王信剛， 吳 鏈， 盧 峰

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江西 南昌 330031)

阻尼是反映材料與結(jié)構(gòu)減振性能的重要指標(biāo)，是衡量控制振動(dòng)能力的重要手段.混凝土材料與結(jié)構(gòu)的阻尼減振一直是混凝土領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是工程界長期關(guān)注的焦點(diǎn).混凝土材料本身阻尼低，且與其強(qiáng)度、剛度等存在不可兼得的矛盾[1-2]，通常情況下提高混凝土材料的阻尼，就會(huì)降低其強(qiáng)度和剛度.

國內(nèi)外關(guān)于混凝土材料與結(jié)構(gòu)的阻尼減振研究主要集中在2個(gè)方面：一方面是混凝土材料阻尼性能研究, 主要是向混凝土中引入新組分來提高混凝土材料的阻尼性能，比如向混凝土中引入有機(jī)聚合物類高阻尼材料，同時(shí)引入纖維、硅粉和石墨來對(duì)水泥進(jìn)行改性[3-6]，或者向混凝土中引入橡膠、固體聚合物等顆粒材料，同時(shí)采用集料預(yù)處理技術(shù)對(duì)集料進(jìn)行改性[7-10]；另一方面是混凝土結(jié)構(gòu)阻尼減振研究，目前主要是通過附加阻尼裝置來提高混凝土結(jié)構(gòu)阻尼性能，從而達(dá)到減振目的[11].與此同時(shí)，采用高阻尼混凝土(high damping concrete, HDC)來提高混凝土結(jié)構(gòu)阻尼性能的研究，基本上都是結(jié)構(gòu)整體采用HDC的思路，而部分或局部采用HDC的研究并不多見[12-14]，對(duì)HDC材料在減振結(jié)構(gòu)中的組合問題，特別是HDC組合減振結(jié)構(gòu)一體化方面的研究也是剛剛起步.

本文針對(duì)HDC組合減振結(jié)構(gòu)的一體化問題，引入梯度功能設(shè)計(jì)思路，提出基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土(gradient structural concrete based on damping enhancement， GSCDE)，深入研究基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土的阻尼特性和界面性能.

1 GSCDE設(shè)計(jì)

基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土，是指引入梯度功能材料設(shè)計(jì)思路，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中借鑒約束阻尼結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置約束層、阻尼層和結(jié)構(gòu)層3個(gè)功能層.在材料設(shè)計(jì)中約束層采用具有高抗裂性和高抗氯離子滲透性的水泥基材料，阻尼層采用通過阻尼增強(qiáng)技術(shù)制備的新型高阻尼混凝土，結(jié)構(gòu)層采用高性能混凝土，各功能層之間采用偶聯(lián)劑或壓印法進(jìn)行界面改性處理.上述3個(gè)功能層通過材料、結(jié)構(gòu)、功能的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，共同構(gòu)成基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土[15-16].圖1是基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土示意圖.

圖1 基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土示意圖Fig.1 Schematic of GSCDE

基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土實(shí)現(xiàn)了混凝土材料與結(jié)構(gòu)阻尼減振的一體化，體現(xiàn)了混凝土功能/結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)思路，解決了高阻尼混凝土組合減振結(jié)構(gòu)的一體化問題.基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土在兼顧阻尼和強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，也能顯著降低工程造價(jià).

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

為了便于研究基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土的阻尼特性和界面性能，本文采用只設(shè)置阻尼層和結(jié)構(gòu)層的簡化模型即自由阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，簡化模型中的阻尼層和結(jié)構(gòu)層的厚度比分別設(shè)計(jì)為1∶2，1∶1和2∶1 這3種，試樣編號(hào)分別為D1S2，D1S1和D2S1.同時(shí)，為了與單層混凝土進(jìn)行對(duì)比，分別設(shè)計(jì)了高性能混凝土(high performance concrete， HPC)，HDC 2種對(duì)比材料.

水泥為海螺牌P·O 42.5 水泥；粗骨料為2級(jí)配碎石，其粒徑分別為5～10mm和15～25mm，針片狀含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文所涉及的含量、摻量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4.1%，含泥量為0.9%；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，屬于中砂，含泥量為0.8%，表觀密度2.61g/cm3，泥塊含量0.6%；減水劑為南昌科創(chuàng)建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸類減水劑，減水率≥25%，推薦摻量0.9%～1.2%；石墨粉為天津市登科化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純石墨粉；硅粉為東?？h白塔埠鎮(zhèn)譽(yù)文石英制品有限公司生產(chǎn)的高純微硅粉；羧基丁苯乳液為三和盈工業(yè)有限公司生產(chǎn)，以丁二烯、苯乙烯和少量羧酸及其他助劑，通過乳液聚合反應(yīng)生成的共聚物，是1種帶有藍(lán)紫色光澤的乳白色水分散體.

2.2 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YAW-2000計(jì)算機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，測試抗壓強(qiáng)度時(shí)的加載方向平行于界面結(jié)合區(qū)，試件尺寸為 150mm×150mm×150mm.

阻尼特性試驗(yàn)采用簡支梁自由振動(dòng)法(見圖2).用力錘輕敲試樣，振動(dòng)信號(hào)通過安裝在試樣表面的傳感器進(jìn)入數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，最后用軟件測試振動(dòng)信號(hào)的對(duì)數(shù)衰減率來評(píng)估其阻尼特性，試件尺寸為100mm×100mm×400mm.

圖2 簡支梁自由振動(dòng)法阻尼測試示意圖Fig.2 Sketch of damped test for free vibration of simply supported beam

顯微硬度試驗(yàn)采用上海尚光顯微鏡有限公司生產(chǎn)的 HXS-1000 A 型數(shù)字式智能顯微硬度計(jì)，分別測試高性能混凝土、高阻尼混凝土中界面過渡區(qū)的維氏硬度和基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土中阻尼層-結(jié)構(gòu)層的界面結(jié)合區(qū)的維氏硬度.試驗(yàn)采用維氏(HV)壓頭，鏡頭放大倍數(shù)為100，400，分辨率為0.03μm，測試載荷為98mN，保載時(shí)間為10s.

微觀形貌試驗(yàn)采用FEI公司Quanta 200 F型環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)，分別觀測高性能混凝土、高阻尼混凝土中水泥石與集料界面過渡區(qū)和基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土中阻尼層-結(jié)構(gòu)層的界面結(jié)合區(qū)的微觀形貌，ESEM加速電壓為 10 kV，工作距離(WD)為11.7mm.

3 結(jié)果與分析

3.1 阻尼特性

表1為采用自由振動(dòng)法對(duì)HPC，HDC和3組不同阻尼層厚度比例的GSCDE試件進(jìn)行4次測試，然后取平均值得出的阻尼比結(jié)果.

表1 阻尼比測試結(jié)果

從表1中可以看出：HDC與HPC的阻尼比平均值分別為4.70%和3.62%，HDC阻尼比平均值相比HPC增加了29.8%；D1S2，D1S1，D2S1阻尼比平均值分別為3.96%，4.21%和4.41%，相比HPC分別增加了9.4%，16.3%和21.8%，且阻尼比隨著阻尼層厚度比例的增加而遞增；相比HDC分別減少了15.7%，10.4%和6.2%.

綜上分析可知，GSCDE的阻尼比隨著阻尼層厚度比例的增加呈遞增趨勢，GSCDE的阻尼性能相比HPC有明顯增強(qiáng)，已達(dá)到高阻尼的標(biāo)準(zhǔn).

3.2 抗壓強(qiáng)度

表2為HPC，HDC和3組不同阻尼層厚度比例的GSCDE立方體試件7，28d抗壓強(qiáng)度.

表2 抗壓強(qiáng)度結(jié)果

從表2中可以看出：HDC試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別為40.7，53.8MPa，相比HPC試件7，28d 抗壓強(qiáng)度值分別下降了18.4%和13.5%.D1S2試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別為47.7，58.7 MPa，相比HPC試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別減少了4.4%和5.6%，相比HDC試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別增加了17.2%和9.1%；D1S1試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別為45.9，57.6MPa，相比HPC試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別減少了8.0%和7.4%，相比HDC試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別增加了12.8%、7.1%；D2S1試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別為43.3，55.4MPa，相比HPC試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別減少了15.4%和10.9%，相比HDC試件7，28d抗壓強(qiáng)度值分別增加了6.4%和3.0%；GSCDE的抗壓強(qiáng)度隨阻尼層厚度比例的增加而遞減.

圖3為3種阻尼層厚度比例的GSCDE立方體試件破壞斷面形貌.

圖3 GSCDE立方體試件的破壞斷面形貌Fig.3 Damaged appearance of cube specimens in different thickness ratios of damping layer of GSCDE

從圖3中可以看出：圖3(a)中試件的阻尼層、結(jié)構(gòu)層及界面結(jié)合區(qū)均發(fā)生了明顯破壞，阻尼層和結(jié)構(gòu)層已從界面處斷開；圖3(b)中試件的阻尼層與結(jié)構(gòu)層均未發(fā)生明顯破壞，界面結(jié)合區(qū)只出現(xiàn)了1條輕微裂縫；圖3(c)中試件的阻尼層、結(jié)構(gòu)層及界面結(jié)合區(qū)均未發(fā)生明顯破壞.

綜上分析可知，GSCDE立方體抗壓強(qiáng)度介于HDC和HCP之間，其強(qiáng)度值隨阻尼層厚度比例的增加而降低；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的GSCDE試件抗壓強(qiáng)度均在55.0MPa以上，相比HPC試件抗壓強(qiáng)度沒有下降太多，基本上處于同一水平；隨著阻尼層厚度比例的增加，GSCDE試件發(fā)生破壞時(shí)對(duì)試件阻尼層、結(jié)構(gòu)層及界面結(jié)合區(qū)的損傷程度得到改善.阻尼層厚度比例較高的GSCDE試件不僅具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)其阻尼性能得到大幅度提升，實(shí)現(xiàn)了GSCDE同時(shí)具備高強(qiáng)度和高阻尼性能的目標(biāo).

3.3 界面顯微硬度

采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的試件測試其界面顯微硬度.圖4為HPC和HDC的水泥石與集料界面過渡區(qū)顯微硬度，以水泥石與集料界面為測試零點(diǎn)，往漿體方向測試其顯微硬度.圖5為GSCDE試件界面結(jié)合區(qū)顯微硬度，阻尼層與結(jié)構(gòu)層的界面在0μm處，左側(cè)為阻尼層，右側(cè)為結(jié)構(gòu)層.

從圖4中可以看出：HPC和HDC的顯微硬度值隨距離的增加均呈先降后升的趨勢，并在10μm處取得最小值，分別約為300，200MPa；HDC的顯微硬度變化趨勢相對(duì)于HPC更為平緩.在 10～200μm，HPC顯微硬度值介于300～400MPa，HDC顯微硬度值介于200～300MPa，在相同位置處，HPC的顯微硬度值均比HDC的顯微硬度值高約100MPa.

從圖5中可以看出：從阻尼層到結(jié)構(gòu)層，顯微硬度值基本呈遞增趨勢，且阻尼層的顯微硬度值相對(duì)結(jié)構(gòu)層變化得更為平緩.在-160～-80μm區(qū)間內(nèi)，顯微硬度基本未發(fā)生變化，其值在270MPa左右波動(dòng)；在-80～120μm，顯微硬度值呈線性遞增，并在 120μm 處取得最大值 403MPa；在120～160μm，顯微硬度值呈緩慢下降趨勢.

圖4 水泥石與集料界面過渡區(qū)顯微硬度Fig.4 Microhardness of interface transition zone between cement paste and aggregate

圖5 GSCDE試件界面結(jié)合區(qū)顯微硬度Fig.5 Microhardness of interface bonding zone of GSCDE

綜上分析可知，HPC的水泥石與集料界面過渡區(qū)的顯微硬度高于HDC，說明HDC的材質(zhì)比HPC的材質(zhì)更為均勻，水泥漿體與集料的結(jié)合性能更好.從阻尼層至結(jié)構(gòu)層，GSCDE的顯微硬度值呈逐漸增加的趨勢，在界面結(jié)合區(qū)附近變化平緩，說明阻尼層和結(jié)構(gòu)層之間的界面結(jié)合區(qū)結(jié)合情況良好[17].

3.4 界面區(qū)微觀形貌

圖6為GSCDE界面結(jié)合區(qū)在ESEM下放大 3000，6000和12000倍的微觀形貌，圖中右上方為阻尼層，左下方為結(jié)構(gòu)層.

圖6 GSCDE界面結(jié)合區(qū)ESEM照片F(xiàn)ig.6 ESEM photos of interface bonding zone of GSCDE

從圖6中可以看出：GSCDE中阻尼層和結(jié)構(gòu)層均比較致密，但在阻尼層與結(jié)構(gòu)層之間具有較為明顯的結(jié)合區(qū)域或結(jié)合界限，即界面結(jié)合區(qū).在界面結(jié)合區(qū)中，阻尼層和結(jié)構(gòu)層緊密地結(jié)合在一起，阻尼層與結(jié)構(gòu)層通過界面相互滲透，形成致密、均勻、穩(wěn)定的整體.GSCDE中界面結(jié)合區(qū)的結(jié)合情況良好，有利于提高GSCDE的力學(xué)性能和阻尼特性.

4 結(jié)論

(1)引入梯度功能材料設(shè)計(jì)思路，制備了基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土(GSCDE).與單層高性能混凝土(HPC)或單層高阻尼混凝土(HDC)相比，GSCDE能兼顧阻尼和強(qiáng)度，解決了高阻尼混凝土組合減振結(jié)構(gòu)的一體化問題.

(2)隨著GSCDE阻尼層厚度比例的增加，其阻尼比隨之遞增，抗壓強(qiáng)度則遞減，立方體試件破壞時(shí)外觀的損傷程度得到改善.GSCDE阻尼比達(dá)到3.96%以上,抗壓強(qiáng)度達(dá)到55.0MPa以上.

(3)GSCDE阻尼層和結(jié)構(gòu)層之間的界面顯微硬度從阻尼層到結(jié)構(gòu)層均勻遞增，界面微觀形貌中2種混凝土相互滲透形成致密、均勻、穩(wěn)定的整體.GSCDE中界面結(jié)合區(qū)的結(jié)合情況良好，有利于提高GSCDE的力學(xué)性能和阻尼特性.