混凝土界面因素與阻尼比關系的機理分析

張海捷柯國軍黃友珍夏玉英

（1鄂東職業(yè)技術學院建筑工程系，湖北 黃岡438000；2.南華大學城市建設學院，湖南 衡陽421001）

1 混凝土阻尼概述

從工程應用的角度上講，阻尼是描述工程結構如何將廣義振動的能量轉換成可以耗損的能量的術語，是振動結構能量耗散的各種因素的總稱?；炷潦且环N彈塑性材料，其基本組成為膠凝材料（如水泥）、水、砂子和石子，另外還常加入適量的摻合料和外加劑，它至少包含7個相，即粗骨料、細骨料、未水化水泥顆粒、水泥凝膠、凝膠孔、毛細管孔和引進的氣孔。當混凝土材料受到振動時，內部質點之間，甚至相之間產(chǎn)生摩擦和振動，振動能與內部孔壁發(fā)生摩擦等，使振動能被衰減，這些都是混凝土產(chǎn)生阻尼的原因。

混凝土材料是土木工程中的主要材料，良好減振性能（高阻尼）的混凝土，可較好地緩解偶然荷載、風載、海浪、地震等對建筑物引起的危害，可增強建筑結構的可靠性和舒適性[1]，近年來它的研究內容正在發(fā)生重大轉變，新型高阻尼、高強度混凝土材料的研究是當前功能材料領域的一個熱點課題[2，3]。

2 混凝土界面與界面弱化的提出

眾所周知，混凝土的物理力學性能及其耐久性主要取決于水泥石、骨料及二者的界面結合性能，而水泥石與骨料之間的界面粘結區(qū)域是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，界面的結合情況對混凝土的性能有著重要影響。1962年，J Lyubimove等人[4]首先在細觀級上對界面進行深入研究，提出界面過渡區(qū)的概念。他們用顯微硬度測試技術發(fā)現(xiàn)在靠近骨料表面處，硬度最小，向基體方向移動，硬度逐漸增加，呈梯度變化，到100μm以后達到常數(shù)。界面過渡區(qū)內從骨料表面到水泥漿本體，孔隙率由大到小、晶體粒子由多到少及擇優(yōu)性逐漸變弱等不利的梯度分布現(xiàn)象的疊加構成了界面薄弱區(qū)。可以推斷，骨料-水泥界面同樣是影響混凝土阻尼性能的重要因素之一，本文現(xiàn)就曾有試驗數(shù)據(jù)的基礎上對混凝土界面因素的影響機理做出一定分析。

目前主要界面研究文獻主要旨于提高混凝土強度性能和耐久性能，所以改善這一界面的組成、結構與性能，即界面強化，是大量研究文獻的研究內容。目前改善界面區(qū)微觀結構的方法主要有兩種[5]：一是摻入礦物摻合料；二是從集料表面入手改變這一薄弱的區(qū)域。比如用酸堿溶液對集料表面進行處理，用有機偶合劑或環(huán)氧樹脂涂抹在集料的表面，用礦渣作為集料。

如果減弱骨料-水泥石界面的粘結強度，混凝土抗壓強度將降低，同時增加相之間的摩擦和振動機會，混凝土消耗能量的能力增加，則對提高阻尼性能有利。所以，在不改變普通混凝土的組成成分的條件下，筆者曾通過試驗從骨料界面入手，提出界面弱化的思想，以期為配制高阻尼混凝土打下基礎，并研究界面粘結強度與阻尼比的關系。

3 不同類型骨料界面對阻尼比的影響機理

3.1 不同抗壓強度的骨料界面機理

混凝土內各相之間的振動和摩擦是產(chǎn)生阻尼的主要原因之一，骨料與水泥石之間的界面粘結區(qū)域是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，骨料與水泥石的接觸界面越大，之間振動和摩擦的機會越多，混凝土阻尼比就越大。

隨著混凝土抗壓強度的降低，混凝土試件中的細骨料用量增加，水泥用量減少，所以混凝土的密實度降低，骨料界面的粘結面積增大，在外界激勵下，混凝土內產(chǎn)生阻尼的機會增加。試驗測試結果[6]證明，混凝土阻尼比值隨抗壓強度的提高而降低。

3.2 骨料表面特征的影響

界面的粘結強度很大程度上取決于骨料表面的粗糙程度，表面越粗糙，水泥石與骨料在界面的剪切強度越大，同時粘結區(qū)面積越大，當骨料從規(guī)則的幾何體到毫無規(guī)則的幾何體時，界面粘結強度約提高了3倍[7]。

我們以常見的3種粗骨料：碎石、卵石和輕骨料來分析，其中卵石的表面相對最光滑，且呈惰性，混凝土拌合過程中，骨料表面易形成水膜，阻礙水泥砂漿在骨料表面的附著，所以界面粘結強度相對最?。凰槭?jīng)過破碎加工，其表面有新鮮的缺陷、扭折和錯位以及由于“斷健”而存在表面剩余鍵力，有利于與水泥漿體進行化學反應形成強粘結的界面；而輕骨料粒徑相對最小，則總粘結表面積最大，且輕骨料本身多孔，在新拌混凝土中具有吸水和供水作用，吸水作用使得輕集料附近處于局部低水灰比狀態(tài)，因此減少或避免了集料下部由于內分層作用而形成的“水囊”，避免了界面處Ca(OH)2的富集和定向排列，提高了集料與水泥的界面粘結力，有試驗研究發(fā)現(xiàn)[44]：普通高強水泥混凝土界面過渡區(qū)板狀Ca(OH)2晶體量多于水泥石基體，界面區(qū)存在Ca(OH)2富集現(xiàn)象，界面區(qū)存在較多的裂紋和孔洞；而輕集料混凝土界面區(qū)水泥水化產(chǎn)物的組成與基體基本相同，不存在Ca(OH)2晶體富集和定向排列現(xiàn)象，界面區(qū)基本沒有裂紋，水泥水化產(chǎn)物嵌入輕集料內，形成了水泥與輕集料“嵌套”在一起的整體結構。所以，輕骨料與水泥石的粘結強度較前兩種骨料高。界面粘結模型如圖2所示。

同樣，試驗數(shù)據(jù)[6]證明：在抗壓強度相近的條件下，卵石混凝土阻尼比＞碎石混凝土阻尼比＞輕骨料混凝土阻尼比。所以，界面粘結強度對混凝土阻尼比有重要的影響，阻尼比隨骨料粘結強度的減小而提高，進一步設想，如果對各骨料的表面進行弱化處理，阻尼比應該提高。

3.3 骨料表面涂油對阻尼比的影響機理

對粗骨料表面進行弱化處理有多種方法，從經(jīng)濟角度出發(fā)，可嘗試采用在骨料表面涂抹普通機油的方法。對粗骨料涂油，至少產(chǎn)生兩個方面的影響：第一，機油包裹骨料表面形成油膜，阻礙了骨料的吸水作用，使骨料表面更容易生成水膜，從而阻礙了骨料與水泥石之間化合作用，使骨料與水泥石之間的化學結合層變薄、變弱；第二，涂油后的骨料表面變光滑，與水泥石的機械嚙合力減小。隨著界面粘結強度的減小，涂油后混凝土抗壓強度下降，骨料與水泥石之間的滑動摩擦和振動增加，提高了混凝土消耗能量的能力。

從試驗測得的數(shù)據(jù)[8]得出，在配合比不變的情況下，對粗骨料（以卵石為例）涂油后，混凝土試件抗壓強度下降，而阻尼比明顯提高，結果驗證，界面弱化后阻尼比提高的理論是正確的。

然而弱化界面導致混凝土力學性能下降，這與提高阻尼比形成一對矛盾，混凝土作為土木工程中承重結構材料，研究混凝土阻尼特性時，必須兼顧其抗壓強度和彈性模量等力學性能。試驗[6]也曾選取強度相近的混凝土試件做比較，其中粗骨料涂油試件阻尼比略高于普通試件阻尼比，這體現(xiàn)了高阻尼混凝土的一定優(yōu)勢，但還不夠理想、明顯。所以，如何通過改變骨料界面來配制高阻尼高性能的混凝土，將是混凝土阻尼研究以后的目標，比如對骨料表面進行涂抹環(huán)氧樹脂、瀝青、固化劑、羧基丁苯膠乳等高分子材料。

4 結語

混凝土作為主要的承重結構材料，廣泛應用于各種土木工程中，高阻尼混凝土對建筑物的防震減災，以及降低城市噪聲污染和橋梁風振危害等方面有重要意義，另外隨著高新技術飛速發(fā)展，在航空航天、核技術工程和高精密機床等設備安裝方面，建造有良好減振性能的混凝土基礎和構件，減少外界干擾的影響，確保安裝在混凝土上的儀器設備高精度運行，亦具有極其重要的作用。

高阻尼混凝土材料的研究是從材料的角度出發(fā)，通過提高結構材料的阻尼提高結構自身阻尼，達到改善結構物的動力性能的目的，從而有效地抵抗地震等外部沖擊。骨料-水泥界面同樣是影響混凝土阻尼性能的重要因素之一，當前，從各種角度探尋高阻尼混凝土的研究已悄然興起，可以相信，這將成為未來混凝土的一個重要發(fā)展方向。

[1]Sezan Qrak.Investigation of vibration damping on polymer concrete with polyester resin[J].Cement and concrete research，2000，(30).

[2]張照宇，吳芳.聚合物水泥高性能混凝土的研究[J].蘇州城建環(huán)保學院學報，1998，11(4)

[3]楊志強，王東.聚合物對混凝土結構和性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品，1995，(1).

[4]J.C T Y Lyubimove，E R Pinns.Crystallization Structure in Concrete Contact Zone between aggregate and cement in concrete[J].Colloid T，1962(24).

[5]張勇，丁慶軍，于發(fā)洲等.輕集料混凝土的界面結構研究[J].混凝土，2002(10).

[6]張海捷.骨料界面弱化處理對混凝土阻尼性能影響的試驗與研究[D]南華大學，2007.

[7]杜慶檐.骨料對混凝土強度影響的研究[J].云南建材，1996(4).

[8]柯國軍，張海捷，陳振富，楊曉鋒，石建軍.卵石混凝土阻尼比研究[J].武漢理工大學學報，2007，(10)