一种超材料混凝土构件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超材料混凝土构件及其制备方法，涉及混凝土工程领域，制备得到的板构件可以解决当前工程中隔震设施安装困难、隔震效率受限的问题。本发明专利技术采用分层浇筑的方式制备出钢筋混凝土基体和削波区域体，钢筋混凝土基体内部包裹削波区域体，削波区域体内部采用随机分布或者沿构件长宽高三个方向周期性分布的形式布置削波振子。削波振子为单振子、双振子或金属壳包裹单振子中的一种，结构形式为软材料包裹层、金属壳或金属球两两粘结组成的球形削波振子。本发明专利技术通过对削波振子参数和尺寸进行匹配，对削波区域体的削波振子级配进行优化，可以在很宽的频段内实现对荷载进行针对性隔震设计。对性隔震设计。对性隔震设计。

【技术实现步骤摘要】
一种超材料混凝土构件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种超材料混凝土构件及其制备方法，属于混凝土工程


技术介绍

[0002]地震、恐怖袭击等事件使得混凝土工程面临爆炸荷载作用及地冲击。而地冲击引起的结构震动不仅会对工程内部的人员造成伤亡，还会使工程内的仪器、设备出现不同程度的损坏。目前，混凝土工程中主要以钢丝绳隔震器和橡胶隔震器为耗能元件来进行减震设计，这类型的隔震方式并不能对工程可能面临的特有荷载进行针对性设计，隔震效率比较受限。
[0003]与传统隔震方式不同，应用某些超材料可以在相对宽的频段上实现隔震，但目前这些超材料的结构设计和制备工艺限制了其在大尺寸上的应用，同时制备工艺复杂，难以应用到实际混凝土工程中。
[0004]因此，亟需通过发展新技术来提高混凝土工程的隔震性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种超材料混凝土构件及其制备方法，该结构可产生隔震带隙，实现震动抑制，具有高效隔震性能。
[0006]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：第一方面，本专利技术提供了一种超材料混凝土构件，包括：钢筋混凝土基体和包裹在所述钢筋混凝土基体中的削波区域体；所述削波区域体为以构件体心为中心点、内部布置削波振子的局部立方体区域。
[0007]进一步的，所述削波区域体至构件边缘的距离不小于钢筋保护层厚度、受力钢筋直径以及分布钢筋或箍筋直径三者之和；所述削波振子的分布形式为随机分布或者沿构件长宽高三个方向周期性分布。
[0008]进一步的，所述削波振子为单振子、双振子或金属壳包裹单振子中的任意一种或多种。
[0009]进一步的，所述单振子为球形削波振子，包括软材料包裹层与粘结包裹在所述软材料包裹层中的金属球；所述单振子的直径不大于所述削波区域体的最小尺寸，所述软材料包裹层厚度为金属球半径的1/8～2/5。
[0010]进一步的，所述双振子为球形削波振子，包括从外到内两两粘结依次设置的第一层软材料包裹层、第二层金属壳、第三层软材料包裹层和第四层金属球；所述双振子的直径不大于所述削波区域体的最小尺寸，所述第一层软材料包裹层、第二层金属壳和第三层软材料包裹层的厚度均为所述第四层金属球半径的1/3～1/6。
[0011]进一步的，所述金属壳包裹单振子为球形削波振子，包括从外到内两两粘结依次设置的第一层金属壳、第二层软材料包裹层和第三层金属球；所述金属壳包裹单振子的直径不大于所述削波区域体的最小尺寸，所述第一层金
属壳的厚度为第三层金属球半径的1/6～1/9，所述第二层软材料包裹层的厚度为第三层金属球半径的1/8～2/5。
[0012]第二方面，本专利技术提供一种制备超材料混凝土构件的方法，包括如下步骤：对削波振子进行界面处理；在模具中涂刷脱模剂，布放下层钢筋；浇筑第一层混凝土，浇筑厚度为削波区域体在高度方向上距离构件边缘的距离；将混凝土振捣抹平后，做拉毛处理，等待第一层混凝土初凝；待第一层混凝土具有了一定强度后，制备削波区域体部分的混凝土；浇筑最后一层混凝土至构件高度，并将上层钢筋在浇筑过程中放置在特定的高度；对构件进行拆模、养护后，完成制备。
[0013]进一步的，所述削波振子为单振子、双振子或金属壳包裹单振子中的一种或多种；对削波振子进行界面处理的方法包括：对单振子、双振子采用水洗的方式进行界面处理，对金属壳包裹单振子采用泥浆浸泡的方式进行界面处理。
[0014]进一步的，所述超材料混凝土构件的削波振子的分布形式为沿构件长宽高三个方向周期性分布；制备削波区域体部分的混凝土的方法包括以下步骤：步骤A：在已浇筑的混凝土上利用定位板布放一层的削波振子；随后，浇筑该层混凝土，浇筑厚度为削波振子在高度方向上的周期单元尺寸；采用平板振捣的方式进行振捣，随后进行抹平、拉毛处理、等待初凝；步骤B：待已浇筑的上一层混凝土具备一定强度后，重复步骤A直到削波区域体部分的混凝土的厚度达到削波区域体的厚度。
[0015]进一步的，所述超材料混凝土构件的削波振子的分布形式为随机分布；制备削波区域体部分的混凝土的方法包括以下步骤：在已浇筑的混凝土上放置削波区域体模具，在削波区域体以外的空间内浇筑第二层混凝土，浇筑厚度为削波区域体的高度；对第二层混凝土进行振捣和抹平。
[0016]将混凝土中的粗骨料替换为削波振子，制成超混凝土；采用塑料材质工具对所述超混凝土进行搅拌、浇筑，保证浇筑完成后削波区域体与第二层混凝土的高度相同；拆除削波区域体模具，对第二层混凝土和削波区域体的混凝土一起进行平板振捣、抹平、拉毛。
[0017]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：1、本专利技术提供的超材料混凝土构件包括削波区域体；削波区域体为以构件体心为中心点、内部布置削波振子的局部立方体区域，在承受到震动荷载时，削波振子对砂浆基体中的能量进行吸收从而实现抑制板体震动的效果，该结构可产生隔震带隙，实现震动抑制；2、削波区域体的尺寸设计可以避免构件因为保护层过薄导致开裂问题，同时避免因削波振子分布区域过大，对支座处的承载造成不利影响。
[0018]3、本专利技术针对板体使用的震动环境特点，设计具有不同振动特性的削波振子，在
结构组成上借鉴了小尺寸的声学超材料，将常规混凝土中的粗骨料替换为削波振子；在承受到震动荷载时，近似于弹簧的软材料包裹层将使得金属壳和金属球可以发生反复振荡，进而使得削波振子对砂浆基体中的能量进行吸收从而实现抑制板体震动的效果；4、本专利技术的单振子和双振子除了因具有的波阻抗不匹配特性可使应力波在板体内进行多次反射耗散的优势之外，还分别具有制备简单和减震频段多的特点，金属壳包裹单振子在损失了波阻抗不匹配的优势后，提高了超材料混凝土构件的承载能力；削波振子的尺寸设计可以在满足减震性能的同时，使得每层材料的尺寸相匹配，实现较优设计；5、本专利技术在制备超材料混凝土构件时，可以通过节点设计等方式实现多个构件之间的连接，结合装配作业实现装配式结构的建设，这可以避免因安装维护隔震器所带来的施工周期长与成本高的问题，在大幅提高工程建造效率的同时，可以更好地适用于各类复杂的混凝土工程建设环境；6、本专利技术的削波振子随机分布和周期性分布两种制备方法，在均可以满足所制备的构件具有较强减震性能的同时，还分别具有制备方式便捷和减震性能优异的特点，可以针对不同的使用环境进行选择。
[0019]7、本专利技术通过削波振子克服现有隔震技术中对特定震动荷载缺乏针对性、隔震效率受限，以及声学超材料中制备工艺复杂、结构尺寸受限的缺点，该结构可在需要的多个频段内产生隔震带隙，实现震动抑制，且可以制备成装配式构件进行快速安装、使用。
附图说明
[0020]图1为超材料混凝土构件的整体示意图；图2为超材料混凝土构件的内部构造示意图；图3为单振子示意图；图4为金属壳包裹单振子示意图；图5为双振子示意图；图6为实施例1中超材料混凝土试块的传递函数曲线，阴影为隔震带隙；图7为实施例3中超材料混凝土构件的传递函数曲线，阴影为隔震带隙。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超材料混凝土构件，其特征在于，包括：钢筋混凝土基体和包裹在所述钢筋混凝土基体中的削波区域体；所述削波区域体为以构件体心为中心点、内部布置削波振子的局部立方体区域。2.根据权利要求1所述的超材料混凝土构件，其特征在于，所述削波区域体至构件边缘的距离不小于钢筋保护层厚度、受力钢筋直径以及分布钢筋或箍筋直径三者之和；所述削波振子的分布形式为随机分布或者沿构件长宽高三个方向周期性分布。3.根据权利要求1所述的超材料混凝土构件，其特征在于，所述削波振子为单振子、双振子或金属壳包裹单振子中的任意一种或多种。4.根据权利要求3所述的超材料混凝土构件，其特征在于，所述单振子为球形削波振子，包括软材料包裹层与粘结包裹在所述软材料包裹层中的金属球；所述单振子的直径不大于所述削波区域体的最小尺寸，所述软材料包裹层厚度为金属球半径的1/8～2/5。5.根据权利要求3所述的超材料混凝土构件，其特征在于，所述双振子为球形削波振子，包括从外到内两两粘结依次设置的第一层软材料包裹层、第二层金属壳、第三层软材料包裹层和第四层金属球；所述双振子的直径不大于所述削波区域体的最小尺寸，所述第一层软材料包裹层、第二层金属壳和第三层软材料包裹层的厚度均为所述第四层金属球半径的1/3～1/6。6.根据权利要求3所述的超材料混凝土构件，其特征在于，所述金属壳包裹单振子为球形削波振子，包括从外到内两两粘结依次设置的第一层金属壳、第二层软材料包裹层和第三层金属球；所述金属壳包裹单振子的直径不大于所述削波区域体的最小尺寸，所述第一层金属壳的厚度为第三层金属球半径的1/6～1/9，所述第二层软材料包裹层的厚度为第三层金属球半径的1/8～2/5。7.一种制备如权利要求1
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6任一项所述超材料混凝土构件的方法，其特征在于，包括如下步骤：对削波振子进行界面处理；在模具中涂刷脱模剂，布放下层...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，周健南，孔新立，陈海龙，范华林，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：