潘慧敏，潘會(huì)濱，趙慶新

(1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，秦皇島　066004；2.山西省交通科學(xué)研究院，太原　030006)

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車橋振動(dòng)對(duì)新澆筑混凝土性能的影響研究進(jìn)展

潘慧敏1，潘會(huì)濱2，趙慶新1

(1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，秦皇島066004；2.山西省交通科學(xué)研究院，太原030006)

綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)橋面修補(bǔ)混凝土受車橋振動(dòng)影響的試驗(yàn)和理論研究所取得的成果；對(duì)混凝土受擾階段的確定方法、振動(dòng)對(duì)新澆筑混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生的影響及抗擾動(dòng)混凝土的設(shè)計(jì)與配制進(jìn)行了詳述；分析了目前在該領(lǐng)域還存在的問(wèn)題，并對(duì)今后的研究方向提出了建議。

新澆筑混凝土；力學(xué)性能；車橋振動(dòng)

1　引　言

作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵性樞紐，橋梁在交通和交通發(fā)展中始終發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]?；炷敛牧献鳛闃蛄汗こ讨械闹饕牧蟍2]，其質(zhì)量直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全。盡管大多數(shù)橋梁的設(shè)計(jì)壽命在50年甚至100年以上，但是由于橋梁所處環(huán)境一般比較惡劣，加上很多橋梁都是超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，在環(huán)境和荷載共同作用下，有相當(dāng)一部分橋梁混凝土在3～10年內(nèi)即開始出現(xiàn)局部開裂、剝落等破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致橋梁使用性能衰退，安全性與耐久性降低，無(wú)法滿足現(xiàn)代交通的要求[3-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有橋梁中，超過(guò)25年使用期的占到40%，均已進(jìn)入老化期，需要及時(shí)進(jìn)行混凝土修復(fù)和加固[6]。

研究表明，混凝土材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的形成主要是在其水化的早期，這個(gè)時(shí)期是水泥水化產(chǎn)物形成最快的階段，此階段將形成決定成熟混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能、耐久性能的基因[7]。此階段混凝土中水泥礦物逐漸水化，導(dǎo)致水泥凈漿初步硬化，此時(shí)骨架結(jié)構(gòu)的初始剪應(yīng)力變大，但界面過(guò)渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度尚未完全形成，對(duì)外界擾動(dòng)非常敏感[8]?；诖耍覈?guó)在1983年施行的《鋼筋混凝土工程施工驗(yàn)收規(guī)范》( GBJ 204-83 ) 和1988年出版的《建筑施工手冊(cè)》中，均對(duì)混凝土澆筑施工做出了規(guī)定，要求任何混凝土的運(yùn)輸澆灌和振搗必須在混凝土初凝以前完成；在抗壓強(qiáng)度未達(dá)到1.2 MPa之前，已經(jīng)震搗成型的新澆筑混凝土構(gòu)件不能再受到任何擾動(dòng)，否則會(huì)導(dǎo)致未達(dá)到硬化強(qiáng)度的混凝土構(gòu)件破損或斷裂[9]。多年來(lái)，此概念已為土木工程技術(shù)人員所熟知。因此在現(xiàn)階段，對(duì)整體式橋梁進(jìn)行加固和橋面鋪裝翻修時(shí)，對(duì)交通組織只能采用封閉和中斷的形式。

然而目前很多地區(qū)交通運(yùn)輸量繁重，封閉交通通行會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[10]，尤其是一些交通要道更不允許中斷交通，只能在開放交通情況下進(jìn)行舊橋的養(yǎng)護(hù)、加固和翻新。

眾所周知，橋梁承受的活荷載其來(lái)源主要是車輛[11]。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)，移動(dòng)的車輛會(huì)對(duì)橋梁施加一個(gè)動(dòng)力荷載并引起橋梁振動(dòng)，稱為車橋耦合振動(dòng)[12,13]。與靜力作用相比，荷載的動(dòng)力作用會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的變形和應(yīng)力[14]。在開放交通情況下進(jìn)行舊橋的加固和翻新時(shí)，由于現(xiàn)澆混凝土不可能在短時(shí)間內(nèi)完成凝結(jié)，故用于修復(fù)的混凝土材料會(huì)不可避免的受到車橋耦合振動(dòng)的波及[15]。于是，未達(dá)到硬化強(qiáng)度的混凝土在受到車橋振動(dòng)后強(qiáng)度是否會(huì)降低，是否會(huì)引起內(nèi)部微裂紋進(jìn)而導(dǎo)致混凝土性能劣化，便成了橋梁工程師關(guān)注的焦點(diǎn)[16-18]。

針對(duì)橋梁修補(bǔ)混凝土硬化前受車橋振動(dòng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)探索性研究，并在各自特定的條件下得出了一些結(jié)論[19-21]。但由于混凝土是典型的非均質(zhì)材料[22]，組分復(fù)雜，加之能有效模擬橋梁振動(dòng)的儀器較少，研究的開展較為困難，到目前為止關(guān)于修復(fù)用混凝土在早齡期受車橋振動(dòng)后的性能及微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理仍不清晰。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外新澆筑混凝土受車橋振動(dòng)影響的相關(guān)研究成果進(jìn)行了綜合評(píng)述，并在此基礎(chǔ)上，探討目前在該領(lǐng)域仍存在的問(wèn)題，旨在為開放交通條件下橋梁加固混凝土性能的研究提供借鑒與參考。

2　混凝土受擾階段的確定

研究表明，新拌混凝土是一種介于流體與含濕粒子堆聚物之間的材料[23]，具有流變性質(zhì)，其性能的優(yōu)劣對(duì)硬化后混凝土的性能起著決定性作用[24,25]。根據(jù)混凝土凝結(jié)硬化理論[26]及流變學(xué)基本原理，剛施工完畢處于初凝至終凝之間階段的混凝土可以看作是一種賓漢姆體，由塑性黏度和剪切應(yīng)力共同控制。混凝土在初凝前，振動(dòng)力對(duì)其有重塑作用，若超出初凝時(shí)間外，施加振動(dòng)力會(huì)使混凝土初始結(jié)構(gòu)遭受破壞、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得酥松，強(qiáng)度明顯降低[27]。基于此，張悅?cè)籟28]、張永娟[29]等根據(jù)貫入阻力值將混凝土凝結(jié)硬化階段劃分為三個(gè)不同時(shí)期，貫入阻力值0～7 MPa為初期，7～28 MPa為中期，大于28 MPa為后期。并通過(guò)模擬振動(dòng)試驗(yàn)，研究了擾動(dòng)階段對(duì)混凝土性能的影響，提出了混凝土的受擾敏感期。研究表明：凝結(jié)硬化初期的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致混凝土中的粗骨料下沉，影響混凝土的早期強(qiáng)度，28 d抗壓強(qiáng)度損失最大為2.5 MPa,平均強(qiáng)度損失在1 MPa左右；混凝土在凝結(jié)硬化中期抗擾動(dòng)性能最差，擾動(dòng)導(dǎo)致其強(qiáng)度損失最大為3.5 MPa，平均強(qiáng)度損失約為2.2 MPa。凝結(jié)硬化后期，擾動(dòng)對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度影響不大。并基于試驗(yàn)結(jié)果分析提出：在硬化初期加固橋梁時(shí)，應(yīng)限制交通流量；在中期加固時(shí)，應(yīng)禁止車輛通行；后期混凝土抗擾動(dòng)性明顯增強(qiáng)，加固橋梁時(shí)，可正常通行。

3　車橋振動(dòng)對(duì)新澆筑混凝土性能的影響

隨著交通流量的日益增大，行車荷載引起橋梁振動(dòng)對(duì)新澆筑混凝土的影響逐漸受到學(xué)者的關(guān)注。關(guān)彥斌等[30]通過(guò)模擬振動(dòng)試驗(yàn)，研究了混凝土凝結(jié)硬化不同階段的振動(dòng)對(duì)混凝土抗壓性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，初凝前受到振動(dòng)的混凝土，其早期和后期的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有出現(xiàn)下降；初凝至終凝期間的振動(dòng)，對(duì)混凝土的早期和后期抗壓強(qiáng)度影響不明顯。發(fā)生在終凝后的振動(dòng)，其振動(dòng)能量較小時(shí)會(huì)造成混凝土的早期抗壓強(qiáng)度下降，但對(duì)后期強(qiáng)度影響不大。Manning[31]通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M了橋梁振動(dòng)對(duì)橋面修補(bǔ)混凝土的影響。研究表明，只要混凝土配合比設(shè)計(jì)合理，鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度受橋梁振動(dòng)的影響不大，相反黏結(jié)強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均稍有提高。陳大華等[32]通過(guò)對(duì)室內(nèi)試件與現(xiàn)場(chǎng)試件力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，研究了澆筑混凝土?xí)r鐵路列車振動(dòng)對(duì)梁體混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：列車振動(dòng)后現(xiàn)場(chǎng)受振試件較室內(nèi)基準(zhǔn)試件的力學(xué)性能下降5%左右，但采取火車限速、強(qiáng)化混凝土的配比及加強(qiáng)施工管理等有效措施后可以保證梁體混凝土的質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)要求。葉東升等[33]針對(duì)火車行駛振動(dòng)對(duì)某跨鐵路線橋混凝土施工的影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段，并結(jié)合模型和試塊的模擬振動(dòng)試驗(yàn)及加載破壞試驗(yàn)工作，深入研究了現(xiàn)澆混凝土受火車行駛振動(dòng)的影響。研究認(rèn)為：混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程在一定程度上受到了振動(dòng)干擾的影響。一定振幅和頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)使混凝土強(qiáng)度有所提高，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不大；混凝土初凝階段的振動(dòng)會(huì)使其表面下降明顯，導(dǎo)致其體積縮小率明顯高于基準(zhǔn)混凝土。卜良桃[34]以兩座多跨拼接連續(xù)剛構(gòu)橋的混凝土施工為背景，研究了新澆筑立方體混凝土試件受振動(dòng)的情況。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置連續(xù)振動(dòng)時(shí)間為16 h，利用超聲波探測(cè)受振后的混凝土試件內(nèi)部損傷情況，并測(cè)試了抗壓強(qiáng)度及混凝土與鋼筋的握裹力變化。結(jié)果表明，早期的振動(dòng)并未使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷，相反抗壓強(qiáng)度及與鋼筋的握裹力均有所提高。

由于橋梁上出現(xiàn)的混凝土早期裂縫大多是由于內(nèi)部拉應(yīng)力引起，魏建軍等[35]通過(guò)對(duì)橋梁固有頻率和標(biāo)準(zhǔn)振幅的統(tǒng)計(jì)研究，選取振動(dòng)頻率4 Hz和振幅值3 mm 作為振動(dòng)條件，對(duì)處于初凝與終凝之間的混凝土材料進(jìn)行了不同振動(dòng)參數(shù)的擾動(dòng)，研究了振動(dòng)對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)采用4種不同頻率和振幅的組合，選擇6個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為30 min。研究發(fā)現(xiàn)：受振混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與振動(dòng)的振幅有關(guān)，振幅為5 mm以上時(shí)，受振試件1 d、3 d和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度均有下降，最高降低10%。蔣正武等[36]采用YS超低頻振動(dòng)機(jī)模擬車橋耦合振動(dòng)，通過(guò)改變振動(dòng)參數(shù)，系統(tǒng)研究了振動(dòng)對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：混凝土受振后密實(shí)度降低，力學(xué)性能逐漸下降，早期離析程度和不均勻性增大；混凝土凝結(jié)硬化前期(0～6 h)和后期(>15 h)的振動(dòng)對(duì)混凝土影響較小，中期(6～15 h)的振動(dòng)對(duì)混凝土影響較大，振動(dòng)降低了混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，尤其是抗折強(qiáng)度降低顯著，強(qiáng)度損失約15%；提高振動(dòng)頻率會(huì)加劇混凝土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，振幅為7 mm時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度損失接近20%；持續(xù)振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土7 d抗折強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度降低越明顯。Kwan等[37]研究了早期車輛荷載產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)橋面加寬處新澆筑混凝土裂縫寬度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)初始振幅在3 mm以上時(shí)，混凝土產(chǎn)生的裂縫寬度在0.2 mm以上。

4　抗擾動(dòng)混凝土的設(shè)計(jì)與配制

針對(duì)在不中斷交通的情況下對(duì)橋梁進(jìn)行加固改造時(shí)，新澆筑混凝土受車橋振動(dòng)的影響問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了抗擾動(dòng)混凝土的概念。張永娟等[29]從縮短混凝土受擾期、減少表面裂縫和提高自愈合率三個(gè)方面對(duì)改善混凝土抗擾動(dòng)性能的途徑進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：貫入阻力為3.5～28 MPa時(shí)，混凝土受擾后的強(qiáng)度大幅降低，摻6%調(diào)凝劑可使混凝土受擾期從6.0 h縮短到2.5 h，使其抗擾動(dòng)性能明顯提高；抗裂增韌外加劑對(duì)混凝土表面裂縫有一定的控制作用，摻1200 g/m3抗裂增韌外加劑可使混凝土表面裂縫減少約50%，其抗擾抗裂性能顯著提高；摻入適量膨脹劑可顯著改善混凝土的自愈合率，摻9%膨脹劑的混凝土后期抗壓強(qiáng)度達(dá)到基準(zhǔn)混凝土的95%以上，抗擾動(dòng)性能明顯提高。何燕等[38]利用超聲波檢測(cè)分析了擾動(dòng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，對(duì)加固混凝土的抗擾動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了機(jī)理分析，提出了配制抗擾動(dòng)混凝土的3種技術(shù)途徑，并通過(guò)正交試驗(yàn)分析了3項(xiàng)技術(shù)途徑的復(fù)合效應(yīng)。張悅?cè)坏萚39]從橋梁修補(bǔ)混凝土的研究現(xiàn)狀入手，對(duì)混凝土抗擾動(dòng)性能及影響因素進(jìn)行了研究。研究認(rèn)為：混凝土結(jié)構(gòu)形成動(dòng)力學(xué)與水泥凈漿十分相似，水泥漿本身的內(nèi)聚力決定了混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而混合物中的集料則扮演了延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)形成時(shí)間和降低初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角色；摻入纖維和膨脹劑均能起到提高混凝土抗擾動(dòng)性的作用，增強(qiáng)混凝土抗裂性。劉峰[40]針對(duì)京新高速公路工程新舊橋梁橋面板連接施工時(shí)，連接混凝土質(zhì)量受到振動(dòng)影響的實(shí)際問(wèn)題，提出了抗擾動(dòng)混凝土的技術(shù)方案。研究認(rèn)為采用普通硅酸鹽水泥、摻加早強(qiáng)高性能聚羧酸減水劑并輔以一定的交通導(dǎo)行措施，能夠解決新舊橋梁橋面板的連接問(wèn)題，保證混凝土的連接質(zhì)量。周大慶等[41]從混凝土工程修補(bǔ)需求角度出發(fā)，提出了抗擾動(dòng)混凝土的定義及特點(diǎn)，研究了新型抗交通擾動(dòng)自密實(shí)混凝土的配制技術(shù)。結(jié)果表明：在混凝土中加入抗擾動(dòng)外加劑和聚羧酸高性能減水劑，既可以使混凝土具有高流動(dòng)性、良好的穿越鋼筋能力和抗離析能力，又可以較好地抵抗交通擾動(dòng)；通過(guò)對(duì)混凝土配合比基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并結(jié)合外加劑復(fù)摻技術(shù)，能夠保證所配制出的C50機(jī)制砂抗擾動(dòng)自密實(shí)混凝土初終凝時(shí)間差小，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快；實(shí)際應(yīng)用表明，車橋耦合振動(dòng)對(duì)抗擾動(dòng)自密實(shí)混凝土的影響較小，受振新拌混凝土及硬化混凝土的內(nèi)部基本無(wú)損傷。

5　展　望

如前所述，對(duì)于橋面修補(bǔ)混凝土受車橋振動(dòng)后的性能研究，國(guó)內(nèi)外已做了相關(guān)的探索并取得了一些有價(jià)值的研究成果。這些成果對(duì)新澆筑混凝土的施工質(zhì)量控制，確保橋梁的安全性和耐久性都具有重要意義。然而，由于試驗(yàn)條件的差異和混凝土性能的復(fù)雜性，不同學(xué)者所得出的結(jié)論不盡相同，甚至有些相互矛盾，目前仍無(wú)統(tǒng)一的定論，尚有許多關(guān)鍵性問(wèn)題亟待解決。還存在以下問(wèn)題急需展開深入的研究：

(1)車橋系統(tǒng)振動(dòng)機(jī)理在橋梁設(shè)計(jì)、維護(hù)和控制中起著非常重要的作用，但迄今為止橋梁的振動(dòng)特征尚未完全明確[42]。而目前已有的研究多以單一實(shí)際工程為背景，對(duì)振動(dòng)源的選擇及振動(dòng)特征均進(jìn)行了簡(jiǎn)化以便于模擬，故得到的結(jié)論較為單一，并且針對(duì)受振混凝土微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理、損傷劣化過(guò)程的研究更鮮有報(bào)道；

(2)眾多研究表明，車橋振動(dòng)會(huì)對(duì)凝結(jié)硬化過(guò)程中的混凝土造成損傷，但已有研究大都針對(duì)單一類型的混凝土進(jìn)行，對(duì)不同類型的混凝土(如普通混凝土、自密實(shí)混凝土)影響規(guī)律是否一致，尚了解甚少；

(3)水泥基材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的形成主要是在其水化的早期[7]，隨著車橋振動(dòng)的持續(xù)，混凝土內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物也在不斷形成，是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程。目前的研究方法較為單一，難以獲得和追蹤到最重要、關(guān)鍵的微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的相關(guān)信息。因此，有必要從細(xì)觀層次，利用新型技術(shù)方法并結(jié)合數(shù)值模擬等現(xiàn)代分析方法對(duì)受車橋振動(dòng)的混凝土性能進(jìn)行深入探索。

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Development on Influence of Vehicle Bridge Vibration on the Performance of Young Concrete

PAN Hui-min1,PAN Hui-bin2,ZHAO Qing-xin1

(1.College of Civil Engineering and Mechanics,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.Shanxi Transportation Research Institute,Taiyuan 030006,China)

Recent work on the experimental and theoretical research of bridge deck repair concrete under vehicle-bridge vibration was reviewed. The method for determining the disturbed phase of concrete,the Influence of vibration on the mechanical property of young concrete and the design and preparation of anti disturbance concrete were elaborated. Some issues of the future development were given and the development trend was prospected.

young concrete;mechanical property;vehicle bridge vibration

國(guó)家自然科學(xué)基金(51578477);河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年基金(QN2015250)

潘慧敏(1978-)，女，在讀博士生，副教授.主要從事高性能混凝土材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0449-04