摘要：对同一种原材料、相同的制作工艺制作的4 种不同块型的混凝土块材抗压强度进行了试验研究。通过强度理论和有限元分析，并经试验验证和修正，建立了块材抗压强度与原材料强度等级及块型的关系，分析得到了各种不同块型块材的体型系数，为块材抗压强度建立了统一的衡量尺度，并为确定块材最低强度等级提供了参考依据。
关键词：砖；多孔砖；空心砖；砌块；强度等级；体型系数
按照我国GB/T 2542—2003《砌墙砖试验方法》，普通砖的抗压强度是将砖切断成两截，然后搭砌100 mm，形成115mm×100 mm×106 mm 的试件进行试验的，而多孔砖、空心砖和砌块则是由整块砖上、下表面用水泥浆抹平后试验的。由于试件尺寸不同，块材的强度等级衡量标准不一致，造成每种材的强度等级无法横向比较。ISO 的试验方法标准[1]是将各种块材的抗压强度通过块材体型系数换算成试件尺寸为100mm×100 mm×100 mm的名义强度来衡量。由于我国长期习惯于普通砖抗压强度的表示方法，本文通过试验和有限元分析结果，将其它块材的抗压强度换算成普通砖的名义抗压强度。
1 基本假设
（1）块材实体为连续、均匀的弹性介质；
（2）因块材试验时，受试验机上、下压板摩擦力约束，块材上、下表面无水平位移；
（3）材料具有弹—脆性性质，即一旦块体内最大拉应力处达到屈服，即认为整个块材破坏。
2 破坏准则
块材在竖向压力作用下，其内部的微元体上的应力状态主要为T/T/C 三向受力状态，容易破坏的区域通常在远离上、下压板的块体中部，这个区域的3 个主应力σ1>0、σ2>0、σ3<0。对于多孔的块材，σ2 通常很小，可以忽略不计，因此，可以采用二轴破坏准则。
采用Tasuji- Slate- Nilson 二轴破坏准则[2- 3（] 见图1），块体在T/C 应力状态下（图1 中CD 段），其破坏准则为：
s———主压应力和主拉应力的比值；
ft———混凝土单轴抗拉强度。
3 块体抗压强度
3.1 试验与试验结果
块材的强度等级按照GB/T 2542—2003 《砌墙砖试验方法》和GB/T 4111—1997《混凝土小型空心砌块试验方法》，得到A、B、C、D 4 种块材试验的抗压强度平均值（每组10 个试件）分别为：17.5 MPa、12.3 MPa、12.8 MPa、5.7 MPa。
3.2 块体受压时的应力分析
由于上、下压板摩擦力约束，近似假定上、下面节点无水平位移，上、下两表面，一个为加压表面，另一个为无约束纵向位移表面，这与实际试验约束条件非常吻合。
在块体受压标准试件顶面按净截面面积作用单位均布荷载，将该荷载化为节点集中力后，利用ANSYS 分析软件进行分析。输入原材料的弹性模量和泊松比后，得到最大主拉应力
σtmax（σ1）单元的应力状态（见表1）。
3.3 块体抗压强度
根据基本假定可知，当砖内最大主拉应力达到复杂应力下的破坏准则时，即满足式（2）时，试件顶面的净截面应力即为块体净截面抗压强度f1n：
我国现常用的块材形式有4 类：实心砖、多孔砖、空心砖及砌块，本文试验在每一类中选取一种有代表性的块材形式作为试验研究对象（见图2），采用同一盘原材料（混凝土掺少量粉煤灰）、相同成型机具制作出试验用块材，并采用相同环境进行养护[4]。
将同一盘混凝土（立方抗压强度实测值为13.2 MPa），采用相同制作工艺制作的4 种不同块材的抗压强度试验结果以及有限元分析结果代入式（4），可以得到每个试件的强度修正系数，然后由全部40 个试件的强度系数统计得到k=0.043（变异系数为0.07）。
4 块体的体型系数
由于受到试验机上下压板的约束作用，在原材料相同的条件下，块材抗压强度将随着块高的增加和块体平面尺寸的减少而降低。将各种块型块材的抗压强度f1 乘以体型系数Ψ，则得
到块材的名义抗压强度（普通砖试件尺寸的抗压强度）：f1，nom=Ψf1=Ψ（1- δ）f1n=Ψ'f1n （5）
式中，Ψ'———块材的净截面强度体型系数，Ψ'=（1- δ）Ψ。
假设用C13.2 混凝土制作各种不同块型的块材，可以利用公式（3a）及有限元分析得到各种不同块型块材的抗压强度f c1 ，不同块型块材的体型系数Ψ' 为普通砖抗压强度与其抗压
强度的比值。本研究将我国常用的实心和空心块材进行了分析计算，总共16 种块材，块材尺寸变化范围为：长度115～240mm、宽度60～175 mm、高度90～175 mm、孔洞率0～47%。通过分析得到的每种块材的Ψ（' 图4 中散点），然后统计得出：Ψ'=1.5- 0.5b/h （6）
式中，b———块宽（短边尺寸）；h———块高。
各种块材的净截面强度体型系数Ψ' 与按式（6）的计算值见图3。
国际标准ISO/FDIS 9652- 4—2000《砌体试验方法》附录A[1]中给出了块体的体型对块体强度的影响系数，表中给出的块体宽高比小于2.0 的共22 种情况，按公式（6）得到的计算
值与该表中给定值的比值平均为0.867（变异系数为11.2%）。值得注意的是，国际标准中名义强度的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，块体抗压强度均按毛面积计算，未考虑块材孔洞率的影响。
5 讨论
由式（5）及式（6）可以得到，各种块材的抗压强度试验值可以按式（7）等效为普通砖的抗压强度（名义抗压强度）：f1，nom=（1.5- 0.5b/h）f1/（1- δ）（7）
对于我国常用块材，当其名义抗压强度为10 MPa 时，块材抗压强度如表2 所示。
表2 中，当块体强度等级为f1 时（如J 型砌块强度等级为MU5）时，与普通砖的强度等级为MU10 相当。由于块体的耐久性主要与原材料有关，因此，在确定块体的最低强度等级时，如果比较我国砌体结构设计规范对普通砖最低强度等级的要求为MU10，则其它块型的块材最低强度等级可参照表2中f1 确定。
以表2 中J 型砌块为例，对于承重砌块，孔洞率一般为50%，强度等级为MU5.0 的砌块的名义抗压强度就可以达到MU10；对非承重砌块，孔洞率达到近60%，强度等级为MU4.0的砌块的名义抗压强度就可以达到MU10。因此，对承重砌块，其最低强度等级建议取MU5.0，而对非承重砌块（填充墙），其最低强度等级建议取MU3.5。
6 结语
通过试验研究和有限元分析得到的块体抗压强度预测模型，并用来确定块材的体型系数各种块材的名义抗压强度可按公式（7）计算，它为块材抗压强度建立了统一的衡量尺度，也为砌体结构设计规范确定块材的最低强度等级时提供了参考依据。
参考文献：
[1] ISO/FDIS 96542- 4—2000，International Standard.Masonry- Part 4:Test Method[S].
[2] Tasuji M E，Slate F O，Nilson A H.Stress - strain response andfracture of concrete in biaxial loading [J].ACI J，Proceedings，1978，75（7）：306- 312.
[3] 过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京：清华大学版社，1999.
[4] 曾小军.砖型与孔洞对砌体抗压强度的影响研究[D].长沙：湖南农业大学，2006，9
