一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土及其制备方法，将包括普通混凝土约束层和聚合物改性层。按照向普通混凝土约束层中引入一层或者两层聚合物改性层，形成多个约束层‑自由层‑约束层减振单元组合；其普通混凝土约束层包括水泥15～17份、天然河砂30～35份、碎石42～47份、水4～8份、减水剂1～2份；聚合物改性层包括聚合物乳液或聚合物改性砂浆。本发明高阻尼混凝土有较好的吸收、耗散能量作用，具有更为优异的减振、噪声吸收性能，且抗折、抗压强度等力学性能控制在合理的范围内。

说明书

技术领域

本发明属于混凝土材料研发技术领域，具体涉及一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土为基础设施中用量最大的材料之一，作为建筑物的主体材料，承受并传递荷载，然而其自身阻尼低，无法有效耗散外界振动能，当受到外界较大的振动冲击时难免对结构物造成损伤甚至破坏。故提高混凝土材料阻尼在降低高速列车轨道产生的振动能、确保精密仪器不受外界振动影响下正常工作、桥梁结构受重型车辆对其造成损伤等方面具有重要意义。这些问题均决定了对混凝土材料的减振性能提出很高要求，因此提高混凝土材料阻尼性能无疑对提高结构的抗振性具有重要意义。

目前针对提高混凝土材料减振性能的研究主要集中在向混凝土中掺加聚合物乳液类高阻尼材料提高混凝土材料阻尼性能，然而存在成本高，且不同程度的降低力学性能等问题。由此可见，目前提高混凝土材料阻尼技术仍然不理想。因此，鉴于混凝土材料应用广泛性、受力复杂性及结构物减振必要性，开发一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料十分有必要。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于内部局部结构层状设计、一定程度上兼顾力学性能与阻尼性能、且经济性较好的混凝土材料制备方法，通过向上下两部分普通混凝土约束层中引入一层或者两层聚合物改性层，形成多个“约束层-自由层-约束层”减振单元组合，从而使混凝土构件在整体结构上表现出更为优异的减振性能。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土，包括普通混凝土约束层和聚合物改性层按照向普通混凝土约束层中引入一层或者两层聚合物改性层，形成多个约束层-自由层-约束层减振单元组合；

所述普通混凝土约束层包括下述质量份数计的原料：

水泥15～17份、河砂30～35份、碎石45～47份、减水剂1～2份、水4～6份；

所述聚合物改性层包括聚合物乳液或聚合物改性砂浆。

优选的，所述聚合物砂浆包括下述质量份数计的原料：

水泥3～4份、河砂7～9份、减水剂1份、水1～2份、聚合物乳液1～2份。

优选的，所述聚合物乳液为苯丙乳液或乳化沥青。

优选的，所述水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；所述河砂为天然河砂；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。

相应地，本发明进一步给出了基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料的制备方法，包括下述步骤：

1)按照质量份数准确称量15～17份水泥、30～35份河砂、45～47份碎石，并混合均匀后，加入4～8份水、1～2份减水剂，手工拌合均匀后，形成普通混凝土约束层；

2)将步骤1)得到的普通混凝土先成型于试模一部分；

3)将3～4份水泥、7～9份河砂、1份减水剂、1～2份水和1～2份聚合物乳液混合，构成聚合物改性砂浆作为聚合物改性层；

4)人工振捣成型于试模中；

5)待普通水泥混凝土约束层初凝后，将步骤3)拌合好的聚合物改性层成型于步骤2)成型好的普通水泥混凝土上；

6)待聚合物改性层初凝后，再将步骤1)方法拌合的普通混凝土成型在聚合物改性层上面，构成约束层-自由层-约束层减振单元组合，进行养护。

优选的，所述步骤3)中，直接将纯聚合物乳液作为改性层。

优选的，所述步骤4)中，拌合时间自加水5min内完成，人工振捣3min。

优选的，所述步骤6)中，养护温度20℃±1℃，相对湿度控制在90％以上养护7d。

优选的，向水泥混凝土约束层中引入一层或者两层聚合物改性层，形成多个约束层-自由层-约束层减振单元组合，其阻尼比不小于5.34，抗压强度不小于33.7Mpa，抗折强度不小于5.15Mpa。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过聚合物改性混凝土制备的自由层结构，当混凝土构件产生振动时，自由层内部聚合物材料产生拉-压变形，根据高阻尼材料的耗能机理，当结构振动时，通过高阻尼材料的弯曲、拉伸吸收能量，高阻尼材料内部产生交变应力将机械能转化为热能，从而起到耗能的作用。再在自由阻尼层的两面均设置普通混凝土形成上下包夹状作为约束层结构，那么约束层结构将进一步限制自由层的拉伸变形，进一步增加其剪切变形，因而能更多地消耗振动能量，降低振动效果更为显著，最终使混凝土构件在整体结构上表现出更为优异的减振性能。

本发明的自由层由聚合物改性混凝土材料制备，因聚合物材料有较强的流变性，聚合物乳液和自由水会借助混凝土的连通孔隙渗透到上、下两面靠近聚合物改性混凝土附近的普通混凝土层中，促进普通混凝土层中的水泥充分水化，聚合物乳液扩散到上下两层，增加混凝土构件抗振性能，在这个过程中，原本层间结构连接处因水泥充分水化起到“胶结”作用，增加了层间结构的粘附性。

本发明制备的高阻尼混凝土材料，其中间为自由阻尼层，上下两层均为约束层，荷载作用上面，相当于起到了一个缓冲应力的作用，且自由阻尼层有较好的吸收、耗散能量作用，最终使荷载作用时产生的振动、噪声吸收。

本发明制备的混凝土材料为局部高阻尼混凝土材料，聚合物只是作为自由层加入混凝土构件层间结构设计中，很大程度上降低了成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

本发明一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法，包括如下步骤：

1)按照质量份数准确称量15～17份水泥、30～35份天然河砂、42～47份碎石，并混合均匀后，加入4～8份水、1～2份聚羧酸高效减水剂，手工拌合均匀后，形成普通混凝土约束层；

2)将步骤1)得到的普通混凝土先成型于试模一部分；

3)制作聚合物改性层：包括纯聚合物乳液或聚合物改性砂浆。

①纯聚合物乳液

将1～2份聚合物乳液(苯丙乳液或乳化沥青)改性层作为自由层结构；

②聚合物改性砂浆

将3～4份水泥、7～9份河砂、1份减水剂、1～2份水和1～2份聚合物乳液(苯丙乳液或乳化沥青)混合，构成聚合物改性砂浆作为自由层结构；

4)拌合时间自加水5min内完成，人工振捣3min。

5)待普通水泥混凝土约束层初凝后，将步骤3)拌合好的聚合物改性层成型于步骤2)成型好的普通水泥混凝土上；

6)待聚合物改性层初凝后，再将步骤1)方法拌合的普通混凝土成型在自由层上面，构成约束层-自由层-约束层减振单元组合，养护温度20℃±1℃，相对湿度控制在90％以上养护7d。

为了更好的理解本发明，以下通过实施例对本发明进行进一步说明。但本发明并不仅仅限于这些实施例。

实施例1：

本实施例的一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法包括：

水泥15份、天然河砂30份、碎石45份、水8份、减水剂2份、乳化沥青1份。

1)制作普通混凝土约束层：

制备及设计过程：依据上述配比准确称量各组分质量，常温条件下将各组分搅拌均匀，拌合时间自加水5min内完成，成型于混凝土试模中，人工振捣3min，形成普通混凝土层，其厚度约70mm；

2)制作聚合物改性层：待混凝土初凝后，将称取好的乳化沥青用刷子涂刷均匀，乳化沥青用量以平摊至整个试件表面，厚度约10mm；

3)制作约束层-自由层-约束层减振单元组合

待聚合物薄层初步凝固后，用铲刀轻轻将另一半普通混凝土装入试模中，厚度约70mm。养护温度20℃±1℃，相对湿度控制在90％以上养护7d。

实施例2：

本实施例的一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法包括：

水泥15份、天然河砂30份、碎石45份、水8份、减水剂2份、苯丙乳液1份。

1)制作普通混凝土约束层：

制备及设计过程：依据上述配比准确称量各组分质量，常温条件下将各组分搅拌均匀，拌合时间自加水5min内完成，成型于混凝土试模中，人工振捣3min，形成普通混凝土层，其厚度约70mm；

2)制作聚合物改性层：待混凝土初凝后，将称取好的苯丙乳液用刷子涂刷均匀，苯丙乳液用量以平摊至整个试件表面，厚度约10mm；

3)制作约束层-自由层-约束层减振单元组合

待聚合物薄层初步凝固后，用铲刀轻轻将另一半普通混凝土装入试模中，厚度约70mm。养护温度20℃±1℃，相对湿度控制在90％以上养护7d。

实施例3：

本实施例的一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法包括：

1)制作普通混凝土约束层：

水泥17份、天然河砂33份、碎石42份、水7份、减水剂1份。

制备及设计过程：依据上述配比准确称量各组分质量，常温条件下将各组分搅拌均匀，拌合时间自加水5min内完成，成型于混凝土试模中，形成普通混凝土，其厚度约50mm；

2)制作聚合物改性层：

将3份水泥、9份河砂、1份减水剂、2份水和1份乳化沥青混合，构成乳化沥青改性砂浆，作为聚合物改性层；待普通混凝土层初凝后，导入制作好的聚合物改性层以平摊至整个试件表面，厚度约50mm；

3)制作约束层-自由层-约束层减振单元组合

待乳化沥青改性砂浆层初凝后，用铲刀轻轻将普通混凝土装满试模，厚度50mm。养护温度20℃±1℃，相对湿度控制在90％以上养护7d。

实施例4：

本实施例的一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法包括：

1)制作普通混凝土约束层：

水泥17份、天然河砂33份、碎石42份、水7份、减水剂1份。

制备及设计过程：依据上述配比准确称量各组分质量，常温条件下将各组分搅拌均匀，拌合时间自加水5min内完成，成型于混凝土试模中，形成普通混凝土，其厚度约50mm；

2)制作聚合物改性层：

将3份水泥、9份河砂、1份减水剂、2份水和1份苯丙乳液混合，构成苯丙乳液改性砂浆，作为聚合物改性层；待普通混凝土初凝后，导入制作好的聚合物改性层以平摊至整个试件表面，厚度约50mm；

3)制作约束层-自由层-约束层减振单元组合

待苯丙乳液改性砂浆层初凝后，用铲刀轻轻将混凝土装满试模，厚度50mm。养护温度20℃±1℃，相对湿度控制在90％以上养护7d。

实施例5：

本实施例的一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法包括：

1)制作普通混凝土约束层：

水泥15份、天然河砂33份、碎石47份、水4份、减水剂1份。

制备及设计过程：依据上述配比准确称量各组分质量，常温条件下将水泥、砂、碎石混合均匀后加入水、减水剂，搅拌均匀，拌合时间自加水5min内完成，形成普通混凝土成型于试模中，厚度约90mm；

2)制作聚合物改性层：

将4份水泥、7份河砂、1份减水剂、1～2份水和2份苯丙乳液混合，构成苯丙乳液改性砂浆作为聚合物改性层；

待普通混凝土层初凝后，取出试模，导入制作好的聚合物改性层以平摊至整个试件表面，厚度约30mm；

3)制作约束层-自由层-约束层减振单元组合

待苯丙乳液改性砂浆初凝后，用铲刀轻轻将普通混凝土装满试模，厚度约30mm。养护温度20℃±1℃，相对湿度控制在90％以上养护7d。

实施例6：

本实施例的一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法包括：

1)制作普通混凝土约束层：

水泥15份、天然河砂33份、碎石47份、水4份、减水剂1份。

制备及设计过程：依据上述配比准确称量各组分质量，常温条件下将水泥、砂、碎石混合均匀后加入水、减水剂，搅拌均匀，拌合时间自加水5min内完成，形成普通混凝土成型于试模中厚度约30mm；

2)制作聚合物改性层：

将4份水泥、7份河砂、1份减水剂、1～2份水和2份苯丙乳液混合，构成苯丙乳液改性砂浆，作为聚合物改性层；

待普通混凝土初凝后，取出试模，导入制作好的聚合物改性层以平摊至整个试件表面，厚度约30mm；

3)制作约束层-自由层-约束层减振单元组合

待苯丙乳液改性砂浆初凝后，将用铲刀轻轻将普通混凝土装满试模，厚度约90mm。养护温度20℃±1℃，相对湿度控制在90％以上养护7d。

对一种基于内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法的不同实施案例，分别配制了C15、C30、C40和C50混凝土，分别成型150mm×150mm×150mm的立方体试件和450mm×100mm×150mm的棱柱体试件，进行抗压、抗折强度和阻尼性能检测，本次选用C30混凝土进行性能检测，具体检测结果如下表所示。

由上表可知，中间自由层采用不同的纯聚合物乳液，混凝土力学性能与阻尼比不同，其中自由层为苯丙乳液时，阻尼性能更好；中间自由层采用不同的聚合物砂浆时，混凝土自由层为苯丙乳液改性砂浆的阻尼性能更好，且自由层为改性砂浆的阻尼效果均优于纯聚合物乳液；当中间自由层为苯丙乳液改性层时，自由层位置设计至底端三分之一处的阻尼效果最佳。从实施例看出，本发明制备的多个约束层-自由层-约束层减振单元组合构成的基于内部结构设计的高阻尼混凝土，其阻尼比不小于5.34，抗压强度不小于33.7Mpa，抗折强度不小于5.15Mpa。

本发明基于各种原材料优点、材料间相容性、材料优势性能发挥最大化和对消除振动等因素的考虑，优化原材料的种类和配比，创造性的设计出具有层间结构特点的局部高阻尼混凝土材料，该混凝土材料的阻尼功能得到大幅改善且成本大大降低；普通混凝土层结构中的水泥水化需要水分，而聚合物砂浆层中多余的水分会通过扩散作用迁移到普通混凝土层中，供其水泥颗粒充分水化，水泥水化反应又促进层间结构的粘结和密实混凝土结构。同时聚合物乳液裹挟着水化产物逐渐聚拢成膜，形成空间互穿网络结构，结构能够提高材料的韧性。

基于以上内部结构设计的高阻尼混凝土材料制备方法和设计理念，该材料可以有效提高混凝土阻尼性能的同时力学性能控制在合理的范围内，可以有效解决混凝土结构物振动响应问题。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。