基于正交试验的钢纤维混凝土电阻率的研究

林龙镔 丰正伟 肖山 王奕磊

(1.厦门大学嘉庚学院 福建漳州 363105；2.龙海市建南混凝土有限公司 福建漳州 363105)

基于正交试验的钢纤维混凝土电阻率的研究

林龙镔1丰正伟1肖山2王奕磊1

(1.厦门大学嘉庚学院 福建漳州 363105；2.龙海市建南混凝土有限公司 福建漳州 363105)

为地铁工程中的钢纤维混凝土的应用提供试验依据，研究采用正交实验法，研究钢纤维含量、粉煤灰掺量、阻锈剂掺量三个因素对钢纤维混凝土的电阻率影响规律。结果表明：粉煤灰掺量对于材料的电阻率有显著影响，钢纤维含量和阻锈剂含量对于材料的电阻率影响不大。

电阻率；钢纤维混凝土；正交试验

0 引言

近年来，随着导电混凝土应用技术的发展，有关混凝土电阻率的测量方法的研究受到了广大学者的关注。人们可以通过简单的试验手段获取混凝土的电阻率数值，以其为参数来评价混凝土的材料性能，进而评估混凝土的质量状况或混凝土结构的耐久性能等[1]。苏楠楠通过试验研究建立水泥砂浆的无侧限抗压强度与电阻值率的定量关系[2]；赵卓通过试验建立混凝土电阻率与氯离子扩散系数的回归关系，进而为现场评定混凝土的耐久性提供参考依据[3]；郭丽萍通过测试钢纤维混凝土与钢筋混凝土电阻率，为钢纤维混凝土在地铁工程中的应用提供试验依据[4]。

在地铁运营环境中，由于杂散电流的存在，钢筋易受到杂散电流腐蚀，进而影响主体结构的耐久性能[5]。钢纤维混凝土材料的电阻值越大，杂散电流越小，混凝土中的钢纤维及钢筋受到杂散电流腐蚀的影响越小，主体结构的耐久性能越好。如果能够通过适当的配合比设计，提高钢纤维混凝土的电阻率，将对于延长主体结构的服务寿命有重要意义。本文通过正交试验法的极差和方差分析得到各因素对钢纤维混凝土的电阻率的影响规律，为钢纤维混凝土在地铁环境中的应用提供试验依据。

1 试验原材料

水泥：采用海螺牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，实测强度fce，28=51.6MPa，其他各项指标均符合《通用硅酸盐水泥》GB175-2007要求。

细骨料：采用河砂，细度模数为2.57的中砂，属于Ⅱ区，含泥量0.1%，表观密度为2 620kg/m3，堆积密度1 480kg/m3，其他各项指标均符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006要求。

粗骨料：采用颗粒级配10mm～20mm碎石，表观密度为2 650kg/m3，堆积密度1 410kg/m3，压碎指标9%，其他各项指标均符合JGJ52-2006要求。

钢纤维：采用宜兴市华源金属纤维有限公司生产的剪切型钢纤维，长30mm，长径比60.2，界面形式为矩形，物理性能如表1所示。

表1 钢纤维物理性能

阻锈剂：采用厦门凯景实业有限公司生产的KJ-R钢筋阻锈剂，各项检验项目符合《钢筋混凝土阻锈剂》JT/T537-2004要求。

粉煤灰：采用Ⅱ级粉煤灰，各项指标实测值为：细度为18.2%，烧失量为2%，SO3为0.3%，需水比为98%。各项指标符合《 用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005要求。

减水剂：采用科之杰新财年集团生产的pohnt-ys型引气减水剂。各项指标符合《混凝土外加剂》GB 8076-2008要求。

2 正交试验设计

2.1 试验指标及因素

正交试验方法是以尽可能少的试验次数，考察尽可能多的影响因素，通过对正交试验结果的分析反映试验的内在规律，查找出影响因素的主次排列及最佳组合的科学方法[6]。试验应用此方法，以钢纤维混凝土的电阻率为评价指标，以钢纤维掺入量、粉煤灰掺入量、阻锈剂掺入量为影响因素，通过正交试验分析3个因素对于钢纤维混凝土材料的电阻率影响作用并进行主次排序。

2.2 正交试验设计及试验结果

正交试验的因素水平值如表2所示。

表2 正交试验因素水平表 %

依据正交试验设计原理，三因素、三水平的正交试验设计亦可采用四因素、三水平的正交设计安排表L9(34)进行试验，此次正交设计试验安排及试验结果如表3所示。

2.3 试件配合比数据

混凝土强度为C40，水灰比为0.41，根据《普通混凝土配合比设计规程》《纤维混凝土应用技术规程》的规范要求及正交试验方案设计对钢纤维混凝土进行了配合比设计，各试验号钢纤维混凝土配合比设计如表4所示。

表3 L9(34)正交设计及结果

表4 混凝土设计配合比

注：试件尺寸为100mm×100mm×100mm。

2.4 电阻率测试原理

试件的电阻率测量条件为：养护周期均满28d，且含水率为100%。本次试验采取二电极法作为混凝土电阻的测量方式，分别在试件两侧设置平行电极，通过台湾宝工牌MT-2017型指针式万用表直接测试两极间的电阻值，按下式计算混凝土的电阻率[7]：

(1)

式中：ρ为电阻率，单位Ω·m；A为横截面积，单位m2，所有试件截面积均为0.01m2；R为电阻值，单位Ω；L为试件长度，单位m。

3 试验结果分析

本次试验的目的，是通过对上述正交设计试验的结果进行统计分析，确定影响钢纤维混凝土电阻率的影响因素排序，为地铁结构工程中的钢纤维混凝土配合比设计提供试验依据，从而提高结构材料抵御杂散电流腐蚀的能力，提高结构材料的在杂散电流腐蚀特殊环境中的耐久性能。

3.1 极差分析

极差分析法直观现象，简单易懂，通过简单的计算和判断即可得出影响试验指标的因子主次、优水平、优搭配及最优组合。本次试验的极差分析结果如表5所示。

表5 正交试验的极差计算结果

通过极差分析，结果显示影响钢纤维混凝土电阻率的主要因素是粉煤灰掺量，其次是钢纤维掺量和阻锈剂掺量，二者对钢纤维混凝土电阻率的影响甚微。

3.2 方差分析

试验结果同时受到因子、交互作用和试验误差的影响，极差分析法却不能估计试验中及试验数据中必然存在的误差大小，亦无法进行分析误差。为了更加客观地分析试验数据的波动，这里采用方差分析法对试验数据进行进一步分析。

本次试验的方差分析结果如表6所示。

表6 正交试验的方差计算结果

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

方差分析结果显示粉煤灰掺量对试验指标钢纤维混凝土电阻率有显著的影响，而钢纤维掺量和阻锈剂掺量对于钢纤维电阻率无影响。相对极差分析结果，方差分析结果量化地给出有90%的把握认为粉煤灰掺量对于钢纤维混凝土的电阻率有较显著的影响，表中用(*)表示。

3.3 电阻率影响因素分析

通过极差分析结果得到各影响因素对于钢纤维混凝土的影响程度，方差分析进一步对各因素影响程度进行了显著性检验。文中将通过图1因素分析图说明各影响因素对于钢纤维混凝土电阻率影响变化的趋势。

粉煤灰掺入量与钢纤维混凝土电阻率属于正相关关系，即粉煤灰掺量越大，钢纤维混凝土电阻率越大；粉煤灰掺量越小，钢纤维混凝土电阻率越小。主要是由于粉煤灰粉体材料的密实填充效应使得钢纤维混凝土内部微结构得到有效改善，细化了孔结构，进而降低了钢纤维混凝土中氢氧化钙含量，亦降低了孔溶液中的离子浓度，因此粉煤灰掺入量的增加能够提高钢纤维混凝土材料的电阻率。此实验结果与其他学者的研究结果类似[8-9]。

阻锈剂掺量较少，其与钢纤维混凝土的电阻率之间无明显规律可循，可能是由于其对于钢纤维材料基体的内部微结构改善情况有限。

图1 影响钢纤维混凝土电阻率的因素分析图

4 结语

影响钢纤维混凝土材料电阻率的因素很多，文章主要研究了钢纤维掺量、粉煤灰掺量和阻锈剂掺量3个因素对于钢纤维材料电阻率的影响规律。通过正交试验方案的设计，采用正交试验的极差和方差分析方法，对试验结果分析得到：

(1)粉煤灰掺量与钢纤维混凝土材料电阻率之间存在正相关关系。因此，钢纤维混凝土在地铁工程的应用时，可通过配合比设计增加粉煤灰掺量，以提高钢纤维混凝土的电阻率，进而提高对于杂散电流腐蚀的抵抗能力及结构的耐久性能。

(2)钢纤维的掺量对钢纤维混凝土电阻率的影响甚微，试验中显示增加钢纤维的掺量可轻微增加钢纤维混凝土的电阻率，属于试验误差所致。

(3)阻锈剂与钢纤维混凝土材料电阻率之间无明显相关性。

本文仅探讨了影响钢纤维混凝土材料电阻率的众多因素中有关原材料成分等因素，其它更多外部影响因素并未在此次试验中给予关注。材料的电阻率变化亦受结构周边环境的影响，探讨结构在杂散电流环境中的耐久性能需进一步考虑其他外部因素的影响可能。

[1] 钱觉时，徐姗姗，李美利，等.混凝土电阻率测量方法与应用[J].山东科技大学学报(自然科学版)，2010，29(1)：37-42.

[2] 苏楠楠，张强，董晓强.电阻率法研究氯化钠对水泥砂浆强度的影响[J].中国科技论文， 2015， 10(13): 1563-1567.

[3] 赵卓，曾力，王东炜.混凝土电阻率与氯离子扩散系数间的相关性试验[J].郑州大学学报(工学版)，2013，34(6):76-79.

[4] 郭丽萍，丁聪，杨波，等.钢纤维混凝土与钢筋混凝土电阻率分析[J].河北工业大学学报，2014，43(6): 26-29.

[5] 林龙镔.钢筋混凝土和钢纤维混凝土杂散电流腐蚀实验研究[J].福建建筑，2009， 136(10)：115-117.

[6] 姜同川.正交试验设计[M].济南：山东科学技术出版社，1985.

[8] 刘志勇，詹镇峰.混凝土电阻率及其在钢筋混凝土耐久性评价中的应用研究[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，黄园园.复合阻锈剂对改性渗浇钢纤维混凝土导电性能的影响研究[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

福建省中青年教师教育科研项目(杂散电流环境下钢纤维混凝土腐蚀的试验研究，编号：JA15613)。

林龙镔(1976.9- )，男，副教授。

E-mail:llb@xujc.com

2017-03-06

TU528.1/.7

A

1004-6135(2017)06-0127-04