臨海環(huán)境下橋梁混凝土長期彈性模量試驗(yàn)研究

呂毅剛，韓偉威，呂健鳴

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臨海環(huán)境下橋梁混凝土長期彈性模量試驗(yàn)研究

呂毅剛1, 2, 3，韓偉威3，呂健鳴1

(1. 長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙，410114；2. 長沙理工大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)安全控制湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410114；3. 長沙理工大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410114)

為克服傳統(tǒng)測試方法的不足，建立臨海環(huán)境暴露試驗(yàn)站，開展臨海環(huán)境下橋梁混凝土長期靜、動彈性模量試驗(yàn)研究。運(yùn)用超聲波平測法，取不同測距的接收波波峰相關(guān)散點(diǎn)進(jìn)行回歸計(jì)算，獲取橋梁混凝土的縱波波速與表面波波速，根據(jù)動彈性模量與波速的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算混凝土的動彈性模量。基于一批卵石混凝土試件的試驗(yàn)結(jié)果，分析混凝土動彈性模量隨時間變化規(guī)律，構(gòu)建5~20 mm和5~30 mm這2種連續(xù)級配粒徑卵石混凝土試件的靜、動彈性模量換算公式。結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的長期彈性模量試驗(yàn)研究，驗(yàn)證所提出的靜、動彈性模量換算公式的適用性。研究結(jié)果表明：混凝土的動彈性模量隨時間逐漸增大，前期增長迅速，后期增長緩慢，增長速率隨時間逐漸減緩。

混凝土；彈性模量；臨海環(huán)境；卵石

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，陸地資源與活動場所日趨不足，海洋已成為人類生存與發(fā)展的新領(lǐng)域，大量的跨海或臨海大橋得到蓬勃發(fā)展。因長期處于復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境之中，并受干濕作用、海浪沖擊等多種因素耦合作用的影響，跨海或臨海環(huán)境的橋梁結(jié)構(gòu)混凝土在海水的鹽離子侵蝕下發(fā)生腐蝕，使得混凝土的力學(xué)性能發(fā)生退化，結(jié)構(gòu)可靠性降低，過早地出現(xiàn)長期力學(xué)性能退化等問題[1?6]，伴隨著近年來相繼發(fā)生的諸多嚴(yán)重的混凝土橋梁垮塌災(zāi)難性事故，橋梁混凝土的長期力學(xué)性能問題逐漸引起人們的重視[7?9]。目前，在對長期力學(xué)性能中的彈性模量進(jìn)行跟蹤觀測時，主要在混凝土試件表面上粘貼應(yīng)變片進(jìn)行靜彈性模量測試，該方法受自身質(zhì)量及天氣的影響較明顯，試驗(yàn)工作量很大，費(fèi)時費(fèi)力[10]，同時受地理?xiàng)l件及自然環(huán)境的限制，一般只能在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行?；炷恋男再|(zhì)也可采用動彈性模量描述，各國學(xué)者開始探索混凝土的動彈性模量研究[11?14]。HAN等[15]通過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水泥種類影響混凝土動、靜彈性模量之間的關(guān)系不顯著。施士昇[16]通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土的動、靜彈性模量關(guān)系與普通混凝土之間的關(guān)系接近。鄭永來等[17?18]基于不同懸臂梁結(jié)構(gòu)振動實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建了動態(tài)彈性模量隨頻率變化的理論模型。劉宏偉 等[19]進(jìn)行了混凝土的早齡期動彈性模量研究，發(fā)現(xiàn)相對于混凝土自身密度和泊松比而言，超聲波波速對動彈性模量的影響較大。張建仁等[20]利用一種采用縱波換能器檢測混凝土的縱波和表面波的波速，從而測量其動彈模量的技術(shù)。此外，孫叢濤等[21]通過試驗(yàn)建立了混凝土動彈性模量與超聲聲速的相互關(guān)系。目前人們對28 d標(biāo)準(zhǔn)齡期的橋梁混凝土動彈性模量的相關(guān)研究較多，且骨料組成成分較單一，而對橋梁混凝土的長期彈性模量研究非常少。由于長期力學(xué)性能是一個與環(huán)境相關(guān)的不確定變量，而跨海或臨海的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜環(huán)境中，與室內(nèi)環(huán)境條件相差甚遠(yuǎn)。如何擴(kuò)大骨料的應(yīng)用范圍，更進(jìn)一步建立橋梁混凝土動、靜態(tài)彈性模量之間的換算關(guān)系，并對跨?；蚺R海橋梁構(gòu)件的長期彈性模量進(jìn)行無損跟蹤觀測，是一個迫切需要解決的課題。為此，本文作者建立臨海環(huán)境的暴露試驗(yàn)站，對一批卵石混凝土試件和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行長期跟蹤觀測，采用超聲波平測法，開展臨海環(huán)境的橋梁混凝土長期動、靜彈性模量試驗(yàn)研究。

1 臨海環(huán)境的暴露試驗(yàn)站簡介

為了實(shí)施臨海地區(qū)的橋梁混凝土長期彈性模量試驗(yàn)研究，在廣東虎門大橋入?？谔幗⒘伺R海環(huán)境暴露試驗(yàn)站。首先制作了一批5~20 mm和5~30 mm這2種連續(xù)級配粒徑的C40，C55和C70卵石混凝土棱柱體試件，采用425號硅酸鹽水泥、河砂和卵石，水、水泥、砂、卵石的質(zhì)量比分別為0.420:1.000:1.186:2.304，0.405:1.000:1.849:2.555和0.360:1.000:1.458:2.520。在不同測試齡期，將各強(qiáng)度等級和級配粒徑相同的混凝土分別制作6個標(biāo)準(zhǔn)混凝土棱柱體試件和1個大尺寸混凝土棱柱體試件，長×寬×高分別為150 mm×150 mm×300 mm和200 mm×200 mm×500 mm。其次制作1片20.0 m厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板和1片20.0 m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，計(jì)算跨徑為19.36 m，采用C50混凝土，選用粵秀P.II42.5R普通硅酸鹽水泥，骨料分別采用5~20 mm和5~30 mm的連續(xù)級配粒徑的卵石，水、水泥、砂、卵石的質(zhì)量比為0.351:1.000:1.517:2.583。同時，按照相同的配合比，分別制作一批5~20 mm和5~30 mm這2種連續(xù)級配粒徑的素混凝土、鋼筋混凝土棱柱體試件，長×寬×高分別為150 mm× 150 mm×300 mm和200 mm×250 mm×400 mm。混凝土試件及預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件都置于暴露試驗(yàn)站中養(yǎng)護(hù)。自然養(yǎng)護(hù)28 d后，對小箱梁外露鋼筋的質(zhì)量銹蝕率進(jìn)行測試，測試結(jié)果為3.57%。

2 混凝土試件長期彈性模量試驗(yàn)研究

2.1 超聲測試混凝土動彈性模量的依據(jù)

超聲波聲速不可避免地受到混凝土材料組分與結(jié)構(gòu)狀況差異等綜合因素的影響[22]?；炷恋膭訌椥阅Ａ颗c各參數(shù)之間存在以下關(guān)系：

式中：d為混凝土的動彈性模量；為泊松比；為混凝土的密度；p和r分別為超聲波在混凝土中傳播的縱波速度和表面波速度。將式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得

(2)

式中：為縱波波速p與表面波波速r的比值。據(jù)式(1)和(2)可知，只需在混凝土表面獲得超聲波傳播的p和r或者兩者的比值，即可求解混凝土的動彈性模量d及泊松比。

將RS-ST01C非金屬超聲檢測儀的1對縱波收、發(fā)換能器以一定間距置于混凝土表面，進(jìn)行超聲波平測法測試，可獲得如圖1所示的波形[23]。因縱波的波速最大及對應(yīng)的振幅很小，波形的前部分為縱波，且特征點(diǎn)1為縱波的初至點(diǎn)，而表面波的信號強(qiáng)、能量大，隨著表面波到達(dá)，波形的振幅會隨之突然增大，特征點(diǎn)2和3分別為表面波的到達(dá)點(diǎn)和第1個峰值點(diǎn)。

圖1 平測法波形及特征點(diǎn)

為了消除儀器讀數(shù)及減少固體材料不均勻性的影響，在混凝土表面，采用多點(diǎn)平測法分別測試50，100，150，200，250和300 mm共6個不同測距的聲時。測試的可能波形特征點(diǎn)如圖2所示。根據(jù)各測距下所測試的聲時，繪制，，和各特征點(diǎn)的測距?聲時散點(diǎn)圖，用不同測距?聲時散點(diǎn)的回歸計(jì)算方程式可獲得p和r。

2.2 混凝土試件長期動靜彈性模量試驗(yàn)

2.2.1 靜彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

在不同測試齡期，相同粒徑和相同強(qiáng)度等級的150 mm×150 mm×300 mm(長×寬×高)標(biāo)準(zhǔn)混凝土棱柱體試件各取6個，采用萬能壓力機(jī)，根據(jù)文獻(xiàn)[24]中的試驗(yàn)方法進(jìn)行靜彈性模量測試。卵石混凝土試件的靜彈性模量E試驗(yàn)結(jié)果見表1。

(a) 第1種情況(未發(fā)生畸變)；(b) 第2種情況(特征點(diǎn)A~B間發(fā)生畸變)；(c) 第3種情況(特征B~C間發(fā)生畸變)；(d) 第4種情況(特片點(diǎn)C~D間發(fā)生畸變)

表1 卵石混凝土試件的長期靜彈性模量

從表1可知：卵石混凝土的靜彈性模量隨時間而逐漸增大，但28 d齡期后的增長速率減緩；當(dāng)齡期由28 d增至790 d時，各卵石混凝土試件的靜彈性模量的增長率僅為9.99%~10.17%。

2.2.2 動彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

在各測試齡期，采用RS-ST01C非金屬超聲檢測儀測試200 mm×200 mm×500 mm(長×寬×高)大尺寸混凝土棱柱體試件的p和r，并采用電子稱稱質(zhì)量，得到密度。以下只列舉28 d齡期卵石混凝土試件的測距與聲時之間關(guān)系，以及，p和r的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 28 d齡期的卵石混凝土試件密度

28 d齡期的各大尺寸卵石混凝土棱柱體試件的密度試驗(yàn)結(jié)果見表2，28 d齡期的大尺寸卵石混凝土棱柱體試件的測距?聲時散點(diǎn)圖見圖3。

(a) 粒徑為5~20 mm的C40混凝土；(b) 粒徑為5~20 mm的C55混凝土；(c) 粒徑為5~20 mm的C70混凝土；(d) 粒徑為5~30 mm的C40混凝土；(e) 粒徑為5~30 mm的C55混凝土；(f) 粒徑為5~30 mm的C70混凝土

在圖3(a)中，特征點(diǎn)的各散點(diǎn)相連，幾乎為1條直線。運(yùn)用最小二乘法，進(jìn)行直線(方程=+)回歸，該直線方程的斜率即為縱波聲速p。而由于表面波滯后到達(dá)，波形的振幅會突然增大，在特征點(diǎn)~和~之間產(chǎn)生了畸變，從而導(dǎo)致特征點(diǎn)和的各散點(diǎn)連線為曲線。生成的畸變分支波在以后的各測距中逐漸變大，并逐步成為獨(dú)立的波峰，成為1個新的波峰讀數(shù)測點(diǎn)。試用1根直線串聯(lián)相關(guān)測點(diǎn)，如串聯(lián)圖3(a)中的特征點(diǎn)的第①點(diǎn)與特征點(diǎn)的第 ②~④點(diǎn)，將這些被連接測點(diǎn)的測距和聲時以最小二乘法回歸成直線方程=+′后，方程的斜率即為疑似表面波傳播速度r[23]。以相同的方式可獲得其他粒徑和強(qiáng)度等級下的波速。28 d齡期的卵石混凝土試件的p和r試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 28 d齡期的不同卵石混凝土試件波速

從表3可知：各粒徑和強(qiáng)度等級下混凝土試件的縱波速度p均大于表面波速度r，且波速隨混凝土強(qiáng)度等級的增大而增大。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合式(1)和(2)可計(jì)算28 d齡期的卵石混凝土試件的動彈性模量d，同理可得其他齡期的試驗(yàn)結(jié)果。卵石混凝土試件的長期動彈性模量d的試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖4。

表4 卵石混凝土試件的長期動彈性模量

從表4和圖4可知：卵石混凝土試件的動彈性模量隨時間逐漸增大，且在前期增長迅速，后期增長緩慢，增長速率隨時間逐漸減緩。

2.3 混凝土試件長期動靜彈性模量相關(guān)性研究

基于最小二乘法，將表1中各強(qiáng)度等級的卵石混凝土試件的靜彈性模量試驗(yàn)值與表4中各強(qiáng)度等級的卵石混凝土試件的動彈性模量試驗(yàn)值進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖5。

粒徑/mm：(a) 5~20；(b) 5~30

粒徑/mm：(a) 5~20；(b) 5~30

從圖5可知：擬合曲線的最小相關(guān)系數(shù)為0.958 1，回歸精度較高。卵石混凝土試件的靜、動彈性模量之間存在以下?lián)Q算關(guān)系：

3 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件長期彈性模量試驗(yàn)研究

3.1 靜彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

在不同測試齡期，取與預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件相同配比的標(biāo)準(zhǔn)混凝土棱柱體試件各6個，進(jìn)行靜彈性模量測試，所得靜彈性模量試驗(yàn)結(jié)果作為相應(yīng)齡期的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的靜彈性模量。預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的靜彈性模量s試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的長期靜彈性模量

據(jù)表5可知：預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的靜彈性模量隨時間逐漸增大，但28 d齡期后的增長速率減緩，當(dāng)齡期由28 d增至550 d時，各構(gòu)件的靜彈性模量的增長率僅為9.10%~9.46%。

3.2 動彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

在各測試齡期，采用RS-ST01C非金屬超聲檢測儀測試空心板和小箱梁的p和r，并采用電子稱對相同齡期的鋼筋混凝土棱柱體試件稱質(zhì)量，得到密度。以下只列舉28 d齡期的空心板和小箱梁的測距與聲時之間關(guān)系，以及p，r和相同齡期的試驗(yàn)結(jié)果。

28 d齡期的5~20 mm和5~30 mm連續(xù)級配粒徑的鋼筋混凝土棱柱體試件密度分別為2.611 t/m3和2.628 t/m3。28 d齡期的空心板和小箱梁的測距?聲時散點(diǎn)圖見圖6。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的測距?聲時散點(diǎn)圖，可獲得28 d齡期的空心板和小箱梁的p和r，見表6。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合式(1)和式(2)，可計(jì)算28 d齡期的空心板和小箱梁的動彈性模量d，同理可得其他齡期的試驗(yàn)結(jié)果?？招陌搴托∠淞旱拈L期動彈性模量d的試驗(yàn)結(jié)果見表7。

從表7可知：空心板和小箱梁的動彈性模量隨時間的變化規(guī)律與混凝土試件的變化規(guī)律相同，前期增長迅速，后期增長緩慢，增長速率隨時間而逐漸減緩。

(a) 空心板；(b) 小箱梁

表6 28 d齡期的空心板和小箱梁波速

表7 空心板和小箱梁的長期動彈性模量

3.3 長期彈性模量誤差分析

根據(jù)式(3)和表7，可計(jì)算空心板和小箱梁的換算靜彈性模量sh，將它與表5中的實(shí)測靜彈性模量s進(jìn)行比較，見表8。

表8 空心板和小箱梁的長期靜彈性模量對比分析

空心板和小箱梁的長期換算靜彈性模量的最大相對誤差分別為0.21%和0.35%，誤差較小，表明用式(3)進(jìn)行5~20 mm和5~30 mm這2種連續(xù)級配粒徑的卵石混凝土構(gòu)件的長期靜、動彈性模量換算精度較高。

4 結(jié)論

1) 在進(jìn)行臨海環(huán)境的橋梁混凝土長期彈性模量測試時，為克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，采用超聲波平測法測試橋梁混凝土在不同測距下的縱波波速與表面波波速，從而計(jì)算出混凝土的動彈性模量。

2) 混凝土的動彈性模量隨時間逐漸增大，前期增長迅速，后期增長緩慢，增長速率隨時間逐漸減小。

3) 骨料粒徑會影響聲波在混凝土中傳播的速度，基于混凝土試件的長期靜、動彈性模量試驗(yàn)研究成果，構(gòu)建了臨海環(huán)境5~20 mm和5~30 mm這2種連續(xù)級配粒徑的卵石混凝土試件的靜、動彈性模量換算公式。

4) 將混凝土試件的靜、動彈性模量換算公式應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的長期靜、動彈性模量計(jì)算時，精度較高。

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(編輯 陳燦華)

Experimental research on long-term elastic modulus of bridge concrete in seaward environment

Lü Yigang1, 2,3, HAN Weiwei3, Lü Jianming1

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. Hunan Province Engineering Laboratory of Bridge Structure,Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;3. State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology,Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

In order to overcome the deficiencies of the traditional detection methods, exposure experiment station was established and experimental research on the long-term static or dynamic elastic modulus of bridge concrete in seaward environment was carried out. By using of ultrasonic single side method, longitudinal or surface wave velocity of bridge concrete was obtained through regression calculation of correlative points of the received wave crests about the different ranges. Dynamic elastic modulus of concrete was calculated according to the mathematical relationship with wave velocity. Based on experimental results of a group of pebble concrete specimens, the rule of dynamic elastic modulus of concrete with time was analyzed and the conversion formula between static elastic modulus and dynamic elastic modulus of concrete specimens with pebbles of particle size at 5?20 mm and 5?30 mm was set up. The applicability of the conversion formula was verified by experimental research on the long-term elastic modulus of prestressed concrete members. The results show that dynamic elastic modulus of concrete gradually increases with time. It increases faster in the early period and gradually slowly afterwards. The growth rate gradually decreases with time.

concrete; elastic modulus; seaward environment; pebble

U445.73

A

1672?7207(2017)04?1088?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.032

2016?05?24；

2016?07?12

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB057705)；長沙理工大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)安全控制湖南省工程實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(14KD13)；長沙理工大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(kfj140110)；長沙理工大學(xué)土木工程優(yōu)勢特色重點(diǎn)學(xué)科創(chuàng)新性基金項(xiàng)目(17ZDXK07)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(16C0059)；湖南交通科技進(jìn)步與創(chuàng)新項(xiàng)目(201330)(Project (2015CB057705) supported by the National Basic Research Program(973 Program) of China; Project (14KD13) supported by Open Fund of Hunan Province Engineering Laboratory of Bridge Structure of Changsha University of Science & Technology; Project(kfj140110) supported by Open Fund of State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology of Changsha University of Science & Technology; Project (17ZDXK07) supported by Innovation Fund of Characteristic Advantage Key Discipline of Civil Engineering of Changsha University of Science & Technology; Project (16C0059) supported by the Scientific Research of Department of Education of Hunan Province; Project (201330) supported byHunan Traffic Science and Technology Progress and Innovation Project of Hunan Province)

呂毅剛，博士，講師，從事橋梁結(jié)構(gòu)可靠性及耐久性等研究；E-mail：37237308@ qq.com