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    UHPC的耐久性--微裂縫狀態的滲透性與裂縫自愈能力
    2019-09-17

    在腐蝕性環境中,保證混凝土耐久性的必要條件之一是低滲透性。然而,混凝土結構難以完全避免開裂,裂縫會增大混凝土的滲透性。問題是:怎樣的裂縫狀態,不會顯著地影響混凝土的滲透性?
    C.W. Aldea等試驗測試了裂縫的水泥凈漿、砂漿、普通和高強混凝土滲透性[1]。試驗用圓柱切割的圓板試件(Φ100x25或50mm),劈拉形成裂縫,控制裂縫張開量(COD,cracking opening displacement),卸載后測試裂縫試件的滲水速率。卸載后COD與滲透系數的關系見圖1。無裂縫凈漿、砂漿和普通混凝土,水滲透系數在10-11 m/s數量級,硅灰高強混凝土的水滲透系數在10-12 m/s數量級;裂縫張開量COD達到100μm,則所有材料的滲透系數均增大到10-10 m/s數量級。

    J.P. Charron等用乙二醇和水測試裂縫的纖維增強UHPC滲透性[2]。先將長板試件切槽,單軸拉伸使切槽處產生裂縫,再在裂縫部位鉆取圓板(Φ100x50mm)作為裂縫試件測試滲透性,主要試驗結果見圖2。從滲透系數可以看出,UHPC的殘留應變達到0.13%以前,滲透系數以較小幅度增大,此后則快速增大。UHPC的殘留應變在0.13%左右時,起始的滲透系數在10-11 m/s數量級(見圖2b),與無裂縫普通混凝土(水灰比0.45)滲透性相當(對比圖1)。因此,J.P. Charron等認為,保持良好抗滲性,UHPC的拉伸極限應變或閾值變形為0.13%。UHPC的0.13%變形,對應于COD=130μm(測試間距為100mm),與COD=100 μm的普通和高強混凝土(NSC/HSC)相比(圖1),UHPC的起始水滲透系數要低一個數量級。這是因為:滲透性隨裂縫寬度的三次方增大,纖維增強UHPC為多縫開裂,相同變形量(COD)狀態的裂縫數量多,但裂縫寬度較小緣故。
    裂縫UHPC的乙二醇滲透系數基本穩定,只有0.05%應變(COD=50μm)的滲透系數隨測試時間延長逐步降低,可能是裂縫太細微,逐漸被沉積物堵塞的緣故(見圖2a)。水的滲透系數則均隨測試時間的延長而不斷降低(見圖2b)。水滲透性的降低,是因為裂縫逐漸愈合。拉伸變形不超過0.13%,UHPC的水滲透性在最初幾天快速降低;經過40天,水滲透系數可以降低2~3個數量級[2],恢復到非常高的抗滲能力。

    早在1836年,法國科學院就發現了混凝土裂縫的自愈合(autogenous healing)現象[3]。研究認為,裂縫自愈合有兩種機理[3,4]:其一,未水化水泥與水反應,產物逐漸填充、膠結和封閉了裂縫;其二,水中溶解的Ca(HCO3)2或CO2與水泥水化產物Ca(OH)2反應產生CaCO3沉淀,以及其它沉淀物,慢慢堵塞了裂縫。兩種機理也可能同時產生作用,降低裂縫的滲透性。H-W. Reinhardt等用水滲透試驗研究不同溫度(20~80oC)環境下,裂縫寬度為0.05~0.20mm高性能混凝土(HPC,93MPa)的滲透性和自愈能力[5]。結果顯示:裂縫寬度為0.15mm的混凝土,在20 oC溫度環境經過336小時(2周)滲水過程,滲水速率降低到初始速率的2%,相當于裂縫愈合到0.05mm寬度水平。裂縫寬度越小,環境溫度越高,裂縫愈合越快。如果水壓梯度達1MPa/m,寬度小于0.10mm且不再擴展的裂縫,會經過自愈合過程而封閉[5]。
    UHPC具備更強的微裂縫自愈合能力。由于水膠比非常低,UHPC拌合水量僅能供部分水泥水化,絕大多數水泥顆粒的內部處于沒有水化狀態。因此,如果有水或水汽進入UHPC的裂縫,暴露在裂縫表面的水泥顆粒未水化部分就會“繼續”水化。這時的水泥水化是與外部進入的水分反應,水化產物體積約是反應水泥熟料體積的兩倍,多出來的體積能夠填堵裂縫。從圖3可以清晰地看到未水化水泥對微裂縫的這種封閉作用。

    與沉淀物僅僅堵塞微裂縫不同,水泥“繼續”水化不僅能夠封閉微裂縫降低滲透性,同時還起“膠結”裂縫作用,在一定程度上恢復了混凝土因裂縫降低的力學性能。P. Pimienta等試驗研究預先彎拉開裂的UHPC小梁,在腐蝕性環境中(干濕循環、氯鹽和高溫環境)的耐久性[6]。結果顯示,裂縫UHPC小梁試件,在10%氯化鈉溶液或60oC熱水中持續浸泡3個月后,或經歷60個干濕循環(每個循環18小時在20oC水中 + 6小時在60oC干燥空氣中)后,重新加載的抗彎性能沒有受到影響,表現出很好的連續性,見圖4。對比圖4中重新加載各條曲線的斜率,可以看出,熱水、氯化鈉溶液浸泡和經歷干濕循環的試件,剛度(彈性模量)均高于在干燥空氣(相對濕度50%)中存放試件。這種剛度的恢復,表明接觸水的試件,裂縫有一定程度的“膠結”性愈合,提高了材料的連續性。

    美國的一項試驗 “Combined effect of structural and environmentalloading on cracked UHPC”(結構與環境荷載對有裂縫UHPC的復合作用)[7],將鋼筋增強UHPC梁(150x380x4900mm)4點彎曲加載至開裂(梁下部出現29條寬度0.002~0.009mm裂縫),梁底面通過海綿接觸15%濃度氯化鈉溶液(環境荷載),然后循環加載(疲勞結構荷載)。該試驗歷時半年,加載循環達50萬次,在結構荷載與環境荷載的復合作用下,沿裂縫出現氯化鈉結晶析出(見圖5),但對UHPC抗彎性能影響輕微,梁的抗彎結構響應并沒有降低。半年的復合荷載試驗結束后,再中心加載使梁彎曲破壞,結果發現:梁的靜態破壞不是沿原先的裂縫,而是出現與擴展了一組新的裂縫[7]。這種現象表明,先前的微裂縫已經愈合。

    上述兩個試驗,即腐蝕性環境對裂縫UHPC梁力學性能的影響,對于了解掌握有裂縫UHPC結構在高腐蝕環境中的耐久性非常有價值。但3個月和6個月試驗周期相對較短,還需要開展周期更長、內容更豐富以及長期暴露的裂縫UHPC耐久性試驗研究。
    德國的試驗研究認為,UHPC的臨界開裂寬度為0.05mm。也就是說,裂縫寬度小于0.05mm,從耐久性方面(對內部鋼材的防銹蝕保護方面)可認為UHPC處于良好狀態[8]。
    UHPC結構設計通常會將最大拉應力限制在彈性極限抗拉強度內,避免開裂。對于早期收縮受到強約束的場合,例如混凝土-UHPC或鋼-UHPC復合結構等相互粘結的結構類型,新澆筑UHPC的收縮會受到混凝土或鋼的較強約束,宜選用抗拉性能等級高的UHPC,確保早期收縮導致的開裂為多縫和微裂(裂縫寬度不超過0.05mm),避免損害抗滲性與耐久性。

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