鋼筋對橡膠混凝土超聲聲學參量影響的試驗研究

馬 瑩，馮凌云，2，史長城，2，趙偉鑫，廉 豐

（1.河南省水利科學研究院，河南 鄭州450003；2.河南省水利工程安全技術重點試驗室，河南 鄭州450003；3.河北省水利科學研究院，河北 石家莊050057；4.黃河養(yǎng)護集團有限公司，河南 鄭州450003）

從20世紀80年代開始，將廢舊橡膠顆粒摻入到普通混凝土中以改善混凝土性能的研究已成為一個熱點。研究發(fā)現，橡膠混凝土具有良好的防裂性、韌性和耐久性能，目前已在國內外多個工程中得到應用[1－6]。隨著橡膠混凝土在實際工程中的應用，橡膠混凝土工程質量的無損檢測已成為必須面對的課題。

同普通混凝土工程一樣，橡膠混凝土工程中同樣配置有鋼筋，當用傳統(tǒng)的超聲法檢測橡膠混凝土質量時，鋼筋對橡膠混凝土的超聲特性有何影響，是關系到超聲檢測結果準確性的一個關鍵問題。為此本文著重研究了探頭連線與鋼筋平行或垂直時，鋼筋對橡膠混凝土中超聲聲速的變化影響，為橡膠混凝土質量的超聲檢測提供技術支持。

1 試驗設計

1.1 橡膠混凝土的配合比與材料

試驗所用混凝土拌合水為城市自來水；水泥為河南省新鄉(xiāng)市生產的雙龍牌復合硅酸鹽水泥P·C42.5，指標合格；砂為中砂，細度模數2.70，連續(xù)級配，表觀密度為2 506kg/m3；石子為石灰?guī)r碎石，二級配，即5mm～20mm、20mm～40mm兩種石子，兩者之比為3∶1，表觀密度2 732kg/m3，級配合格；廢舊橡膠顆粒密度1 119kg/m3，橡膠顆粒有60目（0.250mm）、1mm～3mm 和3mm～6mm三種，摻量為5%、10%兩種[7]，具體配合比見表1。

表1 橡膠混凝土的配合比 單位:kg/m3

1.2 試件制備

試件中埋置的鋼筋采用8號、10號光面鋼筋，試件用木模成型，2d后拆模，放入標準養(yǎng)護室（溫度:（20±2）℃，相對濕度:95%）養(yǎng)護28d。由于橡膠粒徑和摻量及鋼筋型號的不同，組合配制14個200mm×200mm×400mm的橡膠混凝土立方體試件，每個試件埋置3根相同直徑的鋼筋，水平等間距排列，鋼筋布置示意見圖1、圖2。

圖1 超聲測試試件俯視圖（單位:mm）

圖2 超聲測試試件側視圖（單位:mm）

1.3 測試方法

超聲測試采用對測法，檢測鋼筋與超聲探頭連線平行或垂直時（見圖3、圖4），鋼筋對橡膠混凝土超聲聲速影響的變化規(guī)律，儀器為ZBL－U520A非金屬超聲檢測儀。超聲檢測時應在測點處涂摸凡士林作為耦合劑，使探頭與橡膠混凝土表面耦合良好，減小聲能的反射損失。在圖3中，當Δ逐漸增大時，超聲聲速逐漸變小而趨于平穩(wěn)時，檢測結束。

圖3 鋼筋與超聲探頭連線平行時超聲傳播路徑示意圖

圖4 鋼筋與超聲探頭連線垂直時超聲傳播路徑示意圖

2 鋼筋對超聲傳播影響的理論分析

2.1 鋼筋與超聲探頭連線平行[8－15]

當超聲探頭連線與鋼筋平行時（見圖3），探頭由A點發(fā)出的超聲波可由兩條途徑達到探頭D點，一是由探頭A點發(fā)出的超聲波直接穿過橡膠混凝土達到探頭D點；二是超聲波首先在AB段橡膠混凝土中傳播，然后沿BC段鋼筋傳播，最后經CD段橡膠混凝土到達接受探頭D點。

超聲波在橡膠混凝土AB段和CD段中的傳播時間為:

超聲波在鋼筋BC段中的傳播時間為:

總的傳播時間:

其中:vc為橡膠混凝土的超聲聲速；vs為鋼筋的超聲聲速；l為兩探頭的間距，Δ為探頭與鋼筋的距離。

要使超聲波到達接收探頭的時間最短，即求t的最小值，對x求導并令其為零，

超聲波直接在橡膠混凝土AD段中傳播所需的時間為:

如要避免鋼筋的影響，則應有t3＜tmin，將式（4）、式（5）代入整理后得到:

2.2 鋼筋與超聲探頭連線垂直[8－15]

當超聲探頭連線與鋼筋垂直時（見圖4），假設超聲波完全通過每根鋼筋的圓心時，鋼筋對測試的影響最大。在這種情況下，超聲傳播時間t用下式表示整理得:

式中:l為兩探頭間的距離；ld為鋼筋直徑的總和；vc、vs分別為橡膠混凝土和鋼筋的超聲聲速；vb為存在鋼筋影響的橡膠混凝土超聲聲速。

當檢測超聲探頭連線與鋼筋垂直時得到存在鋼筋影響的橡膠混凝土聲速vb，通過式（7）可計算出在不同ld/l情況下無鋼筋影響的混凝土聲速v，根據v/vb可得到一修正系數，當修正系數越小，說明鋼筋對超聲檢測影響程度越大。研究者通過試驗結果認為，對于聲速v＞4.00km/s的混凝土來說，ld/l＜1/12時，鋼筋對混凝土聲速的影響很小，基本可以忽略，一般在進行超聲檢測時，都是避開鋼筋密集的地方布置測點，基本都能滿足ld/l＜1/12，不需要修正。

3 測試結果分析

3.1 試驗Δ值的確定

配置8號、10號鋼筋的普通混凝土和橡膠摻量為5%的橡膠混凝土（見圖5、圖6），超聲聲速隨Δ值的增加而呈逐漸減小的趨勢。普通混凝土中放置8號、10號鋼筋Δ值分別在5cm～8cm、5cm～7 cm之間聲速趨于平穩(wěn)，因此可確定試驗Δ值均應在5cm附近；摻60目橡膠的橡膠混凝土，放置8號鋼筋時Δ值在6cm～9cm之間聲速趨于平穩(wěn)，因此試驗Δ值應在6cm附近，而放置10號鋼筋時Δ值在7cm處聲速達到最小值，試驗Δ值應在7cm附近；摻1mm～3mm橡膠的橡膠混凝土，放置8號鋼筋與10號鋼筋時，Δ值分別在7cm～11cm、7 cm～10cm之間聲速變化較小，因此試驗Δ值都應在7cm附近處；摻3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土，放置8號、10號鋼筋的橡膠混凝土Δ值分別在6 cm～8cm、6cm～7cm之間聲速趨于穩(wěn)定，因此試驗Δ值均應在6cm附近。

圖5 5%的橡膠混凝土中放置8號鋼筋的聲速變化

圖6 5%的橡膠混凝土中放置10號鋼筋的聲速變化

如圖7、圖8所示，10%摻量60目、1mm～3 mm、3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土，隨著Δ值的增加，聲速也均呈先減小后增大趨勢。摻60目橡膠的橡膠混凝土，放置8號鋼筋時Δ值在7cm～10 cm之間超聲變化較小，放置10號鋼筋時Δ值在6 cm時聲速達到最小，因此試驗Δ值應分別為7cm、6cm；摻1mm～3mm橡膠的橡膠混凝土，放置8號、10號鋼筋時，Δ值分別在6cm～8cm、6cm～11 cm之間聲速趨于平穩(wěn)，因此試驗Δ值均應在6cm附近；摻3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土，放置8號鋼筋、10號鋼筋時Δ值分別在5cm～6cm、6cm～7cm之間聲速變化較小，因此試驗Δ值應分別為5cm、6cm。

圖7 10%的橡膠混凝土中放置8號鋼筋的聲速變化

圖8 10%的橡膠混凝土中放置10號鋼筋的聲速變化

3.2 試驗Δ值與理論Δ值的對比

超聲檢測鋼筋的超聲聲速為5.288km/s，普通混凝土和摻量為5%的60目、1mm～3mm、3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土的聲速分別為4.566 km/s、4.464km/s、4.329km/s、4.386km/s，分別將聲速代入理論公式推導式（7）中，可知，當鋼筋與探頭連線平行時，普通混凝土和摻60目、1mm～3 mm、3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土分別在Δ值大于5.4cm、5.8cm、6.3cm、6.1cm 時，鋼筋對超聲聲學參量無影響。

摻量為10%的60目、1mm～3mm、3mm～6 mm橡膠的橡膠混凝土的超聲聲速分別為4.115 km/s、4.292km/s、4.367km/s，將測試的聲速分別代入理論推導式（7），可知，當鋼筋與探針連線平行時，Δ值分別在大于7cm、6.4cm、6.1cm 處，鋼筋對超聲聲學參量無影響。

試驗Δ值與理論Δ值的對比如表2。

表2 試驗Δ值與理論Δ值 單位:cm

普通混凝土的試驗Δ值與理論Δ值相差0.4 cm，橡膠混凝土的試驗Δ值與理論Δ值也存在差異，最小差異為0cm，最大達到1.2cm綜合分析發(fā)現，摻60目橡膠的橡膠混凝土無論在5%、10%摻量，不同鋼筋型號的實驗Δ值與理論Δ值的差值影響都較大，而摻1mm～3mm、3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土的差值較?。〒搅?0%的3mm～6mm橡膠混凝土除外）；摻60目、1mm～3mm、3mm～6mm的橡膠混凝土在相同鋼筋型號不同橡膠摻量時，實驗Δ值與理論Δ值的差值影響均較小。因此可發(fā)現鋼筋型號、橡膠摻量和橡膠粒徑對試驗Δ值與理論Δ值差值的影響程度為:橡膠粒徑＞橡膠摻量＞鋼筋型號，因此在對60目粒徑的橡膠混凝土進行超聲檢測時，判斷鋼筋對超聲聲速影響的Δ值應注意理論Δ值與實際Δ值的差異。

3.3 不同型號的鋼筋與探頭連線垂直

鋼筋的聲速為5.288km/s，分別測試出普通混凝土和摻量為5%、10%的60目、1mm～3mm、3 mm～6mm橡膠混凝土的實測Vb值，Ld/L設置為0.12、0.15。圖9為各混凝土的修正系數。

圖9 不同Ld/L、摻量、粒徑的橡膠混凝土的修正系數

由圖9可知，摻加橡膠后的橡膠混凝土的修正系數均比普通混凝土修正系數小，即采用鋼筋與探頭連線垂直檢測時，鋼筋對橡膠混凝土的超聲聲學參量影響程度比普通混凝土的鋼筋影響程度大。

當Ld/L分別為0.12、0.15時，摻加60目、1 mm～3mm橡膠的橡膠混凝土，隨著橡膠摻量的增加，修正系數逐漸減小，即超聲聲速傳播方向與鋼筋軸線垂直時，鋼筋對超聲聲學參量影響越大。而摻3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土正相反；在5%橡膠摻量時，橡膠粒徑越大，修正系數越小，鋼筋對超聲聲學參量影響越大；而在10%橡膠摻量，Ld/L為0.12時，1mm～3mm橡膠混凝土的修正系數最小，鋼筋對超聲聲學參量影響最大，而Ld/L為0.15時，60目橡膠混凝土的修正系數最小，鋼筋對超聲聲學參量影響最大。

4 結 論

（1）摻加不同粒徑橡膠的橡膠混凝土超聲聲速與普通混凝土的超聲聲速相比，均比普通混凝土的聲速小，因此說明混凝土摻加橡膠后影響了混凝土的密實性，橡膠混凝土內部密實性小于普通混凝土的密實性。

（2）普通混凝土和摻加60目、1mm～3mm、3 mm～6mm不同粒徑橡膠的橡膠混凝土的超聲聲速均隨著Δ值的增加呈先減小后增大的趨勢。

（3）當采用鋼筋與探頭連線平行檢測時，鋼筋型號、橡膠摻量和橡膠粒徑對試驗Δ值與理論Δ值差值的影響程度為:橡膠粒徑＞橡膠摻量＞鋼筋型號，因此在對60目粒徑的橡膠混凝土進行超聲檢測時，判斷鋼筋對超聲聲速影響的Δ值應注意理論Δ值與實際Δ值的差異。

（4）當采用鋼筋與探頭連線垂直檢測時，摻加橡膠的橡膠混凝土的鋼筋對超聲聲學參量的影響程度均比普通混凝土的影響程度大，不同的鋼筋型號、橡膠粒徑、橡膠摻量，鋼筋對超聲聲學參量的影響程度不同。

[1]陳 波，張亞梅，陳勝霞，等.橡膠混凝土性能的初步研究[J].混凝土，2004，（12）:37－39.

[2]熊 杰，鄭 磊，袁 勇.廢橡膠混凝土抗壓強度試驗研究[J].混凝土，2004，（12）:40－42.

[3]李 悅，王 玲.橡膠集料混凝土研究進展綜述[J].混凝土，2006，（4）:91－95.

[4]張 昊，張小亮，樂金朝.廢舊輪胎橡膠改性混凝土材料性能試驗研究[J].浙江水利水電?？茖W校學報，2008，20（1）:39－41.

[5]Papakonstantinou C G，Tobolski M J.Use of waste tire steel beads in portland cement concrete[J].Cement and Concrete Research，2006，36（9）:1686－1691.

[6]Van Beukering P J H，Janssen M A.Trade and recycling of used tyres in western and eastem europe[J].Resoures Conservation and Recycling，2001，33（4）:235－265.

[7]趙偉鑫，袁 群，曹宏亮，等.橡膠混凝土的超聲聲速特性試驗研究[J].人民黃河，2014，36（5）:108－110.

[8]李保平.水泥混凝土中鋼筋對超聲波速的影響[J].黑龍江科技信息，2011，（14）:237.

[9]邱 平.新編混凝土無損檢測技術（應用新規(guī)范）[M].北京:中國環(huán)境科學出版社，2002.

[10]張治泰，邱 平.超聲波在混凝土質量檢測中的應用[M].北京:化學工業(yè)出版社，2006.

[11]吳新璇.混凝土無損檢測技術手冊[M].北京:人民交通出版社，2004.

[12]林鳳蘭，李麗娟，朱 江，等.超聲回彈綜合法在橡膠混凝土中應用試驗研究[J].混凝土，2010，（6）:134－136.

[13]劉 軍，趙曉華.鋼筋混凝土板的雷達波無損檢測[J].汕頭大學學報:自然科學版，2004，18（4）:67－72.

[14]李麗娟，陳智澤，謝偉峰.橡膠混凝土抗壓強度與超聲波波速關系的試驗研究[J].混凝土，2007，（6）:49－50.

[15]陳華艷.超聲法檢測在鋼纖維混凝土中的應用[D].武漢:華中科技大學，2005.