魏建軍, 付　智，張金喜

(1.北京工業(yè)大學　交通工程重點實驗室,北京　100124；2.交通運輸部公路科學研究院,北京　100088)

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行車荷載引起橋梁振動對新老混凝土黏結性能影響

魏建軍1, 付智2，張金喜1

(1.北京工業(yè)大學交通工程重點實驗室,北京100124；2.交通運輸部公路科學研究院,北京100088)

摘要：為了確定在混凝土早齡期時受到行車荷載引起橋梁振動對新老混凝土黏結面抗拉性能的影響，采用峰值振動加速度為0.08g，0.16g，0.32g，3種振動能量，分別模擬輕、中、重3種交通狀態(tài)引起的橋梁振動，對處于早齡期的新老混凝土黏結面進行振動試驗。試驗結果表明：振動發(fā)生在初凝前，3種形式的交通(輕、中、重)引起的振動對新老混凝土黏結面早期抗拉強度有增加作用。振動發(fā)生在初凝至終凝階段，輕交通引起振動對新老混凝土黏結面的強度影響不明顯；中等和重交通會造成黏結面早期抗拉強度(7 d以前)下降。振動發(fā)生在終凝后，輕交通引起的振動對新老混凝土黏結面的強度影響不明顯；中等交通的振動會造成黏結面早期強度的下降；重載交通會造成黏結面的強度整體下降。

關鍵詞：道路工程；橋梁修復混凝土；試驗研究；新老混凝土黏結性；行車荷載引起的振動

0引言

新老混凝土的黏結在橋梁修復加固過程中比較常見。橋面翻修時新的鋪裝層與原有梁頂面的部位、橋面加寬時新舊橋面連接部位等都涉及到新老混凝土的黏結問題。目前，不中斷交通條件下行車荷載引起擾動對修復混凝土性能影響的問題研究主要集中在擾動對混凝土本身的力學性能方面[1-5]，而在新老混凝土黏結部位的黏結性能方面研究較少。曾有報道[2,6]，橋面鋪裝的早期破壞(如鋪裝層混凝破碎并與主梁頂面脫開、修補結構在工作很短時間后黏結面出現(xiàn)裂縫等)可能與橋梁修復加固過程不中斷交通有關。本文針對橋梁修復加固過程中新老混凝土黏結面的破壞形式的分析，重點研究新老混凝土黏結面在受到行車荷載產(chǎn)生的振動擾動后其抗拉強度的變化規(guī)律。研究結果將對分析橋面修復加固后出現(xiàn)的早期破壞有積極的作用。

1行車荷載引起橋梁振動的室內試驗模擬

行車荷載作用下的橋梁振動，是一種移動荷載作用在多自由度系統(tǒng)上的受迫振動。如何利用室內振動設備近似模擬這種受迫振動的研究比較少。王朝祥[7]和陳蘊生[8]曾經(jīng)利用能量相等原理，將爆破振動通過室內振動臺的振動頻率、振幅和振動次數(shù)進行模擬。David Manning[1]認為在室內模擬行車荷載作用下橋梁結構的振動，利用振動設備的頻率和振幅組合進行模擬是比較合理的。Shraddhakar Harah、A.K.H. Kwan[9-10]和卜良桃等進行室內模擬試驗時，直接采用現(xiàn)場實測橋梁在行車荷載作用下的振動頻率和振幅。進行室內模擬，除了確定出可行的頻率和振幅，還應當考慮振動能量的大小。通常，描述振動能量大小可以用振動加速度表達。Sandor Popovics[11]通過對回轉振動器的研究提出了利用振幅和頻率計算振動加速度的方法。David Manning通過調研提出：當橋面的交通組成以轎車和輕型貨車為主時，現(xiàn)場檢測橋梁振動加速度為0.05g～0.1g左右；以輕型貨車為主并有少量重載車輛(雙后軸整車、多軸拖掛車等)的交通組成時橋梁振動加速度在0.1g～0.2g之間；以重型載重車輛(雙后軸整車、多軸拖掛車等)為主的交通組成時，現(xiàn)場檢測橋梁振動加速度范圍在0.2g～0.4g之間。

本次試驗采用的振動設備是經(jīng)過改裝的砂漿振實臺。經(jīng)改裝后的膠砂振實臺可以完成頻率范圍為1～4.5 Hz，振幅為1～10 mm范圍的等幅等頻率的振動。振動時產(chǎn)生的波形是連續(xù)的正弦波。根據(jù)文獻[12]中對中小跨徑橋梁一階固有頻率和跨中撓度所確定的范圍，本次試驗選用振動設備為3個振動頻率和振幅組合用于模擬3種不同交通狀態(tài)下行車荷載引起的橋梁振動形式，具體參數(shù)見表1。

表1　不同振動組合下振動加速度與模擬交通狀態(tài)對應關系

2試驗研究

2.1試驗設計思路

研究在初凝之前、初凝和終凝、終凝后，不同階段的新澆注混凝土和老混凝土之間的黏結面受到3種不同振動能量的振動(模擬3種不同交通狀態(tài))，其抗拉強度的變化情況；分析不同振動能量、振動發(fā)生時間等因素對新老混凝土黏結強度的影響。

2.2試驗用混凝土配比及設備

試驗用混凝土配比為，水泥410 kg∶水176.3 kg∶砂684.43 kg∶碎石1 165.37 kg，水灰比0.43。坍落度為120 mm。經(jīng)測定新拌混凝土的初凝時間為4 h，終凝時間是6.5 h。試驗中選取的振動設備是經(jīng)過改裝的水泥膠砂振實臺。改裝后的膠砂振實臺可以完成頻率范圍是1～4.5 Hz，振幅范圍為1～10 mm的振動。

2.3試驗過程

2.3.1老混凝土黏結面的制作

為了保證新老混凝土很好地黏結，老混凝土表面需要進行打毛處理，使老混凝土中的骨料外露。試驗時，先成型100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試塊，在接近混凝土終凝時(6～7 h)將試塊脫模，并用鋼刷對試塊兩個側面進行劃毛處理，直至側面露出骨料為止(見圖1)。為了保證所劃出粗糙面上粗糙度比較均勻，試驗時嚴格控制粗糙面的表面構造厚度為6～8 mm。最后將處理好的帶有粗糙面的混凝土試塊放到標養(yǎng)室養(yǎng)生至60 d齡期。

圖1　老混凝土黏結面粗糙程度Fig.1　Roughness of bonding surface of old concrete

2.3.2對新老混凝土黏結面的振動

以其中一個振動參數(shù)為例。準備100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)試模40組。將帶有粗糙面的老混凝土試塊從中間切開，做成100 mm×100 mm×44 mm的長方體試塊，放入100 mm×100 mm×100 mm 的立方體三聯(lián)試模中，粗糙面向內。按配比制備約30 L混凝土。將新混凝土澆入試模，并在振動臺上振搗成型(見圖2)?；炷脸尚秃?0 min，從40組三聯(lián)試件中任取10組(試驗中設計了5個齡期，每個齡期由兩組三聯(lián)試模計6個試件組成)放置到振動臺上振動4 h(初凝左右)，取下試塊。在成型后的4.5 h，從剩下的30組試件中任取10組放置到振動臺上振動2 h，大約到新澆混凝土的終凝時間(成型后的6.5 h)，然后取下試塊。再從剩下的20組三聯(lián)試模中任取10組，放置到振動臺上振動5～6 h后取下試塊。最后剩下的10組試件是沒有受到振動的試塊，試驗時將它們與受到振動的試塊對比。振動結束后，將40組試件按齡期要求在標準養(yǎng)護室分別養(yǎng)生至3，5，7，14 d和28 d齡期，進行黏結面的抗劈裂強度試驗。最后得到5個齡期，3種振動方式下受到振動和未振新老混凝土黏結面的抗拉強度。

圖2　新混凝土澆注及黏結面成型Fig.2　New concrete casting and bonding surface forming

3試驗數(shù)據(jù)處理與結果分析

3.1判斷對比強度發(fā)生變化的閥值

根據(jù)混凝土材料自身的特點，同一批成型的混凝土其強度值有一定的波動性。本次試驗中受到振動混凝土與未振混凝土為同一批成型，測得的黏結面劈裂強度會有不同。如何區(qū)分受振黏結面強度與未振黏結面強度之間變化是由振動引起的，還是因這批混凝土自身強度正常波動的差異引起，是分析振動是否對黏結面性能產(chǎn)生影響的關鍵。Michael R. Dunham[3]認為，受到外界干擾的混凝土，當其強度對比未受到干擾的變化(對比強度變化)超過7%時，才可認為是外界因素導致混凝土強度出現(xiàn)變化。金賢玉在判斷爆破振動對混凝土強度是否產(chǎn)生影響時，采用了5%的標準。魏建軍[10]利用假設檢驗的方法論證了當每組試驗數(shù)據(jù)的變異系數(shù)在10%時，判斷對比強度變化的閥值是8%，也就是說當受振強度與未振強度的變化在8%以上時可以認為振動對黏結面強度產(chǎn)生影響，8%以內則沒有影響。

3.2對比強度趨勢變化的評價方法

在數(shù)據(jù)處理的過程中經(jīng)常出現(xiàn)各個齡期的對比強度變化有波動的情況。如3 d齡期對比強度變化值為+10%，7 d齡期的變化值為-9%，而28 d齡期又出現(xiàn)+6%的情況。如果以單獨一個齡期的對比強度變化判斷振動對黏結面強度的影響，會出現(xiàn)3 d齡期的強度增加，7 d齡期下降，而28 d齡期的強度沒有變化的結論。這沒有真正反映出強度變化在整個齡期發(fā)展上對黏結面產(chǎn)生影響的規(guī)律。因此，論文提出了對比強度變化趨勢的評價方法。該方法認為混凝土強度發(fā)展隨齡期呈對數(shù)規(guī)律變化。首先根據(jù)不同齡期黏結面抗拉強度數(shù)據(jù)進行擬合，得到黏結面強度y(受振的與未振的)與齡期x的關系方程；然后將兩個關系方程聯(lián)立方程組，分別計算出強度變化(y振-y未振)/y未振為±8%和0的齡期x；最后根據(jù)強度變化為±8%的齡期、強度變化為0的齡期、3 d和28 d齡期的強度變化等5個因素綜合分析振動對黏結面抗拉強度的影響。

3.3試驗結果分析

圖3～圖5列出3種不同振動形式下受振與未振新老混凝土黏結面上抗拉強度隨齡期變化的規(guī)律?？梢钥闯?，不同齡期的散點采用對數(shù)形式的回歸曲線擬合后，其相關性比較好。

圖3　受振與未振黏結面的劈裂強度趨勢變化(初凝前受振)Fig.3　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated before initial setting)

圖4　受振與未振黏結面的劈裂強度趨勢變化(初凝至終凝)Fig. 4　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated between initial setting and final setting)

圖5　受振與未振黏結面的劈裂強度趨勢變化(終凝后)Fig.5　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated after final setting)

3.3.1初凝前振動對黏結面抗拉強度影響

根據(jù)表2，振動能量(頻率-振幅，下同)2 Hz-5 mm和2 Hz-10 mm 使黏結面的劈裂強度分別在4.5 d前和4.1 d前的對比強度變化超過+8%。這說明兩種振動能量增加了黏結面早期抗拉強度。在齡期是28 d時，強度變化縮小至1%，后期強度基本沒有變化。振動能量是4 Hz-5 mm時，對比強度變化在較早齡期時(2.3 d以前)超過+8%。在齡期10 d時強度變化為零。3 d～28 d齡期之間的強度變化范圍在4%～-1%之間，說明4 Hz-5 mm的振動能量黏結面強度在整個齡期上影響不大。

表2　新老混凝土黏結面強度變化計算結果(初凝前受振)

3.3.2初凝至終凝階段振動對黏結面抗拉強度影響

根據(jù)表3，振動能量是2 Hz-5 mm時，黏結面抗拉強度在整個齡期上對比強度變化范圍在-1%～1%之間，說明2 Hz-5 mm的振動能量對黏結面的抗拉強度沒有產(chǎn)生影響。振動能量是2 Hz-10 mm和4 Hz-5 mm時，黏結面強度分別在5 d齡期前和10 d齡期出現(xiàn)強度下降超過8%的情況。這說明這兩種振動能量會造成黏結面早期強度下降。根據(jù)3 d和28 d齡期的對比強度變化，可以看出兩種振動能量造成的黏結面強度下降會隨著齡期的增加有所恢復。

表3　新老混凝土黏結面強度變化計算結果(初凝至終凝)

3.3.3終凝后振動擾動對新老混凝土黏結面抗拉強度影響

根據(jù)表4，振動能量是2 Hz-5 mm時，受振與未振黏結面強度在整個齡期上變化范圍在3%～2%之間。這說明2 Hz-5 mm的振動能量對黏結面的強度沒有產(chǎn)生影響。振動能量是2 Hz-10 mm時，黏結面強度在2.7 d齡期前出現(xiàn)強度變化是-8%的情況。振動能量是4 Hz-5 mm的振動時，在齡期6.7 d前強度下降超過8%，3 d齡期對比強度變化為-9%。這說明4 Hz-5 mm 的振動能量會造成黏結面早期強度下降。

表4　新老混凝土黏結面對比強度變化計算結果(終凝后)

3.4對試驗結果的機理分析

新老混凝土黏結面強度發(fā)展主要受老混凝土粗糙度、新混凝土強度發(fā)展等因素影響。初凝前，新混凝土中水泥處在水化的誘導前期和誘導期。水泥顆粒不斷水化并在表面形成半滲透膜。隨著半滲透膜層的變厚，水泥顆粒的水化受到阻礙。發(fā)生在初凝前的振動可以將水泥水化誘導期形成的半滲透膜層振裂，水能夠在破裂的地方進入到水泥顆粒內層，促使水泥水化繼續(xù)進行，水化產(chǎn)物增多，從而增加了新老混凝土界面過渡區(qū)的密實性，提高了黏結面的早期強度。

初凝至終凝階段，混凝土處在硬化初期，混凝土內部強度正在形成。黏結面強度主要來自水泥水化產(chǎn)物與老混凝土黏結面(主要指集料表面)的黏附力。發(fā)生在這個階段的振動，如果能量小，則不足以破壞水化產(chǎn)物之間的黏附力，對黏結面強度發(fā)展不造成影響。振動能量大，水泥水化所形成的黏附力遭到破壞，黏結面強度出現(xiàn)下降。隨著振動的停止，黏結面上的水化重新進行，強度逐漸形成，后期強度得以恢復。因此，出現(xiàn)早期強度下降后期強度下降不明顯的情況。

終凝后階段，新混凝土進入硬化階段，混凝土開始具有強度。一方面水泥水化產(chǎn)物不斷增多，不斷填補水化產(chǎn)物形成的結構，黏結面過渡區(qū)更加密實；另一方面在界面過渡區(qū)中有微裂縫和孔隙等微缺陷形成。新老混凝土黏結面變得比較脆弱，發(fā)生在這個階段的中等能量的振動就可能改變黏結面界面過渡區(qū)內部微結構，促使過渡區(qū)中微裂縫的發(fā)展，使得黏結面強度下降。

4結論

本文通過振動臺在室內模擬輕交通、中等交通和重交通3種不同交通形式引起橋梁的振動，研究不同振動能量對新老混凝土黏結面抗拉性能影響。得出結論為：

(1)行車荷載引起橋梁振動發(fā)生在新混凝土初凝前，3種形式的交通(輕、中、重)對新老混凝土黏結面早期抗拉強度有增加作用。

(2)行車荷載引起橋梁振動發(fā)生在新混凝土初凝至終凝階段。輕交通對新老混凝土黏結面的強度影響不明顯；中等和重交通會造成黏結面早期抗拉強度(7 d以前)下降。

(3)行車荷載引起橋梁振動發(fā)生在新混凝土凝結硬化的后期(終凝后)。輕交通對新老混凝土黏結面的強度影響不明顯；中等交通會造成新混凝土早期抗拉強度的下降；重載交通會造成黏結面的強度下降。

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Effect of Traffic Load Induced Bridge Vibration on Adherence of New and Old Concrete

WEI Jian-jun1, FU Zhi2, ZHANG Jin-xi1

(1. Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

Abstract：In order to testify the effect of traffic vibration induced bridge vibration on the tensile property of the adherence of new and old concrete during early age of concrete, a vibration test on such adherence is conducted. In the test, the vibration energy whose peak acceleration values are 0.08g, 0.16g and 0.32g are used to simulate the bridge vibrations induced by light, middle and heavy traffic respectively. The test result shows that (1) when vibrations occurred before concrete initial setting, all the 3 levels of traffic induced vibration can enhance the early age bond strength of new and old concrete; (2) when vibrations occurred between initial setting and final setting, light traffic induced vibration has little effect on the bond strength, middle and heavy traffic induced vibrations can decrease the early age (before 7 d) bond strength; (3) as to the adherence of new and old concrete when vibration occurred after concrete finial setting, light traffic induced vibration has little effect on the bond strength of new and old concrete, its early age bond strength descends under middle traffic induced vibration, and its bond strength drops largely with heavy traffic induced vibration.

Key words：road engineering; bridge repair concrete; experimental study; adherence of new and old concrete; traffic induced vibration

收稿日期：2015-05-27

基金項目：國家自然科學基金項目(51278016)

作者簡介：魏建軍(1973-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士后. (weijianjun1116@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.05.010

中圖分類號：U443.33

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)05-0061-05