原竹保溫材料界面黏結滑移性能試驗研究

田黎敏， 郝際平， 寇躍峰， 許 昆， 趙秋利(.西安建筑科技大學 土木工程學院， 陜西 西安 70055；.廣州固保系統建筑材料有限公司， 廣東 廣州 50070)

原竹-保溫材料龍骨組合結構是將輕質保溫材料(主要由灰漿混合料、聚苯乙烯顆粒和礦物黏合劑等組成)包裹在原竹表面形成，其具有一定的強度，并兼有良好保溫、隔熱及耐火性能，可以在多層結構中廣泛應用[1].在原竹-保溫材料龍骨組合構件中，原竹與保溫材料的有效黏結是二者共同工作的基礎，直接影響構件的變形和承載能力.因此，有必要對原竹-保溫材料界面的黏結滑移性能進行研究.

迄今為止，國內外針對界面的黏結滑移研究主要集中在鋼與混凝土界面[2-3]、鋼與竹界面[4]、FRP與混凝土/木/竹材界面[5-8]及鋼與保溫材料界面[9]等方面，其中型鋼混凝土界面黏結滑移的研究對原竹-保溫材料界面黏結滑移性能研究有較大的參考價值.研究表明，影響型鋼混凝土界面黏結滑移強度的主要因素有：混凝土強度、保護層厚度、型鋼的錨固長度、混凝土受約束程度等.楊勇等[10]對型鋼混凝土界面黏結強度、黏結滑移本構關系進行了研究，提出了平均黏結應力- 加載端滑移本構關系的數學模型.鄭山鎖等[11]對型鋼混凝土界面黏結性能進行了拔出試驗，提出了型鋼混凝土局部、整體黏結破壞極限荷載的計算原理與方法.李俊華等[12]對軸力和反復水平荷載作用下型鋼混凝土柱的界面黏結滑移性能進行了試驗研究，得到了水平荷載-黏結滑移滯回曲線、骨架曲線和黏結應力，并提出了黏結應力退化率的計算公式.但是，有關原竹-保溫材料界面黏結滑移的研究鮮有述及.本文設計了12個試件，通過拉拔試驗，對原竹-保溫材料界面的黏結滑移性能進行了研究，給出了界面的破壞模式、破壞機理，并對影響黏結強度的因素進行了研究，以期為原竹-保溫材料龍骨組合結構的設計提供理論依據.

1 試驗

1.1 試件設計與制作

竹材為浙江毛竹，分別依據JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》和文獻[13]的規定對其順紋力學性能進行了測試，結果如表1所示.

表1 原竹的力學性能Table 1 Mechanical properties of bamboo

輕質保溫材料由廣州固保系統建筑材料有限公司提供，依據JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》對其力學性能進行了測試，彈性模量為1860MPa，抗壓強度為1.61MPa.

本文綜合考慮原竹直徑(d)、原竹埋置長度(le，mm)、原竹表面形式3種因素(基于構造，保溫材料保護層厚度Ce和強度的影響不予考慮，固定Ce為40mm)設計了4組12個拉拔試件.其中BS-04～BS-06，BS-10～BS-12為刻槽試件，在不破壞原竹纖維束的前提下，將原竹表面刻上凹槽，其深度為2mm， 寬度為1mm，間距為20mm，如圖1所示，試件參數見表2.

圖1 原竹-保溫材料龍骨組合結構Fig.1 Bamboo-thermal insulation material composite pull-out specimens(size:mm)

表2 試件參數Table 2 Parameters of specimens

1.2 加載方案及測試內容

拉拔試驗在DDL20電子萬能試驗機上進行(見圖2)，試件兩端與加載板對中.采用程序控制分級加載，加載速率為3mm/min，每級持荷時間為180s，直至原竹被拔出.采用百分表測量原竹的拔出位移.

圖2 加載裝置Fig.2 Test setup

2 試驗結果及分析

2.1 破壞模式及過程

試件的破壞模式為原竹拔出.開始時緩慢加載，位移計無明顯變化.隨著荷載增加，位移計讀數不斷增大，當荷載達到最大值時，位移計讀數仍在增大.此后，荷載開始減小，但位移仍在增大，直至達到最大值.試驗結束，原竹-保溫材料界面有明顯的滑移，與原竹端部黏結的保溫材料被帶出，如圖3所示.

圖3 試件破壞情況Fig.3 Failure mode of specimen

2.2 界面黏結強度

由于原竹在埋置深度方向上的界面黏結應力分布不均勻，本文以最大拔出荷載(Nu，N)對應的最大平均界面黏結應力作為試件的界面黏結強度(τ，MPa)，其值按式(1)計算，結果如表3所示.

(1)

表3 界面黏結強度試驗結果Table 3 Test results of bond strength of specimens

2.3 荷載-滑移曲線

試件的荷載-滑移(N-S)曲線如圖4所示.

經過分析，圖4中的荷載-滑移曲線可歸納為2種典型的荷載-滑移曲線(見圖5).

(1)第1種曲線具有明顯峰值點.當原竹與保溫材料之間沒有發生相對滑移時，荷載由界面黏結力和機械咬合力共同承擔，界面發生相對滑移后，荷載由摩擦力承擔.當原竹-保溫材料界面黏結力與機械咬合力之和大于初始摩擦力時，界面黏結破壞，摩擦力不足以平衡荷載，這時曲線將出現明顯的峰值點及下降段.

(2)第2種曲線無明顯峰值點.當原竹-保溫材料界面黏結力與機械咬合力之和小于摩擦力時，界面黏結破壞，荷載由摩擦力承擔，且呈先增大后平緩變化的趨勢，故此曲線無峰值點.

2.4 界面黏結破壞機理

與鋼管和混凝土界面黏結力相似，原竹-保溫材料界面的黏結力由化學膠結力、機械咬合力、摩擦力3部分組成.原竹-保溫材料的化學膠結力是保溫材料結晶硬化時在界面上形成的化學吸附力；機械咬合力由原竹與保溫材料的擠壓力產生(類似帶肋鋼筋與混凝土的咬合力)，機械咬合力的大小取決于原竹表面的粗糙程度，當原竹表面光滑時，機械咬合作用較小，反之則較大；摩擦力的大小與接觸面摩擦系數及法向壓力的大小成正比，而摩擦系數與界面的粗糙度有關，法向壓力由保溫材料對原竹的約束作用決定.

圖4 荷載-滑移曲線Fig.4 N-S curves

圖5 2種典型的荷載-滑移曲線Fig.5 Two typical N-S curves

通過分析原竹-保溫材料的荷載-滑移曲線，可將界面的滑移過程分為4個階段：

(1)無滑移階段(圖5中的OA，OA′).在加載初期，原竹-保溫材料界面無滑移，化學膠結力承擔主要荷載.

(2)滑移階段(圖5中的AB，A′B′).當加載至極限荷載的30%時，加載端出現滑移，喪失黏結作用，荷載由原竹與保溫材料之間的機械咬合力承擔.隨著荷載增加，滑移逐漸向自由端發展，此時荷載主要由機械咬合力和未發生滑移界面上的化學膠結力承擔，直至達到極限荷載.

(3)摩擦階段(圖5中的BC，B′C′).荷載達到極值或拐點后，滑移快速增加，整個界面發生滑移，界面黏結力失效，荷載由摩擦力和殘余機械咬合力承擔.當界面黏結力與機械咬合力之和大于摩擦力時，荷載-滑移曲線出現較明顯的峰值點并呈下降趨勢.

(4)后滑移階段(圖5中的CD，C′D′).當滑移達到一定值時，荷載下降緩慢，這時荷載-滑移曲線出現緩降平臺.

3 界面黏結性能影響因素分析

圖6，7分別為試件的最大拔出荷載-原竹埋置深度、界面黏結強度-原竹埋置深度曲線.

由圖6，7可見，隨著原竹埋置深度的增加，光面試件的最大拔出荷載增大，界面黏結強度減小.這是由于沿受力方向的界面黏結強度不均勻，應力集中分布在加載端附近.當原竹埋置深度超過某一限值時，界面黏結應力趨于均勻，使界面黏結強度的減小趨緩.隨著原竹埋置深度的增加，刻槽試件的最大拔出荷載也呈增大趨勢，但當原竹埋置深度較小(<250mm)時，其界面黏結強度無明顯變化.

圖6 最大拔出荷載-原竹埋置深度曲線Fig.6 Load-embedment depth curves

圖7 界面黏結強度-原竹埋置深度曲線Fig.7 Strength-embedment depth curves

當原竹埋置深度為150，250，350mm時，小直徑原竹試件刻槽后的界面黏結強度較光面分別提高了22.6%，22.3%，71.7%，大直徑原竹試件刻槽后的界面黏結強度較光面分別提高了22.6%，27.6%，114.7%.

此外，分析原竹直徑的影響時發現，隨著原竹直徑的增加，試件的最大拔出荷載增大，界面黏結強度減小.通常情況下，原竹直徑越大，其表面包裹的保溫材料泌水現象越嚴重，會出現較大的空隙，對界面黏結性能有較大的影響.

4 提高界面黏結性能的措施

與文獻[10]中型鋼混凝土的界面黏結強度相比，原竹-保溫材料的界面黏結強度較低.一方面是由于保溫材料自身強度不高，另一方面，原竹表面粗糙度對其與保溫材料界面的黏結性能有較大影響，當原竹表面光滑時，其與保溫材料的界面黏結強度較小.

為了提高原竹-保溫材料的黏結性能，可采取以下措施：(1)對原竹表面進行處理，如磨砂粗糙化或增加凹槽；(2)在滿足承載力及正常使用的前提下，盡可能選用直徑較小的原竹；(3)在原竹-保溫材料龍骨組合結構中，用保溫材料將原竹全面包裹.

5 結論

(1)原竹-保溫材料試件的破壞模式為原竹被拔出，且與原竹端部黏結的保溫材料被帶出.

(2)原竹-保溫材料界面的黏結力由化學膠結力、機械咬合力及摩擦力組成.原竹-保溫材料界面的滑移過程可分為4個階段，即無滑移階段、滑移階段、摩擦階段和后滑移階段.

(3)保溫材料包裹原竹的長度越長、原竹表面越粗糙、原竹直徑越小，則原竹-保溫材料界面的黏結強度越大，其中原竹表面粗糙度的影響最大.因此，對原竹表面進行粗糙化處理、選用直徑較小的原竹、用保溫材料將原竹全面包裹是提高原竹-保溫材料界面黏結性能的有效途徑.

[1] 田黎敏,寇躍峰,郝際平,等，噴涂保溫材料-原竹組合樓板抗彎性能研究[J].華中科技大學學報(自然科學版),2017，45(11)：39-43.

TIAN Limin,KOU Yuefeng,HAO Jiping,et al.Experimental study on flexural behavior of bamboo composite slabs with sprayed thermal insulation material[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science),2017,45(11):39-43.(in Chinese)

[2] 李俊華，李玉順，王建民，等.型鋼混凝土柱粘結滑移本構關系與粘結滑移恢復力模型[J].土木工程學報，2010，43(3)：46-52.

LI Junhua,LI Yushun,WANG Jianmin,et al.Bond-slip constitutive relation and bond-slip resilience model of shape-steel reinforced concrete columns[J].China Civil Engineering Journal,2010,43(3):46-52.(in Chinese)

[3] KHALAF J,HUANG Zhaohui,FAN Mizi.Analysis of bond-slip between concrete and steel bar in fire[J].Computers and Structures,2016,162(1):1-15.

[4] 李玉順，張家亮，張秀華，等.短期荷載作用下鋼-竹界面黏結應力和滑移分析[J].建筑結構學報，2015，36(10)：114-123.

LI Yushun,ZHANG Jialiang,ZHANG Xiuhua,et al.Study on bond stress and bond slip of bamboo-steel interface under static load[J].Journal of Building Structures,2015,36(10):114-123.(in Chinese)

[5] BENACHOUR A,BENYOUCEF S,TOUNSI A,et al.Interfacial stress analysis of steel beams reinforced with bonded prestressed FRP plate[J].Engineering Structures,2008,30(11):3305-3315.

[6] 謝啟芳,趙鴻鐵,薛建陽,等．CFRP布加固木梁界面黏結應力的試驗研究和理論分析[J].工程力學,2008,25(7):229-234.

XIE Qifang,ZHAO Hongtie,XUE Jianyang,et al.Experimental study and theoretical analysis on interfacial bond stress of timber beams strengthened with CFRP sheets[J].Engineering Mechanics,2008,25(7):229-234.(in Chinese)

[7] 魏洋,吳剛,李國芬,等．新型FRP-竹-混凝土組合梁的力學行為[J].中南大學學報(自然科學版),2014,45(12):4384-4392.

WEI Yang,WU Gang,LI Guofen,et al.Mechanical behavior of novel FRP-bamboo-concrete composite beams[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2014,45(12):4384-4392.(in Chinese)

[8] 侯和濤,陳璐,孫燕飛,等.竹筋陶粒混凝土的黏結性能[J].建筑材料學報,2013,16(4):592-598.

HOU Hetao,CHEN Lu,SUN Yanfei,et al.Bond properties of ceramic concrete reinforced by bamboo bar[J].Journal of Building Materials,2013,16(4):592-598.(in Chinese)

[9] 劉斌,郝際平,鐘煒輝,等.噴涂保溫材料冷彎薄壁型鋼組合墻體抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報,2014,35(1):85-92.

LIU Bin,HAO Jiping,ZHONG Weihui,et al.Experimental research on seismic behavior of cold-formed thin-wall steel framing walls with sprayed thermal insulation material[J].Journal of Building Structures,2014,35(1):85-92.(in Chinese)

[10] 楊勇，郭子雄，薛建陽，等.型鋼混凝土粘結滑移性能試驗研究[J].建筑結構學報，2005，26(4)：1-9.

YANG Yong,GUO Zixiong,XUE Jianyang,et al.Experiment study on bond slip behavior between section steel and concrete in SRC structures[J].Journal of Building Structures,2005,26(4):1-9.(in Chinese)

[11] 鄭山鎖，鄧國專，楊勇，等.型鋼混凝土結構粘結滑移性能試驗研究[J].工程力學，2003，20(5)：63-69.

ZHENG Shansuo,DENG Guozhuan,YANG Yong,et al.Experiment study of bond-slip performance between steel and concrete in SRC structures[J].Engineering Mechanics,2003,20(5):63-69.(in Chinese)

[12] 李俊華，薛建陽，王新堂，等.反復荷載下型鋼混凝土柱粘結滑移性能試驗研究[J].工程力學，2009，26(4)：98-104.

LI Junhua,XUE Jianyang,WANG Xintang,et al.Experiment study on bond slip behavior between shape steel and concrete in SRC columns under cyclic reversed loading[J].Engineering Mechanics,2009,26(4):98-104.(in Chinese)

[13] ISO 22157-2004 Bamboo-determination of physical and mechanical properties[S].