高强混凝土阻尼功能设计及其性能研究

论文摘要

混凝土的阻尼功能是将振动能转变成其它形式的能量耗散的能力,它对于提高结构稳定性、安全性和耐久性以及防振减灾亦具有重要意义。混凝土材料是土木工程建筑的主要材料,然而其阻尼功能低,且存在阻尼功能与强度等力学性能不可兼顾的矛盾,制约了混凝土材料在结构工程,尤其是长期处于频繁振动荷载作用结构中的推广与应用。论文针对该问题,对混凝土材料的组成、结构与性能进行系统的研究,提出了具有阻尼功能高强混凝土(DHSC)的设计方法,揭示了DHSC组成、结构与性能的相关规律,掌握了DHSC的关键技术,为该类材料的设计、制备以及推广应用提供了重要的依据和理论指导。本文进行的主要工作和取得的重要成果有:针对混凝土阻尼功能与强度难以兼顾的问题,运用结构振动控制原理,设计制备出既可显著改善混凝土阻尼功能,又可避免强度降低的阻尼功能单元——混凝土阻尼器。在此基础上,提出基于阻尼器节点式空间网络分布的高强阻尼混凝土理想结构模型。在该混凝土中,呈节点式分布的阻尼器通过水泥基体中的有机高分子材料相连接,形成以阻尼器为节点,以适量呈均匀分布的有机高分子材料构成的空间网络连接各阻尼器的节点式空间网络结构。在振动荷载作用下,通过阻尼器与基体中有机高分子材料的协同作用耗散振动能量以改善混凝土的阻尼功能,并可防止阻尼材料直接掺入混凝土基体而导致的力学下降与耐候性、耐久性问题,为制备高强阻尼混凝土提供了理论指导。依据高强阻尼混凝土理想结构模型,建立了适用于高强混凝土的阻尼器理想结构,发明了阻尼器材料设计与制备方法。阻尼器包括高强基体与阻尼材料两部分,通过对高强基体材料组成、结构与性能的研究,确定了其配料与制备的关键工艺参数,制备出颗粒强度在7.0MPa以上的高强基体材料。在此基础上,通过对阻尼材料的设计与优选,掌握了基体材料与阻尼材料的匹配原则及阻尼器的制备方法,研究探明了影响阻尼器力学性能与阻尼功能的主要因素,确定了阻尼器的制备工艺,实现了阻尼器结构、性能与阻尼功能的可设计与可控制性,为高强混凝土阻尼功能的设计与控制提供了关键组成材料。系统研究了阻尼器种类与掺量、水灰比、辅助胶凝材料、体积砂率、纤维种类与掺量及聚合物等因素对DHSC的阻尼功能与力学性能的影响规律,结果表明,在一定范围内引入阻尼器能显著提高混凝土的阻尼功能而不降低其力学性能,合理控制水灰比、体积砂率并结合复掺辅助胶凝材料、纤维与聚合物技术,可制备出具有阻尼功能的高强混凝土,确定了配制DHSC的主要技术参数,并提出其配合比设计方法。采用SEM、EDXA、MIP等测试手段,结合力学性能及耐久性能试验,研究了DHSC的组成、结构与性能之间的关系,揭示了水泥石及其与阻尼器和普通集料组成的两种界面过渡区在阻尼器内养护作用下,水化程度提高、空隙率降低、界面处显微硬度提高、混凝土结构密实是DHSC具有优良力学性能和耐久性的主要原因。基于威布尔分布理论研究了DHSC的振动疲劳性能,结果表明,随着振动疲劳荷载增加,混凝土的寿命明显降低且近似服从两参数威布尔分布;与同强度等级普通混凝土相比,DHSC的振动疲劳寿命明显提高且随其阻尼功能提高而延长;在此基础上,建立了不同失效概率条件下DHSC的振动疲劳寿命预测方程,该研究结果为DHSC推广应用提供了重要参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 混凝土材料阻尼功能的国内外研究现状
• 1.3 存在问题
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 高强混凝土的阻尼功能设计原理与方法
• 2.1 材料的阻尼及其机理
• 2.2 混凝土材料阻尼设计方法
• 2.3 高强混凝土阻尼功能设计
• 2.3.1 高强混凝土阻尼功能设计原理
• 2.3.1.1 高强混凝土阻尼功能设计原则
• 2.3.1.2 高强混凝土阻尼功能设计思路
• 2.3.2 高强混凝土阻尼功能设计方法
• 2.3.2.1 阻尼器结构与功能一体化设计
• 2.3.2.2 阻尼器与混凝土组分的优化设计
• 2.3.3 具有阻尼功能高强混凝土的理想结构
• 2.4 高强混凝土阻尼功能设计原理验证
• 2.4.1 阻尼功能测试方法
• 2.4.2 原材料与配合比
• 2.4.3 结果分析
• 第3章 混凝土阻尼器的制备及其性能研究
• 3.1 混凝土阻尼器的制备
• 3.1.1 基体材料的制备
• 3.1.1.1 原材料选择原则
• 3.1.1.2 制备方法与工艺
• 3.1.1.3 基体材料的性能
• 3.1.2 阻尼材料优选
• 3.1.3 阻尼器的制备方法
• 3.2 阻尼器的性能
• 3.2.1 原材料与试验方法
• 3.2.1.1 原材料
• 3.2.1.2 试验方法
• 3.2.2 基体材料
• 3.2.2.1 基体材料种类
• 3.2.2.2 基体材料密度等级
• 3.2.3 阻尼材料
• 3.2.4 环境温度
• 3.2.5 制备方法
• 第4章 DHSC组成与性能的关系
• 4.1 主要原材料及试验方法
• 4.1.1 原材料
• 4.1.2 试验方法
• 4.2 DHSC的组成
• 4.2.1 阻尼器
• 4.2.1.1 阻尼器种类与用量
• 4.2.1.2 阻尼器颗粒特征参数
• 4.2.2 纤维
• 4.2.3 水灰比
• 4.2.4 体积砂率
• 4.2.5 橡胶粉
• 4.2.6 聚合物改性组分
• 4.2.7 辅助胶凝材料
• 4.2.7.1 粉煤灰
• 4.2.7.2 硅灰
• 4.3 具有阻尼功能高强混凝土的配合比设计
• 第5章 DHSC的振动疲劳特性
• 5.1 试验设计
• 5.1.1 测试仪器
• 5.1.2 疲劳试验试件的成型与养护
• 5.1.2.1 疲劳试验混凝土配合比
• 5.1.2.2 疲劳试验混凝土试件的成型与养护
• 5.1.3 试验参数
• 5.1.4 试验与加载控制
• 5.1.4.1 静载试验
• 5.1.4.2 振动疲劳试验
• 5.2 DHSC的振动疲劳性能研究
• 5.2.1 静载试验
• 5.2.2 振动疲劳寿命
• 5.3 DHSC的振动疲劳寿命预测研究
• 5.3.1 S-N曲线与疲劳方程
• 5.3.2 基于Weibull分布的S-P-N曲线与概率疲劳方程
• 5.3.2.1 Weibull分布理论
• 5.3.2.2 DHSC疲劳寿命Weibull分布母体参数的确定
• 5.3.2.3 基于Weibull分布的概率疲劳方程
• 第6章 DHSC的耐久性
• 6.1 收缩
• 6.1.1 混凝土收缩的种类
• 6.1.2 试验方法
• 6.1.3 影响DHSC收缩的因素
• 6.2 抗渗性能
• 6.2.1 试验方法
• 6.2.2 结果分析
• 6.3 抗硫酸盐侵蚀性能
• 6.3.1 硫酸盐侵蚀的机理
• 6.3.2 试验方法
• 6.3.3 结果分析
• 6.4 抗冻性能
• 6.4.1 冰冻机制
• 6.4.2 试验方法
• 6.4.2.1 试验方法
• 6.4.2.2 评价方法
• 6.4.3 结果分析
• 第7章 结论
• 参考文献
• 博士期间发表文章、专利申请及参加科研情况
• 致谢