蒸压加气混凝土砌块墙体面层增强对比试验研究

2021-02-11杜红凯籍嘉浩曾德民赵洪涛

结构工程师 2021年6期

杜红凯籍嘉浩曾德民赵洪涛

（1.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；2.秦皇岛市人民政府抗震防灾办公室，秦皇岛 066000）

0 引言

蒸压加气混凝土（autoclaved aerated concrete，AAC）作为一种节约资源、容重轻、保温好的建筑材料，既可以用于框架填充墙，也可以用作自承重墙体，在国内外被应用广泛。由于AAC的强度和弹性模量低，在地震中易出现破坏［1］，应采取相关措施提高墙体的强度，例如采用较薄的灰缝［2］、增加适量水平筋和桁架筋［3-4］、增加构造柱和圈梁［5-9］、采用RC-AAC组合墙［10］等，国内外相关试验和分析证明上述方法均能不同程度提高墙体的抗震性能。此外，面层加固（增强）也是提高AAC墙体性能的一种有效方法，既有研究表明高韧性纤维单面加固AAC墙体后，其水平抗剪承载力能够提高31%、水平变形能力提高75%、耗能能力提高308%［11］。

作为框架填充墙，AAC墙体能够提高框架结构的抗侧刚度、承载力、延性和耗能能力［12-13］，但是墙-梁连接处的砂浆层会发生受剪破坏，导致墙-梁出现相对滑移和承载力突然下降［14-15］。墙-梁之间可以采用柔性连接以避免加气墙过早出现破坏［13］。既有研究表明，非抹面AAC填充墙在0.35%层间位移角时就已经开裂，抹面之后可见的裂缝在1%层间位移角出现，抗裂性能有很大提升［16］。我国学者建议在填充墙四角采用玻璃纤维网加固［14］，GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求在钢筋混凝土结构楼梯间和人流通道的填充墙上设置钢丝网砂浆面层［17］。

工程实践发现钢丝网砂浆面层增强的成本较高，为探索低成本增强方式，研究不同面层增强材料和粘结材料对墙体强度的影响，本文对4片AAC墙体进行拟静力试验，得出墙体破坏现象、特征和抗剪承载力，并验证既有砌体加固理论抗剪承载力公式的适用性，为实际工程参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计四片双面面层增强AAC墙体，分别为普通水泥砂浆钢丝网增强（W1）、普通水泥砂浆双层玻璃纤维网布增强（W2）、粉煤灰砂浆单层玻璃纤维网布增强（W3）和粉煤灰砂浆双层玻璃纤维网布增强（W4）。墙体W2面层施工顺序为，先在墙体上抹一层水泥砂浆打底，然后涂抹专用聚合物粘结砂浆，铺设一层玻璃纤维网布，用抹子压入粘结砂浆，使粘结砂浆从网眼中透出，再铺设第二层网格布，两层经纬向交错布置，再次用抹子抹压使底层砂浆透出，最后抹压水泥砂浆并找平。由于W2中聚合物砂浆的厚度较小，其内外均为较厚的水泥砂浆，为方便叙述，将W2表述成普通砂浆增强。其他三片墙体的打底砂浆、粘结砂浆和最外层找平砂浆均采用同一材料，见表1。所有墙体面层砂浆总厚度均在15～20 mm之间。墙体长×厚×高为1 800 mm×250 mm×1 200 mm。砌筑砂浆均为普通砂浆，强度等级M7.5。面层砂浆种类有水泥砂浆、聚合物砂浆以及粉煤灰砂浆，强度分别为 7.5 MPa、10 MPa、6.7 MPa。砌块尺寸为600 mm×250 mm×200 mm，强度为3.37 MPa，干密度级别为B06。墙体表面所铺设的钢丝网直径为1.6 mm，网眼尺寸20 mm×20 mm，单根铁丝抗拉力为840 N。玻璃纤维网布的网眼尺寸5 mm×5 mm，50 mm宽抗拉力为1 250 N，涂塑量7.68%。

表1 试件参数Table 1 Specimen parameters

1.2 试验装置与加载制度

试验在北京建筑大学结构实验室进行，加载装置如图1所示。由于水平作动器作用在墙顶，为避免墙体承受弯矩，与实际工程不符，本试验采用竖向双作动器，试验时锁定两竖向作动器的位移，使其产生压力差，行成反弯矩，与墙体上来自水平作动器的弯矩自动平衡。

图1 试验装置图Fig.1 Sketch of the setup

两个竖向千斤顶分别作用于墙体顶部沿墙体长度方向1/4、3/4处，初始竖向荷载均为150 kN。水平荷载全程采用力控制的分级加载方式，在墙体开裂前，每一级荷载为10 kN，往复循环一次；在墙体发生开裂后，每一级荷载为20 kN，往复循环一次，当水平荷载下降到极限荷载的85%时，认为该墙体破坏。

2 试验现象与结果分析

2.1 破坏过程与破坏特征

在试验过程中，W1在10 kN时出现裂缝，随着加载等级的增加，裂缝逐渐增多，破坏时墙体面层分布大量交叉斜裂缝（图2），面层与墙体脱离（图3），将面层取下后，可见墙体内部大量裂缝（图4）。W2墙体在20 kN时出现裂缝，破坏时墙体表面布满交叉斜裂缝（图5），裂缝密度比W1大，面层中部外鼓（图6）。W1和W2破坏时，面层的整体性均较好。

图2 W1交叉斜裂缝Fig.2 Cross diagonal cracks of W1

图3 W1面层与墙体脱离Fig.3 Separation of the surface mortar and the main body of W1

图4 W1内部墙体裂缝Fig.4 Cracks in the internal of W1

图5 W2面层交叉斜裂缝Fig.5 Cross diagonal cracks of W2

图6 W2面层砂浆中部外鼓Fig.6 Bulge in the middle of W2 surface mortar

W3在160 kN出现首条裂缝，加载初期和中期并未出现墙体均布裂缝，破坏时表面呈现两条交叉斜裂缝，但仅有一条裂缝不断开展，并最终导致墙体承载力丧失，墙体破坏时该裂缝两侧部分面层砂浆出现脱落（图7）。W4在200 kN时出现首条斜裂缝，随着试验进行，该裂缝不断开展，260 kN时墙体丧失承载力（图8）。W3和W4破坏时面层的裂缝远少于W1和W2，大部分区域与AAC砌块的粘结仍较好。

图7 W3交叉斜裂缝Fig.7 Cross diagonal cracks of W3

图8 W4部分面层面层脱落Fig.8 Falling off of the surface mortar on W4

2.2 试验结论与分析

各墙体在往复荷载作用下的试验结果见表2，典型滞回曲线见图9。

表2 试验结果Table 2 Test results

图9 滞回曲线Fig.9 Hysteresis curves

（1）从墙体面层开裂情况来看，在加载前期，W1、W2两墙体面层均较早就出现裂缝，随着加载的进行，裂缝逐渐布满墙体。而W3、W4墙体面层并未出现均布裂缝，仅有主裂缝且与内部墙体裂缝一致，表明粉煤灰砂浆面层的抗裂性能高于普通砂浆面层。

（2）从墙体的破坏特征可以发现，在试验结束时，W1、W2的面层出现大面积整体脱离及空鼓，表明普通砂浆的粘结能力低于粉煤灰砂浆。

（3）由表2可以看出，不同材料增强墙体的极限承载力基本属于同一层级。其主要原因为：在反复荷载作用下，面层不同程度脱落，面层的钢丝网和玻璃纤维网的强度均无法充分发挥作用，导致钢丝网、单层玻璃纤维网和双层玻璃纤维网的增强效果相差不大。另外，面层砂浆和加气混凝土弹性模量的差异是面层脱落的主要原因，前者弹性模量是后者的10倍左右，在外荷载的作用下，内部加气块无法起到骨架作用，较薄的面层出现平面外变形，导致粘结面被拉开。

（4）表2中粉煤灰砂浆增强墙体的承载力略高于普通砂浆增强的墙体，其原因在于粉煤灰砂浆面层仅出现了部分脱落，而普通砂浆墙体出现了整体性脱落。可见，面层的增强效果很大程度上取决于砂浆与AAC砌块的粘结效果。

（5）表2中W1和W2的极限位移大于W3和W4，是因为前两片墙体出现了大量均布裂缝，裂缝的滑移增大了墙体的变形。

（6）图9给出了W3和W4的滞回曲线，可以看出，面层增强AAC墙体的屈服阶段仍然不明显，从试验现象来看，增强后的墙体仍然表现出砌体结构一裂就坏的特征，这也说明钢丝网和玻璃纤维布的作用没有得到充分发挥。

3 增强后墙体受剪承载力计算

由于国内外针对AAC墙体面层增强的研究较少，本文将通过试验结果，验证砌体墙面层增强抗剪承载力计算公式对本文试验墙体的适用性，为实际工程提供参考。进行验算的公式如下：

（1）徐国洲［18］提出的抗剪承载力计算公式：

（2）常云鹏［19］提出的抗剪承载力计算公式：

（3）王天贤［20］提出的抗剪承载力计算公式：

（4）罗瑞［21］提出的抗剪承载力计算公式：

式中：ψ为墙体抗剪强度高宽比修正系数；ψp为高宽比对增强效果影响系数；k为砌体抗剪强度调节系数；μ0、μ均为剪压复合受力影响系数，但在不同公式中取值不同；ap、as分别是面层砂浆及钢丝网提供抗剪承载力的加权系数，且与轴压比有关；fw，v为砌体抗剪强度；fpu为面层砂浆立方体抗压强度；σ0为竖向压应力；f为砌体抗压强度平均值，本文采用规范JGJ/T 17《蒸压加气混凝土应用技术规程》中对于加气混凝土砌体抗压强度标准值计算公式来计算，f=0.65fck，fck为加气混凝土抗压强度标准值，本文实测为3.37 MPa；Ap，AW为面层砂浆及墙体的横截面面积；b为抹面砂浆厚度；h为墙体水平方向长度；ρ为配筋率；As1为单根钢筋截面面积；s为钢筋横向间距；fy，m为钢筋抗拉强度，本文计算是将所有钢筋的参数转变成钢丝网和玻璃纤维网布的参数。

实际试验中所得出的抗剪承载力与按上述四个理论计算公式计算得到的抗剪承载力见表3。