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实用技术

罐车行车振动对现浇混凝土力学性能的影响研究

时间:2018/8/17 8:51:51 来源: 点击次数:2791

行车振动对现浇混凝土力学性能的影响研究

来源:《混凝土》杂志2018年第七期

黄维蓉1,3,习磊2,4,易金明5,凌云5

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院,重庆 400074;2.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;

3.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室,重庆 400074;4.武汉理工大学 交通学院,武汉 430063;5.广东省长大公路工程有限公司,广州 510620)

摘要:采用室内模拟行车振动对新浇筑混凝土性能的影响,通过正交试验分析不同振动因素对混凝土抗压、劈裂、抗折以及弹性模量等力学性能的影响,研究发现:不同组合振动中,振动施加时间对混凝土性能影响最大,且整体上看,施加的振动频率为10Hz,振幅为9mm,振动时间为60min,振动施加时间为1h时,对混凝土抗压强度影响最大,而对混凝土抗折与劈裂强度影响最大振动方案为:频率为10Hz,振幅为9mm,振动时间为60min,振动施加时间为4h;混凝土初凝前施加振动对混凝土抗压强度有一定提升,而在初凝至终凝期间,振动对混凝土劈裂与抗折强度有不利影响,两者强度明显降低,但随着龄期的增加,混凝土具有一定愈合能力,后期强度有所提升,而在终凝后,混凝土抵抗外部干扰能力增强,强度变化不大。

关 键 词:行车振动;新拌混凝土;力学性能

0 引 言

混凝土的凝结、硬化是一个复杂的物理、化学变化过程,这也决定了混凝土在硬化过程中易受外界环境、自身材料影响的特性[1]。在桥梁维修施工过程中,混凝土在养护期间不可避免会受到外界间断性甚至是持续性的影响,而在道路桥梁维修、加固时需中断交通来保证维修质量,但在实际工程中有些桥梁是保证道路运输的唯一通道而不能中断交通,这两者之间的冲突成为我国桥梁加固维修的一大难题,如何解决两者之间的矛盾是当今研究的一大难点与重点。

对于桥梁振动是否会对新浇筑的混凝土性能产生不利作用,近年来,有学者研究显示行车荷载引起的车桥振动对混凝土力学性能有一定影响,魏建军[2]通过改装的水泥胶砂振动台来模拟振动,其振动频率范围为1Hz~5Hz,振幅范围为1mm~10mm,结果表明,低频小振幅(小于3mm)对混凝土抗拉强度影响不大,较大振幅时(5mm以上)抗拉强度有所下降。张煜等学者[3]使用频率为3Hz~11Hz,振幅为0.025mm~3mm的小型振动台进行模拟桥梁的振动特性,研究显示开放交通加固过程中振动对混凝土抗压强度影响较大,而桥梁建造过程对混凝土抗压强度无明显变化,同时两种情况下,振动对混凝土弹性模量变化不大。李晓娟[4]通过在工程现场对新浇筑混凝土进行试验并与自然条件下和标准条件下的新浇筑混凝土进行7d、28d强度对比,得出混凝土在受振动条件下的各项力学指标均会有不同程度的降低,但均在规范要求的范围之内。Michael R. Dunham和Adam S. Rush[5]等人在研究外部诱导的振动对早期混凝土影响时发现,在不同振幅和振动时间下,受振动混凝土7天和28天抗压强度绝大部分都略高于正常状态下养护的混凝土强度。而29天劈裂抗拉强度却略低于正常状况养护的强度,最低强度平均值只比对照组低7%。另外,Dunham指出:对新浇筑的混凝土连续振动4h,混凝土强度会增加14%左右。如果在混凝土浇筑5-6h后振动,振动会对混凝土产生影响,使混凝土强度降低。Bastian[6]对新拌混凝土的二次振动问题进行了研究,据Bastian研究表明,早期振动使混凝土中存在于孔隙中的自由水得以释放,增加了水泥水化的速度,从而使得混凝土在二次振动的情况下强度出现增长。以上研究可以看出,基于不同试验条件与试验方法,不同研究得出的结论有所差异,同时,大多研究集中在单一的抗压强度或抗折、劈裂强度,少有学者对振动后混凝土力学性能进行系统研究。因此,本文结合室内试验,模拟行车荷载引起的桥梁振动对新浇筑混凝土力学性能影响进行全面研究,探索车桥耦合振动后混凝土力学性能变化规律,并对变化机理进行分析,为解决不中断条件下进行桥梁维修加固提供理论依据和应对措施,研究成果为今后类似桥梁加固、维修项目提供建议。

1 配合比及试验方案设计

1.1 原材料及配合比

本次研究选择的水泥为P·O 42.5R级水泥;砂为中砂,细度模数为2.7;粗集料为5mm~25mm连续级配石灰岩骨料;减水剂为聚羧酸高效能减水剂,减水率为30%,掺量为胶凝材料质量的1.3%。设计的C50混凝土配合比如表1所示,坍落度在90mm~110mm之间,混凝土的凝结时间由贯入阻力试验得出,如图1所示。

1.2 振动频率与振幅的确定

根据研究发现,在室内模拟车桥耦合振动,桥梁的振动特性可以用桥梁的自振频率和动挠度来评价。瑞士联邦材料试验和研究实验室通过调查224座不同类型桥梁得出:桥梁固有频率实测值为f=1Hz~14Hz。此外,文献[7]利用动态试验方法现场测得大量数据后,通过反算得到几种桥梁的一阶基频分布为2Hz~10Hz,文献[8]通过理论计算和现场实测得出中小跨径简支梁桥的挠度为1mm~10mm。结合相关文献,可以大致确定中小跨径桥梁的自振频率范围为2Hz~13Hz,动挠度为1mm~11mm。

1.3 正交试验方案

在振动过程中,除了振动频率与振幅对混凝土性能造成影响,振动时间也是不可忽视的因素之一,此外,混凝土在不同凝结过程中受到振动,其性能也会不一样。为此,针对4种影响因素,采取3种水平,利用正交试验设计进行分析何种组合对混凝土力学性能影响最大。

本次试验选取的频率水平为2Hz、5Hz和10Hz,能较好覆盖现有桥梁固有频率范围;振幅参数为3mm、5mm、9mm,既有小振幅情况,又包含较大振幅,能最大限度模拟实际桥梁振动的挠度变化范围;同时,考虑到桥面实际情况中振动的间断性,振动时间设定为10min~60min,从不同振动时间来考虑振动对混凝土的影响状况,选取的振动时间三个水平分别为10min、30min和60min,且每次振动施加30s,停15s,能较好反映实际桥面车辆行驶的间断性。而对于振动施加时间,混凝土拌制后振动作用施加的时间对于混凝土后期性能影响很大,本次采取的振动施加时间覆盖混凝土初凝前到终凝后时间段,由图2中贯入阻力测定曲线可知,本次混凝土初凝为3.5h左右,终凝为6.5h,因此选取的振动施加时间尽量覆盖从混凝土初凝前到终凝后,具体三个水平为1h、4h和7h。具体的因素水平如表3所示。

本次试验采用改装的振动台模拟振动,如图2所示,可以根据试验参数调节相应频率与振幅大小。

3 力学性能试验结果及分析

对振动组和基准组(静置组)C50混凝土标准养护3d和28d后进行力学性能试验,分别测试混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度后和抗压弹性模量并与基准组做对比。

3.1 抗压强度与弹性模量试验结果及分析

根据正交试验极差分析法对四个影响混凝土力学性能的因素进行分析,具体结果如表3所示。

如表4和图3,通过对混凝土3d立方体抗压强度极差分析可知,影响最大的因素是振动施加的时间,且在1h施加强度增加最为明显;其次,振动时间对混凝土强度变化影响也较大,时间越长,变化越明显;另外,振动施加的频率与振幅对混凝土影响也较明显,频率与振幅越大,混凝土强度变化也越大。

同样,如图4、图5和图6,对混凝土28d立方体抗压强度,3d和28d轴心抗压强度极差分析可知,混凝土轴心抗压强度变化规律基本与立方体抗压强度规律一致,除个别实验组,各个龄期混凝土轴心抗压强度都高于基准组强度,因素的主次顺序为D>C>A>B,即振动施加时间对各龄期立方体抗压强度和轴心抗压强度影响最大,振动时间其次,振幅与频率对其影响最小,因此,对立方体抗压强度和轴心抗压强度而言,影响最大的试验方案组均为频率为10Hz,振幅为9mm,振动时间为60min,振动施加时间为1h。但从表3可以看出,混凝土抗压弹性模量的变化不大,两个龄期中,振动与未振动试验组相比,各龄期弹性模量相差较小,且均在合理范围之内,同时,在试验中,人为因素,外界环境等对弹模的测定有一定干扰,也是造成模量变化较小的原因。

3.2 抗折强度与劈裂强度试验结果及分析

混凝土作为一种脆性材料,其抗折强度与劈裂强度易受到微小孔隙与裂纹的影响,因此,为分析振动后抗折强度与劈裂强度变化规律,正交试验极差分析中,采用振动组强度与基准组强度差值的绝对值为分析对象,这样能更加准确的分析四个因素对混凝土抗折性能影响,具体结果如表5所示。

同样,通过表6以及图7-10可知,通过对混凝土3d和28d抗折强度差值和劈裂强度差值极差分析,振动对凝期混凝土影响因素中,影响最大的是振动施加的时间,在4h施加混凝土抗折强度降低明显,另外,振动时间对混凝土强度变化影响也较大,振动时间为60min,变化最为明显,同时,振动施加的频率与振幅对混凝土影响也较明显,对混凝土抗折和劈裂强度影响最大振动参数为:频率为10Hz,振幅为9mm,振动时间为60min,振动施加时间为4h。此外,不同龄期的抗折强度差随着养护时间的推移逐步减小,3d抗折强度差值与劈裂强度差值的均值几乎全在0.15以上,而两者28d强度差均值在0.15以下,说明混凝土抗折强度损失与龄期也有很大关系,随着养护龄期推移,对混凝土抗折强度与劈裂强度有一定的弥补作用。

4 振动对混凝土性能影响的机理浅析

不同组合的振动作用对混凝土强度有明显影响,根据贯入阻力试验可知,混凝土初凝时间为4h左右,终凝为7h左右。从水泥水化进程上看,在此时(1h)施加振动作用,初凝前期的水泥颗粒开始与水反应形成水化产物并慢慢形成凝胶,但此时水泥浆体仍保持塑性状态,外界干扰一方面加速水泥水化反应,部分成团结块的水泥水化更加充分,颗粒分布更加均匀,同时也会消除除骨料下部水层蒸发后留下的裂缝和一部分空隙、气泡(如图11(a)所示),结构更加密实稳固,但也会造成混凝土内部离析,但综合来看,初凝前期的再次振动对混凝土性能影响不大[9]-[10],可在一定程度提高混凝土早期抗压强度。

而4h施加振动,此时混凝土进入初凝,混凝土的流变特性可近似的用宾汉姆模型来描述:

混凝土内部颗粒之间的相互作用形成三维网状的絮凝结构,当给混凝土施加载荷时,网状的絮凝结构会阻止混凝土发生流动,屈服强度是破坏混凝土稳态结构,迫使混凝土发生流动所需要的最小剪切应力。混凝土慢慢失去可塑性,但此刻(4h)水化行成的凝胶结构尚不稳定,特别是界面过渡区最为薄弱,若此时施加振动,振动作用产生的剪切应力极易达到混凝土屈服强度,则混凝土内部浆体产生流动,拌合物颗粒发生摩擦、碰撞,也破坏了已形成的絮凝结构,使得混凝土结构出现裂隙缺陷,导致强度降低,且振动时间越长,这种破坏越明显。从而早期强度与静置组相比,有一定幅度降低,但随着凝期的增长,混凝土内部未水化的水泥会继续水化,振动导致的破坏会得到一定“愈合”,抗压强度会有一定回升。同样,7h时施加振动,此时混凝土基本完全失去可塑性,形成有一定强度的凝胶结构,会在一定程度上抵御外部的振动破坏,从而强度损失相对较小,随着凝期增长,强度值也得到一定弥补[11]。

从材料断裂能量法上看,混凝土裂纹扩展的条件是GI≥GIC,GI为裂纹扩展单位长度时系统势能的释放率,它的大小取决于应力及裂纹尺寸,当GI增大到某一临界值时,裂纹失稳扩展断裂,此临界值记作GIC,也称断裂韧度[12]。GIC是材料力学性能指标,只和混凝土材料成分、组织结构有关。当外界振动施加的能量不足以达到裂纹扩展的断裂韧度,混凝土内部保持相对稳定,裂纹也没有扩展的趋势,特别是在凝结后期,混凝土内部形成致密结构,并与骨料结合强度提升,能抵抗外部干扰。若当外界振动施加的能量较大,裂纹扩展时系统势能释放率超过裂纹扩展极值,此时,混凝土内部裂纹不稳定,发生扩展,从而形成了裂纹。在混凝土硬化中期,水泥水化剧烈,形成的水化产物也尚不稳定,振动作用会导致形成的凝聚结构破坏,裂缝也由此衍生开来[4]。

水泥混凝土是一种脆性材料,劈裂和抗折强度对内部结构敏感性较强,极易受到微小裂纹或空隙的影响。因此,在1h施加振动,会出现一定密实,也可能导致泌水,后期表面收缩较大,总的来看,振动10min对抗折、劈裂强度影响不大,但振动30min,此时振动作用已破坏混凝土结构均匀性,从而强度出现降低。而4h时施加振动,如图11(b)所示,此时混凝土产生的微裂隙更容易引起劈裂和抗折强度下降,振动时间越长,破坏越严重。同样,如图11(c),在7h施加振动,经过几个小时的凝结硬化,此时混凝土水化形成的结构稳定,抵抗外加破坏能力加强,施加的振动能量还未达到裂纹扩展的断裂韧度,此时混凝土出现微小裂纹可能性更小,强度损失降低。同时,随着凝期增长,混凝土内部水泥的继续水化会“修补”部分产生的微小裂缝,后期强度逐渐回升。

5 结论与展望

通过室内模拟车桥耦合振动作用,分析振动新浇筑混凝土力学性能的影响,主要得到了以下结论:

(1)各试验因素中,振动施加时间对混凝土力学性能影响最大,特别是对初凝前(1h),以及初凝至终凝之间时段(4h),终凝后施加振动对混凝土后期力学性能影响不明显,此外,振动时间越长,频率越大,振幅越大,对混凝土性能影响也越明显。

(2)对混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度影响最大的试验组方案是,频率为10Hz,振幅为9mm,振动时间为60min,振动施加时间为1h;对混凝土劈裂抗拉强度与抗折强度影响最大的是,频率为10Hz,振幅为9mm,振动时间为60min,振动施加时间为4h;混凝土抗压弹性模量极易受外界因素影响,受到振动后其值会有一定小幅度变化,但规律不是很明显。

(3)混凝土抗折与劈裂强度在不同组合振动下均有一定程度下降,且在混凝土凝结中期,下降最明显,而随着龄期的增加,混凝土后期抗折与劈裂强度损失逐渐减弱,强度相对有所回升。

本文在室内模拟车桥耦合振动对新浇筑混凝土力学性能存在不利影响,为此仍需进一步研究采取何种措施来减少这些不利影响,此外,振动对混凝土早期变形性和后期耐久性的研究仍是一片空白,需要在这两方面继续研究,另外,通过微观分析进一步解释混凝土性能变化机理也需深入探索。

参考文献(Reference)

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[9] 张悦然,张永娟,张雄.改善混凝土抗干扰性能的三种途径[J].建筑材料学报,2011(1):26-29.

[10] 蒋正武,任强,袁政成.车桥耦合振动对混凝土早期性能的影响及其损伤机理[J].建筑材料学报,2015(3):471-476.

[11] 黄维蓉, 习磊.车桥耦合振动对新拌混凝土力学性能的影响研究[J]. 科学技术与工程, 2017(15).

[12] 郑仁健,徐银芳等.二次振动后混凝土强度变化规律的研究[J].华中科技大学学报(城市科学版),2004(1):69-72.

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