張海捷柯國(guó)軍黃友珍夏玉英

（1鄂東職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，湖北 黃岡438000；2.南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽421001）

1 混凝土阻尼概述

從工程應(yīng)用的角度上講，阻尼是描述工程結(jié)構(gòu)如何將廣義振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換成可以耗損的能量的術(shù)語，是振動(dòng)結(jié)構(gòu)能量耗散的各種因素的總稱。混凝土是一種彈塑性材料，其基本組成為膠凝材料（如水泥）、水、砂子和石子，另外還常加入適量的摻合料和外加劑，它至少包含7個(gè)相，即粗骨料、細(xì)骨料、未水化水泥顆粒、水泥凝膠、凝膠孔、毛細(xì)管孔和引進(jìn)的氣孔。當(dāng)混凝土材料受到振動(dòng)時(shí)，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間，甚至相之間產(chǎn)生摩擦和振動(dòng)，振動(dòng)能與內(nèi)部孔壁發(fā)生摩擦等，使振動(dòng)能被衰減，這些都是混凝土產(chǎn)生阻尼的原因。

混凝土材料是土木工程中的主要材料，良好減振性能（高阻尼）的混凝土，可較好地緩解偶然荷載、風(fēng)載、海浪、地震等對(duì)建筑物引起的危害，可增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和舒適性[1]，近年來它的研究?jī)?nèi)容正在發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，新型高阻尼、高強(qiáng)度混凝土材料的研究是當(dāng)前功能材料領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)課題[2，3]。

2 混凝土界面與界面弱化的提出

眾所周知，混凝土的物理力學(xué)性能及其耐久性主要取決于水泥石、骨料及二者的界面結(jié)合性能，而水泥石與骨料之間的界面粘結(jié)區(qū)域是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，界面的結(jié)合情況對(duì)混凝土的性能有著重要影響。1962年，J Lyubimove等人[4]首先在細(xì)觀級(jí)上對(duì)界面進(jìn)行深入研究，提出界面過渡區(qū)的概念。他們用顯微硬度測(cè)試技術(shù)發(fā)現(xiàn)在靠近骨料表面處，硬度最小，向基體方向移動(dòng)，硬度逐漸增加，呈梯度變化，到100μm以后達(dá)到常數(shù)。界面過渡區(qū)內(nèi)從骨料表面到水泥漿本體，孔隙率由大到小、晶體粒子由多到少及擇優(yōu)性逐漸變?nèi)醯炔焕奶荻确植棘F(xiàn)象的疊加構(gòu)成了界面薄弱區(qū)?？梢酝茢啵橇?水泥界面同樣是影響混凝土阻尼性能的重要因素之一，本文現(xiàn)就曾有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)混凝土界面因素的影響機(jī)理做出一定分析。

目前主要界面研究文獻(xiàn)主要旨于提高混凝土強(qiáng)度性能和耐久性能，所以改善這一界面的組成、結(jié)構(gòu)與性能，即界面強(qiáng)化，是大量研究文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容。目前改善界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的方法主要有兩種[5]：一是摻入礦物摻合料；二是從集料表面入手改變這一薄弱的區(qū)域。比如用酸堿溶液對(duì)集料表面進(jìn)行處理，用有機(jī)偶合劑或環(huán)氧樹脂涂抹在集料的表面，用礦渣作為集料。

如果減弱骨料-水泥石界面的粘結(jié)強(qiáng)度，混凝土抗壓強(qiáng)度將降低，同時(shí)增加相之間的摩擦和振動(dòng)機(jī)會(huì)，混凝土消耗能量的能力增加，則對(duì)提高阻尼性能有利。所以，在不改變普通混凝土的組成成分的條件下，筆者曾通過試驗(yàn)從骨料界面入手，提出界面弱化的思想，以期為配制高阻尼混凝土打下基礎(chǔ)，并研究界面粘結(jié)強(qiáng)度與阻尼比的關(guān)系。

3 不同類型骨料界面對(duì)阻尼比的影響機(jī)理

3.1 不同抗壓強(qiáng)度的骨料界面機(jī)理

混凝土內(nèi)各相之間的振動(dòng)和摩擦是產(chǎn)生阻尼的主要原因之一，骨料與水泥石之間的界面粘結(jié)區(qū)域是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，骨料與水泥石的接觸界面越大，之間振動(dòng)和摩擦的機(jī)會(huì)越多，混凝土阻尼比就越大。

隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的降低，混凝土試件中的細(xì)骨料用量增加，水泥用量減少，所以混凝土的密實(shí)度降低，骨料界面的粘結(jié)面積增大，在外界激勵(lì)下，混凝土內(nèi)產(chǎn)生阻尼的機(jī)會(huì)增加。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[6]證明，混凝土阻尼比值隨抗壓強(qiáng)度的提高而降低。

3.2 骨料表面特征的影響

界面的粘結(jié)強(qiáng)度很大程度上取決于骨料表面的粗糙程度，表面越粗糙，水泥石與骨料在界面的剪切強(qiáng)度越大，同時(shí)粘結(jié)區(qū)面積越大，當(dāng)骨料從規(guī)則的幾何體到毫無規(guī)則的幾何體時(shí)，界面粘結(jié)強(qiáng)度約提高了3倍[7]。

我們以常見的3種粗骨料：碎石、卵石和輕骨料來分析，其中卵石的表面相對(duì)最光滑，且呈惰性，混凝土拌合過程中，骨料表面易形成水膜，阻礙水泥砂漿在骨料表面的附著，所以界面粘結(jié)強(qiáng)度相對(duì)最小；碎石經(jīng)過破碎加工，其表面有新鮮的缺陷、扭折和錯(cuò)位以及由于“斷健”而存在表面剩余鍵力，有利于與水泥漿體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成強(qiáng)粘結(jié)的界面；而輕骨料粒徑相對(duì)最小，則總粘結(jié)表面積最大，且輕骨料本身多孔，在新拌混凝土中具有吸水和供水作用，吸水作用使得輕集料附近處于局部低水灰比狀態(tài)，因此減少或避免了集料下部由于內(nèi)分層作用而形成的“水囊”，避免了界面處Ca(OH)2的富集和定向排列，提高了集料與水泥的界面粘結(jié)力，有試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[44]：普通高強(qiáng)水泥混凝土界面過渡區(qū)板狀Ca(OH)2晶體量多于水泥石基體，界面區(qū)存在Ca(OH)2富集現(xiàn)象，界面區(qū)存在較多的裂紋和孔洞；而輕集料混凝土界面區(qū)水泥水化產(chǎn)物的組成與基體基本相同，不存在Ca(OH)2晶體富集和定向排列現(xiàn)象，界面區(qū)基本沒有裂紋，水泥水化產(chǎn)物嵌入輕集料內(nèi)，形成了水泥與輕集料“嵌套”在一起的整體結(jié)構(gòu)。所以，輕骨料與水泥石的粘結(jié)強(qiáng)度較前兩種骨料高。界面粘結(jié)模型如圖2所示。

同樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]證明：在抗壓強(qiáng)度相近的條件下，卵石混凝土阻尼比＞碎石混凝土阻尼比＞輕骨料混凝土阻尼比。所以，界面粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)混凝土阻尼比有重要的影響，阻尼比隨骨料粘結(jié)強(qiáng)度的減小而提高，進(jìn)一步設(shè)想，如果對(duì)各骨料的表面進(jìn)行弱化處理，阻尼比應(yīng)該提高。

3.3 骨料表面涂油對(duì)阻尼比的影響機(jī)理

對(duì)粗骨料表面進(jìn)行弱化處理有多種方法，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，可嘗試采用在骨料表面涂抹普通機(jī)油的方法。對(duì)粗骨料涂油，至少產(chǎn)生兩個(gè)方面的影響：第一，機(jī)油包裹骨料表面形成油膜，阻礙了骨料的吸水作用，使骨料表面更容易生成水膜，從而阻礙了骨料與水泥石之間化合作用，使骨料與水泥石之間的化學(xué)結(jié)合層變薄、變?nèi)?；第二，涂油后的骨料表面變光滑，與水泥石的機(jī)械嚙合力減小。隨著界面粘結(jié)強(qiáng)度的減小，涂油后混凝土抗壓強(qiáng)度下降，骨料與水泥石之間的滑動(dòng)摩擦和振動(dòng)增加，提高了混凝土消耗能量的能力。

從試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)[8]得出，在配合比不變的情況下，對(duì)粗骨料（以卵石為例）涂油后，混凝土試件抗壓強(qiáng)度下降，而阻尼比明顯提高，結(jié)果驗(yàn)證，界面弱化后阻尼比提高的理論是正確的。

然而弱化界面導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能下降，這與提高阻尼比形成一對(duì)矛盾，混凝土作為土木工程中承重結(jié)構(gòu)材料，研究混凝土阻尼特性時(shí)，必須兼顧其抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能。試驗(yàn)[6]也曾選取強(qiáng)度相近的混凝土試件做比較，其中粗骨料涂油試件阻尼比略高于普通試件阻尼比，這體現(xiàn)了高阻尼混凝土的一定優(yōu)勢(shì)，但還不夠理想、明顯。所以，如何通過改變骨料界面來配制高阻尼高性能的混凝土，將是混凝土阻尼研究以后的目標(biāo)，比如對(duì)骨料表面進(jìn)行涂抹環(huán)氧樹脂、瀝青、固化劑、羧基丁苯膠乳等高分子材料。

4 結(jié)語

混凝土作為主要的承重結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于各種土木工程中，高阻尼混凝土對(duì)建筑物的防震減災(zāi)，以及降低城市噪聲污染和橋梁風(fēng)振危害等方面有重要意義，另外隨著高新技術(shù)飛速發(fā)展，在航空航天、核技術(shù)工程和高精密機(jī)床等設(shè)備安裝方面，建造有良好減振性能的混凝土基礎(chǔ)和構(gòu)件，減少外界干擾的影響，確保安裝在混凝土上的儀器設(shè)備高精度運(yùn)行，亦具有極其重要的作用。

高阻尼混凝土材料的研究是從材料的角度出發(fā)，通過提高結(jié)構(gòu)材料的阻尼提高結(jié)構(gòu)自身阻尼，達(dá)到改善結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力性能的目的，從而有效地抵抗地震等外部沖擊。骨料-水泥界面同樣是影響混凝土阻尼性能的重要因素之一，當(dāng)前，從各種角度探尋高阻尼混凝土的研究已悄然興起，可以相信，這將成為未來混凝土的一個(gè)重要發(fā)展方向。

[1]Sezan Qrak.Investigation of vibration damping on polymer concrete with polyester resin[J].Cement and concrete research，2000，(30).

[2]張照宇，吳芳.聚合物水泥高性能混凝土的研究[J].蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，11(4)

[3]楊志強(qiáng)，王東.聚合物對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品，1995，(1).

[4]J.C T Y Lyubimove，E R Pinns.Crystallization Structure in Concrete Contact Zone between aggregate and cement in concrete[J].Colloid T，1962(24).

[5]張勇，丁慶軍，于發(fā)洲等.輕集料混凝土的界面結(jié)構(gòu)研究[J].混凝土，2002(10).

[6]張海捷.骨料界面弱化處理對(duì)混凝土阻尼性能影響的試驗(yàn)與研究[D]南華大學(xué)，2007.

[7]杜慶檐.骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的研究[J].云南建材，1996(4).

[8]柯國(guó)軍，張海捷，陳振富，楊曉鋒，石建軍.卵石混凝土阻尼比研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(10)