劉衛(wèi)東 魏建軍

（1.湖南科技學院 土建系，湖南 永州 425199；2.黑龍江工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

早期振動對混凝土抗壓強度影響的試驗研究

劉衛(wèi)東1魏建軍2

（1.湖南科技學院 土建系，湖南 永州 425199；2.黑龍江工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

對新拌混凝土采用了3個不同時刻作為振動的起振點，分別按照3種不同頻率和振幅組合進行實驗，將受振動的試件和基準（未振動）試件在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護到一定齡期后進行抗壓試驗，從而判斷受振動混凝土1d、3d及28d抗壓強度變化趨勢。測量了不同齡期的72組抗壓強度，通過對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其中有17組強度是降低的，降低的數(shù)據(jù)在6%以內(nèi)的占了16組。試驗結果表明：對處于初、終凝前后混凝土材料施加試驗中設計的振動，對混凝土的抗壓強度有一定影響。

路面工程；新拌混凝土；抗壓強度；受振動混凝土

0 引言

振動對新拌混凝土具有重要的意義。它能夠消除或減少混凝土內(nèi)部材料之間的孔隙，氣泡，增加混凝土的密實度。科學地選用振動參數(shù)及選擇振動時間可以有效提高混凝土試件的各種強度參數(shù)。若混凝土在初凝前到終凝后階段受到不同的振動作用，其抗壓強度是否受到影響，關于這方面的研究較少。大量工程施工的新拌混凝土在凝結硬化過程中發(fā)生著各種各樣的振動，例如：不中斷交通情況下進行橋梁鋪裝，交通荷載引起的橋梁振動；在I線通車的情況下修建Ⅱ線時，列車頻繁通過橋梁所產(chǎn)生的振動，對修建中的Ⅱ線橋墩臺混凝土材料硬化過程和后期強度會產(chǎn)生影響[1]；礦井施工時，井下爆破振動?；炷琳辰Y強度是在混凝土凝結過程中形成，那么如果在這個階段發(fā)生振動可能會影響混凝土粘結力的大小，甚至降低混凝土的強度。鑒于此本文設計試驗，重點研究混凝土在凝結初期、中期和后期三個階段受到振動時，是否會對混凝土的抗壓強度有影響。

1 試驗研究

早期對振動的研究大部分集中在鐵路及地下爆破所引起的，這些振動主要是高頻率小振幅。對低頻振幅比較大的情況研究較少。根據(jù) Bastian低頻振幅較大時的振動很可能會影響水泥水化的進程，從而導致混凝土后期性能的變化[2]。本次試驗設計了1Hz、2 Hz、4Hz三種較低頻率，3mm、5mm、10mm三種較大振幅的振動，研究經(jīng)過這些頻率和振幅振動后的混凝土軸心抗壓強度變化情況。試驗過程中所用的振動臺是由水泥膠砂振實臺改裝而成，它的頻率范圍為1Hz~4.5Hz，振幅可達到1mm~10mm。（見圖1）

水泥是混凝土材料中重要的組成部分，它的物理化學性質(zhì)直接影響到混凝土的性能，其中硅酸鹽水泥是最常用的水泥。水泥與水拌合后，生成各種水化產(chǎn)物，隨著時間的推延，具有塑性的水泥漿體經(jīng)過凝結、硬化逐漸成為具有一定強度的石塊體。水泥漿體的凝結硬化過程大致可以分為三個過程：（1）誘導期 水泥與水接觸后，水泥中的鋁酸三鈣（C3A）在有石膏（CSH2）的水中迅速反應，接著發(fā)生一系列反應最后析出飽和的氫氧化鈣晶體。誘導期持續(xù)1h左右，開始進入凝結期。此階段水泥漿體仍然保持一定的塑性狀態(tài)；（2）凝結期 在約1h后，溶解于水中的C-S-H形成長纖維的水化硅酸鈣[(C-S-H)長]凝膠與本Aft在水泥顆粒之間互相搭接，形成“網(wǎng)狀結構”，水泥漿體開逐漸失去塑性，并開始凝結產(chǎn)生強度。凝結期持續(xù)6h左右。（3）硬化期C-S-H凝膠和氫氧化鈣晶體數(shù)量明顯增加；水泥核心未水化顆粒愈來愈小，孔隙率也開始減小，強度開始增加，這個階段一般為水泥與水接觸后的 6~8h[3]。本次實驗采用的混凝土初凝時間為 4.5h，終凝時間 6.5h。根據(jù)水泥混凝土凝結硬化發(fā)展過程，試驗設計了3個進行早期振動的時間點，分別是水泥與水接觸后的3.5h、4.5h、和6.5h。這些振動時間點的選取保證了混凝土能夠在初凝前、初凝到終凝、終凝后的范圍內(nèi)都能受到振動的影響。

1.1 試塊成型與振動

該試驗采用配合比為水泥：水：砂：碎石=477 kg：205 kg：557.5 kg：1163.2 kg；水泥采用拉法基42.5普通硅酸鹽水泥,粗集料采用5mm-10mm和10mm-20mm兩檔碎石料進行配制。5mm-10mm占40%和10mm-20mm占60%，砂子的細度模數(shù)為2.8，塌落度控制在50mm-60mm。

由于試驗要采用不同的頻率和振幅，每次只能夠成型一個頻率和振幅的混凝土試塊?，F(xiàn)以頻率為4，振幅為3（簡記為4-3）的試驗條件為例。試驗的振動參數(shù)如下表1。

表1 4-3振動參數(shù)

其它頻率和振幅的試件成型與振動類似。整個試驗共制作了216個尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試塊，得到了72個抗壓強度試驗結果。

圖1 試驗中用變頻變幅振動臺

圖2 用于振動的混凝土試塊

2 試驗結果與分析

圖3到圖8所列出在3種不同振動頻率和振幅組合情況下，不同起振時刻，受到振動的混凝土試塊的抗壓強度與基準（未受振）混凝土試塊的抗壓強度對比后的變化情況。對于不同的振動參數(shù)在不同時刻起振點，其強度的變化沒有明顯的規(guī)律，但是總的來說，強度的變化范圍都在15%之內(nèi)。振動參數(shù)為4-3的組合時（如圖3），所有的受振動混凝土抗壓強度幾乎都高于基準混凝土抗壓強度，其中齡期為28d的強度最大增長為5%；振動參數(shù)為2-5組合時（如圖4），有3個結果低于基準的強度。其中有2個是齡期28d，1個齡期為3d，強度最大降低為6%,但是強度最大增長的也是齡期1d，這可能是強度的變異性所引起；振動參數(shù)為4-5時（如圖5），有3個結果低于基準的強度。其中1個為齡期28d，2個是3d齡期，強度最大降低為6%，強度增長最大的是齡期28d，增長了14%；振動參數(shù)為4-10時（如圖6），有2個是低于基準的強度。其中有1個是齡期1d，1個是28d齡期，它們的強度降低值相接近約為3%，強度增長最大是齡期1d，增長值為7%；振動參數(shù)為2-10時（如圖7），有5個結果低于基準的強度，其中2個是齡期1d,3個是齡期是28d且降低的強度值都為3%，強度增長最大為齡期3d,增長值接近15%；振動參數(shù)為1-5時（如圖8），有4個結果小于基準的強度，其中2個是齡期1d, 1個是齡期是3d ，1個是齡期是28d且降低的強度值都為3%，強度增長最大是齡期3d,增長值為7%。

圖9到圖14中繪出了基準混凝土和受振動混凝土在1d、3d和28d抗壓強度的變化趨勢。每個圖中加粗黑折線代表基準混凝土在3個齡期強度的變化。從總體上看，基準混凝土強度變化與受振動混凝土在3個齡期上抗壓強度變化趨勢大體上是相同的，各個齡期的強度值也比較符合實際情況。但是也有個別折線出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，如：圖14中在“起振時間是4.5h”的折線出現(xiàn)了3d強度比28d強度高的情況；這可能是由于混凝土材料的變異性、養(yǎng)護或試驗誤差等諸多原因所致。

3 結論

試驗中得到的17個強度降低的結果中，振動參數(shù)為1-5和2-10的比較多，分別占了4個和5個。其強度降低的比例均在6%以內(nèi)。有37個強度是增加的，增加值在15%以內(nèi)。根據(jù)Michael R Dunham[4]，強度降低變化在7%以內(nèi)時，可以認為振動對強度影響很小。根據(jù)本實驗設計的頻率和振幅分別為 4-3、4-5、4-10、1-5、2-5、2-10，受振混凝土在 1d、3d、28d的強度發(fā)展規(guī)律和基準混凝土大體是相同的，也就是說在本實驗所設計的條件下，受振混凝土的強度規(guī)律并不發(fā)生改變。本次的試驗數(shù)據(jù)表明：混凝土在頻率和振幅分別為4-3、4-5、4-10、1-5、2-5、2-10且起振時間在3.5h、4.5h、6.5h的條件下振動，對混凝土材料后期的抗壓性能沒有明顯不利的影響。

圖3 振動參數(shù)為4-3受振動混凝土抗壓強度變化

圖4 振動參數(shù)為2-5受振動混凝土抗壓強度變化

圖5 振動參數(shù)為4-5受振動混凝土抗壓強度變化

圖6. 振動參數(shù)為4-10受振動混凝土抗壓強度變化

圖7. 振動參數(shù)為2-10受振動混凝土抗壓強度變化

圖8.振動參數(shù)為1-5受振動混凝土抗壓強度變化

圖9.振動參數(shù)為4-3不同齡期混凝土抗壓強度變化趨勢

圖10.振動參數(shù)為4-5不同齡期混凝土抗壓強度變化趨勢

圖11.振動參數(shù)為4-10不同齡期混凝土抗壓強度變化趨勢

圖12 振動參數(shù)為2-10不同齡期混凝土抗壓強度變化趨勢

[1]安湘英,魏齊威. IV線列車振動對鄰線橋墩臺混凝土施工的影響[J].鐵道建筑,2000,12(6):4-6

[2]Bastian C. E. The effect of vibrations on freshly poured concrete [J].Foundation Facts,1970,6 (1): 14-17.

[3]侯子義.道路建筑材料[M].天津:天津大學出版社,2004:34-36.

[4]Michael R.Dunham.Effects of induced vibrations on early age concrete [J].Journal of performance of constructed facilities,2007, 21(3):179-183.

Effect of Vibrations at Early Concrete Ages on Concrete Compressive Strength

LIU Wei-dong1WEI Jian-jun2,

（1. Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou Hunan 425199 China; 2. Heilongjiang Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150050 China）

Three combinations of frequency and amplitude induced vibrations and three start vibrated ages which ensured that the fresh concrete would be exposed to vibration in each of the following age ranges: before initial set, during the setting process, and after final set are designed in the test. The purpose of the test is to testify whether the induced vibrations would affect the compressive tensile strength of concrete at cure ages of 1, 3 and 28 days. The compressive tests are performed and 72 compressive strength results are acquired. There are 17 groups compressive strength weaker than the control group. Of the 17 results, they are all less than 6% account for 16groups compared to control ones. The test results have shown that, the induced vibrations designed in the test have a slight effect on the compressive strength of concrete.

Pavement Engineering; Fresh concrete; Compressive strength; Vibrated concrete

U445

A

1673-2219（2014）05-0146-04

2014－02－18

湖南科技學院科研項目資助（項目編號13XKYTB014）。

劉衛(wèi)東（1985－），男，湖南邵陽人，助教，博士研究生，研究方向為路面工程。

（責任編校：劉志壯）