爆破振动对新浇混凝土影响的试验研究

吴帅峰， 王 戈， 袁东凯， 刘殿书

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083; 2.开封市质量技术监督检验测试中心，河南 开封 475000)

爆破振动对新浇混凝土影响的试验研究

吴帅峰1， 王 戈2， 袁东凯1， 刘殿书1

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083; 2.开封市质量技术监督检验测试中心，河南 开封 475000)

为探究新浇混凝土受爆破振动作用下的安全振速，以保证混凝土结构的可靠性，采用露天深孔爆破作为振源，对龄期为6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的C40混凝土分别在2～10 cm/s的爆破振速下进行试验。通过测试各龄期试件在受振动扰动后的纵波波速及抗压强度，分析得出：龄期为6 h和12 h时，2.3 cm/s的爆破振速能够使混凝土产生大于0.05的损伤以及5%以上的强度折减；龄期为36 h和48 h时，能够对混凝土造成损伤和强度折减的振速为4 cm/s，36 h龄期为混凝土抗振能力提升的拐点；龄期为72 h时，混凝土表现出明显的抗振性能。最后，以损伤不大于0.05和强度折减不大于5%双重指标，给出龄期为6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的混凝土安全振速分别为2 cm/s、2 cm/s、4 cm/s、5 cm/s、7 cm/s。为完善新浇混凝土在爆破振动下的安全标准提供参考。

新浇混凝土；爆破振动；混凝土龄期；安全振速

在爆破施工与浇注混凝土交叉并行施工的情况下，会引起爆破振动对临近新浇混凝土的扰动问题，如地下工程爆破开挖与浇筑混凝土支护围岩，水电工程中爆破开挖与大坝混凝土浇筑。工程资料与试验数据均表明，爆破振动对新浇混凝土产生不利影响，我国相关的规程和标准[1-2]均将3天内的新浇混凝土划分为同一个龄期，并给出相应的安全振速标准，如表1所示。而实际上，0～3天龄期是混凝土强度增长最快的阶段，工程经验表明龄期在12 h内强度增长最快且对外界扰动最敏感，龄期大于24 h后强度增长速率减缓而抵抗外界扰动能力增强，当龄期增长到72 h后时强度大幅度提高，约达到28天龄期强度的60%，抗外界扰动能力也大幅提高。因此，给定0～3天龄期的混凝土为同一个安全振速标准过于笼统，也不利于施工过程对安全判据的把握[3-4]。李毅敏等[5]采用室内模型试验的方法，对1、2、3、5、7、10天龄期混凝土试件进行落锤振动冲击试验，得出振动扰动下强度与龄期的关系。戴思南等[6]采用数值模拟的方法，对大尺寸混凝土结构在1、3、7天龄期下受爆破振动扰动进行研究，确定出各龄期混凝土爆破振动安全允许控制值。谷海清[7]采用现场试验方法对1天和3天龄期的桩基混凝土进行抵抗爆破振动能力试验，给出1天和3天龄期混凝土的允许质点振动速度分别为2～3 cm/s和6～8 cm/s。卢文波等[8-9]建立新浇混凝土在爆破Rayleigh波作用下的理论计算模型，由此采用数值模拟方法得出1、3、7、28天龄期混凝土的爆破安全振速。相关研究均得出规范给定的新浇混凝土的安全振速标准较为保守，而且不够细化，特别是针对0～3天内的数据过于笼统。目前，国内外尚缺少不同强度标准混凝土3天内的爆破安全振速标准，这些方面的研究工作还有待进一步开展。

表1 规范给出的新浇混凝土安全振速

基于此研究现状，本文对0～3天龄期混凝土进一步细化，分别为6 h、12 h、36 h、48 h和72 h，并分别监测5个龄期混凝土在露天深孔台阶爆破振源作用下的损伤和强度折减，对安全振速临界值进行探讨，以完善上述研究。

1 爆破振动对新浇混凝土影响机理

水泥作为混凝土中的胶凝材料，随着龄期的增加，水化反应逐渐完全，形成的凝胶体填充颗粒之间空隙，毛细孔越来越少，使结构更加紧密，水泥浆体逐渐产生凝结与硬化，形成坚固的整体。混凝土终凝到3天龄期之间的水化反应是早期强度形成的关键时期，正常养护条件下的普通硅酸盐水泥3天龄期的强度为28天龄期的40%～60%。在此阶段，水泥的水化反应还未完全，在爆破振动作用下会形成内部随机分布的微裂纹或贯通裂纹，这些裂隙不但破坏凝胶体强度的形成，妨碍水化反应的正常发展，而且会造成混凝土的强度、极限拉应变和抗渗性降低，严重的还导致混凝土直接破坏。

初凝前的混凝土受到的爆破振动扰动相当于二次振捣作用，不会造成破坏。初凝后，过大的爆破振动使混凝土内部产生拉应力，同时混凝土内部水化热释放形成温度应力，徐变及自收缩形成拉应力等，而混凝土的抗拉强度是抗压强度的1/10左右，此时混凝土的抗拉强度还未形成或强度极小，易产生裂纹，造成损伤，影响结构整体性，严重的造成破坏。

爆破振动扰动对新浇混凝土影响的特点为：①爆破荷载拉应力的影响。混凝土是脆性材料，抗拉强度低，极限拉伸小，约为100 με。爆破振动扰动所产生的拉应力，同自身的温度应力和收缩应力协同作用下极易超过抗拉极限产生破坏;②混凝土与边界耦合的影响。早期混凝土波阻抗、弹模小，与基岩接触面成为弱耦合界面，爆破应力波在界面处发生反射、透射等一系列复杂传播行为，过大的振速会造成新浇混凝土在界面处脱开，影响结构整体性;③初凝后，过量的爆破振动会造成水泥浆与骨料脱开，进而形成贯通的裂缝，造成损伤，强度降低;④爆炸应力波频率的影响。在露天台阶爆破或隧道开挖爆破中所产生的振动主频通常大于20 Hz，而混凝土的1～3阶振型的自振频率小于10 Hz，此种情况下由共振引发破坏的可能性极小。而大药量硐室爆破产生的振动主频较低，应防止共振引发的破坏。

2 现场试验方案

2.1 试验方案设计

新浇混凝土受爆破振动扰动的现场试验的核心思想在于：首先，将混凝土试件布置在离爆心距不同距离的测线上，使其受到不同爆破振速的扰动；其次，在相同爆破条件下，对龄期为6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的5组混凝土进行试验，使每组混凝土均受到不同爆破振速作用；最后，测得不同龄期试件在爆破振动扰动下的声波速变化和单轴抗压强度变化，结合各测点所测得的振动速度，得出损伤扰动规律和强度扰动规律，同时给出各龄期下爆破振动速度允许值。整体测试系统如图1所示。

图1 试验测试系统流程Fig.1 System processes of experimental test

基于此思想，该试验的具体步骤为：①首先测定爆破区域附近的振动规律，由此找出目标振速为2～10 cm/s的布点范围为距爆心15～90 m。②为保证试验条件一致性，应使不同龄期混凝土试件在同一次爆破下进行试验。基于此，采用按时间倒推的方法制作试件。如72 h龄期的试件在计划试验前的72 h制成，其他龄期以此类推。③试验设计距爆破中心由近及远5个测点，每测点放置5种龄期的试件，如图2中的1号测点放置龄期为6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的试件，每种龄期3个试块，其他测点依此类推。此时便实现了不同龄期试件有相同的爆破振动条件。④将扰动后的试件养护至28天龄期后进行声波测试和强度测试，并通过数据分析得出损伤发展和强度折减随爆破振速变化的规律。

2.2 爆破振源及测点布置的选择

振源为露天深孔台阶爆破，孔深18 m，1排5个炮孔，单孔装药量为150 kg。根据前期现场测振和新浇混凝土安全振速影响范围，选定2～10 cm/s左右的振动区域，此区域在距爆区15～90 m的范围内，测点布置在一条直线上，共布置五个试验测点分别为15m、35 m、50 m、70 m和90 m，如图2所示。具体测点所选位置不影响工程的正常施工，又能很好得反映爆破对新浇混凝土实际振动情况。每个测点放置5种龄期的混凝土试件，每种龄期有3块试件，每个测点放置一台TC-4850测振仪测定各测点振动速度，试件及测振仪布置如图3所示。

图2 现场试验设计及试件布置Fig.2 Field test design and specimens arrangement

图3 1号测点及试件布置Fig.3 No. 1 measuring point and specimen arrangement

2.3 混凝土试件的制备

混凝土试件的制作参照混凝土试件制作标准[10]，模具为100 mm×100 mm×100 mm，采用该试验场地施工所用配合比，目标强度为C40，如表2所示。试件按龄期分五批制备，分别为：6 h，12 h，36 h，48 h和72 h。为保证各龄期试件受到相同的振动效应，在同一次爆破作业下将5种不同龄期的试件同时布置在选定的测点上，每种龄期混凝土试件3个。

表2 混凝土配合比

3 试验测试与结果分析

3.1 试件测试方法

将受爆破振动作用后的试件运至标准养护室后3天再进行拆模，养护条件为温度20±2℃，相对湿度95%以上，待满至28天后进行测试，测试内容包括超声波测试和单轴抗压强度测试。其中超声波测试试件的纵波波速，采用表面直透法，即发射端的超声脉冲经过被测试件后将携带其内部结构、材料性质等信息，经接收端接收，是混凝土无损检测中常用的方法；抗压强度的测试使用万能压力机。

3.2 振动监测结果

经测试，分别得到了各测点的振动数据和各试件的纵波波速及抗压强度。其中，振动数据为各测点的基本信息，如表3所示，测点1的爆破振型如图4所示。以三相合成振速为表征值，其范围为2.3～11.7 cm/s，符合试验方案设定情况，主频范围均大于25 Hz，而理论计算得出混凝土块1～3阶振型频率一般小于10 Hz，在此测区内不会因共振效应而产生破坏[11]。

表3 测点振动数据

图4 测点1的爆破振型图Fig.4 Blasting vibration type of the test point 1

3.3 试件损伤规律

损伤变量是岩石损伤力学理论的核心问题，岩石的损伤变量反映岩石内部损伤的情况，岩石损伤力学研究中，很多都用连续损伤力学分析岩石的损伤变量。最基本、应用最多的是用弹性波速变化来计算损伤：

(1)

式中：Vpr为受爆破振动作用后的试件纵波波速；Vp为未受爆破振动作用的试件纵波波速。

根据式(1)得出混凝土试件的损伤如表4所示，该表中纵波值为各龄期3块试件的平均值。为研究各龄期下混凝土受爆破振动扰动后的损伤发展规律，将损伤与振速相关联，分别构建纵横对比，横向对比不同龄期下损伤发展与振速的规律，纵向对比不同振速下损伤发展与龄期的规律。如图5所示。

表4 现场试验混凝土损伤

图5 试件损伤与振动速度关系Fig.5 Relationship between the damage value and the vibration velocity

由表4数据和图5(a)曲线走势可以看出，试件的龄期越短，受爆破振速影响越大。其中，6 h龄期混凝土的损伤随爆破振速增大迅速增长，振速从2.301 cm/s增大到3.707 cm/s阶段其损伤从0.078增长至0.187，增长最快、增幅最大；在振速增至7.922 cm/s的阶段，损伤缓慢增加，当振速再增大时损伤已变化不大，表明6 h龄期混凝土最易受爆破振动的扰动，较小的振速就能产生较大的损伤，当振速超过一定量时混凝土试件内部裂隙已贯通，基本失去承载能力。12 h龄期混凝土损伤发展曲线较6 h下降较多，但在2.301 cm/s振速下损伤依然大于0.05，从损伤发展趋势上来看，振速从2.301 cm/s增大到3.707 cm/s阶段时损伤并未明显上升，而振速在5.465 cm/s时损伤突然增大，随后又平稳发展，表明12 h龄期混凝土抵抗爆破振动能力有所上升。36 h龄期混凝土在振速小于5 cm/s时损伤小于0.05，且随着爆破振速增加损伤发展缓慢，表明该龄期混凝土已经具有一定的抵抗爆破振动能力。48 h和72 h龄期的混凝土受振速影响产生的损伤发展情况整体相似，损伤量较之前情况明显减小，只有当振速大于10 cm/s时试件损伤才超过0.05。

由图5(b)可得，在相同振速下，试件损伤随龄期的增长而降低；随龄期的增长，较高振速下损伤的降低幅度和速度均大于较低振速下的幅度和速度。振速为11.703 cm/s时，在龄期由6 h增至12 h阶段，损伤急剧下降；在龄期增至48 h阶段内，损伤缓慢下降；在龄期增至72 h阶段内，损伤发展较为平稳，但损伤仍大于0.05，表明龄期在72 h以内的混凝土，在受到大于10 cm/s爆破振动时均造成较大破坏。振速为7.922 cm/s和5.465 cm/s时，损伤随龄期的发展趋势与振速为11.703 cm/s时基本相同，但损伤曲线整体较之下降较多，在龄期增至36 h后损伤均小于0.05。振速为3.707 cm/s和2.301 cm/s时，两者的主要差异在6 h至12 h阶段，3.707 cm/s的振速对6 h龄期混凝土仍造成较大损伤，并在12h时产生拐点，而2.301 cm/s的振速对6 h龄期混凝土产生的损伤较小，约为0.078，但两者在12 h龄期后损伤发展曲线基本重合。

根据以上数据和分析，将损伤小于0.05为判定标准[12]，可得龄期为6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的混凝土安全振速分别为：2 cm/s，2 cm/s，5 cm/s，7 cm/s和10 cm/s。

3.4 抗压强度测试及结果分析

抗压强度是混凝土的重要力学指标，它直接决定了结构物的可靠性与稳定性。受爆破振动作用的混凝土强度会有一定程度的折减，当振速过大时可能造成开裂破坏，因此，抗压强度测试是一项必需的实验。试验组试件和对比组试件的28天龄期抗压强度测试结果如表5所示，每个龄期有6组数据，每组数据下有3块试件。

表5 试件抗压强度试验结果

由于不同龄期试件分批制作，强度有少许差异，为方便观测，将同一龄期试件的抗压强度进行归一化处理：

(2)

式中：P为受爆破振动作用后的试件强度；P0为未受爆破振动作用的试件强度。

取3块试件的平均值后，将强度归一值与振速关联，分别构建不同龄期时强度归一值与振速的规律，以及不同振速下强度归一值与龄期的关系。如图6所示。

图6 强度与振动速度关系Fig.6 Relationship between strength and vibration velocity

由图6(a)可得，龄期越短，试件强度受爆破振速影响越大，此规律与损伤发展相同。其中，6 h龄期混凝土强度随爆破振速下降幅值最多、最快，在振速为2.301 cm/s时强度已下降至93.5%，随着振速增大强度持续降低，当振速为11.703 cm/s时，强度降低为84.3%，表明6h龄期混凝土极易受到爆破振动破坏，此阶段混凝土应严格控制周边爆破条件。12 h龄期混凝土在2.301 cm/s振速下，强度降低至94.7%，强度随着振速增大依次减小，但幅度明显减小，在大于5 cm/s振速后强度变化较为平稳，在最大振速11.703 cm/s时，强度减小至90.1%，表明12 h龄期混凝土抵抗爆破振动能力有所上升。36 h龄期混凝土在小于4 cm/s振速下，强度基本不减小，在大于4 cm/s振速下，强度由97%逐渐降低至91.3%，表明此时混凝土已具有一定的抵抗爆破振动能力。48 h和72 h龄期混凝土在小于5.465 cm/s振速下，强度下降至95.6%，在振速为5.465 cm/s至11.703 cm/s阶段，强度变化很小，下降至94%。

图6(b)可以得出各振速下试件强度随龄期的变化规律，即随着龄期的增长，混凝土抵抗爆破振动的能力增大。当振速为11.703 cm/s时，在6 h到12 h龄期阶段，混凝土强度由84.3%快速上升至90.1%，此阶段上升量最大；随着龄期增至48 h，此阶段混凝土强度平稳上升至94.5%；当龄期增至72 h时，强度已不再增大。当振速为7.922 cm/s时，在6h到12 h龄期阶段，混凝土强度由85.6%上升至91%，此阶段同样上升最快；随后，强度随龄期的增长而减缓，在48 h时达到强度增长极限，此时强度为94.6%。当振速为5.465 cm/s、3.707 cm/s和2.301 cm/s时，混凝土强度随龄期的发展关系相似，在6 h到36 h龄期阶段，强度平稳增大至最高；随后，强度不随龄期增大而变大。该图反映了龄期的增大使混凝土抵抗爆破振动的能力增强，当振速小于5 cm/s时，12 h龄期为混凝土抵抗爆破振动的一个拐点；当振速大于5 cm/s时，36 h龄期为混凝土抵抗爆破振动的一个拐点。

根据强度和损伤的数据和分析结果，结合95%强度保证率和损伤小于0.05的双重判定标准，给出龄期为0～3天C40混凝土的安全振速，如表6所示。由本试验和相关资料[13-16]可知，我国现行规范、标准给出新浇筑混凝土爆破安全振动速度具有较大的安全储备。

表6 C40新浇混凝土损伤、强度双标准安全振速

4 结 论

通过爆破振动对新浇混凝土影响的现场试验研究得到如下结论：

(1)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的增加而急剧增大，施工过程中对龄期12 h内的混凝土应重点保护并采取有效的减振措施。龄期大于36 h后，损伤和强度折减的发展随爆破振速的增加明显减缓，36 h龄期为混凝土抵抗爆破振动的一个拐点。

(2)随着龄期的增长，新浇混凝土的损伤和强度受振动的影响依次减小。给出了以95%强度保证率和损伤小于0.05的双重指标为判定依据的爆破振动允许值：6 h、12 h、36 h、48 h和72 h龄期混凝土的安全振速分别为2 cm/s、2 cm/s、4 cm/s、5 cm/s、7 cm/s。

(3)根据本试验研究结果和国内外相关工程及试验研究结论，我国现行规范、标准给出新浇筑混凝土爆破安全振动速度具有较大的安全储备。但在具体工程中，对爆破安全振动速度的限值没有把握的情况下，采用严格的标准是应当的。

(4)本试验只针对C40混凝土做出相关研究，目前我国尚缺少各种强度标准下新浇混凝土和钢筋混凝土构件的爆破安全振速判定试验，具有一定的研究空间。

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Experimental study on the influence of blasting vibration on fresh concrete

WU Shuaifeng1, WANG Ge2, YUAN Dongkai1, LIU Dianshu1

(1. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China;2. Kaifeng Institute of Product Quality Supervision and Inspection, Kaifeng 475000, China)

In order to inspect the safety vibration velocity of fresh concrete under blasting vibration, and ensure the reliability of concrete structure, open-pit longhole blasting was used as a vibration source to test the C40 concrete at the vibration velocity of 2-10 cm/s and the age of 6 h,12 h,36 h,48 h and 72 h. The following results were obtained by testing the longitudinal wave velocity and compressive strength of specimens at various ages under vibration effect: at the age of 6 h and 12 h, 2.3 cm/s of blasting vibration velocity may cause damage degree greater than 0.05 and strength reduction greater than 5%; at the age of 36 h, 48 h and 72 h, the vibration velocity which can cause damage and strength reduction of concrete is 4 cm/s, and the age of 36 h is the inflection point of raising the anti-vibration ability of concrete; at the age of 72 h, the concrete shows proper anti-vibration performance obviously. Finally, with the double index of damage degree no greater than 0.05 and strength reduction no greater than 5%, the safety vibration velocities of concrete at the age of 6 h, 12 h, 36 h, 48 h and 72 h were determined: 2 cm/s, 2 cm/s, 4 cm/s, 5 cm/s and 7 cm/s, respectively. The results provide reference for improving safety standards of concrete under blasting vibration.

fresh concrete; blasting vibration; concrete age; safety vibration velocity

国家自然科学基金资助项目(51574247;10272109);高等学校博士学科点专项科研基金(20100023110001)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2010QL05)

2016-01-29 修改稿收到日期：2016-04-29

吴帅峰 男，博士，1988年10月生

刘殿书 男，博士，教授，1960年8月生

TU755

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.006