随着国家大力推行建筑节能和墙体改革, 烧结页岩空心砖已逐渐成为最为广泛的填充墙材料之一。在近几次发生的地震中, 空心砖砌体填充墙都发生了不同程度的破坏, 不仅给人们的生命和财产造成了严重的损失, 还导致了大量的震后修复工作。地震中填充墙及其周边框架梁柱所呈现的震害特征与结构分析所采用的假定存在很大的差异^[1,2,3]。

　　 现有的针对空心砖已开展的相关研究工作主要侧重于评价带空心砖砌体填充墙框架的抗震性能, 试验结果^[4]认为, 页岩空心砖墙体具有良好的抗震性能, 其极限承载力比实心砖墙低约10%~15%。随填充墙自身刚度减小, 其对框架抗震性能的贡献逐渐减小, 依次是标准砖、空心砖、加气混凝土砌块, 但即使采用低强度砌块, 填充墙刚度对框架结构的影响也不能完全忽略^[5]。空心砖砌体的抗震性能与其力学基本性能密切相关, 然而其砌体的力学性能指标在《砌体结构设计规范》 (GB50003—2011) ^[6] (简称砌体规范) 中并未作明确说明, 有关于研究空心砖及其砌体的力学性能方面的研究也相当少。已有研究成果发现^[7], 三种满足ASTM C652要求的孔洞结构的空心砖砌体的各项力学性能不但能达到材料强度相同的粘土砖砌体的要求, 而且具有更好的隔热、隔声性能。梁鑫晓等^[8]对随机选取的一批四川省常用的页岩空心砖进行了力学性能试验, 却发现试验所得强度指标明显低于有关规范的要求。屈睿^[9]利用试验及有限元模拟, 得到了空心砖砌体抗压强度和抗剪强度之间的换算系数。Meli^[10]采用最常用的空心砖和砌块及其相应砌体进行试验, 获得每一类块体的单砖抗压强度、相应砌体的抗压强度和抗剪强度, 发现砌体的抗剪强度主要由灰缝的粘结强度所决定。

　　 由于世界各地空心砖的孔洞形式各异、制作原料各不相同、孔洞率的大小亦千差万别, 我国用于填充墙的空心砖形式多种, 具有明显的地方特色, 因此, 国外对于空心砖的研究结论无法适合我国的情况。近几年四川连续遭受了几次不同震级的地震, 填充墙问题引起了社会的普遍关注。虽然正规厂家都能提供质检单位的合格证明, 但小震下填充墙的震害仍然非常严重。产品的质量、现行规范以及目前所用的空心砖是否适合在地震多发区使用都是值得业界关注和反思的问题。

　　 为了进一步系统地掌握四川地区广泛使用的页岩空心砖的现状, 本文选用了由大型正规厂家生产的、目前建筑市场上常用的三种不同孔洞形式烧结空心砖, 试验研究其砌体的抗压性能和劈裂抗拉性能, 评估所谓市场合格产品的各项指标能否达到现行规范的相关要求, 研究孔洞形式对空心砖砌体力学性能的影响, 揭示页岩空心砖易于震害的根本原因, 同时也为科学地评估填充墙框架结构的抗震性能提供合理的填充墙力学模型。

　　 试验采用如图1所示的成都市某大型砖厂生产的四、五、六孔这三种孔洞形式的烧结页岩空心砖, 均具有合格证明。四孔砖为单排方孔砖, 规格为240mm×240mm×100mm, 孔洞率为63.3%;五孔砖两边为双排方孔, 而中部为单排方孔, 规格为240mm×200mm×115mm, 孔洞率为61.4%;六孔砖为双排方孔砖, 规格为240mm×200mm×115mm, 孔洞率为59.1%。实测大面平均抗压强度分别为1.12, 1.19, 0.89MPa。

　　 本次试验所用砌筑砂浆及抹灰砂浆采用32.5级复合硅酸盐水泥、自来水和中砂, 含泥量约为2%。实测强度为5.54MPa。试验用砌筑砂浆配合比为水泥∶中砂∶用水量=1∶4.84∶1, 其中水泥的用量为300kg。

　　 参照《砌体基本力学性能试验方法标准》 (GB/T 50129—2011) ^[11]制作和设计砌体抗压试件。根据不同的孔洞形式, 将空心砖砌体分为3组, 每组6个试件, 总计18个。以S, W, L分别代表四、五、六孔, QY表示砌体抗压, 从1~6进行编号。四孔空心砖砌体抗压试件标准尺寸240mm×370mm×760mm, 五孔及六孔空心砖砌体抗压试件标准尺寸均为200mm×370mm×740mm, 试件尺寸及加载装置示意图参照文献[8]。试件顶部采用厚度为10mm的混合砂浆找平, 并用水平尺检验其平整度, 各组试件均采用分层流水作业法进行砌筑, 并在室内养护28d后进行试验。分别在试件高度方向的3个四分点处测量试件的厚度t和宽度L, 精确到1mm, 测量结果取平均值, 实测数据见表1。

　　 试验正式加载前进行预加载, 预估试件的破坏荷载, 在预估破坏荷载的5%~20%内反复预压3次。试验全程采用位移控制加载, 加载速率为0.5mm/min, 直至试件破坏。

　　 18个试件受压破坏过程和破坏形态几乎各不相同, 呈现出明显的不确定性。但所有试件有一个共同点, 即破坏均开始于空心砖而非灰缝出现裂缝, 该破坏特征也是空心砖砌体显著不同于实心砖砌体之处。

　　 对于不同的试件, 部分试件可见初始裂缝开始于空心砖肋与孔壁交接处, 部分开始于空心砖的条面。另一方面, 烧结空心砖出厂时即存在或多或少的初始裂缝, 受力后, 新出现的裂缝可能在初始裂缝的基础上扩展, 也可能开始于无初始裂缝的部位, 其破坏形态和破坏过程与初始裂缝的发育程度关系较小。之后, 随着荷载增大, 初始裂缝继续扩展和延伸, 同时在砖内和灰缝内将不断出现新的裂缝。最终的破坏往往是因个别砖压坏, 而导致传力路径中断, 对于不同的试件, 被压坏的砖的部位有所不同, 可能发生在砌体顶部、底部, 甚至在中部的一皮或几皮砖。没有出现像一般砌体破坏时连续的竖向贯通裂缝把砌体分割成1/2砖左右的小柱体而失稳破坏, 表现出比实心砌体更为明显的脆性特征。图2为试验观察的几种破坏形态。

　　 表1列出了空心砖砌体抗压强度试验的极限荷载、抗压强度等主要试验数据。抗压强度由下式计算:

　　 式中:f_{c, m}为试件抗压强度, MPa;P_u为试件的极限荷载, N;A为试件的受压面面积, mm², A=L×t。

　　 试验所测得的各试件的抗压强度具有较大的差异, 离散性大。同一类孔洞形式的试件的强度亦差异明显。四孔空心砖砌体的最大抗压强度与最小抗压强度之比接近6, 五孔空心砖砌体两者的比值为2.2, 六孔空心砖砌体两者的比值为2.4, 与单砖抗压强度离散性大的特征呈一致性。三种空心砖砌体平均抗压强度有较大差异, 说明孔洞形式对空心砖砌体抗压强度也有影响。四孔空心砖砌体平均抗压强度最高, 五孔空心砖砌体平均抗压强度最低。实测单砖大面抗压强度中时五孔空心砖最高, 四孔空心砖次之, 六孔空心砖最低。从试验所测得数据来看, 空心砖砌体的抗压能力很难与其所采用的砖的抗压强度之间建立直接联系。砌体的强度主要受控于强度最低的某皮砖, 而单砖的强度又具有很大的不确定性。另外, 由于砖表面的平整性、灰缝的不均匀性, 以及砂浆和砖的横向变形系数和弹性模量不同, 砌体中单砖的受力状态复杂, 与单砖受压试验的受力状态有一定的差异, 因此砌体的抗压强度不能简单地与单砖抗压强度建立对应关系。

　　 四孔空心砖砌体抗压试件的初裂系数 (初裂荷载与极限破坏荷载之比) 平均值为86.49%, 试件接近一裂即坏。而五孔及六孔空心砖砌体该值分别为67.17%和61.89%, 试件出现初始裂缝后还有一定的承载潜力。这表明相对破坏荷载而言, 孔洞率越小初裂越早。空心砖抗压试件总体而言, 开裂荷载越高, 其极限承载力越大。

　　 此外, 结合试验过程所观察到的破坏现象发现, 砌体抗压承载力及开裂荷载的大小跟砌筑用空心砖自身有无原始裂缝以及初始裂缝的发育程度的关系并不密切。

　　 砌体规范采用下列回归公式计算砌体抗压强度:

　　 式中:f₁为块体的抗压强度平均值, MPa;f₂为砂浆抗压强度平均值, MPa;α为与块体类别和高度有关的系数;k₁为与砌体类别有关的系数;k₂为砂浆强度影响的修正系数。

　　 现行《烧结空心砖和空心砌块》 (GB/T 13545—2014) ^[12]仅对块体的强度做出了规定, 未涉及相应砌体的力学性能。基于式 (2) , 考虑到空心砖的尺寸较大, 其对砌体抗压强度有很大的影响, 引入尺寸修正系数φ₁。根据文献[13]可知, 砖的尺寸对砌体抗压强度的修正系数可以按照下式计算:

　　 式中:h为砖的高度, mm;l为砖的长度, mm。

　　 此外, 当孔洞率不超过35%时, 空心砖砌体强度较高, 但一旦孔洞率超过该值时, 空心砖砌体的强度将降低, 因此引入孔洞率修正系数φ₂, 文献[14]通过大量空心砖砌体力学性能试验对孔洞率影响系数回归后提出了如下公式:

　　 式中δ为空心砖孔洞率。

　　 因此, 建议的烧结空心砖轴心抗压强度的计算公式如式 (5) 所示:

　　 由于块体原材料及砌筑方法与烧结普通砖材料相同, 因此取k₁=0.78, α=0.5;试验所用砂浆强度较高, 取k₂=1。表2为规范计算强度、修正强度与试验结果的对比。

　　 由表2可知, 三种孔洞形式的空心砖砌体的实测抗压强度均明显低于砌体规范抗压强度计算值, 说明该计算方法不适于该空心砖砌体。从前述介绍的破坏形态可看出, 若砂浆的强度不低于块体的强度, 空心砖砌体的强度几乎不受砂浆强度的影响, 因此, 式 (2) 明显过多地考虑了砂浆强度对砌体强度的贡献。由试验结果可知, 空心砖砌体的强度主要取决于其中最弱的某皮砖的强度, 因砖强度离散性过大, 故与块体的平均强度关系很小。因而, 用块体和砂浆的平均强度来评定空心砖砌体的抗压强度不可行。

　　 四孔空心砖砌体修正后的理论强度低于试验强度, 五孔及六孔空心砖砌体强度修正后会得到一个偏于危险的值, 但该结果与规范强度相比明显更接近实测强度。虽然通过尺寸及孔洞率来修正空心砖砌体的轴心抗压强度具有一定的可行性, 但由于目前试验样本数量少, 该计算公式合理性仍然需要大量试验数据来完善和验证。

　　 图3为试验测得的三种孔洞形式空心砖砌体试件的受压应力-应变曲线。从图中看出, 加载前期, 几乎所有试件均有一个弱刚化压实的过程, 随后在达到峰值点以前, 基本呈线性增长。峰值点过后, 均有一个陡降段, 说明达到最大承载力后, 因试件内力传递路径被破坏, 试件的承载力快速降低。此后, 随着试件压缩变形的增大, 试件的承载力还可能略有提高。最终, 随压缩变形增大, 试件的承载力降低到非常低的水平, 试验终止。

　　 按照《砌体基本力学性能试验方法标准》 (GB/T 50129—2011) ^[11]要求, 取0.4倍极限抗压强度应力状态下的割线模量作为该试件的弹性模量, 按照公式 (6) 计算, 计算结果见表3。

　　 式中:E为试件的弹性模量, MPa;ε_0.4为与0.4f_{c, m}对应的轴向应变值。

　　 由表3可知, 四孔砖的弹性模量最高, 六孔砖最低。每一种孔洞形式的空心砖砌体的弹性模量都具有一定的离散性, 变异系数较大。

　　 为研究空心砖砌体受集中力作用时的力学行为并测定其劈裂抗拉强度, 本文采用了测试岩石和混凝土抗拉强度的试验方法———劈裂试验。

　　 砌体劈裂试验试件与受压试件同期制作, 且采用与受压试件相同的砌筑砂浆。砌筑完成后, 在试验室内养护28d后进行劈裂试验。每种孔洞形式空心砖砌筑6个试件, 总计18个。同样以S, W, L分布代表四、五、六孔, QP表示砌体劈裂, 从1~6进行编号, 试件尺寸如图4所示。

　　 空心砖砌体劈裂试验施压前将两根直径18mm的光圆钢筋作为垫条放于试件和上下承压板之间, 并铺厚度低于钢筋直径的湿砂以防止光圆钢筋滚动。光圆钢筋将施加的压力变成线荷载, 并且使试件产生垂直于荷载作用方向上的张拉应力。试验进行前测量劈裂试件的厚度T和高度H各两次。加载方式采用位移控制, 加载速率0.23mm/min。

　　 各组试件在加载初期基本无变化, 但在中后期其破坏主要有两种形态, 如图5所示。四孔空心砖砌体试件, 在竖向荷载增加到一定程度时, 可以在试件上下两皮砖的侧面中间位置观察到细小的竖向裂缝, 随荷载增加, 裂缝竖向延伸。随着一声脆响, 试件突然劈裂成两半, 此时试件所承受的荷载为其极限荷载。劈裂面为竖向灰缝所在面, 破坏呈现出明显的脆性特征。五孔、六孔空心砖砌体试件加载时除上述破坏形态外, 还出现了第二种破坏形态。裂缝首先出现于试件上下两皮砖侧面, 随着荷载增大, 裂缝处发生局部压碎, 钢筋陷入砖里, 最终该皮砖裂成两半, 而相对的另一皮砖基本完好。

　　 试验过程中还注意到, 空心砖砌体劈裂破坏形态受空心砖自身缺陷的影响不大。即随着试验的进行, 新裂缝并非沿自身初始裂缝发展, 而是出现在竖向中心位置。这主要是因为劈裂试验是通过对试件施加线性压应力而使得试件沿着竖向中心线产生垂直于上、下荷载作用方向的拉应力, 劈裂试验中基本都会因为砖抗拉强度不足而在竖向中心位置处出现裂缝。

　　 空心砖砌体的劈裂抗拉强度应按式 (4) 进行计算, 计算结果精确至0.01MPa, 计算结果见表4。

　　 式中:σ为砌体的抗拉强度, MPa;P为砌体的劈裂破坏荷载值, N;A为劈裂面面积, mm²。

　　 由表4可知, 同一孔洞形式的空心砖砌体的劈裂抗拉强度都具有较大离散性, 变异系数都较大。空心砖砌体劈裂抗拉破坏形态与破坏荷载之间有一定的联系。第一种破坏所对应的破坏荷载都普遍高于第二种破坏形态。与实心砖砌体抗拉强度主要取决于砂浆强度不同, 空心砖砌体的劈拉强度可能更多地取决于砖的抗拉能力和局部抗压能力。因垫条下的块体局部破坏会导致劈拉破坏提前发生, 故劈拉试验方法可能无法客观地反映该类砌体的抗拉能力。

　　 通过对烧结空心砖砌体进行抗压试验和劈拉试验, 观察其受力变形破坏过程, 分析试验数据, 得到以下主要结论和建议。

　　 (1) 空心砖砌体受压破坏受控于单砖的最小抗压强度, 破坏位置不定, 孔洞形式对砌体的破坏过程和破坏形态均有一定的影响, 且抗压强度低、离散性大, 建议加强对单砖的最小抗压强度的控制。

　　 (2) 给出了建议的空心砖砌体抗压强度理论计算公式, 由于试验数据的局限性, 还需进一步完善。

　　 (3) 三种孔洞形式的空心砖砌体弹性模量离散性都较大, 砌体的弹性模型与孔洞形式有一定的关系, 四孔、五孔、六孔砖砌体的弹性模量值依次递减。

　　 (4) 空心砖砌体劈裂试件的破坏形态有两种, 典型的劈裂破坏和因砖局部压坏而导致的失效, 以前者为主。

　　 (5) 三种形式空心砖砌体劈裂破坏都开始于砖内开裂, 且实测劈裂抗拉强度离散性都较大。