基于阻尼增強的梯度結構混凝土的 阻尼特性和界面性能

王信剛， 吳 鏈， 盧 峰

(南昌大學 建筑工程學院， 江西 南昌 330031)

阻尼是反映材料與結構減振性能的重要指標，是衡量控制振動能力的重要手段.混凝土材料與結構的阻尼減振一直是混凝土領域的研究熱點，也是工程界長期關注的焦點.混凝土材料本身阻尼低，且與其強度、剛度等存在不可兼得的矛盾[1-2]，通常情況下提高混凝土材料的阻尼，就會降低其強度和剛度.

國內外關于混凝土材料與結構的阻尼減振研究主要集中在2個方面：一方面是混凝土材料阻尼性能研究, 主要是向混凝土中引入新組分來提高混凝土材料的阻尼性能，比如向混凝土中引入有機聚合物類高阻尼材料，同時引入纖維、硅粉和石墨來對水泥進行改性[3-6]，或者向混凝土中引入橡膠、固體聚合物等顆粒材料，同時采用集料預處理技術對集料進行改性[7-10]；另一方面是混凝土結構阻尼減振研究，目前主要是通過附加阻尼裝置來提高混凝土結構阻尼性能，從而達到減振目的[11].與此同時，采用高阻尼混凝土(high damping concrete, HDC)來提高混凝土結構阻尼性能的研究，基本上都是結構整體采用HDC的思路，而部分或局部采用HDC的研究并不多見[12-14]，對HDC材料在減振結構中的組合問題，特別是HDC組合減振結構一體化方面的研究也是剛剛起步.

本文針對HDC組合減振結構的一體化問題，引入梯度功能設計思路，提出基于阻尼增強的梯度結構混凝土(gradient structural concrete based on damping enhancement， GSCDE)，深入研究基于阻尼增強的梯度結構混凝土的阻尼特性和界面性能.

1 GSCDE設計

基于阻尼增強的梯度結構混凝土，是指引入梯度功能材料設計思路，在結構設計中借鑒約束阻尼結構，分別設置約束層、阻尼層和結構層3個功能層.在材料設計中約束層采用具有高抗裂性和高抗氯離子滲透性的水泥基材料，阻尼層采用通過阻尼增強技術制備的新型高阻尼混凝土，結構層采用高性能混凝土，各功能層之間采用偶聯劑或壓印法進行界面改性處理.上述3個功能層通過材料、結構、功能的統一設計，共同構成基于阻尼增強的梯度結構混凝土[15-16].圖1是基于阻尼增強的梯度結構混凝土示意圖.

圖1 基于阻尼增強的梯度結構混凝土示意圖Fig.1 Schematic of GSCDE

基于阻尼增強的梯度結構混凝土實現了混凝土材料與結構阻尼減振的一體化，體現了混凝土功能/結構一體化的設計思路，解決了高阻尼混凝土組合減振結構的一體化問題.基于阻尼增強的梯度結構混凝土在兼顧阻尼和強度、剛度的同時，也能顯著降低工程造價.

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

為了便于研究基于阻尼增強的梯度結構混凝土的阻尼特性和界面性能，本文采用只設置阻尼層和結構層的簡化模型即自由阻尼結構進行研究，簡化模型中的阻尼層和結構層的厚度比分別設計為1∶2，1∶1和2∶1 這3種，試樣編號分別為D1S2，D1S1和D2S1.同時，為了與單層混凝土進行對比，分別設計了高性能混凝土(high performance concrete， HPC)，HDC 2種對比材料.

水泥為海螺牌P·O 42.5 水泥；粗骨料為2級配碎石，其粒徑分別為5～10mm和15～25mm，針片狀含量(質量分數，本文所涉及的含量、摻量等均為質量分數)為4.1%，含泥量為0.9%；細骨料為天然河砂，細度模數2.6，屬于中砂，含泥量為0.8%，表觀密度2.61g/cm3，泥塊含量0.6%；減水劑為南昌科創建材有限公司生產的聚羧酸類減水劑，減水率≥25%，推薦摻量0.9%～1.2%；石墨粉為天津市登科化學試劑有限公司生產的分析純石墨粉；硅粉為東海縣白塔埠鎮譽文石英制品有限公司生產的高純微硅粉；羧基丁苯乳液為三和盈工業有限公司生產，以丁二烯、苯乙烯和少量羧酸及其他助劑，通過乳液聚合反應生成的共聚物，是1種帶有藍紫色光澤的乳白色水分散體.

2.2 試驗方法

抗壓強度試驗采用YAW-2000計算機控制全自動壓力試驗機，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行，測試抗壓強度時的加載方向平行于界面結合區，試件尺寸為 150mm×150mm×150mm.

阻尼特性試驗采用簡支梁自由振動法(見圖2).用力錘輕敲試樣，振動信號通過安裝在試樣表面的傳感器進入數據收集系統，再對信號進行濾波處理，最后用軟件測試振動信號的對數衰減率來評估其阻尼特性，試件尺寸為100mm×100mm×400mm.

圖2 簡支梁自由振動法阻尼測試示意圖Fig.2 Sketch of damped test for free vibration of simply supported beam

顯微硬度試驗采用上海尚光顯微鏡有限公司生產的 HXS-1000 A 型數字式智能顯微硬度計，分別測試高性能混凝土、高阻尼混凝土中界面過渡區的維氏硬度和基于阻尼增強的梯度結構混凝土中阻尼層-結構層的界面結合區的維氏硬度.試驗采用維氏(HV)壓頭，鏡頭放大倍數為100，400，分辨率為0.03μm，測試載荷為98mN，保載時間為10s.

微觀形貌試驗采用FEI公司Quanta 200 F型環境掃描電子顯微鏡(ESEM)，分別觀測高性能混凝土、高阻尼混凝土中水泥石與集料界面過渡區和基于阻尼增強的梯度結構混凝土中阻尼層-結構層的界面結合區的微觀形貌，ESEM加速電壓為 10 kV，工作距離(WD)為11.7mm.

3 結果與分析

3.1 阻尼特性

表1為采用自由振動法對HPC，HDC和3組不同阻尼層厚度比例的GSCDE試件進行4次測試，然后取平均值得出的阻尼比結果.

表1 阻尼比測試結果

從表1中可以看出：HDC與HPC的阻尼比平均值分別為4.70%和3.62%，HDC阻尼比平均值相比HPC增加了29.8%；D1S2，D1S1，D2S1阻尼比平均值分別為3.96%，4.21%和4.41%，相比HPC分別增加了9.4%，16.3%和21.8%，且阻尼比隨著阻尼層厚度比例的增加而遞增；相比HDC分別減少了15.7%，10.4%和6.2%.

綜上分析可知，GSCDE的阻尼比隨著阻尼層厚度比例的增加呈遞增趨勢，GSCDE的阻尼性能相比HPC有明顯增強，已達到高阻尼的標準.

3.2 抗壓強度

表2為HPC，HDC和3組不同阻尼層厚度比例的GSCDE立方體試件7，28d抗壓強度.

表2 抗壓強度結果

從表2中可以看出：HDC試件7，28d抗壓強度值分別為40.7，53.8MPa，相比HPC試件7，28d 抗壓強度值分別下降了18.4%和13.5%.D1S2試件7，28d抗壓強度值分別為47.7，58.7 MPa，相比HPC試件7，28d抗壓強度值分別減少了4.4%和5.6%，相比HDC試件7，28d抗壓強度值分別增加了17.2%和9.1%；D1S1試件7，28d抗壓強度值分別為45.9，57.6MPa，相比HPC試件7，28d抗壓強度值分別減少了8.0%和7.4%，相比HDC試件7，28d抗壓強度值分別增加了12.8%、7.1%；D2S1試件7，28d抗壓強度值分別為43.3，55.4MPa，相比HPC試件7，28d抗壓強度值分別減少了15.4%和10.9%，相比HDC試件7，28d抗壓強度值分別增加了6.4%和3.0%；GSCDE的抗壓強度隨阻尼層厚度比例的增加而遞減.

圖3為3種阻尼層厚度比例的GSCDE立方體試件破壞斷面形貌.

圖3 GSCDE立方體試件的破壞斷面形貌Fig.3 Damaged appearance of cube specimens in different thickness ratios of damping layer of GSCDE

從圖3中可以看出：圖3(a)中試件的阻尼層、結構層及界面結合區均發生了明顯破壞，阻尼層和結構層已從界面處斷開；圖3(b)中試件的阻尼層與結構層均未發生明顯破壞，界面結合區只出現了1條輕微裂縫；圖3(c)中試件的阻尼層、結構層及界面結合區均未發生明顯破壞.

綜上分析可知，GSCDE立方體抗壓強度介于HDC和HCP之間，其強度值隨阻尼層厚度比例的增加而降低；標準養護28d后的GSCDE試件抗壓強度均在55.0MPa以上，相比HPC試件抗壓強度沒有下降太多，基本上處于同一水平；隨著阻尼層厚度比例的增加，GSCDE試件發生破壞時對試件阻尼層、結構層及界面結合區的損傷程度得到改善.阻尼層厚度比例較高的GSCDE試件不僅具有較高的強度，同時其阻尼性能得到大幅度提升，實現了GSCDE同時具備高強度和高阻尼性能的目標.

3.3 界面顯微硬度

采用標準養護28d后的試件測試其界面顯微硬度.圖4為HPC和HDC的水泥石與集料界面過渡區顯微硬度，以水泥石與集料界面為測試零點，往漿體方向測試其顯微硬度.圖5為GSCDE試件界面結合區顯微硬度，阻尼層與結構層的界面在0μm處，左側為阻尼層，右側為結構層.

從圖4中可以看出：HPC和HDC的顯微硬度值隨距離的增加均呈先降后升的趨勢，并在10μm處取得最小值，分別約為300，200MPa；HDC的顯微硬度變化趨勢相對于HPC更為平緩.在 10～200μm，HPC顯微硬度值介于300～400MPa，HDC顯微硬度值介于200～300MPa，在相同位置處，HPC的顯微硬度值均比HDC的顯微硬度值高約100MPa.

從圖5中可以看出：從阻尼層到結構層，顯微硬度值基本呈遞增趨勢，且阻尼層的顯微硬度值相對結構層變化得更為平緩.在-160～-80μm區間內，顯微硬度基本未發生變化，其值在270MPa左右波動；在-80～120μm，顯微硬度值呈線性遞增，并在 120μm 處取得最大值 403MPa；在120～160μm，顯微硬度值呈緩慢下降趨勢.

圖4 水泥石與集料界面過渡區顯微硬度Fig.4 Microhardness of interface transition zone between cement paste and aggregate

圖5 GSCDE試件界面結合區顯微硬度Fig.5 Microhardness of interface bonding zone of GSCDE

綜上分析可知，HPC的水泥石與集料界面過渡區的顯微硬度高于HDC，說明HDC的材質比HPC的材質更為均勻，水泥漿體與集料的結合性能更好.從阻尼層至結構層，GSCDE的顯微硬度值呈逐漸增加的趨勢，在界面結合區附近變化平緩，說明阻尼層和結構層之間的界面結合區結合情況良好[17].

3.4 界面區微觀形貌

圖6為GSCDE界面結合區在ESEM下放大 3000，6000和12000倍的微觀形貌，圖中右上方為阻尼層，左下方為結構層.

圖6 GSCDE界面結合區ESEM照片Fig.6 ESEM photos of interface bonding zone of GSCDE

從圖6中可以看出：GSCDE中阻尼層和結構層均比較致密，但在阻尼層與結構層之間具有較為明顯的結合區域或結合界限，即界面結合區.在界面結合區中，阻尼層和結構層緊密地結合在一起，阻尼層與結構層通過界面相互滲透，形成致密、均勻、穩定的整體.GSCDE中界面結合區的結合情況良好，有利于提高GSCDE的力學性能和阻尼特性.

4 結論

(1)引入梯度功能材料設計思路，制備了基于阻尼增強的梯度結構混凝土(GSCDE).與單層高性能混凝土(HPC)或單層高阻尼混凝土(HDC)相比，GSCDE能兼顧阻尼和強度，解決了高阻尼混凝土組合減振結構的一體化問題.

(2)隨著GSCDE阻尼層厚度比例的增加，其阻尼比隨之遞增，抗壓強度則遞減，立方體試件破壞時外觀的損傷程度得到改善.GSCDE阻尼比達到3.96%以上,抗壓強度達到55.0MPa以上.

(3)GSCDE阻尼層和結構層之間的界面顯微硬度從阻尼層到結構層均勻遞增，界面微觀形貌中2種混凝土相互滲透形成致密、均勻、穩定的整體.GSCDE中界面結合區的結合情況良好，有利于提高GSCDE的力學性能和阻尼特性.