竹筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究

戚明軍 陳 元* 靳 龍 張 正

(1．陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710003; 2．中建三局西北公司，陜西西安 710065;3．西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710600)

1 概述

鋼筋混凝土自被莫尼爾發(fā)現(xiàn)以來走過了將近50年的歷史［1］，由于混凝土和鋼筋材料性能的不斷改進(jìn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑、橋梁、隧道等土木工程領(lǐng)域。竹筋土釘作為巖土工程一種新型材料，因竹筋抗拉強(qiáng)度大［2］和收縮性小，在巖土工程支護(hù)過程中能夠充分發(fā)揮其自承能力，相比于鋼筋耐水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被工程界所關(guān)注［3］。竹子在我國分布比較廣泛［4］，在南方傳統(tǒng)建筑中常常可見。竹筋如作為土釘進(jìn)行巖土工程支護(hù)，除了自身有較好的性能外，還需要竹筋與混凝土之間有較強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度，能夠承受竹筋和混凝土的相對變形或滑移時(shí)在各自界面上產(chǎn)生的作用力。竹筋性能與鋼筋非常相似，但是竹筋表面相對鋼筋較為光滑，同時(shí)，竹筋由于其中間為空心結(jié)構(gòu)，使得傳統(tǒng)測試鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的方法在竹筋混凝土中并不適用，國內(nèi)外對竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)的研究也尚屬一片空白。以此為背景，本文結(jié)合竹筋自身的特性，對傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，通過試驗(yàn)得出竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度，證明竹筋作為土釘?shù)目尚行裕瑢窈髮＜液蛯W(xué)者的進(jìn)一步研究有重要的參考價(jià)值。

2 竹筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度

竹筋和混凝土之所以能夠共同工作［5］，是因?yàn)閮烧咧g存在有粘結(jié)強(qiáng)度，這種強(qiáng)度沿軸線方向的分力稱為粘結(jié)應(yīng)力。粘結(jié)應(yīng)力使竹筋的端部與混凝土有可靠的錨固，從而保證了在荷載的作用下共同變形。竹筋與混凝土粘結(jié)力是由兩部分組成:1)混凝土收縮將竹筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力;2)由竹筋節(jié)間凹凸不平的混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。粘結(jié)力使竹筋的端部與混凝土有可靠的錨固，從而保證了在荷載的作用下共同變形。帶節(jié)間較多的竹筋的粘結(jié)強(qiáng)度相對比帶節(jié)間較少的竹筋大，所以在選擇竹筋混凝土的時(shí)候盡量選擇帶節(jié)間較多的竹子。

由材料的物理力學(xué)性能我們知道，竹筋和混凝土具有不同的性質(zhì)。竹筋具有很強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，混凝土則具有很高的抗壓強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度僅是抗壓強(qiáng)度的1/5左右，是一種脆性材料［7］。竹筋和混凝土的密切結(jié)合，充分發(fā)揮了各自的受力特點(diǎn)，共同作為整體承受外力。適當(dāng)?shù)幕炷帘Ｗo(hù)層厚度，可以有效的保證竹筋與水泥混凝土共同作用，避免竹筋遭受外界空氣中酸堿等有害物質(zhì)的侵犯，使構(gòu)件長期有效的處于正常的受力狀態(tài)，還可以保證混凝土構(gòu)件的外觀質(zhì)量。

3 竹筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)［8，9］通過實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土粘結(jié)試驗(yàn)相類似，都是利用液壓穿心千斤頂對竹筋混凝土?xí)r間提供拉力，將嵌固在混凝土中的竹筋拉出來，達(dá)到破壞的狀態(tài)，此時(shí)的拉拔力就是竹筋混凝土粘結(jié)力，通過轉(zhuǎn)換得到竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度 P［10］:

其中，F(xiàn)max為最大液壓表壓力讀數(shù)，kN，利用液壓千斤頂壓力表可以直接讀出;l為竹筋嵌固深度，mm，通過鋼尺直接測量;D為竹筋的外徑，mm，利用螺旋測微計(jì)測出。

為了更好的發(fā)揮竹筋的粘結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)同時(shí)采用了竹筋與碳纖維絲粘結(jié)的技術(shù)，與竹筋進(jìn)行比較和對照，按水泥∶細(xì)砂∶石子體積比為 1∶2∶4，1∶3∶5，1∶3∶6 和 1∶4∶0 調(diào)配，注入適當(dāng)?shù)乃瞥砷L寬高分別為500 mm，500 mm，250 mm的混凝土試塊4個(gè)，編號(hào)分別為A，B，C，D;制作竹筋混凝土試塊。選擇截面尺寸適宜，均勻筆直的竹子，鋸成35 cm長的試件8根，每個(gè)混凝土制作時(shí)插入兩根竹筋試件，其中左邊未粘結(jié)碳纖維絲的竹筋，以“－1”表示，右邊粘結(jié)碳纖維絲的竹筋，以“－2”表示。8根竹筋試件的編號(hào)分別為 A-1，A-2，B-1，B-2，C-1，C-2，D-1，D-2。

竹筋屬于天然植物材料，雖然其抗拉強(qiáng)度比較大，但是其表面光滑，中間空心，使得利用傳統(tǒng)方法測試竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)無法與夾具咬合，因此為了達(dá)到試驗(yàn)的目的，必須對傳統(tǒng)方法做以下改進(jìn):

1)在竹筋上端套直徑為110的鋼管，填充混凝土，混凝土與下部混凝土相同，為了使上下混凝土分開，中間墊一小塊木板。2)在鋼管上焊接邊長為12 cm的正方形鋼板，在鋼板中部焊接φ20，長度為50 cm的鋼筋，如圖1所示。

圖1 制作好后的竹筋混凝土試件

待混凝土達(dá)到其終凝強(qiáng)度時(shí)，利用回彈儀測定混凝土抗壓強(qiáng)度，選擇合適的夾具，安裝液壓空心千斤頂、百分表，行試驗(yàn)。當(dāng)壓力加載到最大值時(shí)，讀出壓力表讀數(shù)和百分表讀數(shù)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過試驗(yàn)，將所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成應(yīng)力—應(yīng)變曲線，見圖2。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度，可以得出:

1)通過壓力表讀數(shù)，并轉(zhuǎn)化為竹筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，A-1，B-1，C-1，D-1 的粘結(jié)強(qiáng)度大小分別為 639．04 kPa，559．06 kPa，589．08 kPa，666．27 kPa。A-2，B-2，C-2，D-2 的粘結(jié)強(qiáng)度大小分別為 757．93 kPa，803．72 kPa，758．65 kPa，809．84 kPa，可得竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的大小與混凝土試塊抗壓強(qiáng)度有關(guān)，且混凝土抗壓強(qiáng)度越大，竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度越大;

圖2 竹筋混凝土試塊粘結(jié)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2)竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度與碳纖維絲粘結(jié)有關(guān)系，在相同情況下有碳纖維絲的竹筋混凝土的抗拉強(qiáng)度比無碳纖維絲竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度大20%左右;

3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，可以看出竹筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度通常在500 kPa～900 kPa之間，相比鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度，鋼筋混凝土強(qiáng)度在1．0 MPa～5．0 MPa，只為鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的1/5～1/2。

4 結(jié)語

本文對傳統(tǒng)測試粘結(jié)強(qiáng)度方法進(jìn)行改進(jìn)，通過竹筋材料特性分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，得到:1)竹筋竹子質(zhì)量非常輕，但質(zhì)地卻非常堅(jiān)硬，竹子收縮量非常小，而彈性和韌性卻很高，在工程界已有悠久的歷史。竹筋和混凝土之所以能夠共同工作，是因?yàn)閮烧咧g存在有粘結(jié)強(qiáng)度，能夠承受竹筋和混凝土的相對變形或滑移在界面上產(chǎn)生的作用力，從而保證了在荷載的作用下竹筋與混凝土共同變形;2)竹筋如若作為土釘，必須要求竹筋與混凝土之間有較強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度，但是傳統(tǒng)測試粘結(jié)強(qiáng)度的方法不適用于竹筋，為了得到比較良好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須對試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，本文就著重介紹改進(jìn)后的試驗(yàn)方法，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)測得竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度，并分析此方法的可行性;3)竹筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度同樣也受很多因素的影響，如外界溫度、竹筋材料特性、混凝土強(qiáng)度等級、混凝土保護(hù)層厚度和竹筋間距、竹筋外部包裹的材料等。

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