钢筋对橡胶混凝土超声声学参量影响的试验研究

马 莹，冯凌云，2，史长城，2，赵伟鑫，廉 丰

（1.河南省水利科学研究院，河南 郑州450003；2.河南省水利工程安全技术重点试验室，河南 郑州450003；3.河北省水利科学研究院，河北 石家庄050057；4.黄河养护集团有限公司，河南 郑州450003）

从20世纪80年代开始，将废旧橡胶颗粒掺入到普通混凝土中以改善混凝土性能的研究已成为一个热点。研究发现，橡胶混凝土具有良好的防裂性、韧性和耐久性能，目前已在国内外多个工程中得到应用[1－6]。随着橡胶混凝土在实际工程中的应用，橡胶混凝土工程质量的无损检测已成为必须面对的课题。

同普通混凝土工程一样，橡胶混凝土工程中同样配置有钢筋，当用传统的超声法检测橡胶混凝土质量时，钢筋对橡胶混凝土的超声特性有何影响，是关系到超声检测结果准确性的一个关键问题。为此本文着重研究了探头连线与钢筋平行或垂直时，钢筋对橡胶混凝土中超声声速的变化影响，为橡胶混凝土质量的超声检测提供技术支持。

1 试验设计

1.1 橡胶混凝土的配合比与材料

试验所用混凝土拌合水为城市自来水；水泥为河南省新乡市生产的双龙牌复合硅酸盐水泥P·C42.5，指标合格；砂为中砂，细度模数2.70，连续级配，表观密度为2 506kg/m3；石子为石灰岩碎石，二级配，即5mm～20mm、20mm～40mm两种石子，两者之比为3∶1，表观密度2 732kg/m3，级配合格；废旧橡胶颗粒密度1 119kg/m3，橡胶颗粒有60目（0.250mm）、1mm～3mm 和3mm～6mm三种，掺量为5%、10%两种[7]，具体配合比见表1。

表1 橡胶混凝土的配合比 单位:kg/m3

1.2 试件制备

试件中埋置的钢筋采用8号、10号光面钢筋，试件用木模成型，2d后拆模，放入标准养护室（温度:（20±2）℃，相对湿度:95%）养护28d。由于橡胶粒径和掺量及钢筋型号的不同，组合配制14个200mm×200mm×400mm的橡胶混凝土立方体试件，每个试件埋置3根相同直径的钢筋，水平等间距排列，钢筋布置示意见图1、图2。

图1 超声测试试件俯视图（单位:mm）

图2 超声测试试件侧视图（单位:mm）

1.3 测试方法

超声测试采用对测法，检测钢筋与超声探头连线平行或垂直时（见图3、图4），钢筋对橡胶混凝土超声声速影响的变化规律，仪器为ZBL－U520A非金属超声检测仪。超声检测时应在测点处涂摸凡士林作为耦合剂，使探头与橡胶混凝土表面耦合良好，减小声能的反射损失。在图3中，当Δ逐渐增大时，超声声速逐渐变小而趋于平稳时，检测结束。

图3 钢筋与超声探头连线平行时超声传播路径示意图

图4 钢筋与超声探头连线垂直时超声传播路径示意图

2 钢筋对超声传播影响的理论分析

2.1 钢筋与超声探头连线平行[8－15]

当超声探头连线与钢筋平行时（见图3），探头由A点发出的超声波可由两条途径达到探头D点，一是由探头A点发出的超声波直接穿过橡胶混凝土达到探头D点；二是超声波首先在AB段橡胶混凝土中传播，然后沿BC段钢筋传播，最后经CD段橡胶混凝土到达接受探头D点。

超声波在橡胶混凝土AB段和CD段中的传播时间为:

超声波在钢筋BC段中的传播时间为:

总的传播时间:

其中:vc为橡胶混凝土的超声声速；vs为钢筋的超声声速；l为两探头的间距，Δ为探头与钢筋的距离。

要使超声波到达接收探头的时间最短，即求t的最小值，对x求导并令其为零，

超声波直接在橡胶混凝土AD段中传播所需的时间为:

如要避免钢筋的影响，则应有t3＜tmin，将式（4）、式（5）代入整理后得到:

2.2 钢筋与超声探头连线垂直[8－15]

当超声探头连线与钢筋垂直时（见图4），假设超声波完全通过每根钢筋的圆心时，钢筋对测试的影响最大。在这种情况下，超声传播时间t用下式表示整理得:

式中:l为两探头间的距离；ld为钢筋直径的总和；vc、vs分别为橡胶混凝土和钢筋的超声声速；vb为存在钢筋影响的橡胶混凝土超声声速。

当检测超声探头连线与钢筋垂直时得到存在钢筋影响的橡胶混凝土声速vb，通过式（7）可计算出在不同ld/l情况下无钢筋影响的混凝土声速v，根据v/vb可得到一修正系数，当修正系数越小，说明钢筋对超声检测影响程度越大。研究者通过试验结果认为，对于声速v＞4.00km/s的混凝土来说，ld/l＜1/12时，钢筋对混凝土声速的影响很小，基本可以忽略，一般在进行超声检测时，都是避开钢筋密集的地方布置测点，基本都能满足ld/l＜1/12，不需要修正。

3 测试结果分析

3.1 试验Δ值的确定

配置8号、10号钢筋的普通混凝土和橡胶掺量为5%的橡胶混凝土（见图5、图6），超声声速随Δ值的增加而呈逐渐减小的趋势。普通混凝土中放置8号、10号钢筋Δ值分别在5cm～8cm、5cm～7 cm之间声速趋于平稳，因此可确定试验Δ值均应在5cm附近；掺60目橡胶的橡胶混凝土，放置8号钢筋时Δ值在6cm～9cm之间声速趋于平稳，因此试验Δ值应在6cm附近，而放置10号钢筋时Δ值在7cm处声速达到最小值，试验Δ值应在7cm附近；掺1mm～3mm橡胶的橡胶混凝土，放置8号钢筋与10号钢筋时，Δ值分别在7cm～11cm、7 cm～10cm之间声速变化较小，因此试验Δ值都应在7cm附近处；掺3mm～6mm橡胶的橡胶混凝土，放置8号、10号钢筋的橡胶混凝土Δ值分别在6 cm～8cm、6cm～7cm之间声速趋于稳定，因此试验Δ值均应在6cm附近。

图5 5%的橡胶混凝土中放置8号钢筋的声速变化

图6 5%的橡胶混凝土中放置10号钢筋的声速变化

如图7、图8所示，10%掺量60目、1mm～3 mm、3mm～6mm橡胶的橡胶混凝土，随着Δ值的增加，声速也均呈先减小后增大趋势。掺60目橡胶的橡胶混凝土，放置8号钢筋时Δ值在7cm～10 cm之间超声变化较小，放置10号钢筋时Δ值在6 cm时声速达到最小，因此试验Δ值应分别为7cm、6cm；掺1mm～3mm橡胶的橡胶混凝土，放置8号、10号钢筋时，Δ值分别在6cm～8cm、6cm～11 cm之间声速趋于平稳，因此试验Δ值均应在6cm附近；掺3mm～6mm橡胶的橡胶混凝土，放置8号钢筋、10号钢筋时Δ值分别在5cm～6cm、6cm～7cm之间声速变化较小，因此试验Δ值应分别为5cm、6cm。

图7 10%的橡胶混凝土中放置8号钢筋的声速变化

图8 10%的橡胶混凝土中放置10号钢筋的声速变化

3.2 试验Δ值与理论Δ值的对比

超声检测钢筋的超声声速为5.288km/s，普通混凝土和掺量为5%的60目、1mm～3mm、3mm～6mm橡胶的橡胶混凝土的声速分别为4.566 km/s、4.464km/s、4.329km/s、4.386km/s，分别将声速代入理论公式推导式（7）中，可知，当钢筋与探头连线平行时，普通混凝土和掺60目、1mm～3 mm、3mm～6mm橡胶的橡胶混凝土分别在Δ值大于5.4cm、5.8cm、6.3cm、6.1cm 时，钢筋对超声声学参量无影响。

掺量为10%的60目、1mm～3mm、3mm～6 mm橡胶的橡胶混凝土的超声声速分别为4.115 km/s、4.292km/s、4.367km/s，将测试的声速分别代入理论推导式（7），可知，当钢筋与探针连线平行时，Δ值分别在大于7cm、6.4cm、6.1cm 处，钢筋对超声声学参量无影响。

试验Δ值与理论Δ值的对比如表2。

表2 试验Δ值与理论Δ值 单位:cm

普通混凝土的试验Δ值与理论Δ值相差0.4 cm，橡胶混凝土的试验Δ值与理论Δ值也存在差异，最小差异为0cm，最大达到1.2cm综合分析发现，掺60目橡胶的橡胶混凝土无论在5%、10%掺量，不同钢筋型号的实验Δ值与理论Δ值的差值影响都较大，而掺1mm～3mm、3mm～6mm橡胶的橡胶混凝土的差值较小（掺量10%的3mm～6mm橡胶混凝土除外）；掺60目、1mm～3mm、3mm～6mm的橡胶混凝土在相同钢筋型号不同橡胶掺量时，实验Δ值与理论Δ值的差值影响均较小。因此可发现钢筋型号、橡胶掺量和橡胶粒径对试验Δ值与理论Δ值差值的影响程度为:橡胶粒径＞橡胶掺量＞钢筋型号，因此在对60目粒径的橡胶混凝土进行超声检测时，判断钢筋对超声声速影响的Δ值应注意理论Δ值与实际Δ值的差异。

3.3 不同型号的钢筋与探头连线垂直

钢筋的声速为5.288km/s，分别测试出普通混凝土和掺量为5%、10%的60目、1mm～3mm、3 mm～6mm橡胶混凝土的实测Vb值，Ld/L设置为0.12、0.15。图9为各混凝土的修正系数。

图9 不同Ld/L、掺量、粒径的橡胶混凝土的修正系数

由图9可知，掺加橡胶后的橡胶混凝土的修正系数均比普通混凝土修正系数小，即采用钢筋与探头连线垂直检测时，钢筋对橡胶混凝土的超声声学参量影响程度比普通混凝土的钢筋影响程度大。

当Ld/L分别为0.12、0.15时，掺加60目、1 mm～3mm橡胶的橡胶混凝土，随着橡胶掺量的增加，修正系数逐渐减小，即超声声速传播方向与钢筋轴线垂直时，钢筋对超声声学参量影响越大。而掺3mm～6mm橡胶的橡胶混凝土正相反；在5%橡胶掺量时，橡胶粒径越大，修正系数越小，钢筋对超声声学参量影响越大；而在10%橡胶掺量，Ld/L为0.12时，1mm～3mm橡胶混凝土的修正系数最小，钢筋对超声声学参量影响最大，而Ld/L为0.15时，60目橡胶混凝土的修正系数最小，钢筋对超声声学参量影响最大。

4 结 论

（1）掺加不同粒径橡胶的橡胶混凝土超声声速与普通混凝土的超声声速相比，均比普通混凝土的声速小，因此说明混凝土掺加橡胶后影响了混凝土的密实性，橡胶混凝土内部密实性小于普通混凝土的密实性。

（2）普通混凝土和掺加60目、1mm～3mm、3 mm～6mm不同粒径橡胶的橡胶混凝土的超声声速均随着Δ值的增加呈先减小后增大的趋势。

（3）当采用钢筋与探头连线平行检测时，钢筋型号、橡胶掺量和橡胶粒径对试验Δ值与理论Δ值差值的影响程度为:橡胶粒径＞橡胶掺量＞钢筋型号，因此在对60目粒径的橡胶混凝土进行超声检测时，判断钢筋对超声声速影响的Δ值应注意理论Δ值与实际Δ值的差异。

（4）当采用钢筋与探头连线垂直检测时，掺加橡胶的橡胶混凝土的钢筋对超声声学参量的影响程度均比普通混凝土的影响程度大，不同的钢筋型号、橡胶粒径、橡胶掺量，钢筋对超声声学参量的影响程度不同。

[1]陈 波，张亚梅，陈胜霞，等.橡胶混凝土性能的初步研究[J].混凝土，2004，（12）:37－39.

[2]熊 杰，郑 磊，袁 勇.废橡胶混凝土抗压强度试验研究[J].混凝土，2004，（12）:40－42.

[3]李 悦，王 玲.橡胶集料混凝土研究进展综述[J].混凝土，2006，（4）:91－95.

[4]张 昊，张小亮，乐金朝.废旧轮胎橡胶改性混凝土材料性能试验研究[J].浙江水利水电专科学校学报，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]赵伟鑫，袁 群，曹宏亮，等.橡胶混凝土的超声声速特性试验研究[J].人民黄河，2014，36（5）:108－110.

[8]李保平.水泥混凝土中钢筋对超声波速的影响[J].黑龙江科技信息，2011，（14）:237.

[9]邱 平.新编混凝土无损检测技术（应用新规范）[M].北京:中国环境科学出版社，2002.

[10]张治泰，邱 平.超声波在混凝土质量检测中的应用[M].北京:化学工业出版社，2006.

[11]吴新璇.混凝土无损检测技术手册[M].北京:人民交通出版社，2004.

[12]林凤兰，李丽娟，朱 江，等.超声回弹综合法在橡胶混凝土中应用试验研究[J].混凝土，2010，（6）:134－136.

[13]刘 军，赵晓华.钢筋混凝土板的雷达波无损检测[J].汕头大学学报:自然科学版，2004，18（4）:67－72.

[14]李丽娟，陈智泽，谢伟峰.橡胶混凝土抗压强度与超声波波速关系的试验研究[J].混凝土，2007，（6）:49－50.

[15]陈华艳.超声法检测在钢纤维混凝土中的应用[D].武汉:华中科技大学，2005.