多因素影響下超高性能混凝土的自修復(fù)性能研究

任天濠，歐陽利軍，高宏宇，皮婭潔，張開彌

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

傳統(tǒng)的修復(fù)混凝土裂縫方式主要有灌漿法、表面修補法、結(jié)構(gòu)加固法和混凝土置換法等[1-4]。相比普通混凝土，超高性能混凝土（UHPC）作為一種新型的水泥基復(fù)合材料以其結(jié)構(gòu)致密、力學(xué)性能優(yōu)異和耐久性好等特點，被廣泛運用于混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點連接處和既有混凝土結(jié)構(gòu)的維修加固[5-6]。但UHPC 在服役期間受外界環(huán)境的影響出現(xiàn)裂縫后能否進行自修復(fù)，且影響其自修復(fù)性能的因素尚未進行系統(tǒng)研究。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對水泥基材料的裂縫自修復(fù)現(xiàn)象、技術(shù)和影響因素等進行了大量的試驗研究。姚武等[7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥基試件處于水養(yǎng)環(huán)境時，水泥基材料的自修復(fù)與碳酸鈣的生成息息相關(guān)。Xu 等[8]使用橡膠顆粒負載芽孢桿菌制備試件，并觀察28d 前后不同寬度裂縫的修復(fù)情況，發(fā)現(xiàn)寬度在0.86mm 以下的裂縫被完全修復(fù)。張春梅等[9]將微膠囊摻入水泥基材料并測試了修復(fù)前后的抗壓強度，發(fā)現(xiàn)摻微膠囊水泥基材料的抗壓強度修復(fù)率顯著提高。Tennkhajornkit 等[10]對摻粉煤灰水泥基試件的裂縫修復(fù)物質(zhì)進行了微觀分析，證明了粉煤灰的摻入可提高水泥基材料的自修復(fù)性能。

本文將不同硅灰摻量的UHPC 試件經(jīng)熱水養(yǎng)護后的初始力學(xué)性能作為對照組，以預(yù)損傷后并經(jīng)熱水養(yǎng)護、常溫水養(yǎng)和熱水—干熱養(yǎng)護的UHPC 抗壓和抗拉強度修復(fù)率來表征其自修復(fù)效果，探究硅灰摻量和養(yǎng)護制度對UHPC 自修復(fù)性能的影響規(guī)律，對UHPC 的工程實際應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 原材料選擇

采用P-II52.5 級水泥，比表面積為377m2/kg；粒徑范圍0.25～2.00mm 的石英砂；最大SiO2含量為97.19%的硅灰；高效減水劑；普通自來水；抗拉強度2900MPa 的鋼纖維。

1.2 UHPC 制備及養(yǎng)護

本試驗以0、15%、20%、25%和30%五種硅灰摻量制備了42 個100mm×100mm×100mm 立方體試件，42 個368mm×100mm×50mm 啞鈴型試件。試件全部放入恒溫水浴養(yǎng)護箱中進行熱水養(yǎng)護，具體的養(yǎng)護方式如表1 所示。

表1 UHPC 養(yǎng)護制度

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱水養(yǎng)護條件下UHPC 的初始力學(xué)性能

硅灰摻量對UHPC 強度提高率的影響如圖1 所示。由圖1 和表2 可知，在熱水養(yǎng)護條件下，UHPC 初始抗壓和抗拉強度隨硅灰摻量的增加呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢。當(dāng)硅灰摻量由0 提升至15%時，初始抗壓和抗拉強度分別提升了24.69%和28.31%；當(dāng)硅灰摻量由15%提升至20%時，初始抗壓和抗拉強度仍有大幅提升，說明硅灰摻量在20%以內(nèi)時對UHPC 的強度有較大提高；當(dāng)硅灰摻量由20%提升至30%時，初始抗壓和抗拉強度基本不變，此時硅灰摻量增加對UHPC 的強度提升并不明顯。

圖1 硅灰摻量對UHPC 強度提高率的影響

表2 不同硅灰摻量UHPC 初始抗壓和抗拉強度與修復(fù)后抗壓和抗拉強度的對比

2.2 不同硅灰摻量的UHPC 在熱水養(yǎng)護下基本力學(xué)性能的自修復(fù)效果

將熱水養(yǎng)護的UHPC 試件加載至相應(yīng)極限荷載的30%作為預(yù)損傷試件，并重新進行熱水養(yǎng)護。在修復(fù)完成后再進行抗壓和抗拉試驗，并將試驗數(shù)據(jù)代入公式（1）求出各試件的強度修復(fù)率，具體的計算結(jié)果分別如表2所示。

硅灰摻量對UHPC 強度修復(fù)率的影響如圖2 所示。由圖2 和表2 可知，當(dāng)硅灰摻量從0 增加至15%時，UHPC 的抗壓強度修復(fù)率提升明顯，修復(fù)率從73.16%提升至98.13%；當(dāng)硅灰摻量從15%增加至20%時，UHPC 修復(fù)后抗壓強度開始超過初始抗壓強度，修復(fù)率提升至101.42%；當(dāng)硅灰摻量從20%增加至30%時，UHPC 修復(fù)后抗壓強度始終高于初始抗壓強度，修復(fù)率基本不變，保持在102%左右。

圖2 硅灰摻量對UHPC 強度修復(fù)率的影響

由表2 可以看出，當(dāng)硅灰摻量從0 增加至15%時，抗拉強度修復(fù)率從71.86%提升至87.85%，但隨著硅灰摻量的進一步增加，抗拉強度修復(fù)率基本不變，維持在85%左右。由圖2 可知，當(dāng)預(yù)損傷為極限荷載的30%時，隨著硅灰摻量的增加，UHPC 抗壓和抗拉強度修復(fù)率均呈現(xiàn)先提高后基本不變的特征，抗壓和抗拉強度修復(fù)率的峰值分別在硅灰摻量為20%和15%時取得，說明硅灰摻量過高時，對UHPC 自修復(fù)性能的提升效果不明顯。

2.3 相同硅灰摻量的UHPC 試件在不同養(yǎng)護制度下基本力學(xué)性能的自修復(fù)效果

分別對硅灰摻量為20%的UHPC 立方體和啞鈴型試件進行相應(yīng)30%極限荷載的預(yù)損傷，并將預(yù)損傷后的試件進行常溫水養(yǎng)和熱水—干熱養(yǎng)護，具體養(yǎng)護方式如表1 所示。測試相應(yīng)養(yǎng)護制度下UHPC 試件修復(fù)后的抗壓和抗拉強度，并與初始抗壓和抗拉強度進行對比分析，得到UHPC 試件在不同養(yǎng)護制度下的修復(fù)率。

由圖3 可知，常溫水養(yǎng)使得預(yù)損傷UHPC 的修復(fù)后抗壓強度為118.65MPa，僅為初始抗壓強度的74.38%；預(yù)損傷試件經(jīng)熱水養(yǎng)護后，抗壓強度恢復(fù)至161.79MPa，強度修復(fù)率達到了101.42%；預(yù)損傷試件經(jīng)熱水—干熱養(yǎng)護后抗壓強度恢復(fù)至166.71MPa，強度修復(fù)率達到了104.51%。不同養(yǎng)護制度修復(fù)后UHPC 試件的受壓破壞形態(tài)，如圖4 所示。

圖3 不同養(yǎng)護制度下UHPC 的修復(fù)后抗壓強度

圖4 不同養(yǎng)護制度修復(fù)后UHPC 試件的受壓破壞形態(tài)

由圖5 可知，常溫水養(yǎng)使得預(yù)損傷UHPC 的修復(fù)后抗拉強度為6.91MPa，強度修復(fù)率僅為72.81%；預(yù)損傷試件經(jīng)熱水養(yǎng)護后，其抗拉強度修復(fù)至8.28MPa，強度修復(fù)率達到了87.25%；預(yù)損傷試件經(jīng)熱水—干熱養(yǎng)護后，其修復(fù)后抗拉強度為8.15MPa，強度修復(fù)率達到了85.88%。不同養(yǎng)護制度修復(fù)后UHPC 試件的受拉破壞形態(tài)，如圖6 所示。

圖5 不同養(yǎng)護制度下UHPC 的修復(fù)后抗拉強度

圖6 不同養(yǎng)護制度修復(fù)后UHPC 試件的受拉破壞形態(tài)

高溫高濕環(huán)境可有效提高UHPC 的自修復(fù)性能，熱水養(yǎng)護和熱水—干熱養(yǎng)護使得UHPC 抗壓強度修復(fù)率達到了100%以上，抗拉強度修復(fù)率為86%左右。相比常溫水養(yǎng)，熱水養(yǎng)護使得UHPC 抗壓和抗拉強度修復(fù)率分別提高了27.04%和14.44%，熱水—干熱養(yǎng)護則使抗壓和抗拉強度修復(fù)率分別提高了30.13%和13.07%。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)硅灰摻量在20%以內(nèi)時，UHPC 的初始抗壓強度隨硅灰摻量的增加而提高，且硅灰摻量為20%的試件初始抗壓強度為159.52MPa，比未摻硅灰時提高了40.73%；當(dāng)硅灰摻量在25%以內(nèi)時，UHPC 的初始抗拉強度隨硅灰摻量的增加而提高，且硅灰摻量為25%的試件初始抗拉強度為9.65MPa，比未摻硅灰時提高了63.56%。

（2）當(dāng)硅灰摻量從0 增加至15%時，UHPC 的自修復(fù)性能提升明顯，抗壓和抗拉強度修復(fù)率分別提高了24.97%和15.99%；當(dāng)硅灰摻量高于20%后，強度修復(fù)率基本不變。

（3）高溫高濕環(huán)境可有效提高UHPC 的自修復(fù)性能。預(yù)損傷試件經(jīng)熱水養(yǎng)護后，抗壓和抗拉強度修復(fù)率分別為101.42%和87.25%；預(yù)損傷試件經(jīng)熱水—干熱養(yǎng)護后，抗壓和抗拉強度修復(fù)率分別為104.51%和85.88%。