呂毅剛， 韓偉威， 呂健鳴， 劉云峰

(1.長沙理工大學(xué)　土木與建筑學(xué)院，湖南　長沙　410114；2.長沙理工大學(xué)　交通運輸工程學(xué)院，湖南　長沙　410114)

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基于暴露試驗的橋梁混凝土長期彈性模量試驗研究

呂毅剛1， 韓偉威2， 呂健鳴1， 劉云峰1

(1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙410114；2.長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南長沙410114)

摘要：為彌補(bǔ)傳統(tǒng)測試方法的不足，建立暴露試驗站，開展了自然暴露環(huán)境下的橋梁混凝土長期靜、動彈性模量試驗研究。運用超聲波平測法，取不同測距的接收波波峰相關(guān)散點進(jìn)行回歸計算，獲取橋梁混凝土的縱波波速及表面波波速，根據(jù)動彈性模量與波速的數(shù)學(xué)關(guān)系，計算出混凝土的動彈性模量。基于一批碎石混凝土試件的試驗結(jié)果，分析了混凝土動彈性模量隨時間發(fā)展的規(guī)律，構(gòu)建了5～20 mm和5～30 mm兩種連續(xù)級配碎石混凝土試件的靜、動彈性模量換算公式。結(jié)合鋼筋混凝土構(gòu)件的試驗研究，驗證了該靜、動彈性模量換算公式的適用性。本試驗方法和研究成果為橋梁工程的長期彈性模量無損快速跟蹤測試奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；混凝土；超聲波；彈性模量；暴露環(huán)境；長期

0引言

近年來，許多國家和地區(qū)相繼發(fā)生了一些嚴(yán)重的混凝土橋梁垮塌災(zāi)難性事故，使得橋梁混凝土的長期力學(xué)性能問題逐漸引起重視[1-3]。目前對長期力學(xué)性能中的彈性模量進(jìn)行跟蹤觀測時，主要采用在混凝土試件表面上粘貼應(yīng)變片，進(jìn)行靜彈性模量測試，其受自身質(zhì)量及天氣的影響較明顯，試驗工作量很大，費時費力[4]，同時受地理條件及自然環(huán)境的限制，一般只能在實驗室內(nèi)進(jìn)行，方便性很差。

混凝土的性質(zhì)也可采用動彈性模量描述，各國學(xué)者開始探索混凝土的動彈性模量研究[5-7]。Sang-Hun Han、Jin-Keun Kim[8]通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)水泥種類對混凝土動、靜彈性模量之間的關(guān)系影響不顯著。施士昇[9]通過大量的試驗研究，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土的動、靜彈性模量關(guān)系與普通混凝土之間的兩者關(guān)系接近。鄭永來、周澄、黃煒等[10-11]基于不同懸臂梁結(jié)構(gòu)振動試驗的試驗結(jié)果，構(gòu)建了動態(tài)彈性模量隨頻率變化的理論模型。劉宏偉、謝麗、吳勝興等[12]進(jìn)行了混凝土的早齡期動彈性模量研究，發(fā)現(xiàn)相對于混凝土自身密度和泊松比而言，超聲波波速對動彈性模量的影響較大。張建仁、唐騰、彭暉等[13]利用了一種采用縱波換能器檢測混凝土的縱波及表面波的波速，從而測量其動彈模量的技術(shù)。此外，孫叢濤、牛荻濤、元成方等[14]通過試驗研究，建立了混凝土動彈性模量與超聲聲速的相互關(guān)系。目前對28 d標(biāo)準(zhǔn)齡期的橋梁混凝土動彈性模量的相關(guān)研究較多，且骨料組成成分較為單一，而對橋梁混凝土的長期彈性模量研究非常少。由于長期力學(xué)性能是一個與環(huán)境相關(guān)的不確定變量，而實際混凝土橋梁結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的自然環(huán)境之中，與室內(nèi)環(huán)境條件相差甚遠(yuǎn)。在以后研究中，如何擴(kuò)大骨料的應(yīng)用范圍，更進(jìn)一步建立橋梁混凝土動、靜態(tài)彈性模量之間的換算關(guān)系，并對實際橋梁構(gòu)件的長期彈性模量進(jìn)行無損跟蹤觀測，是一個迫切需要解決的課題。為此，本研究建立暴露試驗站，對一批碎石混凝土試件和鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行長期跟蹤觀測，采用超聲波平測法，開展橋梁混凝土長期動、靜彈性模量試驗研究。

1暴露試驗站簡介

在一般橋梁生存環(huán)境中建立了暴露試驗站。首先制作了一批5～20 mm和5～30 mm兩種連續(xù)級配的C40，C55和C70碎石混凝土棱柱體試件，采用425#硅酸鹽水泥、湘江河砂和長沙縣蓮花橋碎石場的玄武巖碎石，配合比分別為：水∶水泥∶砂∶碎石=0.420∶1∶1.186∶2.304，0.405∶1∶1.849∶2.555和0.360∶1∶1.458∶2.520。在不同測試齡期，用各強(qiáng)度等級和級配相同的混凝土分別制作6個150 mm×150 mm×300 mm標(biāo)準(zhǔn)混凝土棱柱體試件和1個200 mm×200 mm×500 mm大尺寸混凝土棱柱體試件。其次制作了4片2.2 m長的C50鋼筋混凝土矩形構(gòu)件，編號分別為L-A，L-B，L-C和L-D。各片構(gòu)件的計算跨徑為2.0 m，橫截面尺寸為b×h=100 mm×180 mm，下緣配置2根直徑為12 mm的HRB335縱向鋼筋，上緣配置2根直徑為4 mm的R235架立鋼筋，箍筋采用直徑為4 mm的R235鋼筋，見圖1。采用525#普通硅酸鹽水泥，L-A和L-C構(gòu)件的骨料采用5～20 mm連續(xù)級配碎石；L-B和L-D構(gòu)件的骨料采用5～30 mm連續(xù)級配碎石。配合比均為：水∶水泥∶砂∶碎石=0.505∶1∶1.272∶2.554。同時，按照相同的配合比，分別制作了一批5～20 mm 和5～30 mm兩種連續(xù)級配粒徑的150 mm×150 mm×300 mm 素混凝土棱柱體試件?；炷猎嚰颁摻罨炷翗?gòu)件都置于暴露試驗站中自然養(yǎng)護(hù)，見圖2。

圖1　鋼筋混凝土矩形構(gòu)件的尺寸及配筋(單位：mm)Fig.1　Dimensions and bars of reinforced concrete rectangular members(unit:mm)

圖2　混凝土試件及構(gòu)件自然養(yǎng)護(hù)Fig.2　Curing of concrete specimens and members in natural environment

2混凝土試件長期彈性模量試驗研究

2.1超聲測試混凝土動彈性模量的依據(jù)

根據(jù)國內(nèi)外科學(xué)研究，超聲波聲速不可避免地受到混凝土材料組分與結(jié)構(gòu)狀況差異等綜合因素的影響[15]?；炷恋膭訌椥阅Ａ縀d與泊松比μ等參數(shù)之間存在以下關(guān)系：

(1)

式中，ρ為混凝土的密度；Vp，Vr分別為超聲波在混凝土中傳播的縱波速度和表面波速度。

把式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得：

(2)

式中，τ為縱波波速Vp與表面波波速Vr的比值。

據(jù)式(1)和式(2)可知，只需在混凝土表面獲得超聲波傳播的Vp和Vr，或者兩者的比值τ，即可求解混凝土的動彈性模量Ed及泊松比μ。

圖3　超聲波平測法波形及特征點Fig.3　Waveform and characteristic points of ultrasonic method

將RS-ST01C非金屬超聲檢測儀的一對縱波收、發(fā)換能器以一定間距置于混凝土表面，進(jìn)行超聲波平測法測試，可獲得如圖3所示的波形[16]。因縱波的波速最大及對應(yīng)的振幅很小，波形的前部分為縱波，且特征點1為縱波的初至點，而表面波的信號強(qiáng)及能量大，隨著表面波的到達(dá)，波形的振幅會隨之突然增大，特征點2和3分別為表面波的到達(dá)點和第一個峰值點。

為了消除儀器讀數(shù)并減少固體材料不均勻性的影響，在混凝土表面，采用多點平測法分別測試50，100，150，200，250，300 mm等6個不同測距的聲時值。測試的可能波形特征點如圖4所示，根據(jù)各測距下所測試的聲時數(shù)據(jù)，繪制A，B，C，D各特征點的測距-聲時散點圖，用不同測距-聲時散點的回歸計算方程式，可獲得Vp，Vr的大小。

圖4　超聲波平測法可能的波形特征點Fig.4　Possible characteristic points of ultrasonic plane testing method

2.2混凝土試件長期動靜彈性模量試驗

(1)靜彈性模量試驗結(jié)果

在不同測試齡期，相同粒徑和相同強(qiáng)度等級的標(biāo)準(zhǔn)混凝土棱柱體試件各取6個，進(jìn)行靜彈性模量測試[17]。碎石混凝土試件的靜彈性模量Es試驗結(jié)果見表1。

表1　碎石混凝土試件的長期靜彈性模量結(jié)果(單位：GPa)

(2)動彈性模量試驗結(jié)果

在各測試齡期，采用RS-ST01C非金屬超聲檢測儀測試200 mm×200 mm×500 mm大尺寸混凝土棱柱體試件的Vp和Vr，并采用電子稱對其稱重，得到密度ρ。以下只列舉了28 d齡期的碎石混凝土試件的測距與聲時之間關(guān)系和ρ，Vp，Vr的試驗結(jié)果。

1)密度試驗結(jié)果

28 d齡期的各大尺寸碎石混凝土棱柱體試件的密度試驗結(jié)果見表2。

2)波速試驗結(jié)果

28 d齡期的大尺寸碎石混凝土棱柱體試件的測距-聲時散點圖見圖5。

表2　28 d齡期的碎石混凝土試件密度(單位：kg/m3)

在圖5(a)中，A特征點的各散點相連，幾乎為一條直線。運用最小二乘法，進(jìn)行直線(方程L=a+bt)回歸，該直線方程的斜率即為縱波聲速Vp。而由于表面波的滯后到達(dá)，波形的振幅會突然增大，在B～C特征點、C～D特征點之間產(chǎn)生了畸變，從而導(dǎo)致C，D兩特征點的各散點連線為曲線。生成的畸變分支波在以后的各測距中會逐漸變大，并逐步成為獨立的波峰，就成為一個新的波峰讀數(shù)測點。試用一根直線去串聯(lián)相關(guān)測點，如串聯(lián)圖5(a)中的C特征點的第1點與D特征點的第2～4點，將這些被連接測點的測距和聲時數(shù)據(jù)以最小二乘法回歸成直線方程L=a+b′t后，方程的斜率即為疑似表面波傳播速度Vr[16]。以相同的方式可獲得其他粒徑和強(qiáng)度等級下的波速結(jié)果，28 d齡期的碎石混凝土試件的Vp和Vr試驗結(jié)果見表3。

圖5　28 d齡期的碎石混凝土試件的測距-聲時散點圖Fig.5　Range-sound diagram of gravel concrete specimens at 28 d age

粒徑/mm項目C40C55C705～20Vp/(m·s-1)455946234833Vr/(m·s-1)2261236624335～30Vp/(m·s-1)473348264899Vr/(m·s-1)241824372439

根據(jù)上述試驗結(jié)果，結(jié)合式(1)和式(2)，可計算28 d齡期的碎石混凝土試件的動彈性模量Ed，同理可得其他齡期的試驗結(jié)果，碎石混凝土試件的長期動彈性模量Ed的試驗結(jié)果見表4和圖6。

碎石混凝土試件的動彈性模量隨著時間的增長逐漸增大，且在前期增長迅速，后期增長緩慢，增長速率隨時間增長而逐漸減緩。

2.3混凝土試件長期動靜彈性模量相關(guān)性研究

基于最小二乘法，將各強(qiáng)度等級的碎石混凝土試件的靜、動彈性模量試驗值進(jìn)行曲線擬合，見圖7。擬合曲線的最小相關(guān)系數(shù)為0.957 5，回歸精度較高。

表4　碎石混凝土試件的長期動彈性模量結(jié)果(單位：GPa)

圖6　碎石混凝土試件的長期動彈性模量曲線Fig.6　Curves of long-term dynamic elastic modulus of gravel concrete specimens

碎石混凝土試件的靜、動彈性模量之間存在以下的換算關(guān)系：

(3)

式中，κ為換算系數(shù)。當(dāng)粒徑為5～20 mm時，κ=0.901；當(dāng)粒徑為5～30 mm時，κ=0.857。

圖7　碎石混凝土試件的靜-動彈性模量相關(guān)性曲線Fig.7　Curves of relativity of static-dynamic elastic moduli of gravel concrete specimens

3鋼筋混凝土構(gòu)件長期彈性模量試驗研究

(1)靜彈性模量試驗結(jié)果

在不同測試齡期，取與鋼筋混凝土構(gòu)件相同配比的標(biāo)準(zhǔn)混凝土棱柱體試件各6個，進(jìn)行靜彈性模量測試，試驗結(jié)果作為相應(yīng)齡期的鋼筋混凝土構(gòu)件的靜彈性模量。鋼筋混凝土構(gòu)件的靜彈性模量Es試驗結(jié)果見表5。

表5　鋼筋混凝土構(gòu)件的長期靜彈性模量結(jié)果(單位：GPa)

(2)動彈性模量試驗結(jié)果

在各測試齡期，采用RS-ST01C非金屬超聲檢測儀測試L-A和L-B構(gòu)件的Vp和Vr，并采用電子稱對相同齡期的L-C和L-D構(gòu)件進(jìn)行稱重，得到密度ρ。以下只列舉了28 d齡期的L-A或L-B構(gòu)件的測距與聲時之間關(guān)系和Vp，Vr，以及相同齡期ρ的試驗結(jié)果。

1)密度試驗結(jié)果

28 d齡期的L-C和L-D構(gòu)件的密度大小分別為2 595 kg/m3和2 623 kg/m3。

2)波速試驗結(jié)果

28 d齡期的L-A和L-B構(gòu)件的測距-聲時散點圖見圖8。

圖8　28 d齡期的鋼筋混凝土構(gòu)件的測距-聲時散點圖Fig.8　Range-sound diagram of reinforced concrete members at 28 d age

根據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件的測距-聲時散點圖，可獲得28 d齡期的L-A和L-B構(gòu)件的Vp和Vr，見表6。

表6　28d齡期的L-A和L-B構(gòu)件波速

根據(jù)上述試驗結(jié)果，結(jié)合式(1)和式(2)，可計算28 d齡期的L-A和L-B構(gòu)件的動彈性模量Ed，同理可得其他齡期的試驗結(jié)果，L-A和L-B構(gòu)件的長期動彈性模量Ed的試驗結(jié)果見表7和圖9。

表7　L-A和L-B構(gòu)件的長期動彈性模量結(jié)果(單位：GPa)

圖9　L-A和L-B構(gòu)件的長期動彈性模量曲線Fig.9　Curves of long-term dynamic elastic modulus of L-A and L-B members

L-A和L-B構(gòu)件的動彈性模量隨時間變化律與混凝土試件的變化規(guī)律相同，前期增長迅速，后期增長緩慢，增長速率隨時間增長而逐漸減緩。

(3)長期彈性模量誤差分析

根據(jù)式(3)和表7，可計算出L-A和L-B構(gòu)件的換算靜彈性模量Esh，將其與表5的實測靜彈性模量Es進(jìn)行比較，見表8。

表8　L-A和L-B構(gòu)件的長期靜彈性模量對比分析

L-A和L-B構(gòu)件的長期換算靜彈性模量的最大誤差分別為0.25%和0.65%，誤差較小。結(jié)果表明用式(3)進(jìn)行5～20 mm和5～30 mm兩種連續(xù)級配碎石混凝土構(gòu)件的長期靜、動彈性模量換算時，精度較高。

4結(jié)論

(1)在進(jìn)行橋梁混凝土長期彈性模量測試時，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，采用了超聲波平測法測試橋梁混凝土在不同測距下的縱波波速及表面波波速，據(jù)此計算出混凝土的動彈性模量。

(2)基于一批暴露試驗的5～20 mm和5～30 mm 兩種連續(xù)級配的碎石混凝土試件，開展了混凝土試件的長期靜、動彈性模量試驗研究?；炷恋膭訌椥阅Ａ侩S著時間的增長而逐漸增大，前期增長迅速，后期增長緩慢，增長速率隨時間增長而逐漸減緩。

(3)骨料的粒徑大小會影響聲波在混凝土中傳播的速度，基于混凝土試件的長期靜、動彈性模量試驗研究成果，構(gòu)建了5～20 mm和5～30 mm兩種連續(xù)級配碎石混凝土試件的靜、動彈性模量換算公式。

(4)對自然暴露環(huán)境下的鋼筋混凝土構(gòu)件的長期靜、動彈性模量進(jìn)行了試驗研究。將混凝土試件的靜、動彈性模量換算公式應(yīng)用于鋼筋混凝土構(gòu)件的長期靜、動彈性模量計算時，精度較高。

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Experimental Study on Long-term Elastic Modulus of Bridge Concrete Based on Exposure Experiment

Lü Yi-gang1， HAN Wei-wei2， Lü Jian-ming1， LIU Yun-feng1

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science & Technology，Changsha Hunan 410114，China；2.School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha Hunan 410114，China)

Abstract：In order to remedy the deficiencies of traditional detection methods, an exposure experiment station is established, and the experimental research on the long-term static and dynamic elastic moduli of bridge concrete in natural exposure environment is carried out. By use of ultrasonic plane testing method, the longitudinal and surface wave velocities of bridge concrete are obtained through regression calculation of correlative points of the received wave crests of different ranges. The dynamic elastic modulus of concrete is calculated according to the mathematical relationship between dynamic elastic modulus and wave velocity. Based on the experimental results of a group of gravel concrete specimens, the rule of dynamic elastic modulus of concrete developing with time is analyzed, and the conversion formulas between static elastic modulus and dynamic elastic modulus of the concrete specimens with 5-20 mm and 5-30 mm gravels are set up. The applicability of the conversion formulas is verified by experimental research of reinforced concrete members. The detection methods and findings can lay the foundations of fast nondestructive follow-up detection of the long-term elastic modulus of bridge.

Key words：bridge engineering; concrete; ultrasonic; elastic modulus; exposure environment; long-term

收稿日期：2015-04-20

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(九七三計劃)項目(2015CB057705)；長沙理工大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)安全控制湖南省工程實驗室開放基金項目(14KD13)；大學(xué)生研究生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目(2014-46)

作者簡介：呂毅剛(1978-)，男，湖南邵陽人，博士.(37237308@ qq.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.05.013

中圖分類號：U 445.73

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)05-0078-07