混凝土界面因素与阻尼比关系的机理分析

张海捷柯国军黄友珍夏玉英

（1鄂东职业技术学院建筑工程系，湖北 黄冈438000；2.南华大学城市建设学院，湖南 衡阳421001）

1 混凝土阻尼概述

从工程应用的角度上讲，阻尼是描述工程结构如何将广义振动的能量转换成可以耗损的能量的术语，是振动结构能量耗散的各种因素的总称。混凝土是一种弹塑性材料，其基本组成为胶凝材料（如水泥）、水、砂子和石子，另外还常加入适量的掺合料和外加剂，它至少包含7个相，即粗骨料、细骨料、未水化水泥颗粒、水泥凝胶、凝胶孔、毛细管孔和引进的气孔。当混凝土材料受到振动时，内部质点之间，甚至相之间产生摩擦和振动，振动能与内部孔壁发生摩擦等，使振动能被衰减，这些都是混凝土产生阻尼的原因。

混凝土材料是土木工程中的主要材料，良好减振性能（高阻尼）的混凝土，可较好地缓解偶然荷载、风载、海浪、地震等对建筑物引起的危害，可增强建筑结构的可靠性和舒适性[1]，近年来它的研究内容正在发生重大转变，新型高阻尼、高强度混凝土材料的研究是当前功能材料领域的一个热点课题[2，3]。

2 混凝土界面与界面弱化的提出

众所周知，混凝土的物理力学性能及其耐久性主要取决于水泥石、骨料及二者的界面结合性能，而水泥石与骨料之间的界面粘结区域是混凝土的薄弱环节，界面的结合情况对混凝土的性能有着重要影响。1962年，J Lyubimove等人[4]首先在细观级上对界面进行深入研究，提出界面过渡区的概念。他们用显微硬度测试技术发现在靠近骨料表面处，硬度最小，向基体方向移动，硬度逐渐增加，呈梯度变化，到100μm以后达到常数。界面过渡区内从骨料表面到水泥浆本体，孔隙率由大到小、晶体粒子由多到少及择优性逐渐变弱等不利的梯度分布现象的叠加构成了界面薄弱区。可以推断，骨料-水泥界面同样是影响混凝土阻尼性能的重要因素之一，本文现就曾有试验数据的基础上对混凝土界面因素的影响机理做出一定分析。

目前主要界面研究文献主要旨于提高混凝土强度性能和耐久性能，所以改善这一界面的组成、结构与性能，即界面强化，是大量研究文献的研究内容。目前改善界面区微观结构的方法主要有两种[5]：一是掺入矿物掺合料；二是从集料表面入手改变这一薄弱的区域。比如用酸碱溶液对集料表面进行处理，用有机偶合剂或环氧树脂涂抹在集料的表面，用矿渣作为集料。

如果减弱骨料-水泥石界面的粘结强度，混凝土抗压强度将降低，同时增加相之间的摩擦和振动机会，混凝土消耗能量的能力增加，则对提高阻尼性能有利。所以，在不改变普通混凝土的组成成分的条件下，笔者曾通过试验从骨料界面入手，提出界面弱化的思想，以期为配制高阻尼混凝土打下基础，并研究界面粘结强度与阻尼比的关系。

3 不同类型骨料界面对阻尼比的影响机理

3.1 不同抗压强度的骨料界面机理

混凝土内各相之间的振动和摩擦是产生阻尼的主要原因之一，骨料与水泥石之间的界面粘结区域是混凝土的薄弱环节，骨料与水泥石的接触界面越大，之间振动和摩擦的机会越多，混凝土阻尼比就越大。

随着混凝土抗压强度的降低，混凝土试件中的细骨料用量增加，水泥用量减少，所以混凝土的密实度降低，骨料界面的粘结面积增大，在外界激励下，混凝土内产生阻尼的机会增加。试验测试结果[6]证明，混凝土阻尼比值随抗压强度的提高而降低。

3.2 骨料表面特征的影响

界面的粘结强度很大程度上取决于骨料表面的粗糙程度，表面越粗糙，水泥石与骨料在界面的剪切强度越大，同时粘结区面积越大，当骨料从规则的几何体到毫无规则的几何体时，界面粘结强度约提高了3倍[7]。

我们以常见的3种粗骨料：碎石、卵石和轻骨料来分析，其中卵石的表面相对最光滑，且呈惰性，混凝土拌合过程中，骨料表面易形成水膜，阻碍水泥砂浆在骨料表面的附着，所以界面粘结强度相对最小；碎石经过破碎加工，其表面有新鲜的缺陷、扭折和错位以及由于“断健”而存在表面剩余键力，有利于与水泥浆体进行化学反应形成强粘结的界面；而轻骨料粒径相对最小，则总粘结表面积最大，且轻骨料本身多孔，在新拌混凝土中具有吸水和供水作用，吸水作用使得轻集料附近处于局部低水灰比状态，因此减少或避免了集料下部由于内分层作用而形成的“水囊”，避免了界面处Ca(OH)2的富集和定向排列，提高了集料与水泥的界面粘结力，有试验研究发现[44]：普通高强水泥混凝土界面过渡区板状Ca(OH)2晶体量多于水泥石基体，界面区存在Ca(OH)2富集现象，界面区存在较多的裂纹和孔洞；而轻集料混凝土界面区水泥水化产物的组成与基体基本相同，不存在Ca(OH)2晶体富集和定向排列现象，界面区基本没有裂纹，水泥水化产物嵌入轻集料内，形成了水泥与轻集料“嵌套”在一起的整体结构。所以，轻骨料与水泥石的粘结强度较前两种骨料高。界面粘结模型如图2所示。

同样，试验数据[6]证明：在抗压强度相近的条件下，卵石混凝土阻尼比＞碎石混凝土阻尼比＞轻骨料混凝土阻尼比。所以，界面粘结强度对混凝土阻尼比有重要的影响，阻尼比随骨料粘结强度的减小而提高，进一步设想，如果对各骨料的表面进行弱化处理，阻尼比应该提高。

3.3 骨料表面涂油对阻尼比的影响机理

对粗骨料表面进行弱化处理有多种方法，从经济角度出发，可尝试采用在骨料表面涂抹普通机油的方法。对粗骨料涂油，至少产生两个方面的影响：第一，机油包裹骨料表面形成油膜，阻碍了骨料的吸水作用，使骨料表面更容易生成水膜，从而阻碍了骨料与水泥石之间化合作用，使骨料与水泥石之间的化学结合层变薄、变弱；第二，涂油后的骨料表面变光滑，与水泥石的机械啮合力减小。随着界面粘结强度的减小，涂油后混凝土抗压强度下降，骨料与水泥石之间的滑动摩擦和振动增加，提高了混凝土消耗能量的能力。

从试验测得的数据[8]得出，在配合比不变的情况下，对粗骨料（以卵石为例）涂油后，混凝土试件抗压强度下降，而阻尼比明显提高，结果验证，界面弱化后阻尼比提高的理论是正确的。

然而弱化界面导致混凝土力学性能下降，这与提高阻尼比形成一对矛盾，混凝土作为土木工程中承重结构材料，研究混凝土阻尼特性时，必须兼顾其抗压强度和弹性模量等力学性能。试验[6]也曾选取强度相近的混凝土试件做比较，其中粗骨料涂油试件阻尼比略高于普通试件阻尼比，这体现了高阻尼混凝土的一定优势，但还不够理想、明显。所以，如何通过改变骨料界面来配制高阻尼高性能的混凝土，将是混凝土阻尼研究以后的目标，比如对骨料表面进行涂抹环氧树脂、沥青、固化剂、羧基丁苯胶乳等高分子材料。

4 结语

混凝土作为主要的承重结构材料，广泛应用于各种土木工程中，高阻尼混凝土对建筑物的防震减灾，以及降低城市噪声污染和桥梁风振危害等方面有重要意义，另外随着高新技术飞速发展，在航空航天、核技术工程和高精密机床等设备安装方面，建造有良好减振性能的混凝土基础和构件，减少外界干扰的影响，确保安装在混凝土上的仪器设备高精度运行，亦具有极其重要的作用。

高阻尼混凝土材料的研究是从材料的角度出发，通过提高结构材料的阻尼提高结构自身阻尼，达到改善结构物的动力性能的目的，从而有效地抵抗地震等外部冲击。骨料-水泥界面同样是影响混凝土阻尼性能的重要因素之一，当前，从各种角度探寻高阻尼混凝土的研究已悄然兴起，可以相信，这将成为未来混凝土的一个重要发展方向。

[1]Sezan Qrak.Investigation of vibration damping on polymer concrete with polyester resin[J].Cement and concrete research，2000，(30).

[2]张照宇，吴芳.聚合物水泥高性能混凝土的研究[J].苏州城建环保学院学报，1998，11(4)

[3]杨志强，王东.聚合物对混凝土结构和性能影响的研究[J].混凝土与水泥制品，1995，(1).

[4]J.C T Y Lyubimove，E R Pinns.Crystallization Structure in Concrete Contact Zone between aggregate and cement in concrete[J].Colloid T，1962(24).

[5]张勇，丁庆军，于发洲等.轻集料混凝土的界面结构研究[J].混凝土，2002(10).

[6]张海捷.骨料界面弱化处理对混凝土阻尼性能影响的试验与研究[D]南华大学，2007.

[7]杜庆檐.骨料对混凝土强度影响的研究[J].云南建材，1996(4).

[8]柯国军，张海捷，陈振富，杨晓锋，石建军.卵石混凝土阻尼比研究[J].武汉理工大学学报，2007，(10)