馬 瑩，馮凌云，2，史長城，2，趙偉鑫，廉 豐

（1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003；2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河南 鄭州450003；3.河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊050057；4.黃河養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州450003）

從20世紀(jì)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(gè)熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)外多個(gè)工程中得到應(yīng)用[1－6]。隨著橡膠混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用，橡膠混凝土工程質(zhì)量的無損檢測(cè)已成為必須面對(duì)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(dāng)用傳統(tǒng)的超聲法檢測(cè)橡膠混凝土質(zhì)量時(shí)，鋼筋對(duì)橡膠混凝土的超聲特性有何影響，是關(guān)系到超聲檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的一個(gè)關(guān)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(shí)，鋼筋對(duì)橡膠混凝土中超聲聲速的變化影響，為橡膠混凝土質(zhì)量的超聲檢測(cè)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 橡膠混凝土的配合比與材料

試驗(yàn)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(chǎn)的雙龍牌復(fù)合硅酸鹽水泥P·C42.5，指標(biāo)合格；砂為中砂，細(xì)度模數(shù)2.70，連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2 506kg/m3；石子為石灰?guī)r碎石，二級(jí)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(jí)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(hào)、10號(hào)光面鋼筋，試件用木模成型，2d后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度:（20±2）℃，相對(duì)濕度:95%）養(yǎng)護(hù)28d。由于橡膠粒徑和摻量及鋼筋型號(hào)的不同，組合配制14個(gè)200mm×200mm×400mm的橡膠混凝土立方體試件，每個(gè)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(cè)試試件俯視圖（單位:mm）

圖2 超聲測(cè)試試件側(cè)視圖（單位:mm）

1.3 測(cè)試方法

超聲測(cè)試采用對(duì)測(cè)法，檢測(cè)鋼筋與超聲探頭連線平行或垂直時(shí)（見圖3、圖4），鋼筋對(duì)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(cè)儀。超聲檢測(cè)時(shí)應(yīng)在測(cè)點(diǎn)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(dāng)Δ逐漸增大時(shí)，超聲聲速逐漸變小而趨于平穩(wěn)時(shí)，檢測(cè)結(jié)束。

圖3 鋼筋與超聲探頭連線平行時(shí)超聲傳播路徑示意圖

圖4 鋼筋與超聲探頭連線垂直時(shí)超聲傳播路徑示意圖

2 鋼筋對(duì)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(dāng)超聲探頭連線與鋼筋平行時(shí)（見圖3），探頭由A點(diǎn)發(fā)出的超聲波可由兩條途徑達(dá)到探頭D點(diǎn)，一是由探頭A點(diǎn)發(fā)出的超聲波直接穿過橡膠混凝土達(dá)到探頭D點(diǎn)；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(jīng)CD段橡膠混凝土到達(dá)接受探頭D點(diǎn)。

超聲波在橡膠混凝土AB段和CD段中的傳播時(shí)間為:

超聲波在鋼筋BC段中的傳播時(shí)間為:

總的傳播時(shí)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(dá)接收探頭的時(shí)間最短，即求t的最小值，對(duì)x求導(dǎo)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(shí)間為:

如要避免鋼筋的影響，則應(yīng)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(dāng)超聲探頭連線與鋼筋垂直時(shí)（見圖4），假設(shè)超聲波完全通過每根鋼筋的圓心時(shí)，鋼筋對(duì)測(cè)試的影響最大。在這種情況下，超聲傳播時(shí)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(dāng)檢測(cè)超聲探頭連線與鋼筋垂直時(shí)得到存在鋼筋影響的橡膠混凝土聲速vb，通過式（7）可計(jì)算出在不同ld/l情況下無鋼筋影響的混凝土聲速v，根據(jù)v/vb可得到一修正系數(shù)，當(dāng)修正系數(shù)越小，說明鋼筋對(duì)超聲檢測(cè)影響程度越大。研究者通過試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，對(duì)于聲速v＞4.00km/s的混凝土來說，ld/l＜1/12時(shí)，鋼筋對(duì)混凝土聲速的影響很小，基本可以忽略，一般在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，都是避開鋼筋密集的地方布置測(cè)點(diǎn)，基本都能滿足ld/l＜1/12，不需要修正。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)Δ值的確定

配置8號(hào)、10號(hào)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(shì)。普通混凝土中放置8號(hào)、10號(hào)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(yàn)Δ值均應(yīng)在5cm附近；摻60目橡膠的橡膠混凝土，放置8號(hào)鋼筋時(shí)Δ值在6cm～9cm之間聲速趨于平穩(wěn)，因此試驗(yàn)Δ值應(yīng)在6cm附近，而放置10號(hào)鋼筋時(shí)Δ值在7cm處聲速達(dá)到最小值，試驗(yàn)Δ值應(yīng)在7cm附近；摻1mm～3mm橡膠的橡膠混凝土，放置8號(hào)鋼筋與10號(hào)鋼筋時(shí)，Δ值分別在7cm～11cm、7 cm～10cm之間聲速變化較小，因此試驗(yàn)Δ值都應(yīng)在7cm附近處；摻3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土，放置8號(hào)、10號(hào)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(yàn)Δ值均應(yīng)在6cm附近。

圖5 5%的橡膠混凝土中放置8號(hào)鋼筋的聲速變化

圖6 5%的橡膠混凝土中放置10號(hào)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(shì)。摻60目橡膠的橡膠混凝土，放置8號(hào)鋼筋時(shí)Δ值在7cm～10 cm之間超聲變化較小，放置10號(hào)鋼筋時(shí)Δ值在6 cm時(shí)聲速達(dá)到最小，因此試驗(yàn)Δ值應(yīng)分別為7cm、6cm；摻1mm～3mm橡膠的橡膠混凝土，放置8號(hào)、10號(hào)鋼筋時(shí)，Δ值分別在6cm～8cm、6cm～11 cm之間聲速趨于平穩(wěn)，因此試驗(yàn)Δ值均應(yīng)在6cm附近；摻3mm～6mm橡膠的橡膠混凝土，放置8號(hào)鋼筋、10號(hào)鋼筋時(shí)Δ值分別在5cm～6cm、6cm～7cm之間聲速變化較小，因此試驗(yàn)Δ值應(yīng)分別為5cm、6cm。

圖7 10%的橡膠混凝土中放置8號(hào)鋼筋的聲速變化

圖8 10%的橡膠混凝土中放置10號(hào)鋼筋的聲速變化

3.2 試驗(yàn)Δ值與理論Δ值的對(duì)比

超聲檢測(cè)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(dǎo)式（7）中，可知，當(dāng)鋼筋與探頭連線平行時(shí)，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(shí)，鋼筋對(duì)超聲聲學(xué)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(cè)試的聲速分別代入理論推導(dǎo)式（7），可知，當(dāng)鋼筋與探針連線平行時(shí)，Δ值分別在大于7cm、6.4cm、6.1cm 處，鋼筋對(duì)超聲聲學(xué)參量無影響。

試驗(yàn)Δ值與理論Δ值的對(duì)比如表2。

表2 試驗(yàn)Δ值與理論Δ值 單位:cm

普通混凝土的試驗(yàn)Δ值與理論Δ值相差0.4 cm，橡膠混凝土的試驗(yàn)Δ值與理論Δ值也存在差異，最小差異為0cm，最大達(dá)到1.2cm綜合分析發(fā)現(xiàn)，摻60目橡膠的橡膠混凝土無論在5%、10%摻量，不同鋼筋型號(hào)的實(shí)驗(yàn)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(hào)不同橡膠摻量時(shí)，實(shí)驗(yàn)Δ值與理論Δ值的差值影響均較小。因此可發(fā)現(xiàn)鋼筋型號(hào)、橡膠摻量和橡膠粒徑對(duì)試驗(yàn)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(hào)，因此在對(duì)60目粒徑的橡膠混凝土進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，判斷鋼筋對(duì)超聲聲速影響的Δ值應(yīng)注意理論Δ值與實(shí)際Δ值的差異。

3.3 不同型號(hào)的鋼筋與探頭連線垂直

鋼筋的聲速為5.288km/s，分別測(cè)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(shí)測(cè)Vb值，Ld/L設(shè)置為0.12、0.15。圖9為各混凝土的修正系數(shù)。

圖9 不同Ld/L、摻量、粒徑的橡膠混凝土的修正系數(shù)

由圖9可知，摻加橡膠后的橡膠混凝土的修正系數(shù)均比普通混凝土修正系數(shù)小，即采用鋼筋與探頭連線垂直檢測(cè)時(shí)，鋼筋對(duì)橡膠混凝土的超聲聲學(xué)參量影響程度比普通混凝土的鋼筋影響程度大。

當(dāng)Ld/L分別為0.12、0.15時(shí)，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(shù)逐漸減小，即超聲聲速傳播方向與鋼筋軸線垂直時(shí)，鋼筋對(duì)超聲聲學(xué)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(shí)，橡膠粒徑越大，修正系數(shù)越小，鋼筋對(duì)超聲聲學(xué)參量影響越大；而在10%橡膠摻量，Ld/L為0.12時(shí)，1mm～3mm橡膠混凝土的修正系數(shù)最小，鋼筋對(duì)超聲聲學(xué)參量影響最大，而Ld/L為0.15時(shí)，60目橡膠混凝土的修正系數(shù)最小，鋼筋對(duì)超聲聲學(xué)參量影響最大。

4 結(jié) 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(shí)性，橡膠混凝土內(nèi)部密實(shí)性小于普通混凝土的密實(shí)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(shì)。

（3）當(dāng)采用鋼筋與探頭連線平行檢測(cè)時(shí)，鋼筋型號(hào)、橡膠摻量和橡膠粒徑對(duì)試驗(yàn)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(hào)，因此在對(duì)60目粒徑的橡膠混凝土進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，判斷鋼筋對(duì)超聲聲速影響的Δ值應(yīng)注意理論Δ值與實(shí)際Δ值的差異。

（4）當(dāng)采用鋼筋與探頭連線垂直檢測(cè)時(shí)，摻加橡膠的橡膠混凝土的鋼筋對(duì)超聲聲學(xué)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(hào)、橡膠粒徑、橡膠摻量，鋼筋對(duì)超聲聲學(xué)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(qiáng)度試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)研究[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，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(yàn)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(duì)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(cè)技術(shù)（應(yīng)用新規(guī)范）[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[10]張治泰，邱 平.超聲波在混凝土質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[11]吳新璇.混凝土無損檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)[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(yīng)用試驗(yàn)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(dá)波無損檢測(cè)[J].汕頭大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，18（4）:67－72.

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

[15]陳華艷.超聲法檢測(cè)在鋼纖維混凝土中的應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué)，2005.