車橋振動對新澆筑混凝土性能的影響研究進(jìn)展

潘慧敏，潘會濱，趙慶新

(1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，秦皇島　066004；2.山西省交通科學(xué)研究院，太原　030006)

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車橋振動對新澆筑混凝土性能的影響研究進(jìn)展

潘慧敏1，潘會濱2，趙慶新1

(1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，秦皇島066004；2.山西省交通科學(xué)研究院，太原030006)

綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)橋面修補(bǔ)混凝土受車橋振動影響的試驗和理論研究所取得的成果；對混凝土受擾階段的確定方法、振動對新澆筑混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生的影響及抗擾動混凝土的設(shè)計與配制進(jìn)行了詳述；分析了目前在該領(lǐng)域還存在的問題，并對今后的研究方向提出了建議。

新澆筑混凝土；力學(xué)性能；車橋振動

1　引　言

作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵性樞紐，橋梁在交通和交通發(fā)展中始終發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]?；炷敛牧献鳛闃蛄汗こ讨械闹饕牧蟍2]，其質(zhì)量直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全。盡管大多數(shù)橋梁的設(shè)計壽命在50年甚至100年以上，但是由于橋梁所處環(huán)境一般比較惡劣，加上很多橋梁都是超負(fù)荷運營，在環(huán)境和荷載共同作用下，有相當(dāng)一部分橋梁混凝土在3～10年內(nèi)即開始出現(xiàn)局部開裂、剝落等破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致橋梁使用性能衰退，安全性與耐久性降低，無法滿足現(xiàn)代交通的要求[3-5]。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有橋梁中，超過25年使用期的占到40%，均已進(jìn)入老化期，需要及時進(jìn)行混凝土修復(fù)和加固[6]。

研究表明，混凝土材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的形成主要是在其水化的早期，這個時期是水泥水化產(chǎn)物形成最快的階段，此階段將形成決定成熟混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能、耐久性能的基因[7]。此階段混凝土中水泥礦物逐漸水化，導(dǎo)致水泥凈漿初步硬化，此時骨架結(jié)構(gòu)的初始剪應(yīng)力變大，但界面過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度尚未完全形成，對外界擾動非常敏感[8]?；诖?，我國在1983年施行的《鋼筋混凝土工程施工驗收規(guī)范》( GBJ 204-83 ) 和1988年出版的《建筑施工手冊》中，均對混凝土澆筑施工做出了規(guī)定，要求任何混凝土的運輸澆灌和振搗必須在混凝土初凝以前完成；在抗壓強(qiáng)度未達(dá)到1.2 MPa之前，已經(jīng)震搗成型的新澆筑混凝土構(gòu)件不能再受到任何擾動，否則會導(dǎo)致未達(dá)到硬化強(qiáng)度的混凝土構(gòu)件破損或斷裂[9]。多年來，此概念已為土木工程技術(shù)人員所熟知。因此在現(xiàn)階段，對整體式橋梁進(jìn)行加固和橋面鋪裝翻修時，對交通組織只能采用封閉和中斷的形式。

然而目前很多地區(qū)交通運輸量繁重，封閉交通通行會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響[10]，尤其是一些交通要道更不允許中斷交通，只能在開放交通情況下進(jìn)行舊橋的養(yǎng)護(hù)、加固和翻新。

眾所周知，橋梁承受的活荷載其來源主要是車輛[11]。當(dāng)車輛經(jīng)過橋梁時，移動的車輛會對橋梁施加一個動力荷載并引起橋梁振動，稱為車橋耦合振動[12,13]。與靜力作用相比，荷載的動力作用會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的變形和應(yīng)力[14]。在開放交通情況下進(jìn)行舊橋的加固和翻新時，由于現(xiàn)澆混凝土不可能在短時間內(nèi)完成凝結(jié)，故用于修復(fù)的混凝土材料會不可避免的受到車橋耦合振動的波及[15]。于是，未達(dá)到硬化強(qiáng)度的混凝土在受到車橋振動后強(qiáng)度是否會降低，是否會引起內(nèi)部微裂紋進(jìn)而導(dǎo)致混凝土性能劣化，便成了橋梁工程師關(guān)注的焦點[16-18]。

針對橋梁修補(bǔ)混凝土硬化前受車橋振動問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)探索性研究，并在各自特定的條件下得出了一些結(jié)論[19-21]。但由于混凝土是典型的非均質(zhì)材料[22]，組分復(fù)雜，加之能有效模擬橋梁振動的儀器較少，研究的開展較為困難，到目前為止關(guān)于修復(fù)用混凝土在早齡期受車橋振動后的性能及微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理仍不清晰。本文對國內(nèi)外新澆筑混凝土受車橋振動影響的相關(guān)研究成果進(jìn)行了綜合評述，并在此基礎(chǔ)上，探討目前在該領(lǐng)域仍存在的問題，旨在為開放交通條件下橋梁加固混凝土性能的研究提供借鑒與參考。

2　混凝土受擾階段的確定

研究表明，新拌混凝土是一種介于流體與含濕粒子堆聚物之間的材料[23]，具有流變性質(zhì)，其性能的優(yōu)劣對硬化后混凝土的性能起著決定性作用[24,25]。根據(jù)混凝土凝結(jié)硬化理論[26]及流變學(xué)基本原理，剛施工完畢處于初凝至終凝之間階段的混凝土可以看作是一種賓漢姆體，由塑性黏度和剪切應(yīng)力共同控制?；炷猎诔跄埃駝恿ζ溆兄厮茏饔?，若超出初凝時間外，施加振動力會使混凝土初始結(jié)構(gòu)遭受破壞、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得酥松，強(qiáng)度明顯降低[27]。基于此，張悅?cè)籟28]、張永娟[29]等根據(jù)貫入阻力值將混凝土凝結(jié)硬化階段劃分為三個不同時期，貫入阻力值0～7 MPa為初期，7～28 MPa為中期，大于28 MPa為后期。并通過模擬振動試驗，研究了擾動階段對混凝土性能的影響，提出了混凝土的受擾敏感期。研究表明：凝結(jié)硬化初期的擾動會導(dǎo)致混凝土中的粗骨料下沉，影響混凝土的早期強(qiáng)度，28 d抗壓強(qiáng)度損失最大為2.5 MPa,平均強(qiáng)度損失在1 MPa左右；混凝土在凝結(jié)硬化中期抗擾動性能最差，擾動導(dǎo)致其強(qiáng)度損失最大為3.5 MPa，平均強(qiáng)度損失約為2.2 MPa。凝結(jié)硬化后期，擾動對混凝土的早期強(qiáng)度影響不大。并基于試驗結(jié)果分析提出：在硬化初期加固橋梁時，應(yīng)限制交通流量；在中期加固時，應(yīng)禁止車輛通行；后期混凝土抗擾動性明顯增強(qiáng)，加固橋梁時，可正常通行。

3　車橋振動對新澆筑混凝土性能的影響

隨著交通流量的日益增大，行車荷載引起橋梁振動對新澆筑混凝土的影響逐漸受到學(xué)者的關(guān)注。關(guān)彥斌等[30]通過模擬振動試驗，研究了混凝土凝結(jié)硬化不同階段的振動對混凝土抗壓性能的影響。試驗結(jié)果表明，初凝前受到振動的混凝土，其早期和后期的抗壓強(qiáng)度沒有出現(xiàn)下降；初凝至終凝期間的振動，對混凝土的早期和后期抗壓強(qiáng)度影響不明顯。發(fā)生在終凝后的振動，其振動能量較小時會造成混凝土的早期抗壓強(qiáng)度下降，但對后期強(qiáng)度影響不大。Manning[31]通過試驗?zāi)M了橋梁振動對橋面修補(bǔ)混凝土的影響。研究表明，只要混凝土配合比設(shè)計合理，鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度受橋梁振動的影響不大，相反黏結(jié)強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均稍有提高。陳大華等[32]通過對室內(nèi)試件與現(xiàn)場試件力學(xué)性能進(jìn)行對比，研究了澆筑混凝土?xí)r鐵路列車振動對梁體混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：列車振動后現(xiàn)場受振試件較室內(nèi)基準(zhǔn)試件的力學(xué)性能下降5%左右，但采取火車限速、強(qiáng)化混凝土的配比及加強(qiáng)施工管理等有效措施后可以保證梁體混凝土的質(zhì)量，滿足設(shè)計要求。葉東升等[33]針對火車行駛振動對某跨鐵路線橋混凝土施工的影響，通過現(xiàn)場測試手段，并結(jié)合模型和試塊的模擬振動試驗及加載破壞試驗工作，深入研究了現(xiàn)澆混凝土受火車行駛振動的影響。研究認(rèn)為：混凝土在凝結(jié)硬化過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成過程在一定程度上受到了振動干擾的影響。一定振幅和頻率范圍內(nèi)的振動使混凝土強(qiáng)度有所提高，振動持續(xù)時間對混凝土強(qiáng)度影響不大；混凝土初凝階段的振動會使其表面下降明顯，導(dǎo)致其體積縮小率明顯高于基準(zhǔn)混凝土。卜良桃[34]以兩座多跨拼接連續(xù)剛構(gòu)橋的混凝土施工為背景，研究了新澆筑立方體混凝土試件受振動的情況。實驗中設(shè)置連續(xù)振動時間為16 h，利用超聲波探測受振后的混凝土試件內(nèi)部損傷情況，并測試了抗壓強(qiáng)度及混凝土與鋼筋的握裹力變化。結(jié)果表明，早期的振動并未使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷，相反抗壓強(qiáng)度及與鋼筋的握裹力均有所提高。

由于橋梁上出現(xiàn)的混凝土早期裂縫大多是由于內(nèi)部拉應(yīng)力引起，魏建軍等[35]通過對橋梁固有頻率和標(biāo)準(zhǔn)振幅的統(tǒng)計研究，選取振動頻率4 Hz和振幅值3 mm 作為振動條件，對處于初凝與終凝之間的混凝土材料進(jìn)行了不同振動參數(shù)的擾動，研究了振動對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。試驗采用4種不同頻率和振幅的組合，選擇6個不同時間點，振動持續(xù)時間為30 min。研究發(fā)現(xiàn)：受振混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與振動的振幅有關(guān)，振幅為5 mm以上時，受振試件1 d、3 d和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度均有下降，最高降低10%。蔣正武等[36]采用YS超低頻振動機(jī)模擬車橋耦合振動，通過改變振動參數(shù)，系統(tǒng)研究了振動對混凝土性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：混凝土受振后密實度降低，力學(xué)性能逐漸下降，早期離析程度和不均勻性增大；混凝土凝結(jié)硬化前期(0～6 h)和后期(>15 h)的振動對混凝土影響較小，中期(6～15 h)的振動對混凝土影響較大，振動降低了混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，尤其是抗折強(qiáng)度降低顯著，強(qiáng)度損失約15%；提高振動頻率會加劇混凝土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，振幅為7 mm時，混凝土抗折強(qiáng)度損失接近20%；持續(xù)振動時間越長，混凝土7 d抗折強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度降低越明顯。Kwan等[37]研究了早期車輛荷載產(chǎn)生的振動對橋面加寬處新澆筑混凝土裂縫寬度的影響，試驗結(jié)果表明：當(dāng)初始振幅在3 mm以上時，混凝土產(chǎn)生的裂縫寬度在0.2 mm以上。

4　抗擾動混凝土的設(shè)計與配制

針對在不中斷交通的情況下對橋梁進(jìn)行加固改造時，新澆筑混凝土受車橋振動的影響問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了抗擾動混凝土的概念。張永娟等[29]從縮短混凝土受擾期、減少表面裂縫和提高自愈合率三個方面對改善混凝土抗擾動性能的途徑進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：貫入阻力為3.5～28 MPa時，混凝土受擾后的強(qiáng)度大幅降低，摻6%調(diào)凝劑可使混凝土受擾期從6.0 h縮短到2.5 h，使其抗擾動性能明顯提高；抗裂增韌外加劑對混凝土表面裂縫有一定的控制作用，摻1200 g/m3抗裂增韌外加劑可使混凝土表面裂縫減少約50%，其抗擾抗裂性能顯著提高；摻入適量膨脹劑可顯著改善混凝土的自愈合率，摻9%膨脹劑的混凝土后期抗壓強(qiáng)度達(dá)到基準(zhǔn)混凝土的95%以上，抗擾動性能明顯提高。何燕等[38]利用超聲波檢測分析了擾動對混凝土強(qiáng)度的影響，對加固混凝土的抗擾動機(jī)制進(jìn)行了機(jī)理分析，提出了配制抗擾動混凝土的3種技術(shù)途徑，并通過正交試驗分析了3項技術(shù)途徑的復(fù)合效應(yīng)。張悅?cè)坏萚39]從橋梁修補(bǔ)混凝土的研究現(xiàn)狀入手，對混凝土抗擾動性能及影響因素進(jìn)行了研究。研究認(rèn)為：混凝土結(jié)構(gòu)形成動力學(xué)與水泥凈漿十分相似，水泥漿本身的內(nèi)聚力決定了混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而混合物中的集料則扮演了延長結(jié)構(gòu)形成時間和降低初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角色；摻入纖維和膨脹劑均能起到提高混凝土抗擾動性的作用，增強(qiáng)混凝土抗裂性。劉峰[40]針對京新高速公路工程新舊橋梁橋面板連接施工時，連接混凝土質(zhì)量受到振動影響的實際問題，提出了抗擾動混凝土的技術(shù)方案。研究認(rèn)為采用普通硅酸鹽水泥、摻加早強(qiáng)高性能聚羧酸減水劑并輔以一定的交通導(dǎo)行措施，能夠解決新舊橋梁橋面板的連接問題，保證混凝土的連接質(zhì)量。周大慶等[41]從混凝土工程修補(bǔ)需求角度出發(fā)，提出了抗擾動混凝土的定義及特點，研究了新型抗交通擾動自密實混凝土的配制技術(shù)。結(jié)果表明：在混凝土中加入抗擾動外加劑和聚羧酸高性能減水劑，既可以使混凝土具有高流動性、良好的穿越鋼筋能力和抗離析能力，又可以較好地抵抗交通擾動；通過對混凝土配合比基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并結(jié)合外加劑復(fù)摻技術(shù)，能夠保證所配制出的C50機(jī)制砂抗擾動自密實混凝土初終凝時間差小，早期強(qiáng)度增長較快；實際應(yīng)用表明，車橋耦合振動對抗擾動自密實混凝土的影響較小，受振新拌混凝土及硬化混凝土的內(nèi)部基本無損傷。

5　展　望

如前所述，對于橋面修補(bǔ)混凝土受車橋振動后的性能研究，國內(nèi)外已做了相關(guān)的探索并取得了一些有價值的研究成果。這些成果對新澆筑混凝土的施工質(zhì)量控制，確保橋梁的安全性和耐久性都具有重要意義。然而，由于試驗條件的差異和混凝土性能的復(fù)雜性，不同學(xué)者所得出的結(jié)論不盡相同，甚至有些相互矛盾，目前仍無統(tǒng)一的定論，尚有許多關(guān)鍵性問題亟待解決。還存在以下問題急需展開深入的研究：

(1)車橋系統(tǒng)振動機(jī)理在橋梁設(shè)計、維護(hù)和控制中起著非常重要的作用，但迄今為止橋梁的振動特征尚未完全明確[42]。而目前已有的研究多以單一實際工程為背景，對振動源的選擇及振動特征均進(jìn)行了簡化以便于模擬，故得到的結(jié)論較為單一，并且針對受振混凝土微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理、損傷劣化過程的研究更鮮有報道；

(2)眾多研究表明，車橋振動會對凝結(jié)硬化過程中的混凝土造成損傷，但已有研究大都針對單一類型的混凝土進(jìn)行，對不同類型的混凝土(如普通混凝土、自密實混凝土)影響規(guī)律是否一致，尚了解甚少；

(3)水泥基材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的形成主要是在其水化的早期[7]，隨著車橋振動的持續(xù)，混凝土內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物也在不斷形成，是一個動態(tài)發(fā)展的過程。目前的研究方法較為單一，難以獲得和追蹤到最重要、關(guān)鍵的微結(jié)構(gòu)形成過程的相關(guān)信息。因此，有必要從細(xì)觀層次，利用新型技術(shù)方法并結(jié)合數(shù)值模擬等現(xiàn)代分析方法對受車橋振動的混凝土性能進(jìn)行深入探索。

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Development on Influence of Vehicle Bridge Vibration on the Performance of Young Concrete

PAN Hui-min1,PAN Hui-bin2,ZHAO Qing-xin1

(1.College of Civil Engineering and Mechanics,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.Shanxi Transportation Research Institute,Taiyuan 030006,China)

Recent work on the experimental and theoretical research of bridge deck repair concrete under vehicle-bridge vibration was reviewed. The method for determining the disturbed phase of concrete,the Influence of vibration on the mechanical property of young concrete and the design and preparation of anti disturbance concrete were elaborated. Some issues of the future development were given and the development trend was prospected.

young concrete;mechanical property;vehicle bridge vibration

國家自然科學(xué)基金(51578477);河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年基金(QN2015250)

潘慧敏(1978-)，女，在讀博士生，副教授.主要從事高性能混凝土材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0449-04