用于结构减振的聚合物混凝土试验研究

曹 晖，陈兴华，华建民，胡芝茂

(重庆大学 土木工程学院，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045)

用于结构减振的聚合物混凝土试验研究

曹 晖，陈兴华，华建民，胡芝茂

(重庆大学 土木工程学院，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045)

对于目前工程中新出现的桥梁－建筑合一的大型结构，如何减小运行荷载产生的振动是颇受关注的问题。该研究通过在混凝土中掺入高分子聚合物以提高其阻尼性能达到减振的目的。采用矩形截面简支梁和以实际大跨复杂箱梁为原型的1/6缩尺模型，分别进行振动测试、静载试验和疲劳试验，对比普通混凝土和聚合物混凝土的阻尼性能、静力性能和疲劳性能。同时测试基准混凝土和各聚灰比的聚合物混凝土试块的抗压强度和弹性模量。试验结果表明，随聚灰比的增大混凝土梁的阻尼比大幅增大，试块抗压强度和弹性模量略有下降，但满足规范的要求。聚合物混凝土梁的静力性能比普通混凝土梁更好，疲劳性能与之相当。聚合物混凝土的施工性能指标如塌落度和扩展度良好。

结构减振;聚合物混凝土;静力性能;疲劳性能;施工性能

新建的武广高速客运专线武汉站房工程是目前国内首例上部大型建筑与下部桥梁共同作用的“桥、建合一”的新型结构，楼面系统的多数支承构件和雨棚以及中央网壳的主拱、半拱和斜立柱直接坐落在混凝土轨道梁的桥墩上面［1］。由于列车直接从站房中高速穿过，这些墩上支承的结构会受到比普通列车运行更大的振动作用。这势必导致桥梁疲劳的加速和相邻建筑的损伤。因此，有必要采取措施来减小这种振动。

在混凝土中添加高分子聚合物增强掺合料［2，3］，以提高混凝土结构的阻尼比而达到减振目的是目前颇受关注的研究方向。

减振混凝土初期是针对机床和光电设备的支墩。为了减小振动以保证加工的高精度，用聚合物混凝土代替传统的灰铸铁作为支墩。文献［4］对2005年以前的减振聚合物混凝土在机械和光学工程中的研究应用进行了综合评述。文献［5］在聚合物混凝土中加入玻璃纤维，研究其对阻尼比的影响规律。文献［6］研制出高阻尼减振混凝土，将其应用于上海光源工程电子储存环设备支墩。

一些学者对适用于结构的高强减振混凝土进行了研究。文献［7－9］通过试验对比了不同材料(包括粉煤灰、轻骨料、丁苯胶乳、橡胶粉)对混凝土阻尼值的影响，试图获得有较高阻尼，同时又有较高弹性模量和抗压强度的混凝土。文献［10］研制了一种配制高强高阻尼混凝土的方法，通过加入硅灰以及对轻集料的预处理有效地提高混凝土的强度和阻尼性能。

文献［11－13］对聚合物水泥砂浆进行了研究，并进行了聚合物混凝土框架模型的振动台试验。结果表明，聚合物苯丙乳液的加入降低了框架结构的刚度，在振动破坏后聚合物混凝土框架的残余刚度要好于普通混凝土框架。文献［14，15］通过改变聚合物掺量，并添加纤维、硅粉、石墨等填料进行试验研究，建议高阻尼混凝土的聚合物最佳掺量为10% ～15%，并通过平面框架的振动台对比试验考察了聚合物混凝土的耗能性能。

本文拟在上述已有研究的基础上，通过调整聚合物的掺量及配制方法，得到组分简单且满足施工性能要求的高阻尼聚合物混凝土。通过试验检验其各种受力性能。在混凝土的各项力学性能不明显下降的前提下，提高其阻尼比以达到结构减振的效果。为类似武汉高速列车站房这种桥建合一的结构体系提供满足要求的减振混凝土。

1 试验过程

1.1 试验梁介绍

本文试验包括基本材性、动力测试、静力性能和疲劳性能。静力性能的构件为4片简支梁(见图1)，其中3片分别为掺加胶凝材料重量的10%、13%、15%(即聚灰比分别为0.1、0.13和0.15)的聚合物混凝土梁，代号分别为B10、B13及B15，另1片为普通混凝土基准梁，代号 B00。各梁混凝土按照 C50基准配合比m水泥∶m碎石∶m砂∶m水=1∶2.39∶1.46∶0.32 配制，同时考虑聚合物乳液本身的减水作用。聚合物乳液本身含有消泡剂，故在制备混凝土时未另行添加。

图1 试验构件及截面Fig.1 Experimental beam and cross section

以武汉高速列车站房36 m跨度的预应力混凝土简支箱梁为原型(见图2)，采用相同的混凝土基准配合比，制作了3个1/6缩尺模型，作为疲劳性能试验的构件。本文以其中两个模型为例进行对比，模型1为普通混凝土，模型2为聚灰比为0.13的聚合物混凝土。

图2 预应力混凝土箱梁Fig.2 Prestressed concrete box girder

聚合物采用上海高桥巴斯夫胶乳有限公司生产的改性羧基丁苯胶乳SD623，含固量为51%。该胶乳无毒、无腐蚀性、不挥发、不燃烧。

1.2 试验方案

在各试验梁浇筑过程中，考察混凝土的施工性能，如塌落度和扩展度。每根梁均留置立方体试块和棱柱体试块，用于测试抗压强度和弹性模量。

基本材性试验为静力受压弹性模量和抗压强度的测试，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2002进行。

动力测试是为了获取钢筋混凝土简支梁的自由振动信号，用以识别模态参数。在梁顶支座中心线连线上均匀放置9个加速度传感器用以记录梁自由振动的加速度信号(见图3)。

静力性能试验是通过静力加载获取简支梁的荷载—挠度曲线，同时观察记录对应于每级荷载的梁体裂缝开展情况。采用三分点加载，用百分表量测梁的挠度。动力测试和静力加载交替进行，根据各梁的承载能力对加载分级，每级加载稳定后，观测梁体裂缝开展情况，记录百分表读数。然后缓慢卸载，进行动力测试。采用激振锤敲击梁顶面，由3560D＆pulse数据采集系统采集加速度传感器的数据，采样频率为4 160 Hz。

采用美国MTS810电液伺服式疲劳试验机对模型梁进行三分点弯曲疲劳加载。利用3根钢分配梁对箱梁左右两边对应轨道的位置同时加载，如图4所示。荷载幅值为10 t～75 t(约0.07 Mu～0.5 Mu，Mu为模型梁的极限弯矩)，加载频率1.6 Hz。在模型梁底沿长度方向均匀布置3个百分表。疲劳加载之前和疲劳破坏之后，分别对模型梁进行10 t～75 t的静载循环。

2 试验结果分析

2.1 施工性能指标

经过反复试配，得到完全满足施工性能的聚合物混凝土，其指标如表1所示。

表1 施工性能指标值Tab.1 Indicators of workability

2.2 基本材性

表2给出了各试验梁的混凝土28天基本材性指标值。弹性模量随着聚灰比的增加有所下降，当聚灰比达到0.15时，聚合物混凝土的弹性模量较之基准混凝土只下降了11.4%。抗压强度随着聚灰比的增加下降幅度大于弹性模量，当聚灰比为0.15时下降量为18.3%。但抗压强度和弹性模量均满足C50混凝土的要求。

表2 基本材性指标值Tab.2 Concrete properties

2.3 静力性能

各梁跨中的荷载－挠度曲线如图5所示。对比可见，在荷载作用前期(0 kN～8 kN左右)各片梁变形规律完全一致，到了屈服强化阶段有所分散。到了后期加入了聚合物的梁在相同荷载作用下挠度要比普通混凝土梁小得多，特别是 B13和 B15，减小幅度接近50%。

试验梁均以挠度达到跨度的1/50，即90 mm为破坏标准，B10的破坏荷载与基准梁 B00相当，B13和B15的破坏荷载则明显比B00更高。

同时在试验过程中发现，尽管所有试验梁的开裂荷载均为5 kN左右，但是开裂后裂缝的发展却有很大的不同。基准梁B00在加载的过程中裂缝分布不均匀，在达到破坏前有两条裂缝突然增宽，其余裂缝未见明显变化。加入了聚合物的梁在中间1/3跨的纯弯段内裂缝均匀分布，并随着荷载的加大所有裂缝几乎同步发展，直到最后破坏。

图5 各试验梁荷载－位移曲线Fig.5 Load-displacement curves of beams

2.4 振动特性

采用随机子空间法对采集的各梁加速度信号进行模态识别，得到所有试验梁的各阶模态参数。以各试验梁初始状态为例，聚灰比和前三阶模态阻尼比的关系如图6所示。可见，在混凝土中加入聚合物后梁的阻尼比得到大幅的提升。聚灰比为0.1～0.13时，基频阻尼比相对基准梁提高了55%，聚灰比为0.15时提高幅度达到200%以上。三阶模态阻尼比的变化与基频阻尼比相近，而二阶模态阻尼比随聚灰比的增长提高幅度更大。

图6 聚灰比与阻尼比关系Fig.6 Relations of polymer cement ratio and damping ratio

2.5 疲劳性能

由疲劳加载之前的静载循环得到模型1和模型2的开裂弯矩分别为60 t·m和58 t·m。疲劳试验测得模型1和模型2的疲劳破坏次数分别为84.9万次和69.7 万次。

由于模型梁的截面和配筋很复杂，给制做带来很大困难。模型2在拆模之后，发现梁底存在缺陷，对外表面修补后进行试验。因此模型2的疲劳破坏次数比模型1略少。

图7为疲劳破坏以后，静载循环中2个模型梁在相同荷载点处挠度对比。由图可见，模型2的变形比模型1要小一些。此外，模型1和模型2的裂缝开展情况基本相同，疲劳破坏均为非预应力钢筋拉断。

综上可知，聚合物的添加对模型的疲劳寿命没有负面影响。

图7 疲劳破坏后静载循环下跨中挠度对比Fig.7 Comparison of mid－span deflections in the static loading cycle after fatigue failure between model1 and model2

3 结论

(1)本文试验配制的聚合物混凝土，即羧基丁苯混凝土，对提高混凝土结构的阻尼性能非常有效。随着聚合物掺量的增加，混凝土结构的阻尼比大幅度提高。当聚灰比为0.15时，聚合物混凝土的阻尼比较之基准的普通混凝土提高2倍以上。

(2)配制的聚合物混凝土不仅具有高阻尼特性，而且保持了作为结构用材料必须具备的基本材性。虽然其抗压强度和弹性模量随聚合物掺量的增加而小幅下降，但即便是聚灰比为0.15的聚合物混凝土也能满足规范对其抗压强度和弹性模量的要求。

(3)配制的聚合物混凝土，其构件的静力性能较普通混凝土构件有明显的改善，表现为构件在静载作用下的裂缝开展更均匀，截面屈服后挠度更小;其构件的疲劳性能与普通混凝土构件相当。

(4)配制的聚合物混凝土完全满足混凝土施工性能的要求，即具有良好的扩展度和塌落度。

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Tests of polymer concrete used for structural vibration mitigation

CAO Hui，CHEN Xing-hua，HUA Jian-min，HU Zhi-mao

(College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China)

It is essential for a newly emerging combined structure of railway-bridge and building to alleviate vibration induced by a high speed train.A kind of polymer was mixed with concrete to improve its damping.A series of experiments including vibration test，static loading one and fatigue one were carried out on small specimens，simply supported beams and reduced scale models of a real long span box girder to measure the compression strength，static modulus and damping and to compare the static and fatigue performance of ordinary concrete and polymer concrete.The test results showed that the damping ratio increases with increase in ratio of polymer and cement，but the compression strength and static modulus decrease a little;the static performance of the polymer concrete beams is better than that of the ordinary concrete ones，and the fatigue behavior of the former is the same as that of the latter;the workability of the polymer concrete including slump and slump flow is good.

structural vibration mitigation;polymer concrete;static behavior;fatigue behavior;workability

TU311

A

中央高校基本科研业务费(CDJZR10200001)

2010－01－12 修改稿收到日期:2010－03－22

曹 晖 男，教授，博士生导师，1969年3月生