行车荷载引起桥梁振动对新老混凝土黏结性能影响

魏建军, 付　智，张金喜

(1.北京工业大学　交通工程重点实验室,北京　100124；2.交通运输部公路科学研究院,北京　100088)



行车荷载引起桥梁振动对新老混凝土黏结性能影响

魏建军1, 付智2，张金喜1

(1.北京工业大学交通工程重点实验室,北京100124；2.交通运输部公路科学研究院,北京100088)

摘要：为了确定在混凝土早龄期时受到行车荷载引起桥梁振动对新老混凝土黏结面抗拉性能的影响，采用峰值振动加速度为0.08g，0.16g，0.32g，3种振动能量，分别模拟轻、中、重3种交通状态引起的桥梁振动，对处于早龄期的新老混凝土黏结面进行振动试验。试验结果表明：振动发生在初凝前，3种形式的交通(轻、中、重)引起的振动对新老混凝土黏结面早期抗拉强度有增加作用。振动发生在初凝至终凝阶段，轻交通引起振动对新老混凝土黏结面的强度影响不明显；中等和重交通会造成黏结面早期抗拉强度(7 d以前)下降。振动发生在终凝后，轻交通引起的振动对新老混凝土黏结面的强度影响不明显；中等交通的振动会造成黏结面早期强度的下降；重载交通会造成黏结面的强度整体下降。

关键词：道路工程；桥梁修复混凝土；试验研究；新老混凝土黏结性；行车荷载引起的振动

0引言

新老混凝土的黏结在桥梁修复加固过程中比较常见。桥面翻修时新的铺装层与原有梁顶面的部位、桥面加宽时新旧桥面连接部位等都涉及到新老混凝土的黏结问题。目前，不中断交通条件下行车荷载引起扰动对修复混凝土性能影响的问题研究主要集中在扰动对混凝土本身的力学性能方面[1-5]，而在新老混凝土黏结部位的黏结性能方面研究较少。曾有报道[2,6]，桥面铺装的早期破坏(如铺装层混凝破碎并与主梁顶面脱开、修补结构在工作很短时间后黏结面出现裂缝等)可能与桥梁修复加固过程不中断交通有关。本文针对桥梁修复加固过程中新老混凝土黏结面的破坏形式的分析，重点研究新老混凝土黏结面在受到行车荷载产生的振动扰动后其抗拉强度的变化规律。研究结果将对分析桥面修复加固后出现的早期破坏有积极的作用。

1行车荷载引起桥梁振动的室内试验模拟

行车荷载作用下的桥梁振动，是一种移动荷载作用在多自由度系统上的受迫振动。如何利用室内振动设备近似模拟这种受迫振动的研究比较少。王朝祥[7]和陈蕴生[8]曾经利用能量相等原理，将爆破振动通过室内振动台的振动频率、振幅和振动次数进行模拟。David Manning[1]认为在室内模拟行车荷载作用下桥梁结构的振动，利用振动设备的频率和振幅组合进行模拟是比较合理的。Shraddhakar Harah、A.K.H. Kwan[9-10]和卜良桃等进行室内模拟试验时，直接采用现场实测桥梁在行车荷载作用下的振动频率和振幅。进行室内模拟，除了确定出可行的频率和振幅，还应当考虑振动能量的大小。通常，描述振动能量大小可以用振动加速度表达。Sandor Popovics[11]通过对回转振动器的研究提出了利用振幅和频率计算振动加速度的方法。David Manning通过调研提出：当桥面的交通组成以轿车和轻型货车为主时，现场检测桥梁振动加速度为0.05g～0.1g左右；以轻型货车为主并有少量重载车辆(双后轴整车、多轴拖挂车等)的交通组成时桥梁振动加速度在0.1g～0.2g之间；以重型载重车辆(双后轴整车、多轴拖挂车等)为主的交通组成时，现场检测桥梁振动加速度范围在0.2g～0.4g之间。

本次试验采用的振动设备是经过改装的砂浆振实台。经改装后的胶砂振实台可以完成频率范围为1～4.5 Hz，振幅为1～10 mm范围的等幅等频率的振动。振动时产生的波形是连续的正弦波。根据文献[12]中对中小跨径桥梁一阶固有频率和跨中挠度所确定的范围，本次试验选用振动设备为3个振动频率和振幅组合用于模拟3种不同交通状态下行车荷载引起的桥梁振动形式，具体参数见表1。

表1　不同振动组合下振动加速度与模拟交通状态对应关系

2试验研究

2.1试验设计思路

研究在初凝之前、初凝和终凝、终凝后，不同阶段的新浇注混凝土和老混凝土之间的黏结面受到3种不同振动能量的振动(模拟3种不同交通状态)，其抗拉强度的变化情况；分析不同振动能量、振动发生时间等因素对新老混凝土黏结强度的影响。

2.2试验用混凝土配比及设备

试验用混凝土配比为，水泥410 kg∶水176.3 kg∶砂684.43 kg∶碎石1 165.37 kg，水灰比0.43。坍落度为120 mm。经测定新拌混凝土的初凝时间为4 h，终凝时间是6.5 h。试验中选取的振动设备是经过改装的水泥胶砂振实台。改装后的胶砂振实台可以完成频率范围是1～4.5 Hz，振幅范围为1～10 mm的振动。

2.3试验过程

2.3.1老混凝土黏结面的制作

为了保证新老混凝土很好地黏结，老混凝土表面需要进行打毛处理，使老混凝土中的骨料外露。试验时，先成型100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试块，在接近混凝土终凝时(6～7 h)将试块脱模，并用钢刷对试块两个侧面进行划毛处理，直至侧面露出骨料为止(见图1)。为了保证所划出粗糙面上粗糙度比较均匀，试验时严格控制粗糙面的表面构造厚度为6～8 mm。最后将处理好的带有粗糙面的混凝土试块放到标养室养生至60 d龄期。

图1　老混凝土黏结面粗糙程度Fig.1　Roughness of bonding surface of old concrete

2.3.2对新老混凝土黏结面的振动

以其中一个振动参数为例。准备100 mm×100 mm×100 mm三联试模40组。将带有粗糙面的老混凝土试块从中间切开，做成100 mm×100 mm×44 mm的长方体试块，放入100 mm×100 mm×100 mm 的立方体三联试模中，粗糙面向内。按配比制备约30 L混凝土。将新混凝土浇入试模，并在振动台上振捣成型(见图2)。混凝土成型后10 min，从40组三联试件中任取10组(试验中设计了5个龄期，每个龄期由两组三联试模计6个试件组成)放置到振动台上振动4 h(初凝左右)，取下试块。在成型后的4.5 h，从剩下的30组试件中任取10组放置到振动台上振动2 h，大约到新浇混凝土的终凝时间(成型后的6.5 h)，然后取下试块。再从剩下的20组三联试模中任取10组，放置到振动台上振动5～6 h后取下试块。最后剩下的10组试件是没有受到振动的试块，试验时将它们与受到振动的试块对比。振动结束后，将40组试件按龄期要求在标准养护室分别养生至3，5，7，14 d和28 d龄期，进行黏结面的抗劈裂强度试验。最后得到5个龄期，3种振动方式下受到振动和未振新老混凝土黏结面的抗拉强度。

图2　新混凝土浇注及黏结面成型Fig.2　New concrete casting and bonding surface forming

3试验数据处理与结果分析

3.1判断对比强度发生变化的阀值

根据混凝土材料自身的特点，同一批成型的混凝土其强度值有一定的波动性。本次试验中受到振动混凝土与未振混凝土为同一批成型，测得的黏结面劈裂强度会有不同。如何区分受振黏结面强度与未振黏结面强度之间变化是由振动引起的，还是因这批混凝土自身强度正常波动的差异引起，是分析振动是否对黏结面性能产生影响的关键。Michael R. Dunham[3]认为，受到外界干扰的混凝土，当其强度对比未受到干扰的变化(对比强度变化)超过7%时，才可认为是外界因素导致混凝土强度出现变化。金贤玉在判断爆破振动对混凝土强度是否产生影响时，采用了5%的标准。魏建军[10]利用假设检验的方法论证了当每组试验数据的变异系数在10%时，判断对比强度变化的阀值是8%，也就是说当受振强度与未振强度的变化在8%以上时可以认为振动对黏结面强度产生影响，8%以内则没有影响。

3.2对比强度趋势变化的评价方法

在数据处理的过程中经常出现各个龄期的对比强度变化有波动的情况。如3 d龄期对比强度变化值为+10%，7 d龄期的变化值为-9%，而28 d龄期又出现+6%的情况。如果以单独一个龄期的对比强度变化判断振动对黏结面强度的影响，会出现3 d龄期的强度增加，7 d龄期下降，而28 d龄期的强度没有变化的结论。这没有真正反映出强度变化在整个龄期发展上对黏结面产生影响的规律。因此，论文提出了对比强度变化趋势的评价方法。该方法认为混凝土强度发展随龄期呈对数规律变化。首先根据不同龄期黏结面抗拉强度数据进行拟合，得到黏结面强度y(受振的与未振的)与龄期x的关系方程；然后将两个关系方程联立方程组，分别计算出强度变化(y振-y未振)/y未振为±8%和0的龄期x；最后根据强度变化为±8%的龄期、强度变化为0的龄期、3 d和28 d龄期的强度变化等5个因素综合分析振动对黏结面抗拉强度的影响。

3.3试验结果分析

图3～图5列出3种不同振动形式下受振与未振新老混凝土黏结面上抗拉强度随龄期变化的规律。可以看出，不同龄期的散点采用对数形式的回归曲线拟合后，其相关性比较好。

图3　受振与未振黏结面的劈裂强度趋势变化(初凝前受振)Fig.3　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated before initial setting)

图4　受振与未振黏结面的劈裂强度趋势变化(初凝至终凝)Fig. 4　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated between initial setting and final setting)

图5　受振与未振黏结面的劈裂强度趋势变化(终凝后)Fig.5　Changes of split strength of vibrated and non-vibrated bonding surface (vibrated after final setting)

3.3.1初凝前振动对黏结面抗拉强度影响

根据表2，振动能量(频率-振幅，下同)2 Hz-5 mm和2 Hz-10 mm 使黏结面的劈裂强度分别在4.5 d前和4.1 d前的对比强度变化超过+8%。这说明两种振动能量增加了黏结面早期抗拉强度。在龄期是28 d时，强度变化缩小至1%，后期强度基本没有变化。振动能量是4 Hz-5 mm时，对比强度变化在较早龄期时(2.3 d以前)超过+8%。在龄期10 d时强度变化为零。3 d～28 d龄期之间的强度变化范围在4%～-1%之间，说明4 Hz-5 mm的振动能量黏结面强度在整个龄期上影响不大。

表2　新老混凝土黏结面强度变化计算结果(初凝前受振)

3.3.2初凝至终凝阶段振动对黏结面抗拉强度影响

根据表3，振动能量是2 Hz-5 mm时，黏结面抗拉强度在整个龄期上对比强度变化范围在-1%～1%之间，说明2 Hz-5 mm的振动能量对黏结面的抗拉强度没有产生影响。振动能量是2 Hz-10 mm和4 Hz-5 mm时，黏结面强度分别在5 d龄期前和10 d龄期出现强度下降超过8%的情况。这说明这两种振动能量会造成黏结面早期强度下降。根据3 d和28 d龄期的对比强度变化，可以看出两种振动能量造成的黏结面强度下降会随着龄期的增加有所恢复。

表3　新老混凝土黏结面强度变化计算结果(初凝至终凝)

3.3.3终凝后振动扰动对新老混凝土黏结面抗拉强度影响

根据表4，振动能量是2 Hz-5 mm时，受振与未振黏结面强度在整个龄期上变化范围在3%～2%之间。这说明2 Hz-5 mm的振动能量对黏结面的强度没有产生影响。振动能量是2 Hz-10 mm时，黏结面强度在2.7 d龄期前出现强度变化是-8%的情况。振动能量是4 Hz-5 mm的振动时，在龄期6.7 d前强度下降超过8%，3 d龄期对比强度变化为-9%。这说明4 Hz-5 mm 的振动能量会造成黏结面早期强度下降。

表4　新老混凝土黏结面对比强度变化计算结果(终凝后)

3.4对试验结果的机理分析

新老混凝土黏结面强度发展主要受老混凝土粗糙度、新混凝土强度发展等因素影响。初凝前，新混凝土中水泥处在水化的诱导前期和诱导期。水泥颗粒不断水化并在表面形成半渗透膜。随着半渗透膜层的变厚，水泥颗粒的水化受到阻碍。发生在初凝前的振动可以将水泥水化诱导期形成的半渗透膜层振裂，水能够在破裂的地方进入到水泥颗粒内层，促使水泥水化继续进行，水化产物增多，从而增加了新老混凝土界面过渡区的密实性，提高了黏结面的早期强度。

初凝至终凝阶段，混凝土处在硬化初期，混凝土内部强度正在形成。黏结面强度主要来自水泥水化产物与老混凝土黏结面(主要指集料表面)的黏附力。发生在这个阶段的振动，如果能量小，则不足以破坏水化产物之间的黏附力，对黏结面强度发展不造成影响。振动能量大，水泥水化所形成的黏附力遭到破坏，黏结面强度出现下降。随着振动的停止，黏结面上的水化重新进行，强度逐渐形成，后期强度得以恢复。因此，出现早期强度下降后期强度下降不明显的情况。

终凝后阶段，新混凝土进入硬化阶段，混凝土开始具有强度。一方面水泥水化产物不断增多，不断填补水化产物形成的结构，黏结面过渡区更加密实；另一方面在界面过渡区中有微裂缝和孔隙等微缺陷形成。新老混凝土黏结面变得比较脆弱，发生在这个阶段的中等能量的振动就可能改变黏结面界面过渡区内部微结构，促使过渡区中微裂缝的发展，使得黏结面强度下降。

4结论

本文通过振动台在室内模拟轻交通、中等交通和重交通3种不同交通形式引起桥梁的振动，研究不同振动能量对新老混凝土黏结面抗拉性能影响。得出结论为：

(1)行车荷载引起桥梁振动发生在新混凝土初凝前，3种形式的交通(轻、中、重)对新老混凝土黏结面早期抗拉强度有增加作用。

(2)行车荷载引起桥梁振动发生在新混凝土初凝至终凝阶段。轻交通对新老混凝土黏结面的强度影响不明显；中等和重交通会造成黏结面早期抗拉强度(7 d以前)下降。

(3)行车荷载引起桥梁振动发生在新混凝土凝结硬化的后期(终凝后)。轻交通对新老混凝土黏结面的强度影响不明显；中等交通会造成新混凝土早期抗拉强度的下降；重载交通会造成黏结面的强度下降。

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Effect of Traffic Load Induced Bridge Vibration on Adherence of New and Old Concrete

WEI Jian-jun1, FU Zhi2, ZHANG Jin-xi1

(1. Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

Abstract：In order to testify the effect of traffic vibration induced bridge vibration on the tensile property of the adherence of new and old concrete during early age of concrete, a vibration test on such adherence is conducted. In the test, the vibration energy whose peak acceleration values are 0.08g, 0.16g and 0.32g are used to simulate the bridge vibrations induced by light, middle and heavy traffic respectively. The test result shows that (1) when vibrations occurred before concrete initial setting, all the 3 levels of traffic induced vibration can enhance the early age bond strength of new and old concrete; (2) when vibrations occurred between initial setting and final setting, light traffic induced vibration has little effect on the bond strength, middle and heavy traffic induced vibrations can decrease the early age (before 7 d) bond strength; (3) as to the adherence of new and old concrete when vibration occurred after concrete finial setting, light traffic induced vibration has little effect on the bond strength of new and old concrete, its early age bond strength descends under middle traffic induced vibration, and its bond strength drops largely with heavy traffic induced vibration.

Key words：road engineering; bridge repair concrete; experimental study; adherence of new and old concrete; traffic induced vibration

收稿日期：2015-05-27

基金项目：国家自然科学基金项目(51278016)

作者简介：魏建军(1973-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士后. (weijianjun1116@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.05.010

中图分类号：U443.33

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)05-0061-05