煤矸石目前是我国较大的工业固体废弃物之一，煤矸石的堆积、自燃和浸滤造成的生态环境重度污染亟待解决。而将煤矸石作为骨料生产煤矸石烧结砌块加以回收利用，既解决了环境污染问题，又降低了工程造价。
外墙保温材料有无机砂浆、无机保温腻子和有机类聚苯乙烯泡沫、挤塑聚苯乙烯泡沫和发泡水泥板等[1]。随着住宅外墙大面积断裂、脱落等现象发生，建筑行业向着新型墙体保温材料发展，同时保温材料由无机类保温材料向有机类保温类材料发展，聚苯乙烯作为有机类保温材料质轻、保温效果好，一直是建筑行业外墙保温的首选材料。将煤矸石烧结砌块与聚苯乙烯相结合制成的复合保温砌块，具有轻质、耐久性好、体积稳定性好、防火性好、装饰功能好等优点。
煤矸石烧结复合保温砌块(简称复合保温砌块)是利用煤矸石等材料生产烧结空心砖，采用自动化机械在空心砖孔内注入聚苯乙烯泡沫发泡，经高温蒸汽成型为复合保温砖，并在其水平和竖向灰缝中设置贯穿隔热带，增加了砌体隔热、隔声、保温等性能。梁鑫晓等基于抗压强度试验和对角加载剪切试验，研究了烧结空心砖砌体的抗压和抗剪性能，研究表明：烧结空心砖的局部块体破坏导致砌体整体失效，其抗压强度与块体的强度密切相关[2]。黄靓等通过2组砌块砌体的轴心抗压试验研究，对新型9排孔烧结页岩复合保温砌块砌体的抗压性能进行研究，拟合出此砌体的对数模型应力-应变计算关系式[3]。
为了将该墙体材料运用于建筑工程中，有必要对其基本力学性能进行试验研究。本研究对煤矸石烧结复合保温砌块砌体的抗压性能进行试验研究，分析普通砂浆与石膏砂浆分别砌筑的试件的破坏特征和受力性能，拟合应力-应变关系曲线，并提出应力-应变关系的算式。为此类砌块的推广和进一步研究以及编制相关标准提供理论依据。
1 试验概况
1.1 试件设计及制作
试件采用河南浚县淇新新型节能建材有限公司提供的煤矸石烧结复合保温砌块，砌块规格尺寸为240 mm×240 mm×190 mm，砌块的形成如图1所示。根据GB/T 29060—2012《复合保温砖和复合保温砌块》[4]的要求，通过试验实测受压面的抗压强度平均值为3.03 MPa。试件由一名中等技术水平的工人砌筑，如图2a所示。根据GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》[5]的规定，高度为五皮砌块的高度，厚度为一皮砌块的厚度，宽度为两皮砌块的宽度加灰缝的厚度，试件的尺寸为490 mm×240 mm×1 240 mm(长×厚×高)，如图2b所示。试验设计共2组，每组6个试件。试件砌筑完成后，在室外养护28 d，砌筑完成的试件，在试件顶部平压两层砌块，直至加载试验前去掉。
图1 砌块的形成
Fig.1 Block formation
a—砌筑试件； b—试件尺寸。
图2 复合保温砌块抗压强度试件
Fig.2 Composite insulation block specimens for compressive strength test
1.2 砂浆强度
试验采用水泥砂浆和石膏砂浆进行砌筑，水泥采用P·O 32.5的普通硅酸盐水泥，砂为中砂，普通砂浆强度等级为M5,石膏砂浆由郑州三迪建筑科技有限公司提供,其中的参数如表1所示。根据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本力学性能试验方法》[6]的要求，砂浆立方体试件的标准尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每盘砂浆制作1组砂浆试件，每组6个，同抗压试件一起放在室外进行养护。
表1 砂浆强度
Table 1 Mortar strength
砂浆类别配合比(水泥∶中砂)实测强度平均值/MPaM51∶6.848.03石膏砂浆1∶14.32
1.3 试验装置及测点布置
加载前在试件的两侧分别安装2个百分表，测量试件的变形，并在试件高度的1/4、2/4、3/4处测量宽度和厚度，求取平均值，精确至1 mm。横向变形的测距为220 mm，且测点与试件边缘的距离大于50 mm，竖向变形的测距为330 mm，且为一个块体厚度加一条灰缝厚度的倍数。试验装置及测点布置如图3所示。根据GB 50003—2011《砌体结构设计规范》[7]的要求，安装就位后，在预估破坏荷载值的5%～20%区间内，反复预压3～5次，当轴向变形值相对误差超过10%时，调整试件位置或重新垫平试件，加载过程采用分级加载制度。
a—试件加载装置； b—测点布置。
图3 试验装置及测点布置
Fig.3 Test set-up and arrangement of measuring points
2 试验现象及分析
2.1 普通砂浆砌筑试件破坏过程及现象
煤矸石烧结复合保温砌块砌体的破坏过程与文献[8-9]的破坏过程大致相似，可分为三个阶段，但破坏特征有较大的差异。
第一阶段：从砌体抗压试件开始施加荷载，听到砌体里有“咔咔”声响，当施加荷载约为破坏荷载的35%～45%时，此时砌体处于弹性阶段。百分表的示数随着荷载的增加而增大，当第一条裂缝出现时，一般均在砂浆处出现。裂缝首先从侧面出现，随着荷载的增加，部分微小裂缝开始延长，在此阶段的内裂缝为单块砌块内的微裂缝。
第二阶段：从出现第一条裂缝至加载到试件破坏荷载的70%～80%时，此时砌体处于弹塑性受力阶段。在施加荷载的过程中，砌体内的单砖裂缝开展和延伸，逐渐形成上下贯通多皮砖的连续裂缝，同时不断有新的裂缝出现，此时即使不再增加荷载，裂缝仍会继续发展并且加宽加长，砌体表面有表皮剥落，砌体中的保温材料被压开向外崩出。
第三阶段：当荷载达到试件破坏荷载的90%后，砌体内部的保温材料不断发出“嘣嘣”声，并且裂缝延伸加长加宽，最终出现较多贯通两皮砖的裂缝，砌体被贯通的竖向裂缝分割成若干独立的小柱，最终这些小柱被压碎或失稳，砌体瞬间失去平衡和承载力，部分试件在破坏前有表皮被挤出。
a—试件分割破坏； b—角部破坏； c—试件倾倒破坏。
图4 普通砂浆砌体的破坏形态
Fig.4 Failure mode of ordinary mortar masonry
从试件的整体破坏过程来看，部分试件首先在砌体顶部的砂浆灰缝处开裂，同时在砌体的底部由灰缝处沿凸棱向两边开始延伸。继续施加荷载，裂缝由上而下延伸，并且在其他砌块表面有裂缝产生，砌体的破坏是由砌块内部三个竖肋裂开，由上而下形成贯通的裂缝，最后使试件被分割成几部分而破坏,如图4a所示。部分试件在砌体顶部的砂浆处产生竖向裂缝，随后在顶部砌块凸棱处裂缝向外延伸，随着荷载的增加，在某角首先发生破坏，如图4b所示。随后裂缝由上而下贯通整个砌体，最后试件向一侧倾倒至破坏。此种原因可能是由于偏心受压的作用、施工砌筑的影响以及养护过程中砂浆与砌块变形差异等因素产生,如图4c所示。
2.2 石膏砂浆砌筑试件破坏过程及现象
石膏砂浆砌筑的复合保温砌块砌体与普通砂浆砌筑的复合保温砌块砌体的破坏过程相似。
第一阶段：试件开始施加荷载，达到破坏荷载的40%左右时，此时砌体试件处于弹性阶段。随着荷载的增加，伴随有“咔咔”声响，保温材料与砌块的内肋壁分开，部分聚苯乙烯颗粒被挤出，同时砌块的内壁有微小的裂缝产生。
第二阶段：加载至试件破坏荷载的75%左右时，此时砌体处于弹塑性受力阶段。撤掉百分表，随着荷载的增加，砌体试件顶层的砌块外肋首先开裂，当外壁发生变形时，砌块内部的两条竖肋与保温材料形成上下贯通的小柱，裂缝不断加宽加长。
第三阶段：当达到试件破坏荷载的90%时，砌体中砌块的外壁与保温材料脱离，砂浆崩出，保温材料被整体挤出，构件内壁快速产生新的裂缝，砌体被贯通的竖向裂缝分割成若干独立的小柱，外壁失稳破坏，砌体瞬间沿着内壁被分割成三部分而破坏。
从试件的整体破坏过程来看，部分试件首先破坏在砌体试件最顶层的一皮砌块，砌块的失稳破坏导致砌体试件的破坏，如图5a所示；部分试件是砌体内部产生裂缝至试件的整体破坏，如图5b所示，此种原因是由于砌块自身存在的微小裂缝，在加载的过程中，首先沿着自身存在的裂缝开裂而导致砌体的破坏。
a—顶部砌块破坏； b—内部裂缝形成破坏。
图5 石膏砂浆砌体的破坏形态
Fig.5 Failure modes of gypsum mortar masonry
3 试验结果
按照GB/T 50129—2011所给的单个砌体试件的轴心抗压强度的计算式(1)计算，计算结果精确至0.01 MPa：
(1)
式中：fc为试件的抗压强度，MPa；N为试件的抗压破坏荷载值，N；A为试件的截面面积，mm2。
GB 50003—2011给出的砌体轴心抗压强度平均值的计算表达式如式(2)所示：
(2)
式中：k1为试块类别及砌体砌筑方法有关的参数，取0.78； k2为砂浆强度影响的修正系数，取1；f1，f2分别为块体和砂浆的抗压强度平均值，MPa;α为与试块高精度及砌体类别有关的参数，取0.5。计算结果如表2所示。
表2 抗压强度试验结果
Table 2 Test results of compressive strength
试件编号截面面积/mm2开裂荷载Pcr/kN破坏荷载Pu/kN实测值抗压强度/MPa平均值f/MPa变异系数fm1fcfm1平均值TY1-111233045.098.00.870.67TY1-211325648.0101.20.890.69TY1-311325674.6137.41.210.94TY1-411325646.3107.60.950.74TY1-511325680.5102.30.900.70TY1-611280048.297.10.860.950.141.290.670.67TY2-111280025.571.80.640.60TY2-211280056.969.80.620.58TY2-311280062.180.40.710.66TY2-411280052.964.80.570.53TY2-611184057.973.70.660.62
注：TY1代表的是煤矸石烧结复合保温砌块与M5砂浆的砌体试件；TY2是煤矸石烧结复合保温砌块与石膏砂浆的砌体试件；TY2-5由于百分表的脱落，不能记录数据。
由表2可以看出：M5的普通砂浆砌筑的煤矸石烧结复合保温砌块砌体的抗压强度平均值为0.95 MPa，变异系数为0.14，石膏砂浆砌筑的煤矸石烧结复合保温砌块砌体的抗压强度平均值为0.64 MPa，变异系数为0.08。砌体的抗压强度小于砌块的抗压强度，试验值与通过式(2)计算得到的比值的平均值为0.67，证明试验值小于GB 50003—2011规定计算值，这是由于水平灰缝砂浆的饱满度影响砌体的抗压强度。其次，砌体在砌筑时的水平灰缝厚度、砌块含水率以及砌筑方法都关系着砌体质量的优劣。由砌体的受压应力状态分析可知，砌筑质量对砌体抗压强度的影响，实质上反映了它对砌体内复杂应力的作用。
3.1 砌体的应力应变关系
砌体在一次加荷下的应力-应变关系是砌体材料的一项基本力学性能，通过砌体试件的轴心受压试验测定。砌体的材料、大小等因素不同，其应力-应变关系不同[11]。依据GB/T 50129—2011，逐级荷载下的轴向应变ε、横向应变εtr和应力σ，按式(3)计算：
(3a)
(3b)
(3c)
式中：ε为逐级荷载下的轴向应变值；εtr为逐级荷载下的横向应变值；Δl,Δltr分别为逐级荷载下的轴向和横向变形值，mm；σ为逐级荷载下的应力值，MPa；Nt为试件承受的逐级荷载值，N。
对于砌体受压状态下的本构关系式，国内外学者归纳有抛物线式、两段式、对数型、指数型、有理分式型。目前应用最广泛的为抛物线式，根据文献[10]提出的关系式，如式(4)所示，研究砌体的抗压性能的应力-应变关系，而且有较多的学者运用式(4)来拟合应力-应变的关系。
(4)
式中：σ为压应力；σ0为峰值压应力；ε为压应变；ε0为峰值压应变。
根据记录的数据，运用式(4)进行处理，通过ORIGIN软件进行数据的拟合，对于复合保温砌块与M5普通砂浆的应力-应变拟合曲线为式(5)，拟合曲线如图6所示。进行拟合后得出的系数A=1.1，B=-0.1。
(5)
TY1-1;
TY1-2;
TY1-3;
TY1-4;
TY1-5; 
TY1-6; ----拟合曲线。
图6 TY1的拟合曲线
Fig.6 Fitting curve of TY1
同样的，运用ORIGIN软件对复合保温砌块与石膏砂浆试件的应力-应变进行分析，拟合曲线的算式如式(6)所示，拟合曲线如图7所示。进行拟合后得出的数据为A=1.2，B=-0.3。
(6)
TY2-1; TY2-2; TY2-3; TY2-4; TY2-6; ----拟合曲线。
图7 TY2的拟合曲线
Fig.7 Fitting curve of TY2
TY1和TY2两组试件的砌块是相同的材料，故拟合的曲线具有相同性，通过ORIGIN软件拟合得到的系数A=1.11，B=-0.14，拟合的结果较吻合，则复合保温砌块砌体的应力-应变关系的建议表达式为式(7)，拟合曲线如图8所示。
(7)
TY1-1;
TY1-2;
TY1-3;
TY1-4;
TY1-5;
TY1-6; TY2-1; TY2-2; TY2-3; TY2-4; TY2-6; ----拟合曲线。
图8 复合保温砌块应力-应变曲线
Fig.8 Stress-strain curve of composite insulation block
整体分析试件，应力-应变曲线呈现一个上升段。试验在万能试验机上进行，测量到试件出现裂缝及保温材料有裂开的情况，就撤掉百分表，测量的结果只有上升段，是由于在达到最大压力之前，无法控制加载速度来控制压力机的进油。
3.2 砌体弹性模量
弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，值越大，材料发生一定弹性变形的应力也越大。根据GB/T 50129—2011的要求，计算弹性模量时，根据曲线取σ等于0.4fc时的割线模量为该试件的弹性模量，并按式(8a)计算。弹性模量计算的平均值如式(8b)所示，计算结果如表3所示。
(8a)
E=1 568fm
(8b)
式中：E试件的弹性模量,MPa；ε0.4对应σ为0.4fc时的轴向应变值。
从表3可以看出，通过试验拟合得到的公式计算出的弹性模量为1 568fm，而GB 50003—2011中根据砂浆等级不同，得到的弹性模量取值为1 600fm，通过对比试验实测弹性模量与规范中的取值之比为0.98，可以看出拟合得较好，可以将式(8b)作为复合保温砌块砌体的弹性模量计算式。
表3 弹性模量试验结果
Table 3 Elastic modulus test results
试件编号实测值/MPa平均值/MPa规范值/MPa实测值规范值标准差/MPa变异系数TY1-12500fmTY1-2909fmTY1-31143fmTY1-41250fmTY1-51429fmTY1-61905fm1568fm1600fm0.98480fm0.31TY2-11905fmTY2-2976fmTY2-31600fmTY2-41818fmTY2-61818fm
4 结束语
1)煤矸石烧结复合保温砌块砌体的受压破坏具有三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段，且试件的受压破坏的试验值小于规范计算值。
2)通过实测试验数据，运用ORIGIN软件进行拟合，绘制应力-应变关系曲线，并拟合出煤矸石烧结复合保温砌块砌体的应力-应变关系建议表达式。
3)通过实测数据计算的弹性模量与GB 50003—2011中的弹性模量相比较，吻合较好。提出了煤矸石烧结复合保温砌块砌体的弹性模量取值。
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