竹筋混凝土中竹材與混凝土的粘結性能實驗研究

李昱澄+張曉港

摘 要：本文側重于以較為成熟的鋼筋混凝土粘接性能測試為基礎的實驗設計和現場實驗，并根據實驗結果進行分析總結，旨在通過對比五種不同竹材處理形式的試驗，探究出一些有利于提高竹筋混凝土中竹材與混凝土粘結力的方法和措施，使得竹筋混凝土在適當工程場合中的推廣成為可能。

關鍵詞：竹筋混凝土；粘結性能；對比實驗

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

1 前言

1.1 竹筋混凝土的應用前景

竹材自重輕，強度大，富有彈性，加工容易，而且資源豐富，價亦較廉。竹材也是我國的特產，產量很豐富，它的抗拉強度高，可以代替鋼筋混凝土中的鋼筋，為國家節約大量鋼材。如今環保理念日漸引起人們重視，若可以通過提高竹筋混凝土竹子與混凝土粘結性能來改善竹筋混凝土的性能，將有利于竹筋混凝土應用到更多特定的工程實踐中，符合環保和可持續發展的理念。實踐證明，在工程建設中適當應用竹筋混凝土是可行的。

眾所周知，鋼筋在生產過程中的“三廢排放”會造成環境污染和生態破壞。如今，環境污染問題日益嚴重，隨著人們環保意識的不斷加強，工程建設中也越來越注重環保材料的使用。我國盛產竹材，因此竹子作為一種性質優良又經濟易取的環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工程場合中的推廣重新出現了曙光。

1.2 粘結的意義

目前，關于竹筋混凝土中竹材與混凝土的粘結性能研究非常少，因此我們希望能夠通過實踐探究得出一些有益于提高竹筋與混凝土粘結力的辦法，使得竹筋混凝土在適當工程場合中的推廣成為可能。

2 實驗設計

2.1 實驗目的

本實驗希望通過從處理竹筋不同方式的角度出發，研究其對竹筋與混凝土之間粘結性能的影響。本實驗借鑒鋼筋與混凝土間粘結性能的研究，旨在比較經過處理的竹筋相對于對照組其粘結性能的提高率，以找出相對經濟可靠的方法運用于工程實踐當中。

2.2 實驗思路

為了實現既定的實驗目的，實驗人員先對購買得到的竹材進行分組處理，得到無竹節、有竹節、刻槽、穿釘和粘沙五個對照組，然后對用著五組竹筋做好的竹筋混凝土試塊進行拉拔試驗，得到每組的力-變形曲線圖以及破壞形式，并通過測算破壞荷載得到每組對混凝土強度的提高。最后分析數據和破壞原因，找出最高效提高竹筋混凝土粘結性的竹筋處理方法，得出結論。

2.3 材料選擇

根據實驗目的，本實驗可取通常使用的C30混凝土和較為優質的竹材。據統計結果，較優的竹筋抗拉強度可達鋼筋強度的80%，其中取在中國栽培悠久、面積最廣的毛竹為本實驗的竹材在經濟上更可行。

2.4 設計思路

為了量測粘結應力與相對滑移長度之間的關系，目前主要發展了三種試驗方法，即：拉拔試驗（也稱作拔出試驗）、梁式試驗和軸拉試驗。由于拉拔試驗具有試件制作簡單、成本低、試驗易于進行等特點，應用得比較廣泛。早期鋼筋混凝土結構中，一般簡單地進行拉拔試驗確定臨界錨長，供設計者參考。

在拉拔試驗的基礎上，稍加改進可以模擬許多不同的粘結錨固狀態。本實驗為了探索不同處理竹筋方式對竹筋與混凝土之間的粘結性能的影響，故設計五種相對常見的竹筋，平行的對比實驗就在這些試件的基礎上進行。五種處理竹筋的方法分別為：無竹節、有竹節、刻槽、穿釘和粘砂。

3 實驗試件和過程

本文的初步實驗先制作兩個模型，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，結果是混凝土直接被拉斷而竹子還沒有被拉出來。

由于試件截面太小，沒有辦法做鋼筋籠提高混凝土的抗拉能力，所以本實驗借助輔助工具——鐵套筒。根據實驗的特點、具體的實驗方法、萬能試驗機的夾具大小和試塊的尺寸，設計出如圖1所示的鐵套筒，尺寸為310mm x110mm x 110mm。

對拉拔試驗做適當的改動，鐵套筒的“鐵柄”用試驗機的下部夾具夾住，上部夾具夾住竹筋，進行拉拔試驗。

試塊截面為100mm x100mm x 300mm。筋材置于試件中心，混凝土統一采用C30（常規配比），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。

本實驗通過萬能試驗機進行拉拔試驗，按要求的加荷速度進行加荷試驗。

力-位移曲線有明顯下降或試件無法繼續加載時，停止試驗，收集荷載、位移信息。

4 實驗結果及分析

實驗結果：

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

（1）實驗曲線及破壞形式。竹筋混凝土粘結力主要有化學粘結力、摩擦力、機械咬合力三大部分組成，這與鋼筋混凝土之間的作用類似。

根據前人的研究，應力-滑移曲線可以分為四個過程，即接觸段、強度上升段、強度回升段、強度穩定段。

①無竹節。圖2中曲線分為：接觸段、強度上升段、強度下降段和強度殘余段這四個過程。粘結強度在達到峰值后急劇下降，然后慢慢過渡到殘余段。在達到粘結強度峰值的瞬間試件出現裂縫，竹筋混凝土的承載力急劇下降，此時粘結效果由部分摩擦力和機械力共同發揮作用。

無竹節試驗組中的竹材表面不做處理，考慮竹材表面較為光滑，因此可忽略機械摩擦的影響，認為竹材與混凝土之間主要通過粘結力傳遞荷載，因此隨著荷載的增加，粘結面逐漸破壞，竹材呈拉出破壞。

②帶竹節。圖3中曲線接觸段和強度上升段較長，強度上升較為緩慢，在達到峰值之后竹筋破壞，粘結強度急劇下降，進入強度下降段。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，而且強度上升慢，是較為理想的狀況。

帶竹節試驗組滑移量相對較小，破壞后竹材并未被拔出，敲開混凝土試件發現其破壞形式為竹節附近竹板被拉斷。

竹節的存在使得竹筋混凝土中竹材與混凝土之間除了粘結作用之外還存在竹節與混凝土的機械咬合作用，使得受荷過程竹材的滑移發展受到限制，從而大大提高了其粘結性能。故應充分發揮竹節在改善竹材粘結性能上的優勢，材料制作時應保留竹節。

③刻槽。圖4中曲線相比圖2中曲線，強度上升急且強度下降較緩。由于處理的時候沒有保留竹節，曲線圖和無竹節類似，但是強度下降緩慢，原因在于刻槽增強的粘結能力，起到了一定的緩沖作用。這種情況優于無竹節情況。

刻槽試驗組破壞時亦產生較大滑移，但由于槽口的影響，其滑移發展相對較緩于無竹節組，破壞后竹材槽口有明顯的局部壓損。

同竹節的影響相似，槽口的存在產生了一個較強的機械咬合作用，改善了粘結性能。但由于槽口間距相比于竹節較小，因此混凝土的局部承壓和局部受拉撕裂問題相對明顯；同時，槽口側壁的局部壓損也伴隨而生。這就要求設計過程中應適當使用高標號混凝土，且槽口距離不宜過密。

④穿釘。圖5中曲線由強度上升段平穩過渡到穩定段，化學膠合力釋放較為緩慢；強度穩定段，曲線基本呈水平或略下降的狀態，主要由摩擦力和部分機械力組成。

穿釘試驗組破壞后破壞模式有兩種，一種為銷釘的彎曲破壞，另一種為主材的剪切破壞。同時，混凝土試件呈劈裂破壞。

穿釘法雖然通過銷釘增加了竹材與混凝土的機械咬合作用，但卻存在兩方面問題：一是由于纖維材料順紋抗剪強度較差，因此很可能導致刮出式破壞；二是當銷釘強度不足時，容易造成銷釘的受彎破壞。故設計時應匹配竹材強度選擇一定剛度的銷釘，才能在改善竹材粘結性能的同時使得材料得到充分利用。

⑤粘沙。粘沙試驗組破壞形式與無竹節試驗組類似。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，使得竹材表面通過表面砂層與混凝土更好的粘結從而達到改善粘結性能的目的，但試驗發現此方法效果并不明顯。其主要原因可能有兩點：其一，膠結面抗剪強度低，無法保證表面砂層與竹材形成一個共同工作材料體；其二，粘結強度能保證，但表層粘沙對竹材表面粗糙度的提高遠不如理想中的好。

（2）實驗結果如表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性能的方法，因此將無竹節組作為基本試驗組。帶竹節試驗組作為驗證組，其余3組作為對照組。對比基本試驗組，可發現不同其余四組破壞時峰值荷載分別提高52.1%、24.8%、20.7%、4.7%。

5 結論及展望

5.1 結論

（1）刻槽、穿釘和粘沙都能不同程度改善竹材的粘結性能。刻槽法工藝簡單，效果明顯，細化槽口設計后很可能是一種改善粘結性能的好方法。（2）竹筋混凝土中竹材的強度足以滿足力學條件，但竹材與混凝土的粘結性能并不好，粘結滑移量較大，粘結問題是竹筋混凝土的主要問題。竹材與混凝土的粘結破壞帶有脆性破壞性質，具有突發性。竹筋混凝土中竹節破壞一般后于粘結破壞，竹節邊緣的竹板強度則是薄弱環節，但竹節的存在對于提高竹材的粘結性能明顯有利。

5.2 進一步工作展望

（1）本文只是通過試驗來探究改善竹材與混凝土間粘結性能的方法，并沒有進行有限元建模分析。深入探究主材與混凝土的粘結機理，進行有限元分析是進一步研究的方向。（2）通過控制變量法進行試驗設計完成了本文的試驗探究，但影響粘結強度的因素有很多。如何進行多因素影響下的粘結試驗， 如考慮環境溫度變化和重復荷載共同作用下粘結的退化，混凝土強度、竹筋的長度寬度對于兩者粘結的影響，以及不同種類竹材性能不同導致竹筋混凝土性能的變化等問題，還需進一步研究。

參考文獻：

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作者簡介：李昱澄（1996-），女，江蘇人，本科，主要研究方向：軌道交通。