竹筋混凝土中竹材與混凝土的粘結(jié)性能實(shí)驗(yàn)研究

李昱澄+張曉港

摘 要：本文側(cè)重于以較為成熟的鋼筋混凝土粘接性能測(cè)試為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，旨在通過(guò)對(duì)比五種不同竹材處理形式的試驗(yàn)，探究出一些有利于提高竹筋混凝土中竹材與混凝土粘結(jié)力的方法和措施，使得竹筋混凝土在適當(dāng)工程場(chǎng)合中的推廣成為可能。

關(guān)鍵詞：竹筋混凝土；粘結(jié)性能；對(duì)比實(shí)驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.085

1 前言

1.1 竹筋混凝土的應(yīng)用前景

竹材自重輕，強(qiáng)度大，富有彈性，加工容易，而且資源豐富，價(jià)亦較廉。竹材也是我國(guó)的特產(chǎn)，產(chǎn)量很豐富，它的抗拉強(qiáng)度高，可以代替鋼筋混凝土中的鋼筋，為國(guó)家節(jié)約大量鋼材。如今環(huán)保理念日漸引起人們重視，若可以通過(guò)提高竹筋混凝土竹子與混凝土粘結(jié)性能來(lái)改善竹筋混凝土的性能，將有利于竹筋混凝土應(yīng)用到更多特定的工程實(shí)踐中，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念。實(shí)踐證明，在工程建設(shè)中適當(dāng)應(yīng)用竹筋混凝土是可行的。

眾所周知，鋼筋在生產(chǎn)過(guò)程中的“三廢排放”會(huì)造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞。如今，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，工程建設(shè)中也越來(lái)越注重環(huán)保材料的使用。我國(guó)盛產(chǎn)竹材，因此竹子作為一種性質(zhì)優(yōu)良又經(jīng)濟(jì)易取的環(huán)保型材料自然而然地重新吸引了人們的眼球，使得竹筋混凝土在適當(dāng)工程場(chǎng)合中的推廣重新出現(xiàn)了曙光。

1.2 粘結(jié)的意義

目前，關(guān)于竹筋混凝土中竹材與混凝土的粘結(jié)性能研究非常少，因此我們希望能夠通過(guò)實(shí)踐探究得出一些有益于提高竹筋與混凝土粘結(jié)力的辦法，使得竹筋混凝土在適當(dāng)工程場(chǎng)合中的推廣成為可能。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

本實(shí)驗(yàn)希望通過(guò)從處理竹筋不同方式的角度出發(fā)，研究其對(duì)竹筋與混凝土之間粘結(jié)性能的影響。本實(shí)驗(yàn)借鑒鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的研究，旨在比較經(jīng)過(guò)處理的竹筋相對(duì)于對(duì)照組其粘結(jié)性能的提高率，以找出相對(duì)經(jīng)濟(jì)可靠的方法運(yùn)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。

2.2 實(shí)驗(yàn)思路

為了實(shí)現(xiàn)既定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)人員先對(duì)購(gòu)買(mǎi)得到的竹材進(jìn)行分組處理，得到無(wú)竹節(jié)、有竹節(jié)、刻槽、穿釘和粘沙五個(gè)對(duì)照組，然后對(duì)用著五組竹筋做好的竹筋混凝土試塊進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，得到每組的力-變形曲線圖以及破壞形式，并通過(guò)測(cè)算破壞荷載得到每組對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高。最后分析數(shù)據(jù)和破壞原因，找出最高效提高竹筋混凝土粘結(jié)性的竹筋處理方法，得出結(jié)論。

2.3 材料選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模緦?shí)驗(yàn)可取通常使用的C30混凝土和較為優(yōu)質(zhì)的竹材。據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，較優(yōu)的竹筋抗拉強(qiáng)度可達(dá)鋼筋強(qiáng)度的80%，其中取在中國(guó)栽培悠久、面積最廣的毛竹為本實(shí)驗(yàn)的竹材在經(jīng)濟(jì)上更可行。

2.4 設(shè)計(jì)思路

為了量測(cè)粘結(jié)應(yīng)力與相對(duì)滑移長(zhǎng)度之間的關(guān)系，目前主要發(fā)展了三種試驗(yàn)方法，即：拉拔試驗(yàn)（也稱作拔出試驗(yàn)）、梁式試驗(yàn)和軸拉試驗(yàn)。由于拉拔試驗(yàn)具有試件制作簡(jiǎn)單、成本低、試驗(yàn)易于進(jìn)行等特點(diǎn)，應(yīng)用得比較廣泛。早期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，一般簡(jiǎn)單地進(jìn)行拉拔試驗(yàn)確定臨界錨長(zhǎng)，供設(shè)計(jì)者參考。

在拉拔試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，稍加改進(jìn)可以模擬許多不同的粘結(jié)錨固狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)為了探索不同處理竹筋方式對(duì)竹筋與混凝土之間的粘結(jié)性能的影響，故設(shè)計(jì)五種相對(duì)常見(jiàn)的竹筋，平行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)就在這些試件的基礎(chǔ)上進(jìn)行。五種處理竹筋的方法分別為：無(wú)竹節(jié)、有竹節(jié)、刻槽、穿釘和粘砂。

3 實(shí)驗(yàn)試件和過(guò)程

本文的初步實(shí)驗(yàn)先制作兩個(gè)模型，在試件的一端伸入鋼筋，一端伸入竹子，但是由于混凝土的抗拉能力太差，結(jié)果是混凝土直接被拉斷而竹子還沒(méi)有被拉出來(lái)。

由于試件截面太小，沒(méi)有辦法做鋼筋籠提高混凝土的抗拉能力，所以本實(shí)驗(yàn)借助輔助工具——鐵套筒。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、具體的實(shí)驗(yàn)方法、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具大小和試塊的尺寸，設(shè)計(jì)出如圖1所示的鐵套筒，尺寸為310mm x110mm x 110mm。

對(duì)拉拔試驗(yàn)做適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，鐵套筒的“鐵柄”用試驗(yàn)機(jī)的下部夾具夾住，上部夾具夾住竹筋，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

試塊截面為100mm x100mm x 300mm。筋材置于試件中心，混凝土統(tǒng)一采用C30（常規(guī)配比），試件比例全一樣。其中，第四組銷釘采用，膠水粘牢，位于竹片截面中心。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，按要求的加荷速度進(jìn)行加荷試驗(yàn)。

力-位移曲線有明顯下降或試件無(wú)法繼續(xù)加載時(shí)，停止試驗(yàn)，收集荷載、位移信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

將所采集的信息錄入到計(jì)算機(jī)控制中心繪出力-滑移曲線，得到的曲線如圖2～5所示。

（1）實(shí)驗(yàn)曲線及破壞形式。竹筋混凝土粘結(jié)力主要有化學(xué)粘結(jié)力、摩擦力、機(jī)械咬合力三大部分組成，這與鋼筋混凝土之間的作用類似。

根據(jù)前人的研究，應(yīng)力-滑移曲線可以分為四個(gè)過(guò)程，即接觸段、強(qiáng)度上升段、強(qiáng)度回升段、強(qiáng)度穩(wěn)定段。

①無(wú)竹節(jié)。圖2中曲線分為：接觸段、強(qiáng)度上升段、強(qiáng)度下降段和強(qiáng)度殘余段這四個(gè)過(guò)程。粘結(jié)強(qiáng)度在達(dá)到峰值后急劇下降，然后慢慢過(guò)渡到殘余段。在達(dá)到粘結(jié)強(qiáng)度峰值的瞬間試件出現(xiàn)裂縫，竹筋混凝土的承載力急劇下降，此時(shí)粘結(jié)效果由部分摩擦力和機(jī)械力共同發(fā)揮作用。

無(wú)竹節(jié)試驗(yàn)組中的竹材表面不做處理，考慮竹材表面較為光滑，因此可忽略機(jī)械摩擦的影響，認(rèn)為竹材與混凝土之間主要通過(guò)粘結(jié)力傳遞荷載，因此隨著荷載的增加，粘結(jié)面逐漸破壞，竹材呈拉出破壞。

②帶竹節(jié)。圖3中曲線接觸段和強(qiáng)度上升段較長(zhǎng)，強(qiáng)度上升較為緩慢，在達(dá)到峰值之后竹筋破壞，粘結(jié)強(qiáng)度急劇下降，進(jìn)入強(qiáng)度下降段。由于是竹筋破壞而不是混凝土試件破壞，這種情況下承受的載荷大，而且強(qiáng)度上升慢，是較為理想的狀況。

帶竹節(jié)試驗(yàn)組滑移量相對(duì)較小，破壞后竹材并未被拔出，敲開(kāi)混凝土試件發(fā)現(xiàn)其破壞形式為竹節(jié)附近竹板被拉斷。

竹節(jié)的存在使得竹筋混凝土中竹材與混凝土之間除了粘結(jié)作用之外還存在竹節(jié)與混凝土的機(jī)械咬合作用，使得受荷過(guò)程竹材的滑移發(fā)展受到限制，從而大大提高了其粘結(jié)性能。故應(yīng)充分發(fā)揮竹節(jié)在改善竹材粘結(jié)性能上的優(yōu)勢(shì)，材料制作時(shí)應(yīng)保留竹節(jié)。

③刻槽。圖4中曲線相比圖2中曲線，強(qiáng)度上升急且強(qiáng)度下降較緩。由于處理的時(shí)候沒(méi)有保留竹節(jié)，曲線圖和無(wú)竹節(jié)類似，但是強(qiáng)度下降緩慢，原因在于刻槽增強(qiáng)的粘結(jié)能力，起到了一定的緩沖作用。這種情況優(yōu)于無(wú)竹節(jié)情況。

刻槽試驗(yàn)組破壞時(shí)亦產(chǎn)生較大滑移，但由于槽口的影響，其滑移發(fā)展相對(duì)較緩于無(wú)竹節(jié)組，破壞后竹材槽口有明顯的局部壓損。

同竹節(jié)的影響相似，槽口的存在產(chǎn)生了一個(gè)較強(qiáng)的機(jī)械咬合作用，改善了粘結(jié)性能。但由于槽口間距相比于竹節(jié)較小，因此混凝土的局部承壓和局部受拉撕裂問(wèn)題相對(duì)明顯；同時(shí)，槽口側(cè)壁的局部壓損也伴隨而生。這就要求設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)使用高標(biāo)號(hào)混凝土，且槽口距離不宜過(guò)密。

④穿釘。圖5中曲線由強(qiáng)度上升段平穩(wěn)過(guò)渡到穩(wěn)定段，化學(xué)膠合力釋放較為緩慢；強(qiáng)度穩(wěn)定段，曲線基本呈水平或略下降的狀態(tài)，主要由摩擦力和部分機(jī)械力組成。

穿釘試驗(yàn)組破壞后破壞模式有兩種，一種為銷釘?shù)膹澢茐?，另一種為主材的剪切破壞。同時(shí)，混凝土試件呈劈裂破壞。

穿釘法雖然通過(guò)銷釘增加了竹材與混凝土的機(jī)械咬合作用，但卻存在兩方面問(wèn)題：一是由于纖維材料順紋抗剪強(qiáng)度較差，因此很可能導(dǎo)致刮出式破壞；二是當(dāng)銷釘強(qiáng)度不足時(shí)，容易造成銷釘?shù)氖軓澠茐?。故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)匹配竹材強(qiáng)度選擇一定剛度的銷釘，才能在改善竹材粘結(jié)性能的同時(shí)使得材料得到充分利用。

⑤粘沙。粘沙試驗(yàn)組破壞形式與無(wú)竹節(jié)試驗(yàn)組類似。主要為竹材的拉出破壞。

粘沙法的原理是增加竹材表面的粗糙度，使得竹材表面通過(guò)表面砂層與混凝土更好的粘結(jié)從而達(dá)到改善粘結(jié)性能的目的，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此方法效果并不明顯。其主要原因可能有兩點(diǎn)：其一，膠結(jié)面抗剪強(qiáng)度低，無(wú)法保證表面砂層與竹材形成一個(gè)共同工作材料體；其二，粘結(jié)強(qiáng)度能保證，但表層粘沙對(duì)竹材表面粗糙度的提高遠(yuǎn)不如理想中的好。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由于本文旨在探究提高竹筋混凝土中主材與混凝土粘結(jié)性能的方法，因此將無(wú)竹節(jié)組作為基本試驗(yàn)組。帶竹節(jié)試驗(yàn)組作為驗(yàn)證組，其余3組作為對(duì)照組。對(duì)比基本試驗(yàn)組，可發(fā)現(xiàn)不同其余四組破壞時(shí)峰值荷載分別提高52.1%、24.8%、20.7%、4.7%。

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

（1）刻槽、穿釘和粘沙都能不同程度改善竹材的粘結(jié)性能?？滩鄯üに嚭?jiǎn)單，效果明顯，細(xì)化槽口設(shè)計(jì)后很可能是一種改善粘結(jié)性能的好方法。（2）竹筋混凝土中竹材的強(qiáng)度足以滿足力學(xué)條件，但竹材與混凝土的粘結(jié)性能并不好，粘結(jié)滑移量較大，粘結(jié)問(wèn)題是竹筋混凝土的主要問(wèn)題。竹材與混凝土的粘結(jié)破壞帶有脆性破壞性質(zhì)，具有突發(fā)性。竹筋混凝土中竹節(jié)破壞一般后于粘結(jié)破壞，竹節(jié)邊緣的竹板強(qiáng)度則是薄弱環(huán)節(jié)，但竹節(jié)的存在對(duì)于提高竹材的粘結(jié)性能明顯有利。

5.2 進(jìn)一步工作展望

（1）本文只是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)探究改善竹材與混凝土間粘結(jié)性能的方法，并沒(méi)有進(jìn)行有限元建模分析。深入探究主材與混凝土的粘結(jié)機(jī)理，進(jìn)行有限元分析是進(jìn)一步研究的方向。（2）通過(guò)控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)完成了本文的試驗(yàn)探究，但影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素有很多。如何進(jìn)行多因素影響下的粘結(jié)試驗(yàn)， 如考慮環(huán)境溫度變化和重復(fù)荷載共同作用下粘結(jié)的退化，混凝土強(qiáng)度、竹筋的長(zhǎng)度寬度對(duì)于兩者粘結(jié)的影響，以及不同種類竹材性能不同導(dǎo)致竹筋混凝土性能的變化等問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究。

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作者簡(jiǎn)介：李昱澄（1996-），女，江蘇人，本科，主要研究方向：軌道交通。