再生混凝土材料阻尼性能研究

梁超鋒，劉鐵軍，鄒篤建，楊秋偉，馮 麗

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程系，浙江 紹興 312000;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，深圳 518055;3.清華大學(xué) 深圳研究生院，深圳 518055)

廢棄混凝土經(jīng)破碎、清洗及篩分分級并按一定配比可得再生骨料，作為部分或全部骨料可配制再生混凝土，摻加粉煤灰、礦渣、硅粉、聚丙烯纖維等可改善其工作、強(qiáng)度、耐久等性能。廢棄混凝土的循環(huán)再利用，可解決填埋處理問題，緩解天然骨料日益匱乏及大量砂石開采對生態(tài)環(huán)境的破壞，且綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。再生混凝土技術(shù)已成為國內(nèi)外研究熱點之一。

對再生骨料的生產(chǎn)工藝及其強(qiáng)化與再生混凝土基本物理力學(xué)性能、耐久性、基本構(gòu)件受力等，已有大量試驗研究［1-6］。而阻尼作為材料重要的性能指標(biāo)之一，對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及損傷與破壞有重要影響，但研究再生混凝土阻尼性能的文獻(xiàn)較少見。混凝土作為復(fù)合型材料，離散性大，振動阻尼耗能機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，主要包括:骨料強(qiáng)度和粒徑、縱筋的配筋率、配箍率、混凝土強(qiáng)度、干濕狀態(tài)、應(yīng)力幅值、振動頻率、各種改性摻和料性能及內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)等［7-13］。而再生混凝土中的再生骨料性能有別于天然骨料，其阻尼機(jī)理值得探討。

本文實驗研究再生粗骨料的取代率、粒徑、改性摻合料、振動頻率及激振力幅值等因素對再生混凝土彈性階段阻尼性能影響，初步探討其阻尼機(jī)理。

1 實驗

1.1 試件制作

1.1.1 原材料

實驗用原材料包括 42.5普通硅酸鹽水泥(Cement，C)、天然中砂 (Natural Sand，NS)、4種粗骨料、聚丙烯纖維 (Polypropylene Fiber，PF)、微硅粉(Micro Silica Fume，MSF)、鋼纖維 (Steel Fiber，SF)、20目橡膠粉(Rubber Powder，RP)、Ⅱ級粉煤灰 (Fly Ash，F(xiàn)A)、超細(xì)礦粉 (Ultrafine Slag，US)及減水劑(Water Reducer，WR)等。4種粗骨料分別為:粒徑5～20 mm天然碎石 (Natural Crushed Stone，NCS)，粒徑5～20 mm、5～10 mm、10～20 mm 再生粗骨料，分別記為RCA1、RCA2、RCA3。粗骨料基本性能見表1。

表1 粗骨料的性能Tab.1 Properties of coarse aggregates

再生粗骨料在破碎過程中會遭受損傷，裂隙多，且硬化水泥砂漿含量較高，導(dǎo)致該粗骨料密度低、吸水率大、壓碎指標(biāo)高、強(qiáng)度較天然粗骨料低。

1.1.2 試件設(shè)計及配比

設(shè)計 10組試件，包括 RCA取代率 0%、30%、50%、70%的試件4組(粗骨料粒徑5～20 mm)，分別記為S1～S4;再生粗骨料分別為 RCA1、RCA2、RCA3的試件3組(RCA取代率100%)，記為 S5～S7;復(fù)摻PF+MSF、RP+SF、FA+US的綜合改性試件3組(RCA粒徑5～20 mm，取代率100%)，記為S8～S10。每組各制作2根試件，尺寸80×80×1 000 mm3。

各組試件再生混凝土配比如表2所示。實測各組混凝土塌落度為30 mm左右，基本一致。

表2 再生混凝土配合比Tab.2 Recycled concrete composition

W為拌含水率;AW為附加用水;附加用水以考慮RCA的高吸水率特性。

再生混凝土試件由機(jī)械攪拌、振搗成型，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后測試。

1.2 測試方法

材料阻尼性能試驗在自主研發(fā)的三點彎曲梁式大尺寸材料阻尼測試裝置(專利號:20061001 00058)上進(jìn)行。測試程序為:信號發(fā)生器產(chǎn)生1.0～2.5 Hz正弦信號，經(jīng)功率放大器后由200 N電磁激振器在簡支梁跨中施加交變荷載，實際加載力由安裝于梁底的力傳感器測得，而梁跨中位移由安裝于梁上方的非接觸式激光位移傳感器測得。所測數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換與處理可得再生混凝土材料的損耗因子、損耗模量及彈性模量［14］。

2 結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)度

由100 mm立方體試塊測試所得再生混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度見表3。由表3可見，隨RCA取代率的增加，抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度均下降，當(dāng)RCA取代率超過50%后，強(qiáng)度下降顯著。S5的抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度相比于S1，分別下降19.2%、20.0%，而 S3僅降低2.0%、3.4%。因此，再生粗骨料用于結(jié)構(gòu)性材料時的取代率不宜超過50%。

表3 再生混凝土強(qiáng)度Tab.3 Recycled concrete strength

再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨RCA平均粒徑的增大而增大。S7、S5的抗壓強(qiáng)度相比于S6分別增加13.9%、1.2%。再生粗骨料平均粒徑越大，破碎時的損傷越小，裂隙越少，且舊硬化水泥砂漿的相對含量越小，骨料強(qiáng)度與相應(yīng)再生混凝土強(qiáng)度越高。

各改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度相比于S5，S8、S9、S10的抗壓強(qiáng)度分別下降 25.4%、38.8%、10.0%。復(fù)摻PF+MSF改性的S8，附加水用量大，實際水灰比顯著增大;復(fù)摻RP+SF改性的S9，橡膠粉本身強(qiáng)度極低，且與水泥砂漿的界面粘結(jié)強(qiáng)度極弱;復(fù)摻FA+US改性的S10，等量取代42.5水泥的粉煤灰和礦粉活性不及相應(yīng)水泥活性，導(dǎo)致各改性再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的下降。鋼纖維對劈裂強(qiáng)度的增強(qiáng)效果顯著，S9的劈裂強(qiáng)度相比于S5增加6.4%。

2.2 阻尼性能

再生混凝土材料損耗因子見表4。

表4 再生混凝土材料損耗因子Tab.4 Loss tangent of recycled concrete

為清晰反映各因素對再生混凝土阻尼性能影響規(guī)律，對實驗數(shù)據(jù)做處理:① 用S1～S10的平均損耗因子反映激振力頻率及幅值的影響規(guī)律;② 用200 N激振力幅值作用下1.0～2.5 Hz的平均損耗因子反映RCA取代率、RCA粒徑及復(fù)摻改性材料的影響規(guī)律。

2.2.1 再生粗骨料取代率影響

RCA取代率對再生混凝土阻尼性能影響見圖1。再生混凝土損耗因子隨RCA取代率的增加而增加，RCA取代率為30%、50%、70%、100%時的損耗因子相比于0%(即普通混凝土)時分別增加3.5%、3.2%、8.3%、7.5%。

2.2.2 再生粗骨料粒徑影響

RCA粒徑對再生混凝土阻尼性能影響見圖2。RCA平均粒徑越大，損耗因子越小。RCA粒徑為5～20 mm、10～20 mm時的損耗因子相比于RCA粒徑5～10 mm 時分別下降 2.0%、10.0%。

圖1 損耗因子隨RCA取代率變化Fig.1 Loss tangent changes with the replacement ratio of RCA

圖2 損耗因子隨RCA粒徑變化Fig.2 Loss tangent changes with the nominal dimension of RCA

2.2.3 復(fù)摻改性材料影響

復(fù)摻改性材料對再生混凝土阻尼性能影響見圖3。改性后再生混凝土損耗因子均有提高，復(fù)摻鋼纖維+橡膠粉、粉煤灰+礦粉改性后的損耗因子相比于改性前增加45.8%、30.3%，阻尼增強(qiáng)效果顯著。

2.2.4 激振力頻率影響

激振力頻率對再生混凝土阻尼性能影響見圖4。由圖4可見，在常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)振動頻率1.0～2.5 Hz范圍，再生混凝土損耗因子隨激振頻率的增加而降低，且在1.0 ～1.5 Hz時下降較快。

圖3 改性再生混凝土損耗因子(NMA為無改性摻合料)Fig.3 Loss tangent of the modified recycled concretes(NMA=No Modified Additive)

圖4 損耗因子隨激振頻率的變化Fig.4 Loss tangent changes with exciting frequency

2.2.5 激振力幅值影響

激振力幅值對再生混凝土阻尼性能影響見圖5。由圖5可見，彈性階段，再生混凝土損耗因子隨激振力幅值的增加而有所增加，100 N、150 N、200 N時的損耗因子相比于50 N 時分別增加 2.5%、4.3%、10.3%。因200 N激振力接近于簡支梁初始裂紋產(chǎn)生階段，故阻尼增長較快。

圖5 損耗因子隨激振力幅值的變化Fig.5 Loss tangent changes with exciting force amplitude

2.3 阻尼機(jī)理初探

再生粗骨料在破碎過程中受損，導(dǎo)致表面舊硬化水泥砂漿內(nèi)及砂漿與天然骨料間的舊界面層產(chǎn)生裂隙;由于再生粗骨料表面包覆的舊硬化水泥砂漿表層強(qiáng)度低，吸水率高及未經(jīng)沖洗的再生粗骨料表面覆蓋粉塵，導(dǎo)致再生粗骨料與新硬化水泥砂漿間存在薄弱界面層。微觀試驗表明，該界面過渡區(qū)有大量氫氧化鈣的定向結(jié)晶與鈣礬石晶體，孔隙大，結(jié)構(gòu)疏松［5，15］。振動過程中該界面層產(chǎn)生粘滯滑移變形［16］及裂隙間內(nèi)摩擦及存在拉應(yīng)力與剪應(yīng)力集中［17］，致使內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展等因素均增加了阻尼耗能，因而再生混凝土損耗因子隨RCA取代率的增加而增加。

再生粗骨料質(zhì)量相同情況下，其平均粒徑越大，RCA表面積越小，則薄弱界面層相對面積亦越小;RCA平均粒徑越大，其表面粗糙度增加(因粒徑越小，越接近球形，表面相對圓滑，粗糙度減小)，使RCA與新硬化水泥砂漿間的機(jī)械咬合作用增強(qiáng)，即界面層有所增強(qiáng)。以上兩種效應(yīng)疊加使再生混凝土的損耗因子隨RCA平均粒徑的增大而減小。

復(fù)摻鋼纖維與橡膠粉的阻尼增強(qiáng)機(jī)理為:① 橡膠為高分子粘彈性材料，振動中高分子鏈段的伸縮運(yùn)動增加了鏈段間的內(nèi)摩擦作用，將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，消耗能量;② 橡膠粉與水泥石界面較薄弱(因橡膠為憎水性材料，與無機(jī)膠凝材料無浸潤)，振動中界面間摩擦作用增加耗能;③ 由于橡膠粉的填充效應(yīng)及彈性性能，有效改善了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，起到柔性緩沖作用，增加了阻尼耗能。

復(fù)摻粉煤灰和超細(xì)礦粉的阻尼增強(qiáng)效應(yīng)主要歸因于FA和US的比表面積大，增加了顆粒與顆粒、顆粒與水泥砂漿的界面面積，界面間的滑動摩擦作用增加了阻尼耗能［8］;而粉煤灰中部分為中空球形顆粒，內(nèi)含空氣或氣體［18］，振動中球內(nèi)空氣作用力及空氣與球殼間的摩擦作用將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，消耗振動能量［13］。因微硅粉摻量僅為FA、US摻量的1/6，故界面摩擦作用所致阻尼增強(qiáng)效應(yīng)不明顯。

混凝土本身為弱粘彈性材料，表現(xiàn)出一定粘性流體特性。激振力幅值越大，其流體粘滯效應(yīng)越強(qiáng)，材料內(nèi)摩擦作用也越強(qiáng)，故再生混凝土損耗因子隨激振力幅值的增大而增大。激振力頻率越小，混凝土流體粘滯效應(yīng)與材料內(nèi)摩擦作用表現(xiàn)越充分，阻尼耗能也越強(qiáng)。

3 結(jié)論

通過再生混凝土材料在彈性階段的三點彎曲阻尼性能測試表明:

(1)再生混凝土的損耗因子隨RCA取代率的增加而增加，與普通混凝土相比，損耗因子增加約3%～10%;

(2)再生混凝土損耗因子隨RCA平均粒徑的增大而降低，單粒級RCA(10～20 mm)時的損耗因子下降顯著，約為10%;

(3)復(fù)摻SF+RP、FA+US改性后的再生混凝土損耗因子相比于改性前增加45.8%、30.3%，阻尼增強(qiáng)效果顯著;

(4)再生混凝土損耗因子在地震頻率1.0～2.5 Hz范圍內(nèi)，隨激振頻率的增加而減小，隨激振力幅值的增加而增加。

(5)RCA與新硬化水泥砂漿間薄弱界面層的粘滯滑移變形及RCA內(nèi)部裂隙間的內(nèi)摩擦增加了再生混凝土阻尼耗能;橡膠粉的粘彈性、填充效應(yīng)及與水泥砂漿界面內(nèi)摩擦可致阻尼增強(qiáng);增加界面面積、界面間的滑動摩擦作用、中空FA顆粒內(nèi)部空氣振動均為復(fù)摻FA與US阻尼增強(qiáng)的原因。

(6)當(dāng)再生混凝土用作結(jié)構(gòu)性材料時，應(yīng)綜合考慮強(qiáng)度與阻尼性能，宜采用連續(xù)級配的RCA，且取代率不宜超過50%;也可復(fù)摻FA+US進(jìn)行再生混凝土綜合改性。

［1］ Xiao J Z，Li J B，Zhang C.On relationships between the mechanical properties of recycled aggregate concrete:an overview［J］.Materials and Structures，2006，39(6):655-664.

［2］Hong S U，Lee Y T，Kim S H，et al.Strength properties of recycled aggregate concrete mixed with polypropylene fiber［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，147(28):28-31.

［3］Kou S C，Poon C S.Effect of quality of parent concrete on the mechanical properties of high performance recycled aggregate concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2012，40(1):7-11.

［4］Levy S M，Helene P.Durability of recycled aggregates concrete:a safe way to sustainable development［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(11):1975-1980.

［5］劉數(shù)華，閻培渝.高性能再生骨料混凝土的性能與微結(jié)構(gòu)［J］.硅酸鹽學(xué)報，2007，35(4):456-460.

LIU Shu-hua，YAN Pei-yu.Properties and microstructure of high performance recycled aggregate concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2007，35(4):456-460.

［6］ Corinaldesi V，Letelier V，Moriconi G.Behaviour of beamcolumn joints made of recycled aggregate concrete under cyclic loading ［J］.Construction and Building Material，2011，25(4):1877-1882.

［7］ Lazan B J.Damping of material and members in structural mechanics［M］.London:Pergamon Press，1968.

［8］ Chung D D L.Structural composite materials tailored for damping［J］.Journal of Alloys and Compounds，2003，355(1-2):216-223.

［9］文 捷，王元豐.鋼筋混凝土懸臂梁材料阻尼值計算［J］.土木工程學(xué)報，2008，41(2):77-80.

WEN Jie， WANG Yuan-feng. Calculation ofmaterial damping of reinforced concrete cantilever beams［J］.China Civil Engineering Journal，2008，41(2):77-80.

［10］梁超鋒，劉鐵軍，鄒篤建.配筋對鋼筋混凝土阻尼性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2011，14(6):839-843.

LIANG Chao-feng，LIU Tie-jun，ZOU Du-jian.Effect of bar arrangement on damping behavior of reinforced concrete［J］.Journal of Building Material，2011，14(6):839-843.

［11］鄒篤建，劉鐵軍，滕 軍，等.表面改性技術(shù)對纖維混凝土阻尼性能影響試驗研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2010，42(2):186-190.

ZOU Du-jian，LIU Tie-jun，TENG Jun，et al.Experimental investigation on damping capacity of hybrid fiber reinforced concrete affected by surface treatment［J］.J Xi’an Univ.of Arch and Tech，2010，42(2):186-190.

［12］柯國軍，郭長青，胡邵全，等.混凝土阻尼比研究［J］.建筑材料學(xué)報，2004，7(1):35-40.

KE Guo-jun，GUO Chang-qing，HU Shao-quan，et al.Study on the damping ratio of concrete［J］.Journal of Building Material，2004，7(1):35-40.

［13］ Gu J，Wu G H，Zhang Q.Effect of porosity on the damping properties of modified epoxy composites filled with fly ash［J］.Scripta Materialia，2007，57(6):529-532.

［14］歐進(jìn)萍，劉鐵軍，梁超鋒.復(fù)合纖維增強(qiáng)混凝土阻尼測試裝置開發(fā)與試驗研究［J］.實驗力學(xué)，2006，21(4):403-410.

OU Jin-ping，LIU Tie-jun，LIANG Chao-feng.Development of damping measuring instrument and experimental research for hybrid fiberreinforced concretes［J］.Journalof Experimental Mechanics，2006，21(4):403-410.

［15］ Poon C S，Shui Z H，Lam L.Effect of microstructure of ITZ on compressive strength of concrete prepared with recycled aggregates［J］.Construction and Building Material，2004，18(6):461-468.

［16］柯國軍，代 明，彭 紅，等.粗骨料表面經(jīng)黏彈性處理后的混凝土阻尼比［J］.建筑材料學(xué)報，2009，12(5):605-608.

KE Guo-jun，DAI Ming，PENG Hong，et al.Damping ratio of concrete after its coarse aggregate surfaceis treated by viscoelastic materials［J］.Journal of Building Material，2009，12(5):605-608.

［17］李文貴，肖建莊，袁俊強(qiáng).模型再生混凝土單軸受壓應(yīng)力分布特征［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2012，40(6):906-913.

LI Wen-gui，XIAO Jian-zhuang，YUAN Jun-qiang.Journal of Tongji University，2012，40(6):906-913.

［18］ Baumeister E，Klaeger S，Kaldos A.Lightweight，hollowsphere-composite(HSC)materials for mechanical engineering applications［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，155-156(30):1839-1846.