吴辉琴，淳野杨，解小娟，张腾，李青，李苍愚

（广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 545006）

0 引言

发展轻质、节能、环保、利废混凝土砌块是目前墙材改革的主流方向。EPS混凝土砌块是利用工业废渣粉煤灰、矿粉与发泡聚苯乙烯（EPS）颗粒、水泥等为原料，添加水性环氧树脂、减水剂等自主研发的一种新型墙体材料。作为粘土砖的替代材料之一，其规格尺寸与标准砖一致，表观密度为1200～1750 kg/m3，导热系数为0.184～0.202 W/（m·K），是典型的轻质节能材料。文献[1-4]通过理论分析、实验室小试和工厂中试，完成了EPS混凝土砌块的制备，并提供了MU5～MU20等多种强度等级EPS混凝土砌块的配方，其中MU7.5以上等级的砌块可用于砌体结构承重墙、柱，直接承受屋顶、楼板传来的竖向荷载。文献[5-7]选择MU5、MU15等级砌块开展EPS混凝土砌块砌体基本力学性能（受压强度、受剪强度、变形性能等）的研究，并提供了EPS砌体抗压强度、抗剪强度、弹性模量等力学性能指标的计算方法或确定值。本文设计6组承重墙体，考虑材料强度、高厚比、偏心距等影响因素，开展墙体竖向荷载作用的静力试验，研究该新型墙材的工作性能，明确墙体受压承载力计算方法，为该砌体的设计施工及推广应用提供理论依据。

1 试验

1.1 试验材料

（1）EPS混凝土砌块：强度等级为MU15[1]，自制。根据GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》规定，选用与墙体试件同批次、同条件养护28 d的MU15的EPS砌块10块分别试验，测其抗压强度，取10个抗压强度的平均值19.21 MPa为砌块抗压强度代表值，记为f1。

（2）砂浆：桂林灵川欧德龙新型建材有限公司生产的专用砂浆，强度等级为Mb5和Mb7.5。根据JGJ/T 50081—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》规定，制作标准试块各6块（3块标准养护28 d，3块采用EPS砌块为底模，并在墙体同条件状况下养护28 d），开展砂浆抗压强度测试。结果Mb5.0砂浆强度依次为9.46 MPa和7.76 MPa，Mb7.5砂浆强度依次为12.31 MPa和12.08 MPa，由此确定同养条件强度为砂浆强度的代表值，记为f2。

（3）混凝土梁：采用强度C30商品混凝土，4根直径12 mm的HRB335级纵筋，φ6@150的HPB 235级箍筋，浇筑尺寸为 800 mm×240 mm×200 mm 和 750 mm×240 mm×100 mm底梁和顶梁，养护14 d后运至试验室待用。

1.2 试验设计与制作

采用MU15的EPS砌块与Mb7.5、Mb5专用砂浆，考虑材料强度、墙体高厚比、墙体受力状况（轴心或偏心）等影响墙体结构受压破坏特征、受压承载力及变形性能的主要因素，设计3种规格6组18片墙体试件[8-9]，具体分组及参数等见表1。

表1 墙体抗压试验构件参数设计

墙体制作时，先清理底梁顶面，而后用砂浆找平，接着在梁上按“一顺一丁”砌筑法砌筑墙体；成墙养护3 d后，在墙顶做10 mm厚的砂浆找平层，再在找平层上用砂浆粘接顶梁。墙体制作中严格遵守GB/T 2542—2012的相关规定，并养护28 d后开展抗压性能试验。

1.3 试验仪器

采用自带电脑控制的YES—500型四柱压力试验机加载，YB-15/25型手持应变仪测量纵横向位移和应变，并通过3个位移计连接RHA-ASMB2-32型静态应变采集箱，测试墙体1/4、1/2和3/4高度处的侧向位移。试验采用物理对中、分级加载制度。

1.4 试验内容

依据GB/2542—2012和GB 50003—2011《砌体结构设计规范》对各墙体进行竖向荷载作用下的静力试验，分别测试各墙体的开裂荷载Ncr，极限荷载Nu，墙体的纵向和横向应变，观测各墙体的受力过程和破坏特征。

2 试验现象与结果

2.1 受力过程和破坏特点

观测6组EPS混凝土砌块墙体抗压破坏试验，可以确定各组墙体加压受力过程基本都经历了3个阶段，即弹性阶段、裂缝发展阶段及破坏阶段，与普通标准砖或普通混凝土砌块墙一致。

（1）弹性阶段。加载初期裂缝出现之前，所有构件竖向位移很小，横向位移及侧移几乎为0，荷载与竖向位移基本呈线性关系。

（2）裂缝出现及发展阶段。加载至70%～75%极限荷载Nu时，听到细微破裂声。对轴压构件如w-4：首批竖向裂缝随机出现在墙体正、反面灰缝处；荷载增大，裂缝增多，并由灰缝逐渐延伸入砌块内部；继续加载，墙侧面出现一条自上而下发展的明显裂缝，而正、反面裂缝则不断延伸、连通发展成一段段连续的、宽度较大的主裂缝（见图1）。对偏压构件如w-1：首批裂缝为横向的，出现在墙体顶部；荷载增大，裂缝左右延伸至墙侧面；继续加载，正面墙体底部出现竖向裂缝，而后变宽并向上延伸，而侧面墙体顶部出现竖向裂缝并向下延伸，裂缝宽度变大，墙体有明显的侧移（见图2）。

图1 轴心受压构件w-4各面裂缝分布情况

图2 偏心受压构件w-1各面裂缝分布情况

（3）破坏阶段。加载接近Nu，墙体发出连续的开裂响声。轴压构件：墙体正、反面多条细小裂缝贯通，接近平行分布整个墙面，并随荷载增加快速变宽变长。构件破坏时，墙体外凸，起皮，剥落，墙角处有压碎现象。偏压构件：除上述现象外，还明显出现荷载不变或缓慢增大，裂缝也会持续延伸、变宽的现象。构件破坏时，墙体正面严重外鼓、起皮，竖向通缝不断出现，背面则出现贯通横向裂缝；左右两侧面上部压碎、外鼓。EPS混凝土砌块墙体破坏时压缩变形值较同条件标准砖砌体和混凝土砌块砌体都大，最终裂缝宽度也较它们要大（墙体受压破坏特征见图3）。

图3 轴心受压构件w-5破坏情况

2.2 试验结果

整个试验过程通过压力机自带电脑采集数据，得到6组墙体的开裂荷载Ncr、极限荷载Nu和砌体的抗压强度f值（见表2），绘出了荷载-位移曲线（见图4）和墙体上、中、下位置荷载-侧移曲线（见图5）。

图4 荷载-纵横向位移曲线

表2 EPS混凝土砌块墙体试验实测数据

图5 荷载-侧移曲线

2.3 试验结果分析

（1）EPS 混凝土砌块墙体 Ncr为（0.70～0.75）Nu，高于普通标准砖比值（0.30～0.46）Nu和普通混凝土砌块[9]，同时墙体破坏时裂缝数量多而密，持续发展时间长。EPS混凝土砌块墙体的抗裂性和抵抗变形的能力优于标准砖和普通混凝土砌块砌体，这对结构受力和抗震是有利的。分析上述现象主要与EPS混凝土砌块组成材料的特性复合方法有关。因为该砌块中骨料颗粒是EPS，轻且强度低，但其表面经造壳处理后与复合胶凝材料粘结能力强[10]，同时我们在制备EPS砌块中掺加了植物纤维，对砌体的抗折和阻裂作用是有益的[11]，因此墙体受力传至砌块时复合胶凝材料先受力，达到其极限强度时砌块才开裂，不像普通混凝土砌块在骨料与水泥的薄弱界面首先开裂，因此开裂荷载较大。裂缝出现后因骨料不能阻止裂缝扩展，裂缝将沿着骨料颗粒与水泥浆体的界面延伸，或穿过骨料颗粒延伸，因此分布会多而密，受力后期EPS颗粒也会裂开，裂缝持续时间长而最终宽度也会较大，EPS砌块组成结构及破坏截面见图6。

（2）观察图4荷载-位移曲线：竖向荷载作用下墙体的纵向压缩位移远大于横向拓展位移（包括侧移），极限压缩应变大于普通粘土砖；小偏压构件w-1、w-3相对同等条件的轴压构件w-2、w-4受压竖向位移递增速度要快（图4中w-1墙比w-2墙的纵向位移变化曲线陡），最终位移也大。观察图5荷载-侧移曲线：墙中部水平侧移普遍大于上部和下部的；墙开裂后侧移明显增加，偏心作用的平面侧移大于轴心作用的平面侧移。

（3）观察表2实测数据，材料强度、墙体高厚比、荷载偏心距对墙体抗压承载力、变形均有不同程度的影响。将偏压试件w-1与w-3对比，或者将轴压试件w-2与w-4对比，它们的砂浆由Mb5替换成Mb7.5，强度由7.76 MPa递增到12.08 MPa，增幅56%，但墙体的Ncr值分别提高了37%和40%，Nu值分别提高了38%和41%，效果非常明显。对比轴压试件w-4、w-5、w-6，它们的高厚比分别为 4.125、5.96、7.79，试件的Ncr值依次为 1270.92 kN、1188.94 kN、1009.40 kN，递减幅度分别为6.45%和20.6%，Nu值依次为1719.47 kN、1587.37 kN、1386.29 kN，递减幅度分别为7.68%和19.37%；比较试件w-1与w-2、试件w-3与w-4，它们分别为偏压（e/h为0.08）和轴压构件，结果Ncr值是轴压构件的高出偏压构件的29.70%和32.90%，Nu值高出27.69%和25.73%。

综上分析：影响EPS砌块墙体受压性能的主要因素为材料强度，且材料强度对轴压和偏心构件的影响程度相差不大，如砂浆强度提高后，偏心受力的w-3墙相对w-1墙在Ncr及Nu的变化与轴心受力的w-4墙相对w-2墙在Ncr及Nu的变化几乎相同；高厚比变化对墙体抗压承载力有一定的影响，其他条件不变墙体的抗压承载力会随高厚比的增大而降低；偏心距的影响明显，偏压试件较轴压试件的承载力低。EPS砌块墙体同样需要控制偏心距的大小。

图6 EPS砌块组成结构及破坏截面

3 EPS砌块墙体受压承载力计算

根据砌体的受力和破坏特点，EPS砌块砌体抗压承载力计算可参照GB 50003—2011中关于无筋砌体受压构件承载力计算按式（1）进行。

Nu=φfA （1）式中：Nu——砌体抗压承载力；φ——考虑墙体高厚比β和偏心距e对砌体受压承载力的综合影响系数；A——砌体的受压计算面积；f为EPS砌块砌体轴心抗压强度。

3.1 EPS砌块砌体抗压强度f计算

据前期对EPS砌块砌体的试验研究和理论分析成果，该砌体抗压强度f按式（2）[13]进行计算。

式中：f1——EPS混凝土砌块强度，f2——砂浆强度。

将EPS混凝土砌块砌体抗压强度实测值与按式（2）计算得到的砌体抗压强度计算值对比，并求出计算值与实测值比值见表3，由此可知该新型砌块砌体的抗压强度计算值与实测值比值的平均值为1.012，变异系数为0.089，计算值与试验值吻合较好。

表3 EPS混凝土砌块砌体抗压强度f分析

3.2 综合影响系数φ的计算

φ为高厚比β及偏心距е对砌体受压承载力的综合影响系数，仍然根据GB 50003—2011按式（3）计算：

式中：e——偏心距，h——墙厚，φ0——稳定系数，其计算公式为φ0=1/（1+ηβ2），式中系数η反映砌体受压变形能力对稳定系数的影响，主要依据砂浆的强度确定，对本砌体f2＞5 MPa，η=0.0015；式中高厚比的定义式为 β=γBH0/h，γβ是考虑砌体材料对高厚比值的修正系数，根据材料特性，γβ=1.1。为此，6个试件的φ计算结果见表4。

表4 6个EPS混凝土砌块墙体的φ系数计算结果

3.3 EPS砌块砌体承载力的计算

按照式（2）计算EPS混凝土砌块砌体抗压强度f，按照式（3）计算高厚比β及偏心距е对砌体受压承载力的综合影响系数φ，代入式（1）计算EPS混凝土砌块墙体受压承载力Nu，计算结果列于表5。

表5 EPS混凝土砌块墙体抗压承载力分析表

将表5中的计算值与实测值对比可见，所有计算值均接近实测值，该新型砌块砌体抗压承载力计算值与实测值比值的平均值为0.946，变异系数为0.063，计算值与试验值吻合较好。因此可用规范公式计算砌体抗压承载力，式中涉及到的承载力影响因子高厚比β、稳定系数φ0、承载力综合影响系数φ均可采用规范提供的计算式，但砌体的抗压强度应采用课题组研究成果式（2）计算之[13]。

4 结论

（1）EPS混凝土砌块墙体在整个受压过程中大致分为3个阶段：弹性阶段、裂缝出现和发展阶段、破坏阶段，基本与普通标准砖和混凝土砌块墙体的受压过程相似。但EPS混凝土砌块墙体每阶段经历的时间与普通标准砖和混凝土砌块墙体有差异，EPS混凝土砌块墙体从加载到开裂及开裂至破坏的时间相对要长，最终裂缝数量要多、裂缝宽度及变形相对也大。

（2）EPS混凝土砌块墙体受压的Ncr值为Nu值的70%～75%，即该EPS混凝土砌块墙体的开裂荷载要高于普通标准砖和混凝土砌块，EPS混凝土砌块墙体的抗裂性能和抗变形也优于普通标准砖和混凝土砌块墙体。

（3）EPS混凝土砌块墙体受压承载力计算可按 GB 50003—2011提供的公式计算，包括公式中的稳定系数φ0、承载力综合影响系数φ的公式，但EPS砌块砌体的抗压强度的计算则应按课题组研究提供的式（2）进行。

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