振动三要素对新浇混凝土影响的研究(1).pdf
第35卷 第2期 2018年6月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 2 Jun. 2018 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 02. 002 振动三要素对新浇混凝土影响的研究* 吴帅峰 1, 李 晨 2, 栗曰峰3, 王成刚4, 张春革4 (1.中国水利水电科学研究院, 北京100038;2.中国矿业大学( 北京) 力学与建筑工程学院, 北京100083; 3.中国人民解放军92303部队, 青岛266000;4.密云水库管理处, 北京101512) 摘 要 为研究3 d内龄期的混凝土在爆破振动作用下的扰动规律, 以振动台作为振源对混凝土试件进行 不同振动信号下的加载, 通过正交试验来确定混凝土龄期、 振动速度、 振动持续时间、 振动频率四个因素对新 浇混凝土强度的影响。试验结果表明混凝土龄期与振动速度对强度影响最为显著; 经极差分析得出各因素 的影响次序为 混凝土龄期>振动速度>振动频率>振动持续时间。最后, 给出3 d内龄期混凝土在不同时 段、 不同振速下的强度变化规律及各龄期振速允许值。 关键词 新浇混凝土;爆破振动;正交试验;混凝土龄期 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2018)02 -0006 -06 Study on Influence of Three Elements of Vibration on Fresh Concrete WU Shuai-feng1,LI Chen2,LI Yue-feng3,WANG Cheng-gang4,ZHANG Chun-ge4 (1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China; 2. School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing) ,Beijing 100083,China;3. People′s Liberation Army of Chinese 92303 Troops, Qingdao 266000,China;4. Miyun Reservoir Management Department,Beijing 101512,China) Abstract In order to research the disturbance law of concretes within 3 days under blasting vibration,shaking table was used as vibration source to load the concrete specimens under different vibration signals,and through or- thogonal experiment,the influence of four factors(the concrete age,vibration velocity,duration and frequency)on the strength of fresh concrete was determined. It′s concluded that concrete age and vibration amplitude influence signifi- cantly on strength;by range analysis the influence order of the factors was obtainedconcrete age > vibration velocity > frequency > duration. At last,strength variation law of the concrete within 3 days under different time and velocity was given as well as velocity permitted under different ages. Key words fresh concrete;blasting vibration;orthogonal experiment;concrete age 收稿日期2018 -01 -28 作者简介吴帅峰(1988 -) , 男, 河南登封人, 博士(后) 、 工程师, 主 要从事岩土力学和爆破工程方面的研究, (E-mail)wusf@ iwhr. com。 基金项目国家重点基础研究发展计划资助项目( “973”计划)(2014 CB047000) ; 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804 607) 目前国内的相关标准对现浇大体积混凝土在不 同龄期的安全允许振速进行了规定[ 1,2], 并将龄期 在3 d内新浇大体积混凝土的爆破振动安全速度值 统一定为2 ~3 cm/ s。实际上在这段时间内混凝土 强度的增长和变化最大, 且受爆破振动的影响程度 亦有很大的差异[ 3]。卢文波对爆破振动信号的特 性[ 4,5], 结合新浇混凝土的初始应力应变状态, 给出 了不同基岩条件下3 d、7 d和28 d的容许振速。龙 源对C25、C40混凝土在浇筑12 h、3 d、7 d状态下进 行了爆破振速在5 cm/ s以下的试验[ 6,7], 分析得出 其强度、 钢筋握裹力未受到明显影响影响。金臻丽 对5 h、8 h、12 h、24 h和48 h龄期混凝土进行了不 同加速度下的室内振动试验, 通过强度和声波波速 万方数据 折减指标定量得出终凝前未受到影响[ 8], 而终凝后 强度会有所折减并造成损伤。笔者先前在文献[9] 的 研究中, 以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的振速下进行试验, 以强度和声波波速折减 为衡量指标, 给出C40新浇混凝土的容许振速。 先前的研究均是以振动现象对新浇混凝土的影 响展开的研究, 未将振动分解为典型要素, 研究各要 素对其影响的程度。由此, 运用正交试验的方法设 计并研究混凝土龄期、 振动速度、 振动持续时间及振 动频率四个因素对新浇混凝土强度影响的显著程 度。采用振动台提供的振动信号对3 d内不同龄期 的混凝土试件进行振动加载[ 4], 测试养护 28 d后的 试件强度、 波速、 弹模等参数, 并对正交试验结果进 行分析[ 6], 由此得出各因素显著性次序以及建议容 许振速。 1 正交试验设计 采用正交试验方法对混凝土龄期、 振动速度、 振 动持续时间及振动频率等因素进行研究。测量试验 中混凝土试件养护28 d后的抗压强度, 将抗压强度 作为考察以上几个因素的指标, 寻找显著因素。混 凝土龄期为6 ~72 h, 正交代号为A; 根据现行国家标 准和实地测震的范围, 选定振动速度2 ~10 cm/ s, 正 交代号为B; 根据工程爆破产生振动时间, 选取持续 时间0. 2 ~1. 5 s, 正交代号为C; 根据工程爆破产生 的振动频率, 选取频率为5 ~50 Hz, 正交代号为D, 以上4个因素均为5水平影响,具体取值如表1 所示。 表1 正交试验各因素取值 Table 1 The factors in orthogonal test 水平 龄期 A/ h 振动速度 B/(cms -1) 振动时间 C/ s 振动频率 D/ Hz 1620. 25 21230. 510 33650. 720 44871. 030 572101. 550 本试验考察4个因素对混凝土力学性能的影响 效果, 每种因素考虑5种水平的影响, 为4因素5水 平的正交试验, 根据上述正交表的选取原则选取 L25(56) 正交表[ 10,11], 如表 2所示。 表2 四因素五水平正交表及试验结果 Table 2 Four factors and five levels orthogonal table and test results 试验号ABCD 空白 E 空白 F 抗压强度/ MPa 11(6 h)1(2 cm/ s)1(0. 2 s)1(5 Hz)1125. 3 212(3 cm/ s)2(0. 5 s)2(10 Hz)2229. 1 313(5 cm/ s)3(0. 7 s)3(20 Hz)3327. 9 414(7 cm/ s)4(1. 0 s)4(30 Hz)4427. 4 515(10 cm/ s)5(1. 5 s)5(50 Hz)5527. 0 62(12 h)1234529. 0 722345133. 3 823451230. 6 924512330. 1 1025123431. 3 113(36 h)1352425. 5 1232413530. 0 1333524130. 6 1434135227. 0 1535241328. 3 164(48 h)1425329. 7 1742531428. 3 1843142529. 7 1944253127. 2 2045314226. 5 215(72 h)1543226. 3 2252154329. 5 2353215429. 2 2454321528. 9 2555432127. 1 7第35卷 第2期 吴帅峰, 李 晨, 栗曰峰, 等 振动三要素对新浇混凝土影响的研究 万方数据 2 振动试验 2. 1 试验仪器 采用WS-Z30小型精密振动台模拟振动, 能够 输出设定波形, 其频率范围为5 ~20 kHz, 控制输出 信号为正弦波、 随机波、 地震波、 扫频正弦波白噪声, 失真度小于2%, 噪声值小于10 mV。 2. 2 试验步骤 2. 2. 1 制作试件 采用C20强度混凝土, 混凝土试件配比如表3 所示[ 12]。 表3 混凝土配比 Table 3 Proportions of concrete mix 水泥 矿粉 粉煤灰 中石 小石 砂水 减水剂 200120804814816971685. 2 注 单位kg, 水泥采用425硅酸盐水泥。 试验分25组, 每组3块试件, 设置3组对比试 件, 每组3块共9块, 模具28组, 试件同时制作。用 于本次试验受竖直向振动的试件为84块。 2. 2. 2 振动试验 将试件安装固定在振动台上, 按不同龄期(6 h、 12 h、36 h、48 h、72 h)垂直振动荷载。试件在来回 搬运过程中要轻拿轻放。 试验完成后, 试件龄期达到3 d拆模, 拆模后在 温度为20 5℃的标准养护室进行养护, 标准养护 室内的试件应放在支架上彼此间隔10 ~ 20 mm, 试 件表面应保持潮湿并不得被水直接冲淋。试件养护 至28 d龄期后测量超声波速及轴心抗压强度。 3 试验结果及分析 3. 1 振动载荷下强度测试结果 室内振动试验的典型试验振动信号加载波形如 图1所示, 此加载波形为10 Hz, 振速3 cm/ s, 持时 0. 5 s,z向振动。每组做3次平行试验, 取平均值, 试件受振动扰动后单轴抗压强度如表2所示。 图1 试验组号2波形加载图 Fig. 1 The waveform loading on 2 batch of the test 3. 2 新浇混凝土轴心抗压强度正交分析 3. 2. 1 极差分析 首先根据正交试验因素影响水平分析步骤, 计 算各因素的极差R, 计算步骤为 计算Kij值,Kij为同一水平之和, 以第一列A因 素为例 K11= 25. 3 + 29. 1 + 27. 9 + 27. 4 + 27. 0 = 136. 7 (1) K21= 29. 0 + 33. 3 + 30. 6 + 30. 1 + 31. 3 = 154. 3 (2) 计算各因素同一水平的平均值kij, 以第一列A 因素为例 k11= 136. 7/5 = 27. 34(3) k21= 154. 3/5 = 30. 86(4) 计算各因素的极差R,R表示该因素在其取值 范围内试验指标变化的幅度 R = max(kij)- min(kij)(5) 得第一列的极差R1=30. 86 -27. 34 =3. 52 同理,R2= 2. 88;R3= 0. 54;R4= 2. 06;R5= 0. 96;R6=1. 20。 在对正交试验做极差或方差分析时, 必须估计 随机误差, 而随机误差是通过正交表上空白列得到 的。由于空白列中没有因素作用, 因此正好反映随 机因素所引起的误差, 该空白列在方差分析中常被 称为误差列, 以确定随机误差引起的离差平方和。 将表2中抗压强度经极差分析, 得出时间-强度极差 分析表, 如表4所示。 表4 时间-强度显著性检验极差分析表 Table 4 Analysis of time and intensity significant test range 项目ABCD误差E误差F K1j136. 7135. 8142. 8141. 1141. 4143. 5 K2j154. 3150. 2142. 8149. 6141. 5139. 5 K3j141. 4148. 0142. 1139. 3142. 7145. 5 K4j141. 4140. 6144. 8145. 0143. 0141. 7 K5j141. 0140. 2142. 3139. 8146. 2144. 6 k1j27. 3427. 1628. 5628. 2228. 2828. 700 k2j30. 8630. 0428. 5629. 9228. 3028. 250 k3j28. 2829. 6028. 4227. 8628. 5428. 667 k4j28. 2828. 1228. 9629. 0028. 6028. 340 k5j28. 2028. 0428. 4627. 9629. 2428. 920 极差R3. 522. 880. 542. 060. 960. 670 8爆 破 2018年6月 万方数据 3. 2. 2 显著性方差分析 对垂直振动下新浇混凝土轴心抗压强度方差分 析为 ①总平方和 SST =∑ k i =1 ∑ r j =1 (Kij- K) 2 (6) 式中Kij为极差, 具体取值为表5中各行、 列数 值;K为极差和的平均值。 ②处理平方和 SSTR = k∑ r j =1 (Kj- K) 2 (7) 式中Kj为各列极差。 ③区组平方和 SSBL = r∑ k i =1 (Ki- K) 2 (8) 式中Ki为各行极差。 ④误差平方和 SSE = SST - SSTR - SSBL(9) ⑤自由度计算 df(A)= df(B)= df(C)= df(D)= 5 - 1 = 4 (10) df(e)= df = df(E)= df(F)= 4 + 4 = 8 (11) ⑥处理均方 MSTR = SSTR r - 1 (12) ⑦区组均方 MSBL = MSBL k - 1 (13) ⑧误差均方 MSE = SSE (r - 1) (k - 1) (14) ⑨Ftr服从分子自由度为r - 1, 分母自由度为 (r -1) (k -1) 的F分布 Ftr= MSTR MSE (15) ⑩Fb1服从分子自由度为r - 1, 分母自由度为 (r -1) (k -1) 的F分布 Fb1= MSBL MSE (16) 根据式(6)~(16)计算, 得出对于新浇混凝土 在振动作用下的单轴抗压强度显著性检验方差分析 数据, 如表5所示。 表5 显著性检验方差分析表 Table 5 The variance analysis of the significant test 因素偏差平方和自由度F比F临界值(0. 05)显著性 龄期35. 298415. 8963. 840显著 振动速度28. 454412. 8143. 840显著 振动时间0. 92240. 4153. 840不显著 振动频率15. 01846. 7633. 840显著 误差4. 4408--- 根据极差及显著性分析, 判断因素的主次影响 顺序。R越大, 表示该因素的水平变化对试验指标 的影响越大, 因素越重要;F超过其临界值越多, 因 素影响越大。由以上分析可见在本试验条件下, 因 素影响主次顺序为A > B > D > C,A混凝土龄期因 素影响最大, 为主要因素,B振动速度因素次之, 本 次试验条件下持续时间因素未超过F临界值, 为不 重要因素。 4 新浇混凝土安全振速研究 确定4种因素的影响性后, 进一步研究影响性 较大的因素, 即新浇混凝土在不同龄期和不同振动 速度下的强度变化规律, 以此得出0 ~3 d龄期混凝 土的允许振速。具体试验方法与第2节相同, 振速 和龄期选用与正交试验相同的5种水平, 频率和振 动时间统一取中间值分别为20 Hz、0. 7 s, 受振动扰 动后的试件强度测试结果如表6所示。 表6 龄期与振动速度共同作用下的试件强度 Table 6 Strength of specimen under interaction of age and vibration velocity 振速/ (cms -1) 6 h12 h 强度/ MPa 36 h48 h72 h 024. 0024. 0024. 0024. 0024. 00 222. 5522. 7323. 0123. 2823. 41 322. 1022. 3122. 8322. 8823. 21 521. 5121. 7622. 6322. 6522. 93 721. 3621. 6222. 5322. 6122. 69 1020. 4721. 3222. 5322. 6122. 65 抗压强度与混凝土龄期及振速的关系如图2所 示, 从该图得出 在相同龄期下, 混凝土强度随振速 的提升逐渐减弱; 随着龄期的增加, 混凝土强度受振 动影响逐渐减弱。6 h龄期受振速影响最大,在 9第35卷 第2期 吴帅峰, 李 晨, 栗曰峰, 等 振动三要素对新浇混凝土影响的研究 万方数据 10 cm/ s振速时强度下降14. 7%,72 h龄期受振速 影响最小, 最大振速下强度下降约5. 6%。以表6 中未受振动的试件强度为参照, 将强度保证率大于 95%作为振动允许值标准, 约为22. 8 MPa。给出以 此判断标准下, 不同龄期的振动速度允许值, 如表7 所示。 图2 强度与龄期及振速的关系 Fig. 2 The relationship between strength and age under different vibration velocity 表7 C20新浇混凝土振速允许值 Table 7 Safety vibration velocity of C20 fresh concrete 龄期/ h612364872 安全振速/(cms -1) 22446 5 结论 通过控制振动信号参数对3 d内不同龄期的混 凝土进行振动台加载试验, 并测试养护至28 d龄期 后的混凝土试件强度。对试验结果分析后得出以下 结论 (1) 在特定振动试验条件下, 对混凝土试件强 度产生影响的四个因素主次顺序为 混凝土龄期> 振动速度>振动频率>振动持续时间。混凝土龄期 与振动速度对新浇混凝土垂直向振动轴心抗压强度 影响显著, 频率对新浇混凝土垂直向振动轴心抗压 强度影响较显著, 持续时间对新浇混凝土垂直向振 动轴心抗压强度影响最小。 (2) 在同一龄期下, 混凝土强度随振速的提升 逐渐减弱; 随着龄期的增加, 混凝土强度受振动影响 逐渐减弱。 (3)通过对强度与振速及龄期的关系分析得 出, 以强度保证率大于95%为标准时,36h龄期混凝 土能够提供一定的抗振能力;C20混凝土试件的 6 h、12 h、36 h、48 h、72 h龄期振动允许值分别为 2 cm/ s、2 cm/ s、4 cm/ s、4 cm/ s、6 cm/ s。 参考文献(References) [1] 国家质量监督检验检疫总局. 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