车桥振动对新浇筑混凝土性能的影响研究进展

潘慧敏，潘会滨，赵庆新

(1.燕山大学建筑工程与力学学院，秦皇岛　066004；2.山西省交通科学研究院，太原　030006)



车桥振动对新浇筑混凝土性能的影响研究进展

潘慧敏1，潘会滨2，赵庆新1

(1.燕山大学建筑工程与力学学院，秦皇岛066004；2.山西省交通科学研究院，太原030006)

综述了近年来国内外有关桥面修补混凝土受车桥振动影响的试验和理论研究所取得的成果；对混凝土受扰阶段的确定方法、振动对新浇筑混凝土力学性能产生的影响及抗扰动混凝土的设计与配制进行了详述；分析了目前在该领域还存在的问题，并对今后的研究方向提出了建议。

新浇筑混凝土；力学性能；车桥振动

1　引　言

作为交通基础设施的关键性枢纽，桥梁在交通和交通发展中始终发挥着至关重要的作用[1]。混凝土材料作为桥梁工程中的主要材料[2]，其质量直接关系到桥梁结构的安全。尽管大多数桥梁的设计寿命在50年甚至100年以上，但是由于桥梁所处环境一般比较恶劣，加上很多桥梁都是超负荷运营，在环境和荷载共同作用下，有相当一部分桥梁混凝土在3～10年内即开始出现局部开裂、剥落等破坏现象，导致桥梁使用性能衰退，安全性与耐久性降低，无法满足现代交通的要求[3-5]。据统计，我国现有桥梁中，超过25年使用期的占到40%，均已进入老化期，需要及时进行混凝土修复和加固[6]。

研究表明，混凝土材料内部微结构的形成主要是在其水化的早期，这个时期是水泥水化产物形成最快的阶段，此阶段将形成决定成熟混凝土内部孔结构、物理力学性能、耐久性能的基因[7]。此阶段混凝土中水泥矿物逐渐水化，导致水泥净浆初步硬化，此时骨架结构的初始剪应力变大，但界面过渡区的粘结强度尚未完全形成，对外界扰动非常敏感[8]。基于此，我国在1983年施行的《钢筋混凝土工程施工验收规范》( GBJ 204-83 ) 和1988年出版的《建筑施工手册》中，均对混凝土浇筑施工做出了规定，要求任何混凝土的运输浇灌和振捣必须在混凝土初凝以前完成；在抗压强度未达到1.2 MPa之前，已经震捣成型的新浇筑混凝土构件不能再受到任何扰动，否则会导致未达到硬化强度的混凝土构件破损或断裂[9]。多年来，此概念已为土木工程技术人员所熟知。因此在现阶段，对整体式桥梁进行加固和桥面铺装翻修时，对交通组织只能采用封闭和中断的形式。

然而目前很多地区交通运输量繁重，封闭交通通行会造成巨大的经济损失和不良的社会影响[10]，尤其是一些交通要道更不允许中断交通，只能在开放交通情况下进行旧桥的养护、加固和翻新。

众所周知，桥梁承受的活荷载其来源主要是车辆[11]。当车辆经过桥梁时，移动的车辆会对桥梁施加一个动力荷载并引起桥梁振动，称为车桥耦合振动[12,13]。与静力作用相比，荷载的动力作用会使结构产生更大的变形和应力[14]。在开放交通情况下进行旧桥的加固和翻新时，由于现浇混凝土不可能在短时间内完成凝结，故用于修复的混凝土材料会不可避免的受到车桥耦合振动的波及[15]。于是，未达到硬化强度的混凝土在受到车桥振动后强度是否会降低，是否会引起内部微裂纹进而导致混凝土性能劣化，便成了桥梁工程师关注的焦点[16-18]。

针对桥梁修补混凝土硬化前受车桥振动问题，国内外学者开展了相关探索性研究，并在各自特定的条件下得出了一些结论[19-21]。但由于混凝土是典型的非均质材料[22]，组分复杂，加之能有效模拟桥梁振动的仪器较少，研究的开展较为困难，到目前为止关于修复用混凝土在早龄期受车桥振动后的性能及微结构形成机理仍不清晰。本文对国内外新浇筑混凝土受车桥振动影响的相关研究成果进行了综合评述，并在此基础上，探讨目前在该领域仍存在的问题，旨在为开放交通条件下桥梁加固混凝土性能的研究提供借鉴与参考。

2　混凝土受扰阶段的确定

研究表明，新拌混凝土是一种介于流体与含湿粒子堆聚物之间的材料[23]，具有流变性质，其性能的优劣对硬化后混凝土的性能起着决定性作用[24,25]。根据混凝土凝结硬化理论[26]及流变学基本原理，刚施工完毕处于初凝至终凝之间阶段的混凝土可以看作是一种宾汉姆体，由塑性黏度和剪切应力共同控制。混凝土在初凝前，振动力对其有重塑作用，若超出初凝时间外，施加振动力会使混凝土初始结构遭受破坏、内部结构变得酥松，强度明显降低[27]。基于此，张悦然[28]、张永娟[29]等根据贯入阻力值将混凝土凝结硬化阶段划分为三个不同时期，贯入阻力值0～7 MPa为初期，7～28 MPa为中期，大于28 MPa为后期。并通过模拟振动试验，研究了扰动阶段对混凝土性能的影响，提出了混凝土的受扰敏感期。研究表明：凝结硬化初期的扰动会导致混凝土中的粗骨料下沉，影响混凝土的早期强度，28 d抗压强度损失最大为2.5 MPa,平均强度损失在1 MPa左右；混凝土在凝结硬化中期抗扰动性能最差，扰动导致其强度损失最大为3.5 MPa，平均强度损失约为2.2 MPa。凝结硬化后期，扰动对混凝土的早期强度影响不大。并基于试验结果分析提出：在硬化初期加固桥梁时，应限制交通流量；在中期加固时，应禁止车辆通行；后期混凝土抗扰动性明显增强，加固桥梁时，可正常通行。

3　车桥振动对新浇筑混凝土性能的影响

随着交通流量的日益增大，行车荷载引起桥梁振动对新浇筑混凝土的影响逐渐受到学者的关注。关彦斌等[30]通过模拟振动试验，研究了混凝土凝结硬化不同阶段的振动对混凝土抗压性能的影响。试验结果表明，初凝前受到振动的混凝土，其早期和后期的抗压强度没有出现下降；初凝至终凝期间的振动，对混凝土的早期和后期抗压强度影响不明显。发生在终凝后的振动，其振动能量较小时会造成混凝土的早期抗压强度下降，但对后期强度影响不大。Manning[31]通过试验模拟了桥梁振动对桥面修补混凝土的影响。研究表明，只要混凝土配合比设计合理，钢筋与混凝土间的黏结强度和混凝土抗压强度受桥梁振动的影响不大，相反黏结强度与抗压强度均稍有提高。陈大华等[32]通过对室内试件与现场试件力学性能进行对比，研究了浇筑混凝土时铁路列车振动对梁体混凝土力学性能的影响。结果表明：列车振动后现场受振试件较室内基准试件的力学性能下降5%左右，但采取火车限速、强化混凝土的配比及加强施工管理等有效措施后可以保证梁体混凝土的质量，满足设计要求。叶东升等[33]针对火车行驶振动对某跨铁路线桥混凝土施工的影响，通过现场测试手段，并结合模型和试块的模拟振动试验及加载破坏试验工作，深入研究了现浇混凝土受火车行驶振动的影响。研究认为：混凝土在凝结硬化过程中，其内部结构的形成过程在一定程度上受到了振动干扰的影响。一定振幅和频率范围内的振动使混凝土强度有所提高，振动持续时间对混凝土强度影响不大；混凝土初凝阶段的振动会使其表面下降明显，导致其体积缩小率明显高于基准混凝土。卜良桃[34]以两座多跨拼接连续刚构桥的混凝土施工为背景，研究了新浇筑立方体混凝土试件受振动的情况。实验中设置连续振动时间为16 h，利用超声波探测受振后的混凝土试件内部损伤情况，并测试了抗压强度及混凝土与钢筋的握裹力变化。结果表明，早期的振动并未使混凝土内部出现损伤，相反抗压强度及与钢筋的握裹力均有所提高。

由于桥梁上出现的混凝土早期裂缝大多是由于内部拉应力引起，魏建军等[35]通过对桥梁固有频率和标准振幅的统计研究，选取振动频率4 Hz和振幅值3 mm 作为振动条件，对处于初凝与终凝之间的混凝土材料进行了不同振动参数的扰动，研究了振动对混凝土劈裂抗拉强度的影响。试验采用4种不同频率和振幅的组合，选择6个不同时间点，振动持续时间为30 min。研究发现：受振混凝土的劈裂抗拉强度与振动的振幅有关，振幅为5 mm以上时，受振试件1 d、3 d和28 d的劈裂抗拉强度均有下降，最高降低10%。蒋正武等[36]采用YS超低频振动机模拟车桥耦合振动，通过改变振动参数，系统研究了振动对混凝土性能的影响规律。结果表明：混凝土受振后密实度降低，力学性能逐渐下降，早期离析程度和不均匀性增大；混凝土凝结硬化前期(0～6 h)和后期(>15 h)的振动对混凝土影响较小，中期(6～15 h)的振动对混凝土影响较大，振动降低了混凝土抗折强度和抗压强度，尤其是抗折强度降低显著，强度损失约15%；提高振动频率会加剧混凝土内部裂纹的产生和发展，振幅为7 mm时，混凝土抗折强度损失接近20%；持续振动时间越长，混凝土7 d抗折强度和28 d抗压强度降低越明显。Kwan等[37]研究了早期车辆荷载产生的振动对桥面加宽处新浇筑混凝土裂缝宽度的影响，试验结果表明：当初始振幅在3 mm以上时，混凝土产生的裂缝宽度在0.2 mm以上。

4　抗扰动混凝土的设计与配制

针对在不中断交通的情况下对桥梁进行加固改造时，新浇筑混凝土受车桥振动的影响问题，国内外学者提出了抗扰动混凝土的概念。张永娟等[29]从缩短混凝土受扰期、减少表面裂缝和提高自愈合率三个方面对改善混凝土抗扰动性能的途径进行了研究。结果表明：贯入阻力为3.5～28 MPa时，混凝土受扰后的强度大幅降低，掺6%调凝剂可使混凝土受扰期从6.0 h缩短到2.5 h，使其抗扰动性能明显提高；抗裂增韧外加剂对混凝土表面裂缝有一定的控制作用，掺1200 g/m3抗裂增韧外加剂可使混凝土表面裂缝减少约50%，其抗扰抗裂性能显著提高；掺入适量膨胀剂可显著改善混凝土的自愈合率，掺9%膨胀剂的混凝土后期抗压强度达到基准混凝土的95%以上，抗扰动性能明显提高。何燕等[38]利用超声波检测分析了扰动对混凝土强度的影响，对加固混凝土的抗扰动机制进行了机理分析，提出了配制抗扰动混凝土的3种技术途径，并通过正交试验分析了3项技术途径的复合效应。张悦然等[39]从桥梁修补混凝土的研究现状入手，对混凝土抗扰动性能及影响因素进行了研究。研究认为：混凝土结构形成动力学与水泥净浆十分相似，水泥浆本身的内聚力决定了混凝土结构的强度，而混合物中的集料则扮演了延长结构形成时间和降低初期结构强度的角色；掺入纤维和膨胀剂均能起到提高混凝土抗扰动性的作用，增强混凝土抗裂性。刘峰[40]针对京新高速公路工程新旧桥梁桥面板连接施工时，连接混凝土质量受到振动影响的实际问题，提出了抗扰动混凝土的技术方案。研究认为采用普通硅酸盐水泥、掺加早强高性能聚羧酸减水剂并辅以一定的交通导行措施，能够解决新旧桥梁桥面板的连接问题，保证混凝土的连接质量。周大庆等[41]从混凝土工程修补需求角度出发，提出了抗扰动混凝土的定义及特点，研究了新型抗交通扰动自密实混凝土的配制技术。结果表明：在混凝土中加入抗扰动外加剂和聚羧酸高性能减水剂，既可以使混凝土具有高流动性、良好的穿越钢筋能力和抗离析能力，又可以较好地抵抗交通扰动；通过对混凝土配合比基本参数进行优化并结合外加剂复掺技术，能够保证所配制出的C50机制砂抗扰动自密实混凝土初终凝时间差小，早期强度增长较快；实际应用表明，车桥耦合振动对抗扰动自密实混凝土的影响较小，受振新拌混凝土及硬化混凝土的内部基本无损伤。

5　展　望

如前所述，对于桥面修补混凝土受车桥振动后的性能研究，国内外已做了相关的探索并取得了一些有价值的研究成果。这些成果对新浇筑混凝土的施工质量控制，确保桥梁的安全性和耐久性都具有重要意义。然而，由于试验条件的差异和混凝土性能的复杂性，不同学者所得出的结论不尽相同，甚至有些相互矛盾，目前仍无统一的定论，尚有许多关键性问题亟待解决。还存在以下问题急需展开深入的研究：

(1)车桥系统振动机理在桥梁设计、维护和控制中起着非常重要的作用，但迄今为止桥梁的振动特征尚未完全明确[42]。而目前已有的研究多以单一实际工程为背景，对振动源的选择及振动特征均进行了简化以便于模拟，故得到的结论较为单一，并且针对受振混凝土微观结构形成机理、损伤劣化过程的研究更鲜有报道；

(2)众多研究表明，车桥振动会对凝结硬化过程中的混凝土造成损伤，但已有研究大都针对单一类型的混凝土进行，对不同类型的混凝土(如普通混凝土、自密实混凝土)影响规律是否一致，尚了解甚少；

(3)水泥基材料内部微结构的形成主要是在其水化的早期[7]，随着车桥振动的持续，混凝土内部水泥水化产物也在不断形成，是一个动态发展的过程。目前的研究方法较为单一，难以获得和追踪到最重要、关键的微结构形成过程的相关信息。因此，有必要从细观层次，利用新型技术方法并结合数值模拟等现代分析方法对受车桥振动的混凝土性能进行深入探索。

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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

国家自然科学基金(51578477);河北省高等学校科学技术研究青年基金(QN2015250)

潘慧敏(1978-)，女，在读博士生，副教授.主要从事高性能混凝土材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0449-04