超高性能混凝土阻尼性能研究

柳兵兵

（中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 221004）

0 引言

混凝土是土木工程領域中最廣泛使用的建筑材料之一，但存在脆性大、易開裂的問題。目前的結構正向高、大、長和輕質高強的方向發(fā)展。在高層建筑中，仍然需要使用外加阻尼器來減小建筑自身的振動或外部荷載帶來的振動影響[1-2]。但是阻尼器成本較高，每年的維修保養(yǎng)還需耗費大量的人力物力。已有研究表明[1]，當結構阻尼比從5%提高到7%～10%時，建筑物完全可以不需要阻尼器的狀態(tài)下獲得到相同的減振效果。因此，需要研發(fā)自身阻尼值較高的建筑材料。

研究人員就水泥用量對混凝土自身阻尼性能的影響開展了研究。Wong 等[3]研究了聚灰比（聚合物與水泥用量之比）對混凝土阻尼性能的影響，認為當聚灰比在0～5%時，對阻尼性能影響程度不同，而隨著聚灰比增大至10%～20%時，混凝土的阻尼性能受此影響程度大，優(yōu)異的阻尼性能被表現(xiàn)出來。但是有學者發(fā)現(xiàn)，骨料的選擇在影響混凝土強度的同時，也會顯著改變混凝土的阻尼性能。胡佳山等[4]采用原創(chuàng)的阻尼試驗裝置，從集料級配、骨料界面處理和引入橡膠粒這3 方面入手，研究3 個因素對環(huán)氧樹脂混凝土阻尼性能的影響，證明了間斷集料級配有益于動彈性模量和抗折強度。后來學者慢慢發(fā)現(xiàn)，多種集料的摻入比改變單一集料對混凝土阻尼性能的影響更為顯著，這是因為混凝土是一種復合材料，其強度取決于內部集料的密實程度[4-10]。研究人員對比了塑料、纖維素和石棉3 種纖維對混凝土阻尼性能的影響，證明了石棉纖維對混凝土阻尼性能優(yōu)化效果不及塑料纖維與纖維素纖維，纖維摻入會使混凝土阻尼性能提高50%的同時，彈性模量降低約25%[11-13]。

超高性能混凝土（UHPC）是一種高強、高韌、高耐久的新型建筑材料，在高層建筑、大跨度橋梁工程中具有廣闊的應用前景[14]。目前對于UHPC 的研究主要集中在力學性能方面，但關于UHPC 阻尼性能的研究十分有限。因此，本文采用懸掛法自由振動衰減法，研究了粗集料最大粒徑、纖維種類及摻量、硅灰摻量對UHPC 阻尼性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料及配合比設計

水泥：P·Ⅱ52.5 水泥，密度3150 kg/m3，比表面積417 m2/kg；粉煤灰：Ⅰ級優(yōu)質粉煤灰，密度2780 kg/m3，比表面積686 m2/kg；礦渣：南京江南水泥有限公司生產，密度2910 kg/m3，比表面積766 m2/kg；硅灰：中國Elkem 上海公司生產，SiO2含量大于92%，比表面積2200 m2/kg。膠凝材料的主要化學成分見表1。減水劑：聚羧酸高效減水劑，固含量40%，減水率約50%；拌合水：自來水；細骨料：南京地區(qū)河砂，密度2618 kg/m3，含泥量≤1%；粗骨料：最大粒徑分別為5、10、15 mm 的連續(xù)級配玄武巖碎石，表觀密度2621 kg/m3；鋼纖維：表面鍍銅平直鋼纖維，長13 mm，直徑0.2 mm，抗拉強度2000 MPa；玄武巖纖維：長12 mm，直徑20 μm，抗拉強度3000 MPa；聚丙烯纖維：長11 mm，直徑18 μm，抗拉強度700 MPa。

根據(jù)UHPC 配合比設計理論并結合所要研究的阻尼性能影響因素，確定UHPC 中膠凝材料基本組成為m（水泥）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）=6∶1∶1∶2，水膠比為0.16，膠砂比為1∶1，減水劑摻量為膠凝材料質量的2%。研究玄武巖碎石的最大粒徑（5、10、15 mm）對UHPC 阻尼性能的影響，分別記為AS-5、AS-10、AS-15；研究鋼纖維體積摻量（1%、3%、5%）對UHPC 阻尼性能的影響，分別記為FC-1、FC-3、FC-5；研究體積摻量為3%時，鋼纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維3 種纖維對UHPC 阻尼性能的影響，分別記為FT-S、FT-B、FT-P；控制膠凝材料總量及粉煤灰、礦渣摻量不變，研究硅灰摻量（5%、10%、15%）對混凝土阻尼性能的影響，分別記為SF-5、SF-10、SF-15。具體配合比如表2 所示。

表2 試驗配合比

1.2 試樣制備

首先將砂與硅灰加入攪拌機內干拌60 s，攪拌均勻后加入水泥、粉煤灰、礦渣等其余膠凝材料再次干拌60 s，形成均勻的膠砂混合物，而后將稱量好的水與減水劑在容器中攪拌均勻，緩慢地加入正在攪拌的膠砂混合物中，攪拌3～5 min。最后，當攪拌形成均勻的漿體時，將纖維、粗集料勻速地撒入漿體中攪拌60 s。將攪拌好的拌合物裝入100 mm×100 mm×400 mm 試模中，充分振搗均勻。將成型后的混凝土試件保濕養(yǎng)護，24 h 后拆模。試件脫模后放入溫度為（20±2）℃、相對濕度為95%的養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d。

1.3 阻尼性能試驗方法

本試驗采用懸掛法自由振動衰減法對試件的阻尼性能進行測試，通過2 根長度為2000 mm 尼龍繩進行試件的安置，將2 根尼龍繩懸掛在鋼支架上，并保持足夠的懸掛長度，再進行調整以確保2 根繩平行并垂直于地面，并且使得試樣懸掛位置與地面水平。在試樣的一側按比例劃分5 個激勵點，并在其另一側安置3 個加速度傳感器，采樣頻率（SF）為64 Hz，采樣通道為4 條，采用多次觸發(fā)作為阻尼試驗的開始條件，并且設置其采樣點數(shù)為1024 個點，力錘的觸發(fā)量為200 kN，參數(shù)設定完畢后使用沖擊力錘在相應的激勵點上對試件進行敲擊，并通過采集儀進行信號的收集，傳輸?shù)轿C端進行試件振動頻率的分析，試驗裝置如圖1 所示?；谏鲜鰷y試過程，本試驗采用LC 系列沖擊錘、INV3062T 型24 位云智慧分布式采集儀、高性能ICP 壓電式加速度傳感器獲取試件的激勵與響應信號。

圖1 阻尼性能試驗示意

在本試驗中，根據(jù)自由振動衰減試驗獲取了輸入激勵的信號和相對應的響應時間歷程信號，采用試驗模態(tài)分析（EMA），在DASP 模態(tài)分析模塊采用FFT 快速傅里葉變化處理，如式（1）所示，獲得相應的頻響函數(shù)和脈沖響應函數(shù)。

式中：f（t）——時域數(shù)據(jù)序列；

F（ω）——頻域的譜函數(shù)序列。

2 試驗結果分析

2.1 不同組分摻入對UHPC 阻尼性能的影響

研究了不同組分摻入（基準組RE、摻鋼纖維組FT-S、摻玄武巖碎石組AS-10）對UHPC 阻尼性能的影響，結果如圖2所示。

圖2 基準組、摻鋼纖維組和摻玄武巖碎石組UHPC的時間加速度曲線

由圖2 可見，與基準組相比，摻入鋼纖維的UHPC 其振動幅度下降較快，而摻入部分粗集料的UHPC 其振動幅度下降的速度略低于基準組，表明纖維的摻入對UHPC 的阻尼性能有較好的幫助，而部分粗骨料的摻入對于UHPC 的阻尼性能有所影響，不利于試件的“自減振”。

在相同的振動頻率和觸發(fā)條件下，隨著時間的推移，摻鋼纖維的UHPC 振動幅度比摻粗集料的UHPC 衰減得要快。相比于其它組的試件，摻入鋼纖維的試件在受到外界沖擊時，由于鋼纖維具有穩(wěn)定的物理性能，使得其振幅大幅減小，并且其振幅下降的速度也較快。反之，摻入粗骨料的試件在錘擊作用下，其所獲得的曲線上下波動，難以趨于平緩。這是因為骨料粒徑較大，與水泥基接觸面較小，摩擦界面也相對較小，二者粘結并不牢靠，產生較為薄弱的界面過渡區(qū)。因此，粘結界面由于外界的沖擊易產生裂縫，使得混凝土抵抗外力的能力變弱。綜上，摻鋼纖維的UHPC 在受到外界沖擊時具有更好的克服外力的能力，其阻尼性能最優(yōu)。

依據(jù)上述試驗，并通過模態(tài)分析法得到UHPC 的模態(tài)阻尼比如表3 所示。

表3 模態(tài)分析阻尼比

2.2 硅灰摻量對UHPC 阻尼性能的影響

通過阻尼測試及DASP 軟件進行時域分析，得到了不同硅灰摻量UHPC 在受到外力作用下的振動頻率如圖3 所示。

由圖3 可知，振動頻率曲線相對平滑，可以明顯地觀察到峰值頻率。硅灰摻量為5%時，當達到頻率峰值時，試件的振幅遠低于摻量為10%和15%的試件。可以發(fā)現(xiàn)，當UHPC 中摻入少量硅灰時，UHPC 基體會變得更加密實。這有效地填補了內部的孔隙，提高了密實度，使UHPC 的減振能力較強，增強了阻尼性能。

圖3 不同硅灰摻量UHPC 的振動頻率

由表3 可知，摻加硅灰的UHPC 阻尼比都高于基準組。但隨著硅灰摻量的增加，阻尼比逐漸減小。這表明適量硅灰的摻入可提高UHPC 的阻尼性能。這是因為適量的硅灰能在一定程度上改善混凝土的內部缺陷，使得材料內部耗能降低，從而提高了UHPC 的阻尼性能。

2.3 骨料粒徑對UHPC 阻尼性能的影響（見圖4）

圖4 不同粒徑骨料UHPC 的振動頻率

由圖4 可見，摻入粒徑為15 mm 的骨料UHPC 振幅相比摻入粒徑為5 mm 的提高了10%。由表3 可知，隨著骨料粒徑的增大，阻尼比越來越小，耗能能力降低。這是因為當骨料粒徑較大時，UHPC 基體容易與骨料產生粘結能力相對較弱的界面過渡區(qū)，在受到外界的沖擊時，粘結界面越小，該界面與水泥基的摩擦接觸面也就越小，機械咬合力變弱，對混凝土整體穩(wěn)定性的影響較大。相反，當骨料粒徑較小時，其與水泥基結合界面較大，機械咬合力增強，混凝土的抗沖擊能力較好，其自身克服外力作用的能力較強，具有良好的阻尼性能。

結合上述試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，當骨料粒徑較大時，阻尼比相對較小。而骨料粒徑減小時，UHPC 的振幅降低，阻尼比增大。骨料粒徑越小，界面過渡區(qū)的面積越大，增加了發(fā)生摩擦可能性，因此阻尼比較大。

2.4 纖維種類及摻量對UHPC 阻尼性能的影響

（見圖5、圖6）

圖5 不同纖維種類UHPC 的振動頻率

圖6 不同鋼纖維摻量UHPC 的振動頻率

由圖5 及表3 可知，3 種纖維中，摻鋼纖維的UHPC 阻尼比最大，在外力的作用下，振幅最??；摻聚丙烯纖維的UHPC阻尼比次之，摻玄武巖纖維的阻尼比最小。這是因為鋼纖維與其它2 種纖維從材料本質上有著很大的區(qū)別，其自身穩(wěn)定的物理性能使得其阻尼性能優(yōu)于其它2 種。通過與摻粗骨料的UHPC 阻尼比對比可以發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入更高效地提高了UHPC 的阻尼性能。

由圖6 及表3 可知，隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC 的振幅峰值略微降低，阻尼比增大。這是因為鋼纖維自身具有良好的柔韌性，有助于提高混凝土的韌性、塑性及延展性，鋼纖維的摻入使得UHPC 在受到外力沖擊時不至于發(fā)生脆性斷裂，大大增強其抗沖擊性能。鋼纖維摻量的增加增強了混凝土在外力震擊下的耐久性，提高其抗振能力，使得混凝土具有良好的阻尼性能。

3 結論

（1）摻加硅灰的UHPC 阻尼比都高于基準組，表明硅灰的摻入可提高UHPC 的阻尼性能。但隨著硅灰摻量的增加，阻尼比逐漸減小。

（2）阻尼比與粗骨料粒徑成反比，隨著粗骨料粒徑的增大，UHPC 的阻尼性能降低。

（3）摻鋼纖維的UHPC 阻尼比大于摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維的，但都高于普通混凝土實際阻尼比。隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC 阻尼比逐漸增大，對混凝土的阻尼性能有益。