竹筋-土坯組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能試驗(yàn)研究

戴志峰，陳穎輝，歐明喜，后錢峰

（昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明650500）

目前鋼筋、混凝土在現(xiàn)代建筑行業(yè)中作為主要建筑材料，一定程度上促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展，但大量的制造鋼筋及混凝土不僅造成工業(yè)污染，更是消耗人力資源。大量學(xué)者為響應(yīng)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的號(hào)召，試探研究更多建筑新型材料［1-2］，以滿足中國(guó)的發(fā)展需求。

竹材作為一種新型材料，受到廣泛研究，主要研究范圍包括：竹材構(gòu)造承壓性能研究［3］、竹材力學(xué)性能改性研究［4］及竹材連接方式與力學(xué)性能研究等［5］。然而竹材與其他材料的組合結(jié)構(gòu)研究相對(duì)較少，周夢(mèng)倩等人通過(guò)分析竹梁與竹-混凝土組合梁的受彎性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)竹-混凝土組合梁的跨中承彎荷載較竹梁有3.18～3.74倍的提升，剛度提升30%［6］，魏洋、吳剛等［7］研究表明新型FRP-竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)相比竹梁結(jié)構(gòu)的極限荷載及撓度極值L／250荷載都有大幅度提高。鋼筋混凝土有較高的抗?jié)B、抗凍、抗腐蝕、抗碳化性，然而針對(duì)軟土地基及高層建筑有著自重過(guò)大、導(dǎo)熱系數(shù)較大及不耐高溫等缺點(diǎn)，針對(duì)這些不足之處，提出一種新型竹筋-土坯組合結(jié)合，以竹筋代替鋼筋，以混合土代替混凝土。竹材具有高剛度和高強(qiáng)度，同時(shí)相對(duì)于鋼材，具有低自重、高韌性、綠色環(huán)保、施工安裝方便及建造周期短等優(yōu)點(diǎn)，粘土相比混凝土有著成本低、工藝簡(jiǎn)單及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

試驗(yàn)研究了不同比例含水量及固化劑下土坯的最佳配合比，并進(jìn)行了竹材順紋及橫紋抗壓試驗(yàn)，竹材采用無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)、雙竹節(jié)與混合土制成竹筋-土坯組合結(jié)構(gòu)與素土坯結(jié)構(gòu)4組試件，分析了在抗壓試驗(yàn)下的試件承載力的變化規(guī)律，為竹材在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 竹筋-粘土組合結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備

竹材以毛竹為原材料，剖開(kāi)制成長(zhǎng)240mm、寬20 mm、厚10mm的竹筋條，按照竹節(jié)劃分為無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)和雙竹節(jié)。抗壓強(qiáng)度測(cè)定參考工業(yè)建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑用竹力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》JG／T 199-2007［8］及《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》GB／T 15780-1995［9］，土料主要以粘土及砂土為主，為保證土料的最佳配合比，控制其含水量及摻入水泥、石灰等固化劑，土料研究出最佳配合比與無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)和雙竹節(jié)分別制成3組竹筋-土坯組合試件，1組無(wú)竹筋土坯對(duì)比試件，如下圖1所示。

圖1 竹筋-土坯組合形式Fig.1 Bamboo bar-adobe combination

竹筋-土坯組合試件尺寸為300mm×300mm×300mm，竹筋以5條為一組，編制成一榀，一共編制6榀，每榀間距為40 mm，最外排竹筋埋置土坯內(nèi)30 mm處。試件準(zhǔn)備好，夯實(shí)后自然養(yǎng)護(hù)成型。

2 試驗(yàn)加載及測(cè)試

試驗(yàn)采用器材為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為UTM-系列微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（5～20頓），如圖2所示，以50N／S的速率進(jìn)行加載，各組試件按照編號(hào)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，對(duì)各組試件測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整體，并進(jìn)行試驗(yàn)分析。

圖2 竹筋-土坯組合結(jié)構(gòu)抗壓試驗(yàn)Fig.2 Pressure resistance test on the bamboo-adobe composite structure

圖3 砂粘土比例1∶2控制不同含水率Fig.3 Displacement of the adobe under various water contentwhen the sand clay ratiowas1∶2

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 土坯最佳配合比試驗(yàn)

土料為保證最佳配合比，以粘土和砂土為主料，同時(shí)控制一定比例含水量及水泥、石灰2種固化劑，組坯形式如表1所示。

表1 砂粘土比例1∶2控制不同含水率Tab.1 Controlling water content at1∶2 sand clay ratio

圖3給出了砂土與粘土比例控制1∶2在不同含水率下3組試件在荷載的增加下位移量的變化規(guī)律。從圖中可知3組試件位移均出現(xiàn)先緩慢增大后急劇增加的規(guī)律，當(dāng)含水率為15%時(shí)，試件能承受的極限承載力為26.53 kN，圖中a點(diǎn)所示，此時(shí)試件的位移量為5 mm，在荷載的進(jìn)一步增加下，試塊開(kāi)始破壞，位移徒步增加，直至試件完全破裂；含水率為17%時(shí)，試件的極限承載力為20.360 5 kN，對(duì)應(yīng)試件的位移量為4.5 mm，即為圖中b點(diǎn)處，當(dāng)荷載超過(guò)20.360 5 kN時(shí)，試件位移開(kāi)始顯著增加，呈現(xiàn)破壞趨勢(shì)；同理，含水率為20%時(shí)，試件的極限承載力為15.013 2 kN，出現(xiàn)的位移量為5.0 mm，為圖中c點(diǎn)所示。分析可知，15%含水率試件的抗壓能力較含水率為17%及20%的試件分別提升了23.23%和43.41%，這是由于土的含水量應(yīng)控制在一定量值，是為最佳含水率，當(dāng)含水率進(jìn)一步增加時(shí)，土中空隙體積被水填充，降低了土體的粘聚力及內(nèi)摩擦角［10］，從而導(dǎo)致土體的承載能力下降。

試驗(yàn)中，土體的含水率為15%夯實(shí)天然養(yǎng)護(hù)后的承載力最高，為優(yōu)化土體抗壓性能，在此基礎(chǔ)上摻入一定比例固化劑，即砂土與粘土比例為1∶2時(shí)，分別摻入3%、5%、8%的水泥與石灰，分析6組工況下，土坯在荷載作用下的變形規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、5示。

圖4 不同比例石灰下土坯的荷載-位移圖Fig.4 Load-displacement diagram of adobe under different proportions of lime

圖5 不同比例水泥下土坯的荷載-位移圖Fig.5 Load-displacement diagram of adobe under different proportions of cement

圖4、圖5給出了含水量為15%及砂土與粘土1∶2在不同比例石灰與水泥的作用下土坯的抗壓變形規(guī)律，從圖中可以看出隨著兩種固化劑含量的增加，石灰組試件土坯的抗壓性能從3%到5%呈增加的趨勢(shì)，增速較平緩，含量從5%到8%呈遞減趨勢(shì)，相對(duì)石灰組試件水泥組試件土坯的抗壓性能一直呈增加的趨勢(shì)，且增速較急劇，這是由于石灰中含有大量Ca2+，Ca2+是一種親水性離子，遇水將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ca（OH）2，而Ca（OH）2具有極強(qiáng)的吸水能力，吸取了土體中的大量水分，降低了土體的力學(xué)性能［11］，基于此，此變形規(guī)律也得到合理的證實(shí)。石灰組試件的極限承載力值如圖7中d、e、f3點(diǎn)所示；水泥組試件抗壓性能峰值如圖5中g(shù)、h、i3點(diǎn)所示。不同摻量固化劑及含量比例下土坯能承受的最大荷載值及變形量如表2所示。

表2 固化劑下土坯的抗壓峰值及位移量Tab.2 Peak compressive pressure and displacement of adobe under curing agent

根據(jù)上表分析可知：兩種固化劑含量在5%時(shí)，土坯的極限承載力分別為35.501 kN及60.783 kN，位移量為3.5mm和3.785 8 mm，后者的抗壓性較前者提升了71.215%，位移量增大了7.5%，兩者在5%含量固化劑下進(jìn)行比較，加入水泥組試件更有優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上摻加含量8%的水泥試件抗壓性能最好，抗壓峰值達(dá)到79.785 kN，較水泥摻量5%時(shí)增加了31.36%，位移增加10.06%。故土坯-竹筋組合結(jié)構(gòu)采用土料為砂粘土比例為1∶2，含水率15%，固化劑采用含量8%的水泥。

3.2 竹材力學(xué)性能試驗(yàn)

將竹材按照無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)、雙竹節(jié)，分別進(jìn)行順紋及橫紋抗壓試驗(yàn)并分析荷載作用下竹材的位移變形規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7、8及表3所示。

圖6 竹材抗壓試驗(yàn)Fig.6 Bamboo pressure resistance test

圖7 竹材順紋荷載-位移圖Fig.7 Bamboo load-displacementmap

圖8 竹節(jié)橫紋荷載-位移圖Fig.8 Bamboo striated load-displacementmap

表3 竹材抗壓試驗(yàn)Tab.3 Bamboo pressure resistance test

通過(guò)表3竹材順紋與橫紋多組試件的抗壓試驗(yàn)可以得出：按無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)分析，竹材順紋抗壓強(qiáng)度較橫紋分別提升了23.560、15.612及10.761倍，可見(jiàn)竹材的順紋抗壓性能較橫紋抗壓性能要優(yōu)越得多，這是由于竹材纖維方向與竹材順紋方向一致，很大一部分程度上提高了竹材的抗壓性能，而在橫紋受壓過(guò)程中，竹材的薄壁組織細(xì)胞的抗壓承受能力相對(duì)較弱，從而導(dǎo)致竹材在順紋抗壓性能上較橫紋有著大幅度的提升［12］。

從表3還可以得出：對(duì)于竹材橫紋受壓，竹節(jié)對(duì)于竹材的抗壓性能有著巨大的影響，以無(wú)竹節(jié)為參考，單竹節(jié)及雙竹節(jié)的橫紋抗壓性能提升了51.122%和135.64%，因?yàn)橹癫臋M向受壓中，竹節(jié)能有效的阻礙力的傳播，同時(shí)有效的消耗大量的斷裂能，控制了裂紋的擴(kuò)展；而對(duì)于竹材順紋抗壓而言，竹節(jié)對(duì)竹材的抗壓性能有一定的影響，但總體影響不明顯，以無(wú)竹節(jié)為參考，單竹節(jié)及雙竹節(jié)的順紋抗壓性能提升了4.34%和7.635%，故本組試驗(yàn)將竹材制成筋條并采用無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)順紋布置方式與土坯制成3組竹筋-土坯組合形式。

3.3 竹筋-土坯組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)

土坯原料采用混合料，按15%的含水率、8%的水泥和1∶2的砂粘土組制而成，分別與順紋布置的無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)竹筋制成竹筋-粘土組合結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，竹筋網(wǎng)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下圖所示。

從圖9、10及表4可知，由于竹筋在土坯中起到骨架的作用，土坯-竹筋組合試件的抗壓性能較素土坯結(jié)構(gòu)有顯著提升，單竹節(jié)-土坯及雙竹節(jié)-土坯結(jié)構(gòu)的承載力要優(yōu)于無(wú)竹節(jié)-土坯組合結(jié)構(gòu)，主要是竹節(jié)起到緩沖壓力的作用，試件位移量隨著荷載的增大而增加，以素土坯極限承載力作為比例對(duì)象，無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)的承載力分別提升了1.579、1.789 3及1.881 5倍，同時(shí)試件極限承載力時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移量較素土坯也有所增大，從素土坯最大位移量分析可知：幾組試件的極限承載力幾乎吻合，但此時(shí)素土坯試件開(kāi)始臨近破壞，而土坯-竹筋組合結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有到達(dá)極限承載力，表明組合試件能大大利于材料強(qiáng)度的充分利用。

圖9 竹筋網(wǎng)的制作Fig.9 Making of bamboo grid

圖10 土坯-竹筋組坯荷載-位移圖Fig.10 Relationship between load and displacement of bamboo-adobe structure

表4 土坯-竹筋組坯抗壓試驗(yàn)Tab.4 Compression test on the adobe-bamboo structure

4 結(jié)論

在控制砂土與粘土比例1∶2相同的情況下，含水量為15%的土坯試件的承載力要優(yōu)于含水量在17%及20%的試件，承載力提升了23.23%和43.41%。

在控制含水量為15%及砂土與粘土1：2的情況下，摻加3%到8%的水泥及石灰，土坯的承載力隨固化劑摻量增加均呈上升的趨勢(shì)，但石灰中含有大量Ca2+遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成，吸取了土體中的大量水分，降低了土體的力學(xué)性能，試驗(yàn)得出，8%的水泥試件的承載力較8%的石灰試件有2.31倍幅度上升。

竹材順紋受壓的抗壓性能大大優(yōu)于橫紋受壓，這是由于橫紋受壓過(guò)程中，竹材的薄壁組織細(xì)胞的抗壓承受能力相對(duì)較弱，試驗(yàn)得出二竹節(jié)順紋受壓的承載力是橫紋受壓的1.356倍。隨著竹節(jié)數(shù)的增加竹材順紋受壓的極限承載力有所增大，但不太明顯，而對(duì)于竹材橫紋受壓效果顯著。

竹材作為土坯骨架結(jié)構(gòu)能大幅度提高材料強(qiáng)度，無(wú)竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)較素土坯的承載力有1.579、1.789 3及1.881 5倍的提升。