行車振動(dòng)對(duì)混凝土性能的影響研究進(jìn)展綜述

2023-01-02 16:10:03胡邦勝肖成明劉貞鵬劉振華

西部交通科技 2022年9期

胡邦勝，肖成明，劉貞鵬，劉振華

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530023)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，混凝土在各個(gè)工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)澆混凝土?xí)馐苤車h(huán)境不同擾動(dòng)的影響，如行車振動(dòng)等擾動(dòng)會(huì)造成現(xiàn)澆混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致混凝土性能劣化[1]。目前對(duì)橋梁進(jìn)行加固和維修施工采取的是封閉或者中斷交通的形式，但現(xiàn)階段我國(guó)大部分城市的交通量繁重，封閉交通會(huì)給當(dāng)?shù)鼐用駧順O大的不便，造成經(jīng)濟(jì)損失。保持開放交通進(jìn)行施工，勢(shì)必會(huì)對(duì)新澆筑的混凝土的力學(xué)性能和耐久性能帶來一定影響。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)于行車振動(dòng)對(duì)新澆筑混凝土所帶來的影響，通過模擬一些特定的情況進(jìn)行研究，取得了一定的成果。但是行車振動(dòng)對(duì)混凝土的影響較為復(fù)雜，尚未形成清晰的機(jī)理。因此，本文基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)成果進(jìn)行綜述，總結(jié)今后的研究熱點(diǎn)方向，為解決開放交通施工目前仍然存在的問題提供一定的借鑒和參考。

1 行車振動(dòng)對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響

目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方式研究了不同振動(dòng)作用對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響。蔣正武等[2-3]研究表明，車橋耦合振動(dòng)頻率提高會(huì)加劇混凝土早期離析程度，降低混凝土的均勻性和密實(shí)度，在混凝土凝結(jié)硬化早期和后期，行車振動(dòng)對(duì)混凝土性能影響較小；行車振動(dòng)發(fā)生在凝結(jié)硬化中期時(shí)，對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性影響較大。魏建軍等[4]研究了不同的振動(dòng)頻率、振幅組合情況下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)低頻較小振幅(<3 mm)的振動(dòng)對(duì)修復(fù)混凝土的抗拉性能影響不明顯，在混凝土凝結(jié)硬化中期受到較大振幅(>5 mm)的振動(dòng)時(shí)，修復(fù)混凝土的抗拉強(qiáng)度會(huì)有所下降。張煜等[5]研究了振動(dòng)時(shí)間、頻率、幅度以及約束條件對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的影響，結(jié)果顯示：約束條件能夠有效控制橋梁混凝土的振動(dòng)效應(yīng)；橋梁建造過程的振動(dòng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不顯著，而開放交通加固過程中的振動(dòng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較為明顯；兩種工況下振動(dòng)效應(yīng)對(duì)混凝土彈性模量影響均不明顯。潘慧敏等[6-8]研究了不同的粗骨料最大粒徑對(duì)受擾混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)粗骨料最大粒徑為16 mm時(shí)，早期受擾的混凝土力學(xué)性能顯著降低；粗骨料最大粒徑為20 mm時(shí)，對(duì)早期受擾的混凝土力學(xué)性能影響較小；臨近初凝和終凝時(shí)的振動(dòng)對(duì)混凝土影響較?。徽駝?dòng)時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大，對(duì)抗折強(qiáng)度影響比較顯著；另外，受擾混凝土試件存在一定的尺寸效應(yīng)，試件尺寸越大，混凝土受擾后的密實(shí)性越差，開口孔隙越多，擾動(dòng)對(duì)飽和面干吸水率、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響存在顯著的尺寸效應(yīng)，其中在壓密階段尺寸效應(yīng)最為顯著。國(guó)外學(xué)者S Harsh等[9-10]研究了行車振動(dòng)對(duì)新澆筑的修補(bǔ)橋梁混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼筋與混凝土粘結(jié)力的影響，結(jié)果表明：澆筑開始的持續(xù)振動(dòng)使塑性混凝土抗壓強(qiáng)度降低了10%，粘結(jié)強(qiáng)度降低了5.9%，對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生了不利影響；在開放交通的情況下，坍落度<75 mm的修補(bǔ)混凝土在行車振動(dòng)的影響下質(zhì)量沒有明顯下降。Issa M A等[11]模擬了行車荷載的振動(dòng)作用下混凝土橋梁的變形情況，得到以下結(jié)論：行車荷載下的振動(dòng)作用對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度影響較為顯著，混凝土澆筑7～8 h時(shí)受行車振動(dòng)作用，會(huì)使其產(chǎn)生裂縫。Dunham M R等[12]研究了兩種振動(dòng)峰值速度和五種起振時(shí)間情況下的混凝土力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不顯著，而對(duì)抗折強(qiáng)度卻產(chǎn)生了不利的影響，抗折強(qiáng)度最大損失約為8%。

上述國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從宏觀的角度分析了不同行車振動(dòng)條件對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響，對(duì)行車振動(dòng)后混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化以及影響機(jī)理的分析較少。黃維蓉等[13-15]通過孔結(jié)構(gòu)圖像分析了行車振動(dòng)對(duì)混凝土力學(xué)性能影響機(jī)理，表明混凝土凝結(jié)硬化中期的車橋耦合振動(dòng)會(huì)破壞已經(jīng)形成的水化凝膠物結(jié)構(gòu)，使混凝土產(chǎn)生一定的微小孔隙與裂紋，導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能降低，且隨著振動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，其強(qiáng)度下降越明顯。在初凝前受到低頻、低振幅的振動(dòng)作用，能夠在一定程度上改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高其后期強(qiáng)度，但在初凝前受到較強(qiáng)的(頻率為9 Hz，振幅為8 mm)振動(dòng)作用，會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。張長(zhǎng)江等[16]基于聲發(fā)射技術(shù)，從初始微裂紋角度解釋了早齡期擾動(dòng)對(duì)混凝土力學(xué)性能的損傷機(jī)理；根據(jù)不同的聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)混凝土在凝結(jié)初期受振動(dòng)的頻率越大，產(chǎn)生剪切裂縫的比率有所減少，試件所受損傷越小；振動(dòng)幅度越大，產(chǎn)生剪切裂縫的比率有所增加，試件所受損傷越大；混凝土在凝結(jié)中期受振動(dòng)作用影響，頻率和振幅越大，產(chǎn)生剪切裂縫的比率不斷增大，試件所受損傷越大。

2 行車振動(dòng)對(duì)混凝土的耐久性能影響

從20世紀(jì)50年代開始，混凝土的耐久性能一直都是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)，因混凝土耐久性不足引起的工程質(zhì)量問題也層出不窮，給國(guó)家和社會(huì)帶來了無法估量的損失。潘慧敏等[17-18]研究了不同受振動(dòng)階段情況下的抗硫酸鹽侵蝕性能：臨近初凝(貫入阻力值為3.5～11.5 MPa)和臨近終凝(貫入阻力值為19.5～28.0 MPa)的振動(dòng)對(duì)混凝土影響較小，硬化中期(貫入阻力值為11.5～19.5 MPa)的振動(dòng)會(huì)加速混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的劣化。劉碩[19]采用風(fēng)冷電磁試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)模擬車橋耦合振動(dòng)，研究了車橋耦合振動(dòng)對(duì)快速修補(bǔ)混凝土耐久性的影響程度，試驗(yàn)結(jié)果表明：行車振動(dòng)對(duì)摻加聚丙烯纖維的修補(bǔ)混凝土抗凍性能影響不顯著。陶健[20]通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了起振時(shí)間、振幅、頻率、受振階段對(duì)混凝土耐久性能影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)氯離子遷移系數(shù)、鋼筋失重率、滲水高度、抗壓強(qiáng)度損失率和抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)影響最大的是起振時(shí)間；車橋耦合振動(dòng)作用導(dǎo)致混凝土耐久性能降低，對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能、抗?jié)B水性能的影響非常顯著。何歡等[21]通過電磁擾動(dòng)臺(tái)模擬不同振幅、頻率組合對(duì)硫鋁酸鹽水泥混凝土的性能影響，發(fā)現(xiàn)在振幅為1.5 mm、振動(dòng)頻率為6 Hz以上的情況下，混凝土的多害孔明顯增加，抗氯離子滲透能力發(fā)生明顯減弱。謝德擎等[22]研究了7個(gè)不同起振時(shí)間對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能(RCM)的影響，發(fā)現(xiàn)C30混凝土終凝前1 h受振動(dòng)，混凝土抗氯離子滲透性能最差；C50混凝土終凝時(shí)受振動(dòng)，混凝土抗氯離子滲透性能最差，RCM值增幅為95%，摻入抗擾動(dòng)劑能提升普通混凝土的整體抗擾動(dòng)性能，并提高混凝土抗氯離子滲透性能。

3 改善抗振動(dòng)混凝土性能的措施

為了改善行車振動(dòng)對(duì)混凝土帶來的不利影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了不同種類的抗振動(dòng)混凝土性能研究。張永娟等[23-24]通過摻入不同外加劑，來改善混凝土的抗振動(dòng)性能，其研究表明：摻調(diào)凝劑可以大幅縮短混凝土受擾期，調(diào)凝劑摻量越大，混凝土抗擾動(dòng)性能提高越明顯；摻加抗裂增韌外加劑可大幅降低受擾混凝土表面裂縫面積，明顯提高混凝土的抗擾抗裂性能，但是混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著抗裂增韌外加劑摻量的增加呈下降趨勢(shì)，一般不宜用量過大；摻加膨脹劑可以改善受擾混凝土的自愈合率，明顯提高混凝土的抗擾動(dòng)性能。李昊欣[25]通過加入聚乙烯醇、硫酸鈉等外加劑減小受振動(dòng)混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率，當(dāng)抗裂增韌外加劑——聚乙烯醇摻量為0.03%時(shí)，受擾混凝土的單面抗鹽凍能力和抗擾動(dòng)能力最好；摻加0.5%的早強(qiáng)劑——硫酸鈉可以顯著降低受擾混凝土早期抗壓強(qiáng)度損失率，但早強(qiáng)劑的加入會(huì)對(duì)抗振動(dòng)混凝土的耐久性產(chǎn)生不利的影響。

另外，部分學(xué)者為了改善抗振動(dòng)混凝土的抗裂性能，在混凝土中摻入不同種類的纖維，習(xí)磊[26]在C50抗振動(dòng)混凝土中加入了鋼纖維和聚丙烯纖維，試驗(yàn)結(jié)果表明：行車振動(dòng)作用時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)混凝土骨料分布產(chǎn)生的不利影響越明顯，摻入混雜纖維后，混凝土的離析程度減弱，抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度明顯提升。李利偉等[27]則研究了分別加入PE纖維、摻鋼纖維的混凝土抗振動(dòng)性能，發(fā)現(xiàn)摻PE纖維能夠顯著提高混凝土的延伸率，大大降低裂縫的平均寬度，抗擾動(dòng)性能良好，其最佳摻量為2%；摻鋼纖維能夠明顯提升混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，但延伸率極低，抗裂性能差，抗擾動(dòng)性能差；PVA纖維能夠改善混凝土的延伸率，但裂縫平均寬度大，抗裂性能較差，抗擾動(dòng)性較差。戴民等[28-29]探討了玄武巖纖維對(duì)抗振動(dòng)混凝土內(nèi)部損傷的影響，研究表明：加入玄武巖纖維能有效改善行車振動(dòng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，加入0.3%長(zhǎng)纖維摻量時(shí)，混凝土抗振動(dòng)性能最好。

4 結(jié)語

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在行車振動(dòng)對(duì)混凝土性能的影響方面的研究取得了一定成果，但是由于試驗(yàn)條件差異較大，尚存在以下不足：

(1)目前模擬的行車振動(dòng)參數(shù)研究大多較為單一，未能充分體現(xiàn)實(shí)際開放交通情況下行車振動(dòng)作用對(duì)混凝土的影響，需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

(2)諸多學(xué)者研究表明，行車振動(dòng)會(huì)對(duì)凝結(jié)硬化過程中的修補(bǔ)混凝土內(nèi)部造成損傷，形成裂縫，不少學(xué)者摻入外加劑和纖維改善混凝土的抗裂性能，但是針對(duì)混雜纖維改善混凝土抗振動(dòng)性能的情況研究較少，需進(jìn)一步驗(yàn)證，并深入分析其機(jī)理。