原竹保溫材料界面黏結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究

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

原竹-保溫材料龍骨組合結(jié)構(gòu)是將輕質(zhì)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(qiáng)度，并兼有良好保溫、隔熱及耐火性能，可以在多層結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用[1].在原竹-保溫材料龍骨組合構(gòu)件中，原竹與保溫材料的有效黏結(jié)是二者共同工作的基礎(chǔ)，直接影響構(gòu)件的變形和承載能力.因此，有必要對(duì)原竹-保溫材料界面的黏結(jié)滑移性能進(jìn)行研究.

迄今為止，國內(nèi)外針對(duì)界面的黏結(jié)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(jié)滑移的研究對(duì)原竹-保溫材料界面黏結(jié)滑移性能研究有較大的參考價(jià)值.研究表明，影響型鋼混凝土界面黏結(jié)滑移強(qiáng)度的主要因素有：混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、型鋼的錨固長(zhǎng)度、混凝土受約束程度等.楊勇等[10]對(duì)型鋼混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，提出了平均黏結(jié)應(yīng)力- 加載端滑移本構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型.鄭山鎖等[11]對(duì)型鋼混凝土界面黏結(jié)性能進(jìn)行了拔出試驗(yàn)，提出了型鋼混凝土局部、整體黏結(jié)破壞極限荷載的計(jì)算原理與方法.李俊華等[12]對(duì)軸力和反復(fù)水平荷載作用下型鋼混凝土柱的界面黏結(jié)滑移性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了水平荷載-黏結(jié)滑移滯回曲線、骨架曲線和黏結(jié)應(yīng)力，并提出了黏結(jié)應(yīng)力退化率的計(jì)算公式.但是，有關(guān)原竹-保溫材料界面黏結(jié)滑移的研究鮮有述及.本文設(shè)計(jì)了12個(gè)試件，通過拉拔試驗(yàn)，對(duì)原竹-保溫材料界面的黏結(jié)滑移性能進(jìn)行了研究，給出了界面的破壞模式、破壞機(jī)理，并對(duì)影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度的因素進(jìn)行了研究，以期為原竹-保溫材料龍骨組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

竹材為浙江毛竹，分別依據(jù)JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》和文獻(xiàn)[13]的規(guī)定對(duì)其順紋力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示.

表1 原竹的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of bamboo

輕質(zhì)保溫材料由廣州固保系統(tǒng)建筑材料有限公司提供，依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，彈性模量為1860MPa，抗壓強(qiáng)度為1.61MPa.

本文綜合考慮原竹直徑(d)、原竹埋置長(zhǎng)度(le，mm)、原竹表面形式3種因素(基于構(gòu)造，保溫材料保護(hù)層厚度Ce和強(qiáng)度的影響不予考慮，固定Ce為40mm)設(shè)計(jì)了4組12個(gè)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(shù)見表2.

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

表2 試件參數(shù)Table 2 Parameters of specimens

1.2 加載方案及測(cè)試內(nèi)容

拉拔試驗(yàn)在DDL20電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(見圖2)，試件兩端與加載板對(duì)中.采用程序控制分級(jí)加載，加載速率為3mm/min，每級(jí)持荷時(shí)間為180s，直至原竹被拔出.采用百分表測(cè)量原竹的拔出位移.

圖2 加載裝置Fig.2 Test setup

2 試驗(yàn)結(jié)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(shí)緩慢加載，位移計(jì)無明顯變化.隨著荷載增加，位移計(jì)讀數(shù)不斷增大，當(dāng)荷載達(dá)到最大值時(shí)，位移計(jì)讀數(shù)仍在增大.此后，荷載開始減小，但位移仍在增大，直至達(dá)到最大值.試驗(yàn)結(jié)束，原竹-保溫材料界面有明顯的滑移，與原竹端部黏結(jié)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(jié)強(qiáng)度

由于原竹在埋置深度方向上的界面黏結(jié)應(yīng)力分布不均勻，本文以最大拔出荷載(Nu，N)對(duì)應(yīng)的最大平均界面黏結(jié)應(yīng)力作為試件的界面黏結(jié)強(qiáng)度(τ，MPa)，其值按式(1)計(jì)算，結(jié)果如表3所示.

(1)

表3 界面黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)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(jīng)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(diǎn).當(dāng)原竹與保溫材料之間沒有發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)，荷載由界面黏結(jié)力和機(jī)械咬合力共同承擔(dān)，界面發(fā)生相對(duì)滑移后，荷載由摩擦力承擔(dān).當(dāng)原竹-保溫材料界面黏結(jié)力與機(jī)械咬合力之和大于初始摩擦力時(shí)，界面黏結(jié)破壞，摩擦力不足以平衡荷載，這時(shí)曲線將出現(xiàn)明顯的峰值點(diǎn)及下降段.

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

2.4 界面黏結(jié)破壞機(jī)理

與鋼管和混凝土界面黏結(jié)力相似，原竹-保溫材料界面的黏結(jié)力由化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力、摩擦力3部分組成.原竹-保溫材料的化學(xué)膠結(jié)力是保溫材料結(jié)晶硬化時(shí)在界面上形成的化學(xué)吸附力；機(jī)械咬合力由原竹與保溫材料的擠壓力產(chǎn)生(類似帶肋鋼筋與混凝土的咬合力)，機(jī)械咬合力的大小取決于原竹表面的粗糙程度，當(dāng)原竹表面光滑時(shí)，機(jī)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(shù)及法向壓力的大小成正比，而摩擦系數(shù)與界面的粗糙度有關(guān)，法向壓力由保溫材料對(duì)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(gè)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(xué)膠結(jié)力承擔(dān)主要荷載.

(2)滑移階段(圖5中的AB，A′B′).當(dāng)加載至極限荷載的30%時(shí)，加載端出現(xiàn)滑移，喪失黏結(jié)作用，荷載由原竹與保溫材料之間的機(jī)械咬合力承擔(dān).隨著荷載增加，滑移逐漸向自由端發(fā)展，此時(shí)荷載主要由機(jī)械咬合力和未發(fā)生滑移界面上的化學(xué)膠結(jié)力承擔(dān)，直至達(dá)到極限荷載.

(3)摩擦階段(圖5中的BC，B′C′).荷載達(dá)到極值或拐點(diǎn)后，滑移快速增加，整個(gè)界面發(fā)生滑移，界面黏結(jié)力失效，荷載由摩擦力和殘余機(jī)械咬合力承擔(dān).當(dāng)界面黏結(jié)力與機(jī)械咬合力之和大于摩擦力時(shí)，荷載-滑移曲線出現(xiàn)較明顯的峰值點(diǎn)并呈下降趨勢(shì).

(4)后滑移階段(圖5中的CD，C′D′).當(dāng)滑移達(dá)到一定值時(shí)，荷載下降緩慢，這時(shí)荷載-滑移曲線出現(xiàn)緩降平臺(tái).

3 界面黏結(jié)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(jié)強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度減小.這是由于沿受力方向的界面黏結(jié)強(qiáng)度不均勻，應(yīng)力集中分布在加載端附近.當(dāng)原竹埋置深度超過某一限值時(shí)，界面黏結(jié)應(yīng)力趨于均勻，使界面黏結(jié)強(qiáng)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(shì)，但當(dāng)原竹埋置深度較小(<250mm)時(shí)，其界面黏結(jié)強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度-原竹埋置深度曲線Fig.7 Strength-embedment depth curves

當(dāng)原竹埋置深度為150，250，350mm時(shí)，小直徑原竹試件刻槽后的界面黏結(jié)強(qiáng)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(jié)強(qiáng)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(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著原竹直徑的增加，試件的最大拔出荷載增大，界面黏結(jié)強(qiáng)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(xiàn)象越嚴(yán)重，會(huì)出現(xiàn)較大的空隙，對(duì)界面黏結(jié)性能有較大的影響.

4 提高界面黏結(jié)性能的措施

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

為了提高原竹-保溫材料的黏結(jié)性能，可采取以下措施：(1)對(duì)原竹表面進(jìn)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(jié)構(gòu)中，用保溫材料將原竹全面包裹.

5 結(jié)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(jié)的保溫材料被帶出.

(2)原竹-保溫材料界面的黏結(jié)力由化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)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(gè)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(zhǎng)度越長(zhǎng)、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(jié)強(qiáng)度越大，其中原竹表面粗糙度的影響最大.因此，對(duì)原竹表面進(jìn)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(jié)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(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系與粘結(jié)滑移恢復(fù)力模型[J].土木工程學(xué)報(bào)，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(jié)應(yīng)力和滑移分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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(jié)應(yīng)力的試驗(yàn)研究和理論分析[J].工程力學(xué),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(xué)行為[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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?；炷恋酿そY(jié)性能[J].建筑材料學(xué)報(bào),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(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),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(jié)滑移性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，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(fù)荷載下型鋼混凝土柱粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，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].