基于暴露试验的桥梁混凝土长期弹性模量试验研究

吕毅刚， 韩伟威， 吕健鸣， 刘云峰

(1.长沙理工大学　土木与建筑学院，湖南　长沙　410114；2.长沙理工大学　交通运输工程学院，湖南　长沙　410114)



基于暴露试验的桥梁混凝土长期弹性模量试验研究

吕毅刚1， 韩伟威2， 吕健鸣1， 刘云峰1

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410114；2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410114)

摘要：为弥补传统测试方法的不足，建立暴露试验站，开展了自然暴露环境下的桥梁混凝土长期静、动弹性模量试验研究。运用超声波平测法，取不同测距的接收波波峰相关散点进行回归计算，获取桥梁混凝土的纵波波速及表面波波速，根据动弹性模量与波速的数学关系，计算出混凝土的动弹性模量。基于一批碎石混凝土试件的试验结果，分析了混凝土动弹性模量随时间发展的规律，构建了5～20 mm和5～30 mm两种连续级配碎石混凝土试件的静、动弹性模量换算公式。结合钢筋混凝土构件的试验研究，验证了该静、动弹性模量换算公式的适用性。本试验方法和研究成果为桥梁工程的长期弹性模量无损快速跟踪测试奠定了基础。

关键词：桥梁工程；混凝土；超声波；弹性模量；暴露环境；长期

0引言

近年来，许多国家和地区相继发生了一些严重的混凝土桥梁垮塌灾难性事故，使得桥梁混凝土的长期力学性能问题逐渐引起重视[1-3]。目前对长期力学性能中的弹性模量进行跟踪观测时，主要采用在混凝土试件表面上粘贴应变片，进行静弹性模量测试，其受自身质量及天气的影响较明显，试验工作量很大，费时费力[4]，同时受地理条件及自然环境的限制，一般只能在实验室内进行，方便性很差。

混凝土的性质也可采用动弹性模量描述，各国学者开始探索混凝土的动弹性模量研究[5-7]。Sang-Hun Han、Jin-Keun Kim[8]通过试验研究，发现水泥种类对混凝土动、静弹性模量之间的关系影响不显著。施士昇[9]通过大量的试验研究，发现高强混凝土的动、静弹性模量关系与普通混凝土之间的两者关系接近。郑永来、周澄、黄炜等[10-11]基于不同悬臂梁结构振动试验的试验结果，构建了动态弹性模量随频率变化的理论模型。刘宏伟、谢丽、吴胜兴等[12]进行了混凝土的早龄期动弹性模量研究，发现相对于混凝土自身密度和泊松比而言，超声波波速对动弹性模量的影响较大。张建仁、唐腾、彭晖等[13]利用了一种采用纵波换能器检测混凝土的纵波及表面波的波速，从而测量其动弹模量的技术。此外，孙丛涛、牛荻涛、元成方等[14]通过试验研究，建立了混凝土动弹性模量与超声声速的相互关系。目前对28 d标准龄期的桥梁混凝土动弹性模量的相关研究较多，且骨料组成成分较为单一，而对桥梁混凝土的长期弹性模量研究非常少。由于长期力学性能是一个与环境相关的不确定变量，而实际混凝土桥梁结构处于复杂的自然环境之中，与室内环境条件相差甚远。在以后研究中，如何扩大骨料的应用范围，更进一步建立桥梁混凝土动、静态弹性模量之间的换算关系，并对实际桥梁构件的长期弹性模量进行无损跟踪观测，是一个迫切需要解决的课题。为此，本研究建立暴露试验站，对一批碎石混凝土试件和钢筋混凝土构件进行长期跟踪观测，采用超声波平测法，开展桥梁混凝土长期动、静弹性模量试验研究。

1暴露试验站简介

在一般桥梁生存环境中建立了暴露试验站。首先制作了一批5～20 mm和5～30 mm两种连续级配的C40，C55和C70碎石混凝土棱柱体试件，采用425#硅酸盐水泥、湘江河砂和长沙县莲花桥碎石场的玄武岩碎石，配合比分别为：水∶水泥∶砂∶碎石=0.420∶1∶1.186∶2.304，0.405∶1∶1.849∶2.555和0.360∶1∶1.458∶2.520。在不同测试龄期，用各强度等级和级配相同的混凝土分别制作6个150 mm×150 mm×300 mm标准混凝土棱柱体试件和1个200 mm×200 mm×500 mm大尺寸混凝土棱柱体试件。其次制作了4片2.2 m长的C50钢筋混凝土矩形构件，编号分别为L-A，L-B，L-C和L-D。各片构件的计算跨径为2.0 m，横截面尺寸为b×h=100 mm×180 mm，下缘配置2根直径为12 mm的HRB335纵向钢筋，上缘配置2根直径为4 mm的R235架立钢筋，箍筋采用直径为4 mm的R235钢筋，见图1。采用525#普通硅酸盐水泥，L-A和L-C构件的骨料采用5～20 mm连续级配碎石；L-B和L-D构件的骨料采用5～30 mm连续级配碎石。配合比均为：水∶水泥∶砂∶碎石=0.505∶1∶1.272∶2.554。同时，按照相同的配合比，分别制作了一批5～20 mm 和5～30 mm两种连续级配粒径的150 mm×150 mm×300 mm 素混凝土棱柱体试件。混凝土试件及钢筋混凝土构件都置于暴露试验站中自然养护，见图2。

图1　钢筋混凝土矩形构件的尺寸及配筋(单位：mm)Fig.1　Dimensions and bars of reinforced concrete rectangular members(unit:mm)

图2　混凝土试件及构件自然养护Fig.2　Curing of concrete specimens and members in natural environment

2混凝土试件长期弹性模量试验研究

2.1超声测试混凝土动弹性模量的依据

根据国内外科学研究，超声波声速不可避免地受到混凝土材料组分与结构状况差异等综合因素的影响[15]。混凝土的动弹性模量Ed与泊松比μ等参数之间存在以下关系：

(1)

式中，ρ为混凝土的密度；Vp，Vr分别为超声波在混凝土中传播的纵波速度和表面波速度。

把式(1)进行转换，可得：

(2)

式中，τ为纵波波速Vp与表面波波速Vr的比值。

据式(1)和式(2)可知，只需在混凝土表面获得超声波传播的Vp和Vr，或者两者的比值τ，即可求解混凝土的动弹性模量Ed及泊松比μ。

图3　超声波平测法波形及特征点Fig.3　Waveform and characteristic points of ultrasonic method

将RS-ST01C非金属超声检测仪的一对纵波收、发换能器以一定间距置于混凝土表面，进行超声波平测法测试，可获得如图3所示的波形[16]。因纵波的波速最大及对应的振幅很小，波形的前部分为纵波，且特征点1为纵波的初至点，而表面波的信号强及能量大，随着表面波的到达，波形的振幅会随之突然增大，特征点2和3分别为表面波的到达点和第一个峰值点。

为了消除仪器读数并减少固体材料不均匀性的影响，在混凝土表面，采用多点平测法分别测试50，100，150，200，250，300 mm等6个不同测距的声时值。测试的可能波形特征点如图4所示，根据各测距下所测试的声时数据，绘制A，B，C，D各特征点的测距-声时散点图，用不同测距-声时散点的回归计算方程式，可获得Vp，Vr的大小。

图4　超声波平测法可能的波形特征点Fig.4　Possible characteristic points of ultrasonic plane testing method

2.2混凝土试件长期动静弹性模量试验

(1)静弹性模量试验结果

在不同测试龄期，相同粒径和相同强度等级的标准混凝土棱柱体试件各取6个，进行静弹性模量测试[17]。碎石混凝土试件的静弹性模量Es试验结果见表1。

表1　碎石混凝土试件的长期静弹性模量结果(单位：GPa)

(2)动弹性模量试验结果

在各测试龄期，采用RS-ST01C非金属超声检测仪测试200 mm×200 mm×500 mm大尺寸混凝土棱柱体试件的Vp和Vr，并采用电子称对其称重，得到密度ρ。以下只列举了28 d龄期的碎石混凝土试件的测距与声时之间关系和ρ，Vp，Vr的试验结果。

1)密度试验结果

28 d龄期的各大尺寸碎石混凝土棱柱体试件的密度试验结果见表2。

2)波速试验结果

28 d龄期的大尺寸碎石混凝土棱柱体试件的测距-声时散点图见图5。

表2　28 d龄期的碎石混凝土试件密度(单位：kg/m3)

在图5(a)中，A特征点的各散点相连，几乎为一条直线。运用最小二乘法，进行直线(方程L=a+bt)回归，该直线方程的斜率即为纵波声速Vp。而由于表面波的滞后到达，波形的振幅会突然增大，在B～C特征点、C～D特征点之间产生了畸变，从而导致C，D两特征点的各散点连线为曲线。生成的畸变分支波在以后的各测距中会逐渐变大，并逐步成为独立的波峰，就成为一个新的波峰读数测点。试用一根直线去串联相关测点，如串联图5(a)中的C特征点的第1点与D特征点的第2～4点，将这些被连接测点的测距和声时数据以最小二乘法回归成直线方程L=a+b′t后，方程的斜率即为疑似表面波传播速度Vr[16]。以相同的方式可获得其他粒径和强度等级下的波速结果，28 d龄期的碎石混凝土试件的Vp和Vr试验结果见表3。

图5　28 d龄期的碎石混凝土试件的测距-声时散点图Fig.5　Range-sound diagram of gravel concrete specimens at 28 d age

粒径/mm项目C40C55C705～20Vp/(m·s-1)455946234833Vr/(m·s-1)2261236624335～30Vp/(m·s-1)473348264899Vr/(m·s-1)241824372439

根据上述试验结果，结合式(1)和式(2)，可计算28 d龄期的碎石混凝土试件的动弹性模量Ed，同理可得其他龄期的试验结果，碎石混凝土试件的长期动弹性模量Ed的试验结果见表4和图6。

碎石混凝土试件的动弹性模量随着时间的增长逐渐增大，且在前期增长迅速，后期增长缓慢，增长速率随时间增长而逐渐减缓。

2.3混凝土试件长期动静弹性模量相关性研究

基于最小二乘法，将各强度等级的碎石混凝土试件的静、动弹性模量试验值进行曲线拟合，见图7。拟合曲线的最小相关系数为0.957 5，回归精度较高。

表4　碎石混凝土试件的长期动弹性模量结果(单位：GPa)

图6　碎石混凝土试件的长期动弹性模量曲线Fig.6　Curves of long-term dynamic elastic modulus of gravel concrete specimens

碎石混凝土试件的静、动弹性模量之间存在以下的换算关系：

(3)

式中，κ为换算系数。当粒径为5～20 mm时，κ=0.901；当粒径为5～30 mm时，κ=0.857。

图7　碎石混凝土试件的静-动弹性模量相关性曲线Fig.7　Curves of relativity of static-dynamic elastic moduli of gravel concrete specimens

3钢筋混凝土构件长期弹性模量试验研究

(1)静弹性模量试验结果

在不同测试龄期，取与钢筋混凝土构件相同配比的标准混凝土棱柱体试件各6个，进行静弹性模量测试，试验结果作为相应龄期的钢筋混凝土构件的静弹性模量。钢筋混凝土构件的静弹性模量Es试验结果见表5。

表5　钢筋混凝土构件的长期静弹性模量结果(单位：GPa)

(2)动弹性模量试验结果

在各测试龄期，采用RS-ST01C非金属超声检测仪测试L-A和L-B构件的Vp和Vr，并采用电子称对相同龄期的L-C和L-D构件进行称重，得到密度ρ。以下只列举了28 d龄期的L-A或L-B构件的测距与声时之间关系和Vp，Vr，以及相同龄期ρ的试验结果。

1)密度试验结果

28 d龄期的L-C和L-D构件的密度大小分别为2 595 kg/m3和2 623 kg/m3。

2)波速试验结果

28 d龄期的L-A和L-B构件的测距-声时散点图见图8。

图8　28 d龄期的钢筋混凝土构件的测距-声时散点图Fig.8　Range-sound diagram of reinforced concrete members at 28 d age

根据钢筋混凝土构件的测距-声时散点图，可获得28 d龄期的L-A和L-B构件的Vp和Vr，见表6。

表6　28d龄期的L-A和L-B构件波速

根据上述试验结果，结合式(1)和式(2)，可计算28 d龄期的L-A和L-B构件的动弹性模量Ed，同理可得其他龄期的试验结果，L-A和L-B构件的长期动弹性模量Ed的试验结果见表7和图9。

表7　L-A和L-B构件的长期动弹性模量结果(单位：GPa)

图9　L-A和L-B构件的长期动弹性模量曲线Fig.9　Curves of long-term dynamic elastic modulus of L-A and L-B members

L-A和L-B构件的动弹性模量随时间变化律与混凝土试件的变化规律相同，前期增长迅速，后期增长缓慢，增长速率随时间增长而逐渐减缓。

(3)长期弹性模量误差分析

根据式(3)和表7，可计算出L-A和L-B构件的换算静弹性模量Esh，将其与表5的实测静弹性模量Es进行比较，见表8。

表8　L-A和L-B构件的长期静弹性模量对比分析

L-A和L-B构件的长期换算静弹性模量的最大误差分别为0.25%和0.65%，误差较小。结果表明用式(3)进行5～20 mm和5～30 mm两种连续级配碎石混凝土构件的长期静、动弹性模量换算时，精度较高。

4结论

(1)在进行桥梁混凝土长期弹性模量测试时，为弥补传统方法的不足，采用了超声波平测法测试桥梁混凝土在不同测距下的纵波波速及表面波波速，据此计算出混凝土的动弹性模量。

(2)基于一批暴露试验的5～20 mm和5～30 mm 两种连续级配的碎石混凝土试件，开展了混凝土试件的长期静、动弹性模量试验研究。混凝土的动弹性模量随着时间的增长而逐渐增大，前期增长迅速，后期增长缓慢，增长速率随时间增长而逐渐减缓。

(3)骨料的粒径大小会影响声波在混凝土中传播的速度，基于混凝土试件的长期静、动弹性模量试验研究成果，构建了5～20 mm和5～30 mm两种连续级配碎石混凝土试件的静、动弹性模量换算公式。

(4)对自然暴露环境下的钢筋混凝土构件的长期静、动弹性模量进行了试验研究。将混凝土试件的静、动弹性模量换算公式应用于钢筋混凝土构件的长期静、动弹性模量计算时，精度较高。

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Experimental Study on Long-term Elastic Modulus of Bridge Concrete Based on Exposure Experiment

LÜ Yi-gang1， HAN Wei-wei2， LÜ Jian-ming1， LIU Yun-feng1

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science & Technology，Changsha Hunan 410114，China；2.School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha Hunan 410114，China)

Abstract：In order to remedy the deficiencies of traditional detection methods, an exposure experiment station is established, and the experimental research on the long-term static and dynamic elastic moduli of bridge concrete in natural exposure environment is carried out. By use of ultrasonic plane testing method, the longitudinal and surface wave velocities of bridge concrete are obtained through regression calculation of correlative points of the received wave crests of different ranges. The dynamic elastic modulus of concrete is calculated according to the mathematical relationship between dynamic elastic modulus and wave velocity. Based on the experimental results of a group of gravel concrete specimens, the rule of dynamic elastic modulus of concrete developing with time is analyzed, and the conversion formulas between static elastic modulus and dynamic elastic modulus of the concrete specimens with 5-20 mm and 5-30 mm gravels are set up. The applicability of the conversion formulas is verified by experimental research of reinforced concrete members. The detection methods and findings can lay the foundations of fast nondestructive follow-up detection of the long-term elastic modulus of bridge.

Key words：bridge engineering; concrete; ultrasonic; elastic modulus; exposure environment; long-term

收稿日期：2015-04-20

基金项目：国家重点基础研究发展计划(九七三计划)项目(2015CB057705)；长沙理工大学桥梁结构安全控制湖南省工程实验室开放基金项目(14KD13)；大学生研究生学习和创新性实验计划项目(2014-46)

作者简介：吕毅刚(1978-)，男，湖南邵阳人，博士.(37237308@ qq.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.05.013

中图分类号：U 445.73

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)05-0078-07