GFRP筋与混凝土粘结性能试验研究-中国玻璃钢综合信息网 新闻中心
李昱澄+张晓港
摘 要：本文侧重于以较为成熟的钢筋混凝土粘接性能测试为基础的实验设计和现场实验，并根据实验结果进行分析总结，旨在通过对比五种不同竹材处理形式的试验，探究出一些有利于提高竹筋混凝土中竹材与混凝土粘结力的方法和措施，使得竹筋混凝土在适当工程场合中的推广成为可能。
关键词：竹筋混凝土；粘结性能；对比实验
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.085
1 前言
1.1 竹筋混凝土的应用前景
竹材自重轻，强度大，富有弹性，加工容易，而且资源丰富，价亦较廉。竹材也是我国的特产，产量很丰富，它的抗拉强度高，可以代替钢筋混凝土中的钢筋，为国家节约大量钢材。如今环保理念日渐引起人们重视，若可以通过提高竹筋混凝土竹子与混凝土粘结性能来改善竹筋混凝土的性能，将有利于竹筋混凝土应用到更多特定的工程实践中，符合环保和可持续发展的理念。实践证明，在工程建设中适当应用竹筋混凝土是可行的。
众所周知，钢筋在生产过程中的“三废排放”会造成环境污染和生态破坏。如今，环境污染问题日益严重，随着人们环保意识的不断加强，工程建设中也越来越注重环保材料的使用。我国盛产竹材，因此竹子作为一种性质优良又经济易取的环保型材料自然而然地重新吸引了人们的眼球，使得竹筋混凝土在适当工程场合中的推广重新出现了曙光。
1.2 粘结的意义
目前，关于竹筋混凝土中竹材与混凝土的粘结性能研究非常少，因此我们希望能够通过实践探究得出一些有益于提高竹筋与混凝土粘结力的办法，使得竹筋混凝土在适当工程场合中的推广成为可能。
2 实验设计
2.1 实验目的
本实验希望通过从处理竹筋不同方式的角度出发，研究其对竹筋与混凝土之间粘结性能的影响。本实验借鉴钢筋与混凝土间粘结性能的研究，旨在比较经过处理的竹筋相对于对照组其粘结性能的提高率，以找出相对经济可靠的方法运用于工程实践当中。
2.2 实验思路
为了实现既定的实验目的，实验人员先对购买得到的竹材进行分组处理，得到无竹节、有竹节、刻槽、穿钉和粘沙五个对照组，然后对用着五组竹筋做好的竹筋混凝土试块进行拉拔试验，得到每组的力-变形曲线图以及破坏形式，并通过测算破坏荷载得到每组对混凝土强度的提高。最后分析数据和破坏原因，找出最高效提高竹筋混凝土粘结性的竹筋处理方法，得出结论。
2.3 材料选择
根据实验目的，本实验可取通常使用的C30混凝土和较为优质的竹材。据统计结果，较优的竹筋抗拉强度可达钢筋强度的80%，其中取在中国栽培悠久、面积最广的毛竹为本实验的竹材在经济上更可行。
2.4 设计思路
为了量测粘结应力与相对滑移长度之间的关系，目前主要发展了三种试验方法，即：拉拔试验（也称作拔出试验）、梁式试验和轴拉试验。由于拉拔试验具有试件制作简单、成本低、试验易于进行等特点，应用得比较广泛。早期钢筋混凝土结构中，一般简单地进行拉拔试验确定临界锚长，供设计者参考。
在拉拔试验的基础上，稍加改进可以模拟许多不同的粘结锚固状态。本实验为了探索不同处理竹筋方式对竹筋与混凝土之间的粘结性能的影响，故设计五种相对常见的竹筋，平行的对比实验就在这些试件的基础上进行。五种处理竹筋的方法分别为：无竹节、有竹节、刻槽、穿钉和粘砂。
3 实验试件和过程
本文的初步实验先制作两个模型，在试件的一端伸入钢筋，一端伸入竹子，但是由于混凝土的抗拉能力太差，结果是混凝土直接被拉断而竹子还没有被拉出来。
由于试件截面太小，没有办法做钢筋笼提高混凝土的抗拉能力，所以本实验借助辅助工具——铁套筒。根据实验的特点、具体的实验方法、万能试验机的夹具大小和试块的尺寸，设计出如图1所示的铁套筒，尺寸为310mm x110mm x 110mm。
對拉拔试验做适当的改动，铁套筒的“铁柄”用试验机的下部夹具夹住，上部夹具夹住竹筋，进行拉拔试验。
试块截面为100mm x100mm x 300mm。筋材置于试件中心，混凝土统一采用C30（常规配比），试件比例全一样。其中，第四组销钉采用，胶水粘牢，位于竹片截面中心。
本实验通过万能试验机进行拉拔试验，按要求的加荷速度进行加荷试验。
力-位移曲线有明显下降或试件无法继续加载时，停止试验，收集荷载、位移信息。
4 实验结果及分析
实验结果：
将所采集的信息录入到计算机控制中心绘出力-滑移曲线，得到的曲线如图2～5所示。
（1）实验曲线及破坏形式。竹筋混凝土粘结力主要有化学粘结力、摩擦力、机械咬合力三大部分组成，这与钢筋混凝土之间的作用类似。
根据前人的研究，应力-滑移曲线可以分为四个过程，即接触段、强度上升段、强度回升段、强度稳定段。
①无竹节。图2中曲线分为：接触段、强度上升段、强度下降段和强度残余段这四个过程。粘结强度在达到峰值后急剧下降，然后慢慢过渡到残余段。在达到粘结强度峰值的瞬间试件出现裂缝，竹筋混凝土的承载力急剧下降，此时粘结效果由部分摩擦力和机械力共同发挥作用。
无竹节试验组中的竹材表面不做处理，考虑竹材表面较为光滑，因此可忽略机械摩擦的影响，认为竹材与混凝土之间主要通过粘结力传递荷载，因此随着荷载的增加，粘结面逐渐破坏，竹材呈拉出破坏。
②带竹节。图3中曲线接触段和强度上升段较长，强度上升较为缓慢，在达到峰值之后竹筋破坏，粘结强度急剧下降，进入强度下降段。由于是竹筋破坏而不是混凝土试件破坏，这种情况下承受的载荷大，而且强度上升慢，是较为理想的状况。
带竹节试验组滑移量相对较小，破坏后竹材并未被拔出，敲开混凝土试件发现其破坏形式为竹节附近竹板被拉断。
竹节的存在使得竹筋混凝土中竹材与混凝土之间除了粘结作用之外还存在竹节与混凝土的机械咬合作用，使得受荷过程竹材的滑移发展受到限制，从而大大提高了其粘结性能。故应充分发挥竹节在改善竹材粘结性能上的优势，材料制作时应保留竹节。
③刻槽。图4中曲线相比图2中曲线，强度上升急且强度下降较缓。由于处理的时候没有保留竹节，曲线图和无竹节类似，但是强度下降缓慢，原因在于刻槽增强的粘结能力，起到了一定的缓冲作用。这种情况优于无竹节情况。
刻槽试验组破坏时亦产生较大滑移，但由于槽口的影响，其滑移发展相对较缓于无竹节组，破坏后竹材槽口有明显的局部压损。
同竹节的影响相似，槽口的存在产生了一个较强的机械咬合作用，改善了粘结性能。但由于槽口间距相比于竹节较小，因此混凝土的局部承压和局部受拉撕裂问题相对明显；同时，槽口侧壁的局部压损也伴随而生。这就要求设计过程中应适当使用高标号混凝土，且槽口距离不宜过密。
④穿钉。图5中曲线由强度上升段平稳过渡到稳定段，化学胶合力释放较为缓慢；强度稳定段，曲线基本呈水平或略下降的状态，主要由摩擦力和部分机械力组成。
穿钉试验组破坏后破坏模式有两种，一种为销钉的弯曲破坏，另一种为主材的剪切破坏。同时，混凝土试件呈劈裂破坏。
穿钉法虽然通过销钉增加了竹材与混凝土的机械咬合作用，但却存在两方面问题：一是由于纤维材料顺纹抗剪强度较差，因此很可能导致刮出式破坏；二是当销钉强度不足时，容易造成销钉的受弯破坏。故设计时应匹配竹材强度选择一定刚度的销钉，才能在改善竹材粘结性能的同时使得材料得到充分利用。
⑤粘沙。粘沙试验组破坏形式与无竹节试验组类似。主要为竹材的拉出破坏。
粘沙法的原理是增加竹材表面的粗糙度，使得竹材表面通过表面砂层与混凝土更好的粘结从而达到改善粘结性能的目的，但试验发现此方法效果并不明显。其主要原因可能有两点：其一，胶结面抗剪强度低，无法保证表面砂层与竹材形成一个共同工作材料体；其二，粘结强度能保证，但表层粘沙对竹材表面粗糙度的提高遠不如理想中的好。
（2）实验结果如表1所示。
由于本文旨在探究提高竹筋混凝土中主材与混凝土粘结性能的方法，因此将无竹节组作为基本试验组。带竹节试验组作为验证组，其余3组作为对照组。对比基本试验组，可发现不同其余四组破坏时峰值荷载分别提高52.1%、24.8%、20.7%、4.7%。
5 结论及展望
5.1 结论
（1）刻槽、穿钉和粘沙都能不同程度改善竹材的粘结性能。刻槽法工艺简单，效果明显，细化槽口设计后很可能是一种改善粘结性能的好方法。（2）竹筋混凝土中竹材的强度足以满足力学条件，但竹材与混凝土的粘结性能并不好，粘结滑移量较大，粘结问题是竹筋混凝土的主要问题。竹材与混凝土的粘结破坏带有脆性破坏性质，具有突发性。竹筋混凝土中竹节破坏一般后于粘结破坏，竹节边缘的竹板强度则是薄弱环节，但竹节的存在对于提高竹材的粘结性能明显有利。
5.2 进一步工作展望
（1）本文只是通过试验来探究改善竹材与混凝土间粘结性能的方法，并没有进行有限元建模分析。深入探究主材与混凝土的粘结机理，进行有限元分析是进一步研究的方向。（2）通过控制变量法进行试验设计完成了本文的试验探究，但影响粘结强度的因素有很多。如何进行多因素影响下的粘结试验， 如考虑环境温度变化和重复荷载共同作用下粘结的退化，混凝土强度、竹筋的长度宽度对于两者粘结的影响，以及不同种类竹材性能不同导致竹筋混凝土性能的变化等问题，还需进一步研究。
参考文献：
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[3]周健.竹筋陶粒混凝土粘结滑移性研究[J].山东大学，2015.
作者简介：李昱澄（1996-），女，江苏人，本科，主要研究方向：轨道交通。
