鋼筋網(wǎng)對(duì)道路混凝土振動(dòng)的阻隔及對(duì)策

申俊敏，張艷聰，，田 波

(1.山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088)

在工程施工中，利用機(jī)械密實(shí)混凝土的工藝方法很多，如振動(dòng)、碾壓、脫水、注漿等，其中以振動(dòng)密實(shí)的方法應(yīng)用最為廣泛。尤其是在道路混凝土攤鋪中，普遍采用振搗棒組振動(dòng)密實(shí)混凝土。

鋼筋混凝土的振動(dòng)密實(shí)區(qū)別于普通的道路混凝土，鋼筋網(wǎng)的存在會(huì)對(duì)攤鋪機(jī)具振搗棒組的插入深度產(chǎn)生較大影響，插入深度太深則容易破壞鋼筋形態(tài)，深度太淺混凝土則不易振實(shí)。鋼筋網(wǎng)以下的混凝土是否密實(shí)，鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)作用的阻隔是鋼筋混凝土振動(dòng)密實(shí)環(huán)節(jié)必須注意的問(wèn)題。簽于此，筆者主要從振動(dòng)加速度、分層密度入手，通過(guò)試驗(yàn)研究振動(dòng)能量在混凝土中(鋼筋網(wǎng)上、下)的傳播規(guī)律，以及鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)能量的阻隔作用，并給出相應(yīng)的補(bǔ)償措施。

1 振動(dòng)能量在道路混凝土中的傳播

道路混凝土的振動(dòng)密實(shí)是通過(guò)攤鋪機(jī)具的振搗棒組將機(jī)械能或電能轉(zhuǎn)換為振動(dòng)能，從而將混凝土液化，使其密實(shí)的布滿整幅路面。對(duì)于回轉(zhuǎn)振動(dòng)器來(lái)說(shuō)，振動(dòng)非常接近于諧振運(yùn)動(dòng)，如圖1。

圖1的正弦波振動(dòng)可以用振動(dòng)頻率、振幅等參數(shù)來(lái)描述［1－2］:振動(dòng)周期 T，即偏心塊圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間，s;振動(dòng)頻率f=1/T，常用轉(zhuǎn)速來(lái)表示，Hz;振幅A0，即運(yùn)動(dòng)y=sint中位移的最大值，m;振動(dòng)速度 v=2πfA0cos(2πft)，m/s;振 動(dòng) 加 速 度 a=－4π2f2A0sin(2πft)，m/s2;最 大 加 速 度 a0=4π2f2A0，m/s2;振動(dòng)最大動(dòng)能 k0=2π2f2A2m(m 為偏心塊質(zhì)量，A為振動(dòng)的平均振幅)。

上述公式和定義均由初等數(shù)學(xué)運(yùn)算而來(lái)，倘若振動(dòng)不能很好的用諧振運(yùn)動(dòng)描述，則相應(yīng)的公式將變得復(fù)雜。因?yàn)榛炷恋恼駝?dòng)參數(shù)與其密實(shí)成型密切相關(guān)、應(yīng)用廣泛，雖然存在些許誤差，多數(shù)情況下，仍然用上述公式簡(jiǎn)便計(jì)算。

圖1 回轉(zhuǎn)振動(dòng)器振動(dòng)波示意Fig.1 Wave of whirl vibration

研究表明［3－4］:無(wú)論是振動(dòng)頻率還是振幅都不足以單獨(dú)決定振動(dòng)效率。振動(dòng)加速度、每周期的最大加速度a0常用以衡量振動(dòng)強(qiáng)度。下文將以a0評(píng)定振動(dòng)能量在混凝土中(鋼筋網(wǎng)上、下)的傳播規(guī)律。

2 鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)的阻隔作用

鋼筋網(wǎng)平鋪于路面混凝土中，導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)上方的振動(dòng)能量不能有效的傳遞到鋼筋網(wǎng)以下的混凝土中，即為鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)能量的阻隔作用。

2.1 振動(dòng)在混凝土中的傳播規(guī)律

2.1.1 振動(dòng)傳播規(guī)律的測(cè)定

為測(cè)定鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)能量是否存在阻隔，試驗(yàn)采用表1所示配合比，設(shè)計(jì)2組試件(圖2)，試模體積參數(shù)均為80 cm×80 cm×30 cm，圖2(a)試件中部約15 cm處設(shè)置鋼筋網(wǎng)，鋼筋采用φ14螺紋鋼筋，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為16 cm×16 cm。圖2(b)為對(duì)照組，試件不設(shè)鋼筋網(wǎng)。

表1 配合比Table 1 Mixture proportion /kg

使用高頻振搗棒(如圖2中黑色部分)產(chǎn)生振動(dòng)波，在試件內(nèi)部布置加速度傳感器，用DScope音頻信號(hào)分析系統(tǒng)測(cè)定同一時(shí)刻(振動(dòng)持續(xù)約50 s［5］)混凝土內(nèi)部水平、豎直兩個(gè)方向多個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度。通過(guò)3組平行試驗(yàn)的平均值，比較設(shè)置鋼筋網(wǎng)前后，振動(dòng)能量的變化規(guī)律，由于高頻振動(dòng)波波動(dòng)較大，本文所指的加速度取收集到的振動(dòng)加速度的幅值。

圖2 對(duì)照試驗(yàn)示意Fig.2 Parallel experiment

圖3為振動(dòng)加速度傳感器在混凝土試件中的布置示意，傳感器沿水平、豎直兩個(gè)方向布置，圖中1、2、3為測(cè)點(diǎn)位置。

圖3 振動(dòng)加速度傳感器布置Fig.3 Sensors of vibration acceleration

豎直方向上，測(cè)點(diǎn)沿振搗棒方向布置，加速度傳感器每隔5 cm布置一個(gè)，水平方向上每隔20 cm布置一個(gè)，1#測(cè)點(diǎn)緊臨振搗棒體。振搗棒的插入位置如圖3中黑色部分，棒體下端深入到試件中部，且不能與鋼筋接觸。振搗棒采用高頻插入式振搗棒，振動(dòng)參數(shù)如表2。

2.1.2 能量傳播規(guī)律的試驗(yàn)結(jié)果及分析

未設(shè)置鋼筋網(wǎng)的試件，水平、豎直兩條測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度如表3中①～③欄。由表中數(shù)據(jù)可知:兩條測(cè)線上，振動(dòng)加速度幅值均隨距棒體(振源)距離的增加而減小。

表3 各測(cè)點(diǎn)加速度幅值Table 3 Vibration acceleration amplitude of each test point/(m·s－2)

水平測(cè)線上振動(dòng)加速度幅值衰減顯著，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間約50 s時(shí)，1#點(diǎn)位的加速度幅值為2 348.4 m/s2，而2#、3#點(diǎn)幅值則由 1 740.1 m/s2減少至722.6 m/s2，二者較 1#點(diǎn)位分別降低了 25.9%，69.2%。豎直測(cè)線上，振動(dòng)加速度幅值由1#點(diǎn)位的2 345.0 m/s2減少到 2#點(diǎn)位的 1 438.5 m/s2，再減少到3#點(diǎn)位的 327.4 m/s2，2#、3#點(diǎn)加速度幅值相對(duì)1#點(diǎn)分別降低了 38.7%，77.5%。

設(shè)置鋼筋網(wǎng)后，各測(cè)點(diǎn)的加速度幅值如表3中①、④、⑤欄。水平側(cè)線上，1#點(diǎn)位的加速度幅值為2 350.5 m/s2，而2#、3#兩點(diǎn)的加速度幅值較1#點(diǎn)分別降低了52.0%和80.9%。豎直測(cè)線上，2#、3#兩點(diǎn)加速度幅值相對(duì)1#點(diǎn)則分別衰減了62.6%，96.2%。

設(shè)置鋼筋網(wǎng)前后，兩條測(cè)線上振動(dòng)加速度幅值的變化情況如圖4。水平測(cè)線上，設(shè)置鋼筋網(wǎng)的混凝土振動(dòng)加速度從1#點(diǎn)到3#點(diǎn)衰減了1 625.8 m/s2，相比無(wú)鋼筋網(wǎng)的1 900.8 m/s2降低了275 m/s2。即:水平方向上，振動(dòng)能量經(jīng)過(guò)單層鋼筋網(wǎng)的阻隔，加速度損失了275 m/s2，約為振源處加速度的11.8%。而對(duì)于豎直方向上，這一損失則達(dá)440.7 m/s2，約為振源處的18.8%。因此，鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)能量存在較明顯的阻隔作用。

圖4 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度的變化Fig.4 Changes in vibration acceleration

對(duì)于設(shè)置鋼筋網(wǎng)的試件，試驗(yàn)結(jié)果還表明:當(dāng)振搗棒插入深度至圖4中2#點(diǎn)位時(shí)，豎直方向上3#點(diǎn)位的振動(dòng)加速度僅為576.3 m/s2，遠(yuǎn)小于表3中2#點(diǎn)的振動(dòng)加速度;振搗棒水平移動(dòng)至圖4中2#點(diǎn)位時(shí)，3#點(diǎn)位的振動(dòng)加速度為864.4 m/s2，這一結(jié)果也遠(yuǎn)小于水平方向上表3中2#點(diǎn)的加速度。同時(shí)，當(dāng)被振混凝土的一側(cè)邊界是已振實(shí)的混凝土，而另一側(cè)邊界為新拌混凝土?xí)r，振實(shí)混凝土附近的測(cè)點(diǎn)加速度小于新拌側(cè)的加速度。

因此，振搗棒周邊混凝土的狀態(tài)影響著混凝土粒子振動(dòng)加速度的分布，對(duì)振動(dòng)能量在混凝土中的傳播有一定影響。硬化混凝土或模板對(duì)與其接觸的新拌混凝土粒子產(chǎn)生較強(qiáng)的約束，粒子不易運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)能量在該界面附近“失效”［6］，與新拌混凝土一側(cè)的粒子相比的移位不同，振動(dòng)加速度也不同。此外，底面混凝土的凝結(jié)狀態(tài)對(duì)其上部澆筑層混凝土的振動(dòng)加速度也有較大影響，底面混凝土已經(jīng)終凝(或初凝)，其澆筑層混凝土振動(dòng)加速度小于底面混凝土尚未終凝(或初凝)的加速度。這也是因?yàn)榈酌婊炷两K凝以后已經(jīng)變得剛硬，對(duì)新澆筑混凝土粒子的移位具有強(qiáng)約束作用。

2.2 振動(dòng)能量的衰減

素混凝土中，振動(dòng)加速度沿振搗棒體的中心向周圍逐漸減弱。設(shè)置鋼筋之后，由于鋼筋網(wǎng)的阻隔，振動(dòng)加速度進(jìn)一步衰減。為了定量的描述鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)能量在混凝土中傳播的阻隔，本文引入振動(dòng)能量衰減系數(shù)［7］概念。

2.2.1 振動(dòng)能量衰減系數(shù)

以測(cè)線上距離振搗棒棒體最近測(cè)點(diǎn)的加速度幅值作為基準(zhǔn)值1，求出該測(cè)線上其余測(cè)點(diǎn)加速度幅值的相對(duì)值，然后除以相應(yīng)的距離(測(cè)點(diǎn)距基準(zhǔn)點(diǎn))，即得到該測(cè)線上所有測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量衰減系數(shù)，可以有效表示振動(dòng)能量在所測(cè)傳播方向上單位長(zhǎng)度的損失百分比。由振動(dòng)能量衰減系數(shù)的概念可知:基準(zhǔn)點(diǎn)的振動(dòng)能量衰減系數(shù)為1，測(cè)線上其余各點(diǎn)的能量衰減系數(shù)均小于1。表4為上述試驗(yàn)中水平、豎直2條測(cè)線6個(gè)測(cè)點(diǎn)的能量衰減系數(shù)。

表4 振動(dòng)能量衰減系數(shù)Table 4 Coefficients of energy attenuation /cm－1

由表4可知，設(shè)置鋼筋網(wǎng)后，水平測(cè)線上3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量衰減系數(shù)增大了60%，豎直方向上增大了400%。振動(dòng)能量衰減到一定程度時(shí)，混凝土粒子不能液化，空間分布不再變化。對(duì)混凝土而言，振動(dòng)已經(jīng)失效。即，振動(dòng)能量衰減系數(shù)的大小，在某種程度上反映了有效的振動(dòng)能量在混凝土介質(zhì)中傳播距離的遠(yuǎn)近。能量衰減系數(shù)小，表示有效的振動(dòng)能量可以傳播更遠(yuǎn)的距離。

2.2.2 振動(dòng)能量衰減系數(shù)的影響因素

目前的研究成果［7－8］表明:振動(dòng)能量衰減系數(shù)主要與振動(dòng)頻率和振動(dòng)延時(shí)間有關(guān)。

1)β值隨振動(dòng)頻率的增加而減小，表5為不同振動(dòng)頻率下測(cè)得的振動(dòng)能量衰減系數(shù)。由于能量衰減系數(shù)還和振動(dòng)延續(xù)時(shí)間有關(guān)，本文振動(dòng)延續(xù)時(shí)間參照文獻(xiàn)［5］選擇60 s。由表中數(shù)據(jù)可知，振動(dòng)頻率相同時(shí)，設(shè)置鋼筋網(wǎng)的混凝土能量衰減系數(shù)均小于無(wú)鋼筋網(wǎng)的混凝土;隨振動(dòng)頻率的增加，兩種試件的能量衰減系數(shù)均有所下降。設(shè)置鋼筋網(wǎng)的試件，振動(dòng)頻率提高到75 Hz時(shí)，能量衰減系數(shù)僅相當(dāng)于無(wú)鋼筋網(wǎng)試件振動(dòng)頻率為50 Hz。

表5 不同振動(dòng)頻率下的振動(dòng)能量衰減系數(shù)βTable 5 Coefficient β of energy attenuation with different vibration frequency /cm－1

2)β值隨著振動(dòng)延續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，試驗(yàn)測(cè)得的不同振動(dòng)延續(xù)時(shí)間的振動(dòng)能量衰減系數(shù)如表6。

表6 不同振動(dòng)延續(xù)時(shí)間下的振動(dòng)能量衰減系數(shù)βTable 6 Coefficient β of energy attenuation under different vibration time /cm－1

在振動(dòng)開始時(shí)，能量衰減系數(shù)較大，隨振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，能量衰減系數(shù)逐漸減小。經(jīng)過(guò)60 s的振動(dòng)后，能量衰減系數(shù)通常就穩(wěn)定下來(lái)。由表6可見，設(shè)置鋼筋網(wǎng)的混凝土振動(dòng)開始時(shí)的能量衰減系數(shù)為1.124 cm－1，經(jīng)過(guò)60 s振動(dòng)后，能量衰減系數(shù)減為0.056 cm－1，在隨后的120 s振動(dòng)過(guò)程中，能量衰減系數(shù)只從0.056 cm－1減少到0.053 cm－1。對(duì)比無(wú)鋼筋網(wǎng)的試件，設(shè)置鋼筋網(wǎng)后，振動(dòng)延續(xù)時(shí)間增加15～30 s，能量衰減系數(shù)才相當(dāng)。

從混凝土內(nèi)部顆粒組成的角度看，振動(dòng)施加的初期，混凝土材料尚未液化，振動(dòng)波傳播受到的阻力較大，能量損失嚴(yán)重，能量衰減系數(shù)也較大。經(jīng)過(guò)60 s振動(dòng)后，振搗棒有效作用半徑范圍內(nèi)的混凝土均處于液化狀態(tài)，對(duì)振動(dòng)的傳播阻力較小，能量衰減系數(shù)較小且較為穩(wěn)定。

2.3 鋼筋網(wǎng)上、下混凝土密度的變化

由于鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)的阻隔作用，致使鋼筋網(wǎng)下層混凝土不易振實(shí)。因此試件的豎直方向上，相同層厚的混凝土的密度勢(shì)必有所差異。筆者采用層狀可拆解試模(圖5)量測(cè)豎直方向上不同層位的混凝土密度，從振動(dòng)密實(shí)的角度來(lái)說(shuō)明鋼筋網(wǎng)對(duì)混凝土的阻隔作用。圖中試?？善骄鸾獬?層，每層5 cm厚，底面直徑30 cm，小于振搗棒的有效作用直徑。

圖5 層狀可拆解試模Fig.5 Sandwich knock-downed mold

2.3.1 不同層位混凝土密度的測(cè)定

不同層位混凝土密度的測(cè)定步驟如下:

1)將拌和好的混凝土裝入兩個(gè)試模中;

2)使用振搗棒分別振動(dòng)約70 s，振搗棒的插入深度為15 cm，對(duì)于設(shè)置鋼筋網(wǎng)的混凝土，棒體下端要略高于鋼筋網(wǎng);

3)振實(shí)后，將表面抹平;

4)將最上層試模拆除，用長(zhǎng)度大于30 cm的刮刀將上層混凝土鏟出，稱重，分別記為ma1，mb1。同理，依次得到 ma2，mb2，…，ma6，mb6;

5)根據(jù)單層混凝土的體積計(jì)算每層的密度;

6)重復(fù)步驟1)～5)兩次，結(jié)果取3組數(shù)據(jù)的平均值。

考慮到可拆試模的厚度只有50 mm，每層混凝土的厚度有限，如果骨料粒徑較大，采用刮平分層混凝土密度測(cè)定的方法，結(jié)果可能存在較大的變異性，影響結(jié)果的可信度。因此試驗(yàn)采用表7的配合比進(jìn)行。

表7 配合比Table 7 Mixture proportion /(kg·m －3)

2.3.2 不同層位密度的測(cè)定結(jié)果與分析

依照上述方法，測(cè)得的鋼筋網(wǎng)上、下不同層位的混凝土密度如圖6。

圖6 不同層位混凝土的密度Fig.6 Concrete density at different layers

由圖6可知，對(duì)于上3層混凝土，設(shè)置和不設(shè)鋼筋網(wǎng)，密度均介于2 460～2 465 kg/m3之間，層間變化趨勢(shì)極其相似，即:鋼筋網(wǎng)對(duì)其上部混凝土的振動(dòng)無(wú)明顯阻隔。不同的是，對(duì)于下3層混凝土，設(shè)置鋼筋網(wǎng)的較不設(shè)鋼筋網(wǎng)的混凝土密度有顯著下降，以4，5層為例，不設(shè)鋼筋網(wǎng)的混凝土密度分別為2 439.0 kg/m3，2 412.6 kg/m3，而設(shè)置鋼筋網(wǎng)后二者分別下降至 2 411.2 kg/m3，2 389.4 kg/m3，即鋼筋網(wǎng)對(duì)其下部混凝土的振動(dòng)有較大的影響，鋼筋網(wǎng)的存在，導(dǎo)致振動(dòng)能量向下傳播時(shí)有較大的衰減，使其下部混凝土不易振動(dòng)密實(shí)。

3 CRCP混凝土的振動(dòng)補(bǔ)償

對(duì)于全厚度攤鋪的CRCP，首先安置鋼筋支架，在鋼筋支架上布置縱、橫向鋼筋，然后布料、振搗。因此鋼筋網(wǎng)以下的混凝土是否振動(dòng)密實(shí)，鋼筋、混凝土是否緊密結(jié)合意義重大，由前述研究可知，增大振動(dòng)頻率、延長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間、減小振搗棒的間距對(duì)鋼筋混凝土的振實(shí)有重要意義。

由分析可知，鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)能量的傳播確實(shí)存在較大的阻隔作用，且振動(dòng)能量衰減系數(shù)隨振動(dòng)頻率的增加而減小，隨振動(dòng)延續(xù)時(shí)間的增加而減小。因此，對(duì)于連續(xù)配筋的混凝土路面，振動(dòng)密實(shí)成型時(shí)，要注意振動(dòng)參數(shù)的緊密配合。對(duì)于振搗棒不能深入到鋼筋網(wǎng)下振搗時(shí)，適當(dāng)提高振動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)頻率約25 Hz、延長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間15～30 s對(duì)提高鋼筋混凝土的密實(shí)性能有重要意義。

4 結(jié)論

1)鋼筋網(wǎng)對(duì)振動(dòng)能量在混凝土中的傳播存在阻隔作用，振動(dòng)能量經(jīng)過(guò)單層鋼筋網(wǎng)的阻隔，水平方向上約衰減12%，豎直方向上約衰減19%。

2)振搗棒周邊混凝土的硬化狀態(tài)影響著混凝土粒子振動(dòng)加速度的分布，對(duì)振動(dòng)能量在混凝土中的傳播有較大影響。

3)鋼筋網(wǎng)的存在對(duì)鋼筋網(wǎng)以上部分混凝土的振動(dòng)密實(shí)無(wú)顯著影響，對(duì)鋼筋網(wǎng)以下的混凝土有較大影響。

4)振動(dòng)頻率和振動(dòng)延續(xù)時(shí)間對(duì)振動(dòng)的能量衰減系數(shù)存在較大影響，適當(dāng)?shù)脑龃笳駝?dòng)頻率、延長(zhǎng)振動(dòng)延續(xù)時(shí)間可以有效的減小能量衰減。

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