硫酸鹽環境作用下UHPC的性能研究

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.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034；3.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

0 引言

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，國際學者們展開了UHPC的理論研究與實踐應用。Dugat J等[1]進行了UC200和UC800的應力-應變曲線、泊松比、彈性模量、斷裂能等力學性能試驗。何峰和黃政宇[2-3]提出了UHPC原材料及配合比設計參數的選擇建議和現有UHPC配合比設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構、橋梁局部修補加固、橋梁結構防護等方面具有廣闊的應用前景。中鐵大橋科學研究院有限公司自主研發的UHPC已經成功應用于太原攝樂橋、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，成功應用于宜城漢江大橋濕接縫修補中。

目前，國內UHPC的應用正在如火如荼的進行，應用環境也不斷向海洋、鹽堿、嚴寒的等極端環境發展。關于UHPC的力學性能和耐久性能研究主要是在常規單因素條件下進行，而對多因素共同作用的極端條件下的研究較少。在現實環境中，往往是多重侵蝕因素共同存在的，研究多因素下UHPC的性能發展規律可以為UHPC的實踐應用提供技術支持。本文對硫酸鹽環境作用下的UHPC浸泡養護試驗、凍融循環試驗、干濕循環試驗、凍融-干濕循環耦合試驗進行研究。

1 試驗

1.1 原材料

（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，HX120型，由礦物摻合料、高效減水劑以及其他功能助劑預混制成，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成分如表1所示。

表1 水泥和核心料的主要化學成分 %

（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的質量比配合使用，混合后石英砂的細度模數為2.2。

（4）鋼纖維：山東某公司的鍍銅鋼纖維，規格為Ф0.2 mm×13 mm，抗拉強度2800 MPa，形狀合格率98%。

（5）水：自來水。

1.2 試驗配合比

何峰和黃政宇[3]在廣泛收集行業內UHPC配制試驗數據的基礎上，探討了UHPC原材料和配合比設計參數的選擇。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；（3）礦物摻合料的摻量應控制在膠凝材料質量的25%～35%；（4）石英粉摻量宜為水泥質量的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進行硫酸鹽環境作用下UHPC耐久性試驗，對應空白組養護條件為標準養護。由于石英粉在標準養護下的UHPC中主要是發揮微集料填充效應，在90℃左右的蒸汽或熱水養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

2 試驗方法及結果分析

2.1 環境模擬

我國西北地區分布著大小上千個鹽湖，其中，新疆有102個、青海有33個、內蒙古有370多個、西藏有220多個。鹽湖的礦化度一般為300g/L左右，含鹽量高且成分復雜，大多屬于Na+、K+、Mg2+、SO42-、Cl-體系。受鹽湖和氣候環境（氣候干旱、蒸發強烈、地勢低洼、含鹽地下水離地表近）的影響，我國新疆、青海、內蒙古、甘肅等地區的土壤類別屬內陸鹽土。內陸鹽土的土壤pH值大都在8.0～9.5。土壤中SO42-的含量最高達到土壤質量的1.43%，Cl-的含量最高達0.82%，Mg2+的含量高達0.62%[12]。

在鹽堿環境中，普通混凝土結構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重銹蝕，導致混凝土保護層剝落，承載能力下降，影響結構安全和壽命。本文研究UHPC在硫酸鹽環境作用下的性能發展規律，模擬試驗環境采用質量濃度為5%的硫酸鈉溶液，所用化學試劑均為分析純，對應SO42-濃度約為33 800 mg/L。在GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》中對應化學腐蝕環境作用等級為V-E（非常嚴重）。

2.2 浸泡養護試驗

采用100 mm×100 mm×100 mm試件，將試件置于標準養護室養護至1、3、7 d后進行硫酸鹽溶液浸泡養護試驗。溶液養護試驗采用帶蓋試驗容器并置于（20±2）℃試驗環境中。試件養護至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（試驗組與標準養護的空白組抗壓強度的比值，下文簡稱耐蝕系數）。抗壓強度和耐蝕系數變化規律分別見圖1、圖2。

由圖1可知：UC120的1 d標養抗壓強度高達85.2 MPa，達到設計抗壓強度的71%；7 d標養抗壓強度為122.1 MPa，已滿足設計抗壓強度要求，因此耐久性試驗從7 d齡期開始進行；28 d標養抗壓強度為143.1 MPa，富余系數達到1.19；隨著標養時間繼續延長，28d后抗壓強度基本保持穩定。UC120試件標養1、3、7 d后進行硫酸鹽溶液浸泡養護試驗，浸泡養護的試件在28 d齡期抗壓強度耐蝕系數分別為96.9%、96.1%、96.6%，各齡期耐蝕系數都大于94%。養護試驗對試件初期強度發展略有影響，隨著養護時間延長，后期耐蝕系數接近甚至超過100%。

圖1 UC120的抗壓強度變化規律

圖2 UC120的硫酸鹽養護耐蝕系數變化規律

混凝土的硫酸鹽侵蝕受外界環境條件和混凝土自身性能的影響，是一個長期而復雜的物理化學作用過程，按其作用機理可以分為物理結晶和化學結晶2種[13]。物理結晶會產生結晶膨脹壓力使混凝土表面出現疏松、粉化、剝落等破壞并向內部擴展。化學結晶會生成具有膨脹性的侵蝕產物石膏（CaSO4·2H2O）或鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O），在混凝土內部產生內應力；當其內應力超過混凝土的抗拉強度時，使混凝土脹裂，發生破壞。

UC120試件的硫酸鹽溶液浸泡養護試驗是在恒溫、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過程，因此沒有物理結晶的作用，僅有少量硫酸鹽吸附在試件表面；此外，UHPC表面和內部結構致密，具有極高的抗滲等級[14]，硫酸鹽溶液很難滲入到UHPC內部，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物。UHPC在硫酸鹽溶液的長期浸泡養護條件下表現出很好的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2.3 凍融循環試驗

參照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法，采用100mm×100mm×100 mm和100 mm×100mm×400 mm試件，將試件置于標準養護室養護至7 d后開始試驗，試驗環境分為空氣（不加任何溶液）、清水、硫酸鹽溶液，測試1000個循環。因UHPC性能優異，每100個循環測試1次動彈性模量和質量，計算相對動彈性模量和質量損失率；每200個循環測試1次抗壓強度，計算抗壓強度耐蝕系數。結果如圖3所示。

圖3 UC120的硫酸鹽凍融循環試驗

由圖3可知，UC120試件在空氣、清水、硫酸鹽溶液凍融循環作用下抗壓強度耐蝕系數逐漸減小，相對動彈性模量呈增大趨勢，質量有少許增加。經過1000次凍融循環后，UC120試件在3種環境中耐蝕系數分別降至85.2%、86.0%、86.8%，相對動彈性模量分別增至105.7%、106.5%、105.8%，不同環境中的變化趨勢基本相同；質量損失率分別為-0.09%、-0.07%、-0.10%。試件表面完好，無破損。

混凝土在飽水狀態下受凍融循環作用時，孔隙水在結冰和融化過程中會產生體積膨脹和收縮，從而在混凝土內部形成交變作用的應力，混凝土在這種內應力的長期作用下會出現微裂縫，進而形成結構損傷，最終導致剝蝕破壞[15]。GB/T 50476—2019中對設計使用壽命100年的混凝土結構抗凍耐久性指數的要求是DF300≥80%，即經過300次凍融循環后混凝土的相對動彈性模量≥80%。

在不同環境的凍融循環作用下，UC120基體會出現微裂縫，進而形成結構損傷，基體的持續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，雖然其強度已經達到設計強度要求，但其內部仍存在大量的未水化水泥顆粒[16]，在凍融循環過程中仍能持續水化；在硫酸鹽溶液中還存在侵蝕性產物和硫酸鹽晶體填充混凝土內部的孔隙和微裂縫，這些因素都能提高UC120試件的密實度，因此，UC120試件的質量有少許增加。對同一試件，當質量和尺寸一定（未發生嚴重剝落）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。硫酸鹽凍融循環試驗結果表明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。

2.4 干濕循環試驗

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，將試件置于標準養護室養護至7 d后開始試驗，測試150個循環。每30個循環測試1次動彈性模量、質量、抗壓強度，計算相對動彈性模量、質量損失率、抗壓強度耐蝕系數，結果如表3所示。

表3 硫酸鹽干濕循環作用下UHPC的性能變化規律

由表3可知，UC120試件在硫酸鹽干濕循環作用下抗壓強度耐蝕系數先增大后減小，在30次干濕循環時達到最大；相對動彈性模量逐漸增大，在60次干濕循環后趨于穩定；質量略有損失。經過150次干濕循環后，UC120試件的耐蝕系數降至95.0%，相對動彈性模量增至109.7%，質量損失率為0.66%。

混凝土的硫酸鹽干濕循環作用會產生結晶應力損傷和內部侵蝕，加速混凝土的劣化。在干濕循環過程中，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，而鹽分會殘留下來并產生結晶，結晶應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部深入提供了通道，從而形成惡性循環。在干濕循環的反復作用下，結構損傷也由表層向內部發展，最終導致結構破壞[17]。相關研究表明：干濕循環引起的性能劣化速率要遠高于長期浸泡養護引起的性能劣化速率。GB/T 50476—2019中對設計使用壽命100年的混凝土結構抗硫酸鹽結晶等級要求是≥KS150，即經過150次干濕循環后混凝土的抗壓強度耐蝕系數≥75%。

UC120試件在前30次干濕循環過程中，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，使混凝土結構更加密室，因此混凝土抗壓強度呈緩慢上升趨勢。此外，干濕循環過程中產生的鹽結晶和侵蝕性產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部滲透。在這一階段，高溫促進作用占主導地位。前30次干濕循環過程中的質量損失主要是由于混凝土試件表面和內部水分蒸發造成的。隨著干濕循環次數的增加，水化反應程度逐漸提高，水化反應基本結束，對強度貢獻很小。此時，在持續生成的鹽結晶和侵蝕性產物的應力作用下，混凝土表層會產生微裂縫并不斷加深，當膨脹應力大于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次干濕循環后趨于穩定。硫酸鹽干濕循環試驗結果表明，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。

2.5 凍融-干濕循環耦合試驗

采用100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm試件，將試件置于標準養護室養護至7 d后進行硫酸鹽溶液凍融-干濕循環耦合試驗。為減少高溫作用對UC120性能的影響，先進行凍融循環再進行干濕循環，凍融循環100次，干濕循環30次作為1個大循環，進行4個大循環。每100次凍融或30次干濕循環后測試1次動彈性模量和質量，每個大循環后測試1次抗壓強度，計算相對動彈性模量和質量損失率、抗壓強度耐蝕系數，結果如表4所示。

表4 硫酸鹽凍融-干濕循環耦合作用下UHPC性能發展規律

由表4可知，UC120試件在硫酸鹽凍融-干濕循環耦合作用下抗壓強度耐蝕系數先增大后減小，在1個大循環時達到最大；相對動彈性模量逐漸增大，在1個大循環后趨于穩定；質量略有損失。經過4個大循環后，UC120試件的耐蝕系數降至98.7%，相對動彈性模量增至110.4%，質量損失率達到0.47%。

混凝土的凍融循環作用會引起混凝土的凍脹開裂和表面剝蝕，而干濕循環作用則會產生結晶應力損傷和內部侵蝕。因此，混凝土在凍融-干濕循環交替作用下會產生凍脹損傷、結晶應力損傷和侵蝕產物膨脹損傷，混凝土在多重耦合作用下的劣化速率要遠高于單一因素下的劣化速率。

混凝土在第1次大循環時，干濕循環作用中的高溫促進作用占主導地位，因此UC120試件經過1次大循環后抗壓強度耐蝕系數均有大幅度增加，其機理與2.4節相同。在之后的大循環中，水化反應程度逐漸提高，水化反應基本結束，高溫促進作用逐漸減弱，凍脹損傷、結晶應力損傷和侵蝕產物膨脹損傷占據主導地位，而UC120試件中鋼纖維的阻裂作用會分擔部分由凍脹、結晶、侵蝕產物膨脹引起的應力，并能緩解混凝土內部損傷位置的應力集中現象，從而有效地減少了凍融循-干濕循環耦合作用下的裂縫產生，因此UC120試件的相對動彈性模量和質量損失率并沒有出現明顯劣化。但是在硫酸鹽凍融-干濕循環長期耦合作用下，UC120試件的鋼纖維阻裂作用會逐漸削弱，當鋼纖維阻裂作用難以抵消凍脹、結晶、侵蝕產物膨脹引起的應力時，混凝土開始劣化，其外在表現為抗壓強度耐蝕系數的降低。硫酸鹽凍融-干濕循環耦合試驗結果表明UHPC在硫酸鹽、低溫、高溫共同作用下整體性能未發生明顯劣化，表現出較好的抗硫酸鹽侵蝕性能。

3 結論

（1）UC120配合比1 d標養強度高達85.2 MPa，達到設計強度的71%；7 d標養強度為122.1 MPa，已滿足設計強度要求；28 d標養強度為143.1 MPa，強度富余系數達到1.19；隨著標養時間繼續延長，28 d后強度基本保持穩定。

（2）UHPC標養1、3、7 d后進行硫酸鹽溶液浸泡養護的試件在28 d齡期的抗壓強度耐蝕系數均大于95%，后期各齡期耐蝕系數都大于94%。浸泡養護試件表面有少量硫酸鹽吸附，并無腐蝕生銹現象。UHPC在硫酸鹽溶液的長期浸泡養護條件下表現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作用下抗壓強度耐蝕系數逐漸減小，相對動彈性模量呈增大趨勢，質量有少許增加。經過1000次凍融循環后，耐蝕系數均大于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在硫酸鹽干濕循環作用下抗壓強度耐蝕系數先增大后減小，在30次干濕循環時達到最大；相對動彈性模量逐漸增大，在60次干濕循環后趨于穩定；質量略有損失。經過150次干濕循環后，耐蝕系數降至95.0%，相對動彈性模量增至109.7%，質量損失率達到0.66%。試驗結果表明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-干濕循環耦合作用下抗壓強度耐蝕系數先增大后減小，在1個大循環時達到最大；相對動彈性模量逐漸增大，在1個大循環后趨于穩定；質量略有損失。經過4個大循環后，耐蝕系數降至98.7%，相對動彈性模量增至110.4%，質量損失率達到0.47%。試驗結果表明UHPC在硫酸鹽、低溫、高溫共同作用下整體性能未發生明顯劣化，表現出較好的抗硫酸鹽侵蝕性能。