再生混凝土材料阻尼性能研究

梁超锋，刘铁军，邹笃建，杨秋伟，冯 丽

(1.绍兴文理学院 土木工程系，浙江 绍兴 312000;2.哈尔滨工业大学 深圳研究生院，深圳 518055;3.清华大学 深圳研究生院，深圳 518055)

废弃混凝土经破碎、清洗及筛分分级并按一定配比可得再生骨料，作为部分或全部骨料可配制再生混凝土，掺加粉煤灰、矿渣、硅粉、聚丙烯纤维等可改善其工作、强度、耐久等性能。废弃混凝土的循环再利用，可解决填埋处理问题，缓解天然骨料日益匮乏及大量砂石开采对生态环境的破坏，且绿色、经济、环保。再生混凝土技术已成为国内外研究热点之一。

对再生骨料的生产工艺及其强化与再生混凝土基本物理力学性能、耐久性、基本构件受力等，已有大量试验研究［1-6］。而阻尼作为材料重要的性能指标之一，对结构动力响应及损伤与破坏有重要影响，但研究再生混凝土阻尼性能的文献较少见。混凝土作为复合型材料，离散性大，振动阻尼耗能机理复杂，影响因素众多，主要包括:骨料强度和粒径、纵筋的配筋率、配箍率、混凝土强度、干湿状态、应力幅值、振动频率、各种改性掺和料性能及内部孔结构等［7-13］。而再生混凝土中的再生骨料性能有别于天然骨料，其阻尼机理值得探讨。

本文实验研究再生粗骨料的取代率、粒径、改性掺合料、振动频率及激振力幅值等因素对再生混凝土弹性阶段阻尼性能影响，初步探讨其阻尼机理。

1 实验

1.1 试件制作

1.1.1 原材料

实验用原材料包括 42.5普通硅酸盐水泥(Cement，C)、天然中砂 (Natural Sand，NS)、4种粗骨料、聚丙烯纤维 (Polypropylene Fiber，PF)、微硅粉(Micro Silica Fume，MSF)、钢纤维 (Steel Fiber，SF)、20目橡胶粉(Rubber Powder，RP)、Ⅱ级粉煤灰 (Fly Ash，FA)、超细矿粉 (Ultrafine Slag，US)及减水剂(Water Reducer，WR)等。4种粗骨料分别为:粒径5～20 mm天然碎石 (Natural Crushed Stone，NCS)，粒径5～20 mm、5～10 mm、10～20 mm 再生粗骨料，分别记为RCA1、RCA2、RCA3。粗骨料基本性能见表1。

表1 粗骨料的性能Tab.1 Properties of coarse aggregates

再生粗骨料在破碎过程中会遭受损伤，裂隙多，且硬化水泥砂浆含量较高，导致该粗骨料密度低、吸水率大、压碎指标高、强度较天然粗骨料低。

1.1.2 试件设计及配比

设计 10组试件，包括 RCA取代率 0%、30%、50%、70%的试件4组(粗骨料粒径5～20 mm)，分别记为S1～S4;再生粗骨料分别为 RCA1、RCA2、RCA3的试件3组(RCA取代率100%)，记为 S5～S7;复掺PF+MSF、RP+SF、FA+US的综合改性试件3组(RCA粒径5～20 mm，取代率100%)，记为S8～S10。每组各制作2根试件，尺寸80×80×1 000 mm3。

各组试件再生混凝土配比如表2所示。实测各组混凝土塌落度为30 mm左右，基本一致。

表2 再生混凝土配合比Tab.2 Recycled concrete composition

W为拌含水率;AW为附加用水;附加用水以考虑RCA的高吸水率特性。

再生混凝土试件由机械搅拌、振捣成型，并在标准养护室内养护28 d后测试。

1.2 测试方法

材料阻尼性能试验在自主研发的三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置(专利号:20061001 00058)上进行。测试程序为:信号发生器产生1.0～2.5 Hz正弦信号，经功率放大器后由200 N电磁激振器在简支梁跨中施加交变荷载，实际加载力由安装于梁底的力传感器测得，而梁跨中位移由安装于梁上方的非接触式激光位移传感器测得。所测数据经傅里叶变换与处理可得再生混凝土材料的损耗因子、损耗模量及弹性模量［14］。

2 结果及分析

2.1 强度

由100 mm立方体试块测试所得再生混凝土抗压强度与劈裂强度见表3。由表3可见，随RCA取代率的增加，抗压强度与劈裂强度均下降，当RCA取代率超过50%后，强度下降显著。S5的抗压强度与劈裂强度相比于S1，分别下降19.2%、20.0%，而 S3仅降低2.0%、3.4%。因此，再生粗骨料用于结构性材料时的取代率不宜超过50%。

表3 再生混凝土强度Tab.3 Recycled concrete strength

再生混凝土抗压强度随RCA平均粒径的增大而增大。S7、S5的抗压强度相比于S6分别增加13.9%、1.2%。再生粗骨料平均粒径越大，破碎时的损伤越小，裂隙越少，且旧硬化水泥砂浆的相对含量越小，骨料强度与相应再生混凝土强度越高。

各改性再生混凝土抗压强度相比于S5，S8、S9、S10的抗压强度分别下降 25.4%、38.8%、10.0%。复掺PF+MSF改性的S8，附加水用量大，实际水灰比显著增大;复掺RP+SF改性的S9，橡胶粉本身强度极低，且与水泥砂浆的界面粘结强度极弱;复掺FA+US改性的S10，等量取代42.5水泥的粉煤灰和矿粉活性不及相应水泥活性，导致各改性再生混凝土的抗压强度均有不同程度的下降。钢纤维对劈裂强度的增强效果显著，S9的劈裂强度相比于S5增加6.4%。

2.2 阻尼性能

再生混凝土材料损耗因子见表4。

表4 再生混凝土材料损耗因子Tab.4 Loss tangent of recycled concrete

为清晰反映各因素对再生混凝土阻尼性能影响规律，对实验数据做处理:① 用S1～S10的平均损耗因子反映激振力频率及幅值的影响规律;② 用200 N激振力幅值作用下1.0～2.5 Hz的平均损耗因子反映RCA取代率、RCA粒径及复掺改性材料的影响规律。

2.2.1 再生粗骨料取代率影响

RCA取代率对再生混凝土阻尼性能影响见图1。再生混凝土损耗因子随RCA取代率的增加而增加，RCA取代率为30%、50%、70%、100%时的损耗因子相比于0%(即普通混凝土)时分别增加3.5%、3.2%、8.3%、7.5%。

2.2.2 再生粗骨料粒径影响

RCA粒径对再生混凝土阻尼性能影响见图2。RCA平均粒径越大，损耗因子越小。RCA粒径为5～20 mm、10～20 mm时的损耗因子相比于RCA粒径5～10 mm 时分别下降 2.0%、10.0%。

图1 损耗因子随RCA取代率变化Fig.1 Loss tangent changes with the replacement ratio of RCA

图2 损耗因子随RCA粒径变化Fig.2 Loss tangent changes with the nominal dimension of RCA

2.2.3 复掺改性材料影响

复掺改性材料对再生混凝土阻尼性能影响见图3。改性后再生混凝土损耗因子均有提高，复掺钢纤维+橡胶粉、粉煤灰+矿粉改性后的损耗因子相比于改性前增加45.8%、30.3%，阻尼增强效果显著。

2.2.4 激振力频率影响

激振力频率对再生混凝土阻尼性能影响见图4。由图4可见，在常规建筑结构振动频率1.0～2.5 Hz范围，再生混凝土损耗因子随激振频率的增加而降低，且在1.0 ～1.5 Hz时下降较快。

图3 改性再生混凝土损耗因子(NMA为无改性掺合料)Fig.3 Loss tangent of the modified recycled concretes(NMA=No Modified Additive)

图4 损耗因子随激振频率的变化Fig.4 Loss tangent changes with exciting frequency

2.2.5 激振力幅值影响

激振力幅值对再生混凝土阻尼性能影响见图5。由图5可见，弹性阶段，再生混凝土损耗因子随激振力幅值的增加而有所增加，100 N、150 N、200 N时的损耗因子相比于50 N 时分别增加 2.5%、4.3%、10.3%。因200 N激振力接近于简支梁初始裂纹产生阶段，故阻尼增长较快。

图5 损耗因子随激振力幅值的变化Fig.5 Loss tangent changes with exciting force amplitude

2.3 阻尼机理初探

再生粗骨料在破碎过程中受损，导致表面旧硬化水泥砂浆内及砂浆与天然骨料间的旧界面层产生裂隙;由于再生粗骨料表面包覆的旧硬化水泥砂浆表层强度低，吸水率高及未经冲洗的再生粗骨料表面覆盖粉尘，导致再生粗骨料与新硬化水泥砂浆间存在薄弱界面层。微观试验表明，该界面过渡区有大量氢氧化钙的定向结晶与钙矾石晶体，孔隙大，结构疏松［5，15］。振动过程中该界面层产生粘滞滑移变形［16］及裂隙间内摩擦及存在拉应力与剪应力集中［17］，致使内部微裂缝的产生及发展等因素均增加了阻尼耗能，因而再生混凝土损耗因子随RCA取代率的增加而增加。

再生粗骨料质量相同情况下，其平均粒径越大，RCA表面积越小，则薄弱界面层相对面积亦越小;RCA平均粒径越大，其表面粗糙度增加(因粒径越小，越接近球形，表面相对圆滑，粗糙度减小)，使RCA与新硬化水泥砂浆间的机械咬合作用增强，即界面层有所增强。以上两种效应叠加使再生混凝土的损耗因子随RCA平均粒径的增大而减小。

复掺钢纤维与橡胶粉的阻尼增强机理为:① 橡胶为高分子粘弹性材料，振动中高分子链段的伸缩运动增加了链段间的内摩擦作用，将外部机械能转化为热能，消耗能量;② 橡胶粉与水泥石界面较薄弱(因橡胶为憎水性材料，与无机胶凝材料无浸润)，振动中界面间摩擦作用增加耗能;③ 由于橡胶粉的填充效应及弹性性能，有效改善了混凝土内部孔结构，起到柔性缓冲作用，增加了阻尼耗能。

复掺粉煤灰和超细矿粉的阻尼增强效应主要归因于FA和US的比表面积大，增加了颗粒与颗粒、颗粒与水泥砂浆的界面面积，界面间的滑动摩擦作用增加了阻尼耗能［8］;而粉煤灰中部分为中空球形颗粒，内含空气或气体［18］，振动中球内空气作用力及空气与球壳间的摩擦作用将机械能转化为热能，消耗振动能量［13］。因微硅粉掺量仅为FA、US掺量的1/6，故界面摩擦作用所致阻尼增强效应不明显。

混凝土本身为弱粘弹性材料，表现出一定粘性流体特性。激振力幅值越大，其流体粘滞效应越强，材料内摩擦作用也越强，故再生混凝土损耗因子随激振力幅值的增大而增大。激振力频率越小，混凝土流体粘滞效应与材料内摩擦作用表现越充分，阻尼耗能也越强。

3 结论

通过再生混凝土材料在弹性阶段的三点弯曲阻尼性能测试表明:

(1)再生混凝土的损耗因子随RCA取代率的增加而增加，与普通混凝土相比，损耗因子增加约3%～10%;

(2)再生混凝土损耗因子随RCA平均粒径的增大而降低，单粒级RCA(10～20 mm)时的损耗因子下降显著，约为10%;

(3)复掺SF+RP、FA+US改性后的再生混凝土损耗因子相比于改性前增加45.8%、30.3%，阻尼增强效果显著;

(4)再生混凝土损耗因子在地震频率1.0～2.5 Hz范围内，随激振频率的增加而减小，随激振力幅值的增加而增加。

(5)RCA与新硬化水泥砂浆间薄弱界面层的粘滞滑移变形及RCA内部裂隙间的内摩擦增加了再生混凝土阻尼耗能;橡胶粉的粘弹性、填充效应及与水泥砂浆界面内摩擦可致阻尼增强;增加界面面积、界面间的滑动摩擦作用、中空FA颗粒内部空气振动均为复掺FA与US阻尼增强的原因。

(6)当再生混凝土用作结构性材料时，应综合考虑强度与阻尼性能，宜采用连续级配的RCA，且取代率不宜超过50%;也可复掺FA+US进行再生混凝土综合改性。

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