戚明军 陈 元* 靳 龙 张 正
(1．陕西省建筑设计研究院有限责任公司，陕西西安 710003; 2．中建三局西北公司，陕西西安 710065;3．西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710600)
1 概述
钢筋混凝土自被莫尼尔发现以来走过了将近50年的历史［1］，由于混凝土和钢筋材料性能的不断改进，目前已经广泛应用于工业和民用建筑、桥梁、隧道等土木工程领域。竹筋土钉作为岩土工程一种新型材料，因竹筋抗拉强度大［2］和收缩性小，在岩土工程支护过程中能够充分发挥其自承能力，相比于钢筋耐水性强等优点，逐渐被工程界所关注［3］。竹子在我国分布比较广泛［4］，在南方传统建筑中常常可见。竹筋如作为土钉进行岩土工程支护，除了自身有较好的性能外，还需要竹筋与混凝土之间有较强的粘结强度，能够承受竹筋和混凝土的相对变形或滑移时在各自界面上产生的作用力。竹筋性能与钢筋非常相似，但是竹筋表面相对钢筋较为光滑，同时，竹筋由于其中间为空心结构，使得传统测试钢筋混凝土粘结强度的方法在竹筋混凝土中并不适用，国内外对竹筋混凝土粘结强度试验的研究也尚属一片空白。以此为背景，本文结合竹筋自身的特性，对传统方法进行改进，通过试验得出竹筋混凝土粘结强度，证明竹筋作为土钉的可行性，对今后专家和学者的进一步研究有重要的参考价值。
2 竹筋混凝土的粘结强度
竹筋和混凝土之所以能够共同工作［5］，是因为两者之间存在有粘结强度，这种强度沿轴线方向的分力称为粘结应力。粘结应力使竹筋的端部与混凝土有可靠的锚固，从而保证了在荷载的作用下共同变形。竹筋与混凝土粘结力是由两部分组成:1)混凝土收缩将竹筋紧紧握固而产生的摩擦力;2)由竹筋节间凹凸不平的混凝土之间产生的机械咬合力。粘结力使竹筋的端部与混凝土有可靠的锚固，从而保证了在荷载的作用下共同变形。带节间较多的竹筋的粘结强度相对比带节间较少的竹筋大，所以在选择竹筋混凝土的时候尽量选择带节间较多的竹子。
由材料的物理力学性能我们知道，竹筋和混凝土具有不同的性质。竹筋具有很强的抗拉强度，混凝土则具有很高的抗压强度，其抗拉强度仅是抗压强度的1/5左右，是一种脆性材料［7］。竹筋和混凝土的密切结合，充分发挥了各自的受力特点，共同作为整体承受外力。适当的混凝土保护层厚度，可以有效的保证竹筋与水泥混凝土共同作用，避免竹筋遭受外界空气中酸碱等有害物质的侵犯，使构件长期有效的处于正常的受力状态，还可以保证混凝土构件的外观质量。
3 竹筋混凝土的粘结强度试验
竹筋混凝土粘结强度的试验［8，9］通过实验与传统的钢筋混凝土粘结试验相类似，都是利用液压穿心千斤顶对竹筋混凝土时间提供拉力，将嵌固在混凝土中的竹筋拉出来，达到破坏的状态，此时的拉拔力就是竹筋混凝土粘结力，通过转换得到竹筋混凝土粘结强度 P［10］:
其中，Fmax为最大液压表压力读数，kN，利用液压千斤顶压力表可以直接读出;l为竹筋嵌固深度，mm，通过钢尺直接测量;D为竹筋的外径，mm，利用螺旋测微计测出。
为了更好的发挥竹筋的粘结强度，试验同时采用了竹筋与碳纤维丝粘结的技术，与竹筋进行比较和对照，按水泥∶细砂∶石子体积比为 1∶2∶4，1∶3∶5，1∶3∶6 和 1∶4∶0 调配，注入适当的水，制成长宽高分别为500 mm，500 mm，250 mm的混凝土试块4个，编号分别为A，B，C，D;制作竹筋混凝土试块。选择截面尺寸适宜，均匀笔直的竹子，锯成35 cm长的试件8根，每个混凝土制作时插入两根竹筋试件，其中左边未粘结碳纤维丝的竹筋，以“－1”表示，右边粘结碳纤维丝的竹筋，以“－2”表示。8根竹筋试件的编号分别为 A-1，A-2，B-1，B-2，C-1，C-2，D-1，D-2。
竹筋属于天然植物材料，虽然其抗拉强度比较大，但是其表面光滑，中间空心，使得利用传统方法测试竹筋混凝土粘结强度时无法与夹具咬合，因此为了达到试验的目的，必须对传统方法做以下改进:
1)在竹筋上端套直径为110的钢管，填充混凝土，混凝土与下部混凝土相同，为了使上下混凝土分开，中间垫一小块木板。2)在钢管上焊接边长为12 cm的正方形钢板，在钢板中部焊接φ20，长度为50 cm的钢筋，如图1所示。
图1 制作好后的竹筋混凝土试件
待混凝土达到其终凝强度时，利用回弹仪测定混凝土抗压强度，选择合适的夹具，安装液压空心千斤顶、百分表，行试验。当压力加载到最大值时，读出压力表读数和百分表读数，记录试验数据。
通过试验，将所得的试验数据整理成应力—应变曲线，见图2。
通过试验数据求出竹筋混凝土粘结强度，可以得出:
1)通过压力表读数，并转化为竹筋混凝土的粘结强度，A-1，B-1，C-1，D-1 的粘结强度大小分别为 639．04 kPa，559．06 kPa，589．08 kPa，666．27 kPa。A-2，B-2，C-2，D-2 的粘结强度大小分别为 757．93 kPa，803．72 kPa，758．65 kPa，809．84 kPa，可得竹筋混凝土粘结强度的大小与混凝土试块抗压强度有关，且混凝土抗压强度越大，竹筋混凝土粘结强度越大;
图2 竹筋混凝土试块粘结应力—应变曲线
2)竹筋混凝土粘结强度与碳纤维丝粘结有关系，在相同情况下有碳纤维丝的竹筋混凝土的抗拉强度比无碳纤维丝竹筋混凝土粘结强度大20%左右;
3)根据实验数据处理，可以看出竹筋混凝土的粘结强度通常在500 kPa～900 kPa之间，相比钢筋混凝土粘结强度，钢筋混凝土强度在1．0 MPa～5．0 MPa，只为钢筋混凝土粘结强度的1/5～1/2。
4 结语
本文对传统测试粘结强度方法进行改进，通过竹筋材料特性分析和试验数据处理，得到:1)竹筋竹子质量非常轻，但质地却非常坚硬，竹子收缩量非常小，而弹性和韧性却很高，在工程界已有悠久的历史。竹筋和混凝土之所以能够共同工作，是因为两者之间存在有粘结强度，能够承受竹筋和混凝土的相对变形或滑移在界面上产生的作用力，从而保证了在荷载的作用下竹筋与混凝土共同变形;2)竹筋如若作为土钉，必须要求竹筋与混凝土之间有较强的粘结强度，但是传统测试粘结强度的方法不适用于竹筋，为了得到比较良好的试验数据，必须对试验进行改进，本文就着重介绍改进后的试验方法，通过试验数据测得竹筋混凝土粘结强度，并分析此方法的可行性;3)竹筋混凝土粘结强度同样也受很多因素的影响，如外界温度、竹筋材料特性、混凝土强度等级、混凝土保护层厚度和竹筋间距、竹筋外部包裹的材料等。
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