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UHPC的耐久性——项目工程检验实践

UHPC的耐久性——项目工程检验实践

作者:
大连泰山新实业有限公司
来源:
大连泰山
发布时间:
2019/09/26
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【摘要】:
UHPC具备超高耐久性的潜力。对于高腐蚀性环境和裂缝对UHPC耐久性的影响,还需要更多的研究和长期的数据积累,才能全面了解掌握UHPC的耐久性。

2008年,法国对Cattenom核电厂冷却塔1997安装的UHPC梁状态进行检查,并钻芯取样和进行耐久性分析研究。这些UHPC梁长期暴露于冷却循环水中,水的最大氯含量为1~2g/l,硫酸根(SO4)含量约500mg/l,属于XD2氯盐环境和XA1硫酸盐环境(按欧洲标准EN 206-1划分环境等级)。暴露于腐蚀性水环境10年后,对UHPC梁的检验结论为:弹模和强度稳定,表明水化产物稳定;氯侵入量太小,无法测试;表面可能有薄层碳化,似与表面沉淀物有关;除露出表面的钢纤维,纤维没有可见锈蚀;梁内预应力钢筋处于良好防锈保护状态,仅露出的端头有锈蚀。该调查分析认为:在氯盐与硫酸盐环境中,UHPC梁的高耐久性得到证实。

世界上第一个UHPC公路桥(法国2001年建成的Bourg-lès-Valence跨线桥),也在使用11年后进行了全面检验评估。该桥投入使用后没有进行任何养护维修,2012年检验时,整体外观状态与建成时基本相同,梁的挠度几乎没有增大。由于缺乏及时维修,普通混凝土桥台局部(可能施工时就有缺陷)已经出现钢筋锈蚀和混凝土开裂现象;预制的UHPC梁板(p型梁板一体结构)和梁板接口现浇灌注UHPC均状态良好,接口现浇UHPC没有出现裂缝;长期处于潮湿或有冷凝水(靠桥台)的梁端部底表面有钢纤维锈斑(见下图)。取芯试件显示,钢纤维处于良好无锈蚀状态,UHPC表现出了良好耐久性。芯样测试则显示,11年后UHPC(没有经过热养护)的抗压强度和弹性模量有较大幅度增长,分别从28d的210MPa和65GPa增长到263MPa和73GPa。

图:法国Bourg-lès-ValenceUHPC公路桥11年后的状态

日本第一个UHPC桥是2002年建造的Sakata-Mirai人行跨河桥,离海岸3.4km,处于严酷海洋环境[3]。该桥建成后一直进行定期检验和测试评价。对预留现场试件(放在桥的梁内保持同环境)测试表明,经过90oC热养护的UHPC抗压、抗弯强度在这10年中一直在增长;10年后从桥梁实际结构上取芯,测试得到的氯离子扩散系数在0.7 ~1.2x10-15 m2/s范围(远远低于现场暴露试件和试验室盐水浸泡试件的测试结果);背散射电子图像(BEI)分析显示,10年后的UHPC中还有约20%体积的未水化水泥。这两个桥梁工程的长期跟踪测试结果均显示,在自然环境中10年间,无论是否经过热养护的UHPC,强度还在继续增长,说明未水化水泥的水化还在持续进行,这个过程应该可以更长期地持续下去。

1993~1995欧洲开展研究项目Minimal Structures Using High Strength Concrete(使用高强混凝土使结构轻型化)期间,制作了一批钢筋UHPC小梁(CRC梁),用四点弯曲架加载使小梁出现0.05 ~ 0.1mm宽度裂缝,固定保持小梁的受弯变形状态,在西班牙马德里进行长期室内和室外暴露试验,检验UHPC的碳化和对钢纤维、钢筋锈蚀的影响。暴露16年后,对CRC小梁的检验显示:碳化深度小于1mm;保护层仅10mm的钢筋处于良好的钝化状态;暴露在表面的钢纤维有轻微锈蚀,距外表面不到1mm的内部,基体保持碱性,钢纤维无锈蚀。

从1995年开始,三种不同组成的UHPC试件被陆续放置在美国缅因州Treat岛试验站潮差区中间,进行长期暴露试验。该试验站潮差达6m,每年平均100个冻融循环,属于最严酷的海洋环境,对混凝土破坏作用包括氯盐腐蚀、盐水干湿循环、冻融循环和盐水冻融。1995年放置的第一组试件为钢纤维增强“非常高强度混凝土”(VHSC,组成、配合比和强度与UHPC基本相同)。1996年放置的第二组试件为钢筋增强RPC小梁,钢筋保护层厚度分别为10mm、19mm和25mm。2004年放置的第三组试件为钢纤维和有机纤维增强RPC,部分试件为预先加载开裂试件。2009-2010年进行的测试检验结果表明,所有这些经过5~15年暴露的试件均状态良好;暴露15年经过约1500个自然冻融循环试件,力学性能没有降低,也没有发现表面剥落和裂缝;从小梁中取出一根保护层为10mm钢筋,15年后状态完好如初;预开裂试件经过5年500个冻融循环,裂缝宽度没有明显增大;对氯离子浓度分布测试结果显示,UHPC的氯离子扩散系数比HPC(w/b =0.35,胶凝材料含8%硅灰)低一个数量级。UHPC全部显示非常高的抗氯离子侵入能力和抗冻性。

对于氯盐腐蚀性环境,用UHPC的氯离子扩散系数推算,保护层50mm的钢筋在1000年以后才会开始锈蚀。有人以此推论,如果在氯盐环境HPC结构寿命达到100年,则相同UHPC结构的寿命可达到1000年。然而,这一推论没有考虑两个UHPC与HPC不同的因素:其一,UHPC有钢纤维,靠近表面的钢纤维保护层很小,在氯离子作用下会在多长时间开始锈蚀,以及钢纤维锈蚀会对表面和结构产生怎样的影响?其二,UHPC的电阻率较高、内部干燥,氧气渗透系数比HPC低一个数量级,在UHPC中引发锈蚀的氯离子临界(阈值)浓度Ct应该显著高于HPC的Ct,这在早期丹麦和日本的试验研究中已经得到证实。但是,UHPC的氯离子临界浓度Ct具体多高,抑或在UHPC内部如此干燥和低氧气渗透性(缺湿缺氧)条件下氯离子是否还能活化钢材表面,这方面尚无可参考的研究数据或结果。对这两个问题研究透彻,才可能比较准确预测UHPC结构在氯盐环境中的服役寿命。以目前研究数据为基础,在氯盐高腐蚀性冻融环境中,预期UHPC结构服役寿命超过HPC结构寿命2倍或200年,应该是保守的或可能的。在非腐蚀性环境(如标准GB/T 50476划分的I类“一般环境”和II类“冻融环境”),没有机械性磨损,UHPC结构达到千年寿命也是可能的。

十多年的暴露试验和实际工程应用验证,虽然提供的数据还有限,但已经显示UHPC具备超高耐久性的潜力。对于高腐蚀性环境和裂缝对UHPC耐久性的影响,还需要更多的研究和长期的数据积累,才能全面了解掌握UHPC的耐久性。