混凝土小型空心砌块方案设计的研究分析

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1 引言

能源和环保是全人类面临的新挑战，建设可持续发展和谐社会将进一步推动墙体材料的发展和改革。混凝土小型空心砌块具有节地、节能、利废、原材料丰富、可充分利用地方资源、且砌筑较符合传统砌筑习惯等优点，因此混凝土小型空心砌块是最有发展前途的新型墙体材料之一〔1～2〕。如何使设计出的砌块既满足现有砌块的力学性能要求，又满足现有的规范要求，有必要对设计方案进行讨论，即分析空心砌块的尺寸、孔洞的大小、受力性能、保温等情况。

2 混凝土小型空心砌块类型

混凝土空心砌块主要有两种类型：即普通混凝土小型砌块和轻集料混凝土砌块。两者主要区别有：

2.1 组成材料的粗集料不同

普通混凝土小型空心砌块的粗集料是碎石、矿渣等，成型后砌块密度大、自重大；轻集料混凝土小型空心砌块粗集料为粉煤灰陶粒、粘土陶粒、页岩陶粒、天然轻集料、膨胀珍珠岩等，成型后密度较小，自重比较轻。

2.2 砌块强度等级分类不同

普通混凝土小型空心砌块按其强度等级分为：MU3.5、MU5.0、MU7.5、MU10.0、MU15.0、MU20.0。而轻集料混凝土小型空心砌块按强度等级可分为六级：MU1.5、MU2.5、MU3.5、MU 5.0、MU7.5、MU10.0。

2.3 执行标准不同

普通混凝土小型空心砌块按GB8239-1997执行，轻集料混凝土小型砌块按GB/T15229-2002执行。

2.4 产品等级分类不同

普通混凝土小型砌块是按外观质量尺寸允许偏差区分为优等品、一等品和合格品；轻集料混凝土小型砌块的一等品，必须同时满足强度等级和密度等级的要求，如果密度等级不满足要求，即使外观质量、强度等级再好，也只能是合格品〔3〕。
表1 两种类型砌块的比较

3 混凝土空心砌块方案设计分析

首先，考虑到我国国情以及多功能砌块的推广使用，其生产要求不宜太复杂，应满足经济性要求。其次，新型混凝土空心砌块应尽量一块多用，即集受力、保温、装饰于一体，又要便于墙体施工。砌块不应该因为其功能多而使得块体大，应在符合模数的基础上减轻自重，同时达到预期的功能。砌块墙体的抗压强度较强而抗剪承载力较弱，因此要保证其抗剪承载力也能达到规范要求。同时保温隔热性能一直以来也是它的弱点，应在不影响其承载能力的同时增加其保温隔热的能力。

3.1 混凝土空心砌块块型分析

我国国家标准《混凝土小型空心砌块》和《轻集料混凝土小型砌块》规定的混凝土小砌块主规格尺寸为390 mm×190 mm×190 mm。另有三种辅助规格尺寸为290 mm×190 mm×190 mm、190 mm×190 mm×190 mm、90 mm×190 mm×190 mm等。随着我国小砌块建筑的发展，由于地区环境条件、地理条件、建筑造型、用途等条件的不同，从国家标准规定的主规格砌块中也派生出很多规格尺寸的小砌块。

当然，小型空心砌块的规格，不只是指一种规格的尺寸，而是研究和确定由若干中规格形成的小砌块群体的尺寸系列〔4〕。通常要符合以下要求：首先，所确定的各种规格的尺寸，应具有良好的排列组合功能，适应建筑设计的各种开间、进深参数、门窗洞口尺寸和层高要求，满足咬搓搭接的施工要求和建筑构造要求。同时应以尽量少的规格尺寸系列，满足多种建筑墙体组砌要求，以便于设计和施工的应用。另外所确定的规格类型应与国家《住宅建筑模数协调统一标准》及有关规程相一致，并应同国际上通用规格接轨。

3.2 混凝土空心砌块孔型分析
砌块的孔型决定了该种砌块的受力性能、保温隔热性能、生产及施工，所以进行方案设计时，必须考虑孔型的问题：即空洞形状、孔洞排数、排列方式、孔洞尺寸等。

文献〔5〕通过光弹模型试验，比较了各种孔型及排列情况下光弹模型的应力集中系数，以此来分析孔型对块体受力的影响，并提出“厚孔壁，错排孔”有利于增强块体受力性能的观点；文献〔6〕采用有限元模拟的手段对不同规格、孔型的混凝土空心砌块的热阻进行了研究，指出孔洞排数对热阻的影响最大，并提出“多排孔，薄孔壁”的热工设计准则。所以方案设计中需综合考虑各种因素的影响来确定合理的砌块块型。

目前已有大量的试验数据可以证明，小孔面砌块砌体中砂浆凝结硬化以后，在孔洞内会形成销键，有利于提高砌体的抗剪性能。

3.3 混凝土空心砌块力学性能分析

近年来，随着我国建筑工程发展的需要，有关混凝土空心砌块力学性能的试验和理论研究也越来越丰富，主要集中在以下四个方面：

1）不同材料类型的混凝土砌块力学性能研究。如夏新辉等〔7〕对粘土陶粒混凝土空心砌块砌体力学性能进行了试验研究，完成粘土陶粒混凝土空心砌块砌体的抗压承载力试验；李百秋〔8〕以包钢湿排粉煤灰及炉渣为主要原料，以水泥为主要胶结料，进行粉煤灰免蒸小型空心砌块的研制等。

2）对不同孔型情况的空心砌块进行了力学分析。中国有色二十三冶三公司砌块厂于1988年研制开发了承重型三排盲孔混凝土空心小砌块，并于1989年获得“实用新型”和“外观设计”两项专利权。为了便于这种砌块的推广应用，曾宗辉〔9〕等对其砌体的抗压、变形及砌体沿通缝抗剪强度进行了研究。在无试验资料的情况下，唐军〔10〕等对混凝土小型实心砌块砌体抗压计算指标进行探讨，提出对既有建筑进行安全性鉴定时，必然涉及砌体强度这一指标。

3）对混凝土砌块墙体裂缝的力学机理进行了探讨。刘文峰〔11〕经过广泛的调查和分析，根据混凝土砌块墙体裂缝产生的部位和特征，对混凝土砌块墙体裂缝的力学机理进行了探讨，认为产生裂缝的力学原因是多种因素的综合反映。王玉平〔12〕等论述了混凝土空心砌块砌体裂缝的质量控制的手段，主要包括设计及施工等方面的措施。

4）抗震性能的研究：徐磊〔13〕等按相似理论设计制作了1∶6比例的7层混凝土小型空心砌块结构整体模型，进行了模拟三向地震振动台试验，研究了模型结构在不同烈度地震作用下的震害情况以及结构的薄弱部位、开裂机理等；如何改善带门窗洞口的小砌块砌体的抗震性能已成为迫切需要解决的重要问题，房良〔14〕等提出一种适用于小砌块开孔砌体的新型构造措施——在墙体中和孔洞周边设置钢筋混凝土芯柱和水平条带，形成“约束开孔砌体”。房良等对三类不同开孔形式的约束小砌块砌体进行低周反复荷载试验，研究各种开孔形式下砌体的破坏过程、破坏形态及承载能力、变形能力等各项抗震性能。

3.4 混凝土空心砌块的保温性能分析

混凝土小型砌块虽然节土环保，但热工性能差，甚至达不到实心粘土砖的热工性能。解决混凝土砌块的隔热保温问题，对于建筑节能而言，显得格外重要。2001年哈尔滨工业大学在回顾并比较分析几种混凝土砌块平均热绝缘系数的方法的基础上，利用数值计算的方法对混凝土空心砌块及复合型混凝土砌块进行了热工性能的分析与比较。研究分析了不同孔洞排列、填充材料、混凝土材料及应用方式对混凝土砌块平均热绝缘系数的影响。2002年，南京工业大学也利用有限差分法求解新型节能墙体砌块三维温度场和热阻，计算中将空气层的当量导热系数与空气层厚度相联系，使得计算结果更准确地反映了墙体砌块的热工性能。文中对影响砌块热阻的诸多因素进行分析，提出了提高墙体砌块热阻的多种方法。

此外，孔洞厚度也应慎重考虑合理设计，否则，不仅不会加强块体的保温性能，反而会加强传热面增加热损失。《建筑热工设计规范》中列出了空气层的厚度对热阻值的影响。从图1可以看出，空气间层的热阻在4 cm以前是随着空气间层的厚度的增加而增长的，0.5 cm～1 cm厚度变化时空气层热阻增长率较大，1 cm～4 cm厚度变化时空气层热阻增长率较小，超过4 cm厚度时空气层热阻基本不发生变化。

图1 垂直空气间层的热阻

4 结语

进入21 世纪，各种高性能混凝土已成为国内外开发研究和工程应用的新一代建筑混凝土材料，无论是发达国家，还是发展中国家，无论是热带还是寒带地区都生产高强度、高性能混凝土砌块，并逐步向着高强度、高性能、高掺量方向发展，已广泛应用于包括大型桥梁、高层建筑在内的各类建筑工程中。

目前，对于空心混凝土砌块力学分析主要集中在小型混凝土砌块墙体上面，而对于单块砌块研究较少。而进行混凝土空心砌块的孔型优化设计，离不开对单块砌块的力学性能研究，目前对不同材料、不同孔型的单块砌块力学性能的研究比较匮乏。

研究多功能混凝土砌块在世界范围内属于较新型砌材范畴，随着科学技术发展，新型砌块的发展必将日益受到人们的重视。