褚怀保1,2，杨小林1,2，叶红宇1，吴礼报1
(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000; 2.河南省地下工程与灾变防控重点实验室，河南 焦作 454000)
摘 要:针对新浇混凝土振动损伤累积问题，利用振动试验系统开展了新浇混凝土爆破振动损伤累积模拟试验，并进行了受振混凝土强度与耐久性检测试验。结果表明:新浇混凝土振动损伤值累积过程可分为降低、快速增长和基本稳定3个阶段，且累积损伤值随着振动速度的增大而增大。振动速度v≤1.0 cm/s时，超声波波速发展经历快速增长、缓慢增长和稳定3个阶段，最大波速随振动速度的增大而增大，振动损伤劣化效应不显现，混凝土的强度和耐久性提高。振动速度v≥1.5 cm/s时，超声波波速发展出现损伤劣化降低过程而呈现为4个阶段，峰值波速和稳定波速均低于基准试块的相应波速，且都随着振动速度的增大而减小;振动损伤劣化效应从第2阶段开始显现，并在第3阶段宏观显现，振动速度达到3.5 cm/s时，损伤从第1阶段即宏观显现;混凝土的强度和耐久性降低，且高强混凝土损伤劣化程度较普通混凝土明显。试验条件下新浇混凝土安全振动速度应控制在1.5 cm/s以下，龄期12 h以前，振动速度不宜超过2.0 cm/s。
关键词:爆破振动;新浇混凝土;损伤累积;强度与耐久性
中图分类号:TD235;TU37
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)09-2469-07
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褚怀保，杨小林，叶红宇，等.新浇混凝土爆破振动损伤累积规律模拟试验研究[J].煤炭学报,2018,43(9):2469-2475.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0054
CHU Huaibao,YANG Xiaolin,YE Hongyu,et al.Simulation experimental research on damage accumulation law of new concrete under multiple blasting vibration loads[J].Journal of China Coal Society,2018,43(9):2469-2475.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0054
收稿日期:2018-01-10
修回日期:2018-07-26
责任编辑：郭晓炜
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51874123,11542019);河南省基础与前沿技术研究资助项目(162300410032)
作者简介:褚怀保(1977—)，男，河南南阳人，副教授，博士。E-mail:chuhuaibao@hpu.edu.cn
通讯作者:杨小林(1963—)，男，湖南邵东人，教授，博士。E-mail:yangxl@hpu.edu.cn
CHU Huaibao1,2,YANG Xiaolin1,2,YE Hongyu1,WU Libao1
(1.College of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 2.Henan Key Laboratory of Underground Engineering Disaster Prevention,Jiaozuo 454000,China)
Abstract:To address the blasting vibration induced damage accumulation of new concrete,a test on blasting vi-bration induced damage accumulation of new concrete was carried out by the vibration test system,and the test of strength and durability of vibrated concrete was also carried out.The experimental results show that the blasting vibration induced damage accumulation has experienced three stages including the reduction stage,rapid growth stage and stability stage,and the cumulative damage value increases with the increase of vibration velocity.When the vibration velocity is less than 1.0 cm/s,the development of ultrasonic wave velocity has experienced three stages including the rapid growth stage,slow growth stage and stability stage,the maximum ultrasonic wave velocity increases with the increase of vibration velocity,the damage deterioration effect of vibration loads does not appear,and the vibration loads can improve the compressive strength and durability of the concrete.However,when the vibration velocity is greater than 1.5 cm/s,the development of ultrasonic wave velocity has experienced four stages because of the appearance of damage deterioration and reduction process,both the peak and steady ultrasonic wave velocity are lower than the corresponding wave velocity of the virgin specimens,and both decrease with the increase of the vibration velocity,the damage deterioration effect of vibration loads begins to appear in the second stage and appear macroscopically in the third stage,when the vibration velocity reaches 3.5 cm/s,the damage deterioration effect appears from the first stage.The compressive strength and durability of concrete are decreased,and the damage deterioration degree of high strength concrete is more obvious than that of ordinary concrete.Under the test conditions,the safety vibration velocity of new concrete should be controlled below 1.5 cm/s,and the vibration velocity should not exceed 2.0 cm/s before the age of 12 h.
Key words:blasting vibration;new concrete;damage accumulation;strength and durability
随着国家经济的快速发展，我国基础设施建设得到了前所未有的发展机遇，爆破技术在矿山工程、隧道与地下工程、市政工程、人防与国防工程、水利水电工程和核电建设工程等基础设施建设中被广泛应用，大幅度提高了生产效率，并取得了显著的经济和社会效益，但在所有的爆破工程中，炸药爆炸释放的能量中有一部分都不可避免地转化为爆破危害效应，尤其是爆破振动危害效应[1-2]。
混凝土是当代土木工程中最主要、用途最广、用量最大的一种建筑材料。新浇混凝土(龄期小于28 d)因为其内部胶体和晶体尚处在迅速发展的过程中而性质变化剧烈，而在新浇混凝土附近进行爆破(爆破与混凝土喷射或浇筑平行作业等)是工程实践中不可避免的现象，因此也就客观存在新浇混凝土爆破振动损伤问题[3]，而多次爆破也必然产生损伤累积问题[4-6]。
国内学者针对新浇混凝土爆破振动损伤问题已经开展了相应的研究，但主要是针对不同龄期混凝土施加单次振动或冲击荷载、或对某一固定龄期混凝土施加多次冲击荷载。李夕兵等[7]和刘彬等[8]利用SHPB压杆装置对不同龄期的混凝土施加多次和单次冲击荷载，得到了多次冲击荷载对混凝土造成的损伤规律和单次冲击荷载条件下混凝土最薄弱龄期区段及其强度降低率达到峰值的龄期。李毅敏等[9]利用落锤对不同龄期混凝土施加冲击荷载，分析了早龄期混凝土损伤后的强度增长规律，给出了单次冲击条件下新浇混凝土的振动安全标准。魏建军等[10]对初凝和终凝前后混凝土施加振动荷载，分析了受振混凝土抗拉性能的变化情况。吴帅峰等[11]利用露天深孔爆破所产生的振动对早龄期新浇混凝土施加单次振动荷载，利用试验结果给出了不同龄期混凝土的允许振动速度。
笔者设计新浇混凝土爆破振动损伤累积模拟试验和强度与耐久性试验，在混凝土强度发展的关键时间节点利用振动台对其施加多次模拟爆破振动荷载，以期揭示新浇混凝土爆破振动损伤累积过程与规律，分析振动损伤累积对混凝土强度和耐久性的影响，探讨基于损伤累积效应的新浇混凝土爆破振动安全控制标准，为基于损伤累积效应的新浇混凝土爆破振动控制和安全评价提供试验依据。
在实验室制作普通混凝土(C40)和高强混凝土(C60)两种强度的混凝土标准试块(150 mm×150 mm×150 mm)各6组，每组6块，如图1(a)所示。第1组作为基准试块不施加振动荷载(C40-0，C60-0)。其余5组试块参照《爆破安全规程》GB6722—2014中新浇大体积混凝土爆破振动安全允许标准，利用振动试验系统对其施加振动速度分别为0.5，1.0，1.5，2.0和3.5 cm/s的三角脉冲振动荷载，振动频率设定为10 Hz，如图1(b)所示，振动荷载施加时间贯穿混凝土强度发展全过程，分别为初凝后4 h、终凝后8，12，24，48，72，96，120，144，168，338和672 h，每次振动荷载施加后对试块进行超声波波速测试并计算损伤值(在试块6个面上进行3次超声波波速测试，取3次测试结果的平均值作为试验结果，以确保数据的有效性和准确性)，如图1(c)所示，试验过程中对试块按标准条件进行养护。
1.2.1 超声波波速测试结果及分析
弹性波在经过介质中的结构面和弱面时发生反射、透射和绕射现象而延长其传播路径，弹性波波速降低。随着爆破振动次数的增加，介质中的各类裂纹不断起裂扩展，同时会有新的裂纹形成，弹性波波速不断降低。所以，可根据弹性波波速的变化来间接判断混凝土爆破振动损伤及损伤变化过程[12]。最终的超声波波速测试结果取每组6块试块波速的平均值，见表1。根据表1中数据做出C40和C60混凝土试块超声波波速随时间(振动次数)增加的变化曲线，如图2所示。振动荷载施加次数与混凝土养护时间存在一一对应关系，为了直观分析多次振动荷载对新浇混凝土结构和强度发展过程的影响规律，横坐标以时间进行标注。
图1 试验图片
Fig.1 Experimental pictures
表1 超声波波速试验结果
Table 1 Experimental results of ultrasonic velocitykm/s
图2 超声波波速发展曲线
Fig.2 Variation of the ultrasonic velocity with the time
从图2可以看出，新浇混凝土承受多次振动荷载后其超声波波速发展过程发生了明显的变化，振动速度v≤1.0 cm/s时，超声波波速发展经历了快速增长，缓慢增长和基本稳定3个阶段，最大波速随振动速度的增大而增大;随着振动速度的增加(v≥1.5 cm/s)，超声波波速发展在快速增长后出现损伤劣化降低阶段而呈现为4个阶段，峰值波速和最终稳定波速均随着振动速度的增大而降低。
正常养护条件下，混凝土强度的发展遵循水泥的水化过程和规律[13]。混凝土集料加水拌合后，水泥熟料迅速水化，生成大量Ca(OH)2和钙矾石晶体以及C-S-H(CaO-SiO2-H2O)凝胶，它们交错连接形成网状结构，并随着水化产物的增多而不断致密，孔隙率迅速降低，水泥浆体由半固定结构逐渐转为固定结构，可塑性减弱，超声波波速快速增长(第1阶段，4～12 h)。随后，熟料水化速度因受扩散速率的控制而随时间缓慢降低，水化产物缓慢增加，孔隙率缓慢减小，水泥浆体可塑性消失，超声波波速缓慢增长(第2阶段，12～168 h)。最后，极少量尚未水化的熟料因水化速度完全被扩散速率控制而以很低的速度水化，水化产物颗粒因范德华力或化学键力而相互吸引形成三维的密实体，孔隙率进一步减小，混凝土的机械强度和结构趋于稳定，超声波波速亦趋于稳定(第3阶段，168 h以后)。
振动速度v≤1.0 cm/s时(动应力σ最大值为0.15 MPa，参考文献[14]，σ=ρCpν;ρ为介质密度，kg/m3;Cp为纵波波速，m/s;ν为质点运动速度，m/s)，振动荷载只能在混凝土内原生及新生裂纹尖端产生较小的局部损伤，混凝土自身可以完全修复，振动损伤劣化效应不显现。另外，振动荷载还可以加快水泥水化反应速度，提高水化反应程度，细化混凝土中的孔结构和降低孔隙率而显示出积极作用[15]，因此，相对于基准试块，受振试块的超声波波速增大并随振动速度的增大而增大。振动速度v≥1.5 cm/s时，振动荷载在原生裂纹尖端产生的局部损伤增大。第1阶段(4～12 h)振动次数较少，因混凝土自身修复作用和振动荷载的积极作用损伤劣化效应没有显现。随着振动次数的增加(第2阶段，12～48 h(72 h))，裂纹尖端的局部损伤不断累积增加。同时，混凝土的自身修复能力随着时间的增长而降低，振动损伤劣化效应开始显现并快速增长，超声波波速增速变缓，峰值波速低于基准试块最大波速。随着振动次数的继续增加(第3阶段，48(72)～168 h)，原生和新生裂纹扩展形成细观裂纹，部分细观裂纹扩展贯通，振动累积损伤持续增长，同时，振动荷载也会造成凝胶破坏，超声波波速开始降低。进入第4阶段(168 h以后)后，混凝土的结构和强度已基本稳定，而强度保持不变的振动荷载的施加频率降低，试块尺寸又较小，振动所产生的损伤累积效应很弱，超声波波速趋于稳定。
1.2.2 振动累积损伤测试结果及分析
为直接揭示多次振动荷载作用下新浇混凝土损伤累积过程与规律，根据表1数据利用公式[16-17] D=1-(v1/v0)2计算出损伤值(v0为基准试块超声波波速，km/s;v1为受振试块超声波波速，km/s)，见表2，根据表2中数据做出C40和C60混凝土振动损伤累积曲线，如图3所示。
表2 新浇混凝土爆破振动损伤计算结果
Table 2 Results of the blasting-vibration damage values
图3 振动损伤值累积曲线
Fig.3 Variation of the cumulative damage value with the time
从表2和图3可以看出，新浇混凝土承受多次频繁振动荷载后，振动损伤值累积过程可分为3个阶段，即降低阶段(4～12 h)、快速增长阶段(12～168 h)和基本稳定阶段(168 h以后)，振动累积损伤值随着振动速度的增加而增加。振动速度v≤1.0 cm/s时，振动损伤劣化效应不显现，但振动速度v≥1.5 cm/s后，其损伤累积劣化效应开始显现。
混凝土初凝后(4～12 h)，水泥熟料矿物水化速度和程度快速增长，水泥浆进入凝结阶段，水泥浆的黏度不大，混凝土具有一定的可塑性和流动性。振动次数较少时，振动荷载在混凝土内裂纹尖端所产生的局部损伤在一定程度上被混凝土自身修复，振动荷载对新浇混凝土强度和结构发展的积极作用充分体现，所以按照公式计算的损伤值降低。随后(12～168 h)，混凝土可塑性逐渐消失，开始产生结构强度，水泥浆体逐渐转变为具有一定强度的坚硬固体，混凝土自身修复能力降低，而裂纹尖端局部损伤随着振动次数的增加不断累积，计算的损伤值开始持续增大。168 h以后，虽然振动次数继续增加，但混凝土的结构和强度已基本稳定，而振动荷载的强度不变，且施加时间间隔增长，试块尺寸又较小，爆破振动荷载对试块所产生的损伤累积劣化效应很弱，累积损伤值基本趋于稳定。
振动速度v≤1.0 cm/s时，混凝土自身可完全修复振动荷载所产生的较小局部损伤，振动损伤累积劣化效应没有显现，超声波波速持续增大。随着振动速度的增加(1.5 cm/s≤v≤2.0 cm/s)，振动荷载在裂纹尖端所产生的局部损伤增大，第1阶段因为振动次数少，且混凝土自身修复能力较强，所以振动荷载的损伤劣化效应没有显现(计算损伤值为负值)，但进入第2阶段后，裂纹尖端局部损伤随振动次数的增加而累积，裂纹尖端动态应力强度因子大于裂纹扩展临界值时，初始裂纹起裂并扩展形成细观裂纹，振动损伤累积劣化效应开始显现并快速增长，第2阶段末超声波波速峰值低于基准试块最大波速。进入第3阶段后，振动次数进一步增加，细观裂纹持续扩展贯通并有新的细观裂纹不断生成，同时振动荷载也会造成凝胶破坏，并促使初始裂纹沿氢氧化钙晶体解理面扩展，骨料和水化产物分离[18]，损伤劣化效应宏观显现(计算损伤值为正值)，累积损伤持续快速增长。当振动速度达到3.5 cm/s后(σ=0.5 MPa)，振动荷载在裂纹尖端所产生的局部损伤较大，混凝土自身不能完全修复振动损伤，损伤劣化效应从第1阶段即宏观显现。
高强度混凝土因为较高的水灰比和加入高效减水剂而使其早期水化反应更为迅速[19]，机械强度增长快，水泥浆塑性消失早，早期强度高，导致其后期自身修复能力相对于水灰比较大的普通混凝土低，所以高强度混凝土的损伤累积劣化程度较普通混凝土明显。
为分析振动损伤累积效应对新浇混凝土抗压强度、抗水渗透性和抗氯离子渗透性等耐久性的影响，开展混凝土单轴抗压强度和耐久性检测试验，试块分组和振动荷载施加情况与新浇混凝土振动损伤累积模拟试验一致。根据《混凝土强度检验评定标准》GB50107—2010和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082—2009，制作150 mm×150 mm×150 mm的标准试块进行单轴抗压强度测试，每组6块，如图4(a)所示;制作100 mm×100 mm×400 mm的试块进行抗碳化测试，每组2块，如图4(b)所示;制作上口直径175 mm，下口直径185 mm，高150 mm的圆台体试块进行抗渗性测试，每组6块，如图4(c)所示;制作直径100 mm×高50 mm的圆柱体试块进行抗氯离子渗透性测试，每组3块，如图4(d)所示。
图4 新浇混凝土强度和耐久性试验图片
Fig.4 Strength and durability experiment picture
混凝土强度和耐久性测试结果见表3，其中抗碳化试验测试了龄期分别为3，7，14，21和28 d时的碳化深度，在表3中只给出了28 d龄期混凝土的碳化深度值。利用表3中数据做出混凝土强度和碳化深度随振动速度增加的变化曲线，如图5所示，渗水压力为3.5 MPa时的渗水深度和电通量随振动速度增加的变化曲线如图6所示。
表3 新浇混凝土强度和耐久性试验结果
Table 3 Experimental results of the strength and durability
图5 单轴抗压强度、碳化深度随振动速度增加的变化曲线
Fig.5 Variation of the strength and carbonization depth with the vibration velocity
图6 渗水深度、电通量随振动速度增加的变化曲线
Fig.6 Variation of the seepage depth and electric flux with the vibration velocity
从表3和图5可看出，新浇混凝土承受多次振动荷载后，单轴抗压强度随振动速度的增加先增大后减小，但碳化深度、电通量和渗水深度随振动速度的增加先减小后增大，即混凝土的耐久性先提高后降低。
振动速度v≤1.0 cm/s时，振动损伤累积劣化效应不显现，振动荷载对新浇混凝土强度和结构的发展以积极作用为主，有利于混凝土强度和耐久性的提高。随着振动速度的增大(v≥1.5 cm/s)，振动损伤累积劣化效应开始显现，累积损伤随着振动速度和振动次数的增加而增加，致使混凝土的强度和耐久性降低。综合受振混凝土试块超声波波速和振动累积损伤值随振动速度增加的变化规律，以混凝土强度和耐久性不产生累积损伤劣化为基准，在混凝土强度和结构发展全过程承受多次振动荷载，振动速度不应超过1.5 cm/s，龄期12 h以前振动速度不宜超过2.0 cm/s。
(1)振动速度v≤1.0 cm/s时，新浇混凝土承受多次振动荷载后其超声波波速发展经历了快速增长，缓慢增长和基本稳定3个阶段，最大波速随振动速度的增加而增大;随着振动速度的增加(v≥1.5 cm/s)，超声波波速发展在快速增长后出现损伤劣化降低阶段而呈现为4个阶段，且峰值波速随着振动速度的增大而降低。
(2)新浇混凝土振动损伤值累积过程可分为降低阶段、快速增加阶段和稳定阶段。振动速度v≤1.0 cm/s时，振动损伤劣化效应不显现。振动速度v≥1.5 cm/s时，振动损伤劣化效应从第2阶段开始显现，并在第3阶段宏观显现，振动速度达到3.5 cm/s后损伤劣化效应从第1阶段即宏观显现。
(3)新浇混凝土承受多次振动荷载，随着振动速度的增加，其强度先增大后减小，其耐久性先提高后降低。综合爆破工程实践条件和试验结果，考虑损伤累积效应的新浇混凝土安全振动速度应控制在1.5 cm/s以下，龄期12 h以前，振动速度不宜超过2.0 cm/s，以确保混凝土的强度和耐久性。
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