竹筋-土坯组合结构的抗压性能试验研究

戴志峰，陈颖辉，欧明喜，后钱峰

（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明650500）

目前钢筋、混凝土在现代建筑行业中作为主要建筑材料，一定程度上促进了社会的发展，但大量的制造钢筋及混凝土不仅造成工业污染，更是消耗人力资源。大量学者为响应中国可持续发展的号召，试探研究更多建筑新型材料［1-2］，以满足中国的发展需求。

竹材作为一种新型材料，受到广泛研究，主要研究范围包括：竹材构造承压性能研究［3］、竹材力学性能改性研究［4］及竹材连接方式与力学性能研究等［5］。然而竹材与其他材料的组合结构研究相对较少，周梦倩等人通过分析竹梁与竹-混凝土组合梁的受弯性能试验研究，发现竹-混凝土组合梁的跨中承弯荷载较竹梁有3.18～3.74倍的提升，刚度提升30%［6］，魏洋、吴刚等［7］研究表明新型FRP-竹-混凝土组合结构相比竹梁结构的极限荷载及挠度极值L／250荷载都有大幅度提高。钢筋混凝土有较高的抗渗、抗冻、抗腐蚀、抗碳化性，然而针对软土地基及高层建筑有着自重过大、导热系数较大及不耐高温等缺点，针对这些不足之处，提出一种新型竹筋-土坯组合结合，以竹筋代替钢筋，以混合土代替混凝土。竹材具有高刚度和高强度，同时相对于钢材，具有低自重、高韧性、绿色环保、施工安装方便及建造周期短等优点，粘土相比混凝土有着成本低、工艺简单及无污染等优点。

试验研究了不同比例含水量及固化剂下土坯的最佳配合比，并进行了竹材顺纹及横纹抗压试验，竹材采用无竹节、单竹节、双竹节与混合土制成竹筋-土坯组合结构与素土坯结构4组试件，分析了在抗压试验下的试件承载力的变化规律，为竹材在实际工程中的应用提供依据。

1 竹筋-粘土组合结构准备

竹材以毛竹为原材料，剖开制成长240mm、宽20 mm、厚10mm的竹筋条，按照竹节划分为无竹节、单竹节和双竹节。抗压强度测定参考工业建筑行业标准《建筑用竹力学性质试验方法》JG／T 199-2007［8］及《竹材物理力学性质试验方法》GB／T 15780-1995［9］，土料主要以粘土及砂土为主，为保证土料的最佳配合比，控制其含水量及掺入水泥、石灰等固化剂，土料研究出最佳配合比与无竹节、单竹节和双竹节分别制成3组竹筋-土坯组合试件，1组无竹筋土坯对比试件，如下图1所示。

图1 竹筋-土坯组合形式Fig.1 Bamboo bar-adobe combination

竹筋-土坯组合试件尺寸为300mm×300mm×300mm，竹筋以5条为一组，编制成一榀，一共编制6榀，每榀间距为40 mm，最外排竹筋埋置土坯内30 mm处。试件准备好，夯实后自然养护成型。

2 试验加载及测试

试验采用器材为万能试验机，型号为UTM-系列微机控制电子万能试验机（5～20顿），如图2所示，以50N／S的速率进行加载，各组试件按照编号进行抗压试验，对各组试件测试数据进行整体，并进行试验分析。

图2 竹筋-土坯组合结构抗压试验Fig.2 Pressure resistance test on the bamboo-adobe composite structure

图3 砂粘土比例1∶2控制不同含水率Fig.3 Displacement of the adobe under various water contentwhen the sand clay ratiowas1∶2

3 试验结果与讨论

3.1 土坯最佳配合比试验

土料为保证最佳配合比，以粘土和砂土为主料，同时控制一定比例含水量及水泥、石灰2种固化剂，组坯形式如表1所示。

表1 砂粘土比例1∶2控制不同含水率Tab.1 Controlling water content at1∶2 sand clay ratio

图3给出了砂土与粘土比例控制1∶2在不同含水率下3组试件在荷载的增加下位移量的变化规律。从图中可知3组试件位移均出现先缓慢增大后急剧增加的规律，当含水率为15%时，试件能承受的极限承载力为26.53 kN，图中a点所示，此时试件的位移量为5 mm，在荷载的进一步增加下，试块开始破坏，位移徒步增加，直至试件完全破裂；含水率为17%时，试件的极限承载力为20.360 5 kN，对应试件的位移量为4.5 mm，即为图中b点处，当荷载超过20.360 5 kN时，试件位移开始显著增加，呈现破坏趋势；同理，含水率为20%时，试件的极限承载力为15.013 2 kN，出现的位移量为5.0 mm，为图中c点所示。分析可知，15%含水率试件的抗压能力较含水率为17%及20%的试件分别提升了23.23%和43.41%，这是由于土的含水量应控制在一定量值，是为最佳含水率，当含水率进一步增加时，土中空隙体积被水填充，降低了土体的粘聚力及内摩擦角［10］，从而导致土体的承载能力下降。

试验中，土体的含水率为15%夯实天然养护后的承载力最高，为优化土体抗压性能，在此基础上掺入一定比例固化剂，即砂土与粘土比例为1∶2时，分别掺入3%、5%、8%的水泥与石灰，分析6组工况下，土坯在荷载作用下的变形规律，试验结果如图4、5示。

图4 不同比例石灰下土坯的荷载-位移图Fig.4 Load-displacement diagram of adobe under different proportions of lime

图5 不同比例水泥下土坯的荷载-位移图Fig.5 Load-displacement diagram of adobe under different proportions of cement

图4、图5给出了含水量为15%及砂土与粘土1∶2在不同比例石灰与水泥的作用下土坯的抗压变形规律，从图中可以看出随着两种固化剂含量的增加，石灰组试件土坯的抗压性能从3%到5%呈增加的趋势，增速较平缓，含量从5%到8%呈递减趋势，相对石灰组试件水泥组试件土坯的抗压性能一直呈增加的趋势，且增速较急剧，这是由于石灰中含有大量Ca2+，Ca2+是一种亲水性离子，遇水将发生化学反应生成Ca（OH）2，而Ca（OH）2具有极强的吸水能力，吸取了土体中的大量水分，降低了土体的力学性能［11］，基于此，此变形规律也得到合理的证实。石灰组试件的极限承载力值如图7中d、e、f3点所示；水泥组试件抗压性能峰值如图5中g、h、i3点所示。不同掺量固化剂及含量比例下土坯能承受的最大荷载值及变形量如表2所示。

表2 固化剂下土坯的抗压峰值及位移量Tab.2 Peak compressive pressure and displacement of adobe under curing agent

根据上表分析可知：两种固化剂含量在5%时，土坯的极限承载力分别为35.501 kN及60.783 kN，位移量为3.5mm和3.785 8 mm，后者的抗压性较前者提升了71.215%，位移量增大了7.5%，两者在5%含量固化剂下进行比较，加入水泥组试件更有优势。在此基础上掺加含量8%的水泥试件抗压性能最好，抗压峰值达到79.785 kN，较水泥掺量5%时增加了31.36%，位移增加10.06%。故土坯-竹筋组合结构采用土料为砂粘土比例为1∶2，含水率15%，固化剂采用含量8%的水泥。

3.2 竹材力学性能试验

将竹材按照无竹节、单竹节、双竹节，分别进行顺纹及横纹抗压试验并分析荷载作用下竹材的位移变形规律，试验结果见图7、8及表3所示。

图6 竹材抗压试验Fig.6 Bamboo pressure resistance test

图7 竹材顺纹荷载-位移图Fig.7 Bamboo load-displacementmap

图8 竹节横纹荷载-位移图Fig.8 Bamboo striated load-displacementmap

表3 竹材抗压试验Tab.3 Bamboo pressure resistance test

通过表3竹材顺纹与横纹多组试件的抗压试验可以得出：按无竹节、单竹节及双竹节分析，竹材顺纹抗压强度较横纹分别提升了23.560、15.612及10.761倍，可见竹材的顺纹抗压性能较横纹抗压性能要优越得多，这是由于竹材纤维方向与竹材顺纹方向一致，很大一部分程度上提高了竹材的抗压性能，而在横纹受压过程中，竹材的薄壁组织细胞的抗压承受能力相对较弱，从而导致竹材在顺纹抗压性能上较横纹有着大幅度的提升［12］。

从表3还可以得出：对于竹材横纹受压，竹节对于竹材的抗压性能有着巨大的影响，以无竹节为参考，单竹节及双竹节的横纹抗压性能提升了51.122%和135.64%，因为竹材横向受压中，竹节能有效的阻碍力的传播，同时有效的消耗大量的断裂能，控制了裂纹的扩展；而对于竹材顺纹抗压而言，竹节对竹材的抗压性能有一定的影响，但总体影响不明显，以无竹节为参考，单竹节及双竹节的顺纹抗压性能提升了4.34%和7.635%，故本组试验将竹材制成筋条并采用无竹节、单竹节及双竹节顺纹布置方式与土坯制成3组竹筋-土坯组合形式。

3.3 竹筋-土坯组合结构力学性能试验

土坯原料采用混合料，按15%的含水率、8%的水泥和1∶2的砂粘土组制而成，分别与顺纹布置的无竹节、单竹节及双竹节竹筋制成竹筋-粘土组合结构，并进行抗压试验，竹筋网及试验数据如下图所示。

从图9、10及表4可知，由于竹筋在土坯中起到骨架的作用，土坯-竹筋组合试件的抗压性能较素土坯结构有显著提升，单竹节-土坯及双竹节-土坯结构的承载力要优于无竹节-土坯组合结构，主要是竹节起到缓冲压力的作用，试件位移量随着荷载的增大而增加，以素土坯极限承载力作为比例对象，无竹节、单竹节及双竹节的承载力分别提升了1.579、1.789 3及1.881 5倍，同时试件极限承载力时所对应的位移量较素土坯也有所增大，从素土坯最大位移量分析可知：几组试件的极限承载力几乎吻合，但此时素土坯试件开始临近破坏，而土坯-竹筋组合结构还远远没有到达极限承载力，表明组合试件能大大利于材料强度的充分利用。

图9 竹筋网的制作Fig.9 Making of bamboo grid

图10 土坯-竹筋组坯荷载-位移图Fig.10 Relationship between load and displacement of bamboo-adobe structure

表4 土坯-竹筋组坯抗压试验Tab.4 Compression test on the adobe-bamboo structure

4 结论

在控制砂土与粘土比例1∶2相同的情况下，含水量为15%的土坯试件的承载力要优于含水量在17%及20%的试件，承载力提升了23.23%和43.41%。

在控制含水量为15%及砂土与粘土1：2的情况下，掺加3%到8%的水泥及石灰，土坯的承载力随固化剂掺量增加均呈上升的趋势，但石灰中含有大量Ca2+遇水发生化学反应生成，吸取了土体中的大量水分，降低了土体的力学性能，试验得出，8%的水泥试件的承载力较8%的石灰试件有2.31倍幅度上升。

竹材顺纹受压的抗压性能大大优于横纹受压，这是由于横纹受压过程中，竹材的薄壁组织细胞的抗压承受能力相对较弱，试验得出二竹节顺纹受压的承载力是横纹受压的1.356倍。随着竹节数的增加竹材顺纹受压的极限承载力有所增大，但不太明显，而对于竹材横纹受压效果显著。

竹材作为土坯骨架结构能大幅度提高材料强度，无竹节、单竹节及双竹节较素土坯的承载力有1.579、1.789 3及1.881 5倍的提升。