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    UHPC的耐久性 -- 工程檢驗和長期暴露試驗
    2019-09-24

    2008年,法國對Cattenom核電廠冷卻塔1997安裝的UHPC梁狀態進行檢查,并鉆芯取樣和進行耐久性分析研究[1]。這些UHPC梁長期暴露于冷卻循環水中,水的最大氯含量為1~2g/l,硫酸根(SO4)含量約500mg/l,屬于XD2氯鹽環境和XA1硫酸鹽環境(按歐洲標準EN 206-1劃分環境等級)。暴露于腐蝕性水環境10年后,對UHPC梁的檢驗結論為:彈模和強度穩定,表明水化產物穩定;氯侵入量太小,無法測試;表面可能有薄層碳化,似與表面沉淀物有關;除露出表面的鋼纖維,纖維沒有可見銹蝕;梁內預應力鋼筋處于良好防銹保護狀態,僅露出的端頭有銹蝕。該調查分析認為:在氯鹽與硫酸鹽環境中,UHPC梁的高耐久性得到證實。
    世界上第一個UHPC公路橋(法國2001年建成的Bourg-lès-Valence跨線橋),也在使用11年后進行了全面檢驗評估[2]。該橋投入使用后沒有進行任何養護維修,2012年檢驗時,整體外觀狀態與建成時基本相同,梁的撓度幾乎沒有增大。由于缺乏及時維修,普通混凝土橋臺局部(可能施工時就有缺陷)已經出現鋼筋銹蝕和混凝土開裂現象;預制的UHPC梁板(p型梁板一體結構)和梁板接口現澆灌注UHPC均狀態良好,接口現澆UHPC沒有出現裂縫;長期處于潮濕或有冷凝水(靠橋臺)的梁端部底表面有鋼纖維銹斑(見下圖)。取芯試件顯示,鋼纖維處于良好無銹蝕狀態,UHPC表現出了良好耐久性。芯樣測試則顯示,11年后UHPC(沒有經過熱養護)的抗壓強度和彈性模量有較大幅度增長,分別從28d的210MPa和65GPa增長到263MPa和73GPa。

    日本第一個UHPC橋是2002年建造的Sakata-Mirai人行跨河橋,離海岸3.4km,處于嚴酷海洋環境[3]。該橋建成后一直進行定期檢驗和測試評價。對預留現場試件(放在橋的梁內保持同環境)測試表明,經過90oC熱養護的UHPC抗壓、抗彎強度在這10年中一直在增長;10年后從橋梁實際結構上取芯,測試得到的氯離子擴散系數在0.7 ~1.2x10-15 m2/s范圍(遠遠低于現場暴露試件和試驗室鹽水浸泡試件的測試結果);背散射電子圖像(BEI)分析顯示,10年后的UHPC中還有約20%體積的未水化水泥。這兩個橋梁工程的長期跟蹤測試結果均顯示,在自然環境中10年間,無論是否經過熱養護的UHPC,強度還在繼續增長,說明未水化水泥的水化還在持續進行,這個過程應該可以更長期地持續下去。
    1993~1995歐洲開展研究項目Minimal Structures Using High Strength Concrete(使用高強混凝土使結構輕型化)期間,制作了一批鋼筋UHPC小梁(CRC梁),用四點彎曲架加載使小梁出現0.05 ~ 0.1mm寬度裂縫,固定保持小梁的受彎變形狀態,在西班牙馬德里進行長期室內和室外暴露試驗,檢驗UHPC的碳化和對鋼纖維、鋼筋銹蝕的影響。暴露16年后,對CRC小梁的檢驗顯示:碳化深度小于1mm;保護層僅10mm的鋼筋處于良好的鈍化狀態;暴露在表面的鋼纖維有輕微銹蝕,距外表面不到1mm的內部,基體保持堿性,鋼纖維無銹蝕[4]。
    從1995年開始,三種不同組成的UHPC試件被陸續放置在美國緬因州Treat島試驗站潮差區中間,進行長期暴露試驗[5]。該試驗站潮差達6m,每年平均100個凍融循環,屬于最嚴酷的海洋環境,對混凝土破壞作用包括氯鹽腐蝕、鹽水干濕循環、凍融循環和鹽水凍融。1995年放置的第一組試件為鋼纖維增強“非常高強度混凝土”(VHSC,組成、配合比和強度與UHPC基本相同)。1996年放置的第二組試件為鋼筋增強RPC小梁,鋼筋保護層厚度分別為10mm、19mm和25mm。2004年放置的第三組試件為鋼纖維和有機纖維增強RPC,部分試件為預先加載開裂試件。2009-2010年進行的測試檢驗結果表明,所有這些經過5~15年暴露的試件均狀態良好;暴露15年經過約1500個自然凍融循環試件,力學性能沒有降低,也沒有發現表面剝落和裂縫;從小梁中取出一根保護層為10mm鋼筋,15年后狀態完好如初;預開裂試件經過5年500個凍融循環,裂縫寬度沒有明顯增大;對氯離子濃度分布測試結果顯示,UHPC的氯離子擴散系數比HPC(w/b =0.35,膠凝材料含8%硅灰)低一個數量級。UHPC全部顯示非常高的抗氯離子侵入能力和抗凍性。
    對于氯鹽腐蝕性環境,用UHPC的氯離子擴散系數推算,保護層50mm的鋼筋在1000年以后才會開始銹蝕。有人以此推論,如果在氯鹽環境HPC結構壽命達到100年,則相同UHPC結構的壽命可達到1000年[6]。然而,這一推論沒有考慮兩個UHPC與HPC不同的因素:其一,UHPC有鋼纖維,靠近表面的鋼纖維保護層很小,在氯離子作用下會在多長時間開始銹蝕,以及鋼纖維銹蝕會對表面和結構產生怎樣的影響?其二,UHPC的電阻率較高、內部干燥,氧氣滲透系數比HPC低一個數量級,在UHPC中引發銹蝕的氯離子臨界(閾值)濃度Ct應該顯著高于HPC的Ct,這在早期丹麥和日本的試驗研究中已經得到證實。但是,UHPC的氯離子臨界濃度Ct具體多高,抑或在UHPC內部如此干燥和低氧氣滲透性(缺濕缺氧)條件下氯離子是否還能活化鋼材表面,這方面尚無可參考的研究數據或結果。對這兩個問題研究透徹,才可能比較準確預測UHPC結構在氯鹽環境中的服役壽命。以目前研究數據為基礎,在氯鹽高腐蝕性凍融環境中,預期UHPC結構服役壽命超過HPC結構壽命2倍或200年,應該是保守的或可能的。在非腐蝕性環境(如標準GB/T 50476劃分的I類“一般環境”和II類“凍融環境”),沒有機械性磨損,UHPC結構達到千年壽命也是可能的。
    十多年的暴露試驗和實際工程應用驗證,雖然提供的數據還有限,但已經顯示UHPC具備超高耐久性的潛力。對于高腐蝕性環境和裂縫對UHPC耐久性的影響,還需要更多的研究和長期的數據積累,才能全面了解掌握UHPC的耐久性。

    南京五橋粗骨料活性粉末混凝土橋面板自2016年底開始進行工藝試驗研究,2018年8月31日世界首塊預制板面世,2019年1月17日首輪工廠橫向濕接縫成功澆筑,2019年3月26日首節工廠縱向濕接縫成功澆筑,5月15日首節鋼—粗骨料活性粉末混凝土橋面板組合梁順利完成吊裝,隨后便進入了橋面板第三部分——工地濕接縫的制作籌備中,各個階段均傾注了大量設計、施工人員的心血。

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