萬嘉輝，趙 凱，吳建國，史濤寧，馬宏昊,3，劉 凱,姚象洋

(1.中鐵二十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 402160；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室，合肥 230026；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥 230026)

為了加快施工進(jìn)度，在隧道爆破施工過程中，下臺階爆破開挖與仰拱混凝土澆筑往往并行施工，從而存在掘進(jìn)爆破振動對新澆筑混凝土性能造成影響的問題。長期以來，人們一直認(rèn)為在爆破振動作用下，新澆筑混凝土(齡期少于1 d)容易受到破壞損傷，以至于制定的新澆筑混凝土安全振動速度值較為保守，這為工程建設(shè)帶來了一定的影響，可能造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此對新澆筑混凝土安全振動速度的正確認(rèn)識，能夠保證混凝土性能的同時加快施工進(jìn)度。

盧文波等[1]認(rèn)為我國現(xiàn)行采用的新澆筑混凝土質(zhì)點安全振動速度值具有較大的安全儲備，同時指出新澆筑基礎(chǔ)混凝土的允許振動速度值隨混凝土強(qiáng)度的降低而降低，而陳明等[2]認(rèn)為混凝土在早期受到輕微的振動損傷時，即使產(chǎn)生微裂隙也可隨著水泥水化的繼續(xù)進(jìn)行得到愈合。因此，超早期混凝土的后期自愈合使得其具有一定的抗爆破振動能力，其安全振動速度應(yīng)該在3.0 cm/s以上。Hulshizer等[3]認(rèn)為齡期在24 h以內(nèi)的柱、梁及墻體混凝土的安全振動速度在3.81 cm/s以上。婁建武等[4]認(rèn)為齡期為12 h的混凝土即使受到5 cm/s的振動速度也不影響其最終強(qiáng)度。金賢玉[5]認(rèn)為新澆筑混凝土在加速度為2.1g的振動荷載作用下，其28 d后的強(qiáng)度變化不大，換算成的振動速度約為10.9 cm/s以上。另外，Dunham等[6]認(rèn)為在混凝土澆注5～6 h后施加振動(5～10 cm/s)，振動對混凝土的7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度沒有影響，但會對其29 d劈裂拉伸強(qiáng)度有一定影響。魏建軍等[7]也發(fā)現(xiàn)對處于初、終凝前后的混凝土施加設(shè)計的振動，會影響混凝土1、3、28 d的劈裂拉伸強(qiáng)度。然而，褚懷保等[8]認(rèn)為新澆混凝土爆破振動速度應(yīng)控制在1.5 cm/s以內(nèi)。吳帥峰等[9]認(rèn)為齡期在12 h以內(nèi)的混凝土，其損傷和強(qiáng)度折減的發(fā)展隨爆破振速(2～10 cm/s)的增加而急劇增大。楊小林等[10]認(rèn)為新澆混凝土爆破振動安全速度應(yīng)小于2 cm/s，齡期60 h內(nèi)新澆混凝土爆破振動安全速度應(yīng)控制在3 cm/s以內(nèi)。

綜上所述，目前對新澆筑混凝土的安全振動速度認(rèn)識尚未統(tǒng)一。因此，本文通過對新澆筑后12 h內(nèi)的混凝土模型進(jìn)行間隔2 h爆破振動，爆破前后采用聲速儀對混凝土的聲速變化進(jìn)行測量記錄，同時在混凝土表面不同位置安裝振動傳感器用于測量振動幅值，結(jié)合混凝土中水泥水化過程，分析爆破振動對超早期混凝土強(qiáng)度的影響。

1 實驗方案設(shè)計

為了精確控制爆破時間，在空曠場地澆筑一個混凝土實驗?zāi)Ｐ停錁?biāo)號(C25)與仰拱澆筑的混凝土一致。混凝土模型長680 cm，上寬150 cm，下寬100 cm，高100 cm。聲速測點共有4個(兩孔為一個測點)，爆破前后采用聲速儀(RSM-SY5)對混凝土的聲速變化進(jìn)行測量記錄，其沿模型縱向方向布置，間隔為150 cm，編號為Ⅰ～Ⅳ；每個測點中孔洞的間距為50 cm，孔洞通過預(yù)埋Φ=5 cm的PVC形成。振動測點共有7個，用于測量模型不同位置的振動幅值，其沿模型縱向方向布置，間隔為75 cm，編號為5～11(見圖1)。另外，振動傳感器(TC-4850)需要在混凝土初凝后(澆筑5 h后)才能安裝，而聲速儀在混凝土澆筑9 h后才能采集到數(shù)據(jù)。

圖1 混凝土模型及測點Fig.1 Concrete model and measured points

一般認(rèn)為，水泥與水接觸后3 h以內(nèi)，附著在水泥顆粒的水化物逐漸增多，水泥漿體開始失去塑性，混凝土初具強(qiáng)度[11]。在水泥與水接觸后的6～8 h，隨著各種水化物的顯著增加，水泥顆粒間的空隙由水化產(chǎn)物填充并形成嵌鎖結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度不斷增加，水泥漿體失去塑性，開始硬化形成水泥石，進(jìn)入硬化期[12]。根據(jù)上述水泥凝結(jié)硬化的發(fā)展過程，本次實驗設(shè)計了5個進(jìn)行早期爆破振動的時間點，即混凝土模型澆筑后3、5、7、9、11 h進(jìn)行爆破擾動，實驗所采用的炸藥為二號巖石乳化炸藥，爆源位置離模型前端70 cm，其埋深為150 cm，藥量為2 kg。另外，為了分析新澆筑混凝土在硬化過程中的聲速變化，并為判斷爆破振動對新澆混凝土強(qiáng)度的影響提供基準(zhǔn)值，同時在遠(yuǎn)離爆源位置澆筑一個對比模型，其與實驗?zāi)Ｐ椭械幕炷炼际莵碜酝惠v攪拌車。對比模型長100 cm，寬100 cm，高100 cm，并預(yù)留2個孔作為聲速測點，孔深90 cm。為了獲取對比模型在水化過程中聲速變化的平均值，采用聲速儀對預(yù)留孔不同深度(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m)的聲速進(jìn)行測量記錄。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土硬化過程的爆破振動變化規(guī)律

通過軟件進(jìn)行振動波形顯示，從波形中可以得到x、y、z方向振動峰值、最大值時間以及主頻率等參數(shù)。新澆混凝土表面不同位置與不同凝固時間的z方向振動峰值如圖2所示。

圖2 不同測點位置的z方向振動峰值Fig.2 Peak vibration of z direction at different places

由圖2可知，在爆源參數(shù)保持不變情況下，隨著凝固時間增加，同一測點上的z方向振動峰值逐漸變大，說明混凝土在強(qiáng)度增長初期對爆破振動響應(yīng)比較弱，即爆破振動對新澆混凝土影響不大；隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度逐漸增長，其對爆破振動響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，從而可能會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)損傷。在本次實驗中，z方向振動峰值范圍為3～10 cm/s，其隨著距離增加而減小。

2.2 爆破振動對新澆混凝土強(qiáng)度的影響

通過聲速測點監(jiān)測對比模型中(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m)不同高度的聲速，將監(jiān)測到的不同深度聲速平均值作為判斷爆破振動對新澆混凝土強(qiáng)度影響的基準(zhǔn)值。其中，對比模型在水化過程中聲速變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 水化過程中的對比模型聲速變化規(guī)律Fig.3 Change of acoustic velocity of comparative model in the hydration

由圖3可知，新澆筑混凝土聲速在澆筑后9～27 h內(nèi)從2 195 m/s快速增加到3 300 m/s，在澆筑后110 h達(dá)到3 516 m/s，即混凝土的強(qiáng)度在澆筑后9～27 h屬于快速增長階段，隨后屬于緩慢增長階段。

為了對新澆筑混凝土在凝固過程中受到爆破振動作用而出現(xiàn)的損傷進(jìn)行分析，將實驗?zāi)Ｐ驮诒普駝幼饔孟碌钠骄曀倥c對比模型的聲速平均值進(jìn)行比較(見圖4)。

圖4 實驗?zāi)Ｐ团c對比模型的聲速比較Fig.4 Contrast of acoustic velocity between experimental model and comparative model

由圖4可知，相較于對比模型，澆筑后3、5、7、9、11 h的實驗?zāi)Ｐ突炷猎诒普駝幼饔孟?，各個時間段的混凝土聲速都有所增加，其中，12 h和19 h后平均聲速提高了4%～6%，而110 h后平均聲速僅提高了1.5%，說明混凝土的強(qiáng)度有所提高。這主要是由于新澆筑混凝土中仍存在大量未完全水化水泥，且此時粗細(xì)集料與水泥顆粒之間尚存在大量的孔隙。而且在爆破振動作用下，可能造成初凝體的破壞和微裂隙的形成與發(fā)展，比如骨料與水化產(chǎn)物脫離，形成一些新的微裂隙，這會造成集料與水化產(chǎn)物間的黏結(jié)力和內(nèi)聚力的下降。隨著時間的增長，混凝土中大量未水化水泥在后期持續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，繼續(xù)生成大量水化產(chǎn)物，此時新生成的膠體將彌補(bǔ)和填充混凝土顆粒間的孔隙和初始微裂隙。因此，在水化產(chǎn)物一定而孔隙總體積不變的情況下，振動產(chǎn)生的部分裂隙隨水化反應(yīng)的進(jìn)行能夠完全愈合，即3～10 cm/s的爆破振動不會影響到實驗混凝土的強(qiáng)度。另一方面，爆破振動作用可能釋放混凝土早期水化反應(yīng)導(dǎo)致體積變化引起的內(nèi)應(yīng)力，從而改善混凝土所處應(yīng)力環(huán)境；對于新澆大體積混凝土，在重力作用下，也有助于混凝土的自愈，上述原因都有助于提高受振動混凝土的強(qiáng)度[2]。另外，新澆筑混凝土在爆破振動作用下強(qiáng)度反而出現(xiàn)增長，是因為早期振動使混凝土中存在于孔隙中的自由水得以釋放從而促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)[13]。綜上所述，對于新澆筑混凝土，其內(nèi)部存在大量未水化水泥，后期持續(xù)的水化反應(yīng)使得混凝土即使在爆破振動作用下形成輕微的損傷，也能夠完全愈合而不影響其后期強(qiáng)度，甚至強(qiáng)度因振搗作用而有所提高。

為了進(jìn)一步研究爆破振動作用下實驗?zāi)Ｐ偷牟煌疃嚷曀僮兓?，對測點Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ沿縱向進(jìn)行聲速測量，其隨不同深度、時間變化如圖5所示。

圖5 實驗?zāi)Ｐ驮诓煌疃鹊穆曀僮兓?guī)律Fig.5 Change of acoustic velocity of experimental model at different depths

由圖5可知，新澆混凝土在爆破振動作用下，其聲速平均值大于對比模型對應(yīng)的聲速平均值，說明澆筑后12 h內(nèi)的混凝土在3～10 cm/s的爆破振動作用下，其具有振搗效果，但也容易出現(xiàn)骨料下沉趨勢，導(dǎo)致實驗?zāi)Ｐ偷撞柯曀俑哂谏喜浚创篌w積混凝土可能存在底部強(qiáng)度高于上部，需要進(jìn)一步取芯進(jìn)行壓縮實驗。

3 結(jié)論

1)我國現(xiàn)行采用的新澆筑混凝土的安全爆破振動速度標(biāo)準(zhǔn)總體上具有較大的安全儲備，而且現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定將1～3 d混凝土劃在同一齡期段似乎太籠統(tǒng)，必須進(jìn)一步細(xì)分。

2)混凝土的強(qiáng)度在澆筑后9～27 h屬于快速增長階段，隨后屬于緩慢增長階段。在爆源參數(shù)保持不變情況下，同一測點上的振動峰值隨著水化反應(yīng)時間增加逐漸變大，說明混凝土在強(qiáng)度增長初期對爆破振動響應(yīng)比較弱，隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度逐漸增長，其對爆破振動響應(yīng)逐漸增強(qiáng)。

3)對于新澆筑混凝土，其內(nèi)部有大量未水化水泥，即使在爆破振動作用下造成輕微的損傷，也能夠完全愈合，而不影響后期強(qiáng)度，甚至強(qiáng)度因振搗作用有所提高。

4)澆筑后12 h內(nèi)的混凝土在3～10 cm/s的爆破振動作用下，容易出現(xiàn)骨料下沉趨勢，導(dǎo)致大體積混凝土可能底部強(qiáng)度高于上部，需要進(jìn)一步取芯進(jìn)行壓縮實驗。