循环荷载作用下不同配比EPS轻质混凝土阻尼比变化规律

石文博　缪林昌　王佳奇　严　波　郭祥贵　陈艺南

(1东南大学交通学院，南京　210096)(2江苏省城市轨道交通研究设计院股份有限公司，南京　210029)



循环荷载作用下不同配比EPS轻质混凝土阻尼比变化规律

石文博1缪林昌1王佳奇1严波2郭祥贵2陈艺南1

(1东南大学交通学院，南京210096)
(2江苏省城市轨道交通研究设计院股份有限公司，南京210029)

摘要:通过对EPS颗粒体积分数为0%，20%，30%，40%的轻质混凝土施加5×104次频率为5 Hz的循环动荷载进行循环动力试验，对测得的数据进行计算分析，得出不同配比的EPS轻质混凝土阻尼比的变化规律．通过测定经过动力循环试验的轻质混凝土的强度，研究轻质混凝土的耐久性能．结果显示，EPS含量越高，阻尼比越大;施加的荷载越大，阻尼比的变化越明显．经过5× 104次循环动载试验后EPS轻质混凝土强度减少不明显，量化阻尼比规律和耐久性对EPS轻质混凝土在长期循环施工的实际工程中的使用具有重要的意义．

关键词:EPS混凝土;动力循环试验;阻尼比;耐久性

引用本文:石文博，缪林昌，王佳奇，等．循环荷载作用下不同配比EPS轻质混凝土阻尼比变化规律［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，46(1) : 179－183．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．029．

EPS轻质混凝土是将EPS(聚苯乙烯泡沫)颗粒混入混凝土中拌合，制成的一种质量较轻且具有保温吸能效果的新型建筑材料．EPS轻质混凝土与普通混凝土相比具有很多优势:①由于EPS自身密度较小，可以配置出密度可调、质量可控的轻质混凝土，可应用在一些大跨度、高层的建筑物上;②EPS颗粒具有很好的保温隔热特性，所配置的混凝土也具有很好的保温隔热特性;③EPS颗粒生产耗能较小，无毒无公害，配置出的轻质混凝土对环境没有污染．因而EPS混凝土具有经济、环保、节能等特性，符合现代工程材料设计使用的理念．

在20世纪70年代，由Cook［1］首先将EPS颗粒加入到混凝土中，并对这种新型的材料进行了初步研究．而对这种材料的系统研究则开始于20世纪90年代，Miled等［2］通过在混凝土中添加不同比例的EPS颗粒，得出了轻质混凝土的强度与孔隙率的关系．甘伟等［3］也通过大量的试验，得出了EPS轻质混凝土密度与强度之间的关系．Dima等［4］通过对EPS轻质混凝土流动性进行分析，得到了EPS轻质混凝土配比与强度之间的关系，并认为良好的和易性是保证轻质混凝土强度的关键．另外，国内外学者还研究了轻质混凝土中外加的EPS颗粒的粒径［5－7］、颗粒是否为原发［8］、混凝土添加外加剂［9］等情况下对强度的影响．

目前国内外学者的研究大多集中在强度、配制方法、保温特性等方面，而对于EPS轻质混凝土的动力特性的研究则较少．本文在上述研究的基础上，通过采用动荷载试验，得到动阻尼比与EPS轻质混凝土配比之间的关系，动阻尼比与动力试验的荷载、振次之间的关系，以及EPS轻质混凝土的耐久性能．所得结论对工程中EPS轻质混凝土的使用具有指导意义．

1　试验设计

1．1试块的配比

配制试块所使用的水泥为标号32．5的普通硅酸盐水泥;细骨料为细度模数2．85的河砂;粗骨料为碎石，其粒径分布范围为4．0～20 mm; EPS颗粒为粒径1～3 mm的发泡聚苯乙烯球形颗粒，其表观密度为20 kg /m．

减水剂采用的是高性能减水剂，由于EPS颗粒质量轻，且为憎水材料，因而在成型过程中，振动会导致EPS颗粒上浮，而影响轻质混凝土中EPS颗粒的均匀性，导致所配置的混凝土强度降低．解决这类问题主要采用2种方法:①把EPS颗粒从憎水材料改为亲水材料，从而可以增加EPS颗粒与其他集料之间的黏合作用;②提高所配置混凝土浆液的稠度．在本次实验中主要通过添加黏性剂来增加EPS颗粒与其他材料的黏结性能，进而确保在振捣施工时EPS分布均匀．

文献［10］通过大量配合比试验得出了既考虑强度因素又兼顾经济因素的配合比，具体配比方案见表1．

1．2轻质混凝土的拌合方法

含有EPS颗粒的轻质混凝土的拌合方法与普通混凝土不同．经过多次试验，并借鉴混凝土拌合中的裹砂法拌合轻质混凝土，具体方法为:首先将EPS颗粒倒入搅拌箱，并加入三分之一配合比总量水和二分之一黏性剂，搅拌0．5 min后倒入粗骨料继续进行拌合，之后再将其他材料倒入搅拌箱进行拌合．这种方法能够将EPS均匀地混入混凝土中，并保证EPS颗粒与混凝土之间的黏合效果，使得拌合的混凝土也具有较好的和易性．

表1　拌合混凝土配比

2　动荷载试验

EPS轻质混凝土具有抗冲击、吸能等特性，可以广泛地应用于一些具有循环荷载施加的土木工程中，以减少系统的振动．而对振动能量的衰减效果主要由阻尼比来决定．本文通过循环荷载试验，定性地分析EPS掺入量、振动次数、振动荷载等因素对于EPS轻质混凝土动阻尼比的影响．本次试验使用的EPS体积分数分别为0%，20%，30%和40%，振动次数为5×104和10×104，振动荷载分别为60，50和40 kN，振动频率设定为5 Hz，具体的试验方案如表2所示．

表2　试验方案

试验开始时，将制成的混凝土试块置于标准养护环境下，28 d后取出．试验采用MTS 370．50电液伺服疲劳试验系统进行循环动荷载试验．

3　结果分析

3．1阻尼比的计算

不同工程材料的阻尼比不同，对传递的振动能量吸收和衰减也有所不同．通过阻尼比可以计算出多个参数(如阻尼系数、瑞利阻尼参数等)，通过这些参数可以分析系统的减振特性．

阻尼比定义为实际阻尼系数c与临界阻尼系数cer之比［11］．阻尼比λ与能量损失数ψ之间的关系为

式中，ΔW为一个周期内损耗的能量; W为一周期内作用的总能量;ψ为能量损失数，ψ=ΔW /W; m为振动体系质量;ω为自振频率．

将滞回圈所围定的面积A0近似表示轻质混凝土在一个周期内的能量损耗ΔW，即

式中，εd为动应变．一个周期内动荷载所存储的总能量为

式中，σd为动应力．如图1所示，一个周期内的总能量等于由原点O到最大幅值点A(εd，σd)连线下的三角形△AOB面积AT，所以阻尼比可表示为

图1　滞回圈和阻尼比

根据式(4)可以求出振动循环内任一振次的阻尼比．

试验次数为5×104，每一次加卸载都会产生一个滞回圈，如果对每一个滞回圈都进行提取，并计算其阻尼比，则计算量较大．因此本文每间隔2 000个滞回圈选取一个滞回圈进行分析，由于数据间隔对于分析结果影响不大，故按本文分析结果能够较好地反映阻尼比随振动次数增加的规律．

3．2阻尼比与EPS掺入量之间的关系

分别对EPS颗粒体积分数为0%，20%，30%和40%的轻质混凝土施加40～60 kN的轴向振动荷载，得到的轻质混凝土阻尼比与振次的关系如图2所示．

图2　循环荷载

随着动荷载振动次数的增加，所有配比的EPS轻质混凝土阻尼比都呈减少的趋势，阻尼比在最初减小明显，但随着振次的增加逐渐趋于稳定．

不同的振动荷载会导致EPS轻质混凝土出现不同大小的阻尼比，其中振动荷载越大，阻尼比也越大．随着振次的增加，其阻尼比减小的趋势也更加明显．同时，振动荷载越大，轻质混凝土阻尼比随振次的波动也越大．当振动荷载为40 kN(见图2 (a) )时，所有配比混凝土的阻尼比为0．012～0．033;当振动荷载为50 kN(见图2(b) )时，所有配比混凝土的阻尼比为0．013～0．04;而当振动荷载为60 kN(见图2(c) )时，所有配比混凝土的阻尼比为0．015～0．042．由于循环荷载持续施加，导致混凝土压缩变形，荷载越大，压缩变形也越大，使得混凝土的阻尼比越小．

EPS颗粒的掺入量对轻质混凝土的阻尼比影响较大．当施加的荷载较小时，各个配比混凝土的阻尼比相差较小，如图2(a)、(b)所示;当施加荷载较大时，各个配比的混凝土阻尼比差别比较明显，如图2(c)所示，含40%EPS颗粒的轻质混凝土比不含EPS颗粒的混凝土，阻尼比大了近1倍．在同一荷载作用下，EPS含量越高，轻质混凝土阻尼比的减少越明显．

3．3 EPS轻质混凝土的耐久性

3．3．1 5万次循环荷载作用后疲劳强度

在进行完5×104次循环试验后对所有配比的混凝土进行强度试验，强度试验按混凝土抗压强度试验标准进行，得到的试验结果如图3所示．

在经历了5×104次的循环荷载作用后，不同EPS颗粒含量的混凝土强度都出现了不同程度的减少，其中，施加的循环荷载越大，混凝土疲劳强度的减少也越明显．在施加疲劳荷载为40 kN时，掺入20% EPS的混凝土强度比循环前有所减少，而掺入30%和40%EPS的混凝土强度则有不同程度的增加．主要原因是当施加的循环荷载较小时，循环荷载的施加导致EPS压缩并使混凝土压密，从而在疲劳试验结束后，强度比循环前有所增加．随着疲劳荷载从40 kN增加至60 kN，混凝土受到疲劳荷载作用的影响也越来越明显，其中轻质混凝土的强度随着EPS掺入量的加大，受到疲劳试验的影响也越来越小．

图3　5万次动循环后的强度

图4　50 kN和10万次动循环后强度

3．3．2 10万次循环荷载作用后疲劳强度

为了更加全面地研究EPS材料的疲劳强度，在5×104次振动试验的基础上增加了1．0×105次循环荷载作用试验．由于1．0×105次试验耗时较多，因而仅做50 kN循环荷载作用下不含EPS颗粒和EPS颗粒含量为30%的混凝土试块的疲劳强度试验，结果如图4所示．由图可知，经历1．0× 105次疲劳荷载后，2种配比的混凝土强度变化比较明显，其中，掺入30% EPS的轻质混凝土的强度比5×104次疲劳荷载后的强度有所减少，但是减少量并不大，而相比不含EPS的混凝土试块强度减小量十分明显．在进行1．0×105次50 kN疲劳试验时，不含EPS颗粒的混凝土疲劳强度减少了近50%，而EPS颗粒含量为30%的混凝土疲劳强度降低了仅15%左右．

根据上述试验结果可以得出，EPS混凝土比普通的混凝土耐久性好且能够在长时间循环荷载作用下，保持强度不变．

4　结论

1) EPS颗粒含量对轻质混凝土的阻尼比影响较大，随着EPS颗粒含量增大，EPS颗粒轻质混凝土的阻尼比也增大．

2) EPS颗粒轻质混凝土在振动荷载的持续作用下具有不同的阻尼比，振动荷载越大，阻尼比也越大，随着振次的增加，其阻尼比减小的趋势也越明显．

3)在同一荷载作用下，EPS颗粒含量越高，轻质混凝土阻尼比的减少越明显．

4)不同大小循环荷载的疲劳试验对于轻质混凝土的强度影响不同，在进行5×104次疲劳试验时，当荷载为40和50 kN时，掺入0%和20% EPS的混凝土疲劳强度略有减少，而掺入30%和40% EPS的轻质混凝土的疲劳强度略有增加;当循环荷载为60 kN时，所有配比的混凝土疲劳强度都有所减少，减少的程度与EPS掺入量成反比．

5)在进行1．0×105次50 kN疲劳试验时，不含EPS颗粒的混凝土疲劳强度减少了近50%，而EPS颗粒含量为30%的混凝土疲劳强度降低了仅15%左右．通过所设计的耐久性试验得到的结果充分说明了EPS轻质混凝土具有较好的耐久性，能够很好地使用在荷载长期循环施加且有一定抗震要求的实际工程中．

参考文献(References)

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［10］Shi W B，Miao L C，Luo J，et al．Durability of modified expanded polystyrene concrete after dynamic cyclic loading［J］．Shock and Vibration，2015，501: 317106．

［11］谢定义．土动力学［M］．北京:高等教育出版社，2011: 297－299．

Damping behavior of lightweight expanded polystyrene concrete under dynamic cyclic loading

Shi Wenbo1Miao Linchang1Wang Jiaqi1Yan Bo2Guo Xianggui2Chen Yinan1
(1School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2Jiangsu Urban Mass Transit Research＆Design Institute Co．，Ltd．，Nanjing 210029，China)

Abstract:Cyclic loading tests with 50 000 times were conducted on the lightweight concrete(LWC) with different EPS (expanded polystyrene) volume contents of 0%，20%，30% and 40% at the frequency of 5 Hz．By the computational analysis of the experimental data，the damping change laws of LWC with different EPS ratios were obtained．After dynamic cyclic loading tests，the intensity of LWC was measured and then the durability of LWC was studied．The experimental results show that the higher the inclusion content，the higher the damping ratio of the LWC．The larger the applying load，the more obvious the damping ratio changes．However，the strength of LWC has no evident decrease after loading tests of 50 000 times．The quantization of damping rules and the durability have practical significance in use of the LWC in some practical engineering for suffering long-term dynamic cyclic loading．

Key words:expanded polystyrene concrete; dynamic cyclic loading tests; damping ratio;durability

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278099)．

收稿日期:2015-08-06．

作者简介:石文博(1988—)，男，博士生;缪林昌(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，Lc．miao@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．029

中图分类号:TU528．2

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0179-05