黃有強,陳露一,張志豪,李信,鄭麗
(1.中鐵橋研科技有限公司,湖北 武漢 430034;2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室,湖北 武漢 430034;3.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司,湖北 武漢 430034)
超高性能混凝土(UHPC)是一種新型水泥基工程材料。1993年法國Bouygues公司Richard等率先研制出這種材料,隨后,國際學(xué)者們展開了UHPC的理論研究與實踐應(yīng)用。Dugat J等[1]進行了UC200和UC800的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、泊松比、彈性模量、斷裂能等力學(xué)性能試驗。何峰和黃政宇[2-3]提出了UHPC原材料及配合比設(shè)計參數(shù)的選擇建議和現(xiàn)有UHPC配合比設(shè)計中存在的主要問題。劉斯鳳等[4]、安明喆等[5]研究了UHPC的抗凍性能。施惠生等[6]研究了UHPC的抗氯離子滲透性能。陳露一等[7-9]研究了UHPC的收縮特性和含粗骨料超高性能混凝土的性能。
UHPC作為一種綜合性能優(yōu)異的新型水泥基工程材料,在鋼正交異性板組合橋面、鋼-超高性能混凝土組合結(jié)構(gòu)、橋梁局部修補加固、橋梁結(jié)構(gòu)防護等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司自主研發(fā)的UHPC已經(jīng)成功應(yīng)用于太原攝樂橋、武漢軍山長江大橋、蒙華鐵路公安長江大橋、滬通長江大橋主航道橋等十余座公路、鐵路鋼橋面的鋪裝中[10-11],成功應(yīng)用于山西靈山、渾源高速全線,湖北京珠、隨岳高速全線橋梁伸縮縫修補中,成功應(yīng)用于宜城漢江大橋濕接縫修補中。
目前,國內(nèi)UHPC的應(yīng)用正在如火如荼的進行,應(yīng)用環(huán)境也不斷向海洋、鹽堿、嚴(yán)寒的等極端環(huán)境發(fā)展。關(guān)于UHPC的力學(xué)性能和耐久性能研究主要是在常規(guī)單因素條件下進行,而對多因素共同作用的極端條件下的研究較少。在現(xiàn)實環(huán)境中,往往是多重侵蝕因素共同存在的,研究多因素下UHPC的性能發(fā)展規(guī)律可以為UHPC的實踐應(yīng)用提供技術(shù)支持。本文對硫酸鹽環(huán)境作用下的UHPC浸泡養(yǎng)護試驗、凍融循環(huán)試驗、干濕循環(huán)試驗、凍融-干濕循環(huán)耦合試驗進行研究。
(1)水泥:武漢亞東水泥有限公司的P·O42.5洋房牌水泥,45μm方孔篩篩余4.8%,表觀密度3100 kg/m3,比表面積390 m2/kg,28 d抗折、抗壓強度分別為8.1、45.3 MPa。
(2)核心料:中鐵橋研科技有限公司自主研發(fā),HX120型,由礦物摻合料、高效減水劑以及其他功能助劑預(yù)混制成,各材料均采用粉狀,核心料的需水量比68%,含水量0.1%。水泥和核心料的主要化學(xué)成分如表1所示。
表1 水泥和核心料的主要化學(xué)成分 %
(3)石英砂:洞庭湖水洗烘干石英砂,SiO2含量98.2%,由20~40目、40~70目2種粒徑按4∶6的質(zhì)量比配合使用,混合后石英砂的細(xì)度模數(shù)為2.2。
(4)鋼纖維:山東某公司的鍍銅鋼纖維,規(guī)格為Ф0.2 mm×13 mm,抗拉強度2800 MPa,形狀合格率98%。
(5)水:自來水。
何峰和黃政宇[3]在廣泛收集行業(yè)內(nèi)UHPC配制試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,探討了UHPC原材料和配合比設(shè)計參數(shù)的選擇。具體有以下幾點:(1)水膠比以0.18~0.22為宜;(2)水泥用量宜控制在800kg/m2以內(nèi);(3)礦物摻合料的摻量應(yīng)控制在膠凝材料質(zhì)量的25%~35%;(4)石英粉摻量宜為水泥質(zhì)量的25%~40%;(5)砂膠比以0.8~0.9為宜;(6)高效減水劑摻量為膠凝材料的2.0%~3.0%;(7)鋼纖維體積摻量以1.5%~3.0%為宜。
本文用UC120進行硫酸鹽環(huán)境作用下UHPC耐久性試驗,對應(yīng)空白組養(yǎng)護條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。由于石英粉在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下的UHPC中主要是發(fā)揮微集料填充效應(yīng),在90℃左右的蒸汽或熱水養(yǎng)護時其活性也不明顯,且其粒徑又與水泥顆粒接近,因此在UC120配合比試驗過程中去除了石英粉,適當(dāng)提高了石英砂的用量,砂膠比提高到0.9~1.0。出于配方保密的要求和現(xiàn)場施工方便的要求,高效減水劑和其他功能助劑均采用粉體,便于在廠內(nèi)加工為核心料,粉體減水劑摻量相對較低,約為膠凝材料的1.2%~1.5%。試驗配合比如表2所示。
表2 試驗配合比 kg/m3
我國西北地區(qū)分布著大小上千個鹽湖,其中,新疆有102個、青海有33個、內(nèi)蒙古有370多個、西藏有220多個。鹽湖的礦化度一般為300g/L左右,含鹽量高且成分復(fù)雜,大多屬于Na+、K+、Mg2+、SO42-、Cl-體系。受鹽湖和氣候環(huán)境(氣候干旱、蒸發(fā)強烈、地勢低洼、含鹽地下水離地表近)的影響,我國新疆、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等地區(qū)的土壤類別屬內(nèi)陸鹽土。內(nèi)陸鹽土的土壤pH值大都在8.0~9.5。土壤中SO42-的含量最高達(dá)到土壤質(zhì)量的1.43%,Cl-的含量最高達(dá)0.82%,Mg2+的含量高達(dá)0.62%[12]。
在鹽堿環(huán)境中,普通混凝土結(jié)構(gòu)在未采取特殊保護措施的條件下,投入使用不到10年,混凝土中的鋼筋就會嚴(yán)重銹蝕,導(dǎo)致混凝土保護層剝落,承載能力下降,影響結(jié)構(gòu)安全和壽命。本文研究UHPC在硫酸鹽環(huán)境作用下的性能發(fā)展規(guī)律,模擬試驗環(huán)境采用質(zhì)量濃度為5%的硫酸鈉溶液,所用化學(xué)試劑均為分析純,對應(yīng)SO42-濃度約為33 800 mg/L。在GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中對應(yīng)化學(xué)腐蝕環(huán)境作用等級為V-E(非常嚴(yán)重)。
采用100 mm×100 mm×100 mm試件,將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至1、3、7 d后進行硫酸鹽溶液浸泡養(yǎng)護試驗。溶液養(yǎng)護試驗采用帶蓋試驗容器并置于(20±2)℃試驗環(huán)境中。試件養(yǎng)護至3、7、14、28、60、90、120 d后測試抗壓強度,計算抗壓強度耐蝕系數(shù)(試驗組與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的空白組抗壓強度的比值,下文簡稱耐蝕系數(shù))。抗壓強度和耐蝕系數(shù)變化規(guī)律分別見圖1、圖2。
由圖1可知:UC120的1 d標(biāo)養(yǎng)抗壓強度高達(dá)85.2 MPa,達(dá)到設(shè)計抗壓強度的71%;7 d標(biāo)養(yǎng)抗壓強度為122.1 MPa,已滿足設(shè)計抗壓強度要求,因此耐久性試驗從7 d齡期開始進行;28 d標(biāo)養(yǎng)抗壓強度為143.1 MPa,富余系數(shù)達(dá)到1.19;隨著標(biāo)養(yǎng)時間繼續(xù)延長,28d后抗壓強度基本保持穩(wěn)定。UC120試件標(biāo)養(yǎng)1、3、7 d后進行硫酸鹽溶液浸泡養(yǎng)護試驗,浸泡養(yǎng)護的試件在28 d齡期抗壓強度耐蝕系數(shù)分別為96.9%、96.1%、96.6%,各齡期耐蝕系數(shù)都大于94%。養(yǎng)護試驗對試件初期強度發(fā)展略有影響,隨著養(yǎng)護時間延長,后期耐蝕系數(shù)接近甚至超過100%。
圖1 UC120的抗壓強度變化規(guī)律
圖2 UC120的硫酸鹽養(yǎng)護耐蝕系數(shù)變化規(guī)律
混凝土的硫酸鹽侵蝕受外界環(huán)境條件和混凝土自身性能的影響,是一個長期而復(fù)雜的物理化學(xué)作用過程,按其作用機理可以分為物理結(jié)晶和化學(xué)結(jié)晶2種[13]。物理結(jié)晶會產(chǎn)生結(jié)晶膨脹壓力使混凝土表面出現(xiàn)疏松、粉化、剝落等破壞并向內(nèi)部擴展。化學(xué)結(jié)晶會生成具有膨脹性的侵蝕產(chǎn)物石膏(CaSO4·2H2O)或鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O),在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力;當(dāng)其內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時,使混凝土脹裂,發(fā)生破壞。
UC120試件的硫酸鹽溶液浸泡養(yǎng)護試驗是在恒溫、恒濃度、完全浸泡的條件下進行的,沒有溫差作用和水分蒸發(fā)過程,因此沒有物理結(jié)晶的作用,僅有少量硫酸鹽吸附在試件表面;此外,UHPC表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,具有極高的抗?jié)B等級[14],硫酸鹽溶液很難滲入到UHPC內(nèi)部,硫酸鹽的吸附作用也使得UHPC表面更加致密,因此很難生成膨脹性的侵蝕產(chǎn)物。UHPC在硫酸鹽溶液的長期浸泡養(yǎng)護條件下表現(xiàn)出很好的抗硫酸鹽侵蝕性能。
參照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法,采用100mm×100mm×100 mm和100 mm×100mm×400 mm試件,將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至7 d后開始試驗,試驗環(huán)境分為空氣(不加任何溶液)、清水、硫酸鹽溶液,測試1000個循環(huán)。因UHPC性能優(yōu)異,每100個循環(huán)測試1次動彈性模量和質(zhì)量,計算相對動彈性模量和質(zhì)量損失率;每200個循環(huán)測試1次抗壓強度,計算抗壓強度耐蝕系數(shù)。結(jié)果如圖3所示。
圖3 UC120的硫酸鹽凍融循環(huán)試驗
由圖3可知,UC120試件在空氣、清水、硫酸鹽溶液凍融循環(huán)作用下抗壓強度耐蝕系數(shù)逐漸減小,相對動彈性模量呈增大趨勢,質(zhì)量有少許增加。經(jīng)過1000次凍融循環(huán)后,UC120試件在3種環(huán)境中耐蝕系數(shù)分別降至85.2%、86.0%、86.8%,相對動彈性模量分別增至105.7%、106.5%、105.8%,不同環(huán)境中的變化趨勢基本相同;質(zhì)量損失率分別為-0.09%、-0.07%、-0.10%。試件表面完好,無破損。
混凝土在飽水狀態(tài)下受凍融循環(huán)作用時,孔隙水在結(jié)冰和融化過程中會產(chǎn)生體積膨脹和收縮,從而在混凝土內(nèi)部形成交變作用的應(yīng)力,混凝土在這種內(nèi)應(yīng)力的長期作用下會出現(xiàn)微裂縫,進而形成結(jié)構(gòu)損傷,最終導(dǎo)致剝蝕破壞[15]。GB/T 50476—2019中對設(shè)計使用壽命100年的混凝土結(jié)構(gòu)抗凍耐久性指數(shù)的要求是DF300≥80%,即經(jīng)過300次凍融循環(huán)后混凝土的相對動彈性模量≥80%。
在不同環(huán)境的凍融循環(huán)作用下,UC120基體會出現(xiàn)微裂縫,進而形成結(jié)構(gòu)損傷,基體的持續(xù)水化和鋼纖維的阻裂作用并不能完全抵消這種損傷對混凝土的抗壓強度的不利影響,因此,UC120試件抗壓強度耐蝕系數(shù)逐漸下降。對于7d齡期開始進行試驗的UC120試件,雖然其強度已經(jīng)達(dá)到設(shè)計強度要求,但其內(nèi)部仍存在大量的未水化水泥顆粒[16],在凍融循環(huán)過程中仍能持續(xù)水化;在硫酸鹽溶液中還存在侵蝕性產(chǎn)物和硫酸鹽晶體填充混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫,這些因素都能提高UC120試件的密實度,因此,UC120試件的質(zhì)量有少許增加。對同一試件,當(dāng)質(zhì)量和尺寸一定(未發(fā)生嚴(yán)重剝落)時,動彈性模量只受混凝土密實度的影響,UC120基體的持續(xù)水化使試件的密實度逐漸增大,因此UC120試件的相對動彈性模量呈增大趨勢。硫酸鹽凍融循環(huán)試驗結(jié)果表明UHPC在硫酸鹽和低溫共同作用下具有很好的抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕性能。
參照GB/T 50082—2009中的抗硫酸鹽侵蝕試驗方法,采用100mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm試件,將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至7 d后開始試驗,測試150個循環(huán)。每30個循環(huán)測試1次動彈性模量、質(zhì)量、抗壓強度,計算相對動彈性模量、質(zhì)量損失率、抗壓強度耐蝕系數(shù),結(jié)果如表3所示。
表3 硫酸鹽干濕循環(huán)作用下UHPC的性能變化規(guī)律
由表3可知,UC120試件在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下抗壓強度耐蝕系數(shù)先增大后減小,在30次干濕循環(huán)時達(dá)到最大;相對動彈性模量逐漸增大,在60次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定;質(zhì)量略有損失。經(jīng)過150次干濕循環(huán)后,UC120試件的耐蝕系數(shù)降至95.0%,相對動彈性模量增至109.7%,質(zhì)量損失率為0.66%。
混凝土的硫酸鹽干濕循環(huán)作用會產(chǎn)生結(jié)晶應(yīng)力損傷和內(nèi)部侵蝕,加速混凝土的劣化。在干濕循環(huán)過程中,存在鹽溶液浸泡和排液烘干過程,在80℃高溫烘干時,混凝土表面水分迅速蒸發(fā),而鹽分會殘留下來并產(chǎn)生結(jié)晶,結(jié)晶應(yīng)力會引起混凝土表層開裂,而微裂縫又為鹽溶液向混凝土內(nèi)部深入提供了通道,從而形成惡性循環(huán)。在干濕循環(huán)的反復(fù)作用下,結(jié)構(gòu)損傷也由表層向內(nèi)部發(fā)展,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[17]。相關(guān)研究表明:干濕循環(huán)引起的性能劣化速率要遠(yuǎn)高于長期浸泡養(yǎng)護引起的性能劣化速率。GB/T 50476—2019中對設(shè)計使用壽命100年的混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽結(jié)晶等級要求是≥KS150,即經(jīng)過150次干濕循環(huán)后混凝土的抗壓強度耐蝕系數(shù)≥75%。
UC120試件在前30次干濕循環(huán)過程中,由于烘干過程中的高溫作用促進了水泥和摻合料的二次水化,使混凝土結(jié)構(gòu)更加密室,因此混凝土抗壓強度呈緩慢上升趨勢。此外,干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生的鹽結(jié)晶和侵蝕性產(chǎn)物對表面孔隙也有密實作用,同時也阻礙了鹽溶液向混凝土內(nèi)部滲透。在這一階段,高溫促進作用占主導(dǎo)地位。前30次干濕循環(huán)過程中的質(zhì)量損失主要是由于混凝土試件表面和內(nèi)部水分蒸發(fā)造成的。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,水化反應(yīng)程度逐漸提高,水化反應(yīng)基本結(jié)束,對強度貢獻很小。此時,在持續(xù)生成的鹽結(jié)晶和侵蝕性產(chǎn)物的應(yīng)力作用下,混凝土表層會產(chǎn)生微裂縫并不斷加深,當(dāng)膨脹應(yīng)力大于UC120基體的抗拉強度時,混凝土開始劣化。鋼纖維的阻裂作用使得UC120試件的劣化并不明顯,UC120的密實度也不會急劇降低,因此,相對動彈性模量在60次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。硫酸鹽干濕循環(huán)試驗結(jié)果表明,UHPC在硫酸鹽和高溫共同作用下具有很好的抗硫酸鹽侵蝕性能。
采用100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm試件,將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至7 d后進行硫酸鹽溶液凍融-干濕循環(huán)耦合試驗。為減少高溫作用對UC120性能的影響,先進行凍融循環(huán)再進行干濕循環(huán),凍融循環(huán)100次,干濕循環(huán)30次作為1個大循環(huán),進行4個大循環(huán)。每100次凍融或30次干濕循環(huán)后測試1次動彈性模量和質(zhì)量,每個大循環(huán)后測試1次抗壓強度,計算相對動彈性模量和質(zhì)量損失率、抗壓強度耐蝕系數(shù),結(jié)果如表4所示。
表4 硫酸鹽凍融-干濕循環(huán)耦合作用下UHPC性能發(fā)展規(guī)律
由表4可知,UC120試件在硫酸鹽凍融-干濕循環(huán)耦合作用下抗壓強度耐蝕系數(shù)先增大后減小,在1個大循環(huán)時達(dá)到最大;相對動彈性模量逐漸增大,在1個大循環(huán)后趨于穩(wěn)定;質(zhì)量略有損失。經(jīng)過4個大循環(huán)后,UC120試件的耐蝕系數(shù)降至98.7%,相對動彈性模量增至110.4%,質(zhì)量損失率達(dá)到0.47%。
混凝土的凍融循環(huán)作用會引起混凝土的凍脹開裂和表面剝蝕,而干濕循環(huán)作用則會產(chǎn)生結(jié)晶應(yīng)力損傷和內(nèi)部侵蝕。因此,混凝土在凍融-干濕循環(huán)交替作用下會產(chǎn)生凍脹損傷、結(jié)晶應(yīng)力損傷和侵蝕產(chǎn)物膨脹損傷,混凝土在多重耦合作用下的劣化速率要遠(yuǎn)高于單一因素下的劣化速率。
混凝土在第1次大循環(huán)時,干濕循環(huán)作用中的高溫促進作用占主導(dǎo)地位,因此UC120試件經(jīng)過1次大循環(huán)后抗壓強度耐蝕系數(shù)均有大幅度增加,其機理與2.4節(jié)相同。在之后的大循環(huán)中,水化反應(yīng)程度逐漸提高,水化反應(yīng)基本結(jié)束,高溫促進作用逐漸減弱,凍脹損傷、結(jié)晶應(yīng)力損傷和侵蝕產(chǎn)物膨脹損傷占據(jù)主導(dǎo)地位,而UC120試件中鋼纖維的阻裂作用會分擔(dān)部分由凍脹、結(jié)晶、侵蝕產(chǎn)物膨脹引起的應(yīng)力,并能緩解混凝土內(nèi)部損傷位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而有效地減少了凍融循-干濕循環(huán)耦合作用下的裂縫產(chǎn)生,因此UC120試件的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率并沒有出現(xiàn)明顯劣化。但是在硫酸鹽凍融-干濕循環(huán)長期耦合作用下,UC120試件的鋼纖維阻裂作用會逐漸削弱,當(dāng)鋼纖維阻裂作用難以抵消凍脹、結(jié)晶、侵蝕產(chǎn)物膨脹引起的應(yīng)力時,混凝土開始劣化,其外在表現(xiàn)為抗壓強度耐蝕系數(shù)的降低。硫酸鹽凍融-干濕循環(huán)耦合試驗結(jié)果表明UHPC在硫酸鹽、低溫、高溫共同作用下整體性能未發(fā)生明顯劣化,表現(xiàn)出較好的抗硫酸鹽侵蝕性能。
(1)UC120配合比1 d標(biāo)養(yǎng)強度高達(dá)85.2 MPa,達(dá)到設(shè)計強度的71%;7 d標(biāo)養(yǎng)強度為122.1 MPa,已滿足設(shè)計強度要求;28 d標(biāo)養(yǎng)強度為143.1 MPa,強度富余系數(shù)達(dá)到1.19;隨著標(biāo)養(yǎng)時間繼續(xù)延長,28 d后強度基本保持穩(wěn)定。
(2)UHPC標(biāo)養(yǎng)1、3、7 d后進行硫酸鹽溶液浸泡養(yǎng)護的試件在28 d齡期的抗壓強度耐蝕系數(shù)均大于95%,后期各齡期耐蝕系數(shù)都大于94%。浸泡養(yǎng)護試件表面有少量硫酸鹽吸附,并無腐蝕生銹現(xiàn)象。UHPC在硫酸鹽溶液的長期浸泡養(yǎng)護條件下表現(xiàn)出很好的抗硫酸鹽侵蝕性能。
(3)UHPC在空氣、清水、硫酸鹽溶液凍融循環(huán)作用下抗壓強度耐蝕系數(shù)逐漸減小,相對動彈性模量呈增大趨勢,質(zhì)量有少許增加。經(jīng)過1000次凍融循環(huán)后,耐蝕系數(shù)均大于85%,相對動彈性模量均大于105%,試件表面完好,并破損。試驗結(jié)果表明UHPC在硫酸鹽和低溫共同作用下具有很好的抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕性能。
(4)UHPC在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下抗壓強度耐蝕系數(shù)先增大后減小,在30次干濕循環(huán)時達(dá)到最大;相對動彈性模量逐漸增大,在60次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定;質(zhì)量略有損失。經(jīng)過150次干濕循環(huán)后,耐蝕系數(shù)降至95.0%,相對動彈性模量增至109.7%,質(zhì)量損失率達(dá)到0.66%。試驗結(jié)果表明UHPC在硫酸鹽和高溫共同作用下仍具有很好的抗硫酸鹽侵蝕性能。
(5)UHPC在硫酸鹽凍融-干濕循環(huán)耦合作用下抗壓強度耐蝕系數(shù)先增大后減小,在1個大循環(huán)時達(dá)到最大;相對動彈性模量逐漸增大,在1個大循環(huán)后趨于穩(wěn)定;質(zhì)量略有損失。經(jīng)過4個大循環(huán)后,耐蝕系數(shù)降至98.7%,相對動彈性模量增至110.4%,質(zhì)量損失率達(dá)到0.47%。試驗結(jié)果表明UHPC在硫酸鹽、低溫、高溫共同作用下整體性能未發(fā)生明顯劣化,表現(xiàn)出較好的抗硫酸鹽侵蝕性能。