气泡对纤维混凝土阻尼性能的影响.pdf
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1、助 材 斟 2 0 1 0 年 第1 2 期( 4 1 ) 卷 气泡对 纤维混凝 土阻尼性能 的影 响 刘铁 军 , 邢 锋 , 隋莉莉 , 张 锋 ( 1 哈尔滨 工业 大学 深圳研 究生 院 , 广 东 深圳 5 1 8 0 5 5 ; 2 深圳大 学 深圳 市土木 工程耐 久性 重点 实验室 , 广东 深 圳 5 1 8 0 6 0 ) 摘 要 : 利 用 自主 开发 的三 点 弯 曲 梁阻尼 测 试 装置 对不 同掺 量 引 气 剂 纤 维 混凝 土 的 阻尼 性 能 进 行 了测 试 , 通过 含 气量测 定仪 和压 汞 仪研 究 不 同掺 量 引 气剂 对纤 维混凝 土 气孔 结构
2、 的影 响 , 利 用扫 描 电镜 观 察 了 引气前后纤维混凝土的微观形貌。结果表 明, 随着引 气剂掺 量的增加 , 纤 维混凝 土 的阻尼 能力提 高, 但 是 当 引气剂掺 量 达 到 0 0 1 5 后 , 阻尼 能 力 不 再 有 明显提 高。一 定掺 量 的引 气剂在 纤维混凝 土 内部 引入 大量 丰 富的 气泡 , 当混 凝土材 料遭 受外界 的振 动 时 , 这 些 气孔 起 到 了柔性 缓 冲 包的 作 用 , 可提 高混 凝 土材 料 的 阻尼 能 力 。 关键 词 : 弓 l 气 剂 ; 纤维 混 凝 土 ; 损 耗 因 子 ; 储 存 模 量 ; 阻尼特 性 中图分
3、类号 : TU 5 2 8 5 7 文献标 识码 : A 文章 编号 : 1 0 0 1 9 7 3 1 ( 2 0 1 0 ) 1 2 2 1 4 0 0 4 1 引 言 复合材 料 由于 高 的 强 度 和 刚 度 而 广 泛 用 于 结 构 中。结构中的阻尼通常 由粘 弹性非结构材料提供 , 由 于结构 中结构材料用量 巨大, 所以结构材料 自身 的阻 尼能力 尤为 重要 。结构材 料 的耐 久性 和低 成本 也越 来 越吸 引更多 的研 究者 发 展 结 构材 料 本 身 的阻 尼 能 力 。 考虑 到钢结 构 的 阻尼 比一 般 为 2 , 而 混 凝 土 结 构 的 阻尼 比为 5
4、 左右 , 因此 , 若 能 通过 在 混凝 土 中掺入 某 些材料使 其具 有较 大 的阻 尼特 性 , 则 可 在不 改 变 结 构 形式和设 计方 法 的前 提 下 , 使结 构 具 有 良好 的抗 震 抗 风性能 。 在水 泥浆体 中掺 加一定 比例 的乳 胶 、 甲基纤 维 素 、 硅 粉 、 碳纤 维 , 将 极 大地 提高 水 泥 的阻 尼 能力 。 H Ab d u l R a z a k等 研究 了腐蚀 对钢 筋 混凝 土 梁 自振 频 率和模态阻尼 比的影响 , 发现钢筋 的凹凸与锈蚀都增 加 了其 阻尼 比。Na r a y a n a n等 研 究 了不 同形 态 的纤
5、 维 素纤维 对水 泥基 材 料 阻尼 性 能 的影 响 , 水 泥 基 材 料 阻尼吸声 能力 随着 纤 维 含量 的提 高 而提 高 ; 环 境 的潮 湿 度越大 , 材料 阻尼能 力越好 。 L i u等_ 7 从 2 0 0 0年 开始 也 对水 泥 基材 料 阻 尼增 强进行 过 深入 的研 究 。柯 国军 等 l_ 1 。 。 对 混 凝 土构 件 阻 尼比进行的研究发现, 橡胶粉等加入混凝土后能提高 其 阻尼 比 3 0 9 O 。 国 内外 对 于水 泥基 材 料 阻尼 性 能测试 的研 究 都停 留在 水 泥 净浆 和砂 浆 层 面上 , 因 为材 料 的阻尼测 试 只能通
6、过粘 弹谱仪 或热 动 力学 分析 仪进 行 , 而这些 装置 只能 测试 尺寸很 小 的材料 , 不 适用 于 多孔 多相 的混 凝 土材 料 。欧 进萍 、 刘 铁 军等 1 1 开发 成功 了适用 于大 尺寸 材料 的阻尼 测试装 置 并且 对纤 维 混凝 土 的阻尼性 能 进 行 了测 试 , 取 得 了很 好 的测 试 效 果 , 突 破 了混凝 土 材 料 阻尼 性 能 准确 测 试 的瓶 颈 。本 文将对 不 同引气 剂含量 的 聚丙烯腈 纤维 混 凝土 的阻 尼 性 能进 行测试 , 并通 过 含 气 量测 定 仪 和 压 汞仪 测 试 含 不 同掺 量 引气 剂 纤 维 混凝
7、 土 的气 孔数 量 与 孔 径 分 布 , 最 后将 通过 S E M 电镜 对 引 气 前后 纤 维 混 凝 土 的微 观 形 貌进 行观察 , 并 在 此 基 础 上探 讨 气 孔 含量 对 纤 维 混 凝 土阻 尼性能 的影 响机 制 。 2 实 验 广 州水泥 厂生 产 的强 度 等 级 为 3 2 5普 通 硅酸 盐 水 泥作 为胶凝 材料 , 深圳 海川集 团 的路威 2 0 0 2聚 丙烯 腈纤维作为外 加纤维 , 纤 维掺量 为每立 方米混 凝土 0 9 6 k g , 深圳 市 五 山建 材实 业有 限公 司生 产 的 WS I 2 型 高新 型引气 剂用来 改善 纤维混
8、凝 土的气 孔 结构 。配 置 的 4种 混凝 土样 品的配 合 比例 示 于表 1中 。 表 1 掺不 同剂量 引气 剂纤 维混凝 土 的配合 比 ( m。 ) Ta bl e 1 M i x r a t i o s o f t he f i be r c o nc r e t e wi t h v a r i ou s c o n t e n t o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t( m。 ) 水 泥 纤 维 水 沙 石 子 引 气 剂 分组 ( k g ) ( k g ) ( ) ( k g ) ( k g ) ( g ) B0 48 O 0
9、96 20 0 63 8 1 04 2 B1 48 O 0 96 20 0 63 8 1 04 2 72 B2 48 O 0 96 2O O 63 8 1 04 2 1 44 B3 48 O 0 96 2 00 63 8 1 04 2 2 88 Not e:I he r a t i o o i w a t e r t O c e m e nt i n m a s s I S 0 4 O 利 用 三 点 弯 曲 梁 阻 尼 测 试 装 置 ( 专 利 号: 2 0 0 6 2 0 0 2 0 0 8 1 2 ) 对 4种 纤 维 混凝 土样 品 的阻 尼 性 能 进行测试。测试装置见文献 1 】
10、 , 正弦信号 由信号发 生 器发 出 , 2 0 0 N 的激振 器在 功率放 大器 的控 制下 以 交 变 方式作 用 于混 凝 土梁 的跨 中上 , 力 由梁 底 部传 感 器 测出, 而梁中点的位移由梁上方的激光位移传感器测 * 基金项 目: 国家 自然科学基金面 E资助项 目( 5 0 8 7 8 0 7 0 ) ; 国家 自然科 学基金重点资助项 目( 5 0 9 3 8 0 0 1 ) ; 深圳市土木工程耐久性 重点实验室资助项 目( C E D 0 8 0 1 ) 收到初稿 日期 : 2 0 1 0 0 4 1 5 收到修改稿 日期 : 2 0 1 O O 9 1 3 通讯作者
11、 : 刘铁军 作者简介 : 刘铁军 ( 1 9 7 6) , 男 , 内蒙古包头人 , 副教授 , 博导 , 主要从事新型混凝土材料与结构研究 。 刘铁军 等 : 气泡对纤维混凝土阻尼性能的影响 出。力和位移信号 由数据采集系统 自动记录于计算机 内。由力 、 位移和力滞后与位移的相位差来计算 ( 见式 ( 1 ) ( 3 ) ) 混凝 土 材 料 的 阻尼 ( 以 损耗 因子 表 示 ) 和 刚 度 ( 以 储 存 模 量 表 示 ) 。实 验 制 作 了 8根 6 0 mm 6 0 mm9 0 0 mm 的 混凝 土 梁 , 两 根 一 组 , 共 4组 , 研 究 了地震频 率范 围 (
12、 O 5 2 Hz ) 下 各 种 掺 量 引气 剂 对 聚 丙烯腈纤 维混 凝 土 阻尼 和 刚 度性 能 的影 响 , 每 种 样 品 在不同的频率下各进行 2次测定 。 4 n m, 然 后用 S 一 4 7 0 0型场发射扫描 电镜 ( s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e , S E M) 对纤维混凝土的形貌进行观 察 。 本 文选 用 HC 一 7 L型混 凝 土含 气 量 测 定 仪 测试 含 不 同引气剂 掺量 纤 维 混 凝 土 的含 气 量 , 该 仪 器是 采 用 气 压法 测定 混凝 土 中的含 气量 。
13、取 2 8 d混 凝 土 样 品 烘 干 , 抽 真 空 , 然 后 用 Au t o P o r e I V9 5 0 0压汞仪分析各种纤维混凝土材料的孔结 构 , 加压 范 围为 : 0 0 0 0 7 4 1 4 MP a 。 7 一 一 ( 1 ) 3 结果分析 7 一 一 g 0 结果分析 E 一 E k c o s a + 2 7 c ( 2 ) E k s i n 胡 瓣 2 4 l a ( 3 ) 其 中 , P 。为激 励 力 的 幅值 ( N) , Y。 为 梁 中点 的位 移幅值 ( m) , 为激励 力 P 和位移 y之 间 的相位 差 o ) , 为梁的截面的惯性矩(
14、 m ) , 为梁的线密度 , 厂为激 振频 率 ( Hz ) 。 将 2 8 d龄期 的 4种 样 品 烘 干 , 切 割 成 小 块 后 粘 于 样品板上 , 用离子溅射仪进行喷金处理 , 金膜厚度 3 掺 与不掺 引气 剂聚 丙烯腈 纤 维混凝 土 材料 的损 耗 因子 和储 存 模量 的 测 试 结 果 见 表 2 。从 表 2可 见 引 气剂 对混 凝土 的 阻尼能 力影 响很 大 。引气 剂 的主要 作 用 是在 混凝 土 内 部 引入 许 多 气 泡 , 当混凝 土 受 到 外 界 振 动 时 , 混凝 土 内部 的孔 和气 泡 起 到 了柔 性 缓 冲 包 的 作 用 , 大大
15、地 提 高 了混 凝 土 材料 的阻 尼 能 力 。 当引 气 剂掺 人 一定量 后 , 混凝 土 的阻 尼变 化 不 大 ( 样 品 B 1和 样 品 B 2比) ; 随 着引气 剂 掺量 的增加 , 混凝 土 的弹性模 量有所下降( 如样品 B 3 ) 。 表 2 纤 维混 凝土样 品不 同频 率条 件 下的损 耗 因子与 储存 模量 Ta bl e 2 Los s t a ng e nt a n d s t or a ge mo dul u s o f f i b e r c on c r e t e s s a m p l e s a t d i f f e r e n t f r e
16、 qu e n c i e s 2 OHZ 1 5HZ 1 OHz 0 5Hz 分 组 E l 0 。 E 1 0 1 0 E 1 0 。 E 1 O 。 ( N m ) ( ) ( N n l ) ( ) ( N m ) ( ) ( N m ) ( ) BO 3 6 9 8 63 3 71 8 53 41 5 8 9 3 4 2 3 9 9 7 B1 3 3 2 l 4 21 3 41 1 4 68 3 47 1 5 72 3 5 O 1 8 72 B2 3 01 1 4 33 3 1 7 1 S1 l 3 22 1 7 9 4 3 4 3 2 O 6 4 B3 2 7 4 1 4 86 2
17、 6 7 1 5 99 31 2 1 8 6 3 3 3 2 2 1 3 3 含气 量测 试结果 见表 3 , 由表 2 、 3可 以看 出 : ( 1 ) 随 着 引气剂 掺 量 的增 加 , 混 凝 土 中 的含 气 量 逐 步 增 加 ; ( 2 ) 混凝 土 中引 入适 量 的气 体 , 可 以提 高 其 损 耗 因 子 , 但引入气体后, 混凝土的存储模量有所降低 , 材料 的刚 度减 小 , 因此 少 量 的 含气 量 有 利 于 提 高 混 凝 土 的 阻尼 性能 ; ( 3 ) 引气剂掺 量为 0 0 1 5 、 0 0 3 、 0 0 6 时 , 混 凝土 的损耗 因子 变化
18、不 大 , 但 刚 度下 降很 多 , 因此 建议 引气剂 掺量 为 0 0 1 5 ; ( 4 ) 在相 同含 气量条 件下 , 随着 激励频 率 的减 小 , 材 料损 耗 因子 、 存 储 模量 和损 耗模 量 均逐渐 提高 。 表 3 不 同引气剂 掺量 下混凝 土的 含气量 Ta b l e 3 Ai r c o nt e nt of c on c r e t e wi t h d i f f e r e n t a i r e n t r a i ni ng a g e n t 引 气 剂掺 量 压 强 含 气量 分 组 ( ) ( M P a ) ( ) BO 0 0 071 1
19、 3 B1 0 01 5 O O7 4 2 2 B2 0 03 0 O 0 55 4 1 B3 0 06 0 0 0 4l 7 7 图 1为 4种 样 品 2 8 d龄期 的 S E M 照 片 。从 图 1 ( a ) 可 以看 出 , 未掺 引 气剂 聚丙 烯 腈纤 维 水 泥浆 体 中可 见 的孔隙比较少 , 而加入不同掺量引气剂后( 如 图 1 ( b ) ( d ) 所示 ) , 水 泥浆 体 中孔 的结 构 发生 了很 大 的变 化 , 出现 了大量 丰富 的气 泡 。 表 4列出了 4种样 品压汞仪的测试结果 。各样品 的孔 径分 布 的 盐线 也 示 于 图 2 。 由表 4和
20、 图 2可 以看 出 : 掺 引气 剂 的纤 维 混 凝 土样 品 B 1 样 品 B 3与 未 掺 引气 剂 的样 品 B 0相 比 , 纤 维混 凝 土 的总 压 汞 量 、 孔 隙 率和 平均 孔径 都 有 所 提 高 , 而 且 随着 引气 剂 掺 量 的增 加 , 混 凝 土的总 孔 隙率 和平 均孔 径 随之 增 加 , 引气 剂 在 混凝 土 中引入孔 的孔径 主要 为 1 0 0 ff ml mm 的范 围 , 因此对 于混 凝土 中 的 细孔 即 2 0 n md 5 0 n m 的孔 的 数量影响很 小,与未掺 引气剂 的纤维 混凝 土样 品相 比, 该 引 气 剂 的 少
21、 量 掺 入 ( 水 泥 质 量 的 0 0 1 5 0 0 0 6 ) 使 得 混 凝 土 中 的 大 孔 ( 1 0 1 0 n m) 显 著 增 多 , 平均 孔径 增大 , 结合 表 2各样 品阻 尼测 试 结 果分 析 可知 , 大孔数 量 的增 加 有 利 于 提 高 混凝 土材 料 振 动 时 的缓冲能力 , 但是当不同孔径的气孔达到一定数量时, 混凝土的阻尼能力 达到一个定值 , 考虑到混凝土 中大 孔 增 多 , 对 混 凝 土 的耐 久 性 有 害 , 强 度也 会 有 所 降低 , 2 1 4 2 助 曹 孝 斟 2 0 1 0 年 第1 2 期( 4 1 ) 卷 建议掺
22、 人微量 的引 气 剂 , 在 强 度 和 耐 久性 影 响很 少 的 条 件下 , 显著 的增 加结 构材料 的抗震 能力 。 ( a ) Sa mp l e B0 ( b ) S a mp l e B1( c ) S a mp l e B2( d ) S a mp l e B3 图 1 掺 与不掺 引 气剂纤 维混凝 土孔 结构 的 S E M 照片 ( SEM ) p ho t o g r a phs of p o r e s t r uc t u r e o f f i be r c o n c r e t e wi t h o r wi t ho ut a i r 表 4掺与 不掺
23、引气剂 纤维 混凝 土的孔 径分 布 Ta bl e 4 Di s t r i bu t i o n o f po r e s i z e f or f i be r c o nc r e t e s pe c i me n s wi t h o r wi t ho ut a i r e n t r a i n i n g a g e nt 孔 径 分 寿 ( mI , g ) 总压 汞 量 孔 隙 率 平 均 孔 径 分 组 ( f 2 0 n m 2 0 d 5 0 n m 5 O 2 0 0 n t i 1 ( mI g ) ( 0 ) ( n m) B0 ( ) 00 96 0 01
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