CN102942333A - 水工大体积混凝土结构地震振动模型材料 - Google Patents

Abstract

一种水工大体积混凝土结构地震振动模型材料，其特征在于包括以重量百分比计的以下组份：胶凝剂20%～29.34%、固化剂3%～7%、稀释剂1%～4.5%、加重材料60.03%～74.9%。将环氧树脂倒入容器内，加入稀释剂，搅拌均匀；加入固化剂，混合均匀；加入加重材料，反应5-10分钟；倒入模具、成型即可，养护期为3-4周。该模型材料除了可以用于模拟混凝土结构与水相互作用情况下的水工静动力模型试验，以及无水条件下大体积混凝土结构水工静动力模型试验。还具有类似水泥水化热的温度场变化，会出现二次发热的现象，这为模拟大体积混凝土浇筑发热，温度应力场及裂缝试验研究能提供很好的条件。

Description

水工大体积混凝土结构地震振动模型材料

技术领域

本发明涉及一种用于模拟混凝土结构地震振动作用的水工模型材料及其制备方法。特别涉及水工大体积、高耸混凝土结构，例如升船机塔楼、大坝等。

背景技术

水工建筑物的受力特征、几何形状、边界条件较为复杂，尽管电子计算机和空间有限单元法已有迅速发展，但是目前还不能用理论分析方法完美地计算其应力和稳定安全度等问题。因此结构模型试验是必不可少的手段之一。为了使模型能正确地反映原型结构的情况，原型和模型的几何、物理等条件必须满足模型相似条件。因此对模型材料的要求就显得相当重要。结构模型材料的基本要求是：与原型材料的物理力学性能相似；保证在现量测水平条件下，有足够量测精度；要求模型材料的弹模比原型小得多，并且有足够的强度和承载能力；保证模型在加荷和正常试验的量测时间内，无显著的徐变产生；物理、力学、化学、热学等性能稳定，力求不受时间、温度、湿度等变化的影响；易加工、经济、易取。

在水工模型试验中，很多情况下都要模拟水的作用，众所周知，若在模型结构中按一定的相似缩尺模拟水材料，是十分困难的，即便可以做到，也是代价很大的。因此，在可能的情况下，尤其是动力相互作用试验研究时，原型中水的作用尽可能在模型中仍用水来模拟。因此，要求其重度相似比C_γw＝1，这也就意味着强制要求结构模型材料的重度（密度、比重）要等于原型材料的数值。例如要求在水工模型中模拟混凝土的材料的重度也要达到24kN/m³。另一方面，由于加载设备的限制和量测精度的要求，希望模型结构材料弹模相对要低、材料强度适当。此外，还有防渗、温度和湿度稳定性等需要。鉴于上述原因，对结构－水相互作用体系的模型试验研究，对水工混凝土的模型材料，提出了高重度、低弹模、强度适当、防渗、稳定等严酷要求。

一般能够用作水工结构模型的材料可以分为以下几类：石膏类等脆性材料；橡胶类材料；高分子材料如有机玻璃和塑料等；由胶凝材料和其他材料合成的复合材料。这些材料都有各自的特点和物理特性，下面就简单说明这些材料的性质并讨论各类材料的适用性。

石膏类等脆性材料：这种材料以石膏为主，可以加入其他一些材料。材料的重度一般为3.5~24kN/m³或者可以更高。弹模的变化范围一般为200~10000MPa左右，材料泊松比比较接近0.2。这种材料弹模和重度变化范围很广，而且材料弹模基本不会随着温度、湿度和时间的变化而有很大的变化，同时材料也便于成型，易于加工。但是这类材料的防水性比较差，因此无法用于模拟水与结构相互作用情况下模型试验。

 橡胶类材料：这类材料的重度可以达到14~24kN/m³或者更高，材料弹模一般在几十到几百MPa，动、静弹模之比约为1.4~1.8或更大，泊松比比较大，可能达到0.35~0.45，同时阻尼比也比较大。这类材料的弹模比较小，但是这类材料的温度稳定性比较差，而且材料的非线性特性影响显著，所以不适合对线性度要求比较高的模型试验。

 高分子材料：这类材料以有机玻璃和塑料为代表。材料的弹模在500~5000MPa左右，动、静弹模之比在1.4左右，泊松比在0.3~0.5，材料重度一般在1.0~1.5kN/m³，当加入加重材料时，也能使材料的重度提高。这类材料的强度较大，宜于做成框架类轻型结构。材料也有较好的防水性，不过温度稳定性比较差，不容易做成大型块体结构。

复合材料：这类材料是一种混合材料，由胶凝材料和其他一些加重和填充材料混合而成，在材料中还可以加入一些改性材料，使混合材料能够达到试验材料的要求。这类材料比较广泛，研制的人也比较多，但是一般都是针对具体试验要求来研制适合试验的材料。

国内科研院所以及大学中在研究大体积水工混凝土结构模型试验时，基本采用加重橡胶材料满足弹性要求，以及利用重晶石粉作填料，满足密度要求。

上个世纪70年代，意大利E.富马加利教授，在其《静力学模型与地力学模型》一书中介绍了利用树脂与一些填料（如石英砂、软木屑、聚苯乙烯等），可以配置泊松比接近混凝土或钢材的模型材料，同时对弹性模型也做了简单介绍，但关于重度情况、浇注制作工艺、以及是否适用于结构与水相互作用地震振动模型试验均未涉及。

在此基础上，检索了相关的专利文献和报导，国内外的水工混凝土结构模型材料还没有直接以重晶石粉和铁粉等加重材料与环氧树脂进行配制的，用于水工大体积混凝土结构有水与无水条件下的静动力模型试验。

发明内容

本发明的主要目的就是，提供一种水工大体积混凝土结构地震振动模型材料，重度可以达到24kN/m³，同时保证材料弹模尽量低，材料的泊松比要接近0.2，且不能有很大的非线性影响，在试验范围内材料应力应变曲线有比较明显的直线段；同时模型材料要有一定的强度，能够保证外部荷载施加时不至破坏，最好要有较好的防水性并且不会与水发生反应；满足稳定性要求，材料性质不会随着温度特别是湿度有明显的变化。

本发明的具体方案如下：

水工大体积混凝土结构地震振动模型材料，其特征在于包括以重量百分比计的以下组份：胶凝剂20%～29.34%、固化剂3%～7%、稀释剂1%～4.5%、加重材料60.03%～74.9%。

所述的胶凝剂为环氧树脂，具有很强的粘性，是热固性材料高分子有机物，因此必须加入固化剂使其成为硬化物；环氧树脂硬化后会表现较强的脆性，容易开裂，同时环氧树脂本身的弹模也比较高，因此必须加入改性剂来增韧，同时也需要改性剂（即本文件记载的稀释剂）来增加环氧树脂的流动性，便于材料的大面积浇筑。

固化剂为环氧树脂固化剂；

稀释剂为水、松香水、二甲苯之任一种；水作为一种无机物对环氧树脂流动性和增韧的效果不是特别明显；较佳为松香水和二甲苯，也是比较有效的改性剂，最佳为二甲苯，因为要达到与松香水同样效果的稀释效果，松香水的用量明显多于二甲苯的用量。

加重材料为铁粉、重晶石粉或者两者的混合物。

制备方法如下：

（1）将胶凝剂倒入容器内，加入稀释剂，搅拌均匀；

（2）加入固化剂，混合均匀；

（3）加入加重材料，反应5-10分钟；

（4）将步骤（3）得到的混合物倒入模具、成型即可，养护期为3-4周。

1.重度高且可调，可高于混凝土的比重（24kN/m³），亦可低至接近石膏的比重；2.弹模变化范围大，为400～10000 MPa；3.线性度好，在线弹性范围可准确模拟混凝土的力学特性；4.成型过程中具有类似水泥水化热的温度场变化，可模拟大体积混凝土浇筑放热；5.成型容易，模型制作可直接浇筑，成型可使用机械设备、机床等手段进一步精确加工；6.层间黏结方便，可模拟新、老混凝土层间黏结性状；7.防渗，可直接用作挡水结构模型。

该模型材料可以用于模拟混凝土结构与水相互作用情况下的水工静动力模型试验，以及无水条件下大体积混凝土结构水工静动力模型试验。同时该材料具有类似水泥水化热的温度场变化，并且也会出现二次发热的现象，这为模拟大体积混凝土浇筑发热，温度应力场及裂缝试验研究能提供很好的条件。

本发明已用于云南省景洪水电站水力式升船机模型试验中，取得了一定的成果，可用于研究浇筑过程中的放热现象，以及模拟大体积混凝土发热过程的变化以及研究温度裂缝的发生情况，同时成本造价低，取材容易。

附图说明

图1为实施例9所得模型材料静力试验不同龄期的应力应变曲线（考察温度为：室温）；从图1可知，所得复合材料的线性度较好，应力应变关系在工作区里基本保持直线；材料应力应变曲线在龄期25天和30天时已经基本保持不变，同时与龄期1年时的曲线也十分接近，因此该模型材料的稳定期大约在25天左右，此后材料弹模增长的幅度不是很大。

图2为实施例9所得模型材料浇注后温度随时间变化；

图3为实施例9所得模型材料浇筑后二次发热现象。

图4为实施例14材料试块的共振曲线;

图5为实施例14半功率法阻尼比计算简图。

具体实施方式

以下实施例所用材料的出处：重晶石粉：江苏孚特新材料有限公司；松香水：南京双利化工厂。

按照不同配合比制作试样，根据不同工况进行试验，分别进行静力、动力（输入地震荷载）试验，试验其物理力学性能。具体实施例如下（单位：重量%）：

从上表可知，所得材料的重度可高于混凝密度，亦可低至类似石膏的比重，弹性模量为400MPa～10000MPa，阻尼比约为1.5%。

实施例13，是以实施例9所得材料为样品考察材料的静力特性以及应力应变曲线关系的实验。

所用的标准试块为4×4×16cm的长方体试块，通过轴心抗压试验来测定其在线弹性范围内的应力应变曲线，由此也可以得出材料的静弹模和泊松比。所得的结果是由同批试块的结果平均而得的，以此来消除由于材料本身之间差异而带来的影响。根据试验测出的模型材料的泊松比为0.2，在工作区的应力应变曲线见图1。为了了解材料弹模随时间的变化情况，图中列出了不同龄期时同种材料的应力应变曲线。

实施例14，是以实施例9所得材料为样品来考察材料的动力特性的实验，主要包括材料的动弹模和材料本身的阻尼比。动弹模的测量是通过把4×4×40cm的标准试块的一端固定，使其成为一个一端固定一端自由的悬臂梁，随后通过敲振测量出试块的自振频率后，将频率值带入结构动力学中的公式(1)中求出的^[1]。

$\mathrm{Ed}=\mathrm{AW}\frac{L^3}{b{h}^3}{f}^2---\left(1\right)$

式中  Ed—材料的动弹模，A—系数，取决于梁的支撑条件和自振频率阶数，L、b和h—梁的长度、宽度和振动方向梁的高度，W—梁的质量，f —测得的梁的自振频率。

图4是通过敲振得到的试块的共振曲线，通过对本次研制的水工混凝土动力模型材料的敲振试验的结果中可以了解，该种模型材料的动弹模在4000~10000MPa之间。

材料本身的阻尼比可以在共振曲线上通过计算而得，由图5所示的方法，在材料敲振所得的共振曲线中找出对应的频率值^[1]，代入阻尼比计算公式(2)，从而可得模型材料本身的阻尼比为1.5%，与混凝土相似。

$\mathrm{\ζ}=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_m}{2f_m}---\left(2\right)$

式中 f_m—某阶自振频率，Δf_m—自振曲线上振幅值等于

倍最大振幅时两点间的频率之差。

本发明以环氧树脂作为胶凝剂的，温度会对其弹模造成影响。因此所得复合材料的静动弹模也会随温度发生变化，对试验现场的温度进行测量。还发现了该材料具有类似水泥水化热的温度场变化，并且也会出现二次发热的现象，图2、3即为材料在浇筑过程中测得的温度变化。图2在考察时间1400min内，材料的温度在100min内随着时间而上升，在100min后随着浇筑时间的延长，温度在下降；图3在考察时间3200min内，材料的温度在100min内随着时间而上升，然后在100~200min温度有小范围的下降，转而温度又升高，一直到350min时达到最高温度，实现了第二次发热。这对模拟大体积混凝土浇筑发热，进行温度应力场试验研究都能提供很好的条件。

参考文献：

[1] 左东启等．模型试验的理论和方法[M]．北京：水利电力出版社，1984

[2] 柯国军，郭长青，胡绍全，陈振富，石建军，孙德纶，陈俊杰．混凝土阻尼比研究[J]．建筑材料学报，2004.7(1):35-40。

Claims (2)

1.水工大体积混凝土结构地震振动模型材料，其特征在于包括以重量百分比计的以下组份：胶凝剂20%～29.34%、固化剂3%～7%、稀释剂1%～4.5%、加重材料60.03%～74.9%。

2.权利要求1所述的水工大体积混凝土结构地震振动模型材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将环氧树脂倒入容器内，加入稀释剂，搅拌均匀；

（2）加入固化剂，混合均匀；

（3）加入加重材料，反应5-10分钟；

（4）将步骤（3）得到的混合物倒入模具、成型即可，养护期为3-4周。

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