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    UHPC的耐久性--抗滲性、保護內部鋼材與耐化學腐蝕的能力
    2019-09-06

    UHPC的耐久性是其最有價值的性能之一,是預期服役壽命最長的結構工程材料。UHPC耐久性除了高抗滲性、良好保護內部鋼材與耐化學腐蝕的能力外,還包括對凍融循環破壞、堿—骨料反應(AAR)和延遲鈣礬石生成(DEF)的免疫能力,微裂縫狀態下良好抗滲性與微裂縫自愈能力。UHPC耐久性在工程應用與暴露試驗中,得到了一定程度的驗證(檢驗周期還不足夠長)。對非鋼纖維的增強纖維耐久性,目前還缺乏足夠的了解。這些內容將在后續“UHPC耐久性(2)-(6)”中闡述。
    至今,對UHPC的耐久性已經開展了大量研究,下表匯總UHPC主要耐久性指標,以及與高性能混凝土(HPC)和普通混凝土(NC)的對比。UHPC的低滲透性,體現在水、氣滲透性以及腐蝕性介質擴散速率有大幅度降低,這來源于UHPC基體的“超高”的密實度和抗滲性。

    水泥膠凝的材料體系,水泥水化反應會產生體積減縮(化學減縮),因此漿體必然會產生孔隙,具有滲透性。此外,多余或殘留的未參與水化反應拌合水也會成為孔隙。決定滲透性高低的關鍵是孔隙生成的尺寸與連通性。與優質混凝土(HPC)對比,UHPC的孔隙率至少降低超過50%(約從10%降低到4%左右),氯離子擴散系數和氣體滲透系數至少有一個數量級的降低(見表中紅框數據),表明UHPC孔隙尺寸和連通性大幅度降低。這樣幅度的滲透性降低或抗滲性提高,對于重化學類腐蝕如酸類、硝酸銨等,抵抗能力只有幾倍的提高;然而,對于自然環境中各種腐蝕性因素,包括硫酸鹽侵蝕、碳化和氯離子引發鋼筋銹蝕,抵抗能力則發生了“質”的提高。
    丹麥曾試驗,在UHPC的拌合水中拌入氯鹽,使氯離子含量超過通常引發鋼筋銹蝕的臨界濃度,兩年多后UHPC中的鋼筋沒有銹蝕跡象[3]。日本采用加速方法進行類似試驗,在UHPC與對比混凝土(w/c=0.4)中拌入氯化物使氯含量達到13kg/m3(對于普通混凝土,引發銹蝕的臨界氯濃度為水泥重量的0.4~2%,大約在1.8~9kg/m3范圍,取決于混凝土密實度[4]),進行180°C、10大氣壓的蒸壓加速銹蝕,經過5個持續8小時的蒸壓循環,對比混凝土中鋼筋全部表面有黑、紅鐵銹;UHPC中鋼筋雖然輕微變黑,疑似是黑鐵銹,但看上去是健全的[5]。此外,在海洋氯鹽環境進行了15年的暴露試驗以及對幾個服役10年左右實際工程檢驗顯示,UHPC露出表面的鋼纖維會較快銹蝕,但銹蝕不會深入內部;沒有露出表面的鋼纖維,即使靠近表面幾乎沒有保護層厚度,也沒有發生銹蝕。這些事實說明,在UHPC中已經不存在氯離子引發鋼材銹蝕的條件,最合理的解釋為:UHPC拌合水被水泥水化消耗且遠遠不夠水泥完全水化,導致內部非常干燥;其高抗滲性阻礙了氧和水的滲入,因而保持了內部的缺氧和缺水狀態,使鋼材銹蝕不能引發與開展。該機理解釋了氯離子在高干燥與高抗滲UHPC基體中無法活化鋼材表面的原因,還需要進一步從理論和試驗上研究證實,但不爭的事實是:UHPC高密實基體能為埋入鋼筋和鋼纖維提供有效的防腐保護,并且覆蓋或保護層厚度可以低至幾毫米。
    基于高密實、高干燥、高抗滲性的基體為鋼材提供防腐保護的能力,是UHPC“超高”耐久性的基礎,也是預期UHPC工程結構能夠實現百年以上免維護服役壽命的依據。因此,UHPC的抗滲性是其能夠達到和必須具備關鍵耐久性性能。UHPC的耐久性最終歸結為抗滲性,可以用孔隙率、透氣性或氯離子擴散系數來表征。在試驗測試的可操作性和辨識度方面,最好的方法是用氯離子擴散系數表征UHPC的抗滲性。UHPC基體的氯離子擴散系數低至10-14~10-15m2/s數量級,已超過RCM法的測量精度范圍,NEL法可以滿足測量要求(試驗方法詳見標準T/CBMF37《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》附錄A)??焖俚穆入x子滲透性或擴散系數試驗方法,只適合測量UHPC基體或含不導電纖維的UHPC。
    需要注意,UHPC無法有效抵抗重化學腐蝕,如暴露于高酸性(pH<3.5)液體或高腐蝕性鹽中,參考下圖。在重化學腐蝕暴露環境(多為工業環境)應用時,需對UHPC暴露表面進行防護。

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