早期振動(dòng)對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

劉衛(wèi)東 魏建軍

（1.湖南科技學(xué)院 土建系，湖南 永州 425199；2.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

早期振動(dòng)對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

劉衛(wèi)東1魏建軍2

（1.湖南科技學(xué)院 土建系，湖南 永州 425199；2.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

對新拌混凝土采用了3個(gè)不同時(shí)刻作為振動(dòng)的起振點(diǎn)，分別按照3種不同頻率和振幅組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將受振動(dòng)的試件和基準(zhǔn)（未振動(dòng)）試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到一定齡期后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，從而判斷受振動(dòng)混凝土1d、3d及28d抗壓強(qiáng)度變化趨勢。測量了不同齡期的72組抗壓強(qiáng)度，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中有17組強(qiáng)度是降低的，降低的數(shù)據(jù)在6%以內(nèi)的占了16組。試驗(yàn)結(jié)果表明：對處于初、終凝前后混凝土材料施加試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的振動(dòng)，對混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定影響。

路面工程；新拌混凝土；抗壓強(qiáng)度；受振動(dòng)混凝土

0 引言

振動(dòng)對新拌混凝土具有重要的意義。它能夠消除或減少混凝土內(nèi)部材料之間的孔隙，氣泡，增加混凝土的密實(shí)度。科學(xué)地選用振動(dòng)參數(shù)及選擇振動(dòng)時(shí)間可以有效提高混凝土試件的各種強(qiáng)度參數(shù)。若混凝土在初凝前到終凝后階段受到不同的振動(dòng)作用，其抗壓強(qiáng)度是否受到影響，關(guān)于這方面的研究較少。大量工程施工的新拌混凝土在凝結(jié)硬化過程中發(fā)生著各種各樣的振動(dòng)，例如：不中斷交通情況下進(jìn)行橋梁鋪裝，交通荷載引起的橋梁振動(dòng)；在I線通車的情況下修建Ⅱ線時(shí)，列車頻繁通過橋梁所產(chǎn)生的振動(dòng)，對修建中的Ⅱ線橋墩臺混凝土材料硬化過程和后期強(qiáng)度會產(chǎn)生影響[1]；礦井施工時(shí)，井下爆破振動(dòng)。混凝土粘結(jié)強(qiáng)度是在混凝土凝結(jié)過程中形成，那么如果在這個(gè)階段發(fā)生振動(dòng)可能會影響混凝土粘結(jié)力的大小，甚至降低混凝土的強(qiáng)度。鑒于此本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究混凝土在凝結(jié)初期、中期和后期三個(gè)階段受到振動(dòng)時(shí)，是否會對混凝土的抗壓強(qiáng)度有影響。

1 試驗(yàn)研究

早期對振動(dòng)的研究大部分集中在鐵路及地下爆破所引起的，這些振動(dòng)主要是高頻率小振幅。對低頻振幅比較大的情況研究較少。根據(jù) Bastian低頻振幅較大時(shí)的振動(dòng)很可能會影響水泥水化的進(jìn)程，從而導(dǎo)致混凝土后期性能的變化[2]。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1Hz、2 Hz、4Hz三種較低頻率，3mm、5mm、10mm三種較大振幅的振動(dòng)，研究經(jīng)過這些頻率和振幅振動(dòng)后的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度變化情況。試驗(yàn)過程中所用的振動(dòng)臺是由水泥膠砂振實(shí)臺改裝而成，它的頻率范圍為1Hz~4.5Hz，振幅可達(dá)到1mm~10mm。（見圖1）

水泥是混凝土材料中重要的組成部分，它的物理化學(xué)性質(zhì)直接影響到混凝土的性能，其中硅酸鹽水泥是最常用的水泥。水泥與水拌合后，生成各種水化產(chǎn)物，隨著時(shí)間的推延，具有塑性的水泥漿體經(jīng)過凝結(jié)、硬化逐漸成為具有一定強(qiáng)度的石塊體。水泥漿體的凝結(jié)硬化過程大致可以分為三個(gè)過程：（1）誘導(dǎo)期 水泥與水接觸后，水泥中的鋁酸三鈣（C3A）在有石膏（CSH2）的水中迅速反應(yīng)，接著發(fā)生一系列反應(yīng)最后析出飽和的氫氧化鈣晶體。誘導(dǎo)期持續(xù)1h左右，開始進(jìn)入凝結(jié)期。此階段水泥漿體仍然保持一定的塑性狀態(tài)；（2）凝結(jié)期 在約1h后，溶解于水中的C-S-H形成長纖維的水化硅酸鈣[(C-S-H)長]凝膠與本Aft在水泥顆粒之間互相搭接，形成“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”，水泥漿體開逐漸失去塑性，并開始凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)度。凝結(jié)期持續(xù)6h左右。（3）硬化期C-S-H凝膠和氫氧化鈣晶體數(shù)量明顯增加；水泥核心未水化顆粒愈來愈小，孔隙率也開始減小，強(qiáng)度開始增加，這個(gè)階段一般為水泥與水接觸后的 6~8h[3]。本次實(shí)驗(yàn)采用的混凝土初凝時(shí)間為 4.5h，終凝時(shí)間 6.5h。根據(jù)水泥混凝土凝結(jié)硬化發(fā)展過程，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)進(jìn)行早期振動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)，分別是水泥與水接觸后的3.5h、4.5h、和6.5h。這些振動(dòng)時(shí)間點(diǎn)的選取保證了混凝土能夠在初凝前、初凝到終凝、終凝后的范圍內(nèi)都能受到振動(dòng)的影響。

1.1 試塊成型與振動(dòng)

該試驗(yàn)采用配合比為水泥：水：砂：碎石=477 kg：205 kg：557.5 kg：1163.2 kg；水泥采用拉法基42.5普通硅酸鹽水泥,粗集料采用5mm-10mm和10mm-20mm兩檔碎石料進(jìn)行配制。5mm-10mm占40%和10mm-20mm占60%，砂子的細(xì)度模數(shù)為2.8，塌落度控制在50mm-60mm。

由于試驗(yàn)要采用不同的頻率和振幅，每次只能夠成型一個(gè)頻率和振幅的混凝土試塊。現(xiàn)以頻率為4，振幅為3（簡記為4-3）的試驗(yàn)條件為例。試驗(yàn)的振動(dòng)參數(shù)如下表1。

表1 4-3振動(dòng)參數(shù)

其它頻率和振幅的試件成型與振動(dòng)類似。整個(gè)試驗(yàn)共制作了216個(gè)尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試塊，得到了72個(gè)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 試驗(yàn)中用變頻變幅振動(dòng)臺

圖2 用于振動(dòng)的混凝土試塊

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3到圖8所列出在3種不同振動(dòng)頻率和振幅組合情況下，不同起振時(shí)刻，受到振動(dòng)的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)（未受振）混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度對比后的變化情況。對于不同的振動(dòng)參數(shù)在不同時(shí)刻起振點(diǎn)，其強(qiáng)度的變化沒有明顯的規(guī)律，但是總的來說，強(qiáng)度的變化范圍都在15%之內(nèi)。振動(dòng)參數(shù)為4-3的組合時(shí)（如圖3），所有的受振動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度幾乎都高于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度，其中齡期為28d的強(qiáng)度最大增長為5%；振動(dòng)參數(shù)為2-5組合時(shí)（如圖4），有3個(gè)結(jié)果低于基準(zhǔn)的強(qiáng)度。其中有2個(gè)是齡期28d，1個(gè)齡期為3d，強(qiáng)度最大降低為6%,但是強(qiáng)度最大增長的也是齡期1d，這可能是強(qiáng)度的變異性所引起；振動(dòng)參數(shù)為4-5時(shí)（如圖5），有3個(gè)結(jié)果低于基準(zhǔn)的強(qiáng)度。其中1個(gè)為齡期28d，2個(gè)是3d齡期，強(qiáng)度最大降低為6%，強(qiáng)度增長最大的是齡期28d，增長了14%；振動(dòng)參數(shù)為4-10時(shí)（如圖6），有2個(gè)是低于基準(zhǔn)的強(qiáng)度。其中有1個(gè)是齡期1d，1個(gè)是28d齡期，它們的強(qiáng)度降低值相接近約為3%，強(qiáng)度增長最大是齡期1d，增長值為7%；振動(dòng)參數(shù)為2-10時(shí)（如圖7），有5個(gè)結(jié)果低于基準(zhǔn)的強(qiáng)度，其中2個(gè)是齡期1d,3個(gè)是齡期是28d且降低的強(qiáng)度值都為3%，強(qiáng)度增長最大為齡期3d,增長值接近15%；振動(dòng)參數(shù)為1-5時(shí)（如圖8），有4個(gè)結(jié)果小于基準(zhǔn)的強(qiáng)度，其中2個(gè)是齡期1d, 1個(gè)是齡期是3d ，1個(gè)是齡期是28d且降低的強(qiáng)度值都為3%，強(qiáng)度增長最大是齡期3d,增長值為7%。

圖9到圖14中繪出了基準(zhǔn)混凝土和受振動(dòng)混凝土在1d、3d和28d抗壓強(qiáng)度的變化趨勢。每個(gè)圖中加粗黑折線代表基準(zhǔn)混凝土在3個(gè)齡期強(qiáng)度的變化。從總體上看，基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度變化與受振動(dòng)混凝土在3個(gè)齡期上抗壓強(qiáng)度變化趨勢大體上是相同的，各個(gè)齡期的強(qiáng)度值也比較符合實(shí)際情況。但是也有個(gè)別折線出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，如：圖14中在“起振時(shí)間是4.5h”的折線出現(xiàn)了3d強(qiáng)度比28d強(qiáng)度高的情況；這可能是由于混凝土材料的變異性、養(yǎng)護(hù)或試驗(yàn)誤差等諸多原因所致。

3 結(jié)論

試驗(yàn)中得到的17個(gè)強(qiáng)度降低的結(jié)果中，振動(dòng)參數(shù)為1-5和2-10的比較多，分別占了4個(gè)和5個(gè)。其強(qiáng)度降低的比例均在6%以內(nèi)。有37個(gè)強(qiáng)度是增加的，增加值在15%以內(nèi)。根據(jù)Michael R Dunham[4]，強(qiáng)度降低變化在7%以內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為振動(dòng)對強(qiáng)度影響很小。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的頻率和振幅分別為 4-3、4-5、4-10、1-5、2-5、2-10，受振混凝土在 1d、3d、28d的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律和基準(zhǔn)混凝土大體是相同的，也就是說在本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的條件下，受振混凝土的強(qiáng)度規(guī)律并不發(fā)生改變。本次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：混凝土在頻率和振幅分別為4-3、4-5、4-10、1-5、2-5、2-10且起振時(shí)間在3.5h、4.5h、6.5h的條件下振動(dòng)，對混凝土材料后期的抗壓性能沒有明顯不利的影響。

圖3 振動(dòng)參數(shù)為4-3受振動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化

圖4 振動(dòng)參數(shù)為2-5受振動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化

圖5 振動(dòng)參數(shù)為4-5受振動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化

圖6. 振動(dòng)參數(shù)為4-10受振動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化

圖7. 振動(dòng)參數(shù)為2-10受振動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化

圖8.振動(dòng)參數(shù)為1-5受振動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化

圖9.振動(dòng)參數(shù)為4-3不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢

圖10.振動(dòng)參數(shù)為4-5不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢

圖11.振動(dòng)參數(shù)為4-10不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢

圖12 振動(dòng)參數(shù)為2-10不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢

[1]安湘英,魏齊威. IV線列車振動(dòng)對鄰線橋墩臺混凝土施工的影響[J].鐵道建筑,2000,12(6):4-6

[2]Bastian C. E. The effect of vibrations on freshly poured concrete [J].Foundation Facts,1970,6 (1): 14-17.

[3]侯子義.道路建筑材料[M].天津:天津大學(xué)出版社,2004:34-36.

[4]Michael R.Dunham.Effects of induced vibrations on early age concrete [J].Journal of performance of constructed facilities,2007, 21(3):179-183.

Effect of Vibrations at Early Concrete Ages on Concrete Compressive Strength

LIU Wei-dong1WEI Jian-jun2,

（1. Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou Hunan 425199 China; 2. Heilongjiang Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150050 China）

Three combinations of frequency and amplitude induced vibrations and three start vibrated ages which ensured that the fresh concrete would be exposed to vibration in each of the following age ranges: before initial set, during the setting process, and after final set are designed in the test. The purpose of the test is to testify whether the induced vibrations would affect the compressive tensile strength of concrete at cure ages of 1, 3 and 28 days. The compressive tests are performed and 72 compressive strength results are acquired. There are 17 groups compressive strength weaker than the control group. Of the 17 results, they are all less than 6% account for 16groups compared to control ones. The test results have shown that, the induced vibrations designed in the test have a slight effect on the compressive strength of concrete.

Pavement Engineering; Fresh concrete; Compressive strength; Vibrated concrete

U445

A

1673-2219（2014）05-0146-04

2014－02－18

湖南科技學(xué)院科研項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號13XKYTB014）。

劉衛(wèi)東（1985－），男，湖南邵陽人，助教，博士研究生，研究方向?yàn)槁访婀こ獭?/p>

（責(zé)任編校：劉志壯）