基于次级界面弱化的水泥基材料阻尼调控与界面强度理论研究

The damping performance of cement-base material determines the usage, safety and durability of concrete structure under dynamic load and external excitation.This project aims to balance the damping and strength of cement base material, by adjusting interface structure of the rice husk, as well as introducing the nanoscale viscoelastic damping unit onto the porous surface of rice husk ash. After that, the basic design idea of cement base material and damping energy dissipation theory based on rice husk ash modification is expanded and deepened. Among them, different calcination, grinding and surface treatments are adopted to rebuilt the nanometer pore construction of rice husk ash. Secondly, dipping, negative pressure adsorption or coupling methods are adjusted to embed different types of porous polymer materials into the rice husk ash. Then appraisal indexes including the pore size, damping layer and interface parameters optimized by taking account of both static and dynamic mechanical performance as well as relaxation peak variation with temperature. Finally, secondary interface control strategy can be formed while considering all the macroscopic properties such as damping, strength and stiffness. Interface strength theory is provided where porous inorganic admixtures are taken as micro aggregate, nanometer organic interface as stress transfer unit and the surrounding medium as rigid bearing system.

水泥基材料的阻尼性能的优劣决定着混凝土结构在动荷载及外部激励作用下的使用性、安全性和耐久性。本项目针对水泥基材料阻尼性能与强度发展之间存在的不平衡，通过对稻壳灰的表面形貌进行界面构造，在多孔稻壳灰表面引入纳米尺度的粘弹性阻尼单元，基于稻壳灰—水泥砂浆次级界面弱化效应机制，拓展和深化含纳米粘弹性阻尼单元的水泥基材料的基本设计思路及阻尼耗能理论。其中，首先采用不同的煅烧、粉磨和表面处理工艺对稻壳灰进行纳米孔隙构建，其次通过浸渍、负压吸附或偶联等方法将不同类型的聚合物嵌入或接枝至多孔稻壳灰外表面，然后以动、静态力学性能为考核指标进行孔隙、阻尼层及界面的参数优化，辅以不同温度条件下阻尼结构材料的弛豫峰特征分析，最终形成阻尼、强度、刚度等宏观性能兼顾的结构材料次级界面调控策略，丰富以多孔无机掺合料为微集料、纳米有机化界面为应力传递单元、周围介质为刚性受力体系的界面强度理论。

地震、风等自然因素以及轨道交通等人类活动所产生的动态荷载都会对建筑结构的安全性和使用性皆有不利影响。通过提高建筑结构中所用材料的阻尼性能，可增强结构的抗振特性，这对整体建筑结构的减振防灾、降低噪声污染、提高结构安全性和稳定性等方面具有重要意义。.本项目，基于界面摩擦滑动耗能机理，以调控粘弹性阻尼单元的次级界面为切入点，有针对性的设计次级界面有限弱化策略，不以牺牲材料的刚度和强度性能为代价，有效提高水泥基材料的阻尼性能。主要研究内容和结果如下：.（1）为了增强稻壳灰（RHA）的活性并优化其孔隙结构和微观形貌，对高温焙烧-化学处理联合工艺进行了摸索和优化。试验结果表明，在600℃下焙烧1.5 h，并用盐酸溶液处理后的RHA，具有最高的火山灰活性以及良好的孔隙结构和微观形貌。.（2）选用不同的硅烷偶联剂处理RHA，弱化RHA与水泥基体之间的界面并改变两者之间的连接方式，构造纳米楔形结构以实现振动的高效耗散。所制备含硅烷偶联RHA的水泥基材料的损耗因子最高可达0.06，同时还具体良好的耐久性。.（3）为了进一步增强水泥基材料的阻尼性能，丰富并拓展纳米粘弹性阻尼单元的次级界面弱化的界面强度理论。在硅烷偶联RHA的表面接枝聚合物，构建了可以更高效耗散振动能的无机-有机仿生叠层结构。12 ωt%的水泥被RHA、硅烷改性RHA、表面接枝甲基丙烯酸甲酯的硅烷预改性RHA替代后，水泥砂浆的损耗因子分别提升了16.05%、34.75%、63.59%。.（4）基于次级界面弱化理论，选用化学处理和生物酶降解两种方法改性椰壳纤维，有效弱化了纤维-水泥基体之间的界面。通过纤维-水泥基体之间的界面摩擦滑移实现振动能的耗散，从而改善水泥基材料的阻尼性能。掺加0.75 vol.%的化学改性椰壳纤维使得水泥砂浆的损耗因子提升了25%，掺加0.5 vol.%生物酶降解的椰壳纤维使得水泥砂浆的损耗因子提升了26.82%。