用于結構減振的聚合物混凝土試驗研究

曹 暉，陳興華，華建民，胡芝茂

(重慶大學 土木工程學院，山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室(重慶大學)，重慶 400045)

用于結構減振的聚合物混凝土試驗研究

曹 暉，陳興華，華建民，胡芝茂

(重慶大學 土木工程學院，山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室(重慶大學)，重慶 400045)

對于目前工程中新出現的橋梁－建筑合一的大型結構，如何減小運行荷載產生的振動是頗受關注的問題。該研究通過在混凝土中摻入高分子聚合物以提高其阻尼性能達到減振的目的。采用矩形截面簡支梁和以實際大跨復雜箱梁為原型的1/6縮尺模型，分別進行振動測試、靜載試驗和疲勞試驗，對比普通混凝土和聚合物混凝土的阻尼性能、靜力性能和疲勞性能。同時測試基準混凝土和各聚灰比的聚合物混凝土試塊的抗壓強度和彈性模量。試驗結果表明，隨聚灰比的增大混凝土梁的阻尼比大幅增大，試塊抗壓強度和彈性模量略有下降，但滿足規范的要求。聚合物混凝土梁的靜力性能比普通混凝土梁更好，疲勞性能與之相當。聚合物混凝土的施工性能指標如塌落度和擴展度良好。

結構減振;聚合物混凝土;靜力性能;疲勞性能;施工性能

新建的武廣高速客運專線武漢站房工程是目前國內首例上部大型建筑與下部橋梁共同作用的“橋、建合一”的新型結構，樓面系統的多數支承構件和雨棚以及中央網殼的主拱、半拱和斜立柱直接坐落在混凝土軌道梁的橋墩上面［1］。由于列車直接從站房中高速穿過，這些墩上支承的結構會受到比普通列車運行更大的振動作用。這勢必導致橋梁疲勞的加速和相鄰建筑的損傷。因此，有必要采取措施來減小這種振動。

在混凝土中添加高分子聚合物增強摻合料［2，3］，以提高混凝土結構的阻尼比而達到減振目的是目前頗受關注的研究方向。

減振混凝土初期是針對機床和光電設備的支墩。為了減小振動以保證加工的高精度，用聚合物混凝土代替傳統的灰鑄鐵作為支墩。文獻［4］對2005年以前的減振聚合物混凝土在機械和光學工程中的研究應用進行了綜合評述。文獻［5］在聚合物混凝土中加入玻璃纖維，研究其對阻尼比的影響規律。文獻［6］研制出高阻尼減振混凝土，將其應用于上海光源工程電子儲存環設備支墩。

一些學者對適用于結構的高強減振混凝土進行了研究。文獻［7－9］通過試驗對比了不同材料(包括粉煤灰、輕骨料、丁苯膠乳、橡膠粉)對混凝土阻尼值的影響，試圖獲得有較高阻尼，同時又有較高彈性模量和抗壓強度的混凝土。文獻［10］研制了一種配制高強高阻尼混凝土的方法，通過加入硅灰以及對輕集料的預處理有效地提高混凝土的強度和阻尼性能。

文獻［11－13］對聚合物水泥砂漿進行了研究，并進行了聚合物混凝土框架模型的振動臺試驗。結果表明，聚合物苯丙乳液的加入降低了框架結構的剛度，在振動破壞后聚合物混凝土框架的殘余剛度要好于普通混凝土框架。文獻［14，15］通過改變聚合物摻量，并添加纖維、硅粉、石墨等填料進行試驗研究，建議高阻尼混凝土的聚合物最佳摻量為10% ～15%，并通過平面框架的振動臺對比試驗考察了聚合物混凝土的耗能性能。

本文擬在上述已有研究的基礎上，通過調整聚合物的摻量及配制方法，得到組分簡單且滿足施工性能要求的高阻尼聚合物混凝土。通過試驗檢驗其各種受力性能。在混凝土的各項力學性能不明顯下降的前提下，提高其阻尼比以達到結構減振的效果。為類似武漢高速列車站房這種橋建合一的結構體系提供滿足要求的減振混凝土。

1 試驗過程

1.1 試驗梁介紹

本文試驗包括基本材性、動力測試、靜力性能和疲勞性能。靜力性能的構件為4片簡支梁(見圖1)，其中3片分別為摻加膠凝材料重量的10%、13%、15%(即聚灰比分別為0.1、0.13和0.15)的聚合物混凝土梁，代號分別為B10、B13及B15，另1片為普通混凝土基準梁，代號 B00。各梁混凝土按照 C50基準配合比m水泥∶m碎石∶m砂∶m水=1∶2.39∶1.46∶0.32 配制，同時考慮聚合物乳液本身的減水作用。聚合物乳液本身含有消泡劑，故在制備混凝土時未另行添加。

圖1 試驗構件及截面Fig.1 Experimental beam and cross section

以武漢高速列車站房36 m跨度的預應力混凝土簡支箱梁為原型(見圖2)，采用相同的混凝土基準配合比，制作了3個1/6縮尺模型，作為疲勞性能試驗的構件。本文以其中兩個模型為例進行對比，模型1為普通混凝土，模型2為聚灰比為0.13的聚合物混凝土。

圖2 預應力混凝土箱梁Fig.2 Prestressed concrete box girder

聚合物采用上海高橋巴斯夫膠乳有限公司生產的改性羧基丁苯膠乳SD623，含固量為51%。該膠乳無毒、無腐蝕性、不揮發、不燃燒。

1.2 試驗方案

在各試驗梁澆筑過程中，考察混凝土的施工性能，如塌落度和擴展度。每根梁均留置立方體試塊和棱柱體試塊，用于測試抗壓強度和彈性模量。

基本材性試驗為靜力受壓彈性模量和抗壓強度的測試，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081—2002進行。

動力測試是為了獲取鋼筋混凝土簡支梁的自由振動信號，用以識別模態參數。在梁頂支座中心線連線上均勻放置9個加速度傳感器用以記錄梁自由振動的加速度信號(見圖3)。

靜力性能試驗是通過靜力加載獲取簡支梁的荷載—撓度曲線，同時觀察記錄對應于每級荷載的梁體裂縫開展情況。采用三分點加載，用百分表量測梁的撓度。動力測試和靜力加載交替進行，根據各梁的承載能力對加載分級，每級加載穩定后，觀測梁體裂縫開展情況，記錄百分表讀數。然后緩慢卸載，進行動力測試。采用激振錘敲擊梁頂面，由3560D＆pulse數據采集系統采集加速度傳感器的數據，采樣頻率為4 160 Hz。

采用美國MTS810電液伺服式疲勞試驗機對模型梁進行三分點彎曲疲勞加載。利用3根鋼分配梁對箱梁左右兩邊對應軌道的位置同時加載，如圖4所示。荷載幅值為10 t～75 t(約0.07 Mu～0.5 Mu，Mu為模型梁的極限彎矩)，加載頻率1.6 Hz。在模型梁底沿長度方向均勻布置3個百分表。疲勞加載之前和疲勞破壞之后，分別對模型梁進行10 t～75 t的靜載循環。

2 試驗結果分析

2.1 施工性能指標

經過反復試配，得到完全滿足施工性能的聚合物混凝土，其指標如表1所示。

表1 施工性能指標值Tab.1 Indicators of workability

2.2 基本材性

表2給出了各試驗梁的混凝土28天基本材性指標值。彈性模量隨著聚灰比的增加有所下降，當聚灰比達到0.15時，聚合物混凝土的彈性模量較之基準混凝土只下降了11.4%。抗壓強度隨著聚灰比的增加下降幅度大于彈性模量，當聚灰比為0.15時下降量為18.3%。但抗壓強度和彈性模量均滿足C50混凝土的要求。

表2 基本材性指標值Tab.2 Concrete properties

2.3 靜力性能

各梁跨中的荷載－撓度曲線如圖5所示。對比可見，在荷載作用前期(0 kN～8 kN左右)各片梁變形規律完全一致，到了屈服強化階段有所分散。到了后期加入了聚合物的梁在相同荷載作用下撓度要比普通混凝土梁小得多，特別是 B13和 B15，減小幅度接近50%。

試驗梁均以撓度達到跨度的1/50，即90 mm為破壞標準，B10的破壞荷載與基準梁 B00相當，B13和B15的破壞荷載則明顯比B00更高。

同時在試驗過程中發現，盡管所有試驗梁的開裂荷載均為5 kN左右，但是開裂后裂縫的發展卻有很大的不同。基準梁B00在加載的過程中裂縫分布不均勻，在達到破壞前有兩條裂縫突然增寬，其余裂縫未見明顯變化。加入了聚合物的梁在中間1/3跨的純彎段內裂縫均勻分布，并隨著荷載的加大所有裂縫幾乎同步發展，直到最后破壞。

圖5 各試驗梁荷載－位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of beams

2.4 振動特性

采用隨機子空間法對采集的各梁加速度信號進行模態識別，得到所有試驗梁的各階模態參數。以各試驗梁初始狀態為例，聚灰比和前三階模態阻尼比的關系如圖6所示。可見，在混凝土中加入聚合物后梁的阻尼比得到大幅的提升。聚灰比為0.1～0.13時，基頻阻尼比相對基準梁提高了55%，聚灰比為0.15時提高幅度達到200%以上。三階模態阻尼比的變化與基頻阻尼比相近，而二階模態阻尼比隨聚灰比的增長提高幅度更大。

圖6 聚灰比與阻尼比關系Fig.6 Relations of polymer cement ratio and damping ratio

2.5 疲勞性能

由疲勞加載之前的靜載循環得到模型1和模型2的開裂彎矩分別為60 t·m和58 t·m。疲勞試驗測得模型1和模型2的疲勞破壞次數分別為84.9萬次和69.7 萬次。

由于模型梁的截面和配筋很復雜，給制做帶來很大困難。模型2在拆模之后，發現梁底存在缺陷，對外表面修補后進行試驗。因此模型2的疲勞破壞次數比模型1略少。

圖7為疲勞破壞以后，靜載循環中2個模型梁在相同荷載點處撓度對比。由圖可見，模型2的變形比模型1要小一些。此外，模型1和模型2的裂縫開展情況基本相同，疲勞破壞均為非預應力鋼筋拉斷。

綜上可知，聚合物的添加對模型的疲勞壽命沒有負面影響。

圖7 疲勞破壞后靜載循環下跨中撓度對比Fig.7 Comparison of mid－span deflections in the static loading cycle after fatigue failure between model1 and model2

3 結論

(1)本文試驗配制的聚合物混凝土，即羧基丁苯混凝土，對提高混凝土結構的阻尼性能非常有效。隨著聚合物摻量的增加，混凝土結構的阻尼比大幅度提高。當聚灰比為0.15時，聚合物混凝土的阻尼比較之基準的普通混凝土提高2倍以上。

(2)配制的聚合物混凝土不僅具有高阻尼特性，而且保持了作為結構用材料必須具備的基本材性。雖然其抗壓強度和彈性模量隨聚合物摻量的增加而小幅下降，但即便是聚灰比為0.15的聚合物混凝土也能滿足規范對其抗壓強度和彈性模量的要求。

(3)配制的聚合物混凝土，其構件的靜力性能較普通混凝土構件有明顯的改善，表現為構件在靜載作用下的裂縫開展更均勻，截面屈服后撓度更小;其構件的疲勞性能與普通混凝土構件相當。

(4)配制的聚合物混凝土完全滿足混凝土施工性能的要求，即具有良好的擴展度和塌落度。

［1］顏 鋒，錢基宏，趙鵬飛，等.武漢火車站高速列車對建筑結構的振動影響研究［J］.建筑結構，2009，39(1):25－29.

［2］Fowler D W.Polymers in Concrete:A Vision for the 21stCentury［J］.Cement＆ Concrete Composites，1999，(21):449－452.

［3］Kardon J B.Polymer-Modified Concrete:Review［J］.Journal of Materials in Civil Engineering， May，1997，85－92.

［4］Amick H，Monteiro P J M.Modification of concrete damping properties forvibration controlin technology facilities.Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering，2005，5933:1 －12.

［5］ Bai W F，Zhang J H，Yan P，et al.Study on vibration alleviating properties of glass fiber reinforced polymer concrete through orthogonal tests［J］.Materials and Design，2009，30(4):1417－1421.

［6］上海寶冶工程技術公司.一種高阻尼減振水泥混凝土［P］.CN200710043025.X.2008－12－31.

［7］柯國軍，胡紹全，郭長青，等.羧基丁苯膠水泥混凝土阻尼值的探索性研究［J］.四川建筑科學研究，2003，29(4):60－63.

［8］柯國軍，郭長青，陳振富，等.混凝土阻尼比研究［J］.建筑材料學報，2004，7(1):35－40.

［9］陳振富，柯國軍，胡紹全，等.羧基丁苯聚合物混凝土小變形阻尼研究［J］.防災減災工程學報，2003，23(4):41－44.

［10］武漢理工大學.高強高阻尼混凝土的制備方法［P］.CN101172820.2008－5－7.

［11］劉鐵軍，歐進萍.水泥砂漿構件強度和阻尼增強摻料及試驗［J］.低溫建筑技術，2003，(1):7－9.

［12］劉鐵軍，歐進萍.聚合物水泥砂漿阻尼性能的研究［J］.新型建筑材料，2003(4):7－9.

［13］劉鐵軍，歐進萍.高阻尼混凝土框架的動力特性與抗震試驗［J］.地震工程與工程振動，2008，28(2):72－76.

［14］萬澤青.高阻尼混凝土的試驗研究及其在結構耗能減震中的應用［A］.揚州大學，2005.

［15］錢 勇.局部聚合物混凝土結構動力學性能研究［A］.揚州大學，2006.

Tests of polymer concrete used for structural vibration mitigation

CAO Hui，CHEN Xing-hua，HUA Jian-min，HU Zhi-mao

(College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China)

It is essential for a newly emerging combined structure of railway-bridge and building to alleviate vibration induced by a high speed train.A kind of polymer was mixed with concrete to improve its damping.A series of experiments including vibration test，static loading one and fatigue one were carried out on small specimens，simply supported beams and reduced scale models of a real long span box girder to measure the compression strength，static modulus and damping and to compare the static and fatigue performance of ordinary concrete and polymer concrete.The test results showed that the damping ratio increases with increase in ratio of polymer and cement，but the compression strength and static modulus decrease a little;the static performance of the polymer concrete beams is better than that of the ordinary concrete ones，and the fatigue behavior of the former is the same as that of the latter;the workability of the polymer concrete including slump and slump flow is good.

structural vibration mitigation;polymer concrete;static behavior;fatigue behavior;workability

TU311

A

中央高校基本科研業務費(CDJZR10200001)

2010－01－12 修改稿收到日期:2010－03－22

曹 暉 男，教授，博士生導師，1969年3月生