钢筋笼对防超灌装置测量电阻值的影响

韩云山, 白 杨, 张晓双, 王元龙, 张晓凤

(中北大学理学院， 太原 030051)

混凝土灌注桩超灌是桩基施工中比较普遍的现象，其不仅造成了经济浪费、环境污染，还会导致施工工序烦琐，最终拖延工期。

刘韬[1]自行设计研制了一套基于Labview和Arduino软件的防止混凝土灌注桩超灌的装置，通过测量混凝土电阻值来控制灌注桩中混凝土灌注高度。经过一系列室内试验与现场工程试验已基本达到预期效果，但由于混凝土灌注桩的灌注过程是一个非可视化过程，经过进一步研究发现，还有较多因素会影响防超灌装置的测量精度，如钢筋笼的存在、测量探头的间距、测量探针的长度和粗细等。

目前，多名学者针对混凝土的电阻率进行了一系列的研究。Sengul等[2]用电阻率法测量施工过程中对混凝土质量控制时，不同探针间距和试样对试验结果的影响。唐鹏程等[3]通过试验研究发现新拌混凝土电阻率与水泥用量及水灰比有较好的线性相关性。任海波[4]通过对混凝土水胶比、矿物掺合料种类及掺量、减水剂掺量下新拌混凝土电阻率变化规律研究，探明了新拌混凝土电阻率与其影响因素有很好的线性关系。肖莲珍等[5]用电阻率法得到新拌混凝土的初凝时间和终凝时间与贯入阻力法测试得到的凝结时间有良好的相关性。程宇頔等[6]基于大量的试验得到添加无机盐可以降低混凝土电阻率。魏小胜等[7]采用电阻率法研究了水泥水化的过程，得出基体电阻率是液相电阻率和孔隙率的函数。Pye等[8]在研究导电混凝土时，用碳质离子作为导电相，使得混凝土电阻率降低到了导体的范围内。可以看出许多学者基于混凝土电阻率做了很研究，并将其应用在了高导电混凝土以及钢筋防腐蚀等领域，但将电阻率法用在混凝土灌注桩防超灌领域还较少，而灌注桩中的钢筋笼对电阻测量结果影响的研究更是缺乏。因此，为了使混凝土超灌现象得到更加精准的控制，基于自行研制的防超灌装置，进行了钢筋笼对混凝土电阻值影响的试验研究。

通过一系列的室内试验研究了单根钢筋与探头的间距以及钢筋笼上钢筋的数量和位置在不同介质中对所测电阻值的影响，并基于试验结果研制了高精度电阻值标定器，以为今后防超灌装置的改进和完善建立基础，同时对工程防超灌领域起指导。

图2 灌注桩超灌监测及温度-电阻数据采集软件V3.0Fig.2 The software V3.0 of monitor bored concrete pile’ over concrete quantity and temperature-resistance

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验采用的钢筋为HRB335带肋钢筋，长度1.3 m，绝缘杆长度同样为1.3 m，并自制了钢筋笼以及绝缘杆笼，见图1。所用水泥为太原狮头牌普通硅酸盐水泥，细骨料采用普通河砂，最大直径不超过1 mm，粗骨料最大直径不超过25 mm，所用土为太原地区普通黄土。

图1 钢筋笼示意图Fig.1 The schematic diagram ofreinforcement cage

1.2 各种试验材料配合比

本试验对混凝土灌注桩施工过程中涉及的4种主要介质进行了电阻值测量试验，4种介质具体配合比设计参数见表1。

表1 试验所测介质配合比Table 1 Mixture ratio of medium in the test

1.3 试验方案

图3 LCR数字电桥测试仪Fig.3 LCR digital bridge tester

试验采用自行研制的防超灌程序(见图2)以及LCR数字电桥测试仪(见图3)对4种主要介质的电阻值进行测量。该测量系统主要分为上位机和下位机两部分，下位机主要是由测量电阻的电子仪器LCR数字电桥测试仪以及Arduino Mega2560为核心的声光控制部分组成；上位机即便携式计算机。该系统考虑到工程现场的施工环境比较复杂，还运用了Zigbee无线模块，当LCR数字电桥测试仪采集到的电阻值通过上位机程序判断出是否达到了报警值，再将此判断结果通过Zigbee无线模块将指令传输到下位机发出声光报警，因此现场检测人员可以携带无线设备远程监控数根灌注桩的超灌量。

具体测量步骤为：①将测量探头绑在绝缘杆上，此次试验采用的探头间距为20 cm，将绑好探头的绝缘杆件竖直放入一个直径为30 cm，高度为30 cm的圆柱形塑料桶中，再将4种介质分别倒入圆柱形塑料桶中，并搅拌均匀，待各介质中所测电阻值稳定后，各取一根钢筋放入装有不同介质的桶中，钢筋与探头的间距分别为1、2、3、4、5、6 cm，并分别测得此时各间距下电阻值大小；②将探头分别绑于钢筋笼上以及绝缘杆笼上，并将两个笼分别放入两个与①中同样大小的圆柱形塑料桶中，再将4种介质分别倒入圆柱形塑料桶，并搅拌均匀，然后分别按顺序用绝缘杆替换钢筋笼上除探头所在处的钢筋以及用钢筋替换绝缘杆笼上除探头所在处的绝缘杆，并分别测得其电阻。钢筋笼和绝缘杆笼的俯视图及替换顺序见图4。

图4 钢筋与绝缘杆被替换的顺序Fig.4 Replacement sequence of steel bar and insulating bar

2 试验结果和分析

2.1 单根钢筋对电阻值测量的影响

将探头绑在绝缘杆上，并将绝缘杆插入装有水、水泥浆、泥浆、混凝土4种介质的桶中，探头间距为20 cm，再取一根钢筋分别插入以上4种介质中(如图5所示)，钢筋距离探头间距d分别是1、2、3、4、5、6 cm时，电阻值随钢筋与探头间距的变化趋势以及未插入钢筋时各介质的电阻R见图6。

图5 钢筋插入各介质中时钢筋与探头位置示意图Fig.5 Position of the bar relative to the probe when the steel bar is in each medium

由图6可知，在不同介质中电阻值随着钢筋与探头间距的增大均先显著增加，随后趋于稳定，且逐渐趋近于介质中未插入钢筋时的电阻值。这是因为无论是在水、水泥浆、泥浆还是在混凝土中，他们自身的电阻值都要远远大于单根钢筋自身的电阻值，所以当钢筋放入介质中时，根据Nguyen等[9]对混凝土电阻的研究可知，由于钢筋极高的导电性，在介质中钢筋吸引电流密度，会发生短路效应，所以迫使电流首先通过电阻较小的钢筋，从探头正极到达探头负极，尤其对于有限边界的材料，此方法还可以有效减小边界效应对测量结果的影响。而随着钢筋与探头间距增大，电流路径随之变长，路径中介质本身(即电阻值大的部分)所占比重增加，所以测得的电阻值随着钢筋与探头间距的增大而增大；当钢筋与探头的间距增加到一定值时，钢筋对电流密度的吸引力接近于零，而后电流基本都是通过介质本身从探头正极达到探头负极，因此，所测电阻值逐渐趋于介质中未插入钢筋时的电阻值。

图6 钢筋与探头相距不同间距时与电阻值的关系Fig.6 Relationships of resistance in different distance of steel bar and probe

图7为各介质在不同钢筋与探头间距时所测得的电阻值Rd与本介质中未插入钢筋时的电阻值Rn之比的变化趋势。由图7可知，不同介质中Rd/Rn变化趋势和不同介质中所测电阻值随钢筋与探头间距的变化趋势一致。对于水、泥浆、混凝土来说，当钢筋与探头间距较小(1 cm)时，Rd/Rn在0.87～0.91变化，当钢筋与探头间距较大(6 cm)时，Rd/Rn在0.98～0.99范围内变化，Rd/Rn接近于1.0，说明钢筋对测量电阻值几乎无影响。但是对于水泥浆来说，Rd/Rn的值在0.80～0.88范围内变化，明显小于1.0，说明钢筋对水泥浆测量电阻值有影响。当钢筋与探头间距d一定时，混凝土的Rd/Rn最大，水泥浆的Rd/Rn最小，说明钢筋对混凝土的电阻值影响最小，对水泥浆的电阻值影响最大。

图7 不同介质中相对无钢筋时的电阻值比随钢筋与探头间距的变化趋势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 钢筋笼对电阻值测量的影响

基于单根钢筋对电阻值测量的影响，为了更加符合工程实际工况，通过一系列试验，研究了钢筋笼对电阻值测量的影响。

图8为探头绑于绝缘杆笼上，其他非探头所在处的绝缘杆依次被钢筋替代所测得的电阻R变化趋势。由图8可知，不同介质中将探头所在处的其他绝缘杆按顺序替换成钢筋时，电阻值均先显著减小，随后几乎不变，即首次替换与探头邻近的绝缘杆时对所测电阻值的影响较大，替换剩余绝缘杆时电阻值则基本没有变化。这说明仅距离探针最近的钢筋对所测电阻值有影响，而钢筋数量n的持续增加则对电阻值无影响。这是因为当距探头最近的绝缘杆被替换为钢筋时，在介质中出现了第一根良导体，电流密度被第一根钢筋所吸引，出现了类似“短路”的情况，电流会有较大部分通过此根钢筋在两个探头间传导，所以即使插入了电阻同样小的其他三根钢筋，电流也仍会选择电流路径最近的钢筋通过，因此，插入其他钢筋后测得的电阻值几乎未发生变化。

图8 探头在绝缘杆上不同钢筋根数时的电阻值Fig.8 Resistance value when the probe on the insulating bar with different quantity of steel bar

图9为探头绑于钢筋笼上，其他非探头所在处的钢筋依次被绝缘杆替代所测得的电阻值变化趋势。由图9可知，当探头绑在钢筋笼上时，按此顺序将其他未绑探头的钢筋依次替换为绝缘杆，在4种介质中所测得的电阻值均未发生明显变化。之所以呈现此结果是因为当电流从探头正极发出后，很快就被距离最近的钢筋所吸引，绝大部分通过钢筋以及小部分周边电阻较小的空穴从探头正极达到探头负极，其他钢筋被替换时，由于它们所涉及的范围并没有触探到电流路径所走的范围，因此所测得的电阻值并没有显著的变化，说明在钢筋笼上除探头所在处的钢筋外，其余钢筋对防超灌装置测量结果基本无影响。

图9 探头在钢筋上不同钢筋根数时的电阻值Fig.9 Resistance value when the probe on the steel bar with different quantity of steel bar

3 混凝土的标定

用混凝土防超灌装置在工程现场进行防超灌测试时，首先要对新拌混凝土进行标定，以得到其电阻值作为混凝土达到桩顶标高时的报警值。基于单根钢筋以及钢筋笼对测量混凝土电阻值的影响，研发一种新型标定器，用以消除标定时钢筋对所测电阻值的影响，标定器见图10。

图10 混凝土标定器Fig.10 The thing be used to concrete calibration

标定混凝土时的具体做法是：在标定器中的钢筋上绑好可调节探头，其间距与混凝土灌注桩中的探头间距相同，从罐车中接混凝土将标定器填满，使混凝土完全没过标定器中的钢筋和探头，接下来即可将标定器中读取的混凝土电阻值当做混凝土灌注桩达到桩顶标高时的最终判定电阻值。此方法省去了靠人工触探的方法来监测混凝土是否达到桩顶标高处，极大方便了工程现场对混凝土灌注桩超灌的控制。

为了验证标定器的准确性，在模拟试验桩中进行了一系列验证试验。在模拟桩中放入钢筋笼，如图11所示，探头绑在钢筋笼上，将混凝土开始灌注至全部没过双探头的过程中所测得的电阻值与标定器所测得电阻值绘于图12。AB段为混凝土上升阶段，此阶段混凝土只没过一个探头，随着混凝土的上升，俩探头间的空气段缩短，电阻值开始下降。BCD段为混凝土即将没过第二个探头，由于少量混凝土与第二个探头接触，此阶段出现了突变。DE段混凝土开始没过第二个探头，测得的电阻值开始趋于稳定。EF段为混凝土完全没过两个探头后的阶段，测得电阻值处于完全稳定阶段，此时电阻值即混凝土灌注桩的电阻值，与标定器中测得的电阻值曲线基本吻合。

通过混凝土模拟桩实测最终电阻值与标定器中的标定电阻值对比，进一步验证了标定器的准确性，为混凝土灌注桩防超灌装置的工程运用起到了提高精度的效果，并为工程实测提供了一定的便利。

图11 模拟桩中放入钢筋笼Fig.11 Put reinforcement cage in simulated pile

图12 标定器测量值与模拟桩测量值Fig.12 Measured values of calibrator and simulated pile

4 结论

通过一系列模型试验，研究了单根钢筋在4种介质中对所测电阻值的影响以及钢筋笼上钢筋的数量及位置对所测介质电阻值的影响，结果如下：

(1)当单根钢筋插入所测介质时，测得的电阻值随着钢筋与探头间距的增大而增大，且逐渐趋近于介质中未插入钢筋时的电阻值。单根钢筋对混凝土电阻测量值影响最小，对水泥浆电阻测量值影响最大。

(2)当探头在绝缘杆笼上，将邻近位置的绝缘杆替换为钢筋时，4种介质中所测得的电阻值均显著减小；继续将其他绝缘杆替换为钢筋时，电阻值几乎无变化。说明所测电阻值只与距离探头间距最近且最先出现的钢筋有关。

(3)当探头在钢筋笼上，将除探头所在外的其他钢筋杆顺次替换为绝缘杆时，电阻值基本不发生变化。说明除探头所在钢筋之外，其余钢筋对防超灌装置测量结果基本无影响。

(4)基于试验结果，自主设计新型标定器，用以准确测量防超灌系统中的最终判定电阻值，精确度较高，操作简单，可完全模拟混凝土灌注桩中有钢筋笼时的效果，并方便了工程实际应用。