爆破振動(dòng)對(duì)新澆筑混凝土強(qiáng)度的影響

萬(wàn)嘉輝，趙 凱，吳建國(guó)，史濤寧，馬宏昊,3，劉 凱,姚象洋

(1.中鐵二十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 402160；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026)

為了加快施工進(jìn)度，在隧道爆破施工過(guò)程中，下臺(tái)階爆破開(kāi)挖與仰拱混凝土澆筑往往并行施工，從而存在掘進(jìn)爆破振動(dòng)對(duì)新澆筑混凝土性能造成影響的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為在爆破振動(dòng)作用下，新澆筑混凝土(齡期少于1 d)容易受到破壞損傷，以至于制定的新澆筑混凝土安全振動(dòng)速度值較為保守，這為工程建設(shè)帶來(lái)了一定的影響，可能造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)新澆筑混凝土安全振動(dòng)速度的正確認(rèn)識(shí)，能夠保證混凝土性能的同時(shí)加快施工進(jìn)度。

盧文波等[1]認(rèn)為我國(guó)現(xiàn)行采用的新澆筑混凝土質(zhì)點(diǎn)安全振動(dòng)速度值具有較大的安全儲(chǔ)備，同時(shí)指出新澆筑基礎(chǔ)混凝土的允許振動(dòng)速度值隨混凝土強(qiáng)度的降低而降低，而陳明等[2]認(rèn)為混凝土在早期受到輕微的振動(dòng)損傷時(shí)，即使產(chǎn)生微裂隙也可隨著水泥水化的繼續(xù)進(jìn)行得到愈合。因此，超早期混凝土的后期自愈合使得其具有一定的抗爆破振動(dòng)能力，其安全振動(dòng)速度應(yīng)該在3.0 cm/s以上。Hulshizer等[3]認(rèn)為齡期在24 h以內(nèi)的柱、梁及墻體混凝土的安全振動(dòng)速度在3.81 cm/s以上。婁建武等[4]認(rèn)為齡期為12 h的混凝土即使受到5 cm/s的振動(dòng)速度也不影響其最終強(qiáng)度。金賢玉[5]認(rèn)為新澆筑混凝土在加速度為2.1g的振動(dòng)荷載作用下，其28 d后的強(qiáng)度變化不大，換算成的振動(dòng)速度約為10.9 cm/s以上。另外，Dunham等[6]認(rèn)為在混凝土澆注5～6 h后施加振動(dòng)(5～10 cm/s)，振動(dòng)對(duì)混凝土的7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有影響，但會(huì)對(duì)其29 d劈裂拉伸強(qiáng)度有一定影響。魏建軍等[7]也發(fā)現(xiàn)對(duì)處于初、終凝前后的混凝土施加設(shè)計(jì)的振動(dòng)，會(huì)影響混凝土1、3、28 d的劈裂拉伸強(qiáng)度。然而，褚懷保等[8]認(rèn)為新澆混凝土爆破振動(dòng)速度應(yīng)控制在1.5 cm/s以內(nèi)。吳帥峰等[9]認(rèn)為齡期在12 h以內(nèi)的混凝土，其損傷和強(qiáng)度折減的發(fā)展隨爆破振速(2～10 cm/s)的增加而急劇增大。楊小林等[10]認(rèn)為新澆混凝土爆破振動(dòng)安全速度應(yīng)小于2 cm/s，齡期60 h內(nèi)新澆混凝土爆破振動(dòng)安全速度應(yīng)控制在3 cm/s以內(nèi)。

綜上所述，目前對(duì)新澆筑混凝土的安全振動(dòng)速度認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一。因此，本文通過(guò)對(duì)新澆筑后12 h內(nèi)的混凝土模型進(jìn)行間隔2 h爆破振動(dòng)，爆破前后采用聲速儀對(duì)混凝土的聲速變化進(jìn)行測(cè)量記錄，同時(shí)在混凝土表面不同位置安裝振動(dòng)傳感器用于測(cè)量振動(dòng)幅值，結(jié)合混凝土中水泥水化過(guò)程，分析爆破振動(dòng)對(duì)超早期混凝土強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了精確控制爆破時(shí)間，在空曠場(chǎng)地澆筑一個(gè)混凝土實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停錁?biāo)號(hào)(C25)與仰拱澆筑的混凝土一致。混凝土模型長(zhǎng)680 cm，上寬150 cm，下寬100 cm，高100 cm。聲速測(cè)點(diǎn)共有4個(gè)(兩孔為一個(gè)測(cè)點(diǎn))，爆破前后采用聲速儀(RSM-SY5)對(duì)混凝土的聲速變化進(jìn)行測(cè)量記錄，其沿模型縱向方向布置，間隔為150 cm，編號(hào)為Ⅰ～Ⅳ；每個(gè)測(cè)點(diǎn)中孔洞的間距為50 cm，孔洞通過(guò)預(yù)埋Φ=5 cm的PVC形成。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)共有7個(gè)，用于測(cè)量模型不同位置的振動(dòng)幅值，其沿模型縱向方向布置，間隔為75 cm，編號(hào)為5～11(見(jiàn)圖1)。另外，振動(dòng)傳感器(TC-4850)需要在混凝土初凝后(澆筑5 h后)才能安裝，而聲速儀在混凝土澆筑9 h后才能采集到數(shù)據(jù)。

圖1 混凝土模型及測(cè)點(diǎn)Fig.1 Concrete model and measured points

一般認(rèn)為，水泥與水接觸后3 h以內(nèi)，附著在水泥顆粒的水化物逐漸增多，水泥漿體開(kāi)始失去塑性，混凝土初具強(qiáng)度[11]。在水泥與水接觸后的6～8 h，隨著各種水化物的顯著增加，水泥顆粒間的空隙由水化產(chǎn)物填充并形成嵌鎖結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度不斷增加，水泥漿體失去塑性，開(kāi)始硬化形成水泥石，進(jìn)入硬化期[12]。根據(jù)上述水泥凝結(jié)硬化的發(fā)展過(guò)程，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5個(gè)進(jìn)行早期爆破振動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)，即混凝土模型澆筑后3、5、7、9、11 h進(jìn)行爆破擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)所采用的炸藥為二號(hào)巖石乳化炸藥，爆源位置離模型前端70 cm，其埋深為150 cm，藥量為2 kg。另外，為了分析新澆筑混凝土在硬化過(guò)程中的聲速變化，并為判斷爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土強(qiáng)度的影響提供基準(zhǔn)值，同時(shí)在遠(yuǎn)離爆源位置澆筑一個(gè)對(duì)比模型，其與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械幕炷炼际莵?lái)自同一輛攪拌車。對(duì)比模型長(zhǎng)100 cm，寬100 cm，高100 cm，并預(yù)留2個(gè)孔作為聲速測(cè)點(diǎn)，孔深90 cm。為了獲取對(duì)比模型在水化過(guò)程中聲速變化的平均值，采用聲速儀對(duì)預(yù)留孔不同深度(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m)的聲速進(jìn)行測(cè)量記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土硬化過(guò)程的爆破振動(dòng)變化規(guī)律

通過(guò)軟件進(jìn)行振動(dòng)波形顯示，從波形中可以得到x、y、z方向振動(dòng)峰值、最大值時(shí)間以及主頻率等參數(shù)。新澆混凝土表面不同位置與不同凝固時(shí)間的z方向振動(dòng)峰值如圖2所示。

圖2 不同測(cè)點(diǎn)位置的z方向振動(dòng)峰值Fig.2 Peak vibration of z direction at different places

由圖2可知，在爆源參數(shù)保持不變情況下，隨著凝固時(shí)間增加，同一測(cè)點(diǎn)上的z方向振動(dòng)峰值逐漸變大，說(shuō)明混凝土在強(qiáng)度增長(zhǎng)初期對(duì)爆破振動(dòng)響應(yīng)比較弱，即爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土影響不大；隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，其對(duì)爆破振動(dòng)響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，從而可能會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)損傷。在本次實(shí)驗(yàn)中，z方向振動(dòng)峰值范圍為3～10 cm/s，其隨著距離增加而減小。

2.2 爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土強(qiáng)度的影響

通過(guò)聲速測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)比模型中(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m)不同高度的聲速，將監(jiān)測(cè)到的不同深度聲速平均值作為判斷爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土強(qiáng)度影響的基準(zhǔn)值。其中，對(duì)比模型在水化過(guò)程中聲速變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 水化過(guò)程中的對(duì)比模型聲速變化規(guī)律Fig.3 Change of acoustic velocity of comparative model in the hydration

由圖3可知，新澆筑混凝土聲速在澆筑后9～27 h內(nèi)從2 195 m/s快速增加到3 300 m/s，在澆筑后110 h達(dá)到3 516 m/s，即混凝土的強(qiáng)度在澆筑后9～27 h屬于快速增長(zhǎng)階段，隨后屬于緩慢增長(zhǎng)階段。

為了對(duì)新澆筑混凝土在凝固過(guò)程中受到爆破振動(dòng)作用而出現(xiàn)的損傷進(jìn)行分析，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诒普駝?dòng)作用下的平均聲速與對(duì)比模型的聲速平均值進(jìn)行比較(見(jiàn)圖4)。

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c對(duì)比模型的聲速比較Fig.4 Contrast of acoustic velocity between experimental model and comparative model

由圖4可知，相較于對(duì)比模型，澆筑后3、5、7、9、11 h的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突炷猎诒普駝?dòng)作用下，各個(gè)時(shí)間段的混凝土聲速都有所增加，其中，12 h和19 h后平均聲速提高了4%～6%，而110 h后平均聲速僅提高了1.5%，說(shuō)明混凝土的強(qiáng)度有所提高。這主要是由于新澆筑混凝土中仍存在大量未完全水化水泥，且此時(shí)粗細(xì)集料與水泥顆粒之間尚存在大量的孔隙。而且在爆破振動(dòng)作用下，可能造成初凝體的破壞和微裂隙的形成與發(fā)展，比如骨料與水化產(chǎn)物脫離，形成一些新的微裂隙，這會(huì)造成集料與水化產(chǎn)物間的黏結(jié)力和內(nèi)聚力的下降。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土中大量未水化水泥在后期持續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，繼續(xù)生成大量水化產(chǎn)物，此時(shí)新生成的膠體將彌補(bǔ)和填充混凝土顆粒間的孔隙和初始微裂隙。因此，在水化產(chǎn)物一定而孔隙總體積不變的情況下，振動(dòng)產(chǎn)生的部分裂隙隨水化反應(yīng)的進(jìn)行能夠完全愈合，即3～10 cm/s的爆破振動(dòng)不會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度。另一方面，爆破振動(dòng)作用可能釋放混凝土早期水化反應(yīng)導(dǎo)致體積變化引起的內(nèi)應(yīng)力，從而改善混凝土所處應(yīng)力環(huán)境；對(duì)于新澆大體積混凝土，在重力作用下，也有助于混凝土的自愈，上述原因都有助于提高受振動(dòng)混凝土的強(qiáng)度[2]。另外，新澆筑混凝土在爆破振動(dòng)作用下強(qiáng)度反而出現(xiàn)增長(zhǎng)，是因?yàn)樵缙谡駝?dòng)使混凝土中存在于孔隙中的自由水得以釋放從而促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)[13]。綜上所述，對(duì)于新澆筑混凝土，其內(nèi)部存在大量未水化水泥，后期持續(xù)的水化反應(yīng)使得混凝土即使在爆破振動(dòng)作用下形成輕微的損傷，也能夠完全愈合而不影響其后期強(qiáng)度，甚至強(qiáng)度因振搗作用而有所提高。

為了進(jìn)一步研究爆破振動(dòng)作用下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟煌疃嚷曀僮兓?，?duì)測(cè)點(diǎn)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ沿縱向進(jìn)行聲速測(cè)量，其隨不同深度、時(shí)間變化如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌疃鹊穆曀僮兓?guī)律Fig.5 Change of acoustic velocity of experimental model at different depths

由圖5可知，新澆混凝土在爆破振動(dòng)作用下，其聲速平均值大于對(duì)比模型對(duì)應(yīng)的聲速平均值，說(shuō)明澆筑后12 h內(nèi)的混凝土在3～10 cm/s的爆破振動(dòng)作用下，其具有振搗效果，但也容易出現(xiàn)骨料下沉趨勢(shì)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞柯曀俑哂谏喜?，即大體積混凝土可能存在底部強(qiáng)度高于上部，需要進(jìn)一步取芯進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

1)我國(guó)現(xiàn)行采用的新澆筑混凝土的安全爆破振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)總體上具有較大的安全儲(chǔ)備，而且現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定將1～3 d混凝土劃在同一齡期段似乎太籠統(tǒng)，必須進(jìn)一步細(xì)分。

2)混凝土的強(qiáng)度在澆筑后9～27 h屬于快速增長(zhǎng)階段，隨后屬于緩慢增長(zhǎng)階段。在爆源參數(shù)保持不變情況下，同一測(cè)點(diǎn)上的振動(dòng)峰值隨著水化反應(yīng)時(shí)間增加逐漸變大，說(shuō)明混凝土在強(qiáng)度增長(zhǎng)初期對(duì)爆破振動(dòng)響應(yīng)比較弱，隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，其對(duì)爆破振動(dòng)響應(yīng)逐漸增強(qiáng)。

3)對(duì)于新澆筑混凝土，其內(nèi)部有大量未水化水泥，即使在爆破振動(dòng)作用下造成輕微的損傷，也能夠完全愈合，而不影響后期強(qiáng)度，甚至強(qiáng)度因振搗作用有所提高。

4)澆筑后12 h內(nèi)的混凝土在3～10 cm/s的爆破振動(dòng)作用下，容易出現(xiàn)骨料下沉趨勢(shì)，導(dǎo)致大體積混凝土可能底部強(qiáng)度高于上部，需要進(jìn)一步取芯進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。