氯離子干濕循環對UHPC受彎構件性能的影響

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.中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044

隨著高強度預應力體系不斷發展，橋梁結構朝著輕質高強方向發展，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粒聚密材料與纖維增強技術相結合的高技術水泥基復合材料，其拉壓強度超高，韌性明顯，耐久性能極好［2-4］，可實現鐵路橋梁結構輕型化，減小下部結構建設成本。我國有多條線路跨越海洋，橋梁結構不可避免地受氯離子的侵蝕作用，還可能遭遇干濕循環，因此有必要對UHPC構件在氯離子干濕循環作用下的性能進行研究。

李永強等［5］發現干濕循環能加快普通混凝土結構中氯離子的擴散速度，增加氯離子滲透深度和濃度，且水膠比越大干濕循環作用影響效果越明顯。左國望、聶紅宇［6-7］對不同寬度預制裂縫的普通混凝土梁進行氯離子溶液干濕循環試驗，發現裂縫促進了氯離子的擴散。張弈［8］研究了橫向裂縫影響氯離子運輸模型，認為裂縫寬度是影響氯離子在混凝土中傳輸的重要因素。楊盛等［9］研究發現裂縫尺寸越大，氯離子擴散速度越大。Peng［10］發現NaCl溶液濃度越高，浸泡60 d或90 d后混凝土抗壓強度越強，裂縫深度對混凝土抗壓強度的影響最大，長度次之，裂縫寬度的影響最小。龐森等［11］研究發現不同程度初始損傷鋼筋混凝土梁經歷120次海水干濕循環后，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，對于正常使用狀態下帶裂縫的混凝土構件，氯離子的侵蝕和干濕循環作用均會對構件的性能產生不良影響。對于帶裂縫的UHPC構件，相關研究還十分缺乏。本文通過預裂加載使UHPC受彎構件產生裂縫，進行氯離子干濕循環和承載力試驗，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作用下的梁體力學性能、氯離子滲透程度的變化情況及變化機理。

1 試驗方案

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的細圓形短鋼纖維，其抗拉強度為2 800 MPa，體積摻量為2%。

試驗構件為1 000 mm×150 mm×100 mm的矩形截面梁，共制作13個鋼筋UHPC梁試件。梁體結構及配筋見圖1。振搗成型1 d后拆模，放入蒸養箱，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72 h。降溫步驟與升溫相反，降至室溫后放入恒溫恒濕實驗室內養護28 d。同時，制作3個100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊，28 d蒸養養護后測得試塊抗壓強度為131.95 MPa。

圖1 梁體結構及配筋（單位：mm）

1.2 試驗過程

采用30 t液壓千斤頂進行加載。施加預裂荷載和測試力學性能時對構件進行三分點加載，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。根據試驗工況將13個試件分為3組。L-1組（3個試件）：直接進行彎曲加載破壞，獲得無損梁的力學性能，作為帶裂縫鋼筋UHPC梁的對照組；L-2組（5個試件）：預制裂縫+氯離子干濕循環15次+加載破壞；L-3組（5個試件）：預制裂縫+氯離子干濕循環30次+加載破壞。

圖2 構件加載示意（單位：mm）

對于L-2組和L-3組構件，試驗步驟如下。

1）預制裂縫。對構件進行彎曲預裂加載，至梁上有多條裂紋且受拉鋼筋重心水平處構件側表面的混凝土最大裂縫寬度達到0.08~0.12 mm時停止加載。此時的荷載記為最大預裂荷載，用精度0.02 mm的裂縫觀測儀測量裂縫寬度，記錄裂縫條數，而后卸載。

2）錨固加載，再次打開裂縫。用自制錨具錨固梁體，通過旋轉螺桿兩端的螺母對梁體進行加載，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。將構件放入含5.0%（質量分數）NaCl溶液的試驗箱中進行干濕循環試驗。48 h為1個循環（浸泡24 h后干燥24 h）。

4）加載破壞。干濕循環試驗結束后，將構件置于干燥處晾干2 d后進行彎曲承載力試驗，逐級加載至破壞。破壞時記錄極限荷載，測量裂縫寬度及條數、梁體跨中撓度。

L-1組僅進行步驟4中的加載破壞試驗。

1.3 氯離子含量數據采集

構件破壞后，采用鉆頭直徑8 mm的手持式電鉆進行鉆孔取粉。選取每根梁側面主裂縫以及主裂縫兩側20、40 mm位置共5個斷面，每個斷面取4個測點，如圖4所示。鉆取各測點混凝土表層粉體以及裂縫處混凝土內部距表層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 鉆孔取粉測點位置（單位：mm）

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

試驗測得的構件力學性能及氯離子含量見表1。其中，Wmax為梁體被錨固后、干濕循環前測得的裂縫寬度最大值。可知：

表1 構件力學性能及氯離子含量

1）氯離子干濕循環后，L-2組和L-3組構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60%。這說明干濕循環后鋼筋UHPC梁抗裂性能有所提升。但是，構件L-2-5的開裂荷載大幅降低，這是因為該構件預裂時裂縫最大寬度達0.41 mm，超過0.35 mm，干濕循環無法起到修復作用，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組破壞時的跨中撓度平均值分別為2.74、3.02 mm，比L-1組破壞時的跨中撓度平均值（3.43 mm）分別減小了20.12%和11.95%。可見，經過預裂加載和干濕循環試驗后，鋼筋UHPC梁剛度提升，破壞時的變形降低。此外，經過15次氯離子干濕循環的L-2組破壞時的變形小于經過30次氯離子干濕循環的L-3組，說明梁體剛度的提升和干濕循環時間有關，干濕循環時間較長會使剛度有一定程度降低。

3組梁中典型構件的最終破壞裂縫形態見圖5。可知：與沒有預制裂縫的L-1組相比，破壞時L-2組的裂縫更多、更小、更密，而L-3組與L-1組差別不大。這說明干濕循環作用一定程度上可以使裂縫愈合，但干濕循環次數較多時愈合作用會降低。

圖5 典型構件的最終破壞裂縫形態

2.2 氯離子含量

混凝土表層裂縫及兩側氯離子含量見圖6。可知：對于L-2和L-3組不同裂縫寬度的構件，裂縫處氯離子含量均最大，且距裂縫越遠氯離子含量越低，距裂縫20 mm以上時氯離子含量趨于穩定；氯離子在裂縫處沿梁體縱向擴散范圍與裂縫寬度無關。水膠比為0.42的普通混凝土構件經過45個干濕循環后影響范圍為30~50 mm［6］，大于UHPC梁裂縫兩側氯離子的擴散范圍。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散作用。

圖6 混凝土表層裂縫及兩側氯離子含量

裂縫處氯離子含量沿深度的變化曲線見圖7。可知：①深度越大，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定。②Wmax小于0.15 mm時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時氯離子含量有一定增長，Wmax大于0.25 mm時氯離子含量有明顯增長。這是因為UHPC具有致密性，且裂縫是通過加載得到的，形狀不規則，裂縫寬度較小時氯離子難以沿裂縫擴散，而裂縫寬度較大時氯離子擴散順暢，氯離子含量明顯提高。文獻［6］中兩組普通混凝土構件在干濕循環后分別在30~35 mm和25~30 mm深度處趨于穩定。可見，UHPC氯離子向裂縫深處的擴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，經過氯離子干濕循環試驗，鋼筋UHPC梁的抗裂性、承載力和剛度都得到提升。究其原因，這可能是因為配制UHPC時采用了超低水膠比，水泥顆粒未能充分水化，當UHPC梁浸泡在氯離子溶液中時發生了再次水化，修補了預制裂縫，提高了UHPC梁承載能力。為了驗證干濕循環過程中UHPC是否發生了再水化，進一步探究干濕循環對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結合水進行測試，研究其水化程度差異。

3 結合水含量與承載力變化機理

利用電鉆對梁體表層進行取粉。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、主裂縫兩側取樣1份，共18份。樣品過0.25 mm篩后裝袋封閉。測量結合水含量時，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，測量得到樣品質量m2，根據UHPC配合比，此時樣品中膠凝材料的質量m3=（906/2 498）m2，總膠凝材料中礦物摻合料的占比β=200/906=0.221。

結合文獻［12-13］中的方法計算粉樣中的化學結合水含量w，計算式為

計算可知，L-1組梁體頂部混凝土結合水含量平均值為9.57%，L-2組梁體頂部、裂縫兩側混凝土結合水含量平均值為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%。可見，鋼筋UHPC梁發生了再水化反應，并且裂縫周邊比頂部混凝土發生的再水化反應更多，從而影響了梁體的承載力。

預裂加載使構件受到損傷，再水化表現為修復作用。一方面，預裂加載使構件產生了裂縫和變形，這對構件的耐久性等工作性能產生一定影響，不利于結構繼續承載。另一方面，由于裂縫的存在，氯離子干濕循環時，水可以通過裂縫進入構件內部，與未水化的水泥顆粒發生再水化反應，將裂縫填滿，增強了構件的致密性。由于構件浸泡在溶液中的時間較短，未發生過多再水化反應，不會產生過多的產物破壞構件，且鋼筋未銹蝕，因此，再水化反應使構件的極限承載力得到提升。

4 結論

1）帶裂縫的鋼筋UHPC梁經過適當時間的氯離子干濕循環后，UHPC材料內部發生了再水化，提高了材料性能，構件的抗裂性、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散范圍與裂縫寬度無關。

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散范圍及向裂縫深處的擴散范圍均低于普通混凝土。帶裂縫的UHPC構件具有優良的抗氯離子滲透性能。

5）鋼筋UHPC構件的初始裂縫寬度較小時，再水化作用可使初始裂縫基本愈合，承載力提升；當最大初始裂縫寬度超過0.35 mm時，再水化作用無法修復裂縫。