1 引言

　　能源和環(huán)保是全人類(lèi)面臨的新挑戰(zhàn)，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展和諧社會(huì)將進(jìn)一步推動(dòng)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(jì)出的砌塊既滿(mǎn)足現(xiàn)有砌塊的力學(xué)性能要求，又滿(mǎn)足現(xiàn)有的規(guī)范要求，有必要對(duì)設(shè)計(jì)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(lèi)型

　　混凝土空心砌塊主要有兩種類(lèi)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(yè)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(jí)分類(lèi)不同

　　普通混凝土小型空心砌塊按其強(qiáng)度等級(jí)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(jí)可分為六級(jí)：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(jí)分類(lèi)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（見(jiàn)表1）；輕集料混凝土小型砌塊的一等品，必須同時(shí)滿(mǎn)足強(qiáng)度等級(jí)和密度等級(jí)的要求，如果密度等級(jí)不滿(mǎn)足要求，即使外觀質(zhì)量、強(qiáng)度等級(jí)再好，也只能是合格品〔3〕。
表1 兩種類(lèi)型砌塊的比較

　　3 混凝土空心砌塊方案設(shè)計(jì)分析

　　首先，考慮到我國(guó)國(guó)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(mǎn)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?yàn)槠涔δ芏喽沟脡K體大，應(yīng)在符合模數(shù)的基礎(chǔ)上減輕自重，同時(shí)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(shí)保溫隔熱性能一直以來(lái)也是它的弱點(diǎn)，應(yīng)在不影響其承載能力的同時(shí)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土小型空心砌塊》（GB8239-1997）和《輕集料混凝土小型砌塊》（GB/T15229-2002）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(guó)小砌塊建筑的發(fā)展，由于地區(qū)環(huán)境條件、地理?xiàng)l件、建筑造型、用途等條件的不同，從國(guó)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(jì)的各種開(kāi)間、進(jìn)深參數(shù)、門(mén)窗洞口尺寸和層高要求，滿(mǎn)足咬搓搭接的施工要求和建筑構(gòu)造要求。同時(shí)應(yīng)以盡量少的規(guī)格尺寸系列，滿(mǎn)足多種建筑墻體組砌要求，以便于設(shè)計(jì)和施工的應(yīng)用。另外所確定的規(guī)格類(lèi)型應(yīng)與國(guó)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(guó)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(jì)時(shí)，必須考慮孔型的問(wèn)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(guò)光彈模型試驗(yàn)，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(lái)分析孔型對(duì)塊體受力的影響，并提出“厚孔壁，錯(cuò)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(duì)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(duì)熱阻的影響最大，并提出“多排孔，薄孔壁”的熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。所以方案設(shè)計(jì)中需綜合考慮各種因素的影響來(lái)確定合理的砌塊塊型。

　　目前已有大量的試驗(yàn)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(huì)形成銷(xiāo)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(lái)，隨著我國(guó)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(yàn)和理論研究也越來(lái)越豐富，主要集中在以下四個(gè)方面：

　　1）不同材料類(lèi)型的混凝土砌塊力學(xué)性能研究。如夏新輝等〔7〕對(duì)粘土陶?；炷量招钠鰤K砌體力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，完成粘土陶?；炷量招钠鰤K砌體的抗壓承載力試驗(yàn)；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(duì)不同孔型情況的空心砌塊進(jìn)行了力學(xué)分析。中國(guó)有色二十三冶三公司砌塊廠(chǎng)于1988年研制開(kāi)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(shí)用新型”和“外觀設(shè)計(jì)”兩項(xiàng)專(zhuān)利權(quán)。為了便于這種砌塊的推廣應(yīng)用，曾宗輝〔9〕等對(duì)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(wú)試驗(yàn)資料的情況下，唐軍〔10〕等對(duì)混凝土小型實(shí)心砌塊砌體抗壓計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行探討，提出對(duì)既有建筑進(jìn)行安全性鑒定時(shí)，必然涉及砌體強(qiáng)度這一指標(biāo)。

　　3）對(duì)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(guò)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(duì)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(jì)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(jì)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，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(kāi)裂機(jī)理等；如何改善帶門(mén)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(wèn)題，房良〔14〕等提出一種適用于小砌塊開(kāi)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(kāi)孔砌體”。房良等對(duì)三類(lèi)不同開(kāi)孔形式的約束小砌塊砌體進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究各種開(kāi)孔形式下砌體的破壞過(guò)程、破壞形態(tài)及承載能力、變形能力等各項(xiàng)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(shí)心粘土磚的熱工性能。解決混凝土砌塊的隔熱保溫問(wèn)題，對(duì)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(jì)算的方法對(duì)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(duì)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(chǎng)和熱阻，計(jì)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(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確地反映了墻體砌塊的熱工性能。文中對(duì)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(jì)，否則，不僅不會(huì)加強(qiáng)塊體的保溫性能，反而會(huì)加強(qiáng)傳熱面增加熱損失?！督ㄖ峁ぴO(shè)計(jì)規(guī)范》中列出了空氣層的厚度對(duì)熱阻值的影響（見(jiàn)圖1）。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(zhǎng)的，0.5 cm～1 cm厚度變化時(shí)空氣層熱阻增長(zhǎng)率較大，1 cm～4 cm厚度變化時(shí)空氣層熱阻增長(zhǎng)率較小，超過(guò)4 cm厚度時(shí)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(yǔ)

　　進(jìn)入21 世紀(jì)，各種高性能混凝土已成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)研究和工程應(yīng)用的新一代建筑混凝土材料，無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家，還是發(fā)展中國(guó)家，無(wú)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(lèi)建筑工程中。

　　目前，對(duì)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(duì)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(jì)，離不開(kāi)對(duì)單塊砌塊的力學(xué)性能研究，目前對(duì)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。