CN108529993A - 一种高强度高弹性模量的高阻尼混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高强高弹性模量的新型高阻尼混凝土，它以水泥、粉煤灰、矿粉、天然砂、水、钢纤维、减水剂及外掺剂为主要原料混合而成。本发明在保证高阻尼混凝土高阻尼比特性的条件下，进一步提高了阻尼混凝土的强度和弹性模量，使其具有与常规混凝土相当的强度与弹性模量；将其应用于地下结构，在利用其高阻尼特性消耗地震能量达到减隔震作用的同时也可以保证其具有较高的承载能力，进一步提高结构的稳定性，降低结构破坏的可能性及程度，减少修复的成本，节约城市建设的相关费用，对加快城市轨道交通和地下结构的发展进程具有很大的实用价值。

Description

一种高强度高弹性模量的高阻尼混凝土

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高强度高弹性模量的高阻尼混凝土。

背景技术

随着我国城市轨道交通建设的快速发展，以及正在大力兴建的城市地下综合管廊，城市地下结构在城市功能中越来越重要，已成为城市生命线工程的重要组成部分。在此背景下，城市地下结构的抗震性能引起了广泛的关注，我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)以及《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909-2014)均对地下结构的抗震设计提出了要求。但地下结构要求具有较高的承载能力；另一方面，地下结构无法采用地面结构普遍使用的隔震支座等隔震措施。因而只能从结构本身考虑，利用目前研究热点-高性能混凝土材料达到下述两方面的要求：一方面通过高阻尼混凝土的高阻尼特性，消耗地震能量，达到减震隔震的功能；另一方面，在保证混凝土高阻尼特性的前提下，使其依然具有较高的强度和弹性模量。

由于常规混凝土抗震能力十分有限，不少国内学者开始关注混凝土材料的阻尼性能。强度性能和阻尼性能是混凝土两个重要的力学指标，但在已有的研究成果中,提高阻尼性能往往以牺牲材料强度为代价。

发明内容

本发明的主要目的在于针对常规混凝土在提升阻尼性能的同时强度与弹性模量会大幅降低等问题，提供一种新型高阻尼混凝土，它在提高阻尼性能的同时依然具有与常规混凝土相当的强度和弹性模量，适用于地下结构等领域。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，各组分及其所占重量份数包括：水135～145份，水泥310～320份，粉煤灰40～50份，矿粉85～95份，天然砂1470～1490份，钢纤维190～200份，减水剂4～5份，苯丙乳液31～57份，羧基丁苯胶乳31～51份，硅粉16～29份，石墨16～25份，水泥基渗透结晶型防水材料16～65份。

优选的，所述高强度高弹性模量的高阻尼混凝土中，各组分及其质量百分比包括：水140～145份，水泥312～315份，粉煤灰43～47份，矿粉85～90份，天然砂1475～1480份，钢纤维195-198份，剂减水剂4～5份，苯丙乳液31～57份，羧基丁苯胶乳31～51份，硅粉16～29份，石墨16～25份，水泥基渗透结晶型防水材料16～65份。

上述方案中，所述水泥为普通32.5、42.5或52.5硅酸盐水泥。

上述方案中，所述粉煤灰为I或II级粉煤灰。

上述方案中，所述矿粉为为S75、S95或S105级矿粉。

上述方案中，所述天然砂的级配范围为2区级配，含水率为9～10％。

上述方案中，所述钢纤维为镀铜钢纤维，其长度为12～14mm，直径为0.18～0.23mm。

上述方案中，所述减水剂为减水率为15-20％的高效减水剂。

上述方案中，所述苯丙乳液为固含量42～48％的改性苯丙乳液。

上述方案中，所述羧基丁苯胶乳的固含量为45～52％。

上述方案中，所述硅粉的粒度为0.1-0.3μm，硅含量≥99wt％。

上述方案中，所述石墨为鳞片石墨，其中鳞片尺寸为1.0～2.0m，晶体粒径为0.05～1.5mm。

上述方案中，所述水泥基渗透结晶型防水材料的减水率＜8％，氯离子含量≤0.1wt％，抗折强度≥3.50MPa，抗压强度≥18MPa。

上述一种高强度高弹性模量的高阻尼混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)按配比称取各组分，各组分及其所占质量重量份数包括：水135～145份，水泥310～320份，粉煤灰40～50份，矿粉85～95份，天然砂1470～1490份，钢纤维190～200份，减水剂4～5份，苯丙乳液31～57份，羧基丁苯胶乳31～51份，硅粉16～29份，石墨16～25份，水泥基渗透结晶型防水材料16～65份。

2)将称取的天然砂、水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉、石墨、水泥基渗透结晶型防水材料混合搅拌均匀，加入水、减水剂、苯丙乳液、羧基丁苯乳胶搅拌混匀，最后加入钢纤维搅拌搅拌混合均匀；

3)将步骤2)所得浆体进行振捣、养护，即得所述高阻尼混凝土。

根据上述方案制备的高阻尼混凝土，设计制备的C40级混凝土的抗压强度为36.5～43.0MPa，弹性模量为25.5～31GPa，阻尼比为2.10～2.42％，可兼顾力学性能和阻尼性能；有效解决高阻尼混凝土强度明显下降等问题；将其应用于地下结构，在利用其高阻尼特性消耗地震能量达到减隔震作用的同时也可以保证其具有较高的承载能力，进一步提高结构的稳定性，降低结构破坏的可能性及程度，减少修复的成本，节约城市建设的相关费用，对加快城市轨道交通和地下结构的发展进程具有很大的实用价值。

本发明的原理为：

1)苯丙乳液吸附在骨料界面上，增大混凝土的塑性与柔性，使混凝土阻尼比增大，但改变了原有的结构形态，使混凝土抗压强度和弹性模量降低；

2)羧基丁苯胶乳在水泥混凝土充分搅拌后，不断沉积在水泥胶凝体的表面，丁苯颗粒之间水分逐渐被全部吸收到水化过程的化学结合水中，丁苯颗粒完全融合在一起形成连续的结构网，把水泥水化产物联结在一起，从而增大了水泥混凝土的塑性和柔性，不同程度改变粗骨料与水泥石之间的界面，并与苯丙乳液配合作用，显著提高所得混凝土的阻尼性能；

3)硅粉填充于水泥浆体可以使其孔数量明显减少，匀质性提高，而总孔隙率基本保持不变；在水泥浆与骨料界面过渡区可以降低混凝土的蜜水，防止水分在骨料下面聚集，使骨料界面过渡区与水泥净浆的显微结构相似，从而提高了界面过滤区的密实度和有效减小界面过去的厚度，提高混凝土的强度；鳞片石墨属六方晶系，具有层状结构，结晶完整，片薄韧性好，物化性能优异，作为混凝土骨料可以提高混凝土的强度和耐磨性；水泥基渗透结晶型防水材料与水作用后，材料中含有的活性化学物质以水为载体在混凝土中渗透，与水泥水化产物生成不溶于水的针状结晶体，填塞毛细孔道和微细缝隙，从而提高混凝土的致密性与防水性。

4)硅粉、石墨与水泥基渗透结晶型防水材料可以相互辅助在水泥中分散，并通过调控三者用量，可在水泥中形成有效的导热通路，使水泥水化热更有效的散发，从而提高混凝土的强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明通过向高阻尼混凝土中硅粉、石墨和水泥基渗透结晶型防水材料可有效弥补苯丙乳液和羧基丁苯胶乳在提高阻尼比的同时对混凝土材料抗压强度和弹性模量性能的削弱，使所得混凝土同时兼顾阻尼性能和强度性能。

2)本发明在保证高阻尼混凝土高阻尼比特性的条件下，提高了高阻尼混凝土的强度和弹性模量等使用性能，应用于地下结构，在利用其高阻尼特性消耗地震能量达到减隔震作用的同时也可以保证其具有较高的承载能力，进一步提高结构的稳定性，降低结构破坏的可能性及程度，减少修复的成本，节约城市建设的相关费用，加快城市轨道交通和地下结构的发展进程；另外对我国科技创新、经济发展、自然环境与社会的进步有具有重大意义和实用效益。

3)本发明涉及的原料简单易得，可有效降低水泥用量，涉及的制备成本低廉，具有重要的经济和环境效益。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的水泥为武汉市华新水泥生产的普通硅酸盐水泥P.O 42.5；粉煤灰为I级粉煤灰；矿粉为S95级矿粉；拌和用砂采用天然砂，其含水率为9.6％，细度模数为3.03，其筛分结果见表1。

表1

注：A1、A2、A3、A4、A5、A6为筛孔直径4.75mm、2.36mm、1.18mm、600μm、300μm、150μm的累计筛余量。

采用的钢纤维为武汉市恒驰达新材料有限公司生产的镀铜钢纤维，其规格为0.18*14mm，抗压强度为2850MPa，松散密度为9.8kg/m³。

采用的减水剂采用武汉市建材经营部生产的高效减水剂，PH值为7-9，密度为1.20±0.02g/mL，净浆流动度≥200mm，减水率为15-20％；苯丙乳液采用奥凯涂料助剂有限公司生产的改性苯丙乳液6061；羧基丁苯乳胶采用深圳市吉田化工有限公司生产的羧基丁苯乳胶，总固物质质量分数为50.0±2.0％。

硅粉采用杭州臣禾贸易有限公司生产的微米级微硅粉，其密度为200-250kg/m³，粒度为0.1-0.3μm，硅含量≥99％；石墨采用灵寿县燕宾矿产品加工厂生产的石墨粉，其固定碳含量≥1％，鳞片尺寸1mm。晶体粒径1mm。水分含量1％。

水泥基渗透结晶型防水材料采用芜湖露盾新材料科技有限公司生产的水泥基渗透结晶型防水材料，其性能指标见表2。

表2

实施例1

一种高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其配比条件见表3，具体制备步骤如下：

1)按配比称取各原料，在混凝土拌制前，先将模具擦拭干净，去除模内杂物，并在模内涂一层脱模剂；

2)将称量好的天然砂、水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉、石墨、水泥基渗透结晶型防水材料混合并使用强制搅拌机搅拌30s，使水泥及其他固体材料在骨料中均匀分布，加入水、减水剂、苯丙乳液、羧基丁苯胶乳搅拌2min，最后加入钢纤维搅拌30s，得到混凝土拌合物；

3)将所得混凝土拌和物分两层装，每层约为1/2，每层插捣2～5次左右；插捣时在混凝土全面积上由边缘逐渐向中心均匀地进行；插捣底层时，捣棒应达到试模底面，捣上层时捣棒插入该层底面以下2-3cm处，面层插捣完毕后，沿四边模壁插捣数下，以消除混凝土与试模接触面的气泡，再刮去表面多余的混凝上，将表面抹光，使混凝土略高于试模；

4)模具放在振动台上，一手扶住试模，一手用铁抹子在混凝上表面施压，并不断来回控抹，待振捣时间即将结束时，用铁抹子刮去表面多余的混凝土，并将表面抹平；

5)在温度20±2℃、相对湿度≥95％的条件下养护28d，用塑料布覆盖在混凝土试件及砌块上进行保温保湿养护，并且每隔12小时浇一次，即得所述高阻尼混凝土制品。

实施例2

实施例2所述高阻尼混凝土的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表2中记载的配方条件，所得混凝土强度等级为C40。

实施例3

实施例3所述高阻尼混凝土的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表2中记载的配方条件，所得混凝土强度等级为C40。

对比例1～5

对比例1～5所述高阻尼混凝土及普通混凝土的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表3中记载的配方条件，所得混凝土强度等级均为C40。

表3实施例和对比例所述混凝土制品的配方条件(重量份)

将实施例1～3和对比例1～5所得高阻尼混凝土据规范的要求分别浇筑成150mm×150mm×150mm的立方体试件来测量抗压强度和150mm×150mm×300mm的棱柱体试件,根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)的规定，采用电液式压力试验机对标准混凝土立方体进行抗压强度试验、对标准棱柱体试件进行弹性模量试验、通过强迫振动法和自由衰减法测量试件阻尼，结果分别见表4。

表4实施例和对比例所得混凝土制品的性能测试结果

上述结果表明，本发明所得新型高阻尼混凝土在保证阻尼性能的同时，抗压强度与弹性模量有了较大幅地提高，将其投入于生产可解决常规高阻尼混凝土与常规混凝土强度弹性模量大幅降低的问题，使高阻尼混凝土在保持高阻尼比特性的同时依然具有较高的强度和弹性模量，能更好满足地下结构隔震减震需求，对我国城市地下交通建设具有极大的实用性价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，各组分及其所占质量重量份数包括：水135～145份，水泥310～320份，粉煤灰40～50份，矿粉85～95份，天然砂1470～1490份，钢纤维190～200份，减水剂4～5份，苯丙乳液31～57份，羧基丁苯胶乳31～51份，硅粉16～29份，石墨16～25份，水泥基渗透结晶型防水材料16～65份。

2.根据权利要求1所述的高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其特征在于，所述水泥为普通32.5、42.5或52.5硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为I或II级粉煤灰；矿粉为S75、S95或S105级矿粉。

4.根据权利要求1所述的高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其特征在于，所述天然砂的级配范围为2区级配，含水率为9～10％。

5.根据权利要求1所述的高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其特征在于，所述钢纤维为镀铜钢纤维，其长度为12～14mm，直径为0.18～0.23mm。

6.根据权利要求1所述的高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其特征在于，所述苯丙乳液为固含量42～48％的苯丙乳液；所述羧基丁苯胶乳的固含量为45～52％。

7.根据权利要求1所述的高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其特征在于，所述硅粉的粒度为0.1～0.3μm，硅含量≥99wt％。

8.根据权利要求1所述的高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其特征在于，所述石墨为鳞片石墨，其中鳞片尺寸为1.0～2.0mm，晶体粒径为0.05～1.5mm。

9.根据权利要求1所述的高强度高弹性模量的高阻尼混凝土，其特征在于，所述水泥基渗透结晶型防水材料的减水率＜8％，氯离子含量≤0.1wt％，抗折强度≥3.50MPa，抗压强度≥18MPa。

10.权利要求1～9任一项所述高阻尼混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)按比例称取各原料，各组分及其所占质量重量份数包括：水135～145份，水泥310～320份，粉煤灰40～50份，矿粉85～95份，天然砂1470～1490份，钢纤维190～200份，减水剂4～5份，苯丙乳液31～57份，羧基丁苯胶乳31～51份，硅粉16～29份，石墨16～25份，水泥基渗透结晶型防水材料16～65份；

2)将称取的天然砂、水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉、石墨、水泥基渗透结晶型防水材料混合搅拌均匀，加入水、减水剂、苯丙乳液、羧基丁苯乳胶搅拌混匀，最后加入钢纤维搅拌搅拌混合均匀；

3)将步骤2)所得浆体进行振捣、养护，即得所述高阻尼混凝土。