盐冻环境下UHPC材料耐久性能试验研究

Experimental study on durability of UHPC materials in salt-freezing environment

摘要

超高性能混凝土（UHPC）由于力学性能优异，在桥梁、隧道、建筑结构等工程领域被广泛使用。为了研究氯化钠溶液冻融环境下，UHPC材料力学性能变化规律，通过快速冻融法对盐冻环境下UHPC试件的力学性能进行试验研究，对比分析了盐冻循环0、25、50次后UHPC试件的外观损伤、质量损失率、动弹性模量和抗折强度的变化规律。试验结果表明：UHPC试件通过25次和50次盐冻循环作用后，其外观、质量、动弹性模量和抗折强度等性能参数基本没变化，可见盐冻循环次数较少情况下，氯盐冻融腐蚀环境对UHPC混凝土的耐久性影响微乎其微，验证了UHPC材料具有优异的抗冻性能。

Abstract

Ultra-high performance concrete (UHPC) is widely used in bridge, tunnel, building structure and other engineering fields because of its excellent mechanical properties. In order to study the changes of mechanical properties of UHPC materials under freeze-thaw environment of sodium chloride solution, the mechanical properties of UHPC specimens under salt-freezing environment were tested by rapid freeze-thaw method, and the changes of appearance damage, mass loss rate, dynamic elastic modulus and bending strength of UHPC specimens after 0, 25 and 50 salt-freezing cycles were compared and analyzed. The test results show that: After 25 and 50 salt-freezing cycles, performance parameters such as the appearance, quality, dynamic elastic modulus and flexural strength of UHPC samples remained basically unchanged. It can be seen that the chlorine salt freeze-thawing corrosion environment has little influence on the durability of UHPC concrete with fewer salt-freezing cycles, which verifies that UHPC materials have excellent anti-freezing properties.

Graphical abstract

关键词

UHPC / 盐冻循环 / 抗折强度 / 弹性模量

Key words

UHPC / salt-freezing cycle / flexural strength / modulus of elasticity

超高性能混凝土(UHPC)是一种高强度、高韧性、高耐久性的特种工程材料，在国防工程、海洋工程、核工业、特种保安和防护工程以及市政工程领域有良好的应用前景，如图1所示。

近年来，国内的许多学者对UHPC进行大量的研究，并取得了较多的研究成果。王德辉等^[1]对UHPC在中国的研究和应用进行了综述。胡翱翔等^[2]基于最大堆积密度理论，研究UHPC的配合比设计方法，根据单一变量试配试验确定砂胶质量比、水胶质量比和纤维体积分数，综合考虑抗压强度和工作性能两个因素确定最佳配合比。孙世国等^[3]阐述了UHPC的配制技术、力学性能和耐久性。黄祥等^[4]对UHPC的制备技术、生产工艺、材料性能及工程应用概况进行了综述。赵金侠等^[5]探讨了不同制备工艺和制备设备对UHPC工作性能和抗压性能的影响，在此基础上，给出UHPC的制备方法的建议。黄杰等^[6]通过试验研究了不同养护制度对UHPC不同时间的抗压强度发展的影响，并分析了不同养护制度的实质和作用。闫荥伟^[7]阐述了UHPC具体的制备过程，分析养护工艺对UHPC的抗折强度和抗压强度产生的影响，确定最合理的配合比。李玲等^[8]对UHPC国内外研究和应用情况进行了综述，指出了我国在研究和应用UHPC过程中存在的问题与不足。钟蕴为等^[9]基于国内外现有研究，从准静态力学性能、动态力学性能、黏结性能、耐久性4个方面对UHPC基本性能的研究成果进行了综述，也对UHPC未来的研究方向进行了展望。李检保等^[10]首先对UHPC材料制备、力学性能、耐久性能等方面的研究进展进行了介绍；然后对UHPC在国内外土木工程中的应用现状进行了总结，最后从材料制备、养护方法和应用研究等方面分析了UHPC的未来发展方向。王晖^[11]总结了UHPC在理论研究和实际应用方面取得的成果，并提出了促进UHPC大规模应用急需解决的问题。Mehta等^[12]结合工程经验，提出高性能混凝土水泥和骨料的最佳体积比为35∶65，即在此体积比下，高性能混凝土的施工和易性及强度性能表现最佳。Tazawa等^[13]通过试验研究测定出影响高性能混凝土的自收缩因素主要为水胶比、掺合料种类、减水剂、养护温度和试件尺寸等。Tazawa等^[14]的研究表明，水泥的种类也直接影响到混凝土的自收缩强度，水泥细度、C3A的含量都与自收缩程度成正比，低热和中热水泥较高热水泥自收缩强度更小。Bernard等^[15]通过一系列试验，研究了水胶比和硅灰掺量对密封和非密封条件下的水化速率、刚度发展、化学收缩和外部收缩的影响。Sun等^[16]综述了利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞仪(MIP)、能谱仪(EDS)和热分析等手段，研究了UHPC的微观结构，试验结果证明了UHPC中过渡区较小，表明水泥浆体与骨料之间有较强的黏结，内部结构非常致密。目前国内外对于UHPC材料的耐久性研究较少，文献研究主要是关于UHPC配合比制备和生产，对于UHPC在盐冻环境下的耐久性能、动弹性模量、质量损失和基本力学性能研究资料较少，研究成果不明显。

2020年，UHPC在鄂尔多斯市百康桥进行了首次成功应用，如图2所示，这也是内蒙古地区的首次应用。在内蒙古地区服役的水泥混凝土路面，常年遭受冻融循环及车辆荷载的综合作用，尤其在冰雪天气，除冰盐的使用致使路面材料遭受盐冻循环作用，另外氯盐中存有大量的有害氯离子，若此时水泥混凝土路面存在较宽的裂缝，氯离子便可通过裂缝聚集并渗透，与钢筋发生化学反应导致钢筋锈蚀，同时氯盐渗入水泥路面中产生盐涨现象，导致桥梁结构被严重破坏。综上，研究UHPC材料在盐冻环境下的耐久性能十分必要。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验选用普通硅酸盐P.O 42.5R水泥，其物理性能见表1。试验骨料是鄂尔多斯市生产的天然砂（筛分成1.18~<0.6、0.6~<0.3、0.3~<0.15 mm三种粒径范围）；矿物掺合料分别为硅灰和粉煤灰，粉煤灰的掺量一般少于20%，可以提高混凝土的抗渗透性，硅灰与粉煤灰具有相似的火山灰性质，但是，由于硅灰粒径小、反应性高，可提高抗渗性和耐海水侵蚀性等，硅灰的掺量一般在5%~20%之间；试验采用的减水剂种类为聚羧酸系高效减水剂，减水率为35%。试验所采用的钢纤维是由玉田县致泰钢纤维制造有限公司所生产的尺寸为0.22 mm×13 mm、强度为2 800 MPa的镀铜钢纤维。试验UHPC配合比见表2。

1.2 试件制备

采用100 mm×100 mm×400 mm模具，相关材料按配合比称量，按照步骤将所需材料放置行星搅拌机中搅拌，再将材料放置涂过脱模剂的模具中，将模具放置电动振实台上振动，使其密实，置于标准养护室内静置约24 h后拆模，然后进行养护。图3和图4为试件脱模后准备养护图片。

本文主要研究盐冻循环下UHPC材料的力学性能及质量损失等指标。试验的盐冻循环次数分别设置为0、25、50次，测试指标为动弹性模量、质量损失率和抗折强度。

2 试验方案

2.1 盐冻试验方案

冻融试验采用盐水为冻融介质，试验参数根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)^[17]确定，具体操作步骤如下：

1) 进行冻融循环试验前，UHPC试件均放置于构件冻融试验机中的不锈钢桶（如图5、图6所示），试验溶液采用质量分数为3.5%的NaCl溶液。

2) 冻融循环过程中，将UHPC试件放入不锈钢桶，保持桶内盐溶液高度至少超过UHPC试件表面1~2 cm，直至冻融循环结束。

3) 根据快速冻融试验要求，试件中心最低和最高温度分别控制在(-17±2) ℃和(8±2) ℃内，每次冻融循环应在2~4 h内完成。

4) 盐冻循环试验完成后，将每组UHPC试件取出，进行外观检测和力学性能试验。

2.2 质量损失率试验

UHPC试件脱模后，使用高精度电子秤称量每组试件的质量，记为盐冻循环前质量；待UHPC盐冻循环次数达到要求后，再将100 mm×100 mm×400 mm的UHPC试件从冻融机中取出，擦去表面水渍后，使用高精度电子秤称量该盐冻循环次数下的试件质量，记为盐冻循环后的质量，分析计算UHPC试件在盐冻后的质量损失率，从而评估试件的耐久性能。

2.3 动弹性模量试验

动弹性模量是反映材料在动荷载作用下的抵抗弹性变形的能力，其与材料自身的内部结构密切相关，当混凝土遭受损伤时，其内部结构损伤可以通过动弹性模量来表征，本文采用相对动弹性模量的变化来表征UHPC在盐冻作用下的劣化规律。

本试验试块动弹性模量的测定采用E-Meter Mk II共振频率测定仪测试（如图7），测试样品尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，试块从冻融箱取出后，将表面多余水擦掉，放在试验装置上进行动弹性模量的测定，数据见表3。弹性模量试验试件共有4组，每组3个试件，共12个试件，最后取每组的平均值进行规律分析。

2.4 抗折试验

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)^[18]中抗折强度试验要求，对100 mm×100 mm×400 mm的UHPC试块进行不同冻融循环次数下的抗折强度测试，采用100 kN万能伺服试验机进行加载，试验装置如图8所示。

根据抗折强度计算公式[式(1)]计算其抗折强度。抗折强度试验共有4组，每组有3个试件，共12个试件，每组取其抗折强度的平均值。

f_{\mathrm{r}}=\frac{FL}{b{h}^{\mathrm{2}}}(1)

式中：f_{\mathrm{r}}为混凝土抗折强度，MPa，计算结果应精确至0.1 MPa；F为试件破坏荷载，N；L为支座间跨度，mm；b为试件截面宽度，mm；h为试件截面高度，mm。

3 试验结果与分析

3.1 盐冻后UHPC表观形态

在盐冻循环前，UHPC的表观形态光滑，没有明显裂缝和变形，经历25次和50次盐冻循环作用之后，UHPC试件表观形态未发生变化，没有表面浆体材料和骨料脱落，如图9所示。

3.2 质量损失率

根据普通混凝土盐冻文献研究结果可知，由于盐冻循环作用，试件会出现质量变化，这种变化可以分为两个方面：一是试样表面的浆体和骨料会脱落，导致试样的质量减轻；二是冻融试验也会导致试样的质量增加，随着冻融次数的不断增加，试件内部的微裂纹也会变得越来越多，并且体积也会不断变大。然而根据表3数据分析可知，UHPC试件经过25次和50次盐冻循环后，质量损失率未变化，这与普通混凝土盐冻后的情况不同，说明在盐冻次数较少的情况下，UHPC抗盐冻性能良好，后续需要再进行更多循环次数的深入研究。

3.3 动弹性模量

由表4和图10分析可知，UHPC材料在不同盐冻循环次数下的弹性模量有微小降低。UHPC试件在盐冻前的弹性模量为47.0 GPa，盐冻循环25次后的弹性模量为46.7 GPa，相比盐冻前减少了0.3 GPa；盐冻循环50次后的弹性模量为46.9 GPa，相比盐冻前减少了0.1 GPa。参考混凝土盐冻后弹性模量变化机理，推断UHPC在盐冻循环后表面也会有少量的微裂缝，氯离子会渗入到表层，从而导致其表面材料有劣化趋势，全过程的变化需要深入研究材料经历300次以上盐冻循环作用后的性能变化规律。

3.4 抗折强度试验结果

由表4和图11中数据可知，在不同盐冻循环次数下UHPC的抗折强度也存在差异。在盐冻循环0次时，UHPC材料的抗折强度为24.0 MPa；在盐冻循环25次时，UHPC材料的抗折强度为24.5 MPa；在盐冻循环50次时，UHPC材料的抗折强度为26.2 MPa。分析可知，本批UHPC试件在50次盐冻循环次数内，材料的抗折强度略有增大趋势。参考其他文献研究结果分析，可能原因是这批试件前期水化不完全，在冻融循环条件下其内部水化反应仍在继续，导致其抗折强度增大。具体机理需要通过更多次的盐冻试验数据分析。

4 结论

本文采用快速冻融法对氯盐侵蚀环境下不同冻融次数的UHPC试件进行耐久性能的试验研究，以试件冻融循环次数为参数，分析研究了不同冻融循环次数作用下UHPC试件的质量损失、动弹性模量和抗折强度的变化，进而分析盐冻循环作用下UHPC的耐久性。经过试验研究，得出以下结论：

1) 在较少次数（50次以内）盐冻循环作用下，UHPC试件表观形态完好，无浆体或骨料脱落。

2) 在较少次数（50次以内）盐冻循环作用下，UHPC试件的质量损失率基本为0，动弹性模量基本没变化，抗折强度的变化也不明显，由此可见，UHPC材料的耐久性能较好。

3) 结合上述试验研究结果分析可知，在少次数（50页以内）的盐冻循环作用后，UHPC宏观力学性能变化不大，但其在多次数（300次以上）盐冻循环作用下的力学性能需要进一步深入研究，并对其微观组成和变化进行测试，从而全面深入地研究分析在严酷环境下UHPC材料的耐久性能，为其在严寒地区的使用提供技术支持。

参考文献

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基金资助

内蒙古自治区自然科学基金面上项目(2022MS05015)

鄂尔多斯市青年科技人才支持项目(RC20240001)

鄂尔多斯应用技术学院高层次人才科研项目