行车振动对混凝土性能的影响研究进展综述

2023-01-02胡邦胜肖成明刘贞鹏刘振华

西部交通科技 2022年9期

胡邦胜，肖成明，刘贞鹏，刘振华

(广西交通职业技术学院，广西南宁 530023)

0 引言

随着社会经济和科学技术的不断进步，混凝土在各个工程领域得到了广泛应用。现浇混凝土会遭受周围环境不同扰动的影响，如行车振动等扰动会造成现浇混凝土内部结构破坏，导致混凝土性能劣化[1]。目前对桥梁进行加固和维修施工采取的是封闭或者中断交通的形式，但现阶段我国大部分城市的交通量繁重，封闭交通会给当地居民带来极大的不便，造成经济损失。保持开放交通进行施工，势必会对新浇筑的混凝土的力学性能和耐久性能带来一定影响。近年来，国内外学者针对于行车振动对新浇筑混凝土所带来的影响，通过模拟一些特定的情况进行研究，取得了一定的成果。但是行车振动对混凝土的影响较为复杂，尚未形成清晰的机理。因此，本文基于国内外学者的相关成果进行综述，总结今后的研究热点方向，为解决开放交通施工目前仍然存在的问题提供一定的借鉴和参考。

1 行车振动对混凝土的力学性能影响

目前国内外的学者通过室内模拟试验和现场检测的方式研究了不同振动作用对混凝土的力学性能影响。蒋正武等[2-3]研究表明，车桥耦合振动频率提高会加剧混凝土早期离析程度，降低混凝土的均匀性和密实度，在混凝土凝结硬化早期和后期，行车振动对混凝土性能影响较小；行车振动发生在凝结硬化中期时，对混凝土力学性能和耐久性影响较大。魏建军等[4]研究了不同的振动频率、振幅组合情况下的力学性能，发现低频较小振幅(<3 mm)的振动对修复混凝土的抗拉性能影响不明显，在混凝土凝结硬化中期受到较大振幅(>5 mm)的振动时，修复混凝土的抗拉强度会有所下降。张煜等[5]研究了振动时间、频率、幅度以及约束条件对混凝土抗压强度与弹性模量的影响，结果显示：约束条件能够有效控制桥梁混凝土的振动效应；桥梁建造过程的振动对混凝土抗压强度影响不显著，而开放交通加固过程中的振动对混凝土抗压强度影响较为明显；两种工况下振动效应对混凝土弹性模量影响均不明显。潘慧敏等[6-8]研究了不同的粗骨料最大粒径对受扰混凝土强度的影响，发现粗骨料最大粒径为16 mm时，早期受扰的混凝土力学性能显著降低；粗骨料最大粒径为20 mm时，对早期受扰的混凝土力学性能影响较小；临近初凝和终凝时的振动对混凝土影响较小；振动时间对抗压强度影响不大，对抗折强度影响比较显著；另外，受扰混凝土试件存在一定的尺寸效应，试件尺寸越大，混凝土受扰后的密实性越差，开口孔隙越多，扰动对饱和面干吸水率、劈裂抗拉强度的影响存在显著的尺寸效应，其中在压密阶段尺寸效应最为显著。国外学者S Harsh等[9-10]研究了行车振动对新浇筑的修补桥梁混凝土抗压强度、钢筋与混凝土粘结力的影响，结果表明：浇筑开始的持续振动使塑性混凝土抗压强度降低了10%，粘结强度降低了5.9%，对混凝土的力学性能产生了不利影响；在开放交通的情况下，坍落度<75 mm的修补混凝土在行车振动的影响下质量没有明显下降。Issa M A等[11]模拟了行车荷载的振动作用下混凝土桥梁的变形情况，得到以下结论：行车荷载下的振动作用对混凝土的早期强度影响较为显著，混凝土浇筑7～8 h时受行车振动作用，会使其产生裂缝。Dunham M R等[12]研究了两种振动峰值速度和五种起振时间情况下的混凝土力学性能，发现振动对抗压强度影响不显著，而对抗折强度却产生了不利的影响，抗折强度最大损失约为8%。

上述国内外的学者从宏观的角度分析了不同行车振动条件对混凝土的力学性能影响，对行车振动后混凝土内部结构的变化以及影响机理的分析较少。黄维蓉等[13-15]通过孔结构图像分析了行车振动对混凝土力学性能影响机理，表明混凝土凝结硬化中期的车桥耦合振动会破坏已经形成的水化凝胶物结构，使混凝土产生一定的微小孔隙与裂纹，导致混凝土的力学性能降低，且随着振动时间延长，其强度下降越明显。在初凝前受到低频、低振幅的振动作用，能够在一定程度上改善混凝土的孔结构，提高其后期强度，但在初凝前受到较强的(频率为9 Hz，振幅为8 mm)振动作用，会对混凝土结构产生不利影响。张长江等[16]基于声发射技术，从初始微裂纹角度解释了早龄期扰动对混凝土力学性能的损伤机理；根据不同的声发射参数进行关联分析，发现混凝土在凝结初期受振动的频率越大，产生剪切裂缝的比率有所减少，试件所受损伤越小；振动幅度越大，产生剪切裂缝的比率有所增加，试件所受损伤越大；混凝土在凝结中期受振动作用影响，频率和振幅越大，产生剪切裂缝的比率不断增大，试件所受损伤越大。

2 行车振动对混凝土的耐久性能影响

从20世纪50年代开始，混凝土的耐久性能一直都是学者们关注的热点，因混凝土耐久性不足引起的工程质量问题也层出不穷，给国家和社会带来了无法估量的损失。潘慧敏等[17-18]研究了不同受振动阶段情况下的抗硫酸盐侵蚀性能：临近初凝(贯入阻力值为3.5～11.5 MPa)和临近终凝(贯入阻力值为19.5～28.0 MPa)的振动对混凝土影响较小，硬化中期(贯入阻力值为11.5～19.5 MPa)的振动会加速混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的劣化。刘硕[19]采用风冷电磁试验振动台模拟车桥耦合振动，研究了车桥耦合振动对快速修补混凝土耐久性的影响程度，试验结果表明：行车振动对掺加聚丙烯纤维的修补混凝土抗冻性能影响不显著。陶健[20]通过正交试验设计研究了起振时间、振幅、频率、受振阶段对混凝土耐久性能影响，发现对氯离子迁移系数、钢筋失重率、渗水高度、抗压强度损失率和抗压强度耐蚀系数影响最大的是起振时间；车桥耦合振动作用导致混凝土耐久性能降低，对混凝土的抗氯离子渗透性能、抗渗水性能的影响非常显著。何欢等[21]通过电磁扰动台模拟不同振幅、频率组合对硫铝酸盐水泥混凝土的性能影响，发现在振幅为1.5 mm、振动频率为6 Hz以上的情况下，混凝土的多害孔明显增加，抗氯离子渗透能力发生明显减弱。谢德擎等[22]研究了7个不同起振时间对混凝土抗氯离子渗透性能(RCM)的影响，发现C30混凝土终凝前1 h受振动，混凝土抗氯离子渗透性能最差；C50混凝土终凝时受振动，混凝土抗氯离子渗透性能最差，RCM值增幅为95%，掺入抗扰动剂能提升普通混凝土的整体抗扰动性能，并提高混凝土抗氯离子渗透性能。

3 改善抗振动混凝土性能的措施

为了改善行车振动对混凝土带来的不利影响，国内外学者开展了不同种类的抗振动混凝土性能研究。张永娟等[23-24]通过掺入不同外加剂，来改善混凝土的抗振动性能，其研究表明：掺调凝剂可以大幅缩短混凝土受扰期，调凝剂掺量越大，混凝土抗扰动性能提高越明显；掺加抗裂增韧外加剂可大幅降低受扰混凝土表面裂缝面积，明显提高混凝土的抗扰抗裂性能，但是混凝土的抗压强度会随着抗裂增韧外加剂掺量的增加呈下降趋势，一般不宜用量过大；掺加膨胀剂可以改善受扰混凝土的自愈合率，明显提高混凝土的抗扰动性能。李昊欣[25]通过加入聚乙烯醇、硫酸钠等外加剂减小受振动混凝土的抗压强度损失率，当抗裂增韧外加剂——聚乙烯醇掺量为0.03%时，受扰混凝土的单面抗盐冻能力和抗扰动能力最好；掺加0.5%的早强剂——硫酸钠可以显著降低受扰混凝土早期抗压强度损失率，但早强剂的加入会对抗振动混凝土的耐久性产生不利的影响。

另外，部分学者为了改善抗振动混凝土的抗裂性能，在混凝土中掺入不同种类的纤维，习磊[26]在C50抗振动混凝土中加入了钢纤维和聚丙烯纤维，试验结果表明：行车振动作用时间越长，对混凝土骨料分布产生的不利影响越明显，掺入混杂纤维后，混凝土的离析程度减弱，抗折强度和劈裂抗拉强度明显提升。李利伟等[27]则研究了分别加入PE纤维、掺钢纤维的混凝土抗振动性能，发现掺PE纤维能够显著提高混凝土的延伸率，大大降低裂缝的平均宽度，抗扰动性能良好，其最佳掺量为2%；掺钢纤维能够明显提升混凝土的抗拉强度、抗压强度和抗折强度，但延伸率极低，抗裂性能差，抗扰动性能差；PVA纤维能够改善混凝土的延伸率，但裂缝平均宽度大，抗裂性能较差，抗扰动性较差。戴民等[28-29]探讨了玄武岩纤维对抗振动混凝土内部损伤的影响，研究表明：加入玄武岩纤维能有效改善行车振动对混凝土抗压强度的影响，加入0.3%长纤维掺量时，混凝土抗振动性能最好。