CN108249833A - 一种高阻尼混凝土复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高阻尼混凝土复合材料及其制备方法，所述高阻尼混凝土复合材料包括结构层、阻尼层和约束层，所述结构层是强度等级为C50～C60的混凝土，所述阻尼层是阻尼比为4.5%～5.5%、强度等级为C50～C60的混凝土，所述约束层是抗裂等级为Ⅰ级、Cl－扩散系数为DNEL≤0.8×10－13m2/s、强度等级为C70～C80的混凝土。采用本发明的高阻尼混凝土复合材料及其制备方法制备的混凝土材料兼顾阻尼性能与力学性能，显著降低工程技术经济方面的造价。

Description

一种高阻尼混凝土复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料的技术领域，具体涉及一种高阻尼混凝土复合材料及其制备方法。
背景技术
伴随着现代建筑技术的快速进步，各种大跨、复杂结构建筑不断涌现，建筑结构要同时满足安全性、适用性、耐久性以及舒适性，尤其需要混凝土材料具有满足频繁遭受冲击荷载或地震作用相关功能要求，这就对混凝土材料的强度与阻尼一体性提出了更高的要求。传统混凝土材料本身阻尼功能低，其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。由于普通混凝土属脆性材料，变形能力小，阻尼性能差，在冲击荷载作用下，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。
针对以上问题，现国内外主要采用两个方案提高混凝土材料与结构的阻尼减振性能：一个方案是改变混凝土材料改良阻尼功能，主要是向混凝土中引入新组分来提高混凝土材料的阻尼功能，或向混凝土中引入有机聚合物类高阻尼材料，甚至同时引入纤维、硅粉、石墨对水泥石改性；在混凝土中直接掺入橡胶粉、固体聚合物等粘弹性材料，提高混凝土的阻尼来实现。但是，由于加入的高分子材料的力学性能与变形性能与混凝土不匹配，添加量很小时就可显著降低混凝土材料的抗压强度，所得混凝土材料存在阻尼与刚度和强度不可兼得的矛盾。另一方案是改变混凝土结构改良阻尼减振研究，目前主要是通过附加阻尼装置的方式来提高混凝土结构阻尼从而达到减振目的。虽然取得了一些效果，但是大大提高了施工难度和工程技术经济方面的造价，也加大了后期建筑维修、维护的难度，此方案没有从根本上解决阻尼性能和力学性能的不可兼得的矛盾问题。
为了解决这些问题，本发明高阻尼混凝土引入梯度功能设计思路，并在结构设计中借鉴约束阻尼结构。本发明的一种混凝土不但实现了混凝土材料与结构阻尼抗震一体化，而且在兼顾阻尼和强度、刚度的同时，也能显著降低了工程技术经济方面的造价，适宜工业推广和应用。具有阻尼增强的梯度结构混凝土的应用领域涵盖了混凝土材料、结构抗震等技术领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种高阻尼混凝土及其制备方法，解决现有的混凝土材料功能层单一，阻尼功能低，并且与强度、刚度等力学性能存在不可兼得的矛盾。达到兼顾阻尼和强度、刚度的目的，也能显著降低工程技术经济方面的造价。
一种高阻尼混凝土复合材料,包括结构层、阻尼层和约束层，所述结构层是强度等级为C50～C60的混凝土；所述阻尼层是阻尼比为4.5％～5.5％、强度等级为C50～C60的混凝土；所述约束层是抗裂等级为Ⅰ级、Cl－扩散系数为DNEL≤0.8×10－13m2/s、强度等级为C70～C80的混凝土。
根据本发明的高阻尼混凝土复合材料，按质量分数计，所述结构层优选的由强度等级≥42.5MPa的水泥20％～30％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～30％、粒径5-25mm的石子40％～50％、水5％～10％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂0.17％～0.25％制备而成，优选的水胶比为0.3～0.4(指水与水泥的比例)。优选的，所述结构层由强度等级≥42.5MPa的水泥25％～27％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～24％、粒径5-25mm的石子40％～45％、水8％～10％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂0.17％～0.25％制备而成。
根据本发明的高阻尼混凝土复合材料，按质量分数计，所述阻尼层优选的由强度等级≥42.5MPa的水泥15％～25％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～30％、粒径为5-25mm的石子35％～45％、石墨粉0.7％～1.4％、硅粉1.2％～2％、羧基丁苯乳液聚合物2.2％～3％、水5％～10％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂0.2％～0.3％制备而成，优选的水胶比为0.3～0.4(指水与水泥、硅粉和石墨粉总和的比例)。优选的，所述阻尼层由强度等级≥42.5MPa的水泥19％～25％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～24％、粒径为5-25mm的石子38％～42％、石墨粉1％～1.3％、硅粉1.5％～2％、羧基丁苯乳液聚合物2.6％～3％、水8.7％～10％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂0.24％～0.3％制备而成。
根据本发明的高阻尼混凝土复合材料，按质量分数计，所述约束层优选的由强度等级≥52.5MPa的水泥25％～35％、S95级以上的矿粉10％～20％、比表面积为15000-20000m2/kg的硅粉4％～8％、粒径180-500μm且细度模数为1.40-1.60的石英砂40％～50％、长度3-15mm的聚丙烯纤维1％～4％、聚羧酸系减缩剂0.6％～1％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂1％～3％、水5％～10％制备而成，优选的水胶比为0.16～0.26(指水与水泥、矿粉和硅粉总和的比例)。优选的，所述约束层由强度等级≥52.5MPa的水泥29％～35％、矿粉10％～20％、硅粉4％～5％、粒径180-500μm的石英砂40％～44％、长度3-15mm的聚丙烯纤维2％～4％、聚羧酸系减缩剂1％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂1％、水7％～10％制备而成。
根据本发明的高阻尼混凝土复合材料，所述结构层：阻尼层：约束层的厚度比为1:(1～3):(0.3～0.6)，优选为1:(2～3):(0.5～0.6)。
界面改性剂是一种胶粘剂，具有超强的粘接力、优良的耐水性和耐老化性，用于解决由于混凝土表面吸水性强或光滑引起界面不易粘接的问题，能够增强对基层的粘结力。在本发明中，所述结构层与阻尼层之间及/或所述阻尼层与约束层之间具有界面改性剂。优选的，所述界面改性剂为硅烷偶联剂，硅烷偶联剂为KH-550、KH-570、A-151中的一种或几种。
一种高阻尼混凝土复合材料的制备方法，包括制备结构层、制备阻尼层、制备约束层三步：
1)制备结构层：①将强度等级≥42.5MPa的水泥20％～30％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～30％和粒径为5-25mm的石子40％～50％混合；②将水5％～10％、减水率为20％-40％的聚羧酸减水剂0.17％～0.25％加入步骤①所得混合物中，混合后使其塌落度为160mm～200mm，将其浇注入模，制备出结构层；
2)制备阻尼层：①将强度等级≥42.5MPa的水泥15％～25％、粒径为0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～30％、粒径5-25mm的石子35％～45％、石墨粉0.7％～1.4％和硅粉1.2％～2％混合；②将羧基丁苯乳液聚合物2.2％～3％、水5％～10％、减水率为20％-40％的聚羧酸减水剂0.2％～0.3％倒入步骤①所得混合物中，混合后使其塌落度为160mm～200mm，将其浇注入模，制备出阻尼层；
3)制备约束层：①将强度等级≥52.5MPa的水泥25％～35％、S95级以上的矿粉10％～20％和比表面积15000-20000m2/kg的硅粉4％～8％混合；②将粒径180-500μm且细度模数为1.40-1.60的石英砂40％～50％倒入步骤①所得混合物中；③将长度3-15mm的聚丙烯纤维1％～4％倒入步骤②所得混合物中；④将聚羧酸系减缩剂0.6％～1％、减水率为20％-40％的聚羧酸减水剂1％～3％加入到4％～8.5％的水中，混合后倒入步骤③所得混合物中；⑤把1％～1.5％的水加入步骤④所得混合物中，混合后浇注入模，制备出约束层。
根据本发明的高阻尼混凝土复合材料的制备方法，优选地在所述结构层及/或阻尼层混凝土终凝硬化之后，所述结构层与阻尼层之间及/或所述阻尼层与约束层之间涂刷硅烷偶联剂。
所述硅烷偶联剂为KH-550、KH-570、A-151中的一种或几种。
作为可选的，在所述结构层及/或阻尼层混凝土初凝之后、终凝之前时，在所述结构层及/或阻尼层的界面采用压印技术进行界面改性处理。所述的压印技术可以采用具有凹凸不平表面的模具，用来处理梯度混凝土的界面。
根据本发明的高阻尼混凝土复合材料的制备方法还包括由上述方法制备而成的混凝土材料。
本发明的有益效果在于：
1)本发明在结构设计中借鉴约束阻尼结构设置约束层、阻尼层和结构层3个功能层，其中约束层主要用作约束阻尼层受拉、压变形，改善了整体抗裂性能；阻尼层主要起到提高阻尼比、减振耗能作用，提高了结构的抗冲击和减震耗能的功能，有效延长了混凝土结构的使用寿命；结构层起到满足整体刚度的作用，提高结构的抗压强度，三个功能层共同起到承压作用，充分发挥了各个功能层的作用；
2)所述的各功能层的界面结合区均涂刷硅烷偶联剂，或采用压印技术进行界面改性处理，达到界面增强目的；
3)相对于传统混凝土、高阻尼混凝土或高强度混凝土材料，本发明的高阻尼混凝土复合材料体现了材料与结构阻尼抗震一体化，而且在兼顾阻尼和强度、刚度的同时，降低了工程技术经济方面的造价，适宜工业推广和应用。阻尼增强的梯度结构混凝土的应用领域涵盖了混凝土材料、结构抗震等技术领域。
附图说明
图1中a是本发明一种高阻尼混凝土复合材料在自由状态的结构示意图。
图1中b是本发明一种高阻尼混凝土复合材料在振动状态的结构示意图。
在附图中：1、约束层；2、阻尼层；3、结构层。
具体实施方式
本发明涉及一种高阻尼混凝土复合材料及其制备方法，包括约束层、阻尼层和结构层。其中三层各原材料分别如下所示：
结构层：按质量分数计，包括强度等级≥42.5MPa的水泥20％～30％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～30％、粒径5-25mm的石子40％～50％、水5％～10％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂0.17％～0.25％，水胶比为0.3～0.4。
阻尼层：按质量分数计，包括强度等级≥42.5MPa的水泥15％～25％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～30％、粒径5-25mm的石子35％～45％、石墨粉0.7％～1.4％、硅粉1.2％～2％、羧基丁苯乳液聚合物2.2％～3％、水5％～10％、减水率为20％-40％的聚羧酸减水剂0.2％～0.3％，水胶比为0.3～0.4。
约束层：按质量分数计，包括强度等级≥52.5MPa的水泥25％～35％、S95级以上的矿粉10％～20％、比表面积15000-20000m2/kg的硅粉4％～8％、粒径180-500μm且细度模数为1.40-1.60的石英砂40％～50％、长度3-15mm的聚丙烯纤维1％～4％，聚羧酸系减缩剂0.6％～1％，减水率20％-40％的聚羧酸减水剂1％～3％，水胶比为0.16～0.26。
所述高阻尼混凝土复合材料的制备方法具体如下：
1)制备结构层：①将强度等级≥42.5MPa的水泥20％～30％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～30％和粒径5-25mm的石子40％～50％混合；②将水5％～10％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂0.17％～0.25％加入步骤①所得混合物中，混合后使其塌落度为160mm～200mm，将其浇注入模，制备出结构层；
2)制备阻尼层：①将强度等级≥42.5MPa的水泥15％～25％、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20％～30％、粒径5-25mm的石子35％～45％、石墨粉0.7％～1.4％和硅粉1.2％～2％混合；②将羧基丁苯乳液聚合物2.2％～3％、水5％～10％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂0.2％～0.3％倒入步骤①所得混合物中，混合后使其塌落度为160mm～200mm，将其浇注入模，制备出阻尼层；
3)制备约束层：①将强度等级≥52.5MPa的水泥25％～35％、S95级以上的矿粉10％～20％和比表面积15000-20000m2/kg的硅粉4％～8％混合；②将粒径180-500μm且细度模数为1.40-1.60的石英砂40％～50％倒入步骤①所得混合物中；③将长度3-15mm的聚丙烯纤维1％～4％倒入步骤②所得混合物中；④将聚羧酸系减缩剂0.6％～1％、减水率20％-40％的聚羧酸减水剂1％～3％加入到4％～8.5％的水中，混合后倒入步骤③所得混合物中；⑤把1％～1.5％的水加入步骤④所得混合物中，混合后浇注入模，制备出约束层。
在所述结构层及/或阻尼层混凝土终凝硬化后，所述结构层与阻尼层之间及/或所述阻尼层与约束层之间涂刷硅烷偶联剂。所述硅烷偶联剂为KH-550、KH-570、A-151中的一种或几种。
作为可选的，在所述结构层及/或阻尼层混凝土初凝之后、终凝之前时，在所述结构层及/或阻尼层的界面采用压印技术进行界面改性处理。
表1为根据本发明的一种高阻尼混凝土复合材料及其制备方法提供的不同实施例，各实施例中不同结构层的原料质量分数以及界面改性方式见表1。
表2是各功能层三种不同厚度比例及不同界面改性处理情况的一种混凝土与C50高强度混凝土、C50高阻尼混凝土、C50传统混凝土的28d抗压强度与阻尼比测试数据。
表2测试得到的性能表明：本发明提供的高阻尼混凝土复合材料及其制备方法的实施例，相比C50传统混凝土，强度性能没有明显下降，阻尼比有了较大幅度提升；相比C50高强度混凝土，抗压强度没有下降太多，且阻尼比有明显增强，已达到高阻尼标准；相比C50高阻尼混凝土，阻尼比没有下降太多，且抗压强度有增强，已达到高强度标准。可知本发明的一种混凝土兼顾阻尼性能与力学性能，显著降低工程技术经济方面的造价。
在表2实施例1、5、6中，本发明提供的高阻尼混凝土复合材料实施例中，各功能层厚度比不同但界面处理方式相同，可知随着阻尼层与约束层比例增加，其强度性能下降，阻尼性能提高。在实施例1～4中，本发明混凝土各功能层处理方式不同但厚度比相同，可知压印技术相比涂刷硅烷偶联剂进行界面处理时，整体强度性能提高，阻尼性能较低。通过控制各功能层厚度比与各功能层之间界面处理情况，可调控强度性能与阻尼比幅度范围，为实际工程混凝土的性能的需要提供参考。
表1
表2
实施例 28d抗压强度/MPa 28d阻尼比/％
C50传统混凝土 57.7 0.9
C50高强度混凝土 59.3 3.62
C50高阻尼混凝土 51.8 4.70
实施例一 52.5 4.37
实施例二 58.3 4.12
实施例三 54.6 4.21
实施例四 56.5 4.32
实施例五 53.4 4.41
实施例六 52.3 4.60
如图1所示，本发明的高阻尼混凝土在自由状态为a所示，在受到冲击荷载或地震时振动状态为b所示，所述约束层(1)约束阻尼层受拉、受压变形，阻尼层(2)起到减振耗能的作用，结构层(3)起到满足整体刚度的作用，三个功能层共同起到承压作用。
以上实施例仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则范围内所作的任何显而易见的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高阻尼混凝土复合材料，其特征在于：包括结构层、阻尼层和约束层，所述结构层是强度等级为C50～C60的混凝土，所述阻尼层是阻尼比为4.5%～5.5%、强度等级为C50～C60的混凝土，所述约束层是抗裂等级为Ⅰ级、Cl－扩散系数为DNEL≤0.8×10－13m2/s、强度等级为C70～C80的混凝土。
2.根据权利要求1所述的高阻尼混凝土复合材料，其特征在于：按质量分数计，所述结构层由强度等级≥42.5MPa的水泥20%～30%、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20%～30%、粒径5-25mm的石子40%～50%、水5%～10%、减水率20%-40%的聚羧酸减水剂0.17%～0.25%制备而成，水胶比为0.3～0.4，所述水胶比为水与水泥的比例。
3.根据权利要求1所述的高阻尼混凝土复合材料，其特征在于：按质量分数计，所述阻尼层由强度等级≥42.5MPa的水泥15%～25%、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20%～30%、粒径5-25mm的石子35%～45%、石墨粉0.7%～1.4%、硅粉1.2%～2%、羧基丁苯乳液聚合物2.2%～3%、水5%～10%、减水率20%-40%的聚羧酸减水剂0.2%～0.3%制备而成，水胶比为0.3～0.4，所述水胶比为水与水泥、石墨粉和硅粉总和的比例。
4.根据权利要求1所述的高阻尼混凝土复合材料，其特征在于：按质量分数计，所述约束层由强度等级≥52.5MPa的水泥25%～35%、S95级以上的矿粉10%～20%、比表面积15000-20000m2/kg的硅粉4%～8%、粒径180-500μm且细度模数为1.40-1.60的石英砂40%～50％、长度3-15mm的聚丙烯纤维1%～4%，聚羧酸系减缩剂0.6%～1%、减水率20%-40%的聚羧酸减水剂1%～3%、水5%～10%制备而成，水胶比为0.16～0.26，所述水胶比为水与水泥、矿粉和硅粉总和的比例。
5.根据权利要求1所述的高阻尼混凝土复合材料，其特征在于：所述结构层：阻尼层：约束层的厚度比为1:（1～3）:(0.3～0.6)。
6.根据权利要求5所述的高阻尼混凝土复合材料，其特征在于：所述结构层与阻尼层之间及/或所述阻尼层与约束层之间具有界面改性剂。
7.根据权利要求6所述的高阻尼混凝土复合材料，其特征在于：所述界面改性剂为硅烷偶联剂，硅烷偶联剂为KH-550、KH-570、A-151中的一种或几种。
8.一种高阻尼混凝土复合材料的制备方法，其特征在于：包括制备结构层、制备阻尼层、制备约束层三个工艺步骤：
1）制备结构层：①将强度等级≥42.5MPa的水泥20%～30%、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20%～30%和粒径5-25mm的石子40%～50%混合；②将水5%～10%、减水率20%-40%的聚羧酸减水剂0.17%～0.25%加入步骤①所得混合物中，混合后使其塌落度为160mm～200mm，将其浇注入模，制备出结构层；
2）制备阻尼层：①将强度等级≥42.5MPa的水泥15%～25%、粒径0.35-5mm且细度模数为2.5-3.0的河砂20%～30%、粒径5-25mm的石子35%～45%、石墨粉0.7%～1.4%和硅粉1.2%～2%混合；②将羧基丁苯乳液聚合物2.2%～3%、水5%～10%、减水率20%-40%的聚羧酸减水剂0.2%～0.3%倒入步骤①所得混合物中，混合后使其塌落度为160mm～200mm，将其浇注入模，制备出阻尼层；
3）制备约束层：①将强度等级≥52.5MPa的水泥25%～35%、S95级以上的矿粉10%～20%和比表面积15000-20000m2/kg的硅粉4%～8%混合；②将粒径180-500μm且细度模数为1.40-1.60的石英砂40%～50％倒入步骤①所得混合物中；③将长度3-15mm的聚丙烯纤维1%～4%倒入步骤②所得混合物中；④将聚羧酸系减缩剂0.6%～1%、减水率20%-40%的聚羧酸减水剂1%～3%加入到4%～8.5%的水中，混合后倒入步骤③所得混合物中搅拌；⑤把1%～1.5%水加入步骤④所得混合物中，混合后浇注入模，制备出约束层。
9.根据权利要求8所述的高阻尼混凝土复合材料的制备方法，其特征在于：在所述结构层及/或阻尼层混凝土终凝硬化之后，所述结构层与阻尼层之间及/或所述阻尼层与约束层之间涂刷硅烷偶联剂。
10.根据权利要求8所述的高阻尼混凝土复合材料的制备方法，其特征在于：在所述结构层及/或阻尼层混凝土初凝之后、终凝之前时，在所述结构层及/或阻尼层的界面采用压印技术进行界面改性处理。
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