趙偉鑫 ，馮凌云 ，史長城 ，馬瑩 ，張國岑

（1.河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊 050051；2.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；4.河南省白龜山水庫灌溉工程管理局，河南 平頂山 467031）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車行業(yè)突飛猛進(jìn)，現(xiàn)在各地都在新建高速公路和高架橋，其形式也越來越復(fù)雜多樣，從而對(duì)建造過程的強(qiáng)度質(zhì)量有了更為嚴(yán)格的要求[1-3]。橡膠混凝土作為一種新型混凝土材料，具有自重輕、韌性高，能量吸收多、抗裂性和耐久性好、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，近幾年備受國內(nèi)外學(xué)者們的青睞，因此在許多工程上使用了橡膠混凝土，例如：美國亞利桑那北部建造的世界第一條橡膠混凝土路面道路以及我國上海外環(huán)道路、內(nèi)環(huán)線高架橋等工程使用了橡膠混凝土[7-9]。由于在新建高速公路時(shí)會(huì)受到各種外在和施工人員的影響，可能會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度質(zhì)量造成一定的影響，因此有必要對(duì)施工過程及完畢后對(duì)混凝土進(jìn)行非破損強(qiáng)度檢測，從而對(duì)施工現(xiàn)場的混凝土質(zhì)量有更為準(zhǔn)確的掌握。目前混凝土強(qiáng)度非破損檢測的方法也越來越多，主要有超聲脈沖法、回彈法、超聲回彈綜合法、鉆芯法、拔出法等[10-11]，其中超聲脈沖法是最為常用的方法之一。超聲脈沖法具有以下優(yōu)點(diǎn)：混凝土材料的檢測過程無破損；可直接在建筑物上檢測并推斷強(qiáng)度；檢測可反復(fù)復(fù)核，重復(fù)性較好；頻率高，指向性好；傳播能量大，對(duì)各種材料的穿透力較強(qiáng)；適應(yīng)性強(qiáng)、檢測靈敏度高、對(duì)人體無害、設(shè)備輕巧、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[11]。

基于超聲脈沖法的特點(diǎn)，本文采用超聲法對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行非破損強(qiáng)度檢測和抗壓強(qiáng)度測試，從而對(duì)橡膠混凝土的超聲聲速與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立回歸方程，得出二者之間的關(guān)系，為以后實(shí)際工程的超聲檢測提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：雙龍牌P·C42.5水泥；水：城市自來水；細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)2.70，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑為5 mm，表觀密度2506kg/m3；粗骨料：石灰?guī)r碎石，二級(jí)配，即 5～20mm、20～40mm石子，二者質(zhì)量比為3∶1，表觀密度2732 kg/m3；廢舊橡膠顆粒：60目（0.25 mm）橡膠粉、1～3 mm 橡膠顆粒、3～6 mm 橡膠顆粒，密度1119kg/m3，由河南武陟某橡膠廠生產(chǎn)；耦合劑：白凡士林。

1.2 混凝土配合比

試驗(yàn)以未摻加橡膠的C20混凝土為基準(zhǔn)混凝土，其配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（小石）∶m（大石）=325∶205∶702∶832.5∶277.5。分別將 3～6 mm、1～3 mm、60 目 3 種不同粒徑的橡膠顆粒（粉）以5%、7%、10%、15%、20%等5種不同摻量等體積取代砂，制備成橡膠混凝土，其相應(yīng)的砂用量分別為 702、688、665、628、591 kg/m3；橡膠用量為 14.9、20.9、29.8、44.7、59.6 kg/m3，其余材料用量與基準(zhǔn)混凝土相同。

1.3 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

按照DL/T 5150—200《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》制備橡膠混凝土試件，分別為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件和100 mm×100 mm×100 mm立方體試件。制作完成的試件1 d后拆模，隨即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度≥95%]養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至7 d、28 d齡期后將試件取出，100 mm×100 mm×100 mm立方體試件用于測試抗壓強(qiáng)度，150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件用于測試超聲聲速。

1.4 超聲聲速測試方法

采用北京智博聯(lián)公司生產(chǎn)的ZBL-U520A非金屬超聲檢測儀，在標(biāo)準(zhǔn)立方體試件澆筑面?zhèn)让鎸?duì)角方向上布置3對(duì)超聲測點(diǎn)，按照式（1）～式（3）計(jì)算超聲聲速。

式中：v——超聲聲速，km/s；

l——超聲測距，mm；

ti——1個(gè)試件3對(duì)超聲測點(diǎn)聲時(shí)平均值，μs；

t1、t2、t3——分別為3對(duì)超聲測點(diǎn)的聲時(shí)值，μs。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

待養(yǎng)護(hù)至7 d、28 d時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)方案，對(duì)不同摻量、粒徑的橡膠混凝土進(jìn)行超聲聲速檢測和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果如表1所示。

表1 不同摻量、粒徑的橡膠混凝土超聲聲速和抗壓強(qiáng)度

文獻(xiàn)[12]對(duì)不同粒徑的橡膠混凝土波速與抗壓強(qiáng)度關(guān)系擬合出了相應(yīng)的回歸方程，再根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料，可知混凝土的超聲聲速與其抗壓強(qiáng)度的關(guān)系可以表示為：fc=avm，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)分析，運(yùn)用DPS軟件計(jì)算，可得到7 d、28 d齡期橡膠混凝土超聲聲速與抗壓強(qiáng)度之間的回歸方程分別為：

式中：fCRC——橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa；

v——橡膠混凝土的超聲聲速，km/s。

由上述擬合方程可知，7 d齡期擬合回歸方程的相關(guān)系數(shù)R為0.9205；28 d齡期擬合方程的相關(guān)系數(shù)R為0.9573。7 d、28 d齡期橡膠混凝土超聲聲速與抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合曲線分別見圖1、圖2。

圖1 7 d齡期橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度擬合曲線

圖2 28 d齡期橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度擬合曲線

從圖1、圖2可知，7d、28d齡期采用冪指數(shù)方程擬合出的結(jié)果均較好，說明橡膠混凝土的超聲聲速與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系均可用冪函數(shù)方程擬合。7d、28d齡期的橡膠混凝土試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度與擬合方程計(jì)算出的抗壓強(qiáng)度對(duì)比及絕對(duì)值誤差分別見表 2、表 3。

表2 7 d齡期試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度與擬合方程計(jì)算抗壓強(qiáng)度對(duì)比

表3 28 d齡期試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度與擬合方程計(jì)算抗壓強(qiáng)度對(duì)比

由表2、表3可見，7 d齡期時(shí)，計(jì)算抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的絕對(duì)值誤差最大為12.78%，絕對(duì)值誤差最小為0.35%；28 d齡期時(shí)，計(jì)算抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的絕對(duì)值誤差最大為10.60%，最小為0.15%，由上述數(shù)據(jù)可知，運(yùn)用DPS軟件擬合出的冪函數(shù)回歸方程在橡膠混凝土超聲聲速與抗壓強(qiáng)度關(guān)系中較為適合。

7 d、28 d齡期橡膠摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系分別見圖3、圖4，與超聲聲速的關(guān)系分別見圖5、圖6。

圖3 7 d齡期橡膠粒（粉）摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 28 d齡期橡膠粒（粉）摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖5 7 d齡期橡膠粒（粉）摻量與超聲聲速的關(guān)系

圖6 28 d齡期橡膠粒（粉）摻量與超聲聲速的關(guān)系

由圖3、圖4可知，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土的低，并且抗壓強(qiáng)度隨橡膠粒（粉）摻量的增加而降低。整體而言，7d齡期時(shí)，橡膠摻量在0～5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度依次為RDC>RXC>RZC；橡膠摻量在5%～20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度依次為RDC>RZC>RXC。28 d齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度大小的排序與7 d齡期相同。由圖5、圖6可知，橡膠混凝土超聲聲速均比基準(zhǔn)混凝土小，而且超聲聲速隨著橡膠摻量增大和橡膠粒徑的減小而降低。在混凝土內(nèi)部摻加橡膠顆粒（粉），作為一種有機(jī)高分子材料與混凝土基體的界面結(jié)合，隨著橡膠粒徑的減小，橡膠顆粒的比表面積越大，混凝土的含氣量越大，與水泥漿的粘結(jié)薄弱面也越大，彈性模量和密實(shí)度越小，其抗壓強(qiáng)度越低。因此，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著橡膠摻量增大和粒徑的減小而降低。

綜合圖3～圖6可知，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度大的超聲聲速也同樣大，由此說明，橡膠混凝土的超聲聲速隨著抗壓強(qiáng)度的提高而增大。其主要原因是：橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度越高，其彈性模量和密實(shí)度越大。橡膠混凝土超聲聲速與橡膠混凝土的彈性模量和密實(shí)度有密切關(guān)系，傳播介質(zhì)的彈性模量和密實(shí)度越大，其超聲聲速越大。因此，橡膠混凝土的彈性模量越高，混凝土內(nèi)部密實(shí)度越大，抗壓強(qiáng)度越高，其超聲聲速也越大。

3 結(jié)論

（1）利用DPS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到橡膠混凝土超聲聲速與抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系的冪函數(shù)回歸方程，可為橡膠混凝土的強(qiáng)度檢測提供技術(shù)支撐。

（2）橡膠混凝土的超聲聲速均比未摻加橡膠的混凝土小，并且橡膠混凝土的超聲聲速隨抗壓強(qiáng)度、橡膠粒徑的增大而增大，而隨橡膠摻量增加而降低。

（3）運(yùn)用超聲法對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行非破損檢測，可得到相應(yīng)齡期的超聲聲速值，可根據(jù)擬合的回歸方程計(jì)算出相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度值，但計(jì)算值與理論值有一定的誤差，擬合誤差最大為12.78%，最小為0.15%。

（4）影響橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的因素較多，只靠橡膠混凝土超聲聲速推算其抗壓強(qiáng)度具有一定的誤差及不足。綜合考慮可以運(yùn)用多因素?cái)M合回歸之間的關(guān)系方程。

[1]李俊如，高建光，王耀輝.超聲波檢測混凝土裂縫及裂縫成因分析[J].巖土力學(xué)，2001，22（3）：291-293.

[2]林維正，蘇勇，洪有根.混凝土裂縫深度超聲波檢測方法[J].無損檢測，2001，23（8）：323-326.

[3]Toutanji H A.The use of rubber tire particle in concrete to replace mineral aggregate[J].Cement&Concrete Composites，1996，18：135-139.

[4]潘東平，劉峰，李麗娟，等.橡膠混凝土的應(yīng)用和研究概況[J].橡膠工業(yè)，2007，54（3）：182-185.

[5]朱涵.新型彈性混凝土的研究綜述[J].天津建設(shè)科技，2004，14（2）：35-37.

[6]宋少明，劉娟紅，金樹新.橡膠粉改性的高韌性混凝土研究[J].混凝土與水泥制品，1997（1）：11-12.

[7]馮凌云.橡膠混凝土材料性能的試驗(yàn)研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2011.

[8]馮凌云，袁群，楊衛(wèi)坤，等.橡膠混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2011（9）：125-127.

[9]Nuri Avcular.The properties of rubberized concretes[J].Cem.Concr.Res.，1997，12（2）：86-88.

[10]吳新璇.混凝土無損檢測技術(shù)手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.

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

[12]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）：44-45.