工业废渣混凝土对称双排四孔多孔砖抗折强度的试验研究与数值模拟.pdf

2 0 1 3 年 第 7期 (总 第 2 8 5 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 C0NCRE TE P RODUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 3 2 工业废渣混凝土对称双排四孔多孔砖抗折强度的 试验研究与数值模拟 张新娜 ，付俊强 ( 洛阳理工学院 a 电气工程与 自动化系；b 机械工程系，河南 洛阳 4 7 1 0 2 3 ) 摘要 ： 基于相关的试验和非线性有限元计算等手段， 对实用化程度较高的工业废渣混凝土对称双排四孔多孔砖抗折性能进行了 试验研究和相关 的数值模拟 。 得到了该试件在折压状态下的宏观变形形态， 以及不同载荷加载情况下多孑 L 砖裂缝的发生位置， 并将 其数值模拟结果与试验测试结果进行了比较 、 分析。 为该类多孔砖孔型的设计与优化提供 了有利的依据。 关键词 ： 工业废渣混凝土多孔砖 ；抗折强度 ；试验；有限元 中图分类号： T U 5 2 8 7 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 1 1 4 0 3 E x pe r i me n t a l s t u d y a n d nu me r i c a l s i mul a t i o n f o r f l e x ur a l str e n gt h o f p e r f o r a t e d c o n c r e t e b r i c k wi t h i n du s t r i a l wa s t e d ma t e r i a l s a n d s y m me t r i c d ou b l e r o w f o u r - h o l e ZHANGXi n n a ， FUJ u n q i a n g。 ( a De p t o f E l e c t r i c a l En g i n e e rin g a n d Au t o ma t i o n ； b De p t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， L u o y a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g 4 7 1 0 2 3 ， Ch i n a ) Ab s t r a 0 1 ： ： Ba s e d o n r e l a t e d t e s t an d n i n l i n e a r fi n i t e e l e me n t n u me ri c a l s i mu l a t i n g， fi e x u r a l p e r f o r ma n c e o f p e r f o r a t e d c o n c r e b ri c k wi t h p r a c t i c a l i n d u s t r i a 1 wa s t e d ma t e r i a l a n d s y mme t r i c d o u b l e r o w f o u r h o l e wa s r e s e a r c h e d T h e r e s u l t s s h o we d s i mu l a t e d ma c r o s c o p i c d e f or ma t i o n mo r ph o l og y o f t h e s a mpl e s un d e r fle x u r a l c o nd i t i o n a n d c r a c k l o c a t i o n o f pe r f o r a t e d c o n c r e t e b r i c k o n d i ffe r e n t l o a di n g Fo r t h e p u r p o s e o f c o mp ari s o n， t h e s i mu l a t i o n p r e d i c t i o n s an d the e x p e r i me n t a l d a ta s h o we d g o o d a g r e e me n t s T h e p r e s e n t r e s u l t s ma y p r o v i d e s o me f a v o r a b l e b a s i s o n d e s i g n a n d o p t i mi z a t i o n o f h o l e s h a p e o f p e r f o r a t e d c o n c r e t e b ri c k K e yw o r d s ： p e r f o r a t e dc o n c r e t e b ri c kwi t hi n d u s t r i a l wa s t e dma t e r i a l s ； fl e x u r a l p e r f o r ma n c e ； e x p e ri me n t ； fi n i t e e l e me n t me t h o d 0 引言 工业废渣混凝土多孔砖具有施工方便 、 结构性能 良好 的诸多优势 ， 成为替代黏土实心砖的最有竞争力的墙体材 料之一。 为 了贯彻 国家“ 禁黏” 、 “ 禁实 ” 的相关政策 ， 促进工 业废渣混凝土多孔砖的快速发展 ， 对混凝土多孑 L 砖砌体的 基本力学性能进行系统 、 深刻的试验研究是十分必要的。 而 研究、 开发实用化程度较高的对称双排 四孑 L 多孔砖无疑具 有更 为现实的意义【 1 。 对于砌体结构的研究与应用 ， 国外 已具有较长历史 2 。 混凝土砌块起源于美国 ， 1 8 6 6 年 C S H u t c h i n s o n获得美 国 第一份生产空 心砌块 的专利 。 1 8 7 4年 T B R h o d e s的专利 可 以用混凝土或其他材料在塑性 状态制 成多种形状 的空 心砌块。 1 8 9 0年 H S P a l ma r 生产混凝土砌块 ， 并在 1 8 9 7年 建 成了第一幢 房屋。 而我 国的混凝 土空心砌块 建筑始 于 2 0世纪 3 0 年代初期 ； 6 0 7 0年代为我 国空心砌块 的萌 芽 时代； 8 0 年代小型砌块开始进入一个新的发展时期 ， 进入 9 0 年代， 小型砌块开始进入高质量时代， 向着未来建筑新体 系并进 ， 其应用对象也由低层转向中高层及大开 间建筑【3 。 采用混凝土和各种工业废 渣 、 粉煤灰 、 煤矸石等制成 的无 熟料水泥煤渣混凝土砌块在我国有较大的发展 。 而力学性能是砌体结构的内力分析、 强度计算以及其他 方面研究的重要理论基础 。 现代砌体 的力学理论发展得 还 不够完善 ， 还不能够直接准确的投入实际应用 ， 而实际工程 的广泛应用又迫切需要理论支持。 抗压强度是砌体最重要 的力学性能之一 ， 因为混凝结构主要用以承受荷载或抵抗各 种作用力， 对建筑物的使用寿命有着直接的影响。 实际工程 中还要求混凝上多孑 L 砖 同时具有耐久性能 ， 一般来说 ， 强度 愈高 ， 耐久性能也愈好 。 因此 ， 通常用强度来评定和控制混 凝土多孔砖的质量以及评价各种工艺因素( 原材料、 配合比、 成型和养护条件) 影响程度的指标。 国内外对砌体抗压强度 的研究主要有两种途径 ： 一个是在试验的基础上 ， 借助于试 验资料 ， 统计分析提出计算公式或提供以砌块和砂浆强度为 基础 的砌块抗压强度表格 ， 称为经验法问 ； 另外一个 是根据 收稿 日期 ： 2 0 l 3 0 1 _ o 4 基金项 目：洛阳理工学院青年基金( 2 O O 9 Q Z 1 9 ) ； 国家 自然科学基金项 目( 1 1 0 7 2 1 0 0 ) 1 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 弹性分析或者弹塑性分析建立理论模 式 ， 称为理论方法圈 。 其中， 抗折强度是影响砌体抗压强度的重要 因素之一。 本试验基于相关的试验方法和非线性有 限元方法 ， 对 实用化较 高的工业废 渣混凝 土对称双排 四孔多孔砖抗折 强度进行 了试验研究和相关 的数值模 拟。 给出了该多孔砖 在折压状态下的宏 观变形形态 ， 分析了不 同载荷加载情况 下多孔砖裂缝的发生位置 ， 并将其数值模拟结果与试验测 试结果进行 了比较 、 分析。 1 工业废 渣混凝 土对称 双排 四孔砖 砌体 抗折 试 验 1 1试 验 方 案 试验中， 采用了4个厂家提供的4 种不同类型的工业 废渣混凝土多孑 L 砖 ， 一共 4 组共 4 0 个抗折试件， 试件规格 见表 1 。 表 1 试件规格 试验 的加载设备为图 1 所示的 4 0 t 液压式压力机 ， 试 验机 的示值相对误差不大于 1 。 图 1 液压式压力机 试验方法参照 砌墙砖试验方法 的规定执行 ， 试验 采用三点加荷方式 ， 上压辊和下压辊的直径为 1 5 to n i ， 下压 辊有铰结 固定 ， 见 图 2 。 混凝 图 2抗折 强度 试 验加 载示 意 图 1 2 试验 步骤 ( 1 ) 先对工业废渣混凝 土多孔砖进行尺寸测 量 ： 在多 孔砖 的两个大面的中间处分别测量两个宽度尺寸 ； 工业废 渣混凝土多孑 L 砖 的条 面的中间处 分别 测量两个高度的尺 寸， 测量时选择不利的一侧测量。 分别取其算术平均值， 精 确到 1 m m。 ( 2 ) 将工业废渣混凝土多孔砖 的坐浆面平放到支辊上。 以 1 0 0 N s 的速度匀速加荷 ， 直至试样折 断 ， 记录最大破坏 荷载 P ( 精确至 0 1 k N) 。 ( 3 ) 每块工业废渣混凝土多孔砖的抗折强度-厂 按式( 1 ) 计算 ， 精确至 0 1 M P a 。 3 P L 2 BH2 式中 ： 抗折强度 ， MP a ； P 最大破坏荷载 ， N； 跨距 ， i l n l ； 试件宽度 ， mm； 日试件高度 ， 1 T I 1T I 。 1 3 试验 结果及分析 工业废渣混凝土多孔砖的抗折性能试验结果 的相关 数据 ， 见表 2 所示。 表 2 对称双排四子 L 砖抗折试验数据 在进行三点加载抗折性能试验时 ， 工业废渣混凝土对 称双排 四孔砖在抗折试验破坏时表现为 明显的脆性特征。 其中， 对于这种对称结构砌块 ， 破坏截面主要发生在靠近 中间肋( 位于多孔砖坐浆面上与条面垂直的靠近中间的肋) ； 综上述破坏形态 ， 根据力学的知识 ， 由于孔洞的存在使抗 弯截面模量减 小 ， 可以通过加大中间肋厚宽度 ， 从 而减小 破坏截面的弯距， 这样可以提高抗折强度； 另外， 还可以通 过加大壁厚和肋厚 ， 从 而加大抗弯截面模 量 ， 壁厚和肋厚 的加大也意味着加人其 中骨料的粒径可 以加大 ， 这些对抗 折强度的提高都是有利的网 。 2工业废 渣 混凝土 对称双排 四孔砖砌 体抗 折 性能 的数值模拟 2 1 块 材 的描 述 为 了使数值模拟结果与试验测量结果能够进行很好 的对 比， 有限元模型的建立是 以某有 限公司提供 的孔洞率 3 4 的混凝土多孔砖为参照， 外观尺寸为 2 4 0 m mx l 1 5 m r il x 9 0 m i l l ， 孔洞大小相 同且成对称 分布 ， 所有孔洞均 为半盲 孑 L ， 孔深约 8 0 mm， 如图 3 所示 。 2 2 有 限元模 型的建 立 建模采用 自 底向上方法， 破坏准则选用改进的五参数 破坏准则 ， 混凝土参数设定如表 3 所示 。 l 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参考文献 ： 1 】 刘昭清， 钱稼茹， 赵作周， 等 双向筒芯简支预应力空心楼板静 力试验 土木工程学报 ， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 9 ) ： 4 0 4 8 【 2 J 郝建华 论现浇混凝土空心楼板结构的优越性 【 J 合肥学院学 报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 3 ) ： 6 3 6 5 ， 8 2 3 】 李海涛 ， 苏小卒 ， 刘立新 ， 等 筒芯内模现浇空心楼盖设计的实 用方法建议 J 1 结构工程lJ 币， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 - 5 4 】 金陵科技学院 兼具保温和隔音功能的现浇钢筋混凝土空心楼 盖( 板) 及其制备方法： 中国， 2 0 1 l 1 0 0 4 2 3 4 8 3 P 2 0 1 1 【 5 】XUA N We i h o n g ， WAN Y o n g ， C HEN Yu z h i ， e t a 1 A n e w t y p e o f c a s t 一 上接第 1 1 6页 多孔砖 的破坏在线性阶段持续时间 比较长 ， 当破坏进 入非线性阶段后 ， 经过了持续时间很短的弹塑性阶段 ， 很快 就进入了塑性破坏阶段 ， 直至最后破坏。 在后处理中查看位移最大点的荷载 位移曲线( 见图 9 ) ， 多孑 L 砖在受力后 表现 出一定 的非线性特性 由图中可知 ， 多孔砖在较小载荷作用时候 的变形很小 ， 破坏初始 阶段是 线性阶段 ； 当载荷达到 6 k N时 ， 曲线开始出现拐点 ， 曲线的 斜率变大， 这是由于开始出现裂缝， 内部的一些单元发生 坍塌， 刚度减小造成的， 破坏进入非线性阶段； 随着载荷的 增加 ， 裂缝 的扩展 ， 多孔砖发生坍塌的单元越来越多 ， 承载 能力不断降低， 当载荷达到 8 8 k N时， 曲线的斜率进一步 变大 ， 破坏开始进入加速阶段 ， 非线性特征更加显著 ； 随着 载荷的进一步增加 ， 多孔砖的位移迅速增加， 当载荷到达 1 0 k N时， 单元完全坍塌 ， 多孑 L 砖破坏 。 荷 载 k N 图9 荷载一 位移曲线 4结论 ( 1 ) 通过试验和数值模拟两种手段 ， 分别对称双排 型 四孑 L 的多孑 L 砖抗折性能进行 了相应 的研究 ， 数值结果与试 验结果吻合 良好 。 ( 2 ) 通过试验归纳出了多孔砖抗折试验的破坏形态和 抗折强度。 总结 出多孔砖属于混凝土材料 ， 在破坏时呈明显 的脆性特征； 由于孑 L 洞的存在使得抗弯截面模量减小 ， 导致 破坏截面基本发生在中间孔洞内壁这个薄弱部位。 盔囱田 i n- s i t u r e i n f o r c e d c o n c r e t e b i a x i a l h o l l o w s l a b wi t h p r o p e ay o f t h e r ma l i n s u l a t i o n J A d v a n c e d Ma t e r i a l s Re s e a r c h， 2 0 1 2 ， 3 6 8 3 7 3 ： 4 48 -4 51 作者简介 联 系地址 联系电话 王潘绣( 1 9 8 3 一 ) ， 女， 博士， 研究方向： 主要从事混凝土 结构数值仿真。 江苏省南京市江宁区弘景大道 9 9 号 金陵科技学院 建筑工程学院( 2 1 1 1 6 9 ) l 8 91 3 8 05 8 4 3 ( 3 ) 对称双排型四孑 L 的多孔砖抗折性能数值模拟的结 论 与抗折试验结果能够很好 的吻合。 通过提取各个阶段的 裂缝分布图和荷载一 位移曲线 ， 得出受力后初始阶段呈线性 ， 随着荷载增加呈 明显的非线性特征 。 该 多孔砖的破坏在线 性阶段持续时间 比较长 ， 当破坏进入非线性阶段后 ， 经过 了持续时间很短 的弹塑性 阶段 ， 很快就进入 了塑性破坏阶 段 ， 直至最后破坏。 参考文献： 1 李维节能承重混凝土空心砌块的研究与应用 J j 砖瓦， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 5 0- 53 2 A S T E R I S P G， L A T E RA L MS t i f f n e s s o f b r i c k ma s o n r y i n fi l l e d a e f r a me s J J o u r n a l of S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g A S CE， 2 0 0 3 ( 8 ) ： 1 0 7 1 1 0 7 9 3 3朱伯龙 砌体结构设计原理 M I 上海： 同济大学出版社， 1 9 9 1 【 4 张云杰， 唐岱新砌块砌体应力一 应变全曲线试验研究【 J 1 1氏温建 筑技术 ， 2 0 0 2 ， 3 ( 2 ) ： 2 3 2 6 5 】N ARA I NE K， S I N AHA S Mo d e l f o r c y c l i c c o mp r e s s i v e b e h a v i o r o f b r i c k m a s o n r y J A C I ， S t ruc t J o u r n al， 1 9 9 1 ， 8 8 ( 1 ) ： 1 5 6 8 1 5 7 0 6 于振东0 昆凝土小型空心砌块砌体的质量控S U J 山西建筑， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 1 3 ) ： 2 4 1 2 4 2 7 赵成文， 代俊杰， 高连玉工业废渣混凝土多孔砖抗折性能试验 研究 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 7 ， 3 4 ( 1 1 ) ： 2 3 2 6 8 】龙驭球 有限元法概论 M】 E 京 ： 高等教育出版社， 1 9 9 1 9 DE B UHA N P， DE F E L I C E G A h o mo g e n i z a t i o n a p p r o a c h t o t h e u l - t i m a t e s t r e n g t h of b r i c k m a s o n g r y J 1 Me c h P h y s S o l i d s ， 1 9 9 7 ， 4 5 ( 7 ) ： 】 0 85 -1 1 0 4 作者简介 联系地址 ： 联系电话 张新 g ( 1 9 8 1 一 ) ， 女， 助教， 硕士， 主要研究方向： 语音 与图像信号高速处理的理论及应用与建筑材料。 河南省洛阳市洛龙区王城大道 9 0 号 洛阳理工学院 电气工程与自动化系( 4 7 1 0 2 3 ) 03 7 9 6 5 9 2 91 2 7 三一重工 A8砂浆大师获专家推崇有望再创 6 0 0亿利润增长点 记者 日前从三一重工获悉 ， 三一重工 A 8 砂浆大师获国家商务部及众多高等 院校 、 行业专家推崇 ， 有望为三一重工再 创一个近 6 0 0 亿 的利润增长点 。其采用的专用车辆短距离运送 至施工现场实现机械化喷涂作业方式 ， 避免 了干混砂浆在 物流和仓储过程中产生的离析问题。同时， A 8 砂浆大师还较好地解决了砂浆高层泵送和喷涂技术与工艺难题 ， 提高了机 械化施工效率， 并降低了砂浆的生产成本、 生产及物流设备的投资成本， 经济效益显著。 l 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m