行車荷載引起橋梁振動(dòng)對(duì)新老混凝土黏結(jié)性能影響

魏建軍, 付　智，張金喜

(1.北京工業(yè)大學(xué)　交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京　100124；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京　100088)

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行車荷載引起橋梁振動(dòng)對(duì)新老混凝土黏結(jié)性能影響

魏建軍1, 付智2，張金喜1

(1.北京工業(yè)大學(xué)交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100124；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京100088)

摘要：為了確定在混凝土早齡期時(shí)受到行車荷載引起橋梁振動(dòng)對(duì)新老混凝土黏結(jié)面抗拉性能的影響，采用峰值振動(dòng)加速度為0.08g，0.16g，0.32g，3種振動(dòng)能量，分別模擬輕、中、重3種交通狀態(tài)引起的橋梁振動(dòng)，對(duì)處于早齡期的新老混凝土黏結(jié)面進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：振動(dòng)發(fā)生在初凝前，3種形式的交通(輕、中、重)引起的振動(dòng)對(duì)新老混凝土黏結(jié)面早期抗拉強(qiáng)度有增加作用。振動(dòng)發(fā)生在初凝至終凝階段，輕交通引起振動(dòng)對(duì)新老混凝土黏結(jié)面的強(qiáng)度影響不明顯；中等和重交通會(huì)造成黏結(jié)面早期抗拉強(qiáng)度(7 d以前)下降。振動(dòng)發(fā)生在終凝后，輕交通引起的振動(dòng)對(duì)新老混凝土黏結(jié)面的強(qiáng)度影響不明顯；中等交通的振動(dòng)會(huì)造成黏結(jié)面早期強(qiáng)度的下降；重載交通會(huì)造成黏結(jié)面的強(qiáng)度整體下降。

關(guān)鍵詞：道路工程；橋梁修復(fù)混凝土；試驗(yàn)研究；新老混凝土黏結(jié)性；行車荷載引起的振動(dòng)

0引言

新老混凝土的黏結(jié)在橋梁修復(fù)加固過程中比較常見。橋面翻修時(shí)新的鋪裝層與原有梁頂面的部位、橋面加寬時(shí)新舊橋面連接部位等都涉及到新老混凝土的黏結(jié)問題。目前，不中斷交通條件下行車荷載引起擾動(dòng)對(duì)修復(fù)混凝土性能影響的問題研究主要集中在擾動(dòng)對(duì)混凝土本身的力學(xué)性能方面[1-5]，而在新老混凝土黏結(jié)部位的黏結(jié)性能方面研究較少。曾有報(bào)道[2,6]，橋面鋪裝的早期破壞(如鋪裝層混凝破碎并與主梁頂面脫開、修補(bǔ)結(jié)構(gòu)在工作很短時(shí)間后黏結(jié)面出現(xiàn)裂縫等)可能與橋梁修復(fù)加固過程不中斷交通有關(guān)。本文針對(duì)橋梁修復(fù)加固過程中新老混凝土黏結(jié)面的破壞形式的分析，重點(diǎn)研究新老混凝土黏結(jié)面在受到行車荷載產(chǎn)生的振動(dòng)擾動(dòng)后其抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。研究結(jié)果將對(duì)分析橋面修復(fù)加固后出現(xiàn)的早期破壞有積極的作用。

1行車荷載引起橋梁振動(dòng)的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M

行車荷載作用下的橋梁振動(dòng)，是一種移動(dòng)荷載作用在多自由度系統(tǒng)上的受迫振動(dòng)。如何利用室內(nèi)振動(dòng)設(shè)備近似模擬這種受迫振動(dòng)的研究比較少。王朝祥[7]和陳蘊(yùn)生[8]曾經(jīng)利用能量相等原理，將爆破振動(dòng)通過室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率、振幅和振動(dòng)次數(shù)進(jìn)行模擬。David Manning[1]認(rèn)為在室內(nèi)模擬行車荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，利用振動(dòng)設(shè)備的頻率和振幅組合進(jìn)行模擬是比較合理的。Shraddhakar Harah、A.K.H. Kwan[9-10]和卜良桃等進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)時(shí)，直接采用現(xiàn)場實(shí)測橋梁在行車荷載作用下的振動(dòng)頻率和振幅。進(jìn)行室內(nèi)模擬，除了確定出可行的頻率和振幅，還應(yīng)當(dāng)考慮振動(dòng)能量的大小。通常，描述振動(dòng)能量大小可以用振動(dòng)加速度表達(dá)。Sandor Popovics[11]通過對(duì)回轉(zhuǎn)振動(dòng)器的研究提出了利用振幅和頻率計(jì)算振動(dòng)加速度的方法。David Manning通過調(diào)研提出：當(dāng)橋面的交通組成以轎車和輕型貨車為主時(shí)，現(xiàn)場檢測橋梁振動(dòng)加速度為0.05g～0.1g左右；以輕型貨車為主并有少量重載車輛(雙后軸整車、多軸拖掛車等)的交通組成時(shí)橋梁振動(dòng)加速度在0.1g～0.2g之間；以重型載重車輛(雙后軸整車、多軸拖掛車等)為主的交通組成時(shí)，現(xiàn)場檢測橋梁振動(dòng)加速度范圍在0.2g～0.4g之間。

本次試驗(yàn)采用的振動(dòng)設(shè)備是經(jīng)過改裝的砂漿振實(shí)臺(tái)。經(jīng)改裝后的膠砂振實(shí)臺(tái)可以完成頻率范圍為1～4.5 Hz，振幅為1～10 mm范圍的等幅等頻率的振動(dòng)。振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的波形是連續(xù)的正弦波。根據(jù)文獻(xiàn)[12]中對(duì)中小跨徑橋梁一階固有頻率和跨中撓度所確定的范圍，本次試驗(yàn)選用振動(dòng)設(shè)備為3個(gè)振動(dòng)頻率和振幅組合用于模擬3種不同交通狀態(tài)下行車荷載引起的橋梁振動(dòng)形式，具體參數(shù)見表1。

表1　不同振動(dòng)組合下振動(dòng)加速度與模擬交通狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

2試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

研究在初凝之前、初凝和終凝、終凝后，不同階段的新澆注混凝土和老混凝土之間的黏結(jié)面受到3種不同振動(dòng)能量的振動(dòng)(模擬3種不同交通狀態(tài))，其抗拉強(qiáng)度的變化情況；分析不同振動(dòng)能量、振動(dòng)發(fā)生時(shí)間等因素對(duì)新老混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響。

2.2試驗(yàn)用混凝土配比及設(shè)備

試驗(yàn)用混凝土配比為，水泥410 kg∶水176.3 kg∶砂684.43 kg∶碎石1 165.37 kg，水灰比0.43。坍落度為120 mm。經(jīng)測定新拌混凝土的初凝時(shí)間為4 h，終凝時(shí)間是6.5 h。試驗(yàn)中選取的振動(dòng)設(shè)備是經(jīng)過改裝的水泥膠砂振實(shí)臺(tái)。改裝后的膠砂振實(shí)臺(tái)可以完成頻率范圍是1～4.5 Hz，振幅范圍為1～10 mm的振動(dòng)。

2.3試驗(yàn)過程

2.3.1老混凝土黏結(jié)面的制作

為了保證新老混凝土很好地黏結(jié)，老混凝土表面需要進(jìn)行打毛處理，使老混凝土中的骨料外露。試驗(yàn)時(shí)，先成型100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試塊，在接近混凝土終凝時(shí)(6～7 h)將試塊脫模，并用鋼刷對(duì)試塊兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行劃毛處理，直至側(cè)面露出骨料為止(見圖1)。為了保證所劃出粗糙面上粗糙度比較均勻，試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格控制粗糙面的表面構(gòu)造厚度為6～8 mm。最后將處理好的帶有粗糙面的混凝土試塊放到標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)生至60 d齡期。

圖1　老混凝土黏結(jié)面粗糙程度Fig.1　Roughness of bonding surface of old concrete

2.3.2對(duì)新老混凝土黏結(jié)面的振動(dòng)

以其中一個(gè)振動(dòng)參數(shù)為例。準(zhǔn)備100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)試模40組。將帶有粗糙面的老混凝土試塊從中間切開，做成100 mm×100 mm×44 mm的長方體試塊，放入100 mm×100 mm×100 mm 的立方體三聯(lián)試模中，粗糙面向內(nèi)。按配比制備約30 L混凝土。將新混凝土澆入試模，并在振動(dòng)臺(tái)上振搗成型(見圖2)?；炷脸尚秃?0 min，從40組三聯(lián)試件中任取10組(試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了5個(gè)齡期，每個(gè)齡期由兩組三聯(lián)試模計(jì)6個(gè)試件組成)放置到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)4 h(初凝左右)，取下試塊。在成型后的4.5 h，從剩下的30組試件中任取10組放置到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 h，大約到新澆混凝土的終凝時(shí)間(成型后的6.5 h)，然后取下試塊。再從剩下的20組三聯(lián)試模中任取10組，放置到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)5～6 h后取下試塊。最后剩下的10組試件是沒有受到振動(dòng)的試塊，試驗(yàn)時(shí)將它們與受到振動(dòng)的試塊對(duì)比。振動(dòng)結(jié)束后，將40組試件按齡期要求在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)生至3，5，7，14 d和28 d齡期，進(jìn)行黏結(jié)面的抗劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。最后得到5個(gè)齡期，3種振動(dòng)方式下受到振動(dòng)和未振新老混凝土黏結(jié)面的抗拉強(qiáng)度。

圖2　新混凝土澆注及黏結(jié)面成型Fig.2　New concrete casting and bonding surface forming

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1判斷對(duì)比強(qiáng)度發(fā)生變化的閥值

根據(jù)混凝土材料自身的特點(diǎn)，同一批成型的混凝土其強(qiáng)度值有一定的波動(dòng)性。本次試驗(yàn)中受到振動(dòng)混凝土與未振混凝土為同一批成型，測得的黏結(jié)面劈裂強(qiáng)度會(huì)有不同。如何區(qū)分受振黏結(jié)面強(qiáng)度與未振黏結(jié)面強(qiáng)度之間變化是由振動(dòng)引起的，還是因這批混凝土自身強(qiáng)度正常波動(dòng)的差異引起，是分析振動(dòng)是否對(duì)黏結(jié)面性能產(chǎn)生影響的關(guān)鍵。Michael R. Dunham[3]認(rèn)為，受到外界干擾的混凝土，當(dāng)其強(qiáng)度對(duì)比未受到干擾的變化(對(duì)比強(qiáng)度變化)超過7%時(shí)，才可認(rèn)為是外界因素導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)變化。金賢玉在判斷爆破振動(dòng)對(duì)混凝土強(qiáng)度是否產(chǎn)生影響時(shí)，采用了5%的標(biāo)準(zhǔn)。魏建軍[10]利用假設(shè)檢驗(yàn)的方法論證了當(dāng)每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)在10%時(shí)，判斷對(duì)比強(qiáng)度變化的閥值是8%，也就是說當(dāng)受振強(qiáng)度與未振強(qiáng)度的變化在8%以上時(shí)可以認(rèn)為振動(dòng)對(duì)黏結(jié)面強(qiáng)度產(chǎn)生影響，8%以內(nèi)則沒有影響。

3.2對(duì)比強(qiáng)度趨勢變化的評(píng)價(jià)方法

在數(shù)據(jù)處理的過程中經(jīng)常出現(xiàn)各個(gè)齡期的對(duì)比強(qiáng)度變化有波動(dòng)的情況。如3 d齡期對(duì)比強(qiáng)度變化值為+10%，7 d齡期的變化值為-9%，而28 d齡期又出現(xiàn)+6%的情況。如果以單獨(dú)一個(gè)齡期的對(duì)比強(qiáng)度變化判斷振動(dòng)對(duì)黏結(jié)面強(qiáng)度的影響，會(huì)出現(xiàn)3 d齡期的強(qiáng)度增加，7 d齡期下降，而28 d齡期的強(qiáng)度沒有變化的結(jié)論。這沒有真正反映出強(qiáng)度變化在整個(gè)齡期發(fā)展上對(duì)黏結(jié)面產(chǎn)生影響的規(guī)律。因此，論文提出了對(duì)比強(qiáng)度變化趨勢的評(píng)價(jià)方法。該方法認(rèn)為混凝土強(qiáng)度發(fā)展隨齡期呈對(duì)數(shù)規(guī)律變化。首先根據(jù)不同齡期黏結(jié)面抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到黏結(jié)面強(qiáng)度y(受振的與未振的)與齡期x的關(guān)系方程；然后將兩個(gè)關(guān)系方程聯(lián)立方程組，分別計(jì)算出強(qiáng)度變化(y振-y未振)/y未振為±8%和0的齡期x；最后根據(jù)強(qiáng)度變化為±8%的齡期、強(qiáng)度變化為0的齡期、3 d和28 d齡期的強(qiáng)度變化等5個(gè)因素綜合分析振動(dòng)對(duì)黏結(jié)面抗拉強(qiáng)度的影響。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3～圖5列出3種不同振動(dòng)形式下受振與未振新老混凝土黏結(jié)面上抗拉強(qiáng)度隨齡期變化的規(guī)律?？梢钥闯觯煌g期的散點(diǎn)采用對(duì)數(shù)形式的回歸曲線擬合后，其相關(guān)性比較好。

圖3　受振與未振黏結(jié)面的劈裂強(qiáng)度趨勢變化(初凝前受振)Fig.3　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated before initial setting)

圖4　受振與未振黏結(jié)面的劈裂強(qiáng)度趨勢變化(初凝至終凝)Fig. 4　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated between initial setting and final setting)

圖5　受振與未振黏結(jié)面的劈裂強(qiáng)度趨勢變化(終凝后)Fig.5　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated after final setting)

3.3.1初凝前振動(dòng)對(duì)黏結(jié)面抗拉強(qiáng)度影響

根據(jù)表2，振動(dòng)能量(頻率-振幅，下同)2 Hz-5 mm和2 Hz-10 mm 使黏結(jié)面的劈裂強(qiáng)度分別在4.5 d前和4.1 d前的對(duì)比強(qiáng)度變化超過+8%。這說明兩種振動(dòng)能量增加了黏結(jié)面早期抗拉強(qiáng)度。在齡期是28 d時(shí)，強(qiáng)度變化縮小至1%，后期強(qiáng)度基本沒有變化。振動(dòng)能量是4 Hz-5 mm時(shí)，對(duì)比強(qiáng)度變化在較早齡期時(shí)(2.3 d以前)超過+8%。在齡期10 d時(shí)強(qiáng)度變化為零。3 d～28 d齡期之間的強(qiáng)度變化范圍在4%～-1%之間，說明4 Hz-5 mm的振動(dòng)能量黏結(jié)面強(qiáng)度在整個(gè)齡期上影響不大。

表2　新老混凝土黏結(jié)面強(qiáng)度變化計(jì)算結(jié)果(初凝前受振)

3.3.2初凝至終凝階段振動(dòng)對(duì)黏結(jié)面抗拉強(qiáng)度影響

根據(jù)表3，振動(dòng)能量是2 Hz-5 mm時(shí)，黏結(jié)面抗拉強(qiáng)度在整個(gè)齡期上對(duì)比強(qiáng)度變化范圍在-1%～1%之間，說明2 Hz-5 mm的振動(dòng)能量對(duì)黏結(jié)面的抗拉強(qiáng)度沒有產(chǎn)生影響。振動(dòng)能量是2 Hz-10 mm和4 Hz-5 mm時(shí)，黏結(jié)面強(qiáng)度分別在5 d齡期前和10 d齡期出現(xiàn)強(qiáng)度下降超過8%的情況。這說明這兩種振動(dòng)能量會(huì)造成黏結(jié)面早期強(qiáng)度下降。根據(jù)3 d和28 d齡期的對(duì)比強(qiáng)度變化，可以看出兩種振動(dòng)能量造成的黏結(jié)面強(qiáng)度下降會(huì)隨著齡期的增加有所恢復(fù)。

表3　新老混凝土黏結(jié)面強(qiáng)度變化計(jì)算結(jié)果(初凝至終凝)

3.3.3終凝后振動(dòng)擾動(dòng)對(duì)新老混凝土黏結(jié)面抗拉強(qiáng)度影響

根據(jù)表4，振動(dòng)能量是2 Hz-5 mm時(shí)，受振與未振黏結(jié)面強(qiáng)度在整個(gè)齡期上變化范圍在3%～2%之間。這說明2 Hz-5 mm的振動(dòng)能量對(duì)黏結(jié)面的強(qiáng)度沒有產(chǎn)生影響。振動(dòng)能量是2 Hz-10 mm時(shí)，黏結(jié)面強(qiáng)度在2.7 d齡期前出現(xiàn)強(qiáng)度變化是-8%的情況。振動(dòng)能量是4 Hz-5 mm的振動(dòng)時(shí)，在齡期6.7 d前強(qiáng)度下降超過8%，3 d齡期對(duì)比強(qiáng)度變化為-9%。這說明4 Hz-5 mm 的振動(dòng)能量會(huì)造成黏結(jié)面早期強(qiáng)度下降。

表4　新老混凝土黏結(jié)面對(duì)比強(qiáng)度變化計(jì)算結(jié)果(終凝后)

3.4對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的機(jī)理分析

新老混凝土黏結(jié)面強(qiáng)度發(fā)展主要受老混凝土粗糙度、新混凝土強(qiáng)度發(fā)展等因素影響。初凝前，新混凝土中水泥處在水化的誘導(dǎo)前期和誘導(dǎo)期。水泥顆粒不斷水化并在表面形成半滲透膜。隨著半滲透膜層的變厚，水泥顆粒的水化受到阻礙。發(fā)生在初凝前的振動(dòng)可以將水泥水化誘導(dǎo)期形成的半滲透膜層振裂，水能夠在破裂的地方進(jìn)入到水泥顆粒內(nèi)層，促使水泥水化繼續(xù)進(jìn)行，水化產(chǎn)物增多，從而增加了新老混凝土界面過渡區(qū)的密實(shí)性，提高了黏結(jié)面的早期強(qiáng)度。

初凝至終凝階段，混凝土處在硬化初期，混凝土內(nèi)部強(qiáng)度正在形成。黏結(jié)面強(qiáng)度主要來自水泥水化產(chǎn)物與老混凝土黏結(jié)面(主要指集料表面)的黏附力。發(fā)生在這個(gè)階段的振動(dòng)，如果能量小，則不足以破壞水化產(chǎn)物之間的黏附力，對(duì)黏結(jié)面強(qiáng)度發(fā)展不造成影響。振動(dòng)能量大，水泥水化所形成的黏附力遭到破壞，黏結(jié)面強(qiáng)度出現(xiàn)下降。隨著振動(dòng)的停止，黏結(jié)面上的水化重新進(jìn)行，強(qiáng)度逐漸形成，后期強(qiáng)度得以恢復(fù)。因此，出現(xiàn)早期強(qiáng)度下降后期強(qiáng)度下降不明顯的情況。

終凝后階段，新混凝土進(jìn)入硬化階段，混凝土開始具有強(qiáng)度。一方面水泥水化產(chǎn)物不斷增多，不斷填補(bǔ)水化產(chǎn)物形成的結(jié)構(gòu)，黏結(jié)面過渡區(qū)更加密實(shí)；另一方面在界面過渡區(qū)中有微裂縫和孔隙等微缺陷形成。新老混凝土黏結(jié)面變得比較脆弱，發(fā)生在這個(gè)階段的中等能量的振動(dòng)就可能改變黏結(jié)面界面過渡區(qū)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，促使過渡區(qū)中微裂縫的發(fā)展，使得黏結(jié)面強(qiáng)度下降。

4結(jié)論

本文通過振動(dòng)臺(tái)在室內(nèi)模擬輕交通、中等交通和重交通3種不同交通形式引起橋梁的振動(dòng)，研究不同振動(dòng)能量對(duì)新老混凝土黏結(jié)面抗拉性能影響。得出結(jié)論為：

(1)行車荷載引起橋梁振動(dòng)發(fā)生在新混凝土初凝前，3種形式的交通(輕、中、重)對(duì)新老混凝土黏結(jié)面早期抗拉強(qiáng)度有增加作用。

(2)行車荷載引起橋梁振動(dòng)發(fā)生在新混凝土初凝至終凝階段。輕交通對(duì)新老混凝土黏結(jié)面的強(qiáng)度影響不明顯；中等和重交通會(huì)造成黏結(jié)面早期抗拉強(qiáng)度(7 d以前)下降。

(3)行車荷載引起橋梁振動(dòng)發(fā)生在新混凝土凝結(jié)硬化的后期(終凝后)。輕交通對(duì)新老混凝土黏結(jié)面的強(qiáng)度影響不明顯；中等交通會(huì)造成新混凝土早期抗拉強(qiáng)度的下降；重載交通會(huì)造成黏結(jié)面的強(qiáng)度下降。

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Effect of Traffic Load Induced Bridge Vibration on Adherence of New and Old Concrete

WEI Jian-jun1, FU Zhi2, ZHANG Jin-xi1

(1. Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

Abstract：In order to testify the effect of traffic vibration induced bridge vibration on the tensile property of the adherence of new and old concrete during early age of concrete, a vibration test on such adherence is conducted. In the test, the vibration energy whose peak acceleration values are 0.08g, 0.16g and 0.32g are used to simulate the bridge vibrations induced by light, middle and heavy traffic respectively. The test result shows that (1) when vibrations occurred before concrete initial setting, all the 3 levels of traffic induced vibration can enhance the early age bond strength of new and old concrete; (2) when vibrations occurred between initial setting and final setting, light traffic induced vibration has little effect on the bond strength, middle and heavy traffic induced vibrations can decrease the early age (before 7 d) bond strength; (3) as to the adherence of new and old concrete when vibration occurred after concrete finial setting, light traffic induced vibration has little effect on the bond strength of new and old concrete, its early age bond strength descends under middle traffic induced vibration, and its bond strength drops largely with heavy traffic induced vibration.

Key words：road engineering; bridge repair concrete; experimental study; adherence of new and old concrete; traffic induced vibration

收稿日期：2015-05-27

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278016)

作者簡介：魏建軍(1973-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士后. (weijianjun1116@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.05.010

中圖分類號(hào)：U443.33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)05-0061-05