用于結(jié)構(gòu)減振的聚合物混凝土試驗(yàn)研究

曹 暉，陳興華，華建民，胡芝茂

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400045)

用于結(jié)構(gòu)減振的聚合物混凝土試驗(yàn)研究

曹 暉，陳興華，華建民，胡芝茂

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400045)

對(duì)于目前工程中新出現(xiàn)的橋梁－建筑合一的大型結(jié)構(gòu)，如何減小運(yùn)行荷載產(chǎn)生的振動(dòng)是頗受關(guān)注的問(wèn)題。該研究通過(guò)在混凝土中摻入高分子聚合物以提高其阻尼性能達(dá)到減振的目的。采用矩形截面簡(jiǎn)支梁和以實(shí)際大跨復(fù)雜箱梁為原型的1/6縮尺模型，分別進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試、靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，對(duì)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(shí)測(cè)試基準(zhǔn)混凝土和各聚灰比的聚合物混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度和彈性模量略有下降，但滿(mǎn)足規(guī)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(dāng)。聚合物混凝土的施工性能指標(biāo)如塌落度和擴(kuò)展度良好。

結(jié)構(gòu)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(yùn)專(zhuān)線武漢站房工程是目前國(guó)內(nèi)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(jié)構(gòu)，樓面系統(tǒng)的多數(shù)支承構(gòu)件和雨棚以及中央網(wǎng)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(chē)直接從站房中高速穿過(guò)，這些墩上支承的結(jié)構(gòu)會(huì)受到比普通列車(chē)運(yùn)行更大的振動(dòng)作用。這勢(shì)必導(dǎo)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(lái)減小這種振動(dòng)。

在混凝土中添加高分子聚合物增強(qiáng)摻合料［2，3］，以提高混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比而達(dá)到減振目的是目前頗受關(guān)注的研究方向。

減振混凝土初期是針對(duì)機(jī)床和光電設(shè)備的支墩。為了減小振動(dòng)以保證加工的高精度，用聚合物混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灰鑄鐵作為支墩。文獻(xiàn)［4］對(duì)2005年以前的減振聚合物混凝土在機(jī)械和光學(xué)工程中的研究應(yīng)用進(jìn)行了綜合評(píng)述。文獻(xiàn)［5］在聚合物混凝土中加入玻璃纖維，研究其對(duì)阻尼比的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［6］研制出高阻尼減振混凝土，將其應(yīng)用于上海光源工程電子儲(chǔ)存環(huán)設(shè)備支墩。

一些學(xué)者對(duì)適用于結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)減振混凝土進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［7－9］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了不同材料(包括粉煤灰、輕骨料、丁苯膠乳、橡膠粉)對(duì)混凝土阻尼值的影響，試圖獲得有較高阻尼，同時(shí)又有較高彈性模量和抗壓強(qiáng)度的混凝土。文獻(xiàn)［10］研制了一種配制高強(qiáng)高阻尼混凝土的方法，通過(guò)加入硅灰以及對(duì)輕集料的預(yù)處理有效地提高混凝土的強(qiáng)度和阻尼性能。

文獻(xiàn)［11－13］對(duì)聚合物水泥砂漿進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了聚合物混凝土框架模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。結(jié)果表明，聚合物苯丙乳液的加入降低了框架結(jié)構(gòu)的剛度，在振動(dòng)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(xiàn)［14，15］通過(guò)改變聚合物摻量，并添加纖維、硅粉、石墨等填料進(jìn)行試驗(yàn)研究，建議高阻尼混凝土的聚合物最佳摻量為10% ～15%，并通過(guò)平面框架的振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)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(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整聚合物的摻量及配制方法，得到組分簡(jiǎn)單且滿(mǎn)足施工性能要求的高阻尼聚合物混凝土。通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)其各種受力性能。在混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能不明顯下降的前提下，提高其阻尼比以達(dá)到結(jié)構(gòu)減振的效果。為類(lèi)似武漢高速列車(chē)站房這種橋建合一的結(jié)構(gòu)體系提供滿(mǎn)足要求的減振混凝土。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)梁介紹

本文試驗(yàn)包括基本材性、動(dòng)力測(cè)試、靜力性能和疲勞性能。靜力性能的構(gòu)件為4片簡(jiǎn)支梁(見(jiàn)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(hào)分別為B10、B13及B15，另1片為普通混凝土基準(zhǔn)梁，代號(hào) B00。各梁混凝土按照 C50基準(zhǔn)配合比m水泥∶m碎石∶m砂∶m水=1∶2.39∶1.46∶0.32 配制，同時(shí)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?xí)r未另行添加。

圖1 試驗(yàn)構(gòu)件及截面Fig.1 Experimental beam and cross section

以武漢高速列車(chē)站房36 m跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁為原型(見(jiàn)圖2)，采用相同的混凝土基準(zhǔn)配合比，制作了3個(gè)1/6縮尺模型，作為疲勞性能試驗(yàn)的構(gòu)件。本文以其中兩個(gè)模型為例進(jìn)行對(duì)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(yù)應(yīng)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(chǎn)的改性羧基丁苯膠乳SD623，含固量為51%。該膠乳無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、不揮發(fā)、不燃燒。

1.2 試驗(yàn)方案

在各試驗(yàn)梁澆筑過(guò)程中，考察混凝土的施工性能，如塌落度和擴(kuò)展度。每根梁均留置立方體試塊和棱柱體試塊，用于測(cè)試抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

基本材性試驗(yàn)為靜力受壓彈性模量和抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2002進(jìn)行。

動(dòng)力測(cè)試是為了獲取鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的自由振動(dòng)信號(hào)，用以識(shí)別模態(tài)參數(shù)。在梁頂支座中心線連線上均勻放置9個(gè)加速度傳感器用以記錄梁自由振動(dòng)的加速度信號(hào)(見(jiàn)圖3)。

靜力性能試驗(yàn)是通過(guò)靜力加載獲取簡(jiǎn)支梁的荷載—撓度曲線，同時(shí)觀察記錄對(duì)應(yīng)于每級(jí)荷載的梁體裂縫開(kāi)展情況。采用三分點(diǎn)加載，用百分表量測(cè)梁的撓度。動(dòng)力測(cè)試和靜力加載交替進(jìn)行，根據(jù)各梁的承載能力對(duì)加載分級(jí)，每級(jí)加載穩(wěn)定后，觀測(cè)梁體裂縫開(kāi)展情況，記錄百分表讀數(shù)。然后緩慢卸載，進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試。采用激振錘敲擊梁頂面，由3560D＆pulse數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，采樣頻率為4 160 Hz。

采用美國(guó)MTS810電液伺服式疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)模型梁進(jìn)行三分點(diǎn)彎曲疲勞加載。利用3根鋼分配梁對(duì)箱梁左右兩邊對(duì)應(yīng)軌道的位置同時(shí)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(zhǎng)度方向均勻布置3個(gè)百分表。疲勞加載之前和疲勞破壞之后，分別對(duì)模型梁進(jìn)行10 t～75 t的靜載循環(huán)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 施工性能指標(biāo)

經(jīng)過(guò)反復(fù)試配，得到完全滿(mǎn)足施工性能的聚合物混凝土，其指標(biāo)如表1所示。

表1 施工性能指標(biāo)值Tab.1 Indicators of workability

2.2 基本材性

表2給出了各試驗(yàn)梁的混凝土28天基本材性指標(biāo)值。彈性模量隨著聚灰比的增加有所下降，當(dāng)聚灰比達(dá)到0.15時(shí)，聚合物混凝土的彈性模量較之基準(zhǔn)混凝土只下降了11.4%。抗壓強(qiáng)度隨著聚灰比的增加下降幅度大于彈性模量，當(dāng)聚灰比為0.15時(shí)下降量為18.3%。但抗壓強(qiáng)度和彈性模量均滿(mǎn)足C50混凝土的要求。

表2 基本材性指標(biāo)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(duì)比可見(jiàn)，在荷載作用前期(0 kN～8 kN左右)各片梁變形規(guī)律完全一致，到了屈服強(qiáng)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?lián)隙纫绕胀ɑ炷亮盒〉枚啵貏e是 B13和 B15，減小幅度接近50%。

試驗(yàn)梁均以撓度達(dá)到跨度的1/50，即90 mm為破壞標(biāo)準(zhǔn)，B10的破壞荷載與基準(zhǔn)梁 B00相當(dāng)，B13和B15的破壞荷載則明顯比B00更高。

同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，盡管所有試驗(yàn)梁的開(kāi)裂荷載均為5 kN左右，但是開(kāi)裂后裂縫的發(fā)展卻有很大的不同。基準(zhǔn)梁B00在加載的過(guò)程中裂縫分布不均勻，在達(dá)到破壞前有兩條裂縫突然增寬，其余裂縫未見(jiàn)明顯變化。加入了聚合物的梁在中間1/3跨的純彎段內(nèi)裂縫均勻分布，并隨著荷載的加大所有裂縫幾乎同步發(fā)展，直到最后破壞。

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

2.4 振動(dòng)特性

采用隨機(jī)子空間法對(duì)采集的各梁加速度信號(hào)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，得到所有試驗(yàn)梁的各階模態(tài)參數(shù)。以各試驗(yàn)梁初始狀態(tài)為例，聚灰比和前三階模態(tài)阻尼比的關(guān)系如圖6所示?？梢?jiàn)，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(shí)，基頻阻尼比相對(duì)基準(zhǔn)梁提高了55%，聚灰比為0.15時(shí)提高幅度達(dá)到200%以上。三階模態(tài)阻尼比的變化與基頻阻尼比相近，而二階模態(tài)阻尼比隨聚灰比的增長(zhǎng)提高幅度更大。

圖6 聚灰比與阻尼比關(guān)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(huán)得到模型1和模型2的開(kāi)裂彎矩分別為60 t·m和58 t·m。疲勞試驗(yàn)測(cè)得模型1和模型2的疲勞破壞次數(shù)分別為84.9萬(wàn)次和69.7 萬(wàn)次。

由于模型梁的截面和配筋很復(fù)雜，給制做帶來(lái)很大困難。模型2在拆模之后，發(fā)現(xiàn)梁底存在缺陷，對(duì)外表面修補(bǔ)后進(jìn)行試驗(yàn)。因此模型2的疲勞破壞次數(shù)比模型1略少。

圖7為疲勞破壞以后，靜載循環(huán)中2個(gè)模型梁在相同荷載點(diǎn)處撓度對(duì)比。由圖可見(jiàn)，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(kāi)展情況基本相同，疲勞破壞均為非預(yù)應(yīng)力鋼筋拉斷。

綜上可知，聚合物的添加對(duì)模型的疲勞壽命沒(méi)有負(fù)面影響。

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

3 結(jié)論

(1)本文試驗(yàn)配制的聚合物混凝土，即羧基丁苯混凝土，對(duì)提高混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼性能非常有效。隨著聚合物摻量的增加，混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比大幅度提高。當(dāng)聚灰比為0.15時(shí)，聚合物混凝土的阻尼比較之基準(zhǔn)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(jié)構(gòu)用材料必須具備的基本材性。雖然其抗壓強(qiáng)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(mǎn)足規(guī)范對(duì)其抗壓強(qiáng)度和彈性模量的要求。

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

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

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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(yè)務(wù)費(fèi)(CDJZR10200001)

2010－01－12 修改稿收到日期:2010－03－22

曹 暉 男，教授，博士生導(dǎo)師，1969年3月生