混凝土小型空心砌塊方案設(shè)計的研究分析

1 引言

能源和環(huán)保是全人類面臨的新挑戰(zhàn)，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展和諧社會將進(jìn)一步推動墻體材料的發(fā)展和改革。混凝土小型空心砌塊具有節(jié)地、節(jié)能、利廢、原材料豐富、可充分利用地方資源、且砌筑較符合傳統(tǒng)砌筑習(xí)慣等優(yōu)點(diǎn)，因此混凝土小型空心砌塊是最有發(fā)展前途的新型墻體材料之一〔1～2〕。如何使設(shè)計出的砌塊既滿足現(xiàn)有砌塊的力學(xué)性能要求，又滿足現(xiàn)有的規(guī)范要求，有必要對設(shè)計方案進(jìn)行討論，即分析空心砌塊的尺寸、孔洞的大小、受力性能、保溫等情況。

2 混凝土小型空心砌塊類型

混凝土空心砌塊主要有兩種類型：即普通混凝土小型砌塊和輕集料混凝土砌塊。兩者主要區(qū)別有：

2.1 組成材料的粗集料不同

普通混凝土小型空心砌塊的粗集料是碎石、礦渣等，成型后砌塊密度大、自重大；輕集料混凝土小型空心砌塊粗集料為粉煤灰陶粒、粘土陶粒、頁巖陶粒、天然輕集料、膨脹珍珠巖等，成型后密度較小，自重比較輕。

2.2 砌塊強(qiáng)度等級分類不同

普通混凝土小型空心砌塊按其強(qiáng)度等級分為：MU3.5、MU5.0、MU7.5、MU10.0、MU15.0、MU20.0。而輕集料混凝土小型空心砌塊按強(qiáng)度等級可分為六級：MU1.5、MU2.5、MU3.5、MU 5.0、MU7.5、MU10.0。

2.3 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不同

普通混凝土小型空心砌塊按GB8239-1997執(zhí)行，輕集料混凝土小型砌塊按GB/T15229-2002執(zhí)行。

2.4 產(chǎn)品等級分類不同

普通混凝土小型砌塊是按外觀質(zhì)量尺寸允許偏差區(qū)分為優(yōu)等品、一等品和合格品；輕集料混凝土小型砌塊的一等品，必須同時滿足強(qiáng)度等級和密度等級的要求，如果密度等級不滿足要求，即使外觀質(zhì)量、強(qiáng)度等級再好，也只能是合格品〔3〕。
表1 兩種類型砌塊的比較

3 混凝土空心砌塊方案設(shè)計分析

首先，考慮到我國國情以及多功能砌塊的推廣使用，其生產(chǎn)要求不宜太復(fù)雜，應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)性要求。其次，新型混凝土空心砌塊應(yīng)盡量一塊多用，即集受力、保溫、裝飾于一體，又要便于墻體施工。砌塊不應(yīng)該因為其功能多而使得塊體大，應(yīng)在符合模數(shù)的基礎(chǔ)上減輕自重，同時達(dá)到預(yù)期的功能。砌塊墻體的抗壓強(qiáng)度較強(qiáng)而抗剪承載力較弱，因此要保證其抗剪承載力也能達(dá)到規(guī)范要求。同時保溫隔熱性能一直以來也是它的弱點(diǎn)，應(yīng)在不影響其承載能力的同時增加其保溫隔熱的能力。

3.1 混凝土空心砌塊塊型分析

我國國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土小型空心砌塊》和《輕集料混凝土小型砌塊》規(guī)定的混凝土小砌塊主規(guī)格尺寸為390 mm×190 mm×190 mm。另有三種輔助規(guī)格尺寸為290 mm×190 mm×190 mm、190 mm×190 mm×190 mm、90 mm×190 mm×190 mm等。隨著我國小砌塊建筑的發(fā)展，由于地區(qū)環(huán)境條件、地理條件、建筑造型、用途等條件的不同，從國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主規(guī)格砌塊中也派生出很多規(guī)格尺寸的小砌塊。

當(dāng)然，小型空心砌塊的規(guī)格，不只是指一種規(guī)格的尺寸，而是研究和確定由若干中規(guī)格形成的小砌塊群體的尺寸系列〔4〕。通常要符合以下要求：首先，所確定的各種規(guī)格的尺寸，應(yīng)具有良好的排列組合功能，適應(yīng)建筑設(shè)計的各種開間、進(jìn)深參數(shù)、門窗洞口尺寸和層高要求，滿足咬搓搭接的施工要求和建筑構(gòu)造要求。同時應(yīng)以盡量少的規(guī)格尺寸系列，滿足多種建筑墻體組砌要求，以便于設(shè)計和施工的應(yīng)用。另外所確定的規(guī)格類型應(yīng)與國家《住宅建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》及有關(guān)規(guī)程相一致，并應(yīng)同國際上通用規(guī)格接軌。

3.2 混凝土空心砌塊孔型分析
砌塊的孔型決定了該種砌塊的受力性能、保溫隔熱性能、生產(chǎn)及施工，所以進(jìn)行方案設(shè)計時，必須考慮孔型的問題：即空洞形狀、孔洞排數(shù)、排列方式、孔洞尺寸等。

文獻(xiàn)〔5〕通過光彈模型試驗，比較了各種孔型及排列情況下光彈模型的應(yīng)力集中系數(shù)，以此來分析孔型對塊體受力的影響，并提出“厚孔壁，錯排孔”有利于增強(qiáng)塊體受力性能的觀點(diǎn)；文獻(xiàn)〔6〕采用有限元模擬的手段對不同規(guī)格、孔型的混凝土空心砌塊的熱阻進(jìn)行了研究，指出孔洞排數(shù)對熱阻的影響最大，并提出“多排孔，薄孔壁”的熱工設(shè)計準(zhǔn)則。所以方案設(shè)計中需綜合考慮各種因素的影響來確定合理的砌塊塊型。

目前已有大量的試驗數(shù)據(jù)可以證明，小孔面砌塊砌體中砂漿凝結(jié)硬化以后，在孔洞內(nèi)會形成銷鍵，有利于提高砌體的抗剪性能。

3.3 混凝土空心砌塊力學(xué)性能分析

近年來，隨著我國建筑工程發(fā)展的需要，有關(guān)混凝土空心砌塊力學(xué)性能的試驗和理論研究也越來越豐富，主要集中在以下四個方面：

1）不同材料類型的混凝土砌塊力學(xué)性能研究。如夏新輝等〔7〕對粘土陶?；炷量招钠鰤K砌體力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究，完成粘土陶?；炷量招钠鰤K砌體的抗壓承載力試驗；李百秋〔8〕以包鋼濕排粉煤灰及爐渣為主要原料，以水泥為主要膠結(jié)料，進(jìn)行粉煤灰免蒸小型空心砌塊的研制等。

2）對不同孔型情況的空心砌塊進(jìn)行了力學(xué)分析。中國有色二十三冶三公司砌塊廠于1988年研制開發(fā)了承重型三排盲孔混凝土空心小砌塊，并于1989年獲得“實用新型”和“外觀設(shè)計”兩項專利權(quán)。為了便于這種砌塊的推廣應(yīng)用，曾宗輝〔9〕等對其砌體的抗壓、變形及砌體沿通縫抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究。在無試驗資料的情況下，唐軍〔10〕等對混凝土小型實心砌塊砌體抗壓計算指標(biāo)進(jìn)行探討，提出對既有建筑進(jìn)行安全性鑒定時，必然涉及砌體強(qiáng)度這一指標(biāo)。

3）對混凝土砌塊墻體裂縫的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了探討。劉文峰〔11〕經(jīng)過廣泛的調(diào)查和分析，根據(jù)混凝土砌塊墻體裂縫產(chǎn)生的部位和特征，對混凝土砌塊墻體裂縫的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為產(chǎn)生裂縫的力學(xué)原因是多種因素的綜合反映。王玉平〔12〕等論述了混凝土空心砌塊砌體裂縫的質(zhì)量控制的手段，主要包括設(shè)計及施工等方面的措施。

4）抗震性能的研究：徐磊〔13〕等按相似理論設(shè)計制作了1∶6比例的7層混凝土小型空心砌塊結(jié)構(gòu)整體模型，進(jìn)行了模擬三向地震振動臺試驗，研究了模型結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的震害情況以及結(jié)構(gòu)的薄弱部位、開裂機(jī)理等；如何改善帶門窗洞口的小砌塊砌體的抗震性能已成為迫切需要解決的重要問題，房良〔14〕等提出一種適用于小砌塊開孔砌體的新型構(gòu)造措施——在墻體中和孔洞周邊設(shè)置鋼筋混凝土芯柱和水平條帶，形成“約束開孔砌體”。房良等對三類不同開孔形式的約束小砌塊砌體進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗，研究各種開孔形式下砌體的破壞過程、破壞形態(tài)及承載能力、變形能力等各項抗震性能。

3.4 混凝土空心砌塊的保溫性能分析

混凝土小型砌塊雖然節(jié)土環(huán)保，但熱工性能差，甚至達(dá)不到實心粘土磚的熱工性能。解決混凝土砌塊的隔熱保溫問題，對于建筑節(jié)能而言，顯得格外重要。2001年哈爾濱工業(yè)大學(xué)在回顧并比較分析幾種混凝土砌塊平均熱絕緣系數(shù)的方法的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值計算的方法對混凝土空心砌塊及復(fù)合型混凝土砌塊進(jìn)行了熱工性能的分析與比較。研究分析了不同孔洞排列、填充材料、混凝土材料及應(yīng)用方式對混凝土砌塊平均熱絕緣系數(shù)的影響。2002年，南京工業(yè)大學(xué)也利用有限差分法求解新型節(jié)能墻體砌塊三維溫度場和熱阻，計算中將空氣層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)與空氣層厚度相聯(lián)系，使得計算結(jié)果更準(zhǔn)確地反映了墻體砌塊的熱工性能。文中對影響砌塊熱阻的諸多因素進(jìn)行分析，提出了提高墻體砌塊熱阻的多種方法。

此外，孔洞厚度也應(yīng)慎重考慮合理設(shè)計，否則，不僅不會加強(qiáng)塊體的保溫性能，反而會加強(qiáng)傳熱面增加熱損失。《建筑熱工設(shè)計規(guī)范》中列出了空氣層的厚度對熱阻值的影響。從圖1可以看出，空氣間層的熱阻在4 cm以前是隨著空氣間層的厚度的增加而增長的，0.5 cm～1 cm厚度變化時空氣層熱阻增長率較大，1 cm～4 cm厚度變化時空氣層熱阻增長率較小，超過4 cm厚度時空氣層熱阻基本不發(fā)生變化。

圖1 垂直空氣間層的熱阻

4 結(jié)語

進(jìn)入21 世紀(jì)，各種高性能混凝土已成為國內(nèi)外開發(fā)研究和工程應(yīng)用的新一代建筑混凝土材料，無論是發(fā)達(dá)國家，還是發(fā)展中國家，無論是熱帶還是寒帶地區(qū)都生產(chǎn)高強(qiáng)度、高性能混凝土砌塊，并逐步向著高強(qiáng)度、高性能、高摻量方向發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于包括大型橋梁、高層建筑在內(nèi)的各類建筑工程中。

目前，對于空心混凝土砌塊力學(xué)分析主要集中在小型混凝土砌塊墻體上面，而對于單塊砌塊研究較少。而進(jìn)行混凝土空心砌塊的孔型優(yōu)化設(shè)計，離不開對單塊砌塊的力學(xué)性能研究，目前對不同材料、不同孔型的單塊砌塊力學(xué)性能的研究比較匱乏。

研究多功能混凝土砌塊在世界范圍內(nèi)屬于較新型砌材范疇，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新型砌塊的發(fā)展必將日益受到人們的重視。