基于阻尼增强的梯度结构混凝土的 阻尼特性和界面性能

王信刚， 吴 链， 卢 峰

(南昌大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330031)

阻尼是反映材料与结构减振性能的重要指标，是衡量控制振动能力的重要手段.混凝土材料与结构的阻尼减振一直是混凝土领域的研究热点，也是工程界长期关注的焦点.混凝土材料本身阻尼低，且与其强度、刚度等存在不可兼得的矛盾[1-2]，通常情况下提高混凝土材料的阻尼，就会降低其强度和刚度.

国内外关于混凝土材料与结构的阻尼减振研究主要集中在2个方面：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组分来提高混凝土材料的阻尼性能，比如向混凝土中引入有机聚合物类高阻尼材料，同时引入纤维、硅粉和石墨来对水泥进行改性[3-6]，或者向混凝土中引入橡胶、固体聚合物等颗粒材料，同时采用集料预处理技术对集料进行改性[7-10]；另一方面是混凝土结构阻尼减振研究，目前主要是通过附加阻尼装置来提高混凝土结构阻尼性能，从而达到减振目的[11].与此同时，采用高阻尼混凝土(high damping concrete, HDC)来提高混凝土结构阻尼性能的研究，基本上都是结构整体采用HDC的思路，而部分或局部采用HDC的研究并不多见[12-14]，对HDC材料在减振结构中的组合问题，特别是HDC组合减振结构一体化方面的研究也是刚刚起步.

本文针对HDC组合减振结构的一体化问题，引入梯度功能设计思路，提出基于阻尼增强的梯度结构混凝土(gradient structural concrete based on damping enhancement， GSCDE)，深入研究基于阻尼增强的梯度结构混凝土的阻尼特性和界面性能.

1 GSCDE设计

基于阻尼增强的梯度结构混凝土，是指引入梯度功能材料设计思路，在结构设计中借鉴约束阻尼结构，分别设置约束层、阻尼层和结构层3个功能层.在材料设计中约束层采用具有高抗裂性和高抗氯离子渗透性的水泥基材料，阻尼层采用通过阻尼增强技术制备的新型高阻尼混凝土，结构层采用高性能混凝土，各功能层之间采用偶联剂或压印法进行界面改性处理.上述3个功能层通过材料、结构、功能的统一设计，共同构成基于阻尼增强的梯度结构混凝土[15-16].图1是基于阻尼增强的梯度结构混凝土示意图.

图1 基于阻尼增强的梯度结构混凝土示意图Fig.1 Schematic of GSCDE

基于阻尼增强的梯度结构混凝土实现了混凝土材料与结构阻尼减振的一体化，体现了混凝土功能/结构一体化的设计思路，解决了高阻尼混凝土组合减振结构的一体化问题.基于阻尼增强的梯度结构混凝土在兼顾阻尼和强度、刚度的同时，也能显著降低工程造价.

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

为了便于研究基于阻尼增强的梯度结构混凝土的阻尼特性和界面性能，本文采用只设置阻尼层和结构层的简化模型即自由阻尼结构进行研究，简化模型中的阻尼层和结构层的厚度比分别设计为1∶2，1∶1和2∶1 这3种，试样编号分别为D1S2，D1S1和D2S1.同时，为了与单层混凝土进行对比，分别设计了高性能混凝土(high performance concrete， HPC)，HDC 2种对比材料.

水泥为海螺牌P·O 42.5 水泥；粗骨料为2级配碎石，其粒径分别为5～10mm和15～25mm，针片状含量(质量分数，本文所涉及的含量、掺量等均为质量分数)为4.1%，含泥量为0.9%；细骨料为天然河砂，细度模数2.6，属于中砂，含泥量为0.8%，表观密度2.61g/cm3，泥块含量0.6%；减水剂为南昌科创建材有限公司生产的聚羧酸类减水剂，减水率≥25%，推荐掺量0.9%～1.2%；石墨粉为天津市登科化学试剂有限公司生产的分析纯石墨粉；硅粉为东海县白塔埠镇誉文石英制品有限公司生产的高纯微硅粉；羧基丁苯乳液为三和盈工业有限公司生产，以丁二烯、苯乙烯和少量羧酸及其他助剂，通过乳液聚合反应生成的共聚物，是1种带有蓝紫色光泽的乳白色水分散体.

2.2 试验方法

抗压强度试验采用YAW-2000计算机控制全自动压力试验机，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行，测试抗压强度时的加载方向平行于界面结合区，试件尺寸为 150mm×150mm×150mm.

阻尼特性试验采用简支梁自由振动法(见图2).用力锤轻敲试样，振动信号通过安装在试样表面的传感器进入数据收集系统，再对信号进行滤波处理，最后用软件测试振动信号的对数衰减率来评估其阻尼特性，试件尺寸为100mm×100mm×400mm.

图2 简支梁自由振动法阻尼测试示意图Fig.2 Sketch of damped test for free vibration of simply supported beam

显微硬度试验采用上海尚光显微镜有限公司生产的 HXS-1000 A 型数字式智能显微硬度计，分别测试高性能混凝土、高阻尼混凝土中界面过渡区的维氏硬度和基于阻尼增强的梯度结构混凝土中阻尼层-结构层的界面结合区的维氏硬度.试验采用维氏(HV)压头，镜头放大倍数为100，400，分辨率为0.03μm，测试载荷为98mN，保载时间为10s.

微观形貌试验采用FEI公司Quanta 200 F型环境扫描电子显微镜(ESEM)，分别观测高性能混凝土、高阻尼混凝土中水泥石与集料界面过渡区和基于阻尼增强的梯度结构混凝土中阻尼层-结构层的界面结合区的微观形貌，ESEM加速电压为 10 kV，工作距离(WD)为11.7mm.

3 结果与分析

3.1 阻尼特性

表1为采用自由振动法对HPC，HDC和3组不同阻尼层厚度比例的GSCDE试件进行4次测试，然后取平均值得出的阻尼比结果.

表1 阻尼比测试结果

从表1中可以看出：HDC与HPC的阻尼比平均值分别为4.70%和3.62%，HDC阻尼比平均值相比HPC增加了29.8%；D1S2，D1S1，D2S1阻尼比平均值分别为3.96%，4.21%和4.41%，相比HPC分别增加了9.4%，16.3%和21.8%，且阻尼比随着阻尼层厚度比例的增加而递增；相比HDC分别减少了15.7%，10.4%和6.2%.

综上分析可知，GSCDE的阻尼比随着阻尼层厚度比例的增加呈递增趋势，GSCDE的阻尼性能相比HPC有明显增强，已达到高阻尼的标准.

3.2 抗压强度

表2为HPC，HDC和3组不同阻尼层厚度比例的GSCDE立方体试件7，28d抗压强度.

表2 抗压强度结果

从表2中可以看出：HDC试件7，28d抗压强度值分别为40.7，53.8MPa，相比HPC试件7，28d 抗压强度值分别下降了18.4%和13.5%.D1S2试件7，28d抗压强度值分别为47.7，58.7 MPa，相比HPC试件7，28d抗压强度值分别减少了4.4%和5.6%，相比HDC试件7，28d抗压强度值分别增加了17.2%和9.1%；D1S1试件7，28d抗压强度值分别为45.9，57.6MPa，相比HPC试件7，28d抗压强度值分别减少了8.0%和7.4%，相比HDC试件7，28d抗压强度值分别增加了12.8%、7.1%；D2S1试件7，28d抗压强度值分别为43.3，55.4MPa，相比HPC试件7，28d抗压强度值分别减少了15.4%和10.9%，相比HDC试件7，28d抗压强度值分别增加了6.4%和3.0%；GSCDE的抗压强度随阻尼层厚度比例的增加而递减.

图3为3种阻尼层厚度比例的GSCDE立方体试件破坏断面形貌.

图3 GSCDE立方体试件的破坏断面形貌Fig.3 Damaged appearance of cube specimens in different thickness ratios of damping layer of GSCDE

从图3中可以看出：图3(a)中试件的阻尼层、结构层及界面结合区均发生了明显破坏，阻尼层和结构层已从界面处断开；图3(b)中试件的阻尼层与结构层均未发生明显破坏，界面结合区只出现了1条轻微裂缝；图3(c)中试件的阻尼层、结构层及界面结合区均未发生明显破坏.

综上分析可知，GSCDE立方体抗压强度介于HDC和HCP之间，其强度值随阻尼层厚度比例的增加而降低；标准养护28d后的GSCDE试件抗压强度均在55.0MPa以上，相比HPC试件抗压强度没有下降太多，基本上处于同一水平；随着阻尼层厚度比例的增加，GSCDE试件发生破坏时对试件阻尼层、结构层及界面结合区的损伤程度得到改善.阻尼层厚度比例较高的GSCDE试件不仅具有较高的强度，同时其阻尼性能得到大幅度提升，实现了GSCDE同时具备高强度和高阻尼性能的目标.

3.3 界面显微硬度

采用标准养护28d后的试件测试其界面显微硬度.图4为HPC和HDC的水泥石与集料界面过渡区显微硬度，以水泥石与集料界面为测试零点，往浆体方向测试其显微硬度.图5为GSCDE试件界面结合区显微硬度，阻尼层与结构层的界面在0μm处，左侧为阻尼层，右侧为结构层.

从图4中可以看出：HPC和HDC的显微硬度值随距离的增加均呈先降后升的趋势，并在10μm处取得最小值，分别约为300，200MPa；HDC的显微硬度变化趋势相对于HPC更为平缓.在 10～200μm，HPC显微硬度值介于300～400MPa，HDC显微硬度值介于200～300MPa，在相同位置处，HPC的显微硬度值均比HDC的显微硬度值高约100MPa.

从图5中可以看出：从阻尼层到结构层，显微硬度值基本呈递增趋势，且阻尼层的显微硬度值相对结构层变化得更为平缓.在-160～-80μm区间内，显微硬度基本未发生变化，其值在270MPa左右波动；在-80～120μm，显微硬度值呈线性递增，并在 120μm 处取得最大值 403MPa；在120～160μm，显微硬度值呈缓慢下降趋势.

图4 水泥石与集料界面过渡区显微硬度Fig.4 Microhardness of interface transition zone between cement paste and aggregate

图5 GSCDE试件界面结合区显微硬度Fig.5 Microhardness of interface bonding zone of GSCDE

综上分析可知，HPC的水泥石与集料界面过渡区的显微硬度高于HDC，说明HDC的材质比HPC的材质更为均匀，水泥浆体与集料的结合性能更好.从阻尼层至结构层，GSCDE的显微硬度值呈逐渐增加的趋势，在界面结合区附近变化平缓，说明阻尼层和结构层之间的界面结合区结合情况良好[17].

3.4 界面区微观形貌

图6为GSCDE界面结合区在ESEM下放大 3000，6000和12000倍的微观形貌，图中右上方为阻尼层，左下方为结构层.

图6 GSCDE界面结合区ESEM照片Fig.6 ESEM photos of interface bonding zone of GSCDE

从图6中可以看出：GSCDE中阻尼层和结构层均比较致密，但在阻尼层与结构层之间具有较为明显的结合区域或结合界限，即界面结合区.在界面结合区中，阻尼层和结构层紧密地结合在一起，阻尼层与结构层通过界面相互渗透，形成致密、均匀、稳定的整体.GSCDE中界面结合区的结合情况良好，有利于提高GSCDE的力学性能和阻尼特性.

4 结论

(1)引入梯度功能材料设计思路，制备了基于阻尼增强的梯度结构混凝土(GSCDE).与单层高性能混凝土(HPC)或单层高阻尼混凝土(HDC)相比，GSCDE能兼顾阻尼和强度，解决了高阻尼混凝土组合减振结构的一体化问题.

(2)随着GSCDE阻尼层厚度比例的增加，其阻尼比随之递增，抗压强度则递减，立方体试件破坏时外观的损伤程度得到改善.GSCDE阻尼比达到3.96%以上,抗压强度达到55.0MPa以上.

(3)GSCDE阻尼层和结构层之间的界面显微硬度从阻尼层到结构层均匀递增，界面微观形貌中2种混凝土相互渗透形成致密、均匀、稳定的整体.GSCDE中界面结合区的结合情况良好，有利于提高GSCDE的力学性能和阻尼特性.