超高性能混凝土阻尼性能研究

2022-05-09柳兵兵

新型建筑材料 2022年4期

柳兵兵

（中国人民解放军陆军工程大学，江苏南京 221004）

0 引言

混凝土是土木工程领域中最广泛使用的建筑材料之一，但存在脆性大、易开裂的问题。目前的结构正向高、大、长和轻质高强的方向发展。在高层建筑中，仍然需要使用外加阻尼器来减小建筑自身的振动或外部荷载带来的振动影响[1-2]。但是阻尼器成本较高，每年的维修保养还需耗费大量的人力物力。已有研究表明[1]，当结构阻尼比从5%提高到7%～10%时，建筑物完全可以不需要阻尼器的状态下获得到相同的减振效果。因此，需要研发自身阻尼值较高的建筑材料。

研究人员就水泥用量对混凝土自身阻尼性能的影响开展了研究。Wong 等[3]研究了聚灰比（聚合物与水泥用量之比）对混凝土阻尼性能的影响，认为当聚灰比在0～5%时，对阻尼性能影响程度不同，而随着聚灰比增大至10%～20%时，混凝土的阻尼性能受此影响程度大，优异的阻尼性能被表现出来。但是有学者发现，骨料的选择在影响混凝土强度的同时，也会显著改变混凝土的阻尼性能。胡佳山等[4]采用原创的阻尼试验装置，从集料级配、骨料界面处理和引入橡胶粒这3 方面入手，研究3 个因素对环氧树脂混凝土阻尼性能的影响，证明了间断集料级配有益于动弹性模量和抗折强度。后来学者慢慢发现，多种集料的掺入比改变单一集料对混凝土阻尼性能的影响更为显著，这是因为混凝土是一种复合材料，其强度取决于内部集料的密实程度[4-10]。研究人员对比了塑料、纤维素和石棉3 种纤维对混凝土阻尼性能的影响，证明了石棉纤维对混凝土阻尼性能优化效果不及塑料纤维与纤维素纤维，纤维掺入会使混凝土阻尼性能提高50%的同时，弹性模量降低约25%[11-13]。

超高性能混凝土（UHPC）是一种高强、高韧、高耐久的新型建筑材料，在高层建筑、大跨度桥梁工程中具有广阔的应用前景[14]。目前对于UHPC 的研究主要集中在力学性能方面，但关于UHPC 阻尼性能的研究十分有限。因此，本文采用悬挂法自由振动衰减法，研究了粗集料最大粒径、纤维种类及掺量、硅灰掺量对UHPC 阻尼性能的影响。

1 试验

1.1 原材料及配合比设计

水泥：P·Ⅱ52.5 水泥，密度3150 kg/m3，比表面积417 m2/kg；粉煤灰：Ⅰ级优质粉煤灰，密度2780 kg/m3，比表面积686 m2/kg；矿渣：南京江南水泥有限公司生产，密度2910 kg/m3，比表面积766 m2/kg；硅灰：中国Elkem 上海公司生产，SiO2含量大于92%，比表面积2200 m2/kg。胶凝材料的主要化学成分见表1。减水剂：聚羧酸高效减水剂，固含量40%，减水率约50%；拌合水：自来水；细骨料：南京地区河砂，密度2618 kg/m3，含泥量≤1%；粗骨料：最大粒径分别为5、10、15 mm 的连续级配玄武岩碎石，表观密度2621 kg/m3；钢纤维：表面镀铜平直钢纤维，长13 mm，直径0.2 mm，抗拉强度2000 MPa；玄武岩纤维：长12 mm，直径20 μm，抗拉强度3000 MPa；聚丙烯纤维：长11 mm，直径18 μm，抗拉强度700 MPa。

根据UHPC 配合比设计理论并结合所要研究的阻尼性能影响因素，确定UHPC 中胶凝材料基本组成为m（水泥）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（矿渣）=6∶1∶1∶2，水胶比为0.16，胶砂比为1∶1，减水剂掺量为胶凝材料质量的2%。研究玄武岩碎石的最大粒径（5、10、15 mm）对UHPC 阻尼性能的影响，分别记为AS-5、AS-10、AS-15；研究钢纤维体积掺量（1%、3%、5%）对UHPC 阻尼性能的影响，分别记为FC-1、FC-3、FC-5；研究体积掺量为3%时，钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维3 种纤维对UHPC 阻尼性能的影响，分别记为FT-S、FT-B、FT-P；控制胶凝材料总量及粉煤灰、矿渣掺量不变，研究硅灰掺量（5%、10%、15%）对混凝土阻尼性能的影响，分别记为SF-5、SF-10、SF-15。具体配合比如表2 所示。

表2 试验配合比

1.2 试样制备

首先将砂与硅灰加入搅拌机内干拌60 s，搅拌均匀后加入水泥、粉煤灰、矿渣等其余胶凝材料再次干拌60 s，形成均匀的胶砂混合物，而后将称量好的水与减水剂在容器中搅拌均匀，缓慢地加入正在搅拌的胶砂混合物中，搅拌3～5 min。最后，当搅拌形成均匀的浆体时，将纤维、粗集料匀速地撒入浆体中搅拌60 s。将搅拌好的拌合物装入100 mm×100 mm×400 mm 试模中，充分振捣均匀。将成型后的混凝土试件保湿养护，24 h 后拆模。试件脱模后放入温度为（20±2）℃、相对湿度为95%的养护室中养护28 d。

1.3 阻尼性能试验方法

本试验采用悬挂法自由振动衰减法对试件的阻尼性能进行测试，通过2 根长度为2000 mm 尼龙绳进行试件的安置，将2 根尼龙绳悬挂在钢支架上，并保持足够的悬挂长度，再进行调整以确保2 根绳平行并垂直于地面，并且使得试样悬挂位置与地面水平。在试样的一侧按比例划分5 个激励点，并在其另一侧安置3 个加速度传感器，采样频率（SF）为64 Hz，采样通道为4 条，采用多次触发作为阻尼试验的开始条件，并且设置其采样点数为1024 个点，力锤的触发量为200 kN，参数设定完毕后使用冲击力锤在相应的激励点上对试件进行敲击，并通过采集仪进行信号的收集，传输到微机端进行试件振动频率的分析，试验装置如图1 所示。基于上述测试过程，本试验采用LC 系列冲击锤、INV3062T 型24 位云智慧分布式采集仪、高性能ICP 压电式加速度传感器获取试件的激励与响应信号。

图1 阻尼性能试验示意

在本试验中，根据自由振动衰减试验获取了输入激励的信号和相对应的响应时间历程信号，采用试验模态分析（EMA），在DASP 模态分析模块采用FFT 快速傅里叶变化处理，如式（1）所示，获得相应的频响函数和脉冲响应函数。

式中：f（t）——时域数据序列；

F（ω）——频域的谱函数序列。

2 试验结果分析

2.1 不同组分掺入对UHPC 阻尼性能的影响

研究了不同组分掺入（基准组RE、掺钢纤维组FT-S、掺玄武岩碎石组AS-10）对UHPC 阻尼性能的影响，结果如图2所示。

图2 基准组、掺钢纤维组和掺玄武岩碎石组UHPC的时间加速度曲线

由图2 可见，与基准组相比，掺入钢纤维的UHPC 其振动幅度下降较快，而掺入部分粗集料的UHPC 其振动幅度下降的速度略低于基准组，表明纤维的掺入对UHPC 的阻尼性能有较好的帮助，而部分粗骨料的掺入对于UHPC 的阻尼性能有所影响，不利于试件的“自减振”。

在相同的振动频率和触发条件下，随着时间的推移，掺钢纤维的UHPC 振动幅度比掺粗集料的UHPC 衰减得要快。相比于其它组的试件，掺入钢纤维的试件在受到外界冲击时，由于钢纤维具有稳定的物理性能，使得其振幅大幅减小，并且其振幅下降的速度也较快。反之，掺入粗骨料的试件在锤击作用下，其所获得的曲线上下波动，难以趋于平缓。这是因为骨料粒径较大，与水泥基接触面较小，摩擦界面也相对较小，二者粘结并不牢靠，产生较为薄弱的界面过渡区。因此，粘结界面由于外界的冲击易产生裂缝，使得混凝土抵抗外力的能力变弱。综上，掺钢纤维的UHPC 在受到外界冲击时具有更好的克服外力的能力，其阻尼性能最优。

依据上述试验，并通过模态分析法得到UHPC 的模态阻尼比如表3 所示。

表3 模态分析阻尼比

2.2 硅灰掺量对UHPC 阻尼性能的影响

通过阻尼测试及DASP 软件进行时域分析，得到了不同硅灰掺量UHPC 在受到外力作用下的振动频率如图3 所示。

由图3 可知，振动频率曲线相对平滑，可以明显地观察到峰值频率。硅灰掺量为5%时，当达到频率峰值时，试件的振幅远低于掺量为10%和15%的试件。可以发现，当UHPC 中掺入少量硅灰时，UHPC 基体会变得更加密实。这有效地填补了内部的孔隙，提高了密实度，使UHPC 的减振能力较强，增强了阻尼性能。

图3 不同硅灰掺量UHPC 的振动频率

由表3 可知，掺加硅灰的UHPC 阻尼比都高于基准组。但随着硅灰掺量的增加，阻尼比逐渐减小。这表明适量硅灰的掺入可提高UHPC 的阻尼性能。这是因为适量的硅灰能在一定程度上改善混凝土的内部缺陷，使得材料内部耗能降低，从而提高了UHPC 的阻尼性能。

2.3 骨料粒径对UHPC 阻尼性能的影响（见图4）

图4 不同粒径骨料UHPC 的振动频率

由图4 可见，掺入粒径为15 mm 的骨料UHPC 振幅相比掺入粒径为5 mm 的提高了10%。由表3 可知，随着骨料粒径的增大，阻尼比越来越小，耗能能力降低。这是因为当骨料粒径较大时，UHPC 基体容易与骨料产生粘结能力相对较弱的界面过渡区，在受到外界的冲击时，粘结界面越小，该界面与水泥基的摩擦接触面也就越小，机械咬合力变弱，对混凝土整体稳定性的影响较大。相反，当骨料粒径较小时，其与水泥基结合界面较大，机械咬合力增强，混凝土的抗冲击能力较好，其自身克服外力作用的能力较强，具有良好的阻尼性能。

结合上述试验结果可以发现，当骨料粒径较大时，阻尼比相对较小。而骨料粒径减小时，UHPC 的振幅降低，阻尼比增大。骨料粒径越小，界面过渡区的面积越大，增加了发生摩擦可能性，因此阻尼比较大。

2.4 纤维种类及掺量对UHPC 阻尼性能的影响

（见图5、图6）

图5 不同纤维种类UHPC 的振动频率

图6 不同钢纤维掺量UHPC 的振动频率

由图5 及表3 可知，3 种纤维中，掺钢纤维的UHPC 阻尼比最大，在外力的作用下，振幅最小；掺聚丙烯纤维的UHPC阻尼比次之，掺玄武岩纤维的阻尼比最小。这是因为钢纤维与其它2 种纤维从材料本质上有着很大的区别，其自身稳定的物理性能使得其阻尼性能优于其它2 种。通过与掺粗骨料的UHPC 阻尼比对比可以发现，纤维的掺入更高效地提高了UHPC 的阻尼性能。

由图6 及表3 可知，随着钢纤维掺量的增加，UHPC 的振幅峰值略微降低，阻尼比增大。这是因为钢纤维自身具有良好的柔韧性，有助于提高混凝土的韧性、塑性及延展性，钢纤维的掺入使得UHPC 在受到外力冲击时不至于发生脆性断裂，大大增强其抗冲击性能。钢纤维掺量的增加增强了混凝土在外力震击下的耐久性，提高其抗振能力，使得混凝土具有良好的阻尼性能。