摘要：對同一種原材料、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度進行了試驗研究。通過強度理論和有限元分析，并經(jīng)試驗驗證和修正，建立了塊材抗壓強度與原材料強度等級及塊型的關系，分析得到了各種不同塊型塊材的體型系數(shù)，為塊材抗壓強度建立了統(tǒng)一的衡量尺度，并為確定塊材最低強度等級提供了參考依據(jù)。
關鍵詞：磚；多孔磚；空心磚；砌塊；強度等級；體型系數(shù)
按照我國GB/T 2542—2003《砌墻磚試驗方法》，普通磚的抗壓強度是將磚切斷成兩截，然后搭砌100 mm，形成115mm×100 mm×106 mm 的試件進行試驗的，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的。由于試件尺寸不同，塊材的強度等級衡量標準不一致，造成每種材的強度等級無法橫向比較。ISO 的試驗方法標準[1]是將各種塊材的抗壓強度通過塊材體型系數(shù)換算成試件尺寸為100mm×100 mm×100 mm的名義強度來衡量。由于我國長期習慣于普通磚抗壓強度的表示方法，本文通過試驗和有限元分析結果，將其它塊材的抗壓強度換算成普通磚的名義抗壓強度。
1 基本假設
?。?）塊材實體為連續(xù)、均勻的彈性介質；
?。?）因塊材試驗時，受試驗機上、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，即一旦塊體內最大拉應力處達到屈服，即認為整個塊材破壞。
2 破壞準則
塊材在豎向壓力作用下，其內部的微元體上的應力狀態(tài)主要為T/T/C 三向受力狀態(tài)，容易破壞的區(qū)域通常在遠離上、下壓板的塊體中部，這個區(qū)域的3 個主應力σ1>0、σ2>0、σ3<0。對于多孔的塊材，σ2 通常很小，可以忽略不計，因此，可以采用二軸破壞準則。
采用Tasuji- Slate- Nilson 二軸破壞準則[2- 3（] 見圖1），塊體在T/C 應力狀態(tài)下（圖1 中CD 段），其破壞準則為：
s———主壓應力和主拉應力的比值；
ft———混凝土單軸抗拉強度。
3 塊體抗壓強度
3.1 試驗與試驗結果
塊材的強度等級按照GB/T 2542—2003 《砌墻磚試驗方法》和GB/T 4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗方法》，得到A、B、C、D 4 種塊材試驗的抗壓強度平均值（每組10 個試件）分別為：17.5 MPa、12.3 MPa、12.8 MPa、5.7 MPa。
3.2 塊體受壓時的應力分析
由于上、下壓板摩擦力約束，近似假定上、下面節(jié)點無水平位移，上、下兩表面，一個為加壓表面，另一個為無約束縱向位移表面，這與實際試驗約束條件非常吻合。
在塊體受壓標準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)點集中力后，利用ANSYS 分析軟件進行分析。輸入原材料的彈性模量和泊松比后，得到最大主拉應力
σtmax（σ1）單元的應力狀態(tài)（見表1）。
3.3 塊體抗壓強度
根據(jù)基本假定可知，當磚內最大主拉應力達到復雜應力下的破壞準則時，即滿足式（2）時，試件頂面的凈截面應力即為塊體凈截面抗壓強度f1n：
我國現(xiàn)常用的塊材形式有4 類：實心磚、多孔磚、空心磚及砌塊，本文試驗在每一類中選取一種有代表性的塊材形式作為試驗研究對象（見圖2），采用同一盤原材料（混凝土摻少量粉煤灰）、相同成型機具制作出試驗用塊材，并采用相同環(huán)境進行養(yǎng)護[4]。
將同一盤混凝土（立方抗壓強度實測值為13.2 MPa），采用相同制作工藝制作的4 種不同塊材的抗壓強度試驗結果以及有限元分析結果代入式（4），可以得到每個試件的強度修正系數(shù)，然后由全部40 個試件的強度系數(shù)統(tǒng)計得到k=0.043（變異系數(shù)為0.07）。
4 塊體的體型系數(shù)
由于受到試驗機上下壓板的約束作用，在原材料相同的條件下，塊材抗壓強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度f1 乘以體型系數(shù)Ψ，則得
到塊材的名義抗壓強度（普通磚試件尺寸的抗壓強度）：f1，nom=Ψf1=Ψ（1- δ）f1n=Ψ'f1n （5）
式中，Ψ'———塊材的凈截面強度體型系數(shù)，Ψ'=（1- δ）Ψ。
假設用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度f c1 ，不同塊型塊材的體型系數(shù)Ψ' 為普通磚抗壓強度與其抗壓
強度的比值。本研究將我國常用的實心和空心塊材進行了分析計算，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），然后統(tǒng)計得出：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度體型系數(shù)Ψ' 與按式（6）的計算值見圖3。
國際標準ISO/FDIS 9652- 4—2000《砌體試驗方法》附錄A[1]中給出了塊體的體型對塊體強度的影響系數(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，國際標準中名義強度的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，塊體抗壓強度均按毛面積計算，未考慮塊材孔洞率的影響。
5 討論
由式（5）及式（6）可以得到，各種塊材的抗壓強度試驗值可以按式（7）等效為普通磚的抗壓強度（名義抗壓強度）：f1，nom=（1.5- 0.5b/h）f1/（1- δ）（7）
對于我國常用塊材，當其名義抗壓強度為10 MPa 時，塊材抗壓強度如表2 所示。
表2 中，當塊體強度等級為f1 時（如J 型砌塊強度等級為MU5）時，與普通磚的強度等級為MU10 相當。由于塊體的耐久性主要與原材料有關，因此，在確定塊體的最低強度等級時，如果比較我國砌體結構設計規(guī)范對普通磚最低強度等級的要求為MU10，則其它塊型的塊材最低強度等級可參照表2中f1 確定。
以表2 中J 型砌塊為例，對于承重砌塊，孔洞率一般為50%，強度等級為MU5.0 的砌塊的名義抗壓強度就可以達到MU10；對非承重砌塊，孔洞率達到近60%，強度等級為MU4.0的砌塊的名義抗壓強度就可以達到MU10。因此，對承重砌塊，其最低強度等級建議取MU5.0，而對非承重砌塊（填充墻），其最低強度等級建議取MU3.5。
6 結語
通過試驗研究和有限元分析得到的塊體抗壓強度預測模型，并用來確定塊材的體型系數(shù)各種塊材的名義抗壓強度可按公式（7）計算，它為塊材抗壓強度建立了統(tǒng)一的衡量尺度，也為砌體結構設計規(guī)范確定塊材的最低強度等級時提供了參考依據(jù)。
參考文獻：
[1] ISO/FDIS 96542- 4—2000，International Standard.Masonry- Part 4:Test Method[S].
[2] Tasuji M E，Slate F O，Nilson A H.Stress - strain response andfracture of concrete in biaxial loading [J].ACI J，Proceedings，1978，75（7）：306- 312.
[3] 過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理[M].北京：清華大學版社，1999.
[4] 曾小軍.磚型與孔洞對砌體抗壓強度的影響研究[D].長沙：湖南農業(yè)大學，2006，9
