o 0 1 m p a 。当5 个试件中有效值不足3 个时，则此组结果作废。 2 2 2 砌体性能试验 按g b j1 2 9 9 0 砌体基本力学性能试验方法标准砌筑试件并进行力学性 能试验1 5 5 1 。通过掺外加剂组与基准砂浆组的性能对比试验，综合评价配套砂浆 与普通砂浆对砌体整体性能的影响。采用y e - 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