超高韌性水泥基復(fù)合材料耐久性能研究

熊錢華

(石門縣交通運(yùn)輸局， 湖南 常德 415300)

硅酸鹽水泥砼材料以其廣泛的適用性和低廉的價(jià)格成為使用范圍最廣的建筑材料。但水泥基砼材料在應(yīng)用中存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差及裂縫出現(xiàn)后難以控制等缺點(diǎn)，成為工程事故發(fā)生的誘因。研究及工程實(shí)踐表明，砼結(jié)構(gòu)性能下降速度很大程度上與砼結(jié)構(gòu)的裂縫相關(guān)。裂縫的產(chǎn)生將迅速導(dǎo)致外部環(huán)境中水、二氧化碳和氯離子滲透到結(jié)構(gòu)中，為內(nèi)部鋼筋生銹提供通道，從而導(dǎo)致砼基體進(jìn)一步破壞。在結(jié)構(gòu)服役過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)裂縫，提高砼材料的韌性和強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)裂縫的有效控制，克服水泥基材料變形差、易開裂的缺陷成為研究熱點(diǎn)。

超高韌性水泥基復(fù)合材料是通過微觀力學(xué)性能設(shè)計(jì)、調(diào)整得到的一種短纖維亂向分布的水泥基復(fù)合材料。最早由Li V. C.教授提出，命名為Engineering Cementitious Composites(ECC)，它能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下的多縫開裂，提高水泥基材料的韌性。隨后，歐洲、澳大利亞等地區(qū)學(xué)者對(duì)其展開進(jìn)一步研究和性能改善，得到應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料(SHCC)，日本學(xué)者也研究提出超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(UHPFRCC)。在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)徐世烺教授研究出一種在低纖維含量下具有超過3%拉應(yīng)變能力的材料，它在拉伸荷載作用下會(huì)產(chǎn)生多個(gè)細(xì)裂縫，裂縫寬度小于100 μm，稱之為超高韌性水泥基復(fù)合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites，UHTCC)。該文對(duì)近年UHTCC耐久性能研究進(jìn)行綜述，以提高該材料在土木工程和水利工程中的優(yōu)勢(shì)和作用。

1 UHTCC的抗凍融循環(huán)性能

對(duì)于吸水飽和的砼，在其凍融循環(huán)過程中，當(dāng)砼中毛細(xì)水在負(fù)溫下由水轉(zhuǎn)變?yōu)楸鶗r(shí)，其體積發(fā)生約9%膨脹，在膨脹壓力作用下，周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力，砼在重復(fù)拉伸作用下發(fā)生開裂破壞。

文獻(xiàn)[11-12]對(duì)普通硅酸鹽砼、引氣砼、鋼纖維砼和UHTCC進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)UHTCC材料的抗凍融循環(huán)性能最優(yōu)，明顯優(yōu)于其他3種砼材料。

文獻(xiàn)[13]通過對(duì)UHTCC材料在凍融循環(huán)條件下的質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量損失、彎曲抗拉強(qiáng)度等性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)UHTCC經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失小于1%，動(dòng)彈性模量損失不大于5%，能滿足寒冷地區(qū)工程抗凍要求。

文獻(xiàn)[14]指出，在氯鹽環(huán)境下，UHTCC材料在凍融循環(huán)后期表層會(huì)嚴(yán)重剝落，導(dǎo)致抗凍性能明顯降低。

文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過300次凍融循環(huán)作用后，在不摻引氣劑的情況下，UHTCC材料依然可保持較好的力學(xué)性能，且發(fā)生的變形較小。

文獻(xiàn)[16-18]進(jìn)一步對(duì)UHTCC材料抗凍融循環(huán)作用性能影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)纖維體積摻量和砂灰比對(duì)其影響更顯著，纖維種類的影響很小。

關(guān)于粉煤灰對(duì)UHTCC材料抗凍融循環(huán)性能的影響目前尚無定論。文獻(xiàn)[20]指出粉煤灰的摻入對(duì)UHTCC材料抗凍融循環(huán)性能的影響甚微。文獻(xiàn)[13]指出，粉煤灰對(duì)水泥基材料抗凍性的影響程度有待研究，認(rèn)為水灰比的影響更顯著，其取值可基本確定砼的孔結(jié)構(gòu)并決定砼的性能，孔隙率越大意味著砼的含水越多，在凍融循環(huán)作用下越易發(fā)生破壞；另外，微細(xì)孔能通過減小滲透水壓力，抑制負(fù)溫下冰晶的形成，從而提高砼的抗凍耐久性。

2 UHTCC的抗碳化性能

砼碳化是指空氣中的二氧化碳與砼中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致砼pH值下降。砼是一種強(qiáng)堿性材料，在這種環(huán)境下，鋼筋表面的鈍化膜不會(huì)被腐蝕，但一旦環(huán)境中的堿性物質(zhì)被消耗導(dǎo)致pH值下降，則鋼筋鈍化膜會(huì)發(fā)生破壞，鋼筋被銹蝕，從而造成材料耐久性下降。文獻(xiàn)[21]對(duì)UHTCC分別進(jìn)行快速碳化和預(yù)裂后快速碳化試驗(yàn)，探究不同齡期下UHTCC的抗碳化性能，結(jié)果表明無裂縫的UHTCC在抗碳化性能上的表現(xiàn)與相同強(qiáng)度的砼基本一致，但經(jīng)過相同荷載的預(yù)裂處理后，在裂縫處UHTCC的碳化深度與無裂縫處相差不大，僅為同等強(qiáng)度砼碳化深度的30%～40%。

文獻(xiàn)[15]認(rèn)為根據(jù)UHTCC材料中原材料的選擇及使用環(huán)境等進(jìn)行必要研究很有必要，因?yàn)閁HTCC材料中不摻粗骨料，但會(huì)摻入粉煤灰、礦渣等高活性材料以減少水泥用量，這會(huì)很大程度上影響UHTCC材料的抗碳化性能。

OTU換向臺(tái)的應(yīng)用取代了在對(duì)角線上安裝一長(zhǎng)排單向度滾筒的傳輸方式，降低了成本且更加便捷，還可用于不同尺寸的盒子或紙箱。

3 UHTCC的抗?jié)B性能

砼具有復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，水是最常見又最容易與砼接觸的介質(zhì)，水分很容易通過孔隙進(jìn)入砼內(nèi)部，同時(shí)水又?jǐn)y帶其他有害離子(Cl-、SO42-、Na+等)，會(huì)對(duì)砼內(nèi)部造成侵蝕性破壞。因此，砼的抗?jié)B性能與其耐久性能密切相關(guān)。

文獻(xiàn)[15]發(fā)現(xiàn)，UHTCC在抗?jié)B透性能的各方面(抗水滲透性能、抗氯離子滲透性能和抗氯離子擴(kuò)散性能)均顯著優(yōu)于同等強(qiáng)度的普通砼。

文獻(xiàn)[21]對(duì)UHTCC進(jìn)行快速氯離子滲透試驗(yàn)，并進(jìn)行UHTCC滲透系數(shù)、氯離子滲透系數(shù)和自由氯離子含量測(cè)定，結(jié)果表明早期UHTCC的滲透系數(shù)為相同強(qiáng)度普通砼的35%左右，氯離子滲透系數(shù)與相同強(qiáng)度普通砼一致。但隨著齡期的增長(zhǎng)，氯離子滲透系數(shù)明顯低于相同強(qiáng)度普通砼。

文獻(xiàn)[22-23]等指出UHTCC的抗?jié)B透性能優(yōu)良，且發(fā)生1.5%拉應(yīng)變時(shí)的滲透系數(shù)仍與未發(fā)生開裂時(shí)的滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)上。文獻(xiàn)[24-26]等研究也證實(shí)了這一結(jié)論，還發(fā)現(xiàn)UHTCC達(dá)到應(yīng)變硬化階段時(shí)抗?jié)B透性能仍然很好，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，其抗?jié)B透性能會(huì)提高。

文獻(xiàn)[27]研究了不同拉應(yīng)變(1.5%、2.0%、2.5%)、不同試件厚度(10、12、15 mm)情況下水的滲透能力，結(jié)果表明由于UHTCC具有對(duì)裂縫寬度的優(yōu)越控制能力，其在微裂縫狀態(tài)下仍保持著較好的抗?jié)B性能，且UHTCC在滲透過程中存在自愈現(xiàn)象，隨著滲透時(shí)間的增加，UHTCC的水滲透系數(shù)逐漸降低，在滲透初期滲透系數(shù)的下降幅度明顯，然后趨于穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[28]指出，PVA纖維和基體材料之間界面處的微通道效應(yīng)為氯離子的滲透提供了通道，如何改善PVA纖維界面并調(diào)整UHTCC配合比以提高其早期抗氯離子滲透性能，消除微通道效應(yīng)需作更全面、更深入的研究。同時(shí)，由于使用粉煤灰等礦物摻合料，這些材料的水化過程和水化機(jī)理將對(duì)內(nèi)部纖維和材料整體性能產(chǎn)生影響，也需進(jìn)一步研究。

4 UHTCC的收縮徐變性能

文獻(xiàn)[29]將UHTCC應(yīng)用到修補(bǔ)舊砼中，并對(duì)新舊砼體系的界面收縮性能展開研究，發(fā)現(xiàn)UHTCC可有效控制修補(bǔ)層的裂縫寬度，并控制裂縫寬度小于60 μm，基本滿足結(jié)構(gòu)的正常使用需求。

文獻(xiàn)[30]通過對(duì)UHTCC及其基體在干縮過程中出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)盡管UHTCC及其基體的自由收縮值高于普通砼，但UHTCC可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫發(fā)展的有效控制，大大降低裂縫寬度，裂縫寬度僅為普通砼的20%。

文獻(xiàn)[31]的研究結(jié)果表明，對(duì)于UHTCC材料，PVA纖維的摻入可使其基體在開裂過程中出現(xiàn)多縫開裂現(xiàn)象，并達(dá)到應(yīng)變硬化效果。裂縫數(shù)量和寬度與基體材料的性能及PVA纖維摻量相關(guān)，PVA纖維體積摻量為1.5%時(shí)裂縫的控制效果最好，裂縫最大寬度小于40 μm，平均寬度小于20 μm，裂縫數(shù)量增加至未摻PVA纖維的5倍以上，滿足多縫開裂的基本性質(zhì)。這也表明UHTCC具備良好的抗收縮、開裂的性能，有潛力應(yīng)用于對(duì)耐久性能要求較高的砼結(jié)構(gòu)中。

文獻(xiàn)[32]考察了纖維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料收縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維體積摻量對(duì)砼基體自由收縮沒有明顯影響，但纖維的摻入可有效提高水泥基復(fù)合材料的裂縫控制率，且可將裂縫最大寬度控制至小于40 μm，可視為無害裂縫。

文獻(xiàn)[33]對(duì)UHTCC的早期干燥收縮和抗裂性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明UHTCC的收縮產(chǎn)生在基體硬化早期，這與文獻(xiàn)[32]的結(jié)論一致；通過對(duì)比干、濕養(yǎng)護(hù)對(duì)UHTCC收縮的影響，發(fā)現(xiàn)雖然采用濕養(yǎng)護(hù)可避免UHTCC水分蒸發(fā)引起的收縮，但其收縮最終值會(huì)大大增加。

文獻(xiàn)[34]對(duì)UHTCC收縮及徐變特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)基體中的纖維滑移是引起UHTCC收縮徐變的主要來源。在相同荷載作用下，帶有裂縫的試件的徐變變形比未開裂的試件大得多；荷載的加載速率對(duì)UHTCC材料的韌性影響不大。

5 UHTCC包裹鋼筋的抗銹蝕能力

通常砼結(jié)構(gòu)中的鋼筋是不會(huì)生銹的。但在某些條件下，由于砼pH值減小和有害介質(zhì)侵入，會(huì)損壞鋼筋的鈍化膜，鋼筋與水和氧氣接觸并發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕后，由于鋼筋銹蝕產(chǎn)物的存在，會(huì)使鋼筋與砼之間的接觸面發(fā)生改變，同時(shí)鋼筋的體積膨脹可能導(dǎo)致砼開裂甚至剝落，從而使被銹蝕的鋼筋與砼之間的黏結(jié)性能不斷劣化，導(dǎo)致鋼筋與砼不能協(xié)同工作，結(jié)構(gòu)承載力下降。

文獻(xiàn)[35]將UHTCC應(yīng)用于鋼筋砼梁的保護(hù)層，并在受力側(cè)制作保護(hù)層厚度為15 (不包含受拉鋼筋)和50 mm(包含受拉鋼筋)的鋼筋砼/UHTCC復(fù)合梁和全梁，在人工加速銹蝕條件下使主筋銹蝕。結(jié)果表明UHTCC可延緩銹蝕的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)延遲銹脹裂縫出現(xiàn)、限制銹脹裂縫寬度及保持銹蝕后構(gòu)件較高的剛度和彎曲承載力。

文獻(xiàn)[36]通過電化學(xué)加速銹蝕方法對(duì)UHTCC-鋼筋拉拔試件進(jìn)行快速銹蝕，通過直接拉拔試驗(yàn)研究發(fā)生銹蝕后鋼筋與UHTCC的黏結(jié)性能。分析發(fā)現(xiàn)：腐蝕率小于2%時(shí)，銹蝕鋼筋與砼的最大平均結(jié)合應(yīng)力逐漸增加，腐蝕率超過2%時(shí)迅速降低；UHTCC與鋼筋之間最大平均黏結(jié)應(yīng)力在小于3%的范圍內(nèi)保持線性增加，超過3%后基本上保持不變；UHTCC起到類似箍筋作用，對(duì)由銹脹產(chǎn)生的銹脹力具有良好的抑制作用。

6 疲勞荷載作用下UHTCC的耐久性能

在重復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)(或部分構(gòu)件)將產(chǎn)生重復(fù)應(yīng)力和應(yīng)變，以致在低于靜載強(qiáng)度下發(fā)生疲勞失效。疲勞荷載作用下的損傷是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要因素之一，亦是引發(fā)結(jié)構(gòu)耐久性破壞的重要原因。

文獻(xiàn)[37]通過對(duì)UHTCC梁進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，確定在不同應(yīng)力水平下UHTCC梁的疲勞壽命。結(jié)果表明：在疲勞荷載作用下，UHTCC會(huì)產(chǎn)生多條裂縫，隨應(yīng)力水平降低，裂縫數(shù)目減少，變形能力減弱；在不同應(yīng)力水平下，纖維的拔出破壞和拉斷破壞比例不同；低循環(huán)與高循環(huán)疲勞荷載循環(huán)作用下，UHTCC中PVA纖維發(fā)揮作用的程度有所不同，低循環(huán)時(shí)纖維以拉斷為主，高循環(huán)時(shí)纖維以拔出為主。

文獻(xiàn)[38]對(duì)PE、PVA及鋼纖維水泥基復(fù)合材料在疲勞荷載作用下的性能進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)PVA-UHTCC和PE-UHTCC的疲勞應(yīng)力與壽命成雙線性函數(shù)關(guān)系，前者傾向于斷裂破壞，后者發(fā)展的裂縫數(shù)量更多且傾向于拔出破壞。

文獻(xiàn)[39]通過采用UHTCC修復(fù)老砼體系，分析新老砼之間界面特性對(duì)疲勞荷載作用下彎曲性能的影響，發(fā)現(xiàn)使用UHTCC修復(fù)后的體系不受新老砼特性的影響，且采用UHTCC作為路面覆蓋層時(shí)能有效避免路面反射裂縫產(chǎn)生的破壞。

7 結(jié)論與展望

根據(jù)對(duì)UHTCC耐久性能的已有研究，得出以下結(jié)論：1) 對(duì)比普通硅酸鹽水泥砼、引氣砼和鋼纖維砼，UHTCC材料的抗凍融循環(huán)性能最好，且在不摻引氣劑的情況下可滿足寒冷地區(qū)工程對(duì)抗凍的要求。2) 無裂縫的UHTCC碳化深度與同等強(qiáng)度普通砼基本相當(dāng)，但經(jīng)過預(yù)裂處理后的碳化深度僅為普通砼的30%～40%，有無粗骨料、外摻活性材料對(duì)UHTCC抗碳化性能有較大影響。3) UHTCC的抗?jié)B性能良好，滲透系數(shù)僅為同等強(qiáng)度普通砼的35%左右，且在1.5%拉應(yīng)變或應(yīng)變硬化階段都能保持較高水準(zhǔn)；抗氯離子滲透系數(shù)明顯低于同強(qiáng)度等級(jí)的普通砼。4) UHTCC材料的自由收縮值比普通砼高，且對(duì)裂縫的控制率更高，最大寬度的裂縫仍屬于無害裂縫。5) UHTCC具有延緩銹蝕發(fā)生進(jìn)程、延遲銹脹裂縫出現(xiàn)、限制銹脹裂縫寬度、保持銹蝕后構(gòu)件較高剛度和彎曲承載力等優(yōu)勢(shì)。6) 疲勞荷載作用下，UHTCC材料仍以多縫開裂和應(yīng)變硬化為主，纖維種類對(duì)其破壞模式有影響，PVA-UHTCC傾向于發(fā)生斷裂破壞，PE-UHTCC傾向于發(fā)生拔出破壞。

綜上，UHTCC作為一種新型水泥基復(fù)合材料展現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和耐久性能，具有廣泛的應(yīng)用前景，但仍需更深入的研究。研究可從以下幾方面進(jìn)行：1) 因?yàn)閁HTCC不使用粗骨料，且使用大量粉煤灰等活性物質(zhì)替代水泥，這能節(jié)省水泥用量，但粉煤灰對(duì)UHTCC的耐久性能的影響不能確定，不同粉煤灰摻量對(duì)UHTCC結(jié)構(gòu)耐久性的影響有待進(jìn)一步研究。2) 中國(guó)已建造了大量鋼筋砼結(jié)構(gòu)，且UHTCC材料價(jià)格昂貴，大規(guī)模取代普通砼是不可持續(xù)發(fā)展的，只能將UHTCC作為一種修補(bǔ)材料，以結(jié)構(gòu)外包裹的方式提升現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。UHTCC與普通砼的界面黏結(jié)性能、包裹在UHTCC內(nèi)的普通砼的耐久性均有待深入研究。3) 已有文獻(xiàn)未涉及關(guān)于UHTCC材料的堿-集料反應(yīng)及這種反應(yīng)造成的耐久性受損，也未研究UHTCC的沖磨侵蝕，而水壩中砼的沖磨侵蝕是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因，相關(guān)研究也需進(jìn)行。