肖建莊，徐 昊，李 壇，王春暉，薛松濤

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092）

建筑固廢中的混凝土塊經(jīng)過機械破碎、篩分以及清洗制成再生骨料，再將再生骨料部分或者全部取代天然骨料配制成的混凝土，稱為再生骨料混凝土［1］，簡稱再生混凝土。為了推廣再生混凝土的應用，國內(nèi)外學者做了許多關于再生混凝土基本力學性能的試驗研究以及理論分析［2-3］。同時，也有部分學者嘗試通過試驗與理論分析相結(jié)合研究再生混凝土結(jié)構(gòu)動力性能［2］。但是，將再生材料和構(gòu)件的阻尼性能結(jié)合起來進行研究的較少。

阻尼是影響再生混凝土結(jié)構(gòu)動荷載響應的重要因素，是衡量結(jié)構(gòu)振動性能的重要參數(shù)［4］。研究混凝土阻尼，為工程設計人員進行減振設計提供幫助，為配制新型的減振混凝土提供依據(jù)［5］，對于再生混凝土材料阻尼研究具有重要的意義。但是目前混凝土阻尼的測試方法并不統(tǒng)一，其中包括懸臂梁方法和懸掛方法［6-8］。

本文將研究再生粗骨料取代率、改性材料、測試方法、邊界條件和損傷程度對再生混凝土材料及板阻尼性能的影響，并分析各因素對再生混凝土阻尼性能的影響機理。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗采用的粗骨料粒徑為5～25 mm的再生粗骨料和天然粗骨料，細骨料粒徑范圍為0.15～0.25 mm的河砂，膠凝材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，減水劑為VIVID-500（A）型聚羧酸高效減水劑，拌和用水為自來水，阻尼改性材料為橡膠顆粒以及聚丙烯纖維。其中，骨料基本性質(zhì)如表1所示。

由表1可知，再生粗骨料的品質(zhì)要比天然粗骨料有所下降，主要原因是再生粗骨料在生產(chǎn)過程中導致的初始裂紋和損傷［8］。同時，再生粗骨料表面附著的疏松、多孔的水泥漿體也導致了再生粗骨料和天然粗骨料之間性能的差異［9］。

表1 骨料基本性能Tab.1 Basic properties of aggregates

1.2 試件設計

再生混凝土阻尼性能試驗包括再生混凝土材料阻尼試驗和簡支板阻尼試驗。用于測試混凝土材料阻尼的試件尺寸為100 mm×150 mm×1 300 mm。同時，每組澆筑3塊100 mm×100 mm×100 mm的立方體抗壓試塊，用于測試抗壓強度。材料阻尼試件分為5組，分別為NC（天然混凝土）、RC50（再生粗骨料取代率為50%）、RC100（再生粗骨料取代率為100%）、Ru（添加橡膠顆粒、再生粗骨料取代率為100%的再生骨料混凝土）以及PP（添加聚丙烯纖維、再生粗骨料取代率為100%的再生骨料混凝土），每組澆筑3個試件。

簡支板阻尼試驗使用4組單向簡支混凝土板，尺寸為60 mm×300 mm×1 700 mm。單向簡支板試件尺寸與截面配筋如圖1所示?；炷帘Ｗo層厚度為15 mm，受力鋼筋配筋率為0.50%，分布鋼筋配筋率0.176%。再生混凝土板阻尼試件編號分別為NCS（天然骨料混凝土板）、RCS（再生粗骨料混凝土板）、RuS（添加橡膠顆粒、再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土板）以及PPS（添加聚丙烯纖維、再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土板）。采用等水灰比設計，各試件的配合比如表2所示，試件的28 d立方體抗壓強度如表3所示。

圖1 單向簡支板試件尺寸與截面配筋（單位：mm）Fig.1 Size and reinforcement of one-way simply-supported slab（unit：mm）

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mix ratio

2 分析與試驗方法

2.1 材料阻尼測試方法

再生混凝土材料阻尼測試采用懸掛和懸臂梁兩種邊界條件，使用錘擊法激振，分別測試自由衰減振動下5種不同材料、配比的素混凝土梁的阻尼比。懸掛振動試驗將阻尼測試試件通過尼龍繩懸掛在試驗機上，通過力錘敲擊如圖2所示的敲擊點，并通過加速度傳感器捕捉信號，采樣頻率為2 MHz，傳至計算機模態(tài)分析軟件，進行數(shù)據(jù)分析和研究。

表3 混凝土試塊28 d抗壓強度Tab.3 28-day compressive strength of concrete specimens

懸臂振動試驗通過圖3所示指定荷載，在指定夾持位置將試件固定于試驗機上，并敲擊如圖4所示的敲擊點，通過加速度傳感器收集信號，傳至計算機的模態(tài)分析軟件，進行數(shù)據(jù)處理。

圖2 懸掛法測試阻尼（尺寸單位：mm）Fig.2 Suspension test method of damping(unit:mm)

2.2 再生混凝土板阻尼測試方法

采用分配梁在板上施加彎曲荷載，如圖3所示。板振動試驗由靜力加載與振動測試交替進行，靜力加載到指定加載階段后卸載，之后進行力錘激振，采用單點激振、多點拾振的方式，測試每級荷載下不同損傷程度板的阻尼，靜力加載關鍵控制點如表4所示。表中，εt為板底跨中混凝土應變，Pcr為開裂荷載，δ為跨中撓度，εy為鋼筋應變，Py為屈服荷載，Pmax為峰值荷載，Py為屈服荷載；L為計算跨度，Pu為極限荷載。

2.3 分析方法

試驗得到的原始數(shù)據(jù)是試件受到激振后的加速度響應，采用半功率帶寬法［10］計算試件的阻尼比，即

式中：η為阻尼比；Δf為半功率帶寬；f0為試件共振頻率。

圖5顯示了試件振動自由衰減時，加速度隨時間變化的時域信號，以及能量在各頻率分布的頻域信號。通過Matlab編寫快速傅立葉變換（FFT）的程序?qū)r域曲線（圖5a）轉(zhuǎn)化成頻域曲線（圖5b）。

表4 靜力加載關鍵控制點（分級加載，位移保持5 min）Tab.4 Static loading key control points(graded loading,displacement maintained for 5 min)

圖5 時域到頻域的信號轉(zhuǎn)換Fig.5 Signal transformation from time domain to frequency domain

3 結(jié)果與討論

3.1 再生混凝土材料的阻尼

懸掛振動試驗，通過縱向振動以及橫向振動兩個維度的多點激振，經(jīng)傳感器收集信號加以處理分析。各試件的阻尼以及頻率如表5所示。

表5 懸掛法再生混凝土阻尼測試結(jié)果Tab.5 Suspended damping test results of recycled aggregate concrete

懸臂振動試驗，通過橫向激振，經(jīng)傳感器收集信號加以處理分析。各試件的阻尼及頻率如表6所示。

表6 懸臂法再生混凝土阻尼測試結(jié)果Tab.6 Cantilevered damping test results of recycled aggregate concrete

圖6 不同測試方法的阻尼比Fig.6 Damping ratio of different test methods

通過再生混凝土材料的阻尼試驗可以發(fā)現(xiàn)，采用同種測試方法，不同的激振方向得到的阻尼結(jié)果存在差異，其中懸掛法的縱向激振阻尼比橫向阻尼高39%。不同的測試方法得到的阻尼結(jié)果也有差異，其中懸臂法阻尼測試結(jié)果比懸掛法平均高43.1%，這主要是由于邊界條件變化引起的。采用懸臂法，振動能量會通過懸臂端傳入加載裝置，測試結(jié)果實際為再生混凝土梁和加載裝置的阻尼耗能能力之和，因此，測試得到的阻尼比大于懸掛法。

雖然測試方法以及邊界條件會影響阻尼測試結(jié)果，但是兩種方法測試結(jié)果的總體趨勢相同。如圖6所示，在強度相差不到10%且試件都處于彈性階段的情況下，不同測試方法得到的變化規(guī)律相同，50%再生粗骨料取代率混凝土阻尼比比天然骨料混凝土阻尼提高20.57%～23.18%，100%再生粗骨料取代率再生混凝土阻尼比比天然骨料混凝土阻尼提高30.00%～34.89%，相較天然骨料混凝土，再生骨料混凝土阻尼耗能能力有明顯的提高。添加橡膠顆粒再生混凝土阻尼比不添加橡膠顆粒再生骨料混凝土提高50%左右，具有明顯的阻尼改性效果，但是添加橡膠顆粒的再生混凝土強度下降了12.61%。添加聚丙烯纖維在彈性范圍內(nèi)對再生混凝土阻尼性能影響不明顯。

3.2 再生混凝土板的阻尼

各再生混凝土板的極限承載力如表7所示。再生骨料混凝土的承載力和普通混凝土相近，摻入橡膠顆粒會略有降低，但是摻入纖維后其承載力高于普通混凝土。

表7 再生混凝土板極限承載力Tab.7 Ultimate bearing capacity of slabs

通過測試再生混凝土板在不同損傷程度下的阻尼比變化，模擬再生混凝土在實際承載中阻尼耗能能力隨損傷情況的變化，如表8所示。

表8 不同加載階段再生混凝土板阻尼和頻率Tab.8 Damping and frequency of recycled concrete slabs at different loading levels

再生混凝土和天然混凝土簡支板阻尼比隨損傷程度的變化如圖7所示。簡支板阻尼試驗各組板在整個加載階段阻尼比變化具有相同的趨勢：先隨著損傷程度的增大而增大，達到極值后開始隨著損傷程度的增大而降低。且隨著板損傷程度逐漸增大，再生混凝土板阻尼增幅較天然骨料混凝土板大。在加載階段4，再生骨料混凝土板和天然骨料混凝土板阻尼達到最大值，再生粗骨料混凝土板阻尼比的最大值比天然粗骨料混凝土板高18.97%，再生骨料能明顯提高板的阻尼耗能能力。

添加橡膠顆粒的再生混凝土板在彈性階段的阻尼比提高效果較為明顯，在達到屈服之前其阻尼比相比未添加的高44.2%，且阻尼比達到極值點時的荷載小于再生混凝土板。但在加載后期由于承載力降低明顯，阻尼比降低幅度較大。而添加聚丙烯纖維在彈性階段提高阻尼比的效果不明顯，但是在屈服后有較大程度的增長，本次試驗中在加載階段5達到峰值，達到峰值點時的荷載大于再生混凝土板。

圖7 不同加載階段混凝土板的阻尼比Fig.7 Variation of damping ratio of concrete plate in different loading stages

同樣在初始彈性階段，混凝土材料阻尼比和板阻尼比如表9所示。再生混凝土板的阻尼比要大于同處于彈性階段內(nèi)的材料阻尼試件的阻尼比。這主要是由于配筋對于混凝土阻尼比也會產(chǎn)生一定的影響，具體的配筋形式以及配筋率都會影響混凝土簡支板的阻尼比。

表9 混凝土材料和簡支板彈性階段阻尼比對比Tab.9 Comparison of damping ratios of concrete between material and component in elastic stage

4 簡支板開裂分析

簡支板加載過程中，裂縫的發(fā)展能較為直觀地反映混凝土板的損傷程度，而混凝土板的阻尼比變化又與板裂縫的發(fā)展密切相關。本試驗通過裂縫寬度觀測儀手工描摹，觀察并記錄混凝土板裂縫發(fā)展情況，結(jié)合圖7的阻尼比變化規(guī)律，尋找裂縫發(fā)展和阻尼性能之間的關系。

試件NCS板底裂縫發(fā)展如圖8所示。在按表4規(guī)定的荷載加載至加載階段2時，板底無明顯的肉眼可觀測裂縫；當加載到階段3時出現(xiàn)5條橫向裂縫，隨著荷載的增加，裂縫進一步發(fā)展；當加載到加載階段4即鋼筋屈服時，在板底純彎段開始出現(xiàn)等距的橫向裂縫；當加載到加載階段5時，橫向裂縫連通并且出現(xiàn)新的裂縫，縫寬增大，混凝土板破壞失去整體性。對照圖7的阻尼比變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在鋼筋屈服前，即加載階段4之前，混凝土的阻尼比隨開裂發(fā)展的增加逐漸增加，之后阻尼比逐漸降低。

圖8 試件NCS板底裂縫發(fā)展描述Fig.8 Description of crack development at bottom of specimen NCS

試件RCS板底裂縫發(fā)展如圖9所示。對比可發(fā)現(xiàn)，RCS的裂縫發(fā)展更快，同一加載階段的RCS裂縫要比NCS多，經(jīng)裂縫觀測儀觀測，縫寬也略大。在峰值荷載點前RCS和NCS的裂縫分布范圍基本相同。對照圖7的阻尼比變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在鋼筋屈服前，即加載階段4之前，RCS的阻尼比大于NCS的阻尼比。在峰值荷載處RCS和NCS的阻尼基本相同。

試件RuS板底裂縫發(fā)展如圖10所示?？梢悦黠@觀測出RuS的裂縫發(fā)展更為迅速，在加載階段2出現(xiàn)多條裂縫，并在加載階段4裂縫開始貫通整個板底，其抗裂性能較差。對照圖7的阻尼比變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，從加載階段2開始阻尼比出現(xiàn)較大增長，加載階段4處的阻尼比和NCS與RCS基本相同。

聚丙烯纖維再生混凝土板PPS試件板底裂縫發(fā)展如圖11所示。添加聚丙烯纖維的再生混凝土板的抗裂性能要明顯優(yōu)于其他3組，具體表現(xiàn)為首條裂縫出現(xiàn)晚，裂縫發(fā)展較為緩慢。在加載階段5的裂縫分布區(qū)域大于NCS、RCS和RuS。對照圖7發(fā)現(xiàn)，在峰值荷載，即加載階段5前阻尼比均呈現(xiàn)增長趨勢，之后阻尼比下降。在加載階段4之前PPS和RCS的阻尼比曲線最為接近。經(jīng)裂縫寬度觀測儀測量，其縫寬比其他3組小，如表10所示。

圖9 試件RCS板底裂縫發(fā)展描述Fig.9 Description of crack development at bottom of specimen RCS

圖10 試件RuS板底裂縫發(fā)展描述Fig.10 Description of crack development at bottom of specimen RuS

表10 不同加載階段板底最大縫寬記錄Tab.10 Max crack width record at slab bottom

圖11 試件PPS板底裂縫發(fā)展描述Fig.11 Description of crack development at bottom of specimen PPS

綜上所述，觀察不同的簡支板開裂過程和阻尼比的變化，可以發(fā)現(xiàn)以下裂縫和阻尼比的關系：在彈性階段，再生骨料混凝土板的阻尼比即高于普通混凝土板；在峰值荷載前，再生骨料混凝土的裂縫多于普通混凝土，且阻尼比的增長幅度大于普通混凝土。摻入橡膠顆粒后，再生混凝土的開裂情況更為明顯，而在峰值荷載前會有一個明顯的阻尼比峰值。但是隨著荷載增大，裂縫過早貫通，相較再生混凝土在更低的荷載下阻尼比出現(xiàn)下降。增加纖維后，由于纖維在裂縫間的抗拉，峰值荷載下的裂縫分布范圍更廣，同時在該荷載前阻尼比單調(diào)增加。

通過圖8～11可以分析得出，板的抗裂性能由強到弱依次為：纖維再生混凝土板、普通混凝土板、再生混凝土板、橡膠混凝土板。相比再生混凝土板，添加橡膠顆粒的再生混凝土板在加載初期裂縫開展更為迅速，與添加橡膠顆粒再生混凝土板在加載前期的阻尼有較大的提高相對應。添加聚丙烯纖維的再生混凝土板的裂縫發(fā)展速度以及縫寬均小于其他幾組，如表10所示，并且在加載后期其總裂縫數(shù)也較少，這與加載后期添加聚丙烯纖維的再生混凝土板阻尼比仍較大相一致。

5 再生混凝土阻尼機理探討

整個加載過程中，混凝土板的阻尼比先增后減。前期阻尼比增大主要是由于損傷的積累，內(nèi)部缺陷逐步演化為裂縫［11］，增加了混凝土板的界面摩擦，而界面摩擦是在受到激振時阻尼耗能的重要組成［12］。隨著荷載的增加，到達峰值荷載后裂縫逐漸貫穿，縫寬較大，當卸載之后板底裂縫不能完全閉合，裂縫兩側(cè)的混凝土無法接觸而耗能，因此其阻尼比有所下降。

再生粗骨料能明顯提高混凝土的阻尼性能。骨料對混凝土阻尼性能的影響主要是由于骨料和附近水泥石界面過渡區(qū)（ITZ）的力學性能不同［13］?；炷羶?nèi)各相之間的振動和摩擦是產(chǎn)生阻尼的主要原因之一［14］。骨料與水泥石之間的界面過渡區(qū)是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，相比天然粗骨料混凝土，再生粗骨料混凝土含有較多老界面過渡區(qū)［15］，隨著荷載增加，由于再生骨料存在初始缺陷，如老界面和老砂漿的微裂縫和孔隙，在受外界激勵時可消耗能量的缺陷更多，使得再生混凝土板阻尼增幅較天然骨料混凝土板大。

橡膠顆粒對混凝土材料和板的阻尼改性效果明顯。結(jié)合板的開裂狀況可以推測：在彈性階段，由于橡膠顆粒的剛度較小而被嵌固于砂漿基體之中，只能隨結(jié)構(gòu)振動進行小范圍的振動；而在板進入塑性階段后，砂漿漿體開裂，橡膠顆粒因約束減弱而被激活，可在更大范圍內(nèi)進行振動耗能；而當板接近破壞時，橡膠顆粒與砂漿基體之間的接觸遭到破壞［16］，砂漿基體的振動無法傳遞至橡膠顆粒耗能，因此耗能能力顯著降低，阻尼比減小。

在彈性階段，纖維再生混凝土板的阻尼比與再生混凝土板的阻尼比相差不大，而進入塑性階段后甚至小于再生混凝土板的阻尼比。這可能是由于纖維的約束作用，使纖維再生混凝土板在進入非線性階段后裂縫開展較為緩慢［17］，而裂縫之間的摩擦阻尼耗能是混凝土板進入非線性階段耗能的重要途徑。當纖維再生混凝土板達到極限強度時，裂縫進一步發(fā)展，纖維再生混凝土板的阻尼比顯著增大；而未添加聚丙烯纖維的再生混凝土板由于裂縫過寬而喪失了摩擦耗能能力，阻尼比有所下降。

綜上所述，從簡支板的開裂情況和板阻尼比的關系可以得出因裂縫而產(chǎn)生的界面摩擦阻尼是影響再生混凝土板阻尼的重要因素。再生骨料、橡膠顆粒和纖維可以分別從改變裂縫數(shù)目和減少裂縫寬度、增加裂縫分布范圍來提高混凝土的阻尼比。采用不同的骨料可以改變不同荷載下混凝土板裂縫的出現(xiàn)數(shù)目；添加纖維可減小裂縫的寬度，增加裂縫的分布區(qū)域，使裂縫在峰值荷載前均能產(chǎn)生界面摩擦增加阻尼比。

6 結(jié)論

（1）與天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土的阻尼比更高。在彈性階段，50%再生骨料取代率混凝土阻尼比比天然骨料混凝土阻尼比提高20%～23%；100%再生骨料取代率時提高可達到30%～35%。橡膠顆粒能較大幅度提高混凝土阻尼耗能能力，相較再生骨料混凝土，添加橡膠顆粒的再生混凝土阻尼比提高50%左右。在彈性階段摻加聚丙烯纖維不能顯著提高再生骨料混凝土材料的阻尼比。

（2）在實際測試時，測試方法和邊界條件會影響測試結(jié)果。采用懸掛方法和懸臂方法測試結(jié)果的總體趨勢相同，但是采用懸臂方法測得的阻尼比大于懸掛法。

（3）混凝土板隨損傷的積累，阻尼比均會先上升后下降。加入橡膠顆粒會使阻尼比峰值出現(xiàn)在荷載較小的工況，而摻入聚丙烯纖維則會延緩峰值的出現(xiàn)。使用再生粗骨料、橡膠顆?；驌饺刖郾├w維都可以增大混凝土板的阻尼比，再生骨料混凝土板的極限承載力與天然骨料混凝土板相差不大，而在阻尼耗能能力上具有一定的優(yōu)勢。

（4）再生混凝土板的裂縫開展過程與阻尼測試結(jié)果相對應，表明因裂縫而產(chǎn)生的界面摩擦阻尼是影響再生混凝土板阻尼的重要因素。