涂层与刻槽协同作用对竹筋混凝土力学性能的影响机制研究

针对传统混凝土脆性大、抗拉强度低及钢筋碳足迹高等问题，研究人员通过硼酸处理+水密封剂涂层与矩形刻槽协同改性竹筋，系统评估了其对混凝土压缩/弯曲性能的影响。结果显示：刻槽涂层竹筋使弯曲韧性提升222%，弹性模量提高67.44%，压缩韧性达179.09 MJ，为可持续建筑提供了兼具高韧性(1161.85 kJ)与抗震性能的绿色解决方案。

　　

随着全球城市化进程加速，传统混凝土材料的局限性日益凸显——其固有的脆性特征、不足的抗拉强度，以及水泥生产过程中的高碳排放问题，严重制约了现代建筑的可持续发展。更令人担忧的是，在发展中国家，高昂的钢材成本使得约23亿人口难以获得安全的住房条件。这一背景下，具有"植物钢材"美誉的竹子因其卓越的力学性能（抗拉强度可达350 MPa）和快速再生特性（每日生长量达1米），成为替代钢筋的理想候选材料。然而，竹材与混凝土的"貌合神离"问题始终未能有效解决：高达25%的吸水率导致界面粘结强度不足，未经处理的竹筋混凝土往往在荷载作用下发生灾难性的脆性破坏。

针对这一重大挑战，来自国内的研究团队在《Hybrid Advances》发表了创新性研究成果。该研究首次系统评估了表面涂层与机械刻槽的协同处理对竹筋混凝土力学性能的影响机制。通过硼酸防腐处理结合水密封剂三层涂覆，配合矩形刻槽的机械互锁设计，成功实现了界面粘结强度与能量吸收能力的双重突破。尤为引人注目的是，这种"仿生装甲"式的协同处理使竹筋混凝土的弯曲韧性较素混凝土提升222%，创造了天然纤维增强混凝土的新纪录。

研究采用多尺度实验方法体系：首先对Bambusa balcooa竹材进行标准化加工（160 mm×30 mm×4 mm），通过6%硼酸浸泡72小时实现防腐处理；随后采用1:1稀释的水密封剂进行三层涂覆；创新性地使用钢锯在竹条表面加工矩形刻槽以增强机械咬合作用。采用ASTM C39和C293标准分别测试压缩与弯曲性能，借助Shimadzu UTM（万能试验机）以0.5 mm/min速率加载，通过Trapezium软件实时记录载荷-位移曲线。统计处理采用SPSS v28进行ANOVA方差分析（α=0.05），并计算效应量η²验证处理显著性。

在压缩性能方面，研究揭示了有趣的"此消彼长"现象：未处理竹筋（T2）使混凝土抗压强度提升40%达11.57 MPa，但涂层处理（T3）会因弱界面区形成导致强度降低16.08%。而刻槽与涂层的协同作用（T5）展现出最佳平衡——压缩韧性达179.09 MJ，较素混凝土（T1）提升124%，载荷-位移曲线呈现独特的"双峰"特征，表明刻槽引发的多级破坏过程能有效吸收能量。

弯曲性能测试结果更为惊人：刻槽涂层竹筋（T5）的弯曲强度（4.84 MPa）和弹性模量（0.72 GPa）分别比素混凝土高64%和167%，其1161.85 kJ的弯曲韧性值甚至超过某些钢纤维混凝土。通过高清摄像记录的破坏过程显示，刻槽产生的"锚固效应"使裂纹扩展路径发生显著偏转，涂层则通过抑制界面脱粘维持了后裂化阶段的载荷传递。

统计建模证实各处理组的性能差异具有高度显著性（p<0.001）：对于弯曲韧性，η²=0.96的极大效应量证实刻槽处理解释96%的变异；涂层在刻槽基础上仍能使弯曲强度再提升9.25%（p=0.012）。这种"1+1>2"的协同效应源于涂层降低竹材吸水率（约20%）的同时，刻槽增加约35%的接触表面积，共同优化了应力传递效率。

该研究为竹材在结构工程中的应用提供了突破性解决方案：通过简单的"刻槽+涂层"工艺，使竹筋混凝土的韧性指标达到抗震规范（ACI 318-19）要求，其渐进式破坏模式特别适合地震多发区的低层建筑。从全生命周期评估角度看，这种生物基复合材料较传统钢筋混凝土可减少83%的隐含碳，每平方米墙体节省钢材约40 kg。研究团队建议未来重点探索三个方向：刻槽几何参数的优化设计、加速老化条件下的长期性能验证，以及基于数字图像相关技术（DIC）的界面损伤演化研究。这项成果不仅为发展中国家的经济适用房建设提供了技术路径，更为全球建筑业的碳中和目标贡献了创新思路。