鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土電阻率分析

郭麗萍，丁聰，楊波，孫斌

（1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇南京 211189；2.先進土木工程材料協同創新中心，江蘇南京 211189；3.江蘇省土木工程材料重點實驗室，江蘇南京 211189；4.上海貝卡爾特-二鋼有限公司，上海 200131）

鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土電阻率分析

郭麗萍1,2,3，丁聰1，楊波1，孫斌4

（1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇南京 211189；2.先進土木工程材料協同創新中心，江蘇南京 211189；3.江蘇省土木工程材料重點實驗室，江蘇南京 211189；4.上海貝卡爾特-二鋼有限公司，上海 200131）

混凝土主體結構中鋼筋或鋼纖維銹蝕問題日益引起國內外科技工作者和政府部門的重視，同時人們對于鋼纖維能否替代鋼筋用于軌道交通工程中存在巨大疑問．尤其是由于地下軌道交通工程服役環境的特殊性，混凝土結構會受到雜散電流的影響．因此，為了探討在雜散電流作用下，鋼纖維的摻入，是否會增大混凝土結構的導電性能，本文研究了鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土電阻率與混凝土試塊長度的關系．研究發現鋼纖維混凝土電阻率與試件長度無關，當鋼纖維混凝土試件長度與其截面積比值超過7.5倍之后，鋼纖維混凝土電阻值將顯著超過同樣尺寸的鋼筋混凝土電阻值，為鋼纖維混凝土在地鐵或高鐵隧道工程中的應用提供了實驗依據．

電阻率；鋼纖維混凝土；鋼筋混凝土

在地下軌道交通工程的混凝土主體結構中，雜散電流會誘發結構中的鋼筋或鋼纖維腐蝕[1]，鋼筋混凝土對于雜散電流的抵抗性不強，使得需要花費大量的人力物力對其進行維護，這一問題日益引起國內外科技工作者和政府部門的重視．人們對于鋼纖維能否替代鋼筋用于軌道交通工程中存在巨大疑問：在雜散電流作用下，鋼纖維的加入是否會增大混凝土結構的導電性？是否會導致結構中鋼筋加速腐蝕？這些問題目前國內研究報道很少，極大限制了鋼纖維混凝土在這類服役環境工程中的應用．加之，這些年來，過分強調采用鋼纖維混凝土性價比低、工程初期一次性投資增大，其工程應用與發展目前處于停滯狀態．

實際上，當混凝土絕對電阻值越大時，雜散電流越小，混凝土中鋼纖維或鋼筋受雜散電流腐蝕影響就越小，對鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土電阻率的評價和分析就顯得十分必要．因此，為了探討在雜散電流作用下，鋼纖維的摻入，是否會降低混凝土結構的電阻值或增大鋼筋混凝土中鋼筋的銹蝕速率，本文研究了鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土電阻率與混凝土試塊長度的關系．

1 實驗原材料及實驗方案

1.1 膠凝材料

水泥：試驗所用水泥為南京海螺水泥有限公司生產的PII42.5R水泥，其化學成分分析測試結果如表1所示，有關物理力學性能指標如表2所示，性能均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥中》PII42.5R的要求．

粗集料：石灰巖碎石，粒徑范圍為5～16mm、16～20mm按照2∶3比例混合使用，表觀密度為2 720 kg/m3．

表1 水泥的化學成分Tab.1 The chem ical constituentsof cement

粉煤灰：本實驗所用的是Ⅰ級粉煤灰，主要成分及技術指標見表3．

鋼纖維：由上海貝卡爾特-二鋼有限公司生產的RC-65/35-BN端鉤形高強鋼纖維．

鋼筋：普通335碳素鋼，直徑10mm．

減水劑：西卡公司生產的聚羧酸系高性能減水劑，固含量為40%，減水率20%～25%．

1.2 配合比設計與試件尺寸

配合比參照C60管片的常用配合比，用10%粉煤灰和10%磨細礦渣替代20%硅酸鹽水泥，坍落度控制在60～100mm．本實驗的配合比設計見表4．

表2 水泥物理力學性能Tab.2 The physicalandmechanicalpropertiesof cement

表3 粉煤灰的化學成分Tab.3 The chem icalcomposition of fly ash

表4 混凝土配合比設計kg/m3Tab.4 Concretem ixture ratio

所有試件截面尺寸均為100mm×100 mm，試件長度有100～400mm．鋼筋混凝土中，配筋數量為1根，配筋率為0.785%，試件高度方向混凝土保護層厚度為40mm，以滿足地鐵設計規范中規定的管片外側最小混凝土保護層厚度40mm的要求．

1.3 養護制度

混凝土試件養護主要模擬管片生產的養護條件，注模后塑料膜覆蓋，靜置約1 h后帶模至40℃烘箱預養4 h（當混凝土強度達到0.39～0.49MPa時所需的時間），在此期間要對成型面進行抹壓和收光處理；拆模，試件移至蒸汽養護箱12h（最高溫度55℃，相對濕度＞90%）；蒸養結束后，關閉蒸養箱，試件在箱內自然冷卻至室溫，取出試件，移入飽和氫氧化鈣溶液中，水溫20℃，水養24h；從水中取出，靜置于20℃室內自然風干，用于測試．

1.4 混凝土絕對電阻值和電阻率的測試方法

一般認為混凝土是電的不良導體，使得混凝土電阻性能的研究十分有限．近年來，隨著導電混凝土研究的深入，電阻率的測量方法也逐漸受到人們的關注．關于混凝土的導電機理大致有以下2種[2]：

1）混凝土電阻理論[3]

混凝土電阻理論基于離子在混凝土中的傳輸為基礎，在混凝土介質中存在著離子導體，電子導體和空穴等．混凝土電阻率是離子導體、電子導體和的空穴電阻率之和，并取決于混凝土本身的配合比設計，組成材料，及養護制度．

2）復合介質電阻理論[4]

該理論不考慮復合介質的物理性能，將電阻率作為復合介質中各種成分的函數．把混凝土作為復合介質處理時，骨料被視為夾雜物，膠凝材料被視為基體．混凝土電阻率可由麥克斯韋電阻率計算公式得到．

但是，對于鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土而言，由于鋼筋和鋼纖維是導電材料，因此，上述理論不適用于計算其電阻，必須通過試驗測試得到．用于混凝土結構電阻的檢測方法，按對結構物的損傷狀況可分為破損檢測[5]和無損檢測[6-7]兩大類，按檢測技術可分為物理檢測和電化學檢測兩大類．物理檢測包括電阻棒法、渦流與磁通減量法、聲發射探測法、射線法、紅外熱像法等，電化學檢測則包括交流阻抗譜法[8]、線性極化法（或極化電阻法）[9]、恒電量法、電流階躍法[10]等．本次實驗選用交流阻抗法測試混凝土電阻．

本實驗使用PARSTAT 2273型電化學工作站，利用交流阻抗法測混凝土試塊的絕對電阻值．交流阻抗實驗采用兩電極體系，工作電極和對電極分別連接兩塊金屬板．阻抗測試所加電壓為100 mV，頻率范圍為100 kHz～100MHz．通過ZView軟件對交流阻抗譜曲線圓弧部分進行擬合．無紡布用5%的NaCl水溶液浸濕，可以使界面電阻降到允許的范圍．測試時試塊含水率100%．測試裝置如圖1所示．

鋼纖維混凝土和鋼筋混凝土的電阻率按下式計算：

圖1 混凝土試件電阻率測量實驗裝置Fig.1 Resistivitymeasurementdevice for concrete

2 實驗結果

實驗測的各系列混凝土電阻及電阻率如表5所示．

通過比較鋼筋混凝土電阻值和鋼纖維混凝土電阻值，當混凝土試件長度400mm時，R鋼筋混凝土＞R鋼纖維混凝土．鋼纖維混凝土中鋼纖維呈亂向分布，均勻分散在混凝土基體中，因此其電阻率是一個定值，但是隨著試塊長度的增加，鋼纖維與基體之間的界面電阻會快速增加，而鋼筋混凝土電阻主要取決于混凝土保護層和鋼筋與基體之間的界面電阻．由此可知鋼纖維混凝土的電阻增加速率要大于鋼筋混凝土．

鋼筋混凝土試件電阻率與試件尺寸之間符合乘冪關系：

由此可見，雖然在試件長度與其截面積比值為4倍時，鋼纖維混凝土電阻率小于鋼筋混凝土，但是當試件長度與其截面積比值達到7.5倍時，鋼筋混凝土電阻率則降低至69m，與鋼纖維混凝土平均電阻率相同；當試件長度與其截面積比值超過7.5倍之后，鋼纖維混凝土電阻率將逐漸大于鋼筋混凝土，此時，鋼纖維混凝土的電阻值會超過鋼筋混凝土．

表5 飽水混凝土電阻值及電阻率測試結果Tab.5 Test resultsof saturated concrete resistance and resistivity

3 結論

1）根據圖2可知，隨著混凝土試塊長度的增加，鋼筋混凝土和鋼纖維為混凝土的絕對電阻值都會增加．但是鋼纖維混凝土電阻呈線性增加，鋼筋混凝土電阻呈非線性增長．

2）根據圖3可知，隨著混凝土試塊長度與其截面積比值的增加，鋼纖維混凝土的電阻率是定值，鋼筋混凝土的電阻率則按照冪指數關系下降．

3）經過試件電阻率與試件尺寸之間乘冪關系式計算可知，當鋼纖維混凝土試件長度與其截面積比值超過7.5倍之后，鋼纖維混凝土的電阻值會超過鋼筋混凝土，驗證了鋼纖維混凝土在地鐵或高鐵隧道工程中應用的可行性．同時由于鋼纖維混凝土具有較優異的增強、增韌和阻裂性能，耐氯離子腐蝕性也有所提高，這對于地鐵或者高鐵隧道混凝土結構十分有益．

圖2 鋼筋混凝土與鋼纖維混凝土電阻Fig.2 The resistance of concreteand steel fiber reinforced concrete

圖3 鋼筋混凝土與鋼纖維混凝土電阻率Fig.3 The resistivity of concreteand steel fiber reinforced concrete

[1]干偉忠，高明贊．雜散電流對鋼筋混凝土結構耐久性的影響[J]．混凝土，2006（6）：21-25．

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[責任編輯 楊屹]

Electrical resistivity of steel fiber reinforced concrete and reinforced concrete

GUO Li-ping1,2,3，DING Cong1，YANG Bo1，SUN Bin4

(1.SchoolofMaterialsScienceand Engineering,SoutheastUniversity,JiangsuNanjing 211189,China;2.Advanced CivilEngineering MaterialsCollaborative InnovationCenter,JiangsuNanjing211189,China;3.Jiang Su Key Laboratory ofCivilEngineeringMaterials, Jiangsu Nanjing 211189,China;4.ShanghaiBekaert Ergang Co Ltd,Shanghai200131,China)

The corrosion problem of steelbar or steel fiber in themain concrete structure has increasingly caused the attention of researchersand governmentsaround theworld.And there isgreatdoubtabout the feasibility of steel fiber to replace steel bar in rail transitengineering.Concrete structureswill be influenced by the stray current,especially in the service conditions of underground rail traffic engineering.Therefore,in order to explore thatwhether steel fiber can increase the conductivity of concrete structureunder the stray current,thiswork studies the relationship of electrical resistivity and specimen length of SFRC.It is found that theelectrical resistivity of SFRC isunchangedw ith the specimen length.W hen thesize ratio(i.e.the ratio of length to cross-sectionalarea)ismore than 7.5 times,theabsolute resistivity value of SFRCw illbe obvioushigher than those of the reinforced concrete.These resultsw ill support the application of SFRC used for the subway or high-speed rail tunnelengineering from the experimentalaspect.

electrical resistance;steel fiber reinforced concrete;reinforced concrete

TU528.01

A

1007-2373(2014)06-0026-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.007

2014-06-16

國家自然科學基金（51378113）；中國鐵路總公司科研開發計劃重點課題（2014G004-N）

郭麗萍（1979-），女（漢族），副教授，博士生導師，Email：guoliping691@163.com．