竹筋與混凝土粘結強度試驗研究

戚明軍 陳 元* 靳 龍 張 正

(1．陜西省建筑設計研究院有限責任公司，陜西西安 710003; 2．中建三局西北公司，陜西西安 710065;3．西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安 710600)

1 概述

鋼筋混凝土自被莫尼爾發現以來走過了將近50年的歷史［1］，由于混凝土和鋼筋材料性能的不斷改進，目前已經廣泛應用于工業和民用建筑、橋梁、隧道等土木工程領域。竹筋土釘作為巖土工程一種新型材料，因竹筋抗拉強度大［2］和收縮性小，在巖土工程支護過程中能夠充分發揮其自承能力，相比于鋼筋耐水性強等優點，逐漸被工程界所關注［3］。竹子在我國分布比較廣泛［4］，在南方傳統建筑中常常可見。竹筋如作為土釘進行巖土工程支護，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的粘結強度，能夠承受竹筋和混凝土的相對變形或滑移時在各自界面上產生的作用力。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，竹筋由于其中間為空心結構，使得傳統測試鋼筋混凝土粘結強度的方法在竹筋混凝土中并不適用，國內外對竹筋混凝土粘結強度試驗的研究也尚屬一片空白。以此為背景，本文結合竹筋自身的特性，對傳統方法進行改進，通過試驗得出竹筋混凝土粘結強度，證明竹筋作為土釘的可行性，對今后專家和學者的進一步研究有重要的參考價值。

2 竹筋混凝土的粘結強度

竹筋和混凝土之所以能夠共同工作［5］，是因為兩者之間存在有粘結強度，這種強度沿軸線方向的分力稱為粘結應力。粘結應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。竹筋與混凝土粘結力是由兩部分組成:1)混凝土收縮將竹筋緊緊握固而產生的摩擦力;2)由竹筋節間凹凸不平的混凝土之間產生的機械咬合力。粘結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。帶節間較多的竹筋的粘結強度相對比帶節間較少的竹筋大，所以在選擇竹筋混凝土的時候盡量選擇帶節間較多的竹子。

由材料的物理力學性能我們知道，竹筋和混凝土具有不同的性質。竹筋具有很強的抗拉強度，混凝土則具有很高的抗壓強度，其抗拉強度僅是抗壓強度的1/5左右，是一種脆性材料［7］。竹筋和混凝土的密切結合，充分發揮了各自的受力特點，共同作為整體承受外力。適當的混凝土保護層厚度，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的侵犯，使構件長期有效的處于正常的受力狀態，還可以保證混凝土構件的外觀質量。

3 竹筋混凝土的粘結強度試驗

竹筋混凝土粘結強度的試驗［8，9］通過實驗與傳統的鋼筋混凝土粘結試驗相類似，都是利用液壓穿心千斤頂對竹筋混凝土時間提供拉力，將嵌固在混凝土中的竹筋拉出來，達到破壞的狀態，此時的拉拔力就是竹筋混凝土粘結力，通過轉換得到竹筋混凝土粘結強度 P［10］:

其中，Fmax為最大液壓表壓力讀數，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，利用螺旋測微計測出。

為了更好的發揮竹筋的粘結強度，試驗同時采用了竹筋與碳纖維絲粘結的技術，與竹筋進行比較和對照，按水泥∶細砂∶石子體積比為 1∶2∶4，1∶3∶5，1∶3∶6 和 1∶4∶0 調配，注入適當的水，制成長寬高分別為500 mm，500 mm，250 mm的混凝土試塊4個，編號分別為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，每個混凝土制作時插入兩根竹筋試件，其中左邊未粘結碳纖維絲的竹筋，以“－1”表示，右邊粘結碳纖維絲的竹筋，以“－2”表示。8根竹筋試件的編號分別為 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，雖然其抗拉強度比較大，但是其表面光滑，中間空心，使得利用傳統方法測試竹筋混凝土粘結強度時無法與夾具咬合，因此為了達到試驗的目的，必須對傳統方法做以下改進:

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

待混凝土達到其終凝強度時，利用回彈儀測定混凝土抗壓強度，選擇合適的夾具，安裝液壓空心千斤頂、百分表，行試驗。當壓力加載到最大值時，讀出壓力表讀數和百分表讀數，記錄試驗數據。

通過試驗，將所得的試驗數據整理成應力—應變曲線，見圖2。

通過試驗數據求出竹筋混凝土粘結強度，可以得出:

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

圖2 竹筋混凝土試塊粘結應力—應變曲線

2)竹筋混凝土粘結強度與碳纖維絲粘結有關系，在相同情況下有碳纖維絲的竹筋混凝土的抗拉強度比無碳纖維絲竹筋混凝土粘結強度大20%左右;

3)根據實驗數據處理，可以看出竹筋混凝土的粘結強度通常在500 kPa～900 kPa之間，相比鋼筋混凝土粘結強度，鋼筋混凝土強度在1．0 MPa～5．0 MPa，只為鋼筋混凝土粘結強度的1/5～1/2。

4 結語

本文對傳統測試粘結強度方法進行改進，通過竹筋材料特性分析和試驗數據處理，得到:1)竹筋竹子質量非常輕，但質地卻非常堅硬，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，是因為兩者之間存在有粘結強度，能夠承受竹筋和混凝土的相對變形或滑移在界面上產生的作用力，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的粘結強度，但是傳統測試粘結強度的方法不適用于竹筋，為了得到比較良好的試驗數據，必須對試驗進行改進，本文就著重介紹改進后的試驗方法，通過試驗數據測得竹筋混凝土粘結強度，并分析此方法的可行性;3)竹筋混凝土粘結強度同樣也受很多因素的影響，如外界溫度、竹筋材料特性、混凝土強度等級、混凝土保護層厚度和竹筋間距、竹筋外部包裹的材料等。

［1] 虎巧瑞．鋼筋與混凝土的粘結［J］．現代裝飾理論，2000(3):151．

［2] 孫 寧，張立彬．竹子的力學特性［J］．力學與實踐，1997(3):77-79．

［3] 呂 韜，張宏勝．高填方加筋邊坡中竹筋的應用初探［J］．山西建筑，2007，33(20):81-83．

［4] 楊曙光．加筋(竹筋)復合土中竹筋物理力學性能初探［J］．山西建筑，2009，35(12):168-169．

［5] 王寶儒．鋼筋和混凝土的共同工作原理探討［J］．山西建筑，2009，35(30):71-72．

［6] 歐陽堅．鋼筋與混凝土的粘結錨固及機理［J］．山西建筑，2009，35(18):54-55．

［7] GB 50204-2002，混凝土施工質量驗收規范［S］．

［8] 趙 宇．加強型竹筋鹼板承受荷載的試驗研究［J］．公用科技，1996，12(4):26-33．

［9] 吳以莉，朱勁松．竹筋混凝土樓板試驗研究［J］．化工生產與技術，1998(3):62．

［10] 夏 寧．鋼筋和混凝土相對錯移量的計算方法［J］．建筑研究與技術，1987(2):60-61．

［11] 李會杰，謝 劍．超低溫環境下鋼筋與混凝土的粘結性能［J］．工程力學，2011(6):80-84．