石文博　繆林昌　王佳奇　嚴　波　郭祥貴　陳藝南

(1東南大學交通學院，南京　210096)(2江蘇省城市軌道交通研究設計院股份有限公司，南京　210029)

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循環(huán)荷載作用下不同配比EPS輕質(zhì)混凝土阻尼比變化規(guī)律

石文博1繆林昌1王佳奇1嚴波2郭祥貴2陳藝南1

(1東南大學交通學院，南京210096)
(2江蘇省城市軌道交通研究設計院股份有限公司，南京210029)

摘要:通過對EPS顆粒體積分數(shù)為0%，20%，30%，40%的輕質(zhì)混凝土施加5×104次頻率為5 Hz的循環(huán)動荷載進行循環(huán)動力試驗，對測得的數(shù)據(jù)進行計算分析，得出不同配比的EPS輕質(zhì)混凝土阻尼比的變化規(guī)律．通過測定經(jīng)過動力循環(huán)試驗的輕質(zhì)混凝土的強度，研究輕質(zhì)混凝土的耐久性能．結(jié)果顯示，EPS含量越高，阻尼比越大;施加的荷載越大，阻尼比的變化越明顯．經(jīng)過5× 104次循環(huán)動載試驗后EPS輕質(zhì)混凝土強度減少不明顯，量化阻尼比規(guī)律和耐久性對EPS輕質(zhì)混凝土在長期循環(huán)施工的實際工程中的使用具有重要的意義．

關鍵詞:EPS混凝土;動力循環(huán)試驗;阻尼比;耐久性

引用本文:石文博，繆林昌，王佳奇，等．循環(huán)荷載作用下不同配比EPS輕質(zhì)混凝土阻尼比變化規(guī)律［J］．東南大學學報(自然科學版)，2016，46(1) : 179－183．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．029．

EPS輕質(zhì)混凝土是將EPS(聚苯乙烯泡沫)顆?；烊牖炷林邪韬?，制成的一種質(zhì)量較輕且具有保溫吸能效果的新型建筑材料．EPS輕質(zhì)混凝土與普通混凝土相比具有很多優(yōu)勢:①由于EPS自身密度較小，可以配置出密度可調(diào)、質(zhì)量可控的輕質(zhì)混凝土，可應用在一些大跨度、高層的建筑物上;②EPS顆粒具有很好的保溫隔熱特性，所配置的混凝土也具有很好的保溫隔熱特性;③EPS顆粒生產(chǎn)耗能較小，無毒無公害，配置出的輕質(zhì)混凝土對環(huán)境沒有污染．因而EPS混凝土具有經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)能等特性，符合現(xiàn)代工程材料設計使用的理念．

在20世紀70年代，由Cook［1］首先將EPS顆粒加入到混凝土中，并對這種新型的材料進行了初步研究．而對這種材料的系統(tǒng)研究則開始于20世紀90年代，Miled等［2］通過在混凝土中添加不同比例的EPS顆粒，得出了輕質(zhì)混凝土的強度與孔隙率的關系．甘偉等［3］也通過大量的試驗，得出了EPS輕質(zhì)混凝土密度與強度之間的關系．Dima等［4］通過對EPS輕質(zhì)混凝土流動性進行分析，得到了EPS輕質(zhì)混凝土配比與強度之間的關系，并認為良好的和易性是保證輕質(zhì)混凝土強度的關鍵．另外，國內(nèi)外學者還研究了輕質(zhì)混凝土中外加的EPS顆粒的粒徑［5－7］、顆粒是否為原發(fā)［8］、混凝土添加外加劑［9］等情況下對強度的影響．

目前國內(nèi)外學者的研究大多集中在強度、配制方法、保溫特性等方面，而對于EPS輕質(zhì)混凝土的動力特性的研究則較少．本文在上述研究的基礎上，通過采用動荷載試驗，得到動阻尼比與EPS輕質(zhì)混凝土配比之間的關系，動阻尼比與動力試驗的荷載、振次之間的關系，以及EPS輕質(zhì)混凝土的耐久性能．所得結(jié)論對工程中EPS輕質(zhì)混凝土的使用具有指導意義．

1　試驗設計

1．1試塊的配比

配制試塊所使用的水泥為標號32．5的普通硅酸鹽水泥;細骨料為細度模數(shù)2．85的河砂;粗骨料為碎石，其粒徑分布范圍為4．0～20 mm; EPS顆粒為粒徑1～3 mm的發(fā)泡聚苯乙烯球形顆粒，其表觀密度為20 kg /m．

減水劑采用的是高性能減水劑，由于EPS顆粒質(zhì)量輕，且為憎水材料，因而在成型過程中，振動會導致EPS顆粒上浮，而影響輕質(zhì)混凝土中EPS顆粒的均勻性，導致所配置的混凝土強度降低．解決這類問題主要采用2種方法:①把EPS顆粒從憎水材料改為親水材料，從而可以增加EPS顆粒與其他集料之間的黏合作用;②提高所配置混凝土漿液的稠度．在本次實驗中主要通過添加黏性劑來增加EPS顆粒與其他材料的黏結(jié)性能，進而確保在振搗施工時EPS分布均勻．

文獻［10］通過大量配合比試驗得出了既考慮強度因素又兼顧經(jīng)濟因素的配合比，具體配比方案見表1．

1．2輕質(zhì)混凝土的拌合方法

含有EPS顆粒的輕質(zhì)混凝土的拌合方法與普通混凝土不同．經(jīng)過多次試驗，并借鑒混凝土拌合中的裹砂法拌合輕質(zhì)混凝土，具體方法為:首先將EPS顆粒倒入攪拌箱，并加入三分之一配合比總量水和二分之一黏性劑，攪拌0．5 min后倒入粗骨料繼續(xù)進行拌合，之后再將其他材料倒入攪拌箱進行拌合．這種方法能夠?qū)PS均勻地混入混凝土中，并保證EPS顆粒與混凝土之間的黏合效果，使得拌合的混凝土也具有較好的和易性．

表1　拌合混凝土配比

2　動荷載試驗

EPS輕質(zhì)混凝土具有抗沖擊、吸能等特性，可以廣泛地應用于一些具有循環(huán)荷載施加的土木工程中，以減少系統(tǒng)的振動．而對振動能量的衰減效果主要由阻尼比來決定．本文通過循環(huán)荷載試驗，定性地分析EPS摻入量、振動次數(shù)、振動荷載等因素對于EPS輕質(zhì)混凝土動阻尼比的影響．本次試驗使用的EPS體積分數(shù)分別為0%，20%，30%和40%，振動次數(shù)為5×104和10×104，振動荷載分別為60，50和40 kN，振動頻率設定為5 Hz，具體的試驗方案如表2所示．

表2　試驗方案

試驗開始時，將制成的混凝土試塊置于標準養(yǎng)護環(huán)境下，28 d后取出．試驗采用MTS 370．50電液伺服疲勞試驗系統(tǒng)進行循環(huán)動荷載試驗．

3　結(jié)果分析

3．1阻尼比的計算

不同工程材料的阻尼比不同，對傳遞的振動能量吸收和衰減也有所不同．通過阻尼比可以計算出多個參數(shù)(如阻尼系數(shù)、瑞利阻尼參數(shù)等)，通過這些參數(shù)可以分析系統(tǒng)的減振特性．

阻尼比定義為實際阻尼系數(shù)c與臨界阻尼系數(shù)cer之比［11］．阻尼比λ與能量損失數(shù)ψ之間的關系為

式中，ΔW為一個周期內(nèi)損耗的能量; W為一周期內(nèi)作用的總能量;ψ為能量損失數(shù)，ψ=ΔW /W; m為振動體系質(zhì)量;ω為自振頻率．

將滯回圈所圍定的面積A0近似表示輕質(zhì)混凝土在一個周期內(nèi)的能量損耗ΔW，即

式中，εd為動應變．一個周期內(nèi)動荷載所存儲的總能量為

式中，σd為動應力．如圖1所示，一個周期內(nèi)的總能量等于由原點O到最大幅值點A(εd，σd)連線下的三角形△AOB面積AT，所以阻尼比可表示為

圖1　滯回圈和阻尼比

根據(jù)式(4)可以求出振動循環(huán)內(nèi)任一振次的阻尼比．

試驗次數(shù)為5×104，每一次加卸載都會產(chǎn)生一個滯回圈，如果對每一個滯回圈都進行提取，并計算其阻尼比，則計算量較大．因此本文每間隔2 000個滯回圈選取一個滯回圈進行分析，由于數(shù)據(jù)間隔對于分析結(jié)果影響不大，故按本文分析結(jié)果能夠較好地反映阻尼比隨振動次數(shù)增加的規(guī)律．

3．2阻尼比與EPS摻入量之間的關系

分別對EPS顆粒體積分數(shù)為0%，20%，30%和40%的輕質(zhì)混凝土施加40～60 kN的軸向振動荷載，得到的輕質(zhì)混凝土阻尼比與振次的關系如圖2所示．

圖2　循環(huán)荷載

隨著動荷載振動次數(shù)的增加，所有配比的EPS輕質(zhì)混凝土阻尼比都呈減少的趨勢，阻尼比在最初減小明顯，但隨著振次的增加逐漸趨于穩(wěn)定．

不同的振動荷載會導致EPS輕質(zhì)混凝土出現(xiàn)不同大小的阻尼比，其中振動荷載越大，阻尼比也越大．隨著振次的增加，其阻尼比減小的趨勢也更加明顯．同時，振動荷載越大，輕質(zhì)混凝土阻尼比隨振次的波動也越大．當振動荷載為40 kN(見圖2 (a) )時，所有配比混凝土的阻尼比為0．012～0．033;當振動荷載為50 kN(見圖2(b) )時，所有配比混凝土的阻尼比為0．013～0．04;而當振動荷載為60 kN(見圖2(c) )時，所有配比混凝土的阻尼比為0．015～0．042．由于循環(huán)荷載持續(xù)施加，導致混凝土壓縮變形，荷載越大，壓縮變形也越大，使得混凝土的阻尼比越?。?/p>

EPS顆粒的摻入量對輕質(zhì)混凝土的阻尼比影響較大．當施加的荷載較小時，各個配比混凝土的阻尼比相差較小，如圖2(a)、(b)所示;當施加荷載較大時，各個配比的混凝土阻尼比差別比較明顯，如圖2(c)所示，含40%EPS顆粒的輕質(zhì)混凝土比不含EPS顆粒的混凝土，阻尼比大了近1倍．在同一荷載作用下，EPS含量越高，輕質(zhì)混凝土阻尼比的減少越明顯．

3．3 EPS輕質(zhì)混凝土的耐久性

3．3．1 5萬次循環(huán)荷載作用后疲勞強度

在進行完5×104次循環(huán)試驗后對所有配比的混凝土進行強度試驗，強度試驗按混凝土抗壓強度試驗標準進行，得到的試驗結(jié)果如圖3所示．

在經(jīng)歷了5×104次的循環(huán)荷載作用后，不同EPS顆粒含量的混凝土強度都出現(xiàn)了不同程度的減少，其中，施加的循環(huán)荷載越大，混凝土疲勞強度的減少也越明顯．在施加疲勞荷載為40 kN時，摻入20% EPS的混凝土強度比循環(huán)前有所減少，而摻入30%和40%EPS的混凝土強度則有不同程度的增加．主要原因是當施加的循環(huán)荷載較小時，循環(huán)荷載的施加導致EPS壓縮并使混凝土壓密，從而在疲勞試驗結(jié)束后，強度比循環(huán)前有所增加．隨著疲勞荷載從40 kN增加至60 kN，混凝土受到疲勞荷載作用的影響也越來越明顯，其中輕質(zhì)混凝土的強度隨著EPS摻入量的加大，受到疲勞試驗的影響也越來越?。?/p>

圖3　5萬次動循環(huán)后的強度

圖4　50 kN和10萬次動循環(huán)后強度

3．3．2 10萬次循環(huán)荷載作用后疲勞強度

為了更加全面地研究EPS材料的疲勞強度，在5×104次振動試驗的基礎上增加了1．0×105次循環(huán)荷載作用試驗．由于1．0×105次試驗耗時較多，因而僅做50 kN循環(huán)荷載作用下不含EPS顆粒和EPS顆粒含量為30%的混凝土試塊的疲勞強度試驗，結(jié)果如圖4所示．由圖可知，經(jīng)歷1．0× 105次疲勞荷載后，2種配比的混凝土強度變化比較明顯，其中，摻入30% EPS的輕質(zhì)混凝土的強度比5×104次疲勞荷載后的強度有所減少，但是減少量并不大，而相比不含EPS的混凝土試塊強度減小量十分明顯．在進行1．0×105次50 kN疲勞試驗時，不含EPS顆粒的混凝土疲勞強度減少了近50%，而EPS顆粒含量為30%的混凝土疲勞強度降低了僅15%左右．

根據(jù)上述試驗結(jié)果可以得出，EPS混凝土比普通的混凝土耐久性好且能夠在長時間循環(huán)荷載作用下，保持強度不變．

4　結(jié)論

1) EPS顆粒含量對輕質(zhì)混凝土的阻尼比影響較大，隨著EPS顆粒含量增大，EPS顆粒輕質(zhì)混凝土的阻尼比也增大．

2) EPS顆粒輕質(zhì)混凝土在振動荷載的持續(xù)作用下具有不同的阻尼比，振動荷載越大，阻尼比也越大，隨著振次的增加，其阻尼比減小的趨勢也越明顯．

3)在同一荷載作用下，EPS顆粒含量越高，輕質(zhì)混凝土阻尼比的減少越明顯．

4)不同大小循環(huán)荷載的疲勞試驗對于輕質(zhì)混凝土的強度影響不同，在進行5×104次疲勞試驗時，當荷載為40和50 kN時，摻入0%和20% EPS的混凝土疲勞強度略有減少，而摻入30%和40% EPS的輕質(zhì)混凝土的疲勞強度略有增加;當循環(huán)荷載為60 kN時，所有配比的混凝土疲勞強度都有所減少，減少的程度與EPS摻入量成反比．

5)在進行1．0×105次50 kN疲勞試驗時，不含EPS顆粒的混凝土疲勞強度減少了近50%，而EPS顆粒含量為30%的混凝土疲勞強度降低了僅15%左右．通過所設計的耐久性試驗得到的結(jié)果充分說明了EPS輕質(zhì)混凝土具有較好的耐久性，能夠很好地使用在荷載長期循環(huán)施加且有一定抗震要求的實際工程中．

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［10］Shi W B，Miao L C，Luo J，et al．Durability of modified expanded polystyrene concrete after dynamic cyclic loading［J］．Shock and Vibration，2015，501: 317106．

［11］謝定義．土動力學［M］．北京:高等教育出版社，2011: 297－299．

Damping behavior of lightweight expanded polystyrene concrete under dynamic cyclic loading

Shi Wenbo1Miao Linchang1Wang Jiaqi1Yan Bo2Guo Xianggui2Chen Yinan1
(1School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2Jiangsu Urban Mass Transit Research＆Design Institute Co．，Ltd．，Nanjing 210029，China)

Abstract:Cyclic loading tests with 50 000 times were conducted on the lightweight concrete(LWC) with different EPS (expanded polystyrene) volume contents of 0%，20%，30% and 40% at the frequency of 5 Hz．By the computational analysis of the experimental data，the damping change laws of LWC with different EPS ratios were obtained．After dynamic cyclic loading tests，the intensity of LWC was measured and then the durability of LWC was studied．The experimental results show that the higher the inclusion content，the higher the damping ratio of the LWC．The larger the applying load，the more obvious the damping ratio changes．However，the strength of LWC has no evident decrease after loading tests of 50 000 times．The quantization of damping rules and the durability have practical significance in use of the LWC in some practical engineering for suffering long-term dynamic cyclic loading．

Key words:expanded polystyrene concrete; dynamic cyclic loading tests; damping ratio;durability

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51278099)．

收稿日期:2015-08-06．

作者簡介:石文博(1988—)，男，博士生;繆林昌(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師，Lc．miao@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．029

中圖分類號:TU528．2

文獻標志碼:A

文章編號:1001－0505(2016) 01-0179-05