电阻率检测混凝土灌注桩质量情况的可行性

关海照

摘 要：检测混凝土灌注桩浇筑过程中的质量问题时，超声波检测法应用最为普遍。但是超声波检测法为事后检测，补救措施有延迟性，且检测方法复杂费时，增加人力和经济成本。电阻率法属于新兴的检测方法，与超声波脉冲法都是无损检测方法，运用高效方便，克服前者的弊端，将事后检测改进为事中同步检测控制。

关键词：超声波脉冲检测法；电阻率法；对比；事中控制

中图分类号：TV5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0090-02

当代土木工程建设中，混凝土灌注桩因其承载力大且造价便宜而被广泛应用。典型的有泥浆护壁钻孔灌注桩能适应不同地质条件，成桩速度迅速，成为众施工单位常应用的一种混凝土灌注桩。但在施工队伍素质欠佳、施工环境的隐蔽性、工地施工条件差、临时性突发状况等诸多原因下，实际浇筑过程中，在所难免存在下列质量缺陷：

采用泥浆护壁的方式平衡压力时，常出现桩孔内泥浆不均匀或浓度过高；而在孔底直径较大、较完整的土块和含砂率高、胶体率差的泥浆都会沉降下来，造成沉渣过厚，可能导致灌注混凝土桩身夹泥或断桩等问题。清孔时，泥浆重度有偏差，混凝土桩身可能会上浮沉渣，中断混凝土的浇筑。在安置导管下料的过程中，有时桩尖附近泥土和泥浆受压被压入导管中，积于桩尖部分，造成混凝土和桩尖泥土难以直接接触，发生桩尖虚脱的现象。

灌注桩施工到地面时，灌注桩身中掺杂泥浆杂质的混凝土混合层與满足质量要求的混凝土之间难以准确判断，桩基施工为保证桩头质量通常高出桩顶标高，根据经验超灌部分高度。

针对上述问题，应用最广泛的是超声波脉冲检测法，在钻孔内提前布置超声波透射声测管，当混凝土灌注桩浇筑完成并达到龄期后，由超声脉冲发射装置在桩身中发出高频弹性脉冲波，再由精度极高的接收装置记下脉冲波在桩身内传播过程中的波动特征。当桩身中出现缺陷，波达到缺陷界面时，会同时发生散射与绕射。根据波的开始到达时间和能量衰减特征、频率变化和波形畸变程度等，可以获得混凝土的密实度参数。测试及记载下特定区域的脉冲波动特征，分析辨识得到混凝土存在的缺陷的性质、大小和空间具体方位。

现在可以通过智能在线监测流态混凝土是否连续浇筑上升来判断浇筑质量，即在桩身中按一定规律安置传感器，测量出混凝土特定位置上的电阻率，分析数据找出介电常数变化规律，得到大致的介电常数区间，据此判定质量情况。该法和超声波脉冲法对比有以下区别：

超声波传播速度与混凝土的弹性性质有关，粗骨料数目、种类及颗粒构成对传播速度有明显影响。通常来讲，混凝土弹性模量越大，内部越致密，超声波声速也就越大，相对应，强度也越大。但是混凝土抗压能力在30～40MPa范围内声速值较离散，混凝土测强度误差也较偏离，精度较低。而且，如果要求测试面为两个测试数据耦合条件相对的面且钢筋影响较显著，还要考虑混凝土配合比的影响。通过超声波检测发现质量问题后，通常钻孔取芯来验证。钻孔时，需连续对钻机主轴进行垂直校正，防止钻机斜钻入桩壁以外。如经检测发现所取的桩段样本有质量问题，就要采取高压旋喷清洗注浆方法补强处理缺陷桩段。

经实验，在固结时间相同的条件下，混凝土试样的强度等级越高，电阻率越大。电阻率-强度散点图显示：电阻率与混凝土强度的相关性较明显，较超声波来说，数据离散性小很多。实际上，混凝土强度的增长、电阻率的增长都和混凝土的孔隙率有关。混凝土水化时，其孔隙率为电阻率的主要影响因素。混凝土水化过程中，水化产物不断增多，混凝土的液相离子浓度和孔隙率连续发生变化，而电阻率是时刻受液相离子浓度影响的，液相离子浓度越小，电阻率就越大，同时，孔隙率越小，电阻率就越大。综上，电阻率是可以作为表征混凝土强度的参数。同理，我们也可以根据其导电机制，测定孔底沉渣的厚度，监测混凝土桩身中的缺陷以及判断出混凝土和泥浆界面层的准确位置。

孔底沉积的泥浆一般不均匀，包含大量土块，含砂率大，胶体率低，密度高，这与顶层颗粒悬浮状况良好的泥浆存在显著的电特性差异，顶层均匀的泥浆电阻率是一条直线，经过沉渣界面时电场会发生突变，电阻率也随之改变，找到曲线的转折点就能判断出沉渣的厚度。

为了验证电阻率可以监测混凝土桩身质量，我们设计了不同配比的混凝土、水泥浆、砂浆、掺泥砂浆、掺泥混凝土，利用电阻率仪测定上述配比的原料在不同时间的电阻率，每隔1min记录一次数据，绘制得到连续1h的电阻率变化曲线（即ρ-t曲线）。

将多组曲线比较分析，得到如下结论：

（1）全部配比的混凝土电阻率随时间曲线有相同的变化规律，即电阻率迅速下降到最低点，然后电阻率变化曲线符合先快后慢的上升特征。

（2）水灰比相同的条件下，混凝土中骨料用量越多，电阻率变化曲线就越陡，斜率也越大。因为在水化早期，试样的导电性能由液相的导电性能决定，由于骨料是绝缘体，固相体积越大，水泥中可溶离子K+，Ca2+，Na+，OH-和SO42-在含溶液的孔中传输能力就越弱，电阻率也就越大。

（3）骨料配比相同，凝胶材料配比也相同的条件下，水灰比越小，电阻率就越高，斜率也越大。混凝土的水灰比小，使得液相空间相对较少，初始孔隙率小。进而水化反应发生，混凝土逐渐变致密，孔隙率逐渐变小，由液相填充的导电空间也在变小，因此，电阻率一直增长且高于水灰比大的试样。同时，混凝土单位体积内水泥百分比高，单位时间内孔隙率就有显著的变化，因此电阻率变化曲线呈现出较高斜率。

因此，不同配比的混凝土电阻率变化曲线有较为明显的区分度，用作电阻率变化曲线的方法来实时监测混凝土的水化情况，并判断混凝土灌注桩内部质料是否发生变化具有可行性。

超声波脉冲检测法在桩基混凝土浇筑完成后才能实施，即事后控制手段，无法做到桩身质量同步检测，发现问题之后往往错过最佳补救时间，处理桩身已经存在的缺陷不仅提高施工成本，甚至可能带来灌注桩质量安全隐患，造成经济和人力的双重损耗。而利用电阻率监测，就可以做到实时在线确定桩身内部的质量情况，即事中同步控制方法，如果发生质量缺陷，监测系统能够及时判断出来，然后制定补救方案，将安全隐患快速高效地控制住。endprint

现在南京检测行业中，有一种伞形的JJC-1E型灌注桩成孔质量检测系统，使用电阻率检测法，于泥浆中由特定设备激发一个不受泥土干扰的交变电场，测量该情况下泥浆的电阻率，由电阻率是否为恒定值判断泥浆是否均匀；并在特定深度上取测点测量电阻率，依据这些测点绘出电阻率曲线，确定转折点判断出沉渣的厚度。虽然，该系统存在不足之处，比如不能检测没有泥浆护壁的干孔钻孔灌注桩孔底沉渣的厚度；检测时候，井口滑轮架安置费时费力；测量探头容易接触到钢筋笼，导致测量有很大的误差，甚至探头被钢筋笼卡住，无法取出。

我们分析借鉴JJC-1E型检测系统的原理，进行改进处理。照实际情况拌和不同配比的材料模拟浇筑过程，利用电阻率测量仪测量各类介质的电阻率，分析数据找出介电常数变化规律，得到大致的介电常数区间。通过大量实验，对所得数据进行数学优化分析，便可以判断水泥浆，砂浆，粘土，带骨料混凝土和不带骨料混凝土的介电常数模糊区间，再将数据放大或模糊化处理，将模糊区间精确化，得到相对准确的判断区间，据此以提高传感器的敏感性。同时进行实验反复研制模拟装置（含传感器）的布置问题，合理安排检测装置上的传感器位置，考虑其数量、形式及方向和钢筋笼的影响等因素优化测量装置敏感性、稳定性和可靠性。按照上述原理优化的检测系统，将提前控制住灌注桩质量缺陷，节约施工成本，提高施工效率，在指导混凝土灌注桩施工中有着重大意义。

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