基于正交試驗的鋼纖維混凝土電阻率的研究

林龍鑌 豐正偉 肖山 王奕磊

(1.廈門大學嘉庚學院 福建漳州 363105；2.龍海市建南混凝土有限公司 福建漳州 363105)

基于正交試驗的鋼纖維混凝土電阻率的研究

林龍鑌1豐正偉1肖山2王奕磊1

(1.廈門大學嘉庚學院 福建漳州 363105；2.龍海市建南混凝土有限公司 福建漳州 363105)

為地鐵工程中的鋼纖維混凝土的應用提供試驗依據，研究采用正交實驗法，研究鋼纖維含量、粉煤灰摻量、阻銹劑摻量三個因素對鋼纖維混凝土的電阻率影響規律。結果表明：粉煤灰摻量對于材料的電阻率有顯著影響，鋼纖維含量和阻銹劑含量對于材料的電阻率影響不大。

電阻率；鋼纖維混凝土；正交試驗

0 引言

近年來，隨著導電混凝土應用技術的發展，有關混凝土電阻率的測量方法的研究受到了廣大學者的關注。人們可以通過簡單的試驗手段獲取混凝土的電阻率數值，以其為參數來評價混凝土的材料性能，進而評估混凝土的質量狀況或混凝土結構的耐久性能等[1]。蘇楠楠通過試驗研究建立水泥砂漿的無側限抗壓強度與電阻值率的定量關系[2]；趙卓通過試驗建立混凝土電阻率與氯離子擴散系數的回歸關系，進而為現場評定混凝土的耐久性提供參考依據[3]；郭麗萍通過測試鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土電阻率，為鋼纖維混凝土在地鐵工程中的應用提供試驗依據[4]。

在地鐵運營環境中，由于雜散電流的存在，鋼筋易受到雜散電流腐蝕，進而影響主體結構的耐久性能[5]。鋼纖維混凝土材料的電阻值越大，雜散電流越小，混凝土中的鋼纖維及鋼筋受到雜散電流腐蝕的影響越小，主體結構的耐久性能越好。如果能夠通過適當的配合比設計，提高鋼纖維混凝土的電阻率，將對于延長主體結構的服務壽命有重要意義。本文通過正交試驗法的極差和方差分析得到各因素對鋼纖維混凝土的電阻率的影響規律，為鋼纖維混凝土在地鐵環境中的應用提供試驗依據。

1 試驗原材料

水泥：采用海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，實測強度fce，28=51.6MPa，其他各項指標均符合《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007要求。

細骨料：采用河砂，細度模數為2.57的中砂，屬于Ⅱ區，含泥量0.1%，表觀密度為2 620kg/m3，堆積密度1 480kg/m3，其他各項指標均符合《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JGJ52-2006要求。

粗骨料：采用顆粒級配10mm～20mm碎石，表觀密度為2 650kg/m3，堆積密度1 410kg/m3，壓碎指標9%，其他各項指標均符合JGJ52-2006要求。

鋼纖維：采用宜興市華源金屬纖維有限公司生產的剪切型鋼纖維，長30mm，長徑比60.2，界面形式為矩形，物理性能如表1所示。

表1 鋼纖維物理性能

阻銹劑：采用廈門凱景實業有限公司生產的KJ-R鋼筋阻銹劑，各項檢驗項目符合《鋼筋混凝土阻銹劑》JT/T537-2004要求。

粉煤灰：采用Ⅱ級粉煤灰，各項指標實測值為：細度為18.2%，燒失量為2%，SO3為0.3%，需水比為98%。各項指標符合《 用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005要求。

減水劑：采用科之杰新財年集團生產的pohnt-ys型引氣減水劑。各項指標符合《混凝土外加劑》GB 8076-2008要求。

2 正交試驗設計

2.1 試驗指標及因素

正交試驗方法是以盡可能少的試驗次數，考察盡可能多的影響因素，通過對正交試驗結果的分析反映試驗的內在規律，查找出影響因素的主次排列及最佳組合的科學方法[6]。試驗應用此方法，以鋼纖維混凝土的電阻率為評價指標，以鋼纖維摻入量、粉煤灰摻入量、阻銹劑摻入量為影響因素，通過正交試驗分析3個因素對于鋼纖維混凝土材料的電阻率影響作用并進行主次排序。

2.2 正交試驗設計及試驗結果

正交試驗的因素水平值如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表 %

依據正交試驗設計原理，三因素、三水平的正交試驗設計亦可采用四因素、三水平的正交設計安排表L9(34)進行試驗，此次正交設計試驗安排及試驗結果如表3所示。

2.3 試件配合比數據

混凝土強度為C40，水灰比為0.41，根據《普通混凝土配合比設計規程》《纖維混凝土應用技術規程》的規范要求及正交試驗方案設計對鋼纖維混凝土進行了配合比設計，各試驗號鋼纖維混凝土配合比設計如表4所示。

表3 L9(34)正交設計及結果

表4 混凝土設計配合比

注：試件尺寸為100mm×100mm×100mm。

2.4 電阻率測試原理

試件的電阻率測量條件為：養護周期均滿28d，且含水率為100%。本次試驗采取二電極法作為混凝土電阻的測量方式，分別在試件兩側設置平行電極，通過臺灣寶工牌MT-2017型指針式萬用表直接測試兩極間的電阻值，按下式計算混凝土的電阻率[7]：

(1)

式中：ρ為電阻率，單位Ω·m；A為橫截面積，單位m2，所有試件截面積均為0.01m2；R為電阻值，單位Ω；L為試件長度，單位m。

3 試驗結果分析

本次試驗的目的，是通過對上述正交設計試驗的結果進行統計分析，確定影響鋼纖維混凝土電阻率的影響因素排序，為地鐵結構工程中的鋼纖維混凝土配合比設計提供試驗依據，從而提高結構材料抵御雜散電流腐蝕的能力，提高結構材料的在雜散電流腐蝕特殊環境中的耐久性能。

3.1 極差分析

極差分析法直觀現象，簡單易懂，通過簡單的計算和判斷即可得出影響試驗指標的因子主次、優水平、優搭配及最優組合。本次試驗的極差分析結果如表5所示。

表5 正交試驗的極差計算結果

通過極差分析，結果顯示影響鋼纖維混凝土電阻率的主要因素是粉煤灰摻量，其次是鋼纖維摻量和阻銹劑摻量，二者對鋼纖維混凝土電阻率的影響甚微。

3.2 方差分析

試驗結果同時受到因子、交互作用和試驗誤差的影響，極差分析法卻不能估計試驗中及試驗數據中必然存在的誤差大小，亦無法進行分析誤差。為了更加客觀地分析試驗數據的波動，這里采用方差分析法對試驗數據進行進一步分析。

本次試驗的方差分析結果如表6所示。

表6 正交試驗的方差計算結果

注：F0.01(2,2)=99，F0.05(2,2)=19，F0.1(2,2)=9，F0.25(2,2)=3

方差分析結果顯示粉煤灰摻量對試驗指標鋼纖維混凝土電阻率有顯著的影響，而鋼纖維摻量和阻銹劑摻量對于鋼纖維電阻率無影響。相對極差分析結果，方差分析結果量化地給出有90%的把握認為粉煤灰摻量對于鋼纖維混凝土的電阻率有較顯著的影響，表中用(*)表示。

3.3 電阻率影響因素分析

通過極差分析結果得到各影響因素對于鋼纖維混凝土的影響程度，方差分析進一步對各因素影響程度進行了顯著性檢驗。文中將通過圖1因素分析圖說明各影響因素對于鋼纖維混凝土電阻率影響變化的趨勢。

粉煤灰摻入量與鋼纖維混凝土電阻率屬于正相關關系，即粉煤灰摻量越大，鋼纖維混凝土電阻率越大；粉煤灰摻量越小，鋼纖維混凝土電阻率越小。主要是由于粉煤灰粉體材料的密實填充效應使得鋼纖維混凝土內部微結構得到有效改善，細化了孔結構，進而降低了鋼纖維混凝土中氫氧化鈣含量，亦降低了孔溶液中的離子濃度，因此粉煤灰摻入量的增加能夠提高鋼纖維混凝土材料的電阻率。此實驗結果與其他學者的研究結果類似[8-9]。

阻銹劑摻量較少，其與鋼纖維混凝土的電阻率之間無明顯規律可循，可能是由于其對于鋼纖維材料基體的內部微結構改善情況有限。

圖1 影響鋼纖維混凝土電阻率的因素分析圖

4 結語

影響鋼纖維混凝土材料電阻率的因素很多，文章主要研究了鋼纖維摻量、粉煤灰摻量和阻銹劑摻量3個因素對于鋼纖維材料電阻率的影響規律。通過正交試驗方案的設計，采用正交試驗的極差和方差分析方法，對試驗結果分析得到：

(1)粉煤灰摻量與鋼纖維混凝土材料電阻率之間存在正相關關系。因此，鋼纖維混凝土在地鐵工程的應用時，可通過配合比設計增加粉煤灰摻量，以提高鋼纖維混凝土的電阻率，進而提高對于雜散電流腐蝕的抵抗能力及結構的耐久性能。

(2)鋼纖維的摻量對鋼纖維混凝土電阻率的影響甚微，試驗中顯示增加鋼纖維的摻量可輕微增加鋼纖維混凝土的電阻率，屬于試驗誤差所致。

(3)阻銹劑與鋼纖維混凝土材料電阻率之間無明顯相關性。

本文僅探討了影響鋼纖維混凝土材料電阻率的眾多因素中有關原材料成分等因素，其它更多外部影響因素并未在此次試驗中給予關注。材料的電阻率變化亦受結構周邊環境的影響，探討結構在雜散電流環境中的耐久性能需進一步考慮其他外部因素的影響可能。

[1] 錢覺時，徐姍姍，李美利，等.混凝土電阻率測量方法與應用[J].山東科技大學學報(自然科學版)，2010，29(1)：37-42.

[2] 蘇楠楠，張強，董曉強.電阻率法研究氯化鈉對水泥砂漿強度的影響[J].中國科技論文， 2015， 10(13): 1563-1567.

[3] 趙卓，曾力，王東煒.混凝土電阻率與氯離子擴散系數間的相關性試驗[J].鄭州大學學報(工學版)，2013，34(6):76-79.

[4] 郭麗萍，丁聰，楊波，等.鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土電阻率分析[J].河北工業大學學報，2014，43(6): 26-29.

[5] 林龍鑌.鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土雜散電流腐蝕實驗研究[J].福建建筑，2009， 136(10)：115-117.

[6] 姜同川.正交試驗設計[M].濟南：山東科學技術出版社，1985.

[8] 劉志勇，詹鎮峰.混凝土電阻率及其在鋼筋混凝土耐久性評價中的應用研究[J].混凝土， 2006，204(10)：13-16.

[9] SE Hussain， Rasheeduzzafar.Corrosion Resistance Performance of Fly Ash Blended Cement Concrete[J].Aci Materials Journal，1994，91(3)：264-272.

[10] 洪雷，黃園園.復合阻銹劑對改性滲澆鋼纖維混凝土導電性能的影響研究[J].混凝土， 2008，220(2): 79-81.

Observations on the electrical resistivity of steel fiber reinforced concrete on orthogonal test

LINLongbin1FENGZhengwei1XIAOShan2WANGYilei1

(1. Tan Kah Kee College, Xiamen University Zhangzhou 363105; 2. Longhai Jian Nan Concrete Company Limited, Zhangzhou 363105)

The experimental study provides a basis for the use of steel fiber reinforced concrete in underground engineering.The influence of three factors such as ratio of steel fiber, ratio of fly ash and ratio of rust inhibitor on the resistivity of steel fiber reinforced concrete is studied through orthogonal tests. Experimental results show that: the influence of ratio of fly ash on the resistivity of steel fiber reinforced concrete is the most obvious. The ratio of steel fiber and rust inhibitor has a little influence on the resistivity of steel fiber reinforced concrete.

Electrical resistance; Steel fiber reinforced concrete; Orthogonal test

福建省中青年教師教育科研項目(雜散電流環境下鋼纖維混凝土腐蝕的試驗研究，編號：JA15613)。

林龍鑌(1976.9- )，男，副教授。

E-mail:llb@xujc.com

2017-03-06

TU528.1/.7

A

1004-6135(2017)06-0127-04