CN103553496B - 一种高阻尼自密实混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高阻尼自密实混凝土，由P.O42.5普通硅酸盐水泥、复合增强粉体、乳化沥青、聚羧酸类高效减水剂、拌合水、复合变形组份、细度模数在2.6～3.0之间的II区级配河砂、粒径在5～20mm之间石灰石碎石组成，每立方混凝土中以质量比计，水泥：复合增强粉体：乳化沥青：拌合水：减水剂：复合变形组份：河砂：石灰石碎石＝16：7.8：0.8～1.0：7.5:0.22～0.27:1.6～1.7:29～30:36～37。本发明的高阻尼自密实混凝土具有优异的阻尼功能和抗冲击性能、较高的力学强度与低的弹性模量，技术经济效应显著，尤其可有效提升遭受冲击、振动等动载重复作用的基础结构如高速铁路轨道结构、桥梁结构等工程结构服役行为及服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土，具体涉及一种具有吸能减振作用的高阻尼自密实混凝土。
背景技术
混凝土因其价廉、易得及耐久等优点而一直成为最广泛使用的建筑材料之一，为人类文明的进步起到了重要作用。然而，伴随着经济社会发展的巨大需求和现代建筑技术的快速进步，各种大跨、复杂土木工程结构不断涌现，对混凝土材料性能提出了更高的要求，传统的混凝土难以适应这些新型工程结构发展的需要；尤其是进入现代社会以来，人类自身社会活动日益频繁，各种自然灾害频发，如振动、噪声污染乃至破坏失效的事故不断增多，工程结构的安全性、舒适性越来越受到挑战，迫切需要进一步提升工程结构材料（如混凝土）包括阻尼在内的动力学性能[1]。
阻尼是材料动力学性能的重要指标之一，反映材料的吸能、减振能力。阻尼越大，系统耗能能力就越强，系统从受激状态恢复到受激励之前的状态所需时间也就越短，系统越稳定。因此，阻尼技术成为控制结构振动、消除噪音、减轻地震等灾害的一种有效方法，其中提高混凝土材料自身包括阻尼在内的物理特性是改善相应结构耗能能力的一种重要途径[2]。高阻尼混凝土材料已成为工程结构材料发展的重要方向之一。普通混凝土的阻尼来自于混凝土的初始缺陷（如微孔、裂纹）以及动力变形过程中微裂纹的扩展和界面的内摩擦[3]。由于普通混凝土属准脆性材料，变形能力小，阻尼性能差，在冲击荷载作用下，自身吸收能量很少，不可避免地以结构损伤和发生塑性变形而丧失部分结构功能为代价。因此，如何改善混凝土材料的阻尼性能受到了广泛的关注。
目前，已有一些学者对混凝土材料的阻尼性能进行了较多研究，也取得了一些具有积极意义的成果[4～9],如胡佳山等人[7]研究了环氧树脂混凝土的阻尼性能，M.Rahman等人[8]比较研究了普通混凝土、多孔混凝土、聚合物浸渍混凝土以及聚合物浸渍多孔混凝土的阻尼性能，欧进萍等人[9]研究了采用硅灰和苯丙乳液改善水泥砂浆的阻尼性能。另外，一些科研人员采用纳米颗粒、改性纤维、轻骨料以及废旧橡胶轮胎颗粒等途径来改善水泥基材料的阻尼性能[10～14]。尽管国内相关学者对如何提升混凝土的阻尼功能进行了上述诸方面的研究，但阻尼混凝土材料还有很大的发展空间，如混凝土的阻尼功能有待进一步提升，在混凝土阻尼功能改善的同时避免其他力学性能如强度的下降等，特别是新型高阻尼自密实混凝土材料还亟需进一步探索。
综上，本申请拟在相关研究的基础上，基于整体论思想，通过运用混凝土材料科学与能量耗散原理，引入不同特性组分与“自密实”成型工艺技术，优化设计集料体系、浆体体系与浆集界面体系，研发一种新型高阻尼自密实混凝土。
主要参考文献
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能显著提升混凝土材料阻尼功能、能更好地满足现代混凝土工程结构的减震、抗冲击、防灾功能的迫切要求的高阻尼自密实混凝土。
为了解决上述技术问题，本发明提供的高阻尼自密实混凝土，由P.O42.5普通硅酸盐水泥、复合增强粉体、乳化沥青、聚羧酸类高效减水剂、拌合水、复合变形组份、细度模数在2.6～3.0之间的II区级配河砂、粒径在5～20mm之间石灰石碎石组成，每立方混凝土中以质量比计，水泥：复合增强粉体：乳化沥青：拌合水：减水剂：复合变形组份：河砂：石灰石碎石＝16：7.8：0.8～1.0：7.5:0.22～0.27:1.6～1.7:29～30:36～37。
所述的复合增强粉体由4.2份纳米粘土、0.2份木质纤维素、12.6份细度为1600目超细高活性偏高岭土和83份I级粉煤灰组成。
所述的复合变形组份由1.7份聚丙烯纤维、1.8份EPS颗粒、96.5份8～10目橡胶颗粒组成。
所述的乳化沥青为25℃恩格粘度为6、含固量为60～61%的阴离子型乳化沥青聚合物。
采用上述技术方案的高阻尼自密实混凝土，运用整体论方法，从材料组成合理配伍与微细观结构优化等角度，引入特性组分与“自密实”成型工艺技术，设计混凝土的集料相、浆体相以及集料-浆体界面过渡区相，从而实现混凝土阻尼功能的大幅提升，并使其具有较高的力学强度，由此发明本高阻尼自密实混凝土。
本发明的高阻尼自密实混凝土由浆体体系和集料体系组成，单方混凝土中浆体与集料体积比为(0.38～0.40):(0.62～0.60),浆体体系由50份P.O42.5普通硅酸盐水泥、24份复合增强粉体、2.5份25℃恩格粘度为6、含固量60-61%的阴离子型乳化沥青聚合物组成、（0.5～0.6）份聚羧酸类高效减水剂和23.0份拌合水（质量比，以下同）；集料体系由2.5份复合变形组份、42.5份细度模数在2.6～3.0之间的II区级配河砂、55份粒径在5～20mm之间石灰石碎石等组成。复合增强粉体由4.2份纳米粘土、0.2份木质纤维素、12.6份细度为1600目超细高活性偏高岭土和83份I级粉煤灰组成；复合变形组份由1.7份聚丙烯纤维、1.8份EPS颗粒、96.5份8-10目橡胶颗粒组成。
本发明的应用方法：将高阻尼自密实混凝土的各原材料按照配比称量好，将砂、石、复合变形组份等集料投入强制式搅拌机中，预拌15～20秒，再投入水泥、复合增强粉体等材料投入搅拌机内拌合20秒，然后加入乳化沥青聚合物、高效减水剂等组份，继续搅拌约120秒，拌合物出机，检验拌合物的“自密实性”（包括坍落度扩展度、T50时间、J环高差等），将满足自密实性的拌合物成型150mm×150mm×150mm立方体(用于测试抗压强度)、100mm×100mm×300mm棱柱体试件（用于测试动态弹性模量、阻尼比等）和Φ100mm×63.5mm圆柱试件（用于测试抗冲击性能等），覆盖成型面，将试件置于（17-20）℃室内静停养护24-36小时，然后拆模，再置于标准养护条件下养护至28d龄期，测试相应性能。
本发明是基于对材料能量耗散机制的深刻认识，以及对混凝土材料的组成、结构与性能相互关系原理的剖析，通过优化混凝土的骨架体系和水泥石基体体系，并采用“自密实成型工艺”而不通过传统机械振捣密实工艺，使得各组分在系统中均匀分布，形成石灰石、砂组成的骨架支撑体系、高吸能变形的EPS颗粒与橡胶颗粒组成的骨架填充体系，以及纳米粘土、高活性超细偏高岭土、沥青聚合物、聚丙烯纤维等组成的高韧性粘结基体体系，从荷载传递和能量耗散机制上优化了混凝土的组成和微细观结构，从而获得具有优异施工工作性、良好阻尼功能以及较高力学强度的混凝土，形成本发明。因而本发明的科学依据充分。
在研发该高阻尼自密实混凝土的过程中，进行了大量的试验研究工作，并结合对相关研究成果和基础理论知识的分析，获得了影响混凝土阻尼功能的关键因素。结合如表1所示的典型试验配比，比较研究了普通混凝土、自密实混凝土和本发明高阻尼自密实混凝土的工作性、抗压强度、动态弹性模量、阻尼比、冲击破坏功（表2）；在此基础上获得本发明高阻尼自密实混凝土的最佳原材料组成。因此，本发明具有充足的试验研究基础和依据，有效性和可行性好，有力地保证了高阻尼自密实混凝土的阻尼功能的显著提升。
本发明的优点和积极效果：
1、本发明提供的高阻尼自密实混凝土不仅具有优异的阻尼功能，而且具有较高的力学强度和良好的抗冲击性能，很好地满足了现代功能结构的抗冲击、防震/振、减灾功能的需求，提升了工程结构的舒适性，有效延长现代混凝土工程结构的服役寿命。
2、本发明提供的高阻尼混凝土采用自密实成型工艺、施工工艺简单、操作方便，可靠性高，具有绿色和经济的特点，综合效益佳。
3、本发明提供的高阻尼自密实混凝土由于具有高的阻尼功能和良好的力学性能，因而其适用范围广，特别是在遭受频繁动载的工程结构中应用潜力巨大。
综上所述，本发明是一种能显著提升混凝土材料阻尼功能、能更好地满足现代工程结构的抗冲击与振动等动载重复作用的性能、防震减灾功能的迫切要求的高阻尼自密实混凝土，应用范围广，具有巨大的社会经济综合效应。
附表/图说明
图1为高阻尼自密实混凝土拌合物坍落扩展照片。
图2为普通混凝土—A试样阻尼测试得到的加速度随时间的衰减曲线。
图3为高阻尼自密实混凝土—C试样阻尼测试得到的加速度随时间的衰减曲线。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步的限定。
一种高阻尼自密实混凝土，由P.O42.5普通硅酸盐水泥、复合增强粉体、阴离子型乳化沥青聚合物、聚羧酸类高效减水剂、拌合水、复合变形组份、细度模数在2.6～3.0之间的II区级配河砂、粒径在5～20mm之间石灰石碎石等组成，阴离子型乳化沥青聚合物为250C恩格粘度为6、含固量为60～61%的阴离子型乳化沥青聚合物，复合增强粉体由4.2份纳米粘土、0.2份木质纤维素、12.6份细度为1600目超细高活性偏高岭土和83份I级粉煤灰组成；复合变形组份由1.7份聚丙烯纤维、1.8份EPS颗粒、96.5份8～10目橡胶颗粒组成，每立方混凝土中以质量比计，水泥：复合增强粉体：乳化沥青：拌合水：减水剂：复合变形组份：河砂：石灰石碎石＝16：7.8：0.8～1.0：7.5:0.22～0.27:1.6～1.7:29～30:36～37。
下面出示不同组成的四种混凝土（普通混凝土A、自密实混凝土B、高阻尼自密实混凝土C、高阻尼自密实混凝土D）的配合比示例，见表1：
表1不同混凝土的配合比示例
按照所述购置原材料及其他准备工作，以本发明所述高阻尼自密实混凝土配合比为准称量试配30升混凝土所需的原材料。
然后，将称量好的砂、石、复合变形组份等先后倒入强制式搅拌机内，启动搅拌机将混合料搅拌15秒，再加入水泥、复合增强粉体搅拌约20秒，然后再将乳化沥青、水和高效减水剂加入，继续搅拌约120秒，将搅拌均匀的拌合物出机，测试拌合物工作性，满足工作性要求后，成型相应尺寸的试件。成型好的试件先在标准环境条件下静停养护24-36小时，然后拆模，并将试件移至标准养护室内，置于室内标准环境下养护至28d，试验测试相应混凝土的抗压强度、动态弹性模量与阻尼比（美国进口设备E-METER MK II测试系统进行测试）和冲击韧性(按ACI-544推荐的落锤冲击试验方法测试)等性能指标。测试结果如下表2所示，高阻尼自密实混凝土拌合物照片如图1所示，普通混凝土（试样编号为A）和高阻尼自密实混凝土（试样编号为C）阻尼比测试得到的加速度衰减曲线图如图2和图3所示。
表2所测上述各混凝土试样的性能结果
由表2测试得到的性能表明：采用本发明（C、D系列配合比）的自密实混凝土的阻尼功能显著好于普通混凝土，其阻尼比达普通混凝土的2倍以上，冲击破坏功也达普通混凝土的2倍以上，而文献[10]和[11]报道的结果仅比普通混凝土的提高50%左右；同时，从所测的抗压强度、动态弹性模量结果来看，本发明高阻尼自密实混凝土的抗压强度可达30MPa，而动态弹性模量仅有约20GPa，可知本发明高阻尼自密实混凝土可具有较高的力学强度。
Claims (1)
1.一种高阻尼自密实混凝土，由P.O42.5普通硅酸盐水泥、复合增强粉体、乳化沥青、聚羧酸类高效减水剂、拌合水、复合变形组份、细度模数在2.6～3.0之间的II区级配河砂、粒径在5～20mm之间石灰石碎石组成，每立方混凝土中以质量比计，水泥：复合增强粉体：乳化沥青：拌合水：减水剂：复合变形组份：河砂：石灰石碎石＝16：7.8：0.8～1.0：7.5:0.22～0.27:1.6～1.7:29～30:36～37，所述的乳化沥青为25℃恩格粘度为6、含固量为60～61％的阴离子型乳化沥青聚合物，其特征是：所述的复合增强粉体由4.2份纳米粘土、0.2份木质纤维素、12.6份细度为1600目超细高活性偏高岭土和83份I级粉煤灰组成；所述的复合变形组份由1.7份聚丙烯纤维、1.8份EPS颗粒、96.5份8～10目橡胶颗粒组成。
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