021-59162252

新闻资讯

news

当前位置:首页 > 新闻资讯 > 新闻详情
UHPC的耐久性--微裂缝状态的渗透性与裂缝自愈能力
2019-09-17

在腐蚀性环境中,保证混凝土耐久性的必要条件之一是低渗透性。然而,混凝土结构难以完全避免开裂,裂缝会增大混凝土的渗透性。问题是:怎样的裂缝状态,不会显著地影响混凝土的渗透性?
C.W. Aldea等试验测试了裂缝的水泥净浆、砂浆、普通和高强混凝土渗透性[1]。试验用圆柱切割的圆板试件(Φ100x25或50mm),劈拉形成裂缝,控制裂缝张开量(COD,cracking opening displacement),卸载后测试裂缝试件的渗水速率。卸载后COD与渗透系数的关系见图1。无裂缝净浆、砂浆和普通混凝土,水渗透系数在10-11 m/s数量级,硅灰高强混凝土的水渗透系数在10-12 m/s数量级;裂缝张开量COD达到100μm,则所有材料的渗透系数均增大到10-10 m/s数量级。

J.P. Charron等用乙二醇和水测试裂缝的纤维增强UHPC渗透性[2]。先将长板试件切槽,单轴拉伸使切槽处产生裂缝,再在裂缝部位钻取圆板(Φ100x50mm)作为裂缝试件测试渗透性,主要试验结果见图2。从渗透系数可以看出,UHPC的残留应变达到0.13%以前,渗透系数以较小幅度增大,此后则快速增大。UHPC的残留应变在0.13%左右时,起始的渗透系数在10-11 m/s数量级(见图2b),与无裂缝普通混凝土(水灰比0.45)渗透性相当(对比图1)。因此,J.P. Charron等认为,保持良好抗渗性,UHPC的拉伸极限应变或阈值变形为0.13%。UHPC的0.13%变形,对应于COD=130μm(测试间距为100mm),与COD=100 μm的普通和高强混凝土(NSC/HSC)相比(图1),UHPC的起始水渗透系数要低一个数量级。这是因为:渗透性随裂缝宽度的三次方增大,纤维增强UHPC为多缝开裂,相同变形量(COD)状态的裂缝数量多,但裂缝宽度较小缘故。
裂缝UHPC的乙二醇渗透系数基本稳定,只有0.05%应变(COD=50μm)的渗透系数随测试时间延长逐步降低,可能是裂缝太细微,逐渐被沉积物堵塞的缘故(见图2a)。水的渗透系数则均随测试时间的延长而不断降低(见图2b)。水渗透性的降低,是因为裂缝逐渐愈合。拉伸变形不超过0.13%,UHPC的水渗透性在最初几天快速降低;经过40天,水渗透系数可以降低2~3个数量级[2],恢复到非常高的抗渗能力。

早在1836年,法国科学院就发现了混凝土裂缝的自愈合(autogenous healing)现象[3]。研究认为,裂缝自愈合有两种机理[3,4]:其一,未水化水泥与水反应,产物逐渐填充、胶结和封闭了裂缝;其二,水中溶解的Ca(HCO3)2或CO2与水泥水化产物Ca(OH)2反应产生CaCO3沉淀,以及其它沉淀物,慢慢堵塞了裂缝。两种机理也可能同时产生作用,降低裂缝的渗透性。H-W. Reinhardt等用水渗透试验研究不同温度(20~80oC)环境下,裂缝宽度为0.05~0.20mm高性能混凝土(HPC,93MPa)的渗透性和自愈能力[5]。结果显示:裂缝宽度为0.15mm的混凝土,在20 oC温度环境经过336小时(2周)渗水过程,渗水速率降低到初始速率的2%,相当于裂缝愈合到0.05mm宽度水平。裂缝宽度越小,环境温度越高,裂缝愈合越快。如果水压梯度达1MPa/m,宽度小于0.10mm且不再扩展的裂缝,会经过自愈合过程而封闭[5]。
UHPC具备更强的微裂缝自愈合能力。由于水胶比非常低,UHPC拌合水量仅能供部分水泥水化,绝大多数水泥颗粒的内部处于没有水化状态。因此,如果有水或水汽进入UHPC的裂缝,暴露在裂缝表面的水泥颗粒未水化部分就会“继续”水化。这时的水泥水化是与外部进入的水分反应,水化产物体积约是反应水泥熟料体积的两倍,多出来的体积能够填堵裂缝。从图3可以清晰地看到未水化水泥对微裂缝的这种封闭作用。

与沉淀物仅仅堵塞微裂缝不同,水泥“继续”水化不仅能够封闭微裂缝降低渗透性,同时还起“胶结”裂缝作用,在一定程度上恢复了混凝土因裂缝降低的力学性能。P. Pimienta等试验研究预先弯拉开裂的UHPC小梁,在腐蚀性环境中(干湿循环、氯盐和高温环境)的耐久性[6]。结果显示,裂缝UHPC小梁试件,在10%氯化钠溶液或60oC热水中持续浸泡3个月后,或经历60个干湿循环(每个循环18小时在20oC水中 + 6小时在60oC干燥空气中)后,重新加载的抗弯性能没有受到影响,表现出很好的连续性,见图4。对比图4中重新加载各条曲线的斜率,可以看出,热水、氯化钠溶液浸泡和经历干湿循环的试件,刚度(弹性模量)均高于在干燥空气(相对湿度50%)中存放试件。这种刚度的恢复,表明接触水的试件,裂缝有一定程度的“胶结”性愈合,提高了材料的连续性。

美国的一项试验 “Combined effect of structural and environmentalloading on cracked UHPC”(结构与环境荷载对有裂缝UHPC的复合作用)[7],将钢筋增强UHPC梁(150x380x4900mm)4点弯曲加载至开裂(梁下部出现29条宽度0.002~0.009mm裂缝),梁底面通过海绵接触15%浓度氯化钠溶液(环境荷载),然后循环加载(疲劳结构荷载)。该试验历时半年,加载循环达50万次,在结构荷载与环境荷载的复合作用下,沿裂缝出现氯化钠结晶析出(见图5),但对UHPC抗弯性能影响轻微,梁的抗弯结构响应并没有降低。半年的复合荷载试验结束后,再中心加载使梁弯曲破坏,结果发现:梁的静态破坏不是沿原先的裂缝,而是出现与扩展了一组新的裂缝[7]。这种现象表明,先前的微裂缝已经愈合。

上述两个试验,即腐蚀性环境对裂缝UHPC梁力学性能的影响,对于了解掌握有裂缝UHPC结构在高腐蚀环境中的耐久性非常有价值。但3个月和6个月试验周期相对较短,还需要开展周期更长、内容更丰富以及长期暴露的裂缝UHPC耐久性试验研究。
德国的试验研究认为,UHPC的临界开裂宽度为0.05mm。也就是说,裂缝宽度小于0.05mm,从耐久性方面(对内部钢材的防锈蚀保护方面)可认为UHPC处于良好状态[8]。
UHPC结构设计通常会将最大拉应力限制在弹性极限抗拉强度内,避免开裂。对于早期收缩受到强约束的场合,例如混凝土-UHPC或钢-UHPC复合结构等相互粘结的结构类型,新浇筑UHPC的收缩会受到混凝土或钢的较强约束,宜选用抗拉性能等级高的UHPC,确保早期收缩导致的开裂为多缝和微裂(裂缝宽度不超过0.05mm),避免损害抗渗性与耐久性。

< 返回上级
  • 021-59165809 (150-0193-2819)
  • 上海市闵行区申昆路1899号
  • contact@fodev.com