鋼筋籠對(duì)防超灌裝置測(cè)量電阻值的影響

韓云山, 白 楊, 張曉雙, 王元龍, 張曉鳳

(中北大學(xué)理學(xué)院， 太原 030051)

混凝土灌注樁超灌是樁基施工中比較普遍的現(xiàn)象，其不僅造成了經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)、環(huán)境污染，還會(huì)導(dǎo)致施工工序煩瑣，最終拖延工期。

劉韜[1]自行設(shè)計(jì)研制了一套基于Labview和Arduino軟件的防止混凝土灌注樁超灌的裝置，通過測(cè)量混凝土電阻值來控制灌注樁中混凝土灌注高度。經(jīng)過一系列室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)已基本達(dá)到預(yù)期效果，但由于混凝土灌注樁的灌注過程是一個(gè)非可視化過程，經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，還有較多因素會(huì)影響防超灌裝置的測(cè)量精度，如鋼筋籠的存在、測(cè)量探頭的間距、測(cè)量探針的長(zhǎng)度和粗細(xì)等。

目前，多名學(xué)者針對(duì)混凝土的電阻率進(jìn)行了一系列的研究。Sengul等[2]用電阻率法測(cè)量施工過程中對(duì)混凝土質(zhì)量控制時(shí)，不同探針間距和試樣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。唐鵬程等[3]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)新拌混凝土電阻率與水泥用量及水灰比有較好的線性相關(guān)性。任海波[4]通過對(duì)混凝土水膠比、礦物摻合料種類及摻量、減水劑摻量下新拌混凝土電阻率變化規(guī)律研究，探明了新拌混凝土電阻率與其影響因素有很好的線性關(guān)系。肖蓮珍等[5]用電阻率法得到新拌混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間與貫入阻力法測(cè)試得到的凝結(jié)時(shí)間有良好的相關(guān)性。程宇頔等[6]基于大量的試驗(yàn)得到添加無(wú)機(jī)鹽可以降低混凝土電阻率。魏小勝等[7]采用電阻率法研究了水泥水化的過程，得出基體電阻率是液相電阻率和孔隙率的函數(shù)。Pye等[8]在研究導(dǎo)電混凝土?xí)r，用碳質(zhì)離子作為導(dǎo)電相，使得混凝土電阻率降低到了導(dǎo)體的范圍內(nèi)?？梢钥闯鲈S多學(xué)者基于混凝土電阻率做了很研究，并將其應(yīng)用在了高導(dǎo)電混凝土以及鋼筋防腐蝕等領(lǐng)域，但將電阻率法用在混凝土灌注樁防超灌領(lǐng)域還較少，而灌注樁中的鋼筋籠對(duì)電阻測(cè)量結(jié)果影響的研究更是缺乏。因此，為了使混凝土超灌現(xiàn)象得到更加精準(zhǔn)的控制，基于自行研制的防超灌裝置，進(jìn)行了鋼筋籠對(duì)混凝土電阻值影響的試驗(yàn)研究。

通過一系列的室內(nèi)試驗(yàn)研究了單根鋼筋與探頭的間距以及鋼筋籠上鋼筋的數(shù)量和位置在不同介質(zhì)中對(duì)所測(cè)電阻值的影響，并基于試驗(yàn)結(jié)果研制了高精度電阻值標(biāo)定器，以為今后防超灌裝置的改進(jìn)和完善建立基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)工程防超灌領(lǐng)域起指導(dǎo)。

圖2 灌注樁超灌監(jiān)測(cè)及溫度-電阻數(shù)據(jù)采集軟件V3.0Fig.2 The software V3.0 of monitor bored concrete pile’ over concrete quantity and temperature-resistance

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的鋼筋為HRB335帶肋鋼筋，長(zhǎng)度1.3 m，絕緣桿長(zhǎng)度同樣為1.3 m，并自制了鋼筋籠以及絕緣桿籠，見圖1。所用水泥為太原獅頭牌普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用普通河砂，最大直徑不超過1 mm，粗骨料最大直徑不超過25 mm，所用土為太原地區(qū)普通黃土。

圖1 鋼筋籠示意圖Fig.1 The schematic diagram ofreinforcement cage

1.2 各種試驗(yàn)材料配合比

本試驗(yàn)對(duì)混凝土灌注樁施工過程中涉及的4種主要介質(zhì)進(jìn)行了電阻值測(cè)量試驗(yàn)，4種介質(zhì)具體配合比設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)所測(cè)介質(zhì)配合比Table 1 Mixture ratio of medium in the test

1.3 試驗(yàn)方案

圖3 LCR數(shù)字電橋測(cè)試儀Fig.3 LCR digital bridge tester

試驗(yàn)采用自行研制的防超灌程序(見圖2)以及LCR數(shù)字電橋測(cè)試儀(見圖3)對(duì)4種主要介質(zhì)的電阻值進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量系統(tǒng)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)主要是由測(cè)量電阻的電子儀器LCR數(shù)字電橋測(cè)試儀以及Arduino Mega2560為核心的聲光控制部分組成；上位機(jī)即便攜式計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)考慮到工程現(xiàn)場(chǎng)的施工環(huán)境比較復(fù)雜，還運(yùn)用了Zigbee無(wú)線模塊，當(dāng)LCR數(shù)字電橋測(cè)試儀采集到的電阻值通過上位機(jī)程序判斷出是否達(dá)到了報(bào)警值，再將此判斷結(jié)果通過Zigbee無(wú)線模塊將指令傳輸?shù)较挛粰C(jī)發(fā)出聲光報(bào)警，因此現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員可以攜帶無(wú)線設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)根灌注樁的超灌量。

具體測(cè)量步驟為：①將測(cè)量探頭綁在絕緣桿上，此次試驗(yàn)采用的探頭間距為20 cm，將綁好探頭的絕緣桿件豎直放入一個(gè)直徑為30 cm，高度為30 cm的圓柱形塑料桶中，再將4種介質(zhì)分別倒入圓柱形塑料桶中，并攪拌均勻，待各介質(zhì)中所測(cè)電阻值穩(wěn)定后，各取一根鋼筋放入裝有不同介質(zhì)的桶中，鋼筋與探頭的間距分別為1、2、3、4、5、6 cm，并分別測(cè)得此時(shí)各間距下電阻值大?。虎趯⑻筋^分別綁于鋼筋籠上以及絕緣桿籠上，并將兩個(gè)籠分別放入兩個(gè)與①中同樣大小的圓柱形塑料桶中，再將4種介質(zhì)分別倒入圓柱形塑料桶，并攪拌均勻，然后分別按順序用絕緣桿替換鋼筋籠上除探頭所在處的鋼筋以及用鋼筋替換絕緣桿籠上除探頭所在處的絕緣桿，并分別測(cè)得其電阻。鋼筋籠和絕緣桿籠的俯視圖及替換順序見圖4。

圖4 鋼筋與絕緣桿被替換的順序Fig.4 Replacement sequence of steel bar and insulating bar

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 單根鋼筋對(duì)電阻值測(cè)量的影響

將探頭綁在絕緣桿上，并將絕緣桿插入裝有水、水泥漿、泥漿、混凝土4種介質(zhì)的桶中，探頭間距為20 cm，再取一根鋼筋分別插入以上4種介質(zhì)中(如圖5所示)，鋼筋距離探頭間距d分別是1、2、3、4、5、6 cm時(shí)，電阻值隨鋼筋與探頭間距的變化趨勢(shì)以及未插入鋼筋時(shí)各介質(zhì)的電阻R見圖6。

圖5 鋼筋插入各介質(zhì)中時(shí)鋼筋與探頭位置示意圖Fig.5 Position of the bar relative to the probe when the steel bar is in each medium

由圖6可知，在不同介質(zhì)中電阻值隨著鋼筋與探頭間距的增大均先顯著增加，隨后趨于穩(wěn)定，且逐漸趨近于介質(zhì)中未插入鋼筋時(shí)的電阻值。這是因?yàn)闊o(wú)論是在水、水泥漿、泥漿還是在混凝土中，他們自身的電阻值都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單根鋼筋自身的電阻值，所以當(dāng)鋼筋放入介質(zhì)中時(shí)，根據(jù)Nguyen等[9]對(duì)混凝土電阻的研究可知，由于鋼筋極高的導(dǎo)電性，在介質(zhì)中鋼筋吸引電流密度，會(huì)發(fā)生短路效應(yīng)，所以迫使電流首先通過電阻較小的鋼筋，從探頭正極到達(dá)探頭負(fù)極，尤其對(duì)于有限邊界的材料，此方法還可以有效減小邊界效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。而隨著鋼筋與探頭間距增大，電流路徑隨之變長(zhǎng)，路徑中介質(zhì)本身(即電阻值大的部分)所占比重增加，所以測(cè)得的電阻值隨著鋼筋與探頭間距的增大而增大；當(dāng)鋼筋與探頭的間距增加到一定值時(shí)，鋼筋對(duì)電流密度的吸引力接近于零，而后電流基本都是通過介質(zhì)本身從探頭正極達(dá)到探頭負(fù)極，因此，所測(cè)電阻值逐漸趨于介質(zhì)中未插入鋼筋時(shí)的電阻值。

圖6 鋼筋與探頭相距不同間距時(shí)與電阻值的關(guān)系Fig.6 Relationships of resistance in different distance of steel bar and probe

圖7為各介質(zhì)在不同鋼筋與探頭間距時(shí)所測(cè)得的電阻值Rd與本介質(zhì)中未插入鋼筋時(shí)的電阻值Rn之比的變化趨勢(shì)。由圖7可知，不同介質(zhì)中Rd/Rn變化趨勢(shì)和不同介質(zhì)中所測(cè)電阻值隨鋼筋與探頭間距的變化趨勢(shì)一致。對(duì)于水、泥漿、混凝土來說，當(dāng)鋼筋與探頭間距較小(1 cm)時(shí)，Rd/Rn在0.87～0.91變化，當(dāng)鋼筋與探頭間距較大(6 cm)時(shí)，Rd/Rn在0.98～0.99范圍內(nèi)變化，Rd/Rn接近于1.0，說明鋼筋對(duì)測(cè)量電阻值幾乎無(wú)影響。但是對(duì)于水泥漿來說，Rd/Rn的值在0.80～0.88范圍內(nèi)變化，明顯小于1.0，說明鋼筋對(duì)水泥漿測(cè)量電阻值有影響。當(dāng)鋼筋與探頭間距d一定時(shí)，混凝土的Rd/Rn最大，水泥漿的Rd/Rn最小，說明鋼筋對(duì)混凝土的電阻值影響最小，對(duì)水泥漿的電阻值影響最大。

圖7 不同介質(zhì)中相對(duì)無(wú)鋼筋時(shí)的電阻值比隨鋼筋與探頭間距的變化趨勢(shì)Fig.7 The ratio of the resistance value when the distance between the reinforcing bar and the probe changes is relative to the resistance value without the reinforcing bar in different media

2.2 鋼筋籠對(duì)電阻值測(cè)量的影響

基于單根鋼筋對(duì)電阻值測(cè)量的影響，為了更加符合工程實(shí)際工況，通過一系列試驗(yàn)，研究了鋼筋籠對(duì)電阻值測(cè)量的影響。

圖8為探頭綁于絕緣桿籠上，其他非探頭所在處的絕緣桿依次被鋼筋替代所測(cè)得的電阻R變化趨勢(shì)。由圖8可知，不同介質(zhì)中將探頭所在處的其他絕緣桿按順序替換成鋼筋時(shí)，電阻值均先顯著減小，隨后幾乎不變，即首次替換與探頭鄰近的絕緣桿時(shí)對(duì)所測(cè)電阻值的影響較大，替換剩余絕緣桿時(shí)電阻值則基本沒有變化。這說明僅距離探針最近的鋼筋對(duì)所測(cè)電阻值有影響，而鋼筋數(shù)量n的持續(xù)增加則對(duì)電阻值無(wú)影響。這是因?yàn)楫?dāng)距探頭最近的絕緣桿被替換為鋼筋時(shí)，在介質(zhì)中出現(xiàn)了第一根良導(dǎo)體，電流密度被第一根鋼筋所吸引，出現(xiàn)了類似“短路”的情況，電流會(huì)有較大部分通過此根鋼筋在兩個(gè)探頭間傳導(dǎo)，所以即使插入了電阻同樣小的其他三根鋼筋，電流也仍會(huì)選擇電流路徑最近的鋼筋通過，因此，插入其他鋼筋后測(cè)得的電阻值幾乎未發(fā)生變化。

圖8 探頭在絕緣桿上不同鋼筋根數(shù)時(shí)的電阻值Fig.8 Resistance value when the probe on the insulating bar with different quantity of steel bar

圖9為探頭綁于鋼筋籠上，其他非探頭所在處的鋼筋依次被絕緣桿替代所測(cè)得的電阻值變化趨勢(shì)。由圖9可知，當(dāng)探頭綁在鋼筋籠上時(shí)，按此順序?qū)⑵渌唇壧筋^的鋼筋依次替換為絕緣桿，在4種介質(zhì)中所測(cè)得的電阻值均未發(fā)生明顯變化。之所以呈現(xiàn)此結(jié)果是因?yàn)楫?dāng)電流從探頭正極發(fā)出后，很快就被距離最近的鋼筋所吸引，絕大部分通過鋼筋以及小部分周邊電阻較小的空穴從探頭正極達(dá)到探頭負(fù)極，其他鋼筋被替換時(shí)，由于它們所涉及的范圍并沒有觸探到電流路徑所走的范圍，因此所測(cè)得的電阻值并沒有顯著的變化，說明在鋼筋籠上除探頭所在處的鋼筋外，其余鋼筋對(duì)防超灌裝置測(cè)量結(jié)果基本無(wú)影響。

圖9 探頭在鋼筋上不同鋼筋根數(shù)時(shí)的電阻值Fig.9 Resistance value when the probe on the steel bar with different quantity of steel bar

3 混凝土的標(biāo)定

用混凝土防超灌裝置在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行防超灌測(cè)試時(shí)，首先要對(duì)新拌混凝土進(jìn)行標(biāo)定，以得到其電阻值作為混凝土達(dá)到樁頂標(biāo)高時(shí)的報(bào)警值?；趩胃摻钜约颁摻罨\對(duì)測(cè)量混凝土電阻值的影響，研發(fā)一種新型標(biāo)定器，用以消除標(biāo)定時(shí)鋼筋對(duì)所測(cè)電阻值的影響，標(biāo)定器見圖10。

圖10 混凝土標(biāo)定器Fig.10 The thing be used to concrete calibration

標(biāo)定混凝土?xí)r的具體做法是：在標(biāo)定器中的鋼筋上綁好可調(diào)節(jié)探頭，其間距與混凝土灌注樁中的探頭間距相同，從罐車中接混凝土將標(biāo)定器填滿，使混凝土完全沒過標(biāo)定器中的鋼筋和探頭，接下來即可將標(biāo)定器中讀取的混凝土電阻值當(dāng)做混凝土灌注樁達(dá)到樁頂標(biāo)高時(shí)的最終判定電阻值。此方法省去了靠人工觸探的方法來監(jiān)測(cè)混凝土是否達(dá)到樁頂標(biāo)高處，極大方便了工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土灌注樁超灌的控制。

為了驗(yàn)證標(biāo)定器的準(zhǔn)確性，在模擬試驗(yàn)樁中進(jìn)行了一系列驗(yàn)證試驗(yàn)。在模擬樁中放入鋼筋籠，如圖11所示，探頭綁在鋼筋籠上，將混凝土開始灌注至全部沒過雙探頭的過程中所測(cè)得的電阻值與標(biāo)定器所測(cè)得電阻值繪于圖12。AB段為混凝土上升階段，此階段混凝土只沒過一個(gè)探頭，隨著混凝土的上升，倆探頭間的空氣段縮短，電阻值開始下降。BCD段為混凝土即將沒過第二個(gè)探頭，由于少量混凝土與第二個(gè)探頭接觸，此階段出現(xiàn)了突變。DE段混凝土開始沒過第二個(gè)探頭，測(cè)得的電阻值開始趨于穩(wěn)定。EF段為混凝土完全沒過兩個(gè)探頭后的階段，測(cè)得電阻值處于完全穩(wěn)定階段，此時(shí)電阻值即混凝土灌注樁的電阻值，與標(biāo)定器中測(cè)得的電阻值曲線基本吻合。

通過混凝土模擬樁實(shí)測(cè)最終電阻值與標(biāo)定器中的標(biāo)定電阻值對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了標(biāo)定器的準(zhǔn)確性，為混凝土灌注樁防超灌裝置的工程運(yùn)用起到了提高精度的效果，并為工程實(shí)測(cè)提供了一定的便利。

圖11 模擬樁中放入鋼筋籠Fig.11 Put reinforcement cage in simulated pile

圖12 標(biāo)定器測(cè)量值與模擬樁測(cè)量值Fig.12 Measured values of calibrator and simulated pile

4 結(jié)論

通過一系列模型試驗(yàn)，研究了單根鋼筋在4種介質(zhì)中對(duì)所測(cè)電阻值的影響以及鋼筋籠上鋼筋的數(shù)量及位置對(duì)所測(cè)介質(zhì)電阻值的影響，結(jié)果如下：

(1)當(dāng)單根鋼筋插入所測(cè)介質(zhì)時(shí)，測(cè)得的電阻值隨著鋼筋與探頭間距的增大而增大，且逐漸趨近于介質(zhì)中未插入鋼筋時(shí)的電阻值。單根鋼筋對(duì)混凝土電阻測(cè)量值影響最小，對(duì)水泥漿電阻測(cè)量值影響最大。

(2)當(dāng)探頭在絕緣桿籠上，將鄰近位置的絕緣桿替換為鋼筋時(shí)，4種介質(zhì)中所測(cè)得的電阻值均顯著減??；繼續(xù)將其他絕緣桿替換為鋼筋時(shí)，電阻值幾乎無(wú)變化。說明所測(cè)電阻值只與距離探頭間距最近且最先出現(xiàn)的鋼筋有關(guān)。

(3)當(dāng)探頭在鋼筋籠上，將除探頭所在外的其他鋼筋桿順次替換為絕緣桿時(shí)，電阻值基本不發(fā)生變化。說明除探頭所在鋼筋之外，其余鋼筋對(duì)防超灌裝置測(cè)量結(jié)果基本無(wú)影響。

(4)基于試驗(yàn)結(jié)果，自主設(shè)計(jì)新型標(biāo)定器，用以準(zhǔn)確測(cè)量防超灌系統(tǒng)中的最終判定電阻值，精確度較高，操作簡(jiǎn)單，可完全模擬混凝土灌注樁中有鋼筋籠時(shí)的效果，并方便了工程實(shí)際應(yīng)用。