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        氯離子干濕循環(huán)對(duì)UHPC受彎構(gòu)件性能的影響

        2022-10-11 04:55:02李文季城張音李志光余自若申耀杰韓冰
        鐵道建筑 2022年9期
        關(guān)鍵詞:梁體氯離子水化

        李文季城張音李志光余自若申耀杰韓冰

        1.北京建工新型建材科技股份有限公司,北京 102611;2.中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司,北京 100855;3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京100044

        隨著高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系不斷發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)朝著輕質(zhì)高強(qiáng)方向發(fā)展,對(duì)混凝土材料性能提出了更高要求[1]。超高性能混凝土是一種超細(xì)粒聚密材料與纖維增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)水泥基復(fù)合材料,其拉壓強(qiáng)度超高,韌性明顯,耐久性能極好[2-4],可實(shí)現(xiàn)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)輕型化,減小下部結(jié)構(gòu)建設(shè)成本。我國(guó)有多條線路跨越海洋,橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地受氯離子的侵蝕作用,還可能遭遇干濕循環(huán),因此有必要對(duì)UHPC構(gòu)件在氯離子干濕循環(huán)作用下的性能進(jìn)行研究。

        李永強(qiáng)等[5]發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)能加快普通混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的擴(kuò)散速度,增加氯離子滲透深度和濃度,且水膠比越大干濕循環(huán)作用影響效果越明顯。左國(guó)望、聶紅宇[6-7]對(duì)不同寬度預(yù)制裂縫的普通混凝土梁進(jìn)行氯離子溶液干濕循環(huán)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)裂縫促進(jìn)了氯離子的擴(kuò)散。張弈[8]研究了橫向裂縫影響氯離子運(yùn)輸模型,認(rèn)為裂縫寬度是影響氯離子在混凝土中傳輸?shù)闹匾蛩?。楊盛等?]研究發(fā)現(xiàn)裂縫尺寸越大,氯離子擴(kuò)散速度越大。Peng[10]發(fā)現(xiàn)NaCl溶液濃度越高,浸泡60 d或90 d后混凝土抗壓強(qiáng)度越強(qiáng),裂縫深度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大,長(zhǎng)度次之,裂縫寬度的影響最小。龐森等[11]研究發(fā)現(xiàn)不同程度初始損傷鋼筋混凝土梁經(jīng)歷120次海水干濕循環(huán)后,其屈服荷載、極限荷載和延性均隨初始荷載幅值的增加而降低。

        既有研究表明,對(duì)于正常使用狀態(tài)下帶裂縫的混凝土構(gòu)件,氯離子的侵蝕和干濕循環(huán)作用均會(huì)對(duì)構(gòu)件的性能產(chǎn)生不良影響。對(duì)于帶裂縫的UHPC構(gòu)件,相關(guān)研究還十分缺乏。本文通過(guò)預(yù)裂加載使UHPC受彎構(gòu)件產(chǎn)生裂縫,進(jìn)行氯離子干濕循環(huán)和承載力試驗(yàn),測(cè)量梁體在加載過(guò)程中的開裂荷載、破壞荷載、裂縫及撓度,研究帶裂縫的UHPC梁在氯離子干濕循環(huán)作用下的梁體力學(xué)性能、氯離子滲透程度的變化情況及變化機(jī)理。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1 原材料及試件制作

        UHPC中,水泥、石英砂、硅粉、減水劑、水、鋼纖維用量分別為706、1 250、200、30、154、158 kg/m3。其中,水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,燒失量Lc=0.5%;石英砂分為1.250~2.500 mm、0.630~1.250 mm、0.315~0.630 mm三個(gè)粒徑范圍,級(jí)配比例為2∶4∶1;硅粉密度2.214 g/cm3,平均粒徑0.31 μm,SiO2含量為82.22%,燒失量Lb=1.45%;減水劑為聚羧酸高效減水劑;水為自來(lái)水;摻入長(zhǎng)12~15 mm、直徑0.22 mm的細(xì)圓形短鋼纖維,其抗拉強(qiáng)度為2 800 MPa,體積摻量為2%。

        試驗(yàn)構(gòu)件為1 000 mm×150 mm×100 mm的矩形截面梁,共制作13個(gè)鋼筋UHPC梁試件。梁體結(jié)構(gòu)及配筋見圖1。振搗成型1 d后拆模,放入蒸養(yǎng)箱,從室溫20°C逐漸升至35°C后保持1 h,再依次升至50°C、65°C后分別保持1 h,最后升至75°C高溫蒸養(yǎng)72 h。降溫步驟與升溫相反,降至室溫后放入恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。同時(shí),制作3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊,28 d蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)后測(cè)得試塊抗壓強(qiáng)度為131.95 MPa。

        圖1 梁體結(jié)構(gòu)及配筋(單位:mm)

        1.2 試驗(yàn)過(guò)程

        采用30 t液壓千斤頂進(jìn)行加載。施加預(yù)裂荷載和測(cè)試力學(xué)性能時(shí)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行三分點(diǎn)加載,在跨中形成400 mm的純彎段,如圖2所示。以每級(jí)2.5 kN分級(jí)加載。根據(jù)試驗(yàn)工況將13個(gè)試件分為3組。L-1組(3個(gè)試件):直接進(jìn)行彎曲加載破壞,獲得無(wú)損梁的力學(xué)性能,作為帶裂縫鋼筋UHPC梁的對(duì)照組;L-2組(5個(gè)試件):預(yù)制裂縫+氯離子干濕循環(huán)15次+加載破壞;L-3組(5個(gè)試件):預(yù)制裂縫+氯離子干濕循環(huán)30次+加載破壞。

        圖2 構(gòu)件加載示意(單位:mm)

        對(duì)于L-2組和L-3組構(gòu)件,試驗(yàn)步驟如下。

        1)預(yù)制裂縫。對(duì)構(gòu)件進(jìn)行彎曲預(yù)裂加載,至梁上有多條裂紋且受拉鋼筋重心水平處構(gòu)件側(cè)表面的混凝土最大裂縫寬度達(dá)到0.08~0.12 mm時(shí)停止加載。此時(shí)的荷載記為最大預(yù)裂荷載,用精度0.02 mm的裂縫觀測(cè)儀測(cè)量裂縫寬度,記錄裂縫條數(shù),而后卸載。

        2)錨固加載,再次打開裂縫。用自制錨具錨固梁體,通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿兩端的螺母對(duì)梁體進(jìn)行加載,使裂縫重新打開,如圖3所示。用精度0.02 mm的裂縫觀測(cè)儀測(cè)量重新打開后的裂縫寬度。

        圖3 梁體錨固及加載

        3)干濕循環(huán)。將構(gòu)件放入含5.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液的試驗(yàn)箱中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。48 h為1個(gè)循環(huán)(浸泡24 h后干燥24 h)。

        4)加載破壞。干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后,將構(gòu)件置于干燥處晾干2 d后進(jìn)行彎曲承載力試驗(yàn),逐級(jí)加載至破壞。破壞時(shí)記錄極限荷載,測(cè)量裂縫寬度及條數(shù)、梁體跨中撓度。

        L-1組僅進(jìn)行步驟4中的加載破壞試驗(yàn)。

        1.3 氯離子含量數(shù)據(jù)采集

        構(gòu)件破壞后,采用鉆頭直徑8 mm的手持式電鉆進(jìn)行鉆孔取粉。選取每根梁側(cè)面主裂縫以及主裂縫兩側(cè)20、40 mm位置共5個(gè)斷面,每個(gè)斷面取4個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖4所示。鉆取各測(cè)點(diǎn)混凝土表層粉體以及裂縫處混凝土內(nèi)部距表層5、20、35、50 mm處的粉體,采用氯離子含量快速測(cè)試儀檢測(cè)氯離子含量。

        圖4 鉆孔取粉測(cè)點(diǎn)位置(單位:mm)

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 力學(xué)性能

        試驗(yàn)測(cè)得的構(gòu)件力學(xué)性能及氯離子含量見表1。其中,Wmax為梁體被錨固后、干濕循環(huán)前測(cè)得的裂縫寬度最大值??芍?/p>

        表1 構(gòu)件力學(xué)性能及氯離子含量

        1)氯離子干濕循環(huán)后,L-2組和L-3組構(gòu)件的開裂荷載大多比初裂荷載有所提高,其中L-2-3開裂荷載提高最多,達(dá)60%。這說(shuō)明干濕循環(huán)后鋼筋UHPC梁抗裂性能有所提升。但是,構(gòu)件L-2-5的開裂荷載大幅降低,這是因?yàn)樵摌?gòu)件預(yù)裂時(shí)裂縫最大寬度達(dá)0.41 mm,超過(guò)0.35 mm,干濕循環(huán)無(wú)法起到修復(fù)作用,反而使其抗裂性大幅降低。

        2)L-2組和L-3組極限荷載平均值分別為92.50、91.67 kN,比L-1組極限荷載平均值(75.00 kN)分別提高了23.33%和22.23%。這說(shuō)明干濕循環(huán)后鋼筋UHPC梁極限承載力有所提升。

        3)L-2組和L-3組破壞時(shí)的跨中撓度平均值分別為2.74、3.02 mm,比L-1組破壞時(shí)的跨中撓度平均值(3.43 mm)分別減小了20.12%和11.95%??梢?,經(jīng)過(guò)預(yù)裂加載和干濕循環(huán)試驗(yàn)后,鋼筋UHPC梁剛度提升,破壞時(shí)的變形降低。此外,經(jīng)過(guò)15次氯離子干濕循環(huán)的L-2組破壞時(shí)的變形小于經(jīng)過(guò)30次氯離子干濕循環(huán)的L-3組,說(shuō)明梁體剛度的提升和干濕循環(huán)時(shí)間有關(guān),干濕循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)使剛度有一定程度降低。

        3組梁中典型構(gòu)件的最終破壞裂縫形態(tài)見圖5??芍号c沒有預(yù)制裂縫的L-1組相比,破壞時(shí)L-2組的裂縫更多、更小、更密,而L-3組與L-1組差別不大。這說(shuō)明干濕循環(huán)作用一定程度上可以使裂縫愈合,但干濕循環(huán)次數(shù)較多時(shí)愈合作用會(huì)降低。

        圖5 典型構(gòu)件的最終破壞裂縫形態(tài)

        2.2 氯離子含量

        混凝土表層裂縫及兩側(cè)氯離子含量見圖6??芍簩?duì)于L-2和L-3組不同裂縫寬度的構(gòu)件,裂縫處氯離子含量均最大,且距裂縫越遠(yuǎn)氯離子含量越低,距裂縫20 mm以上時(shí)氯離子含量趨于穩(wěn)定;氯離子在裂縫處沿梁體縱向擴(kuò)散范圍與裂縫寬度無(wú)關(guān)。水膠比為0.42的普通混凝土構(gòu)件經(jīng)過(guò)45個(gè)干濕循環(huán)后影響范圍為30~50 mm[6],大于UHPC梁裂縫兩側(cè)氯離子的擴(kuò)散范圍。這是由于UHPC材料具有高致密性,大大降低了氯離子沿UHPC梁裂縫表面向周圍的擴(kuò)散作用。

        圖6 混凝土表層裂縫及兩側(cè)氯離子含量

        裂縫處氯離子含量沿深度的變化曲線見圖7??芍孩偕疃仍酱?,氯離子含量越低,混凝土表面25 mm以下氯離子含量基本趨于穩(wěn)定。②Wmax小于0.15 mm時(shí)裂縫處氯離子含量較低且隨深度變化不大,Wmax在0.15~0.25 mm時(shí)氯離子含量有一定增長(zhǎng),Wmax大于0.25 mm時(shí)氯離子含量有明顯增長(zhǎng)。這是因?yàn)閁HPC具有致密性,且裂縫是通過(guò)加載得到的,形狀不規(guī)則,裂縫寬度較小時(shí)氯離子難以沿裂縫擴(kuò)散,而裂縫寬度較大時(shí)氯離子擴(kuò)散順暢,氯離子含量明顯提高。文獻(xiàn)[6]中兩組普通混凝土構(gòu)件在干濕循環(huán)后分別在30~35 mm和25~30 mm深度處趨于穩(wěn)定??梢?,UHPC氯離子向裂縫深處的擴(kuò)散范圍小于普通混凝土。

        圖7 裂縫處氯離子含量沿深度的變化曲線

        綜上可知,經(jīng)過(guò)氯離子干濕循環(huán)試驗(yàn),鋼筋UHPC梁的抗裂性、承載力和剛度都得到提升。究其原因,這可能是因?yàn)榕渲芔HPC時(shí)采用了超低水膠比,水泥顆粒未能充分水化,當(dāng)UHPC梁浸泡在氯離子溶液中時(shí)發(fā)生了再次水化,修補(bǔ)了預(yù)制裂縫,提高了UHPC梁承載能力。為了驗(yàn)證干濕循環(huán)過(guò)程中UHPC是否發(fā)生了再水化,進(jìn)一步探究干濕循環(huán)對(duì)UHPC梁的作用,對(duì)L-1組和L-2組試件頂部和裂縫周邊的化學(xué)結(jié)合水進(jìn)行測(cè)試,研究其水化程度差異。

        3 結(jié)合水含量與承載力變化機(jī)理

        利用電鉆對(duì)梁體表層進(jìn)行取粉。對(duì)L-1組的每根梁頂部取樣2份;對(duì)L-2-1—L-2-4頂部取樣2份、主裂縫兩側(cè)取樣1份,共18份。樣品過(guò)0.25 mm篩后裝袋封閉。測(cè)量結(jié)合水含量時(shí),用電子天平對(duì)每份樣品稱量5 g放入馬弗爐中,升溫至105℃后恒溫4 h,然后取出冷卻,測(cè)量得到樣品質(zhì)量m1。再次將樣品放入馬弗爐中,升溫至950℃后恒溫4 h,取出冷卻,測(cè)量得到樣品質(zhì)量m2,根據(jù)UHPC配合比,此時(shí)樣品中膠凝材料的質(zhì)量m3=(906/2 498)m2,總膠凝材料中礦物摻合料的占比β=200/906=0.221。

        結(jié)合文獻(xiàn)[12-13]中的方法計(jì)算粉樣中的化學(xué)結(jié)合水含量w,計(jì)算式為

        計(jì)算可知,L-1組梁體頂部混凝土結(jié)合水含量平均值為9.57%,L-2組梁體頂部、裂縫兩側(cè)混凝土結(jié)合水含量平均值為10.09%、10.83%,分別比L-1組梁體頂部混凝土提高了5.43%和13.17%??梢?,鋼筋UHPC梁發(fā)生了再水化反應(yīng),并且裂縫周邊比頂部混凝土發(fā)生的再水化反應(yīng)更多,從而影響了梁體的承載力。

        預(yù)裂加載使構(gòu)件受到損傷,再水化表現(xiàn)為修復(fù)作用。一方面,預(yù)裂加載使構(gòu)件產(chǎn)生了裂縫和變形,這對(duì)構(gòu)件的耐久性等工作性能產(chǎn)生一定影響,不利于結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載。另一方面,由于裂縫的存在,氯離子干濕循環(huán)時(shí),水可以通過(guò)裂縫進(jìn)入構(gòu)件內(nèi)部,與未水化的水泥顆粒發(fā)生再水化反應(yīng),將裂縫填滿,增強(qiáng)了構(gòu)件的致密性。由于構(gòu)件浸泡在溶液中的時(shí)間較短,未發(fā)生過(guò)多再水化反應(yīng),不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的產(chǎn)物破壞構(gòu)件,且鋼筋未銹蝕,因此,再水化反應(yīng)使構(gòu)件的極限承載力得到提升。

        4 結(jié)論

        1)帶裂縫的鋼筋UHPC梁經(jīng)過(guò)適當(dāng)時(shí)間的氯離子干濕循環(huán)后,UHPC材料內(nèi)部發(fā)生了再水化,提高了材料性能,構(gòu)件的抗裂性、極限承載力和剛度都得到了一定程度的提升。

        2)對(duì)于混凝土表層,UHPC梁裂縫處氯離子含量最大,遠(yuǎn)離裂縫處的氯離子含量逐漸降低并趨于平緩;氯離子在裂縫處沿梁體縱向擴(kuò)散范圍與裂縫寬度無(wú)關(guān)。

        3)裂縫處距表層的深度越大,氯離子含量越低,表面25 mm以下氯離子含量基本趨于穩(wěn)定;裂縫寬度越大,氯離子含量越高。

        4)由于UHPC材料具有高致密性,氯離子從裂縫處沿梁體表面的擴(kuò)散范圍及向裂縫深處的擴(kuò)散范圍均低于普通混凝土。帶裂縫的UHPC構(gòu)件具有優(yōu)良的抗氯離子滲透性能。

        5)鋼筋UHPC構(gòu)件的初始裂縫寬度較小時(shí),再水化作用可使初始裂縫基本愈合,承載力提升;當(dāng)最大初始裂縫寬度超過(guò)0.35 mm時(shí),再水化作用無(wú)法修復(fù)裂縫。

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