改性竹筋混凝土受彎構(gòu)件力學(xué)性能試驗研究

摘要：針對竹筋混凝土結(jié)構(gòu)存在的問題，提出了多種對竹筋的改性方法。在此基礎(chǔ)上，對12根采用不同配筋和不同改性方法的受彎構(gòu)件（11根竹筋混凝土梁和1根鋼筋混凝土梁）進(jìn)行了試驗研究，分析了不同改性方法和不同配筋率竹筋混凝土受彎構(gòu)件的力學(xué)性能、破壞形態(tài)及其影響因素。研究結(jié)果表明：竹筋能有效提高混凝土受彎構(gòu)件的承載能力；經(jīng)過適當(dāng)方法改性后的竹筋能確保竹筋和混凝土之間的有效粘結(jié)，其正截面強(qiáng)度計算可以采用平截面假定；竹筋混凝土受彎構(gòu)件的破壞均為脆性破壞，其破壞形態(tài)與其截面配筋率有關(guān)。

關(guān)鍵詞：改性竹筋混凝土；受彎構(gòu)件；力學(xué)性能；平截面假定；脆性破壞

中圖分類號：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）05-0033-08

Abstract：To overcome the existing problems of bamboo reinforced concrete structure， several processing methods are proposed to improve the performance of bamboo bar. Experiments on twelve flexural members， including eleven bamboo reinforced concrete beams and one steel reinforced concrete beam， is carried out. The mechanical properties， failure modes and influential factors of flexural beams with different processing methods and reinforcement ratios are studied. The results show that： bamboo could improve effectively the flexural capacity of concrete beam， and the effective bonding between bamboo reinforcement and concrete could be achieved if the bamboo is processed by proper methods. Moreover， the plane-section assumption can be used for bearing capacity calculation of bamboo reinforced concrete beams. The failure mode of bamboo reinforced concrete beams is brittle fracture and the detailed fracture pattern is related to reinforcement ratios.

Key words：processed bamboo reinforced concrete； flexural members； mechanical properties； plane-section assumption； brittle fracture

在土木工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因其性能卓越而被普遍使用。然而，鋼筋的使用需消耗大量不可再生的資源，并對生態(tài)環(huán)境造成很大破壞。因此，學(xué)者們一直在尋求更為經(jīng)濟(jì)環(huán)保的鋼筋替代材料。竹材因其優(yōu)越的抗拉性能且可快速再生而備受矚目。自Chow[1]最先提出將竹材應(yīng)用于混凝土后，竹筋混凝土的研究引起了學(xué)者們的極大興趣。藤田章等[2]在對普通竹筋混凝土進(jìn)行試驗研究后發(fā)現(xiàn)：竹材可在混凝土中承受拉力，但存在與混凝土粘結(jié)性能差、易腐及易脹縮等問題。為此，細(xì)田貫一等[3]將竹材表面刻槽以增大其與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，并在其上涂刷熱瀝青做防水處理，但刻槽會減小竹材的有效受拉面積，而涂刷瀝青會因瀝青層變形過大而降低竹筋與混凝土的粘結(jié)能力，Akeju等[4

]的研究也得出相似結(jié)論；Ghavami[5-6

]和Agarwal等[7]等先后采用不同化學(xué)粘合劑對竹筋表面進(jìn)行防水及防腐處理，Kute等[8]亦進(jìn)行了類似研究，結(jié)果均顯示：防水處理可有效減少竹材收縮變形，但導(dǎo)致竹材與混凝土間粘結(jié)力降低。此后，Dinesh、Rahman等[9-13]也對竹材在混凝土中應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，但均未對其總體不足提出理想的解決措施。中國的相關(guān)研究較少，胡松林[14]、孫繩曾[15]等在20世紀(jì)50年代對竹筋混凝土板進(jìn)行了短暫的研究和推廣，胡杏芳[16]對竹筋防水進(jìn)行過相關(guān)研究。但由于當(dāng)時的技術(shù)水平及特殊的歷史條件，并沒有很好地解決竹筋混凝土所存在的問題，從而制約了竹筋混凝土的推廣和應(yīng)用，也沒有留下多少相關(guān)的研究文獻(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，節(jié)能和環(huán)保成為工程建設(shè)活動的重要評價指標(biāo)，而科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也為解決竹筋混凝土所存在的問題提供了可能。為此，筆者在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有材料技術(shù)，對竹筋混凝土進(jìn)行不同改性處理，并對改性后的竹筋混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)性能試驗研究。

1 材料選擇及改性方法

1.1 材料選擇

竹材：選用產(chǎn)于福建、竹齡為4 a、底部直徑為150 mm左右的楠竹，取距根部1 m以上、長約4 m以內(nèi)部分為試驗竹材，用機(jī)械均勻劈裂成條，并置于陰涼處晾干至含水量為20%左右。

樹脂：雙酚A型環(huán)氧樹脂（E-44）

瀝青：普通石油瀝青

1.2 改性方法

為研究不同改性方法對竹筋混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的影響，對代替鋼筋的竹條采用如下不同改性處理：

方法1：表面進(jìn)行刻槽處理，見圖1（a）。

方法2：在竹條表面均勻涂刷熱瀝青（厚度為全部覆蓋竹材并不產(chǎn)生自然流動為宜），再在瀝青表面均勻撒放無機(jī)顆粒（材料和粒徑與所用混凝土細(xì)骨料相同，密度為能基本全部覆蓋瀝青為宜），見圖1（b）。

方法3：在竹條表面均勻涂刷樹脂（單層覆蓋竹材并不產(chǎn)生自然流動為宜），再在樹脂表面粘結(jié)有機(jī)顆粒（5～10 mm見方的方形小竹塊，間距為5～10 mm為宜），見圖1（c）。

方法4：將竹條放入樹脂內(nèi)侵泡，30 min后取出，將表面樹脂涂勻并于陰涼處晾置30 min，然后在樹脂表面均勻撒放無機(jī)顆粒，材料，粒徑及密度等要求同方法2，見圖1（d）。改性處理主要是為提高竹筋與混凝土之間的粘結(jié)力，竹筋力學(xué)性能并無改變。此外，經(jīng)過改性方法2、3、4后，在竹筋表面形成瀝青或樹脂不透水層，有利于竹材防水和減緩腐蝕的發(fā)生。

2 試件及試驗設(shè)備

2.1 試件

試驗試件總計12根250 mm×300 mm矩形截面梁，試驗凈跨為1 900 mm。所用材料力學(xué)參數(shù)詳見表1，各試件編號及配筋情況詳見表2。為與普通鋼筋混凝土構(gòu)件受彎性能進(jìn)行對比，確保除受彎性能外的其他性能相近，在試驗中箍筋依舊采用鋼筋，配筋為Ф8@100。

2.2 試驗設(shè)備及加載方式

1）試驗設(shè)備：DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集箱1臺、DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試儀、50 t油壓千斤頂、壓力傳感器、YHD-100型位移傳感器、ZXL-201智能裂縫測寬儀及卷尺。

2）加載方式：由千斤頂及反力架施加荷載，剛性梁分配荷載，使得跨中形成純彎段。在千斤頂加載點(diǎn)處放置預(yù)先標(biāo)定過的壓力傳感器，連接DH3818應(yīng)變測試儀來顯示荷載增量。加載采用分級加載制度，每級加載值為5 kN，當(dāng)梁臨近開裂和破壞時，適當(dāng)降低每級加載值以便觀察其受力情況。

3）量測內(nèi)容：在縱向筋材和箍筋上粘貼應(yīng)變片以測量筋材變形，在每條縱筋的跨中位置均勻布置3個應(yīng)變片，在距離支座300 mm的箍筋上布置箍筋應(yīng)變片。此外，在試驗過程中，沿跨中截面高度均勻布置7片混凝土應(yīng)變片。以上應(yīng)變均通過DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集箱采集。

為觀察裂縫發(fā)展情況，將試驗梁刷白，并在梁側(cè)面畫上間距為50 mm的網(wǎng)格線，裂縫寬度由ZXL-201智能裂縫測寬儀測得；在梁支座和L/2處安裝YHD-100型位移傳感器，并將其連接于DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集箱，利用采集系統(tǒng)測出撓度。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 破壞形態(tài)

由試驗可以看出，初始加載時，隨著荷載的增加，普通竹筋混凝土、改性竹筋混凝土和鋼筋混凝土所表現(xiàn)出的性能基本相同，均表現(xiàn)為線性變化。隨著荷載的增加，各試件受拉區(qū)混凝土先后開裂，開裂荷載除個別試件外均在40 kN左右。這說明，混凝土受彎構(gòu)件的開裂荷載主要取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度，而與所用配筋的種類和配筋率大小關(guān)系不是太明顯，也說明普通竹材與混凝土之間有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。

然而，與鋼筋混凝土適筋梁（圖3（f））不同的是，竹筋混凝土受彎構(gòu)件在受拉區(qū)混凝土開裂后，裂縫長度瞬間增大，受壓區(qū)高度迅速減?。▓D3（a）～（e）），且裂縫一旦形成，便具有一定的寬度。這是因為，開裂以前，應(yīng)力主要由受拉區(qū)混凝土承擔(dān)，而竹材應(yīng)力很小，裂縫形成以后，受拉區(qū)混凝土退出工作，原來由受拉區(qū)混凝土承擔(dān)的應(yīng)力轉(zhuǎn)而由受拉竹筋承擔(dān)，因而竹筋應(yīng)力迅速增大。由于竹材的彈性模量較?。s為鋼材的1/10），故裂縫一旦形成，便具有一定寬度，從而使截面中性軸迅速上移，導(dǎo)致受壓區(qū)高度迅速減小。

與普通竹筋混凝土相比，除B-L-2（方法2）外（圖3（b）），改性竹筋混凝土受彎構(gòu)件的初始裂縫寬度相對較小。如B-J-4（方法3）和B-S-6（方法4）的初始裂縫寬度僅為0.1 mm，而相應(yīng)配筋率的普通竹筋混凝土初始裂縫寬度為1.5 mm。這說明，竹筋經(jīng)改性處理以后，能有效增大混凝土與竹筋之間的粘結(jié)力，使竹筋和混凝土能協(xié)同工作。對于B-L-2，即采用瀝青包裹的改性方法，雖然其表面也散放了無機(jī)顆粒，但當(dāng)施加荷載時，瀝青層因產(chǎn)生過大的剪切變形而導(dǎo)致與混凝土之間產(chǎn)生滑移，從而減小了竹筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，以致其初始裂縫寬度甚至大于普通竹筋混凝土（圖3（e））。

隨著荷載的進(jìn)一步增大，裂縫寬度增大，受壓區(qū)高度繼續(xù)減小，當(dāng)荷載增加到一定值時，構(gòu)件破壞。與鋼筋混凝土適筋梁（圖3（f））不同的是，擁有相應(yīng)配筋率的竹筋混凝土梁（圖3（g））裂縫發(fā)展較快，裂縫數(shù)量相對較少。更為重要是，在通常配筋率條件下，構(gòu)件破壞時，受拉區(qū)竹筋先斷裂，隨即受壓區(qū)混凝土壓碎，屬于脆性破壞，類似于鋼筋混凝土梁的少筋破壞；而對于除B-L-2外的改性竹筋混凝土試件，當(dāng)配筋率達(dá)到一定值時（3%左右），破壞時混凝土先壓碎，而竹筋未斷裂，截面因失去繼續(xù)承載能力而破壞，也屬于脆性破壞，類似于鋼筋混凝土梁的超筋破壞。但與普通竹筋混凝土（圖3（e））相比，除B-L-2外（圖3（b）），改性竹筋混凝土梁在破壞時混凝土梁裂縫寬度較小，數(shù)量較多，且分布較均勻（圖3（a）、（c）和（d））。在試驗過程中，所有試件的箍筋均未到達(dá)屈服應(yīng)變。

3.2 構(gòu)件荷載撓度關(guān)系

3.2.1 不同材料影響

圖4為竹筋混凝土梁（B-S-7）和鋼筋混凝土梁（G-11）的跨中荷載撓度關(guān)系圖。其中，若將G-11按竹筋極限強(qiáng)度計算其等效配筋率為1.34%，與B-S-7的竹筋配筋率相近。由圖4可以看出：開裂前，鋼筋混凝土和竹筋混凝土撓度變化基本相同，荷載撓度曲線斜率接近一致，這是因為開裂前構(gòu)件的抗彎剛度主要由構(gòu)件截面形式和混凝土強(qiáng)度等級決定。

開裂后，與鋼筋混凝土相比，竹筋混凝土的荷載撓度曲線斜率減小，變形增大，而鋼筋混凝土開裂前后曲線斜率未出現(xiàn)明顯變化，變形較小。這是因為截面開裂后，原來由受拉區(qū)混凝土承擔(dān)的應(yīng)力轉(zhuǎn)而由受拉竹筋承擔(dān)，竹筋應(yīng)力迅速增大，由于竹材的彈性模量較小，故開裂后構(gòu)件截面剛度減小，變形瞬間增大。隨著荷載繼續(xù)增加，竹筋混凝土梁的變形呈線性增長直至破壞，破壞前荷載撓度曲線并未出現(xiàn)屈服平臺，而鋼筋混凝土梁出現(xiàn)了屈服，屈服后變形快速增長。

3.2.2 不同改性方法影響

圖5為不同改性方法構(gòu)件的跨中荷載撓度關(guān)系圖。由圖5可以看出：開裂前，除方法2外，各種改性方法構(gòu)件和普通竹筋混凝土構(gòu)件的變形規(guī)律相差不大，開裂荷載也相差不大；開裂后，在開裂初期，B-W-1（無改性）、B-L-2（方法2）及B-K-3（方法1）的的撓度變化非常迅速，其曲線斜率接近于0，而相應(yīng)的B-J-4（方法3）和B-S-6（方法4）的撓度增長則要平緩得多，隨著荷載的增加，除B-L-2外，各構(gòu)件的撓度變化趨勢又開始趨于一致，但當(dāng)荷載達(dá)到一定值時，B-W-1的撓度又開始快速增加，而B-J-4（方法3）和B-S-6（方法4）的變化趨勢則保持不變，直至破壞。這是因為普通竹筋混凝土的竹筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度較小，混凝土開裂以后，混凝土與竹筋之間產(chǎn)生一定程度的滑移，使得構(gòu)件在開裂的一瞬間就具有較大的裂縫寬度，也即同時產(chǎn)生較大的撓度，此后裂縫間的混凝土與竹筋之間的粘結(jié)力與拉應(yīng)力維持平衡，當(dāng)荷載繼續(xù)增加時，竹筋與混凝土之間產(chǎn)生新的滑移。而B-J-4（方法3）和B-S-6（方法4）則不同，由于竹筋和混凝土之間存在可靠的粘結(jié)，第一批裂縫產(chǎn)生以后，混凝土和竹筋之間并不產(chǎn)生滑移，裂縫間的混凝土應(yīng)力重分布，直到下一批裂縫產(chǎn)生，因而裂縫寬度并不大，瞬間撓度也就小。而B-L-2情況較為特殊，由于瀝青層相對較厚，在混凝土與竹筋之間形成軟弱的剪切變形層，使構(gòu)件開裂后的瞬間撓度甚至大于普通竹筋混凝土。B-K-3（方法1）雖能增大竹筋和混凝土之間的粘結(jié)力，但其粘結(jié)力主要依賴于竹材表面為數(shù)不多的刻槽，粘結(jié)點(diǎn)過于集中，因而其初始撓度也較大，且刻痕使竹筋有效面積減小，導(dǎo)致截面承載能力減小。

3.2.3 不同配筋率及端部彎鉤影響

圖6為改性竹筋混凝土（方法4）不同配筋率受彎構(gòu)件的跨中荷載撓度關(guān)系圖。由圖6可以看出，總體來說，配筋率的大小對構(gòu)件截面開裂荷載影響并不明顯。但開裂以后，配筋率越大，構(gòu)件瞬間撓度越小，撓度增長也越慢，需要指出是，當(dāng)截面配筋率低至0.6%左右時，截面的開裂荷載和極限荷載非常接近，撓度曲線接近于水平直線。

3.3 沿截面高度混凝土應(yīng)變分布規(guī)律

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面強(qiáng)度計算是以平截面假定為基礎(chǔ)的，它要求鋼筋與混凝土之間不產(chǎn)生滑移。由于竹筋混凝土受彎構(gòu)件中材料的特殊性，竹筋和和混凝土之間的滑移情況以及是否滿足平截面假定等尚待研究。為此，分別測試了在不同改性方法中竹筋混凝土受彎構(gòu)件在不同荷載作用下混凝土應(yīng)變沿截面高度分布情況（圖8示）。由于截面開裂后裂縫較寬，部分應(yīng)變未能準(zhǔn)確采集到，因此，圖中主要給出了截面開裂前的應(yīng)變分布。

由圖8可以看出：除B-W-1（竹筋未處理）和B-L-2（方法2）外，在開裂前，改性構(gòu)件的混凝土應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布，隨著荷載增加，中性軸位于截面中部基本不變；截面受拉區(qū)混凝土開裂后，中性軸位置上移，但應(yīng)變分布仍近似呈直線分布（圖8（b）和（e））。這說明，改性竹筋混凝土受彎構(gòu)件的竹筋和混凝土之間有較為可靠的粘結(jié)力，因而，在進(jìn)行正截面強(qiáng)度計算時，原來適用于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面計算的平截面假定，在改性竹筋混凝土受彎構(gòu)件正截面強(qiáng)度計算中仍然適用。

對于普通竹筋混凝土受彎構(gòu)件（B-W-1），當(dāng)荷載較小時，混凝土應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布，中性軸位于截面中線附近；隨著荷載的增大，應(yīng)變分布逐步表現(xiàn)非線性，荷載越大，非線性越明顯，但中性軸位置基本不變。而對于采用方法2改性的受彎構(gòu)件B-L-2（圖8（c）），一開始混凝土應(yīng)變分布就表現(xiàn)出明顯的非線性，中性軸位置也明顯高于其它構(gòu)件，且荷載越大，非線性越明顯，但中性軸位置并不隨荷載增大而明顯上移。這是因為，普通竹筋混凝土的竹筋與混凝土之間雖有一定粘結(jié)力，但粘結(jié)強(qiáng)度較小，當(dāng)荷載達(dá)到一定值后，竹筋和混凝土之間便會產(chǎn)生滑移，從而使混凝土應(yīng)變分布呈非線性；而對于采用瀝青包裹（方法2）的竹筋混凝土構(gòu)件，瀝青成為竹筋和混凝土之間的抗剪軟弱層，構(gòu)件一旦施加荷載，竹筋和混凝土之間便會產(chǎn)生顯著滑移，導(dǎo)致混凝土應(yīng)變分布呈現(xiàn)非線性，截面中性軸上移。

3.4 承載力能力變化規(guī)律

由試驗可知（表3），在相同的試驗條件下，除B-L-2外，改性方法不同的竹筋混凝土構(gòu)件的開裂荷載相差不大，同一改性方法不同配筋率的構(gòu)件，其開裂荷載相差也不大，這說明，一般情況下，竹筋混凝土受彎構(gòu)件截面的開裂荷載主要由截面情況及混凝土抗拉強(qiáng)度所決定，而與配筋率等因素關(guān)系不大。但當(dāng)竹筋與混凝土之間存在嚴(yán)重滑移時，可能會減小構(gòu)件的開裂荷載。

與開裂荷載不同，配筋率對極限承載力影響明顯。在一定范圍內(nèi)（0.59%～2.07%），竹筋混凝土梁受彎構(gòu)件的極限承載力隨配筋率提高而增大。但當(dāng)配筋率達(dá)到一定值后，隨著配筋率的增加，其極限承載力增幅不大。這是因為：破壞模式由竹條受拉破壞（相當(dāng)于鋼筋混凝土少筋破壞）變?yōu)榛炷潦軌浩茐模ㄏ喈?dāng)于鋼筋混凝土超筋破壞），竹條強(qiáng)度未完全利用而混凝土已壓碎破壞，因而，此時增大配筋率對極限承載力的影響不大。從表3還可看出，等強(qiáng)度配筋率的改性竹筋混凝土受彎構(gòu)件的極限承載力與相應(yīng)的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件承載能力接近。

由于竹筋與鋼筋的材料特性存在較大區(qū)別，鋼筋混凝土構(gòu)件受彎承載力公式將不再適用。竹筋混凝土正截面承載力公式需根據(jù)竹筋材料特性，重新推定。

4 結(jié) 論

1）竹筋能有效提高混凝土受彎構(gòu)件的極限承載能力，按本文方法（方法3和方法4）對竹筋進(jìn)行改性處理后，不僅能有效提高竹筋與混凝土之間的粘結(jié)力，滿足正截面強(qiáng)度計算所需的平截面假定，還提高了竹材防水及防腐能力。

2）竹筋的配筋率對竹筋混凝土受彎構(gòu)件的力學(xué)性能及破壞形態(tài)有明顯影響。當(dāng)配筋率小于3%時，其破壞特性類似于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的少筋梁破壞，配筋率達(dá)到3%以后，其破壞特性類似于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的超筋破壞。構(gòu)件破壞均為脆性破壞，為安全起見，竹筋混凝土的正截面設(shè)計宜以超筋破壞為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，最小配筋率不宜小于3%。

3）瀝青包裹竹筋的方式不宜用于竹筋混凝土竹材的改性，這樣會在竹筋與混凝土之間形成軟弱剪切層，使之產(chǎn)生較大滑移。

4）竹筋端部的彎鉤錨固作用并不明顯。

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