CN113493331A - 一种阻尼可调控再生骨料混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阻尼可调控再生骨料混凝土，按质量份计，包括以下组分：再生粗骨料4‑7份；微型阻尼器0.5‑3.5份；天然细骨料0‑2份；水泥1.5‑3.0份；矿物掺合料0‑1.5份；减水剂0.005‑0.025份；水1份。本发明进一步提供一种阻尼可调控再生骨料混凝土的制备方法及其应用。本发明提供的一种阻尼可调控再生骨料混凝土能够有效提高混凝土的阻尼性能80‑200％，明显改善混凝土的耗能能力，且立方体抗压强度可达到C30‑C50，具有与普通混凝土相同的强度和相近的弹性模量，可用于轨道交通道床和道路路基的减振、建筑基础和设备基础的隔振、上部建筑结构的减振等工程。
Description
技术领域
本发明属于土木工程材料技术领域，涉及一种阻尼可调控再生骨料混凝土及其制备方法，可应用于轨道交通道床和道路路基的减振、建筑基础和设备基础的隔振、上部建筑结构的减振等工程。
背景技术
结构的阻尼比是结构设计中的重要参数，结构在动力荷载作用下的响应是阻尼比的函数。阻尼是指结构在震动的过程中将动能转换成其他形式能量的能力，具有较大阻尼比的结构自振衰减较快，在受动力作用时结构响应较小，这对于土木工程道路和结构具有重要意义。将阻尼比较高的混凝土应用于轨道交通道床和道路路基，可以减小车辆荷载对道路的影响，延长道路使用寿命；应用于建筑结构，有利于结构实现“大震不倒”的设计目标。通常，混凝土材料的阻尼比较小，天然骨料混凝土材料的阻尼比约为1％，导致混凝土结构在强烈振动作用下的耗能主要通过混凝土中裂缝的张开和闭合、混凝土与钢筋之间的摩擦滑移等非线性行为耗能，这种耗能是以牺牲结构的整体性能和可修复性作为代价的。针对这一问题，目前主要通过在混凝土中引入橡胶粉或聚合物等粘弹性材料，以提高混凝土的粘性耗能能力。然而，引入粘弹性材料会显著降低混凝土的强度，不能作为结构混凝土使用。
再生混凝土是指将包含混凝土和废砖等建筑固废经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然骨料(主要是粗骨料)，再加入水泥、水、细骨料等配制成的新混凝土。每年全国生成的废弃混凝土约18亿-24亿吨，而混凝土粗细骨料的消耗量约21亿吨，因此，将废弃混凝土再生利用，将有助于解决建筑垃圾堆积和优质骨料短缺造成的环境问题甚至安全问题。已有研究表明，相比天然骨料混凝土，通过合理的配合比设计、使用再生粗骨料制备的再生骨料混凝土的强度与天然骨料混凝土基本相同，且可提高阻尼比约14-31％。然而，再生骨料混凝土的耗能能力仍不能满足结构抗震性能提升的需要。因此，发明一种实际工程中可用的阻尼可调控再生骨料混凝土的制备方法具有现实意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种阻尼可调控再生骨料混凝土及其制备方法，能够在保证与天然骨料混凝土相同强度水平的前提下，通过掺加随机分布的微型阻尼器，显著提高再生骨料混凝土的阻尼耗能性能。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种阻尼可调控再生骨料混凝土，按质量份计，包括以下组分：
再生粗骨料4-7份；
微型阻尼器0.5-3.5份；
天然细骨料0-2份；
水泥1.5-3.0份；
矿物掺合料0-1.5份；
减水剂0.005-0.025份；
水1份。
优选地，所述阻尼可调控再生骨料混凝土，按质量份计，包括以下组分：
再生粗骨料4.50-6.50份；
微型阻尼器0.54-3.30份；
天然细骨料0-1.70份；
水泥1.60-2.86份；
矿物掺合料0-1.00份；
减水剂0.01-0.02份；
水1份。
优选地，所述再生粗骨料为利用废弃混凝土和废弃砖破碎筛分得到的粒径为4.75-25mm的骨料，所述再生粗骨料中废弃砖含量不超过30％。
优选地，当阻尼可调控再生骨料混凝土的强度等级≥C40时，所述再生粗骨料满足国家规范《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)对于II类再生粗骨料的相关规定，吸水率<5.0％，表观密度>2350kg/m3，压碎指标<20％，级配连续；当阻尼可调控再生骨料混凝土的强度等级＜C40时，所述再生粗骨料满足国家规范《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)对于III类再生粗骨料的相关规定，吸水率<8.0％，表观密度>2250kg/m3，压碎指标<30％，级配连续。
优选地，所述微型阻尼器为再生细骨料或经充料减振处理的再生细骨料中一种或两种组合。
更优选地，当所述微型阻尼器为再生细骨料时，所述微型阻尼器的阻尼比提升≥30％且＜80％；当所述微型阻尼器为经充料减振处理的再生细骨料时，所述微型阻尼器的阻尼比提升≥80％且≤200％。
所述微型阻尼器根据阻尼比的需求进行选择。
进一步优选地，当所述再生细骨料为再生细骨料取代率为30％的再生细骨料时，所述微型阻尼器的阻尼比提升≥30％且＜50％；当所述再生细骨料为再生细骨料取代率为100％的再生细骨料时，所述微型阻尼器的阻尼比提升≥50％且＜80％。
进一步优选地，当所述经充料减振处理的再生细骨料取代率为30％时，所述微型阻尼器的阻尼比提升为80％；当所述经充料减振处理的再生细骨料取代率为100％时，所述微型阻尼器的阻尼比提升为200％；当所述经充料减振处理的再生细骨料取代率按照线性内插法进行选取，回归方程为y＝1.714x+28.6时(x为经充料减振处理的再生细骨料取代率％，y为微型阻尼器的阻尼比提升％)，所述微型阻尼器的阻尼比提升＞80％且＜200％。
所述再生细骨料取代率为30％是指，细骨料中再生细骨料为30％，天然细骨料为70％。所述再生细骨料取代率为100％是指，细骨料中再生细骨料为100％，天然细骨料为0％，所述取代率按质量取代。
所述经充料减振处理的再生细骨料取代率为30％是指，细骨料中经充料减振处理的再生细骨料为30％，未经充料减振处理的再生细骨料为70％。所述经充料减振处理的再生细骨料取代率为100％是指，骨料中经充料减振处理的再生细骨料为100％，未经充料减振处理的再生细骨料为0％，所述取代率按质量取代。
更优选地，所述再生细骨料为利用废弃混凝土和废弃砖破碎筛分得到的粒径<4.75mm的骨料。
更优选地，所述再生细骨料的细度模数为2.3-3.7，坚固性指标<10.0％，压碎指标<25.0％，表观密度2250-2350kg/m3，堆积密度1200-1300kg/m3，空隙率46-52％。
更优选地，所述充料减振处理包括以下步骤：
A)将再生细骨料置入密封容器内，加负压0.1-0.5MPa；
B)向容器中注入聚合物乳液后，在负压下保持1～3小时；
C)捞出再生细骨料并沥去表面溶液，即得经充料减振处理的再生细骨料。
进一步优选地，所述负压采用真空泵抽至。
进一步优选地，所述聚合物乳液是将聚合物加入介质，并加入乳化剂搅拌混合而成。
更进一步优选地，所述聚合物选自丁苯橡胶、乙烯-丙烯酸酯或聚氨酯中的一种。
更进一步优选地，所述介质为水。
更进一步优选地，所述乳化剂为烷基芳基硫酸钠。
最优选地，所述乳化剂掺量为0.01-0.10％，优选为0.05％。
进一步优选地，所述聚合物乳液的固含量为10～50％。
所述经充料减振处理的再生细骨料是利用再生细骨料较为疏松多孔的特性，在负压下吸附聚合物乳液。
优选地，所述天然细骨料为天然河砂。
优选地，所述天然细骨料的细度模数2.3-3.7，坚固性指标<8.0％，含泥量<1.0％。
优选地，所述水泥选自普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣水泥或粉煤灰水泥中的一种。
所述普通硅酸盐水泥是在硅酸盐水泥熟料中加入6～20％的混合材料、适量石膏磨细制成的。
优选地，所述水泥的强度标号为42.5或52.5。
优选地，所述矿物掺合料选自矿粉或硅灰中的任意一种或两种混合。
优选地，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
优选地，所述减水剂的固含量为15-25％，减水率为25-50％。
优选地，所述水为自来水。
优选地，所述阻尼可调控再生骨料混凝土的技术指标为：坍落度为180-220mm，强度为C30-C50，弹性模量>24000MPa，阻尼比提升30-200％。
本发明第二方面提供一种阻尼可调控再生骨料混凝土的制备方法，按配比选取再生粗骨料、微型阻尼器、天然细骨料、水泥、矿物掺合料、减水剂及水，混合后搅拌均匀，既得。
本发明第三方面提供一种阻尼可调控再生骨料混凝土在减振或隔振工程中的用途。
优选地，所述减振或隔振工程选自轨道交通道床和道路路基的减振工程、建筑基础和设备基础的隔振工程、上部建筑结构的减振工程中的一种。
本发明通过在混凝土中掺加微型阻尼器，以改善混凝土的耗能性能，同时保证具有与天然骨料混凝土相同强度水平。再生细骨料具有与天然细骨料相近的粒度，不同的是再生细骨料中含有大量孔隙，可在混凝土结构振动时通过孔隙局部应力集中所致微塑性变形以及孔隙的张开和闭合耗能，从而提高混凝土结构的阻尼比而不会显著降低混凝土的强度。当微型阻尼器选择再生细骨料时，100％取代率的阻尼可调控再生骨料混凝土相比天然骨料混凝土的阻尼比最多可提高80％；而对于有更高耗能要求的混凝土，需掺加充料减振处理再生细骨料作为微型阻尼器以达到更高的阻尼比。再生细骨料在负压下在孔隙内部吸收、储存聚合物，可通过聚合物本身的粘性、聚合物与孔隙壁间的粘性滑移耗能，显著增强了混凝土的耗能能力，同时，粘性聚合物以再生细骨料为骨架，减小了聚合物材料对于混凝土强度的不利影响。使用充料减振处理再生细骨料，最高可配制强度等级为C50的再生骨料混凝土，相较天然骨料混凝土，其阻尼比最大可提升200％以上，可应用于轨道交通道床和道路路基的减振、建筑基础和设备基础的隔振、上部建筑结构的减振等工程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)相对于天然骨料混凝土，本发明大量使用再生材料，解决了建筑垃圾大量堆积的问题，起到了保护环境的作用。
(2)相对于再生骨料混凝土，本发明通过掺加随机分布的微型阻尼器，明显增强了混凝土的耗能能力，提高了混凝土的阻尼比。
(3)相对于橡胶混凝土或聚合物混凝土，本发明在显著提升阻尼性能的同时，并不会显著降低混凝土的力学性能指标，因此可以广泛应用于轨道交通道床和道路路基的减振、建筑基础和设备基础的隔振、上部建筑结构的减振和有抗震需求的建筑结构和基础设施中。
附图说明
图1是本发明采用实施例阻尼可调控再生骨料混凝土浇筑的梁的有限元模型图。
图2是本发明中采用实施例阻尼可调控再生骨料混凝土浇筑的梁的动力放大系数图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
对比例1
制备阻尼可调控天然骨料混凝土，按质量比为水：天然粗骨料：天然细骨料：水泥：矿物掺合料：高效减水剂＝1：6.10：4.70：1.60：0.82：0.02，选取水、天然粗骨料、天然细骨料、水泥、矿物掺合料和减水剂，搅拌均匀，既得阻尼可调控天然骨料混凝土样品1*。
其中，选取的各组分如下：
天然粗骨料：连续级配，吸水率0.9％，表观密度2475kg/m3，压碎指标9.0％。
天然细骨料：中砂，坚固性指标3.1％，压碎指标15.5％，表观密度2525kg/m3，堆积密度1450kg/m3。
水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。矿物掺合料为矿粉。高效减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率40％。水为自来水。
将制备的阻尼可调控天然骨料混凝土样品1*经28天养护后进行性能测试，天然骨料混凝土的抗压强度的平均值达到41MPa，弹性模量约为34500MPa，阻尼比为1％。
实施例1
制备阻尼可调控再生骨料混凝土，按质量比为水：再生粗骨料：微型阻尼器：水泥：矿物掺合料：高效减水剂＝1：6.10：3.30：1.60：0.82：0.02，选取水、再生粗骨料、微型阻尼器、天然细骨料、水泥、矿物掺合料和减水剂，搅拌均匀，得到阻尼可调控再生骨料混凝土样品1#。
其中，选取的各组分如下：
再生粗骨料：连续级配，吸水率6.0％，表观密度2300kg/m3，压碎指标19.0％。
水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。矿物掺合料为矿粉。高效减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率40％。
微型阻尼器为经充料减振处理的再生细骨料，经充料减振处理的再生细骨料取代率为100％。经充料减振处理的再生细骨料，是将再生细骨料置入密封容器内，用真空泵抽至负压0.5MPa，其后，向容器中注入聚合物乳液，在负压下保持3小时，将再生细骨料捞出并沥去表面溶液，即得。其中，再生细骨料：连续级配，坚固性指标7.8％，压碎指标22.0％，表观密度2275kg/m3，堆积密度1250kg/m3。聚合物乳液是将聚合物加入介质，并加入乳化剂搅拌混合而成，其中聚合物为丁苯橡胶，介质为水，乳化剂为掺量0.05％的烷基芳基硫酸钠，聚合物乳液的固含量为50％。
将制备的阻尼可调控再生骨料混凝土样品1#经28天养护后进行性能测试，阻尼可调控的再生骨料混凝土抗压强度的平均值达到32.7MPa，弹性模量约为25000MPa，阻尼比达到3.4％，阻尼比提升200％。
实施例2
制备阻尼可调控再生骨料混凝土，按质量比为水：再生粗骨料：微型阻尼器：水泥：矿物掺合料：高效减水剂＝1：6.10：3.30：2.86：1.00：0.02，选取水、再生粗骨料、微型阻尼器、水泥、矿物掺合料和减水剂，搅拌均匀，得到阻尼可调控再生骨料混凝土样品2#。
其中，选取的各组分如下：
再生粗骨料：连续级配，吸水率4.0％，表观密度2400kg/m3，压碎指标17.0％。
水泥为PO52.5普通硅酸盐水泥。矿物掺合料为硅灰。高效减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率40％。
微型阻尼器为100％再生细骨料，再生细骨料取代率为100％。其中，再生细骨料：连续级配，坚固性指标7.8％，压碎指标22.0％，表观密度2275kg/m3，堆积密度1250kg/m3。
将制备的阻尼可调控再生骨料混凝土样品2#经28天养护后进行性能测试，阻尼可调控的再生骨料混凝土抗压强度的平均值达到51.7Mpa，弹性模量约为31500MPa，阻尼比为1.9％，阻尼比提升79％。
实施例3
制备阻尼可调控再生骨料混凝土，按质量比为水：再生粗骨料：充料减振处理再生细骨料：再生细骨料：水泥：矿物掺合料：高效减水剂＝1：6.10：1.65：1.65：2.31：1.00：0.02，选取水、再生粗骨料、充料减振处理再生细骨料、再生细骨料、水泥、矿物掺合料和减水剂，搅拌均匀，得到阻尼可调控再生骨料混凝土样品3#。
其中，选取的各组分如下：
再生粗骨料：连续级配，吸水率4.0％，表观密度2400kg/m3，压碎指标17.0％。
水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。矿物掺合料为硅灰。高效减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率40％。
微型阻尼器为经充料减振处理的再生细骨料，经充料减振处理的再生细骨料取代率为50％。经充料减振处理的再生细骨料，是将再生细骨料置入密封容器内，用真空泵抽至负压0.5MPa，其后，向容器中注入聚合物乳液，在负压下保持2小时，将再生细骨料捞出并沥去表面溶液，即得。其中，再生细骨料：连续级配，坚固性指标7.8％，压碎指标22.0％，表观密度2275kg/m3，堆积密度1250kg/m3。聚合物乳液是将聚合物加入介质，并加入乳化剂搅拌混合而成，其中聚合物为乙烯-丙烯酸酯，介质为水，乳化剂为掺量0.05％的烷基芳基硫酸钠，聚合物乳液的固含量为50％。
将制备的阻尼可调控再生骨料混凝土样品3#经28天养护后进行性能测试，阻尼可调控的再生骨料混凝土抗压强度的平均值达到44.7MPa，弹性模量为27500MPa，阻尼比达到2.14％，阻尼比提升114.3％。
数据比较例1
相比对比例1，实施例1、实施例2和实施例3的阻尼比均大于1.5％，具有良好的耗能能力，同时，具有较高的强度和弹性模量等优点。
数据比较例2
采用通用有限元软件ABAQUS，建立简支梁的有限元模型，计算不同频率的正弦振动作用下对比例1、实施例1-3结构响应进行计算机仿真，有限元模型如图1所示。模型中的材料参数采用试验中的实际测试结果，模态分析结果与试验结果相同，证明了有限元分析结果的准确性。
对比例1、实施例1-3在不同频率的正弦荷载作用下的最大位移幅值计算机仿真结果如图2所示，其中D为动力放大系数，β为动力荷载圆频率与结构自振圆频率之比。对比例1、实施例1-3在非共振情况下位移响应幅值几乎相同，而在共振时，阻尼可调控的再生骨料混凝土的位移响应有较明显的变化。在共振时，相比对比例1，实施例1、实施例2和实施例3的动力放大系数分别减小了70.6％、47.4％和61.5％，表明发明的一种阻尼可调控再生骨料混凝土的制备方法制备的混凝土，其阻尼可根据需要进行调控，具有明显的降低振动幅值的效果。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种阻尼可调控再生骨料混凝土，按质量份计，包括以下组分：
再生粗骨料4-7份；
微型阻尼器0.5-3.5份；
天然细骨料0-2份；
水泥1.5-3.0份；
矿物掺合料0-1.5份；
减水剂0.005-0.025份；
水1份。
2.根据权利要求1所述的一种阻尼可调控再生骨料混凝土，其特征在于，所述再生粗骨料为利用废弃混凝土和废弃砖破碎筛分得到的粒径为4.75-25mm的骨料，所述再生粗骨料中废弃砖含量不超过30％。
3.根据权利要求1所述的一种阻尼可调控再生骨料混凝土，其特征在于，所述微型阻尼器为再生细骨料或经充料减振处理的再生细骨料中一种或两种组合。
4.根据权利要求3所述的一种阻尼可调控再生骨料混凝土，其特征在于，当所述微型阻尼器为再生细骨料时，所述微型阻尼器的阻尼比提升≥30％且＜80％；当所述微型阻尼器为经充料减振处理的再生细骨料时，所述微型阻尼器的阻尼比提升≥80％且≤200％。
5.根据权利要求3所述的一种阻尼可调控再生骨料混凝土，其特征在于，所述再生细骨料为利用废弃混凝土和废弃砖破碎筛分得到的粒径<4.75mm的骨料。
6.根据权利要求3所述的一种阻尼可调控再生骨料混凝土，其特征在于，所述充料减振处理包括以下步骤：
A)将再生细骨料置入密封容器内，加负压0.1-0.5MPa；
B)向容器中注入聚合物乳液后，在负压下保持1～3小时；
C)捞出再生细骨料并沥去表面溶液，即得经充料减振处理的再生细骨料。
7.根据权利要求6所述的一种阻尼可调控再生骨料混凝土，其特征在于，所述聚合物乳液是将聚合物加入介质，并加入乳化剂搅拌混合而成；所述聚合物选自丁苯橡胶、乙烯-丙烯酸酯或聚氨酯中的一种；所述介质为水；所述乳化剂为烷基芳基硫酸钠。
8.根据权利要求1所述的一种阻尼可调控再生骨料混凝土，其特征在于，所述阻尼可调控再生骨料混凝土还包括以下条件中的任一项或多项：
1)所述天然细骨料为天然河砂；
2)所述水泥选自普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣水泥或粉煤灰水泥中的一种；
3)所述矿物掺合料选自矿粉或硅灰中的任意一种或两种混合；
4)所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂；
5)所述水为自来水。
9.一种阻尼可调控再生骨料混凝土的制备方法，按权利要求1-8任一所述阻尼可调控再生骨料混凝土的配比选取再生粗骨料、微型阻尼器、天然细骨料、水泥、矿物掺合料、减水剂及水，混合后搅拌均匀，既得。
10.根据权利要求1-8任一所述阻尼可调控再生骨料混凝土在减振或隔振工程中的用途。
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| CN114853411A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-08-05 | 同济大学 | 一种用于3d打印的高阻尼全再生骨料混凝土油墨材料及制备方法 |
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