车桥耦合振动对混凝土早期性能的影响及其损伤机理.pdf

第 1 8卷第 3期 2 0 1 5年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATERI ALS Vo 1 1 8 。 No 3 J u n ， 2 0 1 5 文章编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 4 7 1 - 0 6 车桥耦合振动对 混凝 土早期性 能的 影响及 其损伤机理 蒋正武 ， 任 强， 袁政成 ( 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室 ， 上海 2 0 1 8 0 4 ) 摘要：在分析车桥耦合振动参数变化规律的基础上 ， 提 出了合理的振动模拟试验方法与评价指标 ， 研究了车桥耦合振动参数对不同水胶比混凝土性能的影响， 并结合微观结构试验结果， 探讨了混 凝 土损 伤机理 研 究发现 ： 车桥耦 合 振 动 会 加 速 混凝 土 的泌 水 ， 降低 实际 水胶 比 ， 一 定 程 度 上 有利 于其抗压 强度 测试值 的提 高 ， 但会 提 高混凝 土 内部 大 于 2 0 0 n m 的 多 害孔 比例 ， 同时加 剧 石 子 下沉 和 浆体上 浮 ， 使 得混 凝 土早 期 离析程 度增 大 ， 均 匀性 降低 ， 密 实度 降低 ， 从 而降低 混凝 土 长期 性 能 在 混凝 土凝 结硬化 初期 ( 贯入 阻力0 5 MP a ) 和后 期 ( 贯 入 阻力 2 8 0 MP a ) ， 车桥 耦 合 振 动 产 生 的破坏作用较小； 在凝结硬化 中期( 贯入阻力为 0 5 - - 2 8 0 MP a ) ， 车桥耦合振动会导致混凝土内部 产生永久微裂纹等缺陷， 对混凝土性能影响较大 关 键词 ： 耦 合振 动 ； 频 率 ； 损 伤 ；机理 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 5 0 3 0 1 9 Ef f e c t s o f Ve hi c l e - Br i d g e Co u p l e d Vi b r a t i o n o n Ea r l y - Ag e Pr o p e r t i e s o f Co nc r e t e a nd I t s Da ma g e M e c ha ni s m J I ANG Zh e n g wu， REN Qi a n g， Y UAN Zh e n g c h e n g ( Ke y La b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ci v i l En g i n e e r i n g M a t e r i a l s o f M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n ，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e v a r i a t i o n l a w o f v e h i c l e - b r i d g e c o u p l e d v i b r a t i o n wa s a n a l y z e d a n d a r e a s o n a b l e me t h o d t o s i mu l a t e c o u p l e d v i b r a t i o n i n 1 a b a s we l 1 a s t h e e v a l u a t i o n i n d e x e s wa s p r o p o s e d Th e n t h e e f f e c t s o f v e h i c l e b r i d ge c o u pl e d v i br a t i o n p a r a me t e r s o n t he p r op e r t i e s o f c o nc r e t e wi t h d i f f e r e n t wa t e r - c e me nt r a t i o we r e s t u d i e d Th e d a ma g e me c h a n i s m o f v e h i c l e b r i d g e c o u p l e d v i b r a t i o n o n c o n c r e t e wa s i n v e s t i g a t e d a c c o r d i n g t o t h e mi c r o s t r u c t u r e r e s u l t s Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t u n d e r v e h i c l e - b r i d g e c o u p l e d v i b r a t i o n，t h e b l e e d i n g o f c o n c r e t e a c c e l e r a t e s ，t h e a c t u a l wa t e r c e me n t r a t i o r e d u c e s ，a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s e s t o a c e r t a i n e x t e n t Ho we v e r ，t h e e a r l y s e g r e g a t i o n o f c o n c r e t e i s a g g r a v a t e d b y t h e v i b r a t i o n ， wh i c h l e a d s t o wo r s e u n i f o r mi t y a n d c o mp a c t n e s s Th e l o n g t e r m p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e i s d e t e r i o r a t e d a s s e e n f r o m a h i g h e r p r o p o r t i o n o f d e l e t e r i o u s p o r e s( 2 0 0 n m)o f c o n c r e t e At t h e e a r l y a g e( i e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e S 0 5 MP a)o f s e t t i n g a n d l a t e r a g e ( i e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e 2 8 0 MP a )o f h a r d e n i n g，t h e n e g a t i v e i n t e r f e r e n c e o f v e h i c l e - b r i d g e c o u p l e d v i b r a t i o n i s i n s i g n i f i c a n t ，h o we v e r ，v e h i c l e b r i d g e c o u p l e d v i b r a t i o n c a n 1 e a d t o a l o t o f i r r e v e r s i b l e mi c r o c r a c k s i n c o n c r e t e a t t h e mi d d l e a g e( i e p e n e t r a - 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 0 5 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 0 4 0 4 基金项 目： 国家重点基础研究发展计 划( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 1 1 C B 0 1 3 8 0 5 ) ； 国家 自然科学基 金资助项 目( 5 1 4 7 8 3 4 8 ， 5 1 2 7 8 3 6 0 ， 5 1 3 0 8 4 0 7 ) ； “ 十二五” 国家科技支撑计划项目( 2 0 1 4 B A L 0 3 B 0 2 ) ； 高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目( 2 0 1 3 0 0 7 2 1 1 0 0 4 7 ) ； 上海市科委重点项 目 ( 1 4 D Z 1 2 0 2 3 0 2 ) 中央高校基本科研业务费专项资金资助 第一作者 ： 蒋正武( 1 9 7 4 一) ， 男 ， 安徽潜山人 ， 同济大学教授 ， 博士生导师， 博士 E - ma i l ： j z h wt o n g j i e d u c r l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 7 2 建筑材料学报 第 1 8卷 t i o n r e s i s t a n c e 0 52 8 0 M P a ) ，wh i c h ma y h a v e a g r e a t i n f l u e n c e o n c o n c r e t e p e r f o r ma n c e Ke y wo r d s：c ou pl e d v i b r a t i o n；f r e q ue n c y i d a ma ge；m e c h a ni s m 桥梁在某种外界 的干扰作用之下会产生振动 ， 当干扰力消失以后 ， 便会以固有频率发生往复固有 振动 ， 而具有弹簧悬挂装置的车辆是一个多 自由度 振动系统， 因此车辆与桥梁结构 的动力相互作用是 一 个复杂的课题 重型车辆高速行驶过程 中会导致 公路桥梁产生振动 ， 称为车桥耦合振动n 由于公路 桥梁结构型式的多样化 、 桥面的不平整性 以及汽车 荷载的不确定性等因素 ， 导致公路桥梁较铁路桥梁 的车桥耦合振动分析更加困难口 在普通混凝土凝结硬化早期 ， 外界的扰动 ， 如车 桥 耦合 振动 ， 会 加剧 混凝 土 内部应 力 ， 甚 至 导致 早 期 微裂缝产生 ， 此即为扰动裂缝 5 车桥耦合振动易导 致新浇筑混凝土性能 的劣化 ， 尤其是对于大面积的 桥面浇筑和铺装工程而言 6 目前 ， 随着经济快速发展 ， 在役桥梁的交通运输 量及汽车载重量不断增加 ， 导致桥梁病害 日趋严重 据统计 ， 中国现有桥梁 中 4 O 已超过 2 5 a 使用期 ， 进入了老化期 9 。 。 ， 需要及 时养护与加 固 用 于混凝 土桥梁维修和加 固的传统设计思路是在封闭交通通 行 的条件下 ， 通过优化配合 比和掺入特种材料使得 混凝土快凝和早强 ， 以尽早满足通车条件 但若在交 通 不 中断情 况 下 应 用 这 些混 凝 土 ， 则 往往 会 因车 桥 耦合振动而导致混凝土桥面板开裂 因此 ， 研究车桥 耦合振动对混凝土损伤的规律及其机理 ， 具有重要 的理论与应用价值 ， 对指导抗扰动混凝 土的设计具 有 重要 指导 意 义 本文分析了车桥耦合振动特性， 提 出了车桥耦 合振动参数 ， 研究 了其对混凝土性能的影 响规律及 其损伤机理 ， 为抗扰动混凝土的设计、 制备与应用奠 定 理论 基 础 1 原材料 、 试验方 案及方 法 1 1原材 料 水泥 ： 小野 田P 5 2 5硅酸盐水泥； 砂 ： 天然细 河砂， 属级配 3区， 细度模数 2 2 ； 石子 ： 湖州鹿山坞矿 业有限公司生产 ， 大石子粒径 9 5 O 1 9 O 0 mm， 小石 子粒径 4 7 5 9 5 0 mm， 混凝土拌和过程 中 2种石 子的质量 比为 6： 4 ； 减水剂 ： 主要为马贝 S X - C1 6 型 聚羧 酸减 水剂 ， 固含量 ( 质 量 分 数 ， 下 同 ) 为 2 8 ， 部 分试 验采 用 特 密 斯 TMS YJ型 聚 羧 酸 高 性 能 减 水 剂 ， 固含 量 为 2 O 1 2 试验方案 通过前期研究和现场调查 ， 确 定实际车桥耦 合 振动参数主要包括频率、 振幅 、 振动模式和振动作用 时 间 段 ， 并 进 一 步 确 定 基 本 振 动 参 数 为 ： 振 幅 3 5 mm； 频率 5 Hz ； 振动模式为正常模式， 振 1 5 S 、 停 4 5 S ； 振动作用 时问为从混凝土试模成 型开始 计 时 ， 共 1 8 h C 5 0 混凝土成型后按上述频率、 振幅、 振动模式及 振动作用时间完成振动， 然后标准养护至规定龄期 模拟车桥耦合振 动源选择 YS超低频振动机 ， 其主要性能参数为 ： 最大试验负载 1 0 0 k g ； 频率范围 1 - - 4 0 0 Hz ； 振幅 1 5 mm； 振动方 向垂直 ； 振动波 形正弦波( 半波 全波) 1 3 试 验 内容 和方 法 ( 1 ) 混凝土的工作性( 坍落度) 、 凝结 时间等按照 GB T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试验方 法标准 测试 ； 力学性能( 抗压强度和抗折强度) 等按 照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方 法标准 测试 混凝 土振 动后 的强度保持率 ， 是指完 全相同的混凝土试块经过模拟车桥耦合振动环境作 用后各龄期 的强度值与正常静置状态下同龄期混凝 土试块的强度之 比值， 是衡量振动对 混凝土性能影 响 的指 标之 一 ( 2 ) 混凝土 的超声波波速测定采用 C TS - 2 5型 非金属超声波检测仪 考虑到混凝 土在振动作用下 会 发 生一定 程 度 的 离析 ， 导 致 混凝 土 试 块 上 部 和 下 部 的密实程度有所差别 ， 测量时对试块 的上部和下 部分别进行超声波波速测定 ( 将试块某一对侧面均 分成上下两部分 ， 并分别在它们的中心位置上进行 超 声 波波 速测 定) ， 取 平 均值 ( 3 ) 混 凝 土早期 离 析 程 度 采 用 砂 浆 分 层 度 筒 测 定 砂浆分层度 筒 直径 1 5 0 mm， 两 层高 度分 别为 1 0 0 mm 和 2 0 0 mm 当新拌混凝土静置或振动一定 时间后 ， 将分层度筒上部 ( 高度 h 一2 0 0 ram) 、 下部 ( 高度 h z 一1 0 0 mm) 混凝土取出， 用水清洗后留下石 子并烘干 ， 通过测定这两部分石子的质量 比来判断 其离析程度 一般采用石子离析系数 S 和层间不均 匀沉降系数 S 来评价混凝土离析程度 ： S 1 一 2 。 2 m1 ， s = = = 优 1 f 3 m 1 c 式中 ： ， m 分 别为 上层 石子 和下 层石 子 总质 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 蒋正武 ， 等 ： 车桥耦合振动对混凝土早期性能 的影响及其损伤机理 4 7 3 量 ， g ； z 1 I f ， mz l f 3 分别为上层小石子和下层小石子总 质 量 ， g ； m ， 分 别为 上层 大石 子 和下 层大 石 子 总质量 ， g 对于普通骨料混凝 土 ， 一般情况下 S 大于 1 S 越接近 1 ， 说明混凝土的离析程度越小， 反之则说 明混凝土内部 的离析程度越严重 另外 ， 在振动条件 下 ， 如 果层 间不 均 匀沉 降 系数 S 等 于 1 ， 表 明 上 层 和下层 绝对 均 匀 ； 如果 S 。小 于 1 ， 表 明 小 石 子 沉 降 速率小于大石子沉降速率 ； S 越 小， 则表明外界对 混凝土的扰动越大 ， 导致混凝土离析越严重 普通混 凝 土 的 S 一般不 会大 于 1 ( 4 ) 采 用 杭 州 量 子 检 测 仪 器 有 限 公 司 生 产 的 XT Z 一 0 3长臂支架体视显微镜来观察混凝土 内部显 产的 X射线衍射仪来分析水泥浆体 晶相 和矿物成 分 ； 混凝 土 中的孔径 分 布 和 孔 隙率 测定 采 用 Qu a n t a c h r o me AUTOS C AN- 6 0型压汞测孑 L 仪 ， 样品取 自 特定龄期的混凝 土试块 ， 取其 中的内核( 应尽量在再 生粗集料与水泥砂浆界面处取样) ， 经无水乙醇 中止 水化 1 周 ， 用真空干燥箱烘干至恒重 2 结果与讨论 2 1 车桥耦合振动对混凝土抗扰动性能的影响 考虑到重载公路桥 梁桥面混凝 土以 C 5 0强度 等级为主， 因此后续研究主要采用 C 5 0混凝土为研 究对象 经过优化调 整， 确定 C 5 o混凝 土基准配合 比及工作性如表 1所示 ， 基 准混凝土不 泌水 ， 不离 微结构 ； 采用 R i g a k u I n t e r n a t i o n a l C o r p o r a t i o n生 析 ， 工作性良好 裹 1 C 5 0混凝土的基准配合 比及工作性 Ta b l e 1 M i x p r o p o r t i o n a n d wo r k a b i l i t y o f C5 0 c o n c r e t e 2 1 1 车桥耦合振动对混凝土基本力学性能的影响 表 2为正常静置状态下及模拟车桥耦合振动条 件下 ， 混凝土抗压强度及抗折强度试验结果 由表 2 可见 ， 车桥耦合振动对混凝土抗压强度影响较小 ， 对 抗折强度影响较大 原 因是振动一方面会加速混凝 土的泌水， 降低其实际水胶比， 进而有利于混凝土早 期抗压强度测试值的提高 ； 另一方面 由于抗压强度 试块尺寸较小 ， 对混凝土的约束限制作用 比较大 ， 而 抗折强度试块约束较小， 同时抗折强度对混凝 土内 部损伤反应较为敏感， 因此宏 观上表现为振动后混 凝土 7 d抗折强度出现了较为明显的降低 裹 2车桥 耦合振动对混凝土基本力学性能的影响 T a b l e 2 Ef f e c t o f v e h i c l e - b r i d g e c o u p l e d v i b r a t i o n o n b a s i c mech a n i c a l p r o p e r t i e s o f co n c r e t e 2 1 2 车桥耦合振动对混凝土超声波波速的影响 采用 7 d抗折强度试块进行混凝土超声波波速 测试 ， 结果 如表 3所示 裹 3 车桥耩合振动对 混凝土超声波波速的影响 Ta b l e 3 Ef f e c t o f v e h i c l e - b r i d g e c o u p l e d v i b r a t i o n o R u l t ras o n i c wa v e s p e e d o f c o n c r e t e m s 由表 3可见 ， 车桥耦合振动作用使得混凝土 7 d 抗折强度试块的超声波波速有所提高， 这主要是 由 于振动会导致混凝土试块加速泌水 ， 使其实 际水胶 比降低 ， 密实度提高所致 进一步试验表明， 当振动 频率由5 Hz 提高到 8 Hz时， 混凝土超声 波波速 和 密实度均迅速降低 ， 这说明过大频率 的振动对混凝 土 内部 结构不 利 2 1 3 车桥耦合振动对混凝土早期离析程度的影响 模拟车桥耦合振动作用 3 h后 的混凝土早期离 析 程度 如表 4所示 由表 4可见 ， 在车桥耦 合振动作用 3 h后 ， 混凝 土石子离析系数 S 增大 ， 层 间不均匀沉 降系数 S 减小 表明该条件下 的车桥耦 合振动加剧了石子下 沉和浆体上浮 ， 导致混凝土早期离析程度增大 ； 同时 小石子和大石子沉降速率 的差异增大， 致使混凝 土 均匀性降低 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 7 6 建筑材料学报 第 l 8卷 土力学性能的影 响不 同， 当每分钟 内持续振动时间 增加时， 混凝土 7 d抗折强度 和 2 8 d抗压强度会逐 渐 降低 ( 4 ) 在混凝土凝结硬化初期( 贯人阻力40 5 MP a ) 和后期 ( 贯入阻力2 8 0 MP a ) ， 车桥耦合振动对混 凝 土产 生 的破 坏作用 较 小 ； 在 凝 结硬 化 中期 ( 贯 入 阻 力为 0 5 2 8 0 MP a ) ， 车桥耦合振动会导致混凝土 内部 产生 永久 微 裂 纹 等 缺 陷 ， 对 混 凝 土 力 学 性 能 和 耐久性影响较大 参考文献 ： 1 2 3 4 YANG Y B， LI N C W Ve h i c l e - b r i d g e i n t e r a c t i o n d y n a mi c s a n d p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n J J o u r n a l o f S o u n d a n d Vi b r a t i o n ， 2 0 0 5 ( 7 )： 2 0 5 2 2 6 张钧博 公路桥梁 的车桥耦 合振 动研究 D 成 都 ： 西 南交通 大学 ， 2 0 0 7 Z HANG J u n b o Co up l i n g v i b r a t i o n s t u d y o f v e h i c l e - br i d g e f o r h i g h wa y b r i d g e s D C h e n g d u ： S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y， 2 0 0 7 ( i n Ch i n e s e ) 胡晓燕 大跨度公路 桥梁 车桥耦 合振 动响应 研究 D 武汉 ： 武汉理工大学 ， 2 0 0 9 HU Xi a o y a n Re s a r c h o n v e h i c l e b r i d g e c o u p l i n g v i b r a t i o n o f l o n g s p a n h i g h w a y b r i d g e D Wu h a n ： Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y， 2 0 0 9 ( i n Ch i n e s e ) 杨建荣 车一 桥耦合作用下公路 桥梁局部振 动研究 E D 上海 ： 同济大学 ， 2 0 0 7 YANG J i a nr o n g Lo c a l dy na mi c r e s p o n s e o f h i gh wa y b r i d g e s t o mo v i n g v e h i l e s V D S h a n g h a i ： To n g j i Un i v e r s i t y ， 2 0 0 7 ( i n Chi n e s e ) 5 D I ANA G， C HE L I F Dy n a mi c i n t e r a c t i o n o f r a i l wa y s y s t e ms wi t h l a r g e b i r d g e s J Ve h i c l e S y s t e m Dy n a mi c s ， 1 9 8 9 ， 1 8 ( 1 ) ： 7 1 7 6 6 ANS E L LA， J Th e v i b r a t i o n r e s i s t a n c e o f y o u n g a n d e a r l y - a g e c o n c r e t e J S t r u c t u r a l C o n c r e t e ， 2 0 0 3 ， 4 ( 3 )t 1 2 5 - 1 3 4 7 魏 建军， 邢姣 秀， 付智 行车荷载 引起桥 梁振动对 修复 混凝土 性 能影响 J 东 南 大学 学报 ： 自然 科 学 版 ， 2 0 1 0 ， 4 0( 5 ) ： 1 0 5 7 - 1 0 6 0 WE l J i a n j u n ， XI NG J i a o x i u 。 F U Z h i E f f e c t o f t r a f f i c l o a d i n d u c e d b r i d g e v i b r a t i o n s o n c o n c r e t e t e n s i l e p r o p e r t i e s J J o u r n a l o f S o ut h e a s t Un i v e r s i t y：Na t u r a l S c i e n c e ，2 0 1 0，4 0 ( 5 )： 1 0 5 7 - 1 06 0 ( i n Chi n e s e ) 8 张悦然 ， 张永娟 ， 张雄 混凝 土凝 结硬 化阶段抗 扰动性 能研 究 E J 2 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 1 - 4 Z HA NG Yu e r a n 。 Z HANG Yo n g j u a n ， Z HANG Xi o n g S t u d y o i l t h e a n t i- d i s t u r b a n c e o f c o n c r e t e i n t h e s e t t i n g a n d h a r d e n i n g p e r i o d J C h i n a C o n c r e t e a n d C e me n t P r o d u c t s ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： l 一 4 ( i n Ch i n e s e ) 9 潘言全 ， 冯大鹏 国内桥梁 的现状与应解决 的问题 J 中 国水 运 ， 2 0 0 7， 7( 8) ： 7 8 7 9 PAN Ya nq u a n， FENG Da p e ng St a t u s o f d o me s t i c b r i d g e s a n d p r o b l e ms t o b e s o l v e d J C h i n a Wa t e r Tr a n s p o r t ， 2 0 0 7 ， 7 ( 8)： 7 8 7 9 ( i n Ch i ne s e ) E l O 3 葛俊祥 ， 王俊北 浅谈现有公路 桥梁 的现状及 对策 刀 山西交 通科技 ， 2 0 0 1 ， 1 4 3 ( 4 ) ： 2 9 3 1 GE J u nx i a ng， W ANG J un b e iDi s c us s i o n a b o ut t he p r e s e nt s i t u a t i o n a n d c o u n t e r me a s u r e s o f e x i s t i ng hi g h wa y b r i d g e s 口 S h a n xi S c i e n c e Te c h n o l o g y o f C o mmu n i c a t io n s ， 2 0 0 1 ， 1 4 3 ( 4 )： 2 9 3 1 ( i n Chi n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m