爆破振动对新浇筑混凝土强度的影响

万嘉辉，赵 凯，吴建国，史涛宁，马宏昊,3，刘 凯,姚象洋

(1.中铁二十一局集团第五工程有限公司，重庆 402160；2.中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230026；3.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)

为了加快施工进度，在隧道爆破施工过程中，下台阶爆破开挖与仰拱混凝土浇筑往往并行施工，从而存在掘进爆破振动对新浇筑混凝土性能造成影响的问题。长期以来，人们一直认为在爆破振动作用下，新浇筑混凝土(龄期少于1 d)容易受到破坏损伤，以至于制定的新浇筑混凝土安全振动速度值较为保守，这为工程建设带来了一定的影响，可能造成一定的经济损失。因此对新浇筑混凝土安全振动速度的正确认识，能够保证混凝土性能的同时加快施工进度。

卢文波等[1]认为我国现行采用的新浇筑混凝土质点安全振动速度值具有较大的安全储备，同时指出新浇筑基础混凝土的允许振动速度值随混凝土强度的降低而降低，而陈明等[2]认为混凝土在早期受到轻微的振动损伤时，即使产生微裂隙也可随着水泥水化的继续进行得到愈合。因此，超早期混凝土的后期自愈合使得其具有一定的抗爆破振动能力，其安全振动速度应该在3.0 cm/s以上。Hulshizer等[3]认为龄期在24 h以内的柱、梁及墙体混凝土的安全振动速度在3.81 cm/s以上。娄建武等[4]认为龄期为12 h的混凝土即使受到5 cm/s的振动速度也不影响其最终强度。金贤玉[5]认为新浇筑混凝土在加速度为2.1g的振动荷载作用下，其28 d后的强度变化不大，换算成的振动速度约为10.9 cm/s以上。另外，Dunham等[6]认为在混凝土浇注5～6 h后施加振动(5～10 cm/s)，振动对混凝土的7 d和28 d的抗压强度没有影响，但会对其29 d劈裂拉伸强度有一定影响。魏建军等[7]也发现对处于初、终凝前后的混凝土施加设计的振动，会影响混凝土1、3、28 d的劈裂拉伸强度。然而，褚怀保等[8]认为新浇混凝土爆破振动速度应控制在1.5 cm/s以内。吴帅峰等[9]认为龄期在12 h以内的混凝土，其损伤和强度折减的发展随爆破振速(2～10 cm/s)的增加而急剧增大。杨小林等[10]认为新浇混凝土爆破振动安全速度应小于2 cm/s，龄期60 h内新浇混凝土爆破振动安全速度应控制在3 cm/s以内。

综上所述，目前对新浇筑混凝土的安全振动速度认识尚未统一。因此，本文通过对新浇筑后12 h内的混凝土模型进行间隔2 h爆破振动，爆破前后采用声速仪对混凝土的声速变化进行测量记录，同时在混凝土表面不同位置安装振动传感器用于测量振动幅值，结合混凝土中水泥水化过程，分析爆破振动对超早期混凝土强度的影响。

1 实验方案设计

为了精确控制爆破时间，在空旷场地浇筑一个混凝土实验模型，其标号(C25)与仰拱浇筑的混凝土一致。混凝土模型长680 cm，上宽150 cm，下宽100 cm，高100 cm。声速测点共有4个(两孔为一个测点)，爆破前后采用声速仪(RSM-SY5)对混凝土的声速变化进行测量记录，其沿模型纵向方向布置，间隔为150 cm，编号为Ⅰ～Ⅳ；每个测点中孔洞的间距为50 cm，孔洞通过预埋Φ=5 cm的PVC形成。振动测点共有7个，用于测量模型不同位置的振动幅值，其沿模型纵向方向布置，间隔为75 cm，编号为5～11(见图1)。另外，振动传感器(TC-4850)需要在混凝土初凝后(浇筑5 h后)才能安装，而声速仪在混凝土浇筑9 h后才能采集到数据。

图1 混凝土模型及测点Fig.1 Concrete model and measured points

一般认为，水泥与水接触后3 h以内，附着在水泥颗粒的水化物逐渐增多，水泥浆体开始失去塑性，混凝土初具强度[11]。在水泥与水接触后的6～8 h，随着各种水化物的显著增加，水泥颗粒间的空隙由水化产物填充并形成嵌锁结构，强度不断增加，水泥浆体失去塑性，开始硬化形成水泥石，进入硬化期[12]。根据上述水泥凝结硬化的发展过程，本次实验设计了5个进行早期爆破振动的时间点，即混凝土模型浇筑后3、5、7、9、11 h进行爆破扰动，实验所采用的炸药为二号岩石乳化炸药，爆源位置离模型前端70 cm，其埋深为150 cm，药量为2 kg。另外，为了分析新浇筑混凝土在硬化过程中的声速变化，并为判断爆破振动对新浇混凝土强度的影响提供基准值，同时在远离爆源位置浇筑一个对比模型，其与实验模型中的混凝土都是来自同一辆搅拌车。对比模型长100 cm，宽100 cm，高100 cm，并预留2个孔作为声速测点，孔深90 cm。为了获取对比模型在水化过程中声速变化的平均值，采用声速仪对预留孔不同深度(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m)的声速进行测量记录。

2 实验结果与分析

2.1 混凝土硬化过程的爆破振动变化规律

通过软件进行振动波形显示，从波形中可以得到x、y、z方向振动峰值、最大值时间以及主频率等参数。新浇混凝土表面不同位置与不同凝固时间的z方向振动峰值如图2所示。

图2 不同测点位置的z方向振动峰值Fig.2 Peak vibration of z direction at different places

由图2可知，在爆源参数保持不变情况下，随着凝固时间增加，同一测点上的z方向振动峰值逐渐变大，说明混凝土在强度增长初期对爆破振动响应比较弱，即爆破振动对新浇混凝土影响不大；随着水化反应进行，混凝土强度逐渐增长，其对爆破振动响应逐渐增强，从而可能会导致混凝土出现损伤。在本次实验中，z方向振动峰值范围为3～10 cm/s，其随着距离增加而减小。

2.2 爆破振动对新浇混凝土强度的影响

通过声速测点监测对比模型中(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m)不同高度的声速，将监测到的不同深度声速平均值作为判断爆破振动对新浇混凝土强度影响的基准值。其中，对比模型在水化过程中声速变化规律如图3所示。

图3 水化过程中的对比模型声速变化规律Fig.3 Change of acoustic velocity of comparative model in the hydration

由图3可知，新浇筑混凝土声速在浇筑后9～27 h内从2 195 m/s快速增加到3 300 m/s，在浇筑后110 h达到3 516 m/s，即混凝土的强度在浇筑后9～27 h属于快速增长阶段，随后属于缓慢增长阶段。

为了对新浇筑混凝土在凝固过程中受到爆破振动作用而出现的损伤进行分析，将实验模型在爆破振动作用下的平均声速与对比模型的声速平均值进行比较(见图4)。

图4 实验模型与对比模型的声速比较Fig.4 Contrast of acoustic velocity between experimental model and comparative model

由图4可知，相较于对比模型，浇筑后3、5、7、9、11 h的实验模型混凝土在爆破振动作用下，各个时间段的混凝土声速都有所增加，其中，12 h和19 h后平均声速提高了4%～6%，而110 h后平均声速仅提高了1.5%，说明混凝土的强度有所提高。这主要是由于新浇筑混凝土中仍存在大量未完全水化水泥，且此时粗细集料与水泥颗粒之间尚存在大量的孔隙。而且在爆破振动作用下，可能造成初凝体的破坏和微裂隙的形成与发展，比如骨料与水化产物脱离，形成一些新的微裂隙，这会造成集料与水化产物间的黏结力和内聚力的下降。随着时间的增长，混凝土中大量未水化水泥在后期持续发生水化反应，继续生成大量水化产物，此时新生成的胶体将弥补和填充混凝土颗粒间的孔隙和初始微裂隙。因此，在水化产物一定而孔隙总体积不变的情况下，振动产生的部分裂隙随水化反应的进行能够完全愈合，即3～10 cm/s的爆破振动不会影响到实验混凝土的强度。另一方面，爆破振动作用可能释放混凝土早期水化反应导致体积变化引起的内应力，从而改善混凝土所处应力环境；对于新浇大体积混凝土，在重力作用下，也有助于混凝土的自愈，上述原因都有助于提高受振动混凝土的强度[2]。另外，新浇筑混凝土在爆破振动作用下强度反而出现增长，是因为早期振动使混凝土中存在于孔隙中的自由水得以释放从而促进了水泥的水化反应[13]。综上所述，对于新浇筑混凝土，其内部存在大量未水化水泥，后期持续的水化反应使得混凝土即使在爆破振动作用下形成轻微的损伤，也能够完全愈合而不影响其后期强度，甚至强度因振捣作用而有所提高。

为了进一步研究爆破振动作用下实验模型的不同深度声速变化，对测点Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ沿纵向进行声速测量，其随不同深度、时间变化如图5所示。

图5 实验模型在不同深度的声速变化规律Fig.5 Change of acoustic velocity of experimental model at different depths

由图5可知，新浇混凝土在爆破振动作用下，其声速平均值大于对比模型对应的声速平均值，说明浇筑后12 h内的混凝土在3～10 cm/s的爆破振动作用下，其具有振捣效果，但也容易出现骨料下沉趋势，导致实验模型底部声速高于上部，即大体积混凝土可能存在底部强度高于上部，需要进一步取芯进行压缩实验。

3 结论

1)我国现行采用的新浇筑混凝土的安全爆破振动速度标准总体上具有较大的安全储备，而且现行规范的规定将1～3 d混凝土划在同一龄期段似乎太笼统，必须进一步细分。

2)混凝土的强度在浇筑后9～27 h属于快速增长阶段，随后属于缓慢增长阶段。在爆源参数保持不变情况下，同一测点上的振动峰值随着水化反应时间增加逐渐变大，说明混凝土在强度增长初期对爆破振动响应比较弱，随着水化反应进行，混凝土强度逐渐增长，其对爆破振动响应逐渐增强。

3)对于新浇筑混凝土，其内部有大量未水化水泥，即使在爆破振动作用下造成轻微的损伤，也能够完全愈合，而不影响后期强度，甚至强度因振捣作用有所提高。

4)浇筑后12 h内的混凝土在3～10 cm/s的爆破振动作用下，容易出现骨料下沉趋势，导致大体积混凝土可能底部强度高于上部，需要进一步取芯进行压缩实验。