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1、,砌体材料及其力学性能,执教教师：XXX,第一节 砌体材料,在第一章中，已给出了砌体的定义。砌体在建筑工程中常用作承重的结构材料或非承重的围护和填充材料。,一、块体,1. 砖 砖是我国砌体结构中应用最为广泛的一种块体，主要有下列种类： (1)烧结普通砖：由粘土、煤矸石(gangue)、页岩(shale)或粉煤灰(pulverized fuel(coal) ash, fly ash)为主要原料，经过焙烧而成的实心或孔洞率不大于规定值且外形尺寸符合规定的砖。分烧结粘土砖、烧结煤矸石砖、烧结页岩砖、烧结粉煤灰砖等。 目前我国生产的烧结普通砖，其标准砖的尺寸为240mm115mm53mm。用标准砖可砌
2、成120mm, 240mm, 370mm等不同厚度的墙，依次称为半砖墙、一砖墙、一砖半墙，等等。 烧结普通砖保温、隔热、耐久性能良好，可用于各种房屋的地上及地下结构。,(2)烧结多孔砖：以粘土、页岩、煤矸石为主要原料，经焙烧而成、孔洞率不小于15%，孔的尺寸小而数量多，主要用于承重部位的砖。简称多孔砖(perforated brick)。 多孔砖具有许多优点，可减轻结构自重。由于砖厚度较大，可节约砌筑砂浆并减少工时。此外，粘土用量和电力及燃料亦可相应减少。,图3-1 我国主要的空心砖规格(perforated brick),(a) (b) KM1型空心砖；(c) KP1型空心砖；(d)(e)(
3、f) KP2型空心砖,图3-2所示的孔洞少而大的空心砖，称为大孔空心砖。用作填充墙、分隔墙的非承重大孔空心砖，孔洞率可达40%60%。用作承重墙体的大孔空心砖，为了避免砖的承载力降低过多，其孔洞率不应超过40%。,图3-2 大孔空心砖,(3)蒸压灰砂砖(autoclaved lime-sand brick)：以石灰和砂为主要原料，经坯料制备、压制成型、蒸压养护而成的实心砖。简称灰砂砖。 (4)蒸压粉煤灰砖：以粉煤灰、石灰(lime)为主要原料，掺加适量石膏(gypsum)和集料，经坯料制备、压制成型、高压蒸汽养护而成的实心砖。简称粉煤灰砖。 蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖不得用于长期受热200以上、
4、受急冷急热和有酸性介质侵蚀的建筑部位，MU15和MU15以上的蒸压灰砂砖可用于基础及其他建筑部位，蒸压粉煤灰砖用于基础或用于受冻融和干湿交替作用的建筑部位必须使用一等砖。,2. 砌块 砌块(block)是尺寸较大的块体，其外形尺寸可达标准砖的660倍。高度不足380mm的块体，一般称为小型砌块；高度在380900mm的块体，一般称为中型砌块；大于900mm的块体，称为大型砌块。 混凝土空心小型砌块(图3-3)，是由普通混凝土或轻集料混凝土制成，其主规格尺寸为390mm190mm190mm，空心率一般在20%50%。,图3-3 混凝土小型空心砌块,图3-4 混凝土中型空心砌块,3. 石材 砌体中
5、的石材应选用无明显风化的天然石材，其主要来源有重质岩石(花岗石(granite)、石灰石(limestone)、砂岩(sandstone) 和轻质岩石。重质岩石抗压强度高，耐性久好，但导热系数大，加工也较轻质岩石困难，一般用于基础砌体和重要建筑物的贴面，不宜用作采暖地区房屋的外墙。 石材按其加工后的外形规则程度，可分为料石(squared stone)和毛石(rubble, free stone, quarry faced stone)。它们的规格、尺寸列于表3-1。,表3-1 石材的规格尺寸,二、砂浆(Mortar) 块体用砂浆砌筑后才能发挥整体作用；用砂浆填实块体之间的缝隙，能改善块体的受
6、力状态，提高砌体的保温和防水性能。 砂浆是由胶结料(cementing material)(水泥、石灰)、细集料(砂)、水以及根据需要掺入的掺和料(mixing material, sophisticating material)和外加剂(additive)等组分，按一定比例(重量比或体积比)混合后搅拌而成。,1. 砂浆分类 砂浆按其配合成分可分为： (1)水泥砂浆：不加塑性掺和料的纯水泥砂浆。 (2)混合砂浆(mixed mortar)：有塑性掺和料(石灰膏(lime paste)、粘土) 的水泥砂浆。如，石灰水泥砂浆、粘土水泥砂浆等。 (3)非水泥砂浆：不含水泥的砂浆，如石灰砂浆、石灰粘土
7、砂浆等。,2. 砂浆特性(Properties of mortar) 砌筑用砂浆除强度要求外，还应具有以下的特性。 (1) 流动性(或可塑性)(fluidity or plasticity) 为了保证砌筑的效率和质量，砂浆应有适当的流动性(可塑性) 。可塑性用标准锥体沉入砂浆的深度测定，根据砂浆的用途规定为：用于砖砌体的为70100mm；用于砌块砌体的为5070mm；用于石砌体的为3050mm。施工时，砂浆的稠度(thickness)往往由操作经验来掌握。,(2) 保水性(water-keeping property) 砂浆在存放、运输和砌筑过程中保持水分的能力称为保水性。砌筑的质量在很大程度
8、上取决于砂浆的保水性，如果砂浆的保水性很差，新铺在砖面上的砂浆的水分很快被吸去，则使砂浆难以抹平，砂浆也可能因失去过多水分而不能正常地硬化，从而使砌体强度下降。 砂浆的保水性以分层度(delamination degree)表示，即将砂浆静止30min，上下层沉入量之差宜在1020mm。,水泥砂浆可以达到比非水泥砂浆高的强度，但其流动性与保水性较差。研究结果表明，如果砂浆的强度等级相同，用水泥砂浆砌筑的砌体比用混合砂浆砌筑的砌体强度要低。,三、块体和砂浆的强度等级 GB50003规范规定的块体和砂浆强度等级如表3-2所列。块体和砂浆的强度等级符号分别以“MU” 和“M” 表示，单位为MPa(N
9、/mm2) 。,表3-2 块体和砂浆的强度等级,块体的强度等级按国家标准中规定的标准试验方法得到。确定蒸压粉煤灰砖块体和掺有粉煤灰15%以上的混凝土砌块的强度等级时，砌块抗压强度应乘以自然碳化系数，无自然碳化系数时，可取人工碳化系数的1.15倍。 石材的强度等级，可用边长为70mm的立方体试块的抗压强度表示。抗压强度取三个试件破坏强度的平均值。当试件采用其他边长尺寸的立方体时，应按表3-3的规定对其试验结果乘以相应的换算系数后方可作为石材的强度等级。,表3-3 石材强度等级的换算系数,砂浆的强度是由28d龄期的每边长为70.7mm的立方体试件的抗压强度指标为依据，确定砂浆强度等级时应采用同类块
10、体为砂浆强度试块底模。 验算施工阶段新砌筑的砌体强度，因为砂浆尚未硬化，可按砂浆强度为零确定其砌体强度。,第二节 砌体的种类,根据砌体中是否配置钢筋，砌体可以分为无筋砌体和配筋砌体两大类。,一、无筋砌体 按照砌体中所采用的块体种类，可以将砌体分为砖砌体、砌块砌体、石砌体等。为了保证砌体的受力性能和整体性，块体应相互搭砌(staggered)，砌体中的竖向灰缝(head joint)应上下错开。,1. 砖砌体 实心砖砌体通常采用一顺(stretcher)一顶(header)(English bond)、梅花顶(Flemish bond)和三顺一顶(4th course headers)等砌法(图
11、3-5) 。根据实践经验和试验研究，采用五顺一顶(6th course headers)的砌法，砌体的抗压强度与一顺一顶的砌法相比几乎没有下降。但应注意，上下两皮顶砖间的顺砖愈多，则宽为240mm的两片半砖墙之间的联系愈弱，很可能形成“两片皮” 而使其承载能力急剧下降。,图3-5 砖砌体的砌合方法,用实心砖砌筑空斗墙，也是我国的一种传统做法。所谓空斗墙，就是将部分或全部砖立砌于墙的两侧，而在墙的中间形成空斗。目前采用的空斗墙的厚度一般为240mm，有一眠一斗、一眠多斗和无眠空斗(图3-6) 等型式。采用空斗墙可以节省砖和砂浆的用量，减轻砌体自重，但较费人工，其整体性和抗震性能亦较差。在新的砌体
12、结构设计规范中GB50003已不再给出空斗墙砌体的强度计算指标。,图3-6 空斗墙,2. 砌块砌体 目前采用较多的砌块砌体有混凝土小型空心砌块砌体、混凝土中型空心砌块砌体和粉煤灰中型砌块砌体。用小型或中型砌块均可砌成240mm，190mm，200mm等厚度的墙体。 砌块砌体主要用于民用建筑，如宿舍、学校、办公楼以及一般工业建筑的承重墙或围护墙。,3. 石砌体 石砌体是由石材和砂浆(或混凝土)砌筑而成。石砌体分为料石砌体、毛石砌体和毛石混凝土砌体。 石砌体可就地取材，因此在产石的山区应用较广。但料石砌体因其加工比较困难，故一般只在有较多熟练石工的地区才有条件采用。料石砌体可用作一般民用房屋的承重
13、墙、柱和基础。还可用于建造石拱桥、石坝和涵洞等。,毛石混凝土砌体是在模板内交替铺置混凝土及形状不规则的毛石层筑成的。用于毛石混凝土中的混凝土，其含砂量应较普通混凝土高。通常每浇灌120150mm厚混凝土，再铺设一层毛石，将毛石插入混凝土中，再在石块上浇灌一层混凝土，交替地进行。毛石混凝土砌体用于一般民用房屋和构筑物的基础以及挡土墙等。,二、配筋砌体 为了提高砌体承载力和减少构件的截面尺寸，可在灰缝中，或在混凝土或砂浆面层中，或在灌孔混凝土中，配置适量的钢筋，构成配筋砌体(图3-7)。配筋的方式多种多样，我国的GB50003规范对在砌体的水平灰缝内配置方格钢筋网或连弯钢筋网的配筋砖砌体构件、由砖
14、砌体和钢筋混凝土面层或钢筋砂浆面层组成的组合砖砌体构件和钢筋混凝土构造柱组合墙的设计作了规定，本书的第六章将对此作详细叙述。,图3-7 配筋砌体,在砌块砌体的灰缝或灌孔混凝土中配置钢筋，则形成配筋砌块砌体。新的砌体结构设计规范GB50003增加了配筋砌体剪力墙、连梁和柱的承载力设计计算和构造要求方面的内容。 为确保配筋砌块砌体的工程质量、整体受力性能，应采用高粘结、工作性能好和强度较高的专用砂浆，及高流态、低收缩和高强度的专用灌孔混凝土。,三、预应力砌体 对砖砌体和砌块砌体，可在其孔洞内或槽口内放置预应力钢筋，以提高砌体的抗裂性或满足变形的要求。国外已有这方面的应用，我国目前还缺乏这方面的成熟
15、经验。,第三节 砌体材料的力学性能,一、砌体的受压性能 1. 块体和砂浆的受压性能 同济大学曾对砖的轴心受压性能进行过试验。从原砖中锯出53mm56mm160mm的棱柱体，将两端磨平后，再用环氧水泥把钢垫块粘在两端(图3-8a) ，在试件的两侧贴有电阻应变片测量变形。试验观测到的试件破坏形态(图3-8b) 及应力-应变曲线(图3-8c)均表明，砖是一种脆性材料。在达到极限强度(即应力峰值) 前，应力-应变曲线接近于直线；在达到极限强度后，很快就达到极限变形而下降。对应于峰值应力的应变0和极限应变u均较小，0在0.0010.0015，u在0.00110.0023。,图3-8 砖的轴心受压试验,同
16、济大学还对棱柱体砂浆受压试件测得了应力-应变曲线(图3-9) ，试件尺寸为70.5mm70.5mm211.5mm。与砖相比，砂浆的变形能力较好，峰值应变0在0.00140.0021，u在0.003以上。,图3-9 砂浆的应力-应变曲线,2. 砌体受压破坏特征 砖砌体受压试验，标准试件的尺寸为370mm490mm970mm，常用的尺寸为240mm370mm720mm。为了使试验机的压力能均匀地传给砌体试件，可在试件两端各加砌一块混凝土垫块，对于常用试件，垫块尺寸可采用240mm370mm200mm，并配有钢筋网片。,图3-10 轴心受压砖砌体的应力-应变曲线,图3-10所示为同济大学从砖砌体轴心抗压试验得到的应力-应变曲线。砌体轴心受压从加荷开始直到破坏，大致经历三个阶段： 当砌体加载达极限荷载的50%70%时，单块砖内产生细小裂缝。此时若停止加载，裂缝亦停止扩展(图3-11a) 。 当加载达极限荷载的80%90%时，砖内的有些裂缝连通起来，沿竖向贯通若干皮砖(图3
