申俊敏，張艷聰，，田 波

(1.山西省交通科學研究院黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室，山西太原030006;2.交通運輸部公路科學研究院，北京100088)

在工程施工中，利用機械密實混凝土的工藝方法很多，如振動、碾壓、脫水、注漿等，其中以振動密實的方法應用最為廣泛。尤其是在道路混凝土攤鋪中，普遍采用振搗棒組振動密實混凝土。

鋼筋混凝土的振動密實區(qū)別于普通的道路混凝土，鋼筋網(wǎng)的存在會對攤鋪機具振搗棒組的插入深度產(chǎn)生較大影響，插入深度太深則容易破壞鋼筋形態(tài)，深度太淺混凝土則不易振實。鋼筋網(wǎng)以下的混凝土是否密實，鋼筋網(wǎng)對振動作用的阻隔是鋼筋混凝土振動密實環(huán)節(jié)必須注意的問題。簽于此，筆者主要從振動加速度、分層密度入手，通過試驗研究振動能量在混凝土中(鋼筋網(wǎng)上、下)的傳播規(guī)律，以及鋼筋網(wǎng)對振動能量的阻隔作用，并給出相應的補償措施。

1 振動能量在道路混凝土中的傳播

道路混凝土的振動密實是通過攤鋪機具的振搗棒組將機械能或電能轉換為振動能，從而將混凝土液化，使其密實的布滿整幅路面。對于回轉振動器來說，振動非常接近于諧振運動，如圖1。

圖1的正弦波振動可以用振動頻率、振幅等參數(shù)來描述［1－2］:振動周期 T，即偏心塊圍繞轉動一周的時間，s;振動頻率f=1/T，常用轉速來表示，Hz;振幅A0，即運動y=sint中位移的最大值，m;振動速度 v=2πfA0cos(2πft)，m/s;振 動 加 速 度 a=－4π2f2A0sin(2πft)，m/s2;最 大 加 速 度 a0=4π2f2A0，m/s2;振動最大動能 k0=2π2f2A2m(m 為偏心塊質量，A為振動的平均振幅)。

上述公式和定義均由初等數(shù)學運算而來，倘若振動不能很好的用諧振運動描述，則相應的公式將變得復雜。因為混凝土的振動參數(shù)與其密實成型密切相關、應用廣泛，雖然存在些許誤差，多數(shù)情況下，仍然用上述公式簡便計算。

圖1 回轉振動器振動波示意Fig.1 Wave of whirl vibration

研究表明［3－4］:無論是振動頻率還是振幅都不足以單獨決定振動效率。振動加速度、每周期的最大加速度a0常用以衡量振動強度。下文將以a0評定振動能量在混凝土中(鋼筋網(wǎng)上、下)的傳播規(guī)律。

2 鋼筋網(wǎng)對振動的阻隔作用

鋼筋網(wǎng)平鋪于路面混凝土中，導致鋼筋網(wǎng)上方的振動能量不能有效的傳遞到鋼筋網(wǎng)以下的混凝土中，即為鋼筋網(wǎng)對振動能量的阻隔作用。

2.1 振動在混凝土中的傳播規(guī)律

2.1.1 振動傳播規(guī)律的測定

為測定鋼筋網(wǎng)對振動能量是否存在阻隔，試驗采用表1所示配合比，設計2組試件(圖2)，試模體積參數(shù)均為80 cm×80 cm×30 cm，圖2(a)試件中部約15 cm處設置鋼筋網(wǎng)，鋼筋采用φ14螺紋鋼筋，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為16 cm×16 cm。圖2(b)為對照組，試件不設鋼筋網(wǎng)。

表1 配合比Table 1 Mixture proportion /kg

使用高頻振搗棒(如圖2中黑色部分)產(chǎn)生振動波，在試件內(nèi)部布置加速度傳感器，用DScope音頻信號分析系統(tǒng)測定同一時刻(振動持續(xù)約50 s［5］)混凝土內(nèi)部水平、豎直兩個方向多個測點的振動加速度。通過3組平行試驗的平均值，比較設置鋼筋網(wǎng)前后，振動能量的變化規(guī)律，由于高頻振動波波動較大，本文所指的加速度取收集到的振動加速度的幅值。

圖2 對照試驗示意Fig.2 Parallel experiment

圖3為振動加速度傳感器在混凝土試件中的布置示意，傳感器沿水平、豎直兩個方向布置，圖中1、2、3為測點位置。

圖3 振動加速度傳感器布置Fig.3 Sensors of vibration acceleration

豎直方向上，測點沿振搗棒方向布置，加速度傳感器每隔5 cm布置一個，水平方向上每隔20 cm布置一個，1#測點緊臨振搗棒體。振搗棒的插入位置如圖3中黑色部分，棒體下端深入到試件中部，且不能與鋼筋接觸。振搗棒采用高頻插入式振搗棒，振動參數(shù)如表2。

2.1.2 能量傳播規(guī)律的試驗結果及分析

未設置鋼筋網(wǎng)的試件，水平、豎直兩條測線上各測點的振動加速度如表3中①～③欄。由表中數(shù)據(jù)可知:兩條測線上，振動加速度幅值均隨距棒體(振源)距離的增加而減小。

表3 各測點加速度幅值Table 3 Vibration acceleration amplitude of each test point/(m·s－2)

水平測線上振動加速度幅值衰減顯著，振動持續(xù)時間約50 s時，1#點位的加速度幅值為2 348.4 m/s2，而2#、3#點幅值則由 1 740.1 m/s2減少至722.6 m/s2，二者較 1#點位分別降低了 25.9%，69.2%。豎直測線上，振動加速度幅值由1#點位的2 345.0 m/s2減少到 2#點位的 1 438.5 m/s2，再減少到3#點位的 327.4 m/s2，2#、3#點加速度幅值相對1#點分別降低了 38.7%，77.5%。

設置鋼筋網(wǎng)后，各測點的加速度幅值如表3中①、④、⑤欄。水平側線上，1#點位的加速度幅值為2 350.5 m/s2，而2#、3#兩點的加速度幅值較1#點分別降低了52.0%和80.9%。豎直測線上，2#、3#兩點加速度幅值相對1#點則分別衰減了62.6%，96.2%。

設置鋼筋網(wǎng)前后，兩條測線上振動加速度幅值的變化情況如圖4。水平測線上，設置鋼筋網(wǎng)的混凝土振動加速度從1#點到3#點衰減了1 625.8 m/s2，相比無鋼筋網(wǎng)的1 900.8 m/s2降低了275 m/s2。即:水平方向上，振動能量經(jīng)過單層鋼筋網(wǎng)的阻隔，加速度損失了275 m/s2，約為振源處加速度的11.8%。而對于豎直方向上，這一損失則達440.7 m/s2，約為振源處的18.8%。因此，鋼筋網(wǎng)對振動能量存在較明顯的阻隔作用。

圖4 各測點振動加速度的變化Fig.4 Changes in vibration acceleration

對于設置鋼筋網(wǎng)的試件，試驗結果還表明:當振搗棒插入深度至圖4中2#點位時，豎直方向上3#點位的振動加速度僅為576.3 m/s2，遠小于表3中2#點的振動加速度;振搗棒水平移動至圖4中2#點位時，3#點位的振動加速度為864.4 m/s2，這一結果也遠小于水平方向上表3中2#點的加速度。同時，當被振混凝土的一側邊界是已振實的混凝土，而另一側邊界為新拌混凝土時，振實混凝土附近的測點加速度小于新拌側的加速度。

因此，振搗棒周邊混凝土的狀態(tài)影響著混凝土粒子振動加速度的分布，對振動能量在混凝土中的傳播有一定影響。硬化混凝土或模板對與其接觸的新拌混凝土粒子產(chǎn)生較強的約束，粒子不易運動，振動能量在該界面附近“失效”［6］，與新拌混凝土一側的粒子相比的移位不同，振動加速度也不同。此外，底面混凝土的凝結狀態(tài)對其上部澆筑層混凝土的振動加速度也有較大影響，底面混凝土已經(jīng)終凝(或初凝)，其澆筑層混凝土振動加速度小于底面混凝土尚未終凝(或初凝)的加速度。這也是因為底面混凝土終凝以后已經(jīng)變得剛硬，對新澆筑混凝土粒子的移位具有強約束作用。

2.2 振動能量的衰減

素混凝土中，振動加速度沿振搗棒體的中心向周圍逐漸減弱。設置鋼筋之后，由于鋼筋網(wǎng)的阻隔，振動加速度進一步衰減。為了定量的描述鋼筋網(wǎng)對振動能量在混凝土中傳播的阻隔，本文引入振動能量衰減系數(shù)［7］概念。

2.2.1 振動能量衰減系數(shù)

以測線上距離振搗棒棒體最近測點的加速度幅值作為基準值1，求出該測線上其余測點加速度幅值的相對值，然后除以相應的距離(測點距基準點)，即得到該測線上所有測點的振動能量衰減系數(shù)，可以有效表示振動能量在所測傳播方向上單位長度的損失百分比。由振動能量衰減系數(shù)的概念可知:基準點的振動能量衰減系數(shù)為1，測線上其余各點的能量衰減系數(shù)均小于1。表4為上述試驗中水平、豎直2條測線6個測點的能量衰減系數(shù)。

表4 振動能量衰減系數(shù)Table 4 Coefficients of energy attenuation /cm－1

由表4可知，設置鋼筋網(wǎng)后，水平測線上3#測點的振動能量衰減系數(shù)增大了60%，豎直方向上增大了400%。振動能量衰減到一定程度時，混凝土粒子不能液化，空間分布不再變化。對混凝土而言，振動已經(jīng)失效。即，振動能量衰減系數(shù)的大小，在某種程度上反映了有效的振動能量在混凝土介質中傳播距離的遠近。能量衰減系數(shù)小，表示有效的振動能量可以傳播更遠的距離。

2.2.2 振動能量衰減系數(shù)的影響因素

目前的研究成果［7－8］表明:振動能量衰減系數(shù)主要與振動頻率和振動延時間有關。

1)β值隨振動頻率的增加而減小，表5為不同振動頻率下測得的振動能量衰減系數(shù)。由于能量衰減系數(shù)還和振動延續(xù)時間有關，本文振動延續(xù)時間參照文獻［5］選擇60 s。由表中數(shù)據(jù)可知，振動頻率相同時，設置鋼筋網(wǎng)的混凝土能量衰減系數(shù)均小于無鋼筋網(wǎng)的混凝土;隨振動頻率的增加，兩種試件的能量衰減系數(shù)均有所下降。設置鋼筋網(wǎng)的試件，振動頻率提高到75 Hz時，能量衰減系數(shù)僅相當于無鋼筋網(wǎng)試件振動頻率為50 Hz。

表5 不同振動頻率下的振動能量衰減系數(shù)βTable 5 Coefficient β of energy attenuation with different vibration frequency /cm－1

2)β值隨著振動延續(xù)時間的延長而減小，試驗測得的不同振動延續(xù)時間的振動能量衰減系數(shù)如表6。

表6 不同振動延續(xù)時間下的振動能量衰減系數(shù)βTable 6 Coefficient β of energy attenuation under different vibration time /cm－1

在振動開始時，能量衰減系數(shù)較大，隨振動時間的延長，能量衰減系數(shù)逐漸減小。經(jīng)過60 s的振動后，能量衰減系數(shù)通常就穩(wěn)定下來。由表6可見，設置鋼筋網(wǎng)的混凝土振動開始時的能量衰減系數(shù)為1.124 cm－1，經(jīng)過60 s振動后，能量衰減系數(shù)減為0.056 cm－1，在隨后的120 s振動過程中，能量衰減系數(shù)只從0.056 cm－1減少到0.053 cm－1。對比無鋼筋網(wǎng)的試件，設置鋼筋網(wǎng)后，振動延續(xù)時間增加15～30 s，能量衰減系數(shù)才相當。

從混凝土內(nèi)部顆粒組成的角度看，振動施加的初期，混凝土材料尚未液化，振動波傳播受到的阻力較大，能量損失嚴重，能量衰減系數(shù)也較大。經(jīng)過60 s振動后，振搗棒有效作用半徑范圍內(nèi)的混凝土均處于液化狀態(tài)，對振動的傳播阻力較小，能量衰減系數(shù)較小且較為穩(wěn)定。

2.3 鋼筋網(wǎng)上、下混凝土密度的變化

由于鋼筋網(wǎng)對振動的阻隔作用，致使鋼筋網(wǎng)下層混凝土不易振實。因此試件的豎直方向上，相同層厚的混凝土的密度勢必有所差異。筆者采用層狀可拆解試模(圖5)量測豎直方向上不同層位的混凝土密度，從振動密實的角度來說明鋼筋網(wǎng)對混凝土的阻隔作用。圖中試?？善骄鸾獬?層，每層5 cm厚，底面直徑30 cm，小于振搗棒的有效作用直徑。

圖5 層狀可拆解試模Fig.5 Sandwich knock-downed mold

2.3.1 不同層位混凝土密度的測定

不同層位混凝土密度的測定步驟如下:

1)將拌和好的混凝土裝入兩個試模中;

2)使用振搗棒分別振動約70 s，振搗棒的插入深度為15 cm，對于設置鋼筋網(wǎng)的混凝土，棒體下端要略高于鋼筋網(wǎng);

3)振實后，將表面抹平;

4)將最上層試模拆除，用長度大于30 cm的刮刀將上層混凝土鏟出，稱重，分別記為ma1，mb1。同理，依次得到 ma2，mb2，…，ma6，mb6;

5)根據(jù)單層混凝土的體積計算每層的密度;

6)重復步驟1)～5)兩次，結果取3組數(shù)據(jù)的平均值。

考慮到可拆試模的厚度只有50 mm，每層混凝土的厚度有限，如果骨料粒徑較大，采用刮平分層混凝土密度測定的方法，結果可能存在較大的變異性，影響結果的可信度。因此試驗采用表7的配合比進行。

表7 配合比Table 7 Mixture proportion /(kg·m －3)

2.3.2 不同層位密度的測定結果與分析

依照上述方法，測得的鋼筋網(wǎng)上、下不同層位的混凝土密度如圖6。

圖6 不同層位混凝土的密度Fig.6 Concrete density at different layers

由圖6可知，對于上3層混凝土，設置和不設鋼筋網(wǎng)，密度均介于2 460～2 465 kg/m3之間，層間變化趨勢極其相似，即:鋼筋網(wǎng)對其上部混凝土的振動無明顯阻隔。不同的是，對于下3層混凝土，設置鋼筋網(wǎng)的較不設鋼筋網(wǎng)的混凝土密度有顯著下降，以4，5層為例，不設鋼筋網(wǎng)的混凝土密度分別為2 439.0 kg/m3，2 412.6 kg/m3，而設置鋼筋網(wǎng)后二者分別下降至 2 411.2 kg/m3，2 389.4 kg/m3，即鋼筋網(wǎng)對其下部混凝土的振動有較大的影響，鋼筋網(wǎng)的存在，導致振動能量向下傳播時有較大的衰減，使其下部混凝土不易振動密實。

3 CRCP混凝土的振動補償

對于全厚度攤鋪的CRCP，首先安置鋼筋支架，在鋼筋支架上布置縱、橫向鋼筋，然后布料、振搗。因此鋼筋網(wǎng)以下的混凝土是否振動密實，鋼筋、混凝土是否緊密結合意義重大，由前述研究可知，增大振動頻率、延長振動時間、減小振搗棒的間距對鋼筋混凝土的振實有重要意義。

由分析可知，鋼筋網(wǎng)對振動能量的傳播確實存在較大的阻隔作用，且振動能量衰減系數(shù)隨振動頻率的增加而減小，隨振動延續(xù)時間的增加而減小。因此，對于連續(xù)配筋的混凝土路面，振動密實成型時，要注意振動參數(shù)的緊密配合。對于振搗棒不能深入到鋼筋網(wǎng)下振搗時，適當提高振動設備的振動頻率約25 Hz、延長振動時間15～30 s對提高鋼筋混凝土的密實性能有重要意義。

4 結論

1)鋼筋網(wǎng)對振動能量在混凝土中的傳播存在阻隔作用，振動能量經(jīng)過單層鋼筋網(wǎng)的阻隔，水平方向上約衰減12%，豎直方向上約衰減19%。

2)振搗棒周邊混凝土的硬化狀態(tài)影響著混凝土粒子振動加速度的分布，對振動能量在混凝土中的傳播有較大影響。

3)鋼筋網(wǎng)的存在對鋼筋網(wǎng)以上部分混凝土的振動密實無顯著影響，對鋼筋網(wǎng)以下的混凝土有較大影響。

4)振動頻率和振動延續(xù)時間對振動的能量衰減系數(shù)存在較大影響，適當?shù)脑龃笳駝宇l率、延長振動延續(xù)時間可以有效的減小能量衰減。

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