氯離子干濕循環(huán)對UHPC受彎構(gòu)件性能的影響

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。左國望、聶紅宇［6-7］對不同寬度預(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蛩亍钍⒌龋?］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)，裂縫深度對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大，長度次之，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)作用均會對構(gòu)件的性能產(chǎn)生不良影響。對于帶裂縫的UHPC構(gòu)件，相關(guān)研究還十分缺乏。本文通過預(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)，測量梁體在加載過程中的開裂荷載、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；水為自來水；摻入長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)過程

采用30 t液壓千斤頂進(jìn)行加載。施加預(yù)裂荷載和測試力學(xué)性能時(shí)對構(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2.5 kN分級加載。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，獲得無損梁的力學(xué)性能，作為帶裂縫鋼筋UHPC梁的對照組；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的裂縫觀測儀測量裂縫寬度，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，通過旋轉(zhuǎn)螺桿兩端的螺母對梁體進(jìn)行加載，使裂縫重新打開，如圖3所示。用精度0.02 mm的裂縫觀測儀測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)，逐級加載至破壞。破壞時(shí)記錄極限荷載，測量裂縫寬度及條數(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)測點(diǎn)，如圖4所示。鉆取各測點(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試儀檢測氯離子含量。

圖4 鉆孔取粉測點(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0.35 mm，干濕循環(huán)無法起到修復(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30次氯離子干濕循環(huán)的L-3組，說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)間較長會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τ贚-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關(guān)。水膠比為0.42的普通混凝土構(gòu)件經(jīng)過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，Wmax大于0.25 mm時(shí)氯離子含量有明顯增長。這是因?yàn)閁HPC具有致密性，且裂縫是通過加載得到的，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。可見，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)過程中UHPC是否發(fā)生了再水化，進(jìn)一步探究干濕循環(huán)對UHPC梁的作用，對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

利用電鉆對梁體表層進(jìn)行取粉。對L-1組的每根梁頂部取樣2份；對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0.25 mm篩后裝袋封閉。測量結(jié)合水含量時(shí)，用電子天平對每份樣品稱量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)生過多再水化反應(yīng)，不會產(chǎn)生過多的產(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0.35 mm時(shí)，再水化作用無法修復(fù)裂縫。