工学论文：竹筋陶粒混凝土的黏结性能

   摘要：通过拉拔试验研究了竹筋陶粒混凝土的黏结性能，探讨了陶粒混凝土强度等级、竹筋类型、竹筋黏结长度、竹筋边长和竹筋刻痕间距对竹筋陶粒混凝土黏结强度的影响．结果表明：无刻痕竹筋陶粒混凝土的黏结破坏形式主要为拔出破坏，而带刻痕重组材竹筋陶粒混凝土的黏结破坏形式则是肋间混凝土被剪坏；同等条件下，重组材竹筋陶粒混凝土极限黏结强度高于层积材竹筋陶粒混凝土，但低于塑料筋陶粒混凝土；当竹筋刻痕间距为１５ｍｍ 时，带刻痕重组材竹筋陶粒混凝土的极限黏结强度最高．另外，根据试验结果拟合出了重组材竹筋与陶粒混凝土的锚固长度计算公式，该公式可指导工程应用．
    关键词：竹筋；陶粒混凝土；拉拔试验；黏结性能；锚固长度
   １试验设计１．１试验材料本试验采用的重组材竹筋（ＲＢ筋）和层积材竹筋（ＬＢ筋）为浙江安吉华信竹制品有限公司产品，塑料筋为光圆环氧绝缘棒（Ｐ－１，Ｐ－３）和聚甲醛塑料棒（Ｐ－２）．本试验采用的混凝土轻骨料为页岩陶粒，产自山东淄博，粒径５～８ｍｍ，表 观 密 度 为１　６５０ ｋｇ／ｍ３，堆 积 密 度 为９００ｋｇ／ｍ３，空隙率（体积分数）为４５％．陶粒混凝土设计强度等级为Ｃ３０，Ｃ４０和Ｃ５０．
      １．２试件设计本文主要考察陶粒混凝土强度等级、筋材种类、竹筋边长、竹筋刻痕间距和竹筋黏结长度等因素对竹筋陶粒混凝土黏结性能的影响．拉拔试件明细见表４所示．带刻痕的重组材竹筋如图１所示．养护完成的拉拔试件如图２所示．本文依据ＧＢ　５０１５２-９２《混凝土结构试验方法标准》进行拉拔试验，埋置筋材的陶粒混凝土试块尺寸为１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１５０ｍｍ，筋材与陶粒混凝土的黏结区设置在陶粒混凝土试块的中心．用涂抹了黄油的塑料布包裹筋材与陶粒混凝土试块接触部分的两端，隔离筋材与混凝土试块之间的黏结，从而控制各筋材的黏结长度，并避免试件加载端因荷载较大而造成的混凝土局部挤压破坏．每组拉拔试验均含３个试件，试验结果取平均值．本试验中的滑移值均指自由端的滑移值．
      １．３拉拔试验装置拉拔试验装置如图３所示．将拉拔试件放置在１５ｍｍ厚的承压钢垫板上．承压钢垫板与拉拔仪垫板之间放置穿孔球铰．金属支架跨越试件的筋材自由端，用止动螺丝固定在试件表面上．承压钢垫板、穿孔球铰、拉拔仪垫板的孔必须精确设置在中心位置以保证筋材以直线形式穿过，并使拉力为轴心拉力．
      ２试验结果与分析２．１黏结破坏形式在拉拔试验中发现，大部分无刻痕竹筋陶粒混凝土均发生拔出破坏现象，即陶粒混凝土未劈裂，竹筋未被拔断，而竹筋最终被拔出，如图４所示；带刻痕重组材竹筋陶粒混凝土均发生肋间混凝土被剪坏现象，如图５所示．无刻痕竹筋陶粒混凝土发生拔出破坏现象的原因可能是：试验所用竹筋为家用竹地板切割而成，原材为毛竹，吸水膨胀率较大，与陶粒混凝土的黏结性能较弱；无刻痕竹筋与陶粒混凝土的摩擦力和机械咬合力较小．
      ２．２黏结－滑移曲线特征分析本文拉拔试件典型黏结－滑移曲线如图６（ａ），（ｂ）所示．图６（ａ）中的黏结－滑移曲线可分为４个阶段：（１）微滑移段，即加载之初的曲线直线段．在此阶段，竹筋的滑移量非常小．此阶段主要是竹筋与陶粒混凝土的黏结力承担抗拔作用，而带刻痕重组材竹筋肋与陶粒混凝土间的机械咬合力也一起承担抗拔作用．（２）滑移段．当试件加载至极限荷载的５０％左右时，竹筋滑移量开始逐渐增大，竹筋与陶粒混凝土间的黏结强度持续增加．当试件加载至极限荷载的８５％～９０％时，荷载稍微增加即引起竹筋滑移量大幅增高，曲线呈现明显的非线性状态，同时黏结强度逐渐达到极值．此阶段竹筋与陶粒混凝土间的黏结力退出工作，由摩擦力和机械咬合力承担主要抗拔作用．（３）下降段．当竹筋与陶粒混凝土间的黏结强度达到峰值后，随着滑移量的稳定增长，黏结强度迅速下降．此时黏结界面陶粒混凝土对各种竹筋的握裹力逐渐降低，竹筋与陶粒混凝土间摩擦力随之减小，竹筋肋与陶粒混凝土间的机械咬合作用被破坏．（４）残余段：当竹筋滑移达到一定的限值时，竹筋与陶粒混凝土间的黏结强度不再下降，直至竹筋从陶粒混凝土中被缓慢拔出．图６（ｂ）中的黏结－滑移曲线可分为微滑移、下降和残余３个阶段，其微滑移段（线性段）终点所对应的黏结强度为极限黏结强度的９５％～１００％．
      ２．３黏结－滑移性能影响因素分析２．３．１陶粒混凝土强度等级影响图７为陶粒混凝土强度等级不同时拉拔试件的黏结－滑移曲线．由图７可以发现，陶粒混凝土的强度等级越高，曲线微滑移阶段的斜率越大．Ｒａ－２组试件由于陶粒混凝土强度等级较高，呈现出良好的黏结延性破坏状态，其极限黏结强度比相同滑移量的Ｒａ－１组试件高出２０．５％，比Ｒａ－３组试件高出４６．０％．由此可知，陶粒混凝土强度等级的提高能明显提高重组材竹筋与陶粒混凝土间的黏结性能．图７不同陶粒混凝土强度等级时拉拔试件的黏结－滑移曲线
       ２．３．２筋材种类影响不同筋材拉拔试件的黏结－滑移曲线见图８（ａ）～（ｃ）．由图８（ａ）可知，Ｐ－１塑料筋拉拔试件的极限黏结强度要高于重组材竹筋和层积材竹筋拉拔试件，其黏结－滑移曲线的延性发展也较好；重组材竹筋与陶粒混凝土间的黏结性能优于层积材竹筋与陶粒混凝土间的黏结性能，虽然在微滑移阶段两者曲线斜率接近，但重组材竹筋拉拔试件黏结－滑移曲线经历了极限黏结强度后有明显的下降段和残余段，说明加载后期重组材竹筋与陶粒混凝土间的机械咬合力和摩擦力仍起到不可忽视的作用．层积材竹筋在进入滑移阶段后咬合力就不复存在，只是依靠破碎混凝土粒产生的新摩擦力支持黏结强度．从图８（ｂ）发现，当竹筋边长较小（５ｍｍ）时，重组材竹筋拉拔试件和层积材竹筋拉拔试件的黏结强度及其发展趋势十分接近．可见，虽然Ｐ－２塑料筋拉拔试件的黏结强度较高，但其没有表现出良好的黏结延性，极限破 坏 阶 段 和 下 降 段 不 明 显；当 竹 筋 边 长 为１５ｍｍ时，重组材竹筋拉拔试件的黏结强度较大，其微滑移阶段斜率要明显大于层积材竹筋拉拔试件，下降阶段也比较明显，当采用边长同为１０ｍｍ的层积材竹筋时，拉拔试件黏结强度也随着竹筋黏结长度的增大而减小．拉拔试件黏结应力在竹筋与陶粒混凝土的黏结区域内呈不均匀分布，且主要集中在加载端附近．竹筋黏结长度越大，拉拔试件黏结应力分布越不均匀，越易发生黏结破坏，因此拉拔试件黏结强度随竹筋黏结长度的增加而降低．图９黏结长度不同时拉拔试件的黏结－滑移曲线筋材边长影响竹筋边长不同时拉拔试件的黏结－滑移曲线分别．为了方便阅读起见，图例说明中试件编码后面的括号内标出了竹筋边长．由图１０可见：随着竹筋边长的增加，重组材竹筋和层积材竹筋拉拔试件的黏结强度都降低．这是因为，竹筋边长越大，竹筋刻痕间距影响重组材竹筋刻痕间距不同时拉拔试件的黏结－滑移曲线无刻痕重组材竹筋拉拔试件的极限黏结强度最低，带刻痕重组材竹筋拉拔试件的极限黏结强度则明显提高．但刻痕并非越密越好，刻痕间距为１０ｍｍ的重组材竹筋拉拔试件（Ｒｄ－１）与刻痕间距为１５ｍｍ的重组材竹筋拉拔试件（Ｒｄ－２）相比，优势并不明显，甚至下降段黏结强度的损失更大，残余黏结强度更小．与无刻痕重组材竹筋拉拔试件相比，刻痕间距为１５，２０ｍｍ的重组材竹筋拉拔试件极限黏结强度分别提高了４０％，２０％．因此竹筋刻痕的排布有１个最佳间距范围，过疏或过密都不利于拉拔试件黏结强度的提高．
       3重组材竹筋与陶粒混凝土的锚固长度根据本文有关试验条件，按式（１）计算重组材竹筋与陶粒混凝土锚固长度，即为重组材竹筋与陶粒混凝土锚固长度试验值（ｌａ）：ｌａ＝ａｆｕ／（４τｕ） （１）式中：ａ为正方形重组材竹筋的边长；ｆｕ为重组材竹筋的极限抗拉强度；τｕ为重组材竹筋陶粒混凝土的极限黏结强度．在普通钢筋混凝土中，钢筋与混凝土的锚固长度（ｌｄ，ｓ）可按式（２）计算：ｌｄ，ｓ＝αｆｙｄ／ｆｔ（２）式中：α为锚固钢筋的外形系数；ｆｙ为普通钢筋抗拉强度设计值；ｆｔ为普通混凝土轴心抗拉强度设计值；ｄ为钢筋直径．参照式（２），同时结合本文试验结果，拟合出重组材竹筋与陶粒混凝土锚固长度理论值（ｌｄ）计算公式为：ｌｄ＝０．０５ｆｙ′ｆ′ｔａ２．５（３）式中：ｆｙ′为重组材竹筋抗拉强度设计值；ｆｔ′为陶粒混凝土轴心抗拉强度设计值．由式（３）计算得到重组材竹筋与陶粒混凝土锚固长度理论值，并将其与式（１）计算得到的试验值进行比较，结果见表５．由表５可知，重组材竹筋与陶粒混凝土锚固长度理论值绝大多数大于试验值，偏表５重组材竹筋与陶粒混凝土锚固长度理论值（ｌｄ）与试验值（ｌａ）的比较Ｔａｂｌｅ　５　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ（ｌｄ）ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｖａｌｕｅ（ｌａ）ｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｌｅｎｇｔｈ　ｆｏｒ　ＲＢ　ｂａｒ　ａｎｄ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏｎｃｒｅｔｅＧｒｏｕｐ　 ｌａ／ｍｍ　 ｌｄ／ｍｍｌｄ－ｌａｌａ／％Ｒａ－１　 １４７．０３　 １４０．７９　 ４．２４Ｒａ－２　 １１６．７２　 １２７．７０　 ９．４１Ｒａ－３　 １２２．８７　 １３６．４９　 １３．６２Ｒｃ－１　 ２１．２６　 ２２．５７　 ６．１６Ｒｃ－２　 ２６．２３　 ２６．９０　 ２．５５Ｒｄ－１　 １２８．５５　 １２７．７０ －０．６６Ｒｄ－２　 １１３．８３　 １２４．５０　 ９．３７Ｒｄ－３　 １０８．８０　 １１７．１０　 ７．６３５　　９８建 筑 材 料 学 报 第１６卷于保守；重组材竹筋与陶粒混凝土锚固长度理论值与试验值最大误差为１３．６２％，大部分误差均小于１０％，表明两者吻合较好，因此式（３）可指导工程应用．
      ４结论（１）无刻痕竹筋陶粒混凝土的黏结破坏形式主要为拔出破坏，而带刻痕重组材竹筋陶粒混凝土的黏结破坏形式则是肋间混凝土被剪坏．（２）同等条件下，重组材竹筋陶粒混凝土极限黏结强度高于层积材竹筋陶粒混凝土，但低于塑料筋陶粒混凝土．（３）陶粒混凝土强度等级越高、竹筋黏结长度越短、竹筋边长越小，则竹筋陶粒混凝土极限黏结强度越高；竹筋刻痕间距为１５ｍｍ时，带刻痕重组材竹筋陶粒混凝土极限黏结强度最高．（４）所拟合出的重组材竹筋与陶粒混凝土锚固长度计算公式可指导工程应用．
       参考文献：
　　［１］肖岩，陈国，单波，等．竹结构轻型框架房屋的研究与应用［Ｊ］．