蔡新华-超高韧性水泥基复合材料渗透性能试验研究.pdf

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1、超高韧性水泥基复合材料渗透性能试验研究 蔡新华1 何真1 烺徐世21(1武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉，430072)(2浙江大学建筑工程学院，浙江杭州，310027)摘要:超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）具有拉伸应变硬化和优异的裂缝控制能力，其极限拉应变可稳定地达到3%以上，而最大裂缝宽度控制在100微米以内。本文通过抗渗性试验、快速氯离子渗透试验和自由氯离子含量测定试验对UHTCC的渗透性能进行了测定和评价。结果显示，UHTCC抗渗性优于同强度等级的普通混凝土，且随着龄期增长，其抗渗性逐渐提高；UHTCC抵抗氯离子渗透能力随着龄期增长也呈增强趋势，快速氯离子渗透试

2、验显示，120d龄期时快速氯离子渗透系数约为同强度等级普通混凝土的1/2。同时，对本试验结果与国外相关同类材料试验结果进行了对比，试验结果为UHTCC的抗渗性能评价提供了一定的试验依据。关键词:超高韧性；渗透性能；裂缝控制；氯离子渗透 中图分类号:TU528.572 文献标识码:A Experimental studies on permeability of ultra high toughness cementitious composite(UHTCC)Cai Xinhua1 Hezhen1 Xu Shilang1(1State Key Laboratory of Water Resou

3、rces&Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)(2College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)Abstract:Ultra high toughness cementitious composite(UHTCC)is featured with its tensile strain hardening characteristic and outstanding cr

4、ack controlling capacity.In details,its limit tensile strain could exceed 3%,and the corresponding crack width is less than 100 microns.This paper investigated the permeability of UHTCC through the permeability test,rapid chloride ions penetration test and free chloride ions content measurement.The

5、results showed that the permeability of UHTCC was lower than concrete of the same strength grade,its permeability resistance enhanced with the age increasing.The permeability of UHTCC from rapid chloride ions penetration test was only 1/2 of the controlled concrete at 120 days.The test results was c

6、ompared with the ones of similar materials carried out by other researchers,and providing tests sources for evaluating the durability of UHTCC.Key words:ultra high toughness;permeability;crack controlling;chloride ions penetration 超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composite，以下简称UHTCC)是在纤

7、维掺量不超过2.5%的条件下，直接拉伸状态下具有明显的拉伸应变硬化特性，且单轴拉伸应变达到3%以上，裂缝宽度保持在100微米以下的一种新型高性能纤维增强水泥基复合材料。在对UHTCC直接拉伸、弯曲、压缩等力学性能的研究发现它具有良好的韧性和优异的裂缝控制能力1-3；对于抵抗冻融循环性能的研究也表明，该材料具有较高的抗冻能力4；文献5和6将其与钢筋复合制作成钢筋增强UHTCC梁，研究了梁的弯曲性能，结果显示，UHTCC具有良好的裂缝控制能力，在弯曲挠度较大时仍维持了较小的裂缝宽度。对于UHTCC的耐久性能，国内外相关报道较少。文献7通过试验研究了同类材料在预加载条件下处于高碱环境中的耐久性能，发

8、现其仍能维持较高的拉伸应变能力；文献8研究了荷载下该类材料的抗盐冻剥落性能，结果表明在未掺引气剂的条件下其具有良好的抗盐冻剥落性能。1基金项目：973计划项目(2009CB623201);国家自然科学基金项目(50972109).作者简介：蔡新华(1980-),男,博士后;何真(联系人),女,博士,教授,博士生导师,;徐世烺，男，博士，教授，博士生导师。水泥基材料的渗透性能是其耐久性的一个重要方面，材料的渗透性直接影响着结构耐久性，例如抗渗性差的保护层材料在用作结构罩面层时，若结构所处环境较为恶劣，很容易引起外界侵蚀性介质(氯盐、硫酸盐等)进入结构层，诱发钢筋锈蚀、材料内部劣化等较为严重的耐久

9、性问题。UHTCC作为一种新型纤维增强水泥基复合材料，在力学性能方面具有区别于其它水泥基材料的优良韧性和突出的裂缝控制能力，但若要将其大量运用于基础设施结构中，必须对其材料的基本耐久特性有清晰的了解。本文着重对UHTCC的基本渗透性能进行了试验研究和分析，其中包括UHTCC的渗透性试验、快速氯离子渗透试验及浸泡条件下自由氯离子含量测定，与同强度等级的普通混凝土进行了对比，为UHTCC渗透性能的评价及工程应用提供了试验依据。1 试验概况 1.1 试验原材料 本文试验所采用的UHTCC材料直接拉伸应力-应变关系如图1所示，可以看出其最大拉应变能稳定地维持在3%以上；图2为UHTCC在拉伸状态下的裂

10、缝形态，随拉伸荷载的增加，在标距段产生多条细密裂缝，甚至在达到极限拉伸荷载时其最大裂缝宽度仍控制在100微米以内。表1为UHTCC的基本物理力学性能参数?。同时，还制作了与UHTCC同强度等级的C40混凝土进行对比试验，混凝土配合比为（水泥：砂：石：水=345:624:1159:214），混凝土28d抗压强度实测值为46.1MPa。012345601234567 拉伸应力(MPa)拉伸应变(%)图1 UHTCC拉伸应力-应变关系 图2 UHTCC拉伸荷载作用下裂缝状态 表1 UHTCC基本物理力学性能2 28d抗压强度/(MPa)初裂强度/(MPa)初裂应变/(%)弹性模量/(GPa)极限拉应

11、力/(MPa)极限拉应变/(%)平均裂缝 间距/(mm)平均裂缝 宽度/(m)40.2 4.02 0.025 18.8 5.080.56 4.040.42 2.290.79 8926 1.2 试验方法(1)渗透性试验 采用相对抗渗性试验(即渗透高度法)，试验按照水工混凝土试验规程(DT5150-2001)中混凝土相对抗渗性试验方法进行，采用式(1)计算相对渗透系数。THaDKmr22=(1)rK相对渗透系数，cm/h；mD平均渗水高度，cm；H水压力，以水柱高度表示，cm；T恒压时间，h；a混凝土的吸水率，一般为0.03。各参数中，只有a值不确定，因此需要通过测定UHTCC的吸水率来进行修正，

12、以保证该公式在计算UHTCC的渗透系数时的适用性。(2)快速氯离子渗透试验 快速氯离子渗透试验依据混凝土结构耐久性设计与施工指南中推荐的NEL法进行。制作了100100400mm试件。试件龄期分别为28天、56天、90天和120天。到达指定龄期后，从靠近试件中间部位取样，将试件切割成10010050mm的试样，上下表面平整；每个试件取其中5块，用游标卡尺量取试样中心厚度。将试样垂直码放于NEL型快速真空饱盐装置的真空室中，在小于-0.05MPa压力下保持6小时，导入4mol/L的NaCl溶液，再抽真空至上述真空度并保持2小时。关闭真空泵保持试样浸泡于真空室的状态24小时（从开始抽真空时计）。取

13、出饱盐试样，擦去侧面盐水并置于试样夹具中两50mm紫铜电极之间，用NEL型混凝土渗透性电测仪进行量测，直接给出试样中氯离子扩散系数NELD值。(3)自然浸泡下自由氯离子含量测定 自由氯离子含量测定依据水运工程混凝土试验规程“混凝土中砂浆的水溶性氯离子含量测定”方法进行，测定不同浸泡时间下UHTCC与对比混凝土不同厚度层范围内的自由氯离子含量9。试件龄期分别为14天、28天、56天、90天和120天。2 试验结果及分析 2.1 渗透性试验结果与分析 试验中测得UHTCC的吸水率a大约为0.042，通过测得的平均渗水高度由式(1)计算可得UHTCC的渗透系数mD，结果如图3所示。从图中可以看出，U

14、HTCC在龄期为28天时渗透系数为7.7310-10cm/s，此时，同强度等级普通混凝土的渗透系数约为12.1110-10cm/s，UHTCC渗透系数约为对比混凝土的64%；到56天龄期时，UHTCC渗透系数降低到3.8410-10cm/s，而普通混凝土的渗透系数为10.8810-10cm/s，UHTCC的渗透系数仅为普通混凝土的35%左右。可见，UHTCC的抗渗能力较同强度等级的普通混凝土强，且随着龄期的增长，UHTCC的抗渗性逐渐增强。主要的原因是UHTCC中掺加的活性混合材随着龄期发展发挥了“余热”，其“二次反应”所生成的产物填充基体中的孔隙，增加材料的密实性，从而提高UHTCC的抗渗性

15、，这与高性能混凝土的抗渗性试验具有相似的结果。28d56d02468101214 渗透系数/10-10cm/s龄期/天 UHTCC 对比混凝土 图3 UHTCC渗透性试验结果 混凝土在凝结和硬化过程中，微裂缝经历了出现和发展的过程。这一过程，宏观上认为是混凝土在固结收缩，一般混凝土的收缩率在80010-6左右。混凝土的微裂缝在发展过程中，是从无到有，从小到大向最薄弱方向定向发展。微裂缝向细裂缝的发展大多数（约占70%）在3d7d凝胶期内完成，此时混凝土的抗拉强度较小，如果没有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂缝在内外应力的作用下将会发展为更大的裂缝以至最终形成贯通的毛细孔道及裂缝，从而导致抗

16、渗透性降低，也造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的安全及使用。UHTCC由于短切PVA纤维的加入及良好的分散，在水泥基体中形成了良好的网络分布结构，对早期塑性裂缝的出现和发展起到抑制作用，抗裂作用明显，可以有效提高材料的抗渗性能。文献10的结果也显示纤维的掺入能显著提高砂浆的抗渗性能，其不透水性能提高40%左右。2.2 快速氯离子渗透试验结果与分析 快速氯离子渗透试验结果如图4所示。从图中可以看出，在龄期为28天时，UHTCC的氯离子渗透系数与对比混凝土相差不大；随着龄期的增长，对比混凝土和UHTCC的氯离子渗透系数均下降，但UHTCC下降速率更大，到120天龄期时，UHTC

17、C的氯离子渗透系数约为普通混凝土的1/2。对照混凝土结构耐久性设计与施工指南中NEL法对混凝土渗透性的评价标准可以看出，28天龄期时UHTCC的渗透性等级在级和级交界处，属于中等渗透性；随着龄期增长，渗透等级进入到级范围，属于低渗透等级。粉煤灰等矿物掺合料对提高UHTCC后期抵抗渗透能力具有不可忽视的作用。一是粉煤灰的物理填充作用，细度较高的粉煤灰等矿物掺合料即使不和其它原材料发生反应，它们也可以填充水泥基材料内部存在的孔隙，提高密实度，改善其孔结构，阻隔有害离子侵入的通道；其二是粉煤灰的水化速度比普通水泥慢，28天龄期强度有所下降，但随着龄期的增加，粉煤灰逐渐水化，填充孔隙，强度和抗渗性都会

18、有大幅度提高，这与掺加粉煤灰等活性混合材的高性能混凝土具有相似的性能11。2.3 自由氯离子测定试验结果与分析 图5和图6分别为UHTCC和对比混凝土的氯离子含量分布结果。试验根据浸泡时间分别测得不同浸泡时间下距离表面深度为5mm、15mm、25mm、35mm和45mm范围内的自由氯离子含量。从图5中可以看出，不同龄期下，UHTCC表面5mm厚度范围内聚集了较多的自由氯离子，但随着渗透深度的增加，020406080100120012345678中低 氯离子扩散系数(NEL)/10-12m2/s龄期/天 UHTCC 对比混凝土极低 图4 UHTCC快速氯离子渗透试验结果 UHTCC中自有氯离子含

19、量与同渗透深度的混凝土相比明显较少。010203040500.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45自由氯离子浓度/%距表面深度/mm 14d 28d 56d 90d 120dUHTCC 010203040500.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45自由氯离子浓度/%距表面深度/mm 14d 28d 56d 90d 120d对比混凝土 图5 UHTCC自由氯离子含量分布 图6 对比混凝土自由氯离子含量分布 氯化物在水泥基材料中渗透最普遍的传输机理是扩散、毛细管吸附和渗透，三个传输机理可能同时发生。而当计算氯化物在水泥

20、基材料中的侵蚀时，通常采用有关的扩散理论，其中最常见的是Fick第二扩散定律。假设水泥基材料是半无限均匀介质；氯离子扩散时不与水泥基材料结合；氯离子扩散系数是一个常数，可以得出一维扩散方程为：(),12saxC x tCerfD t=(2)用式(2)计算各龄期下试件的氯离子扩散系数，将各厚度层测得的氯离子浓度值代入式(1)，利用最小二乘法通过优化得到氯离子扩散系数、表面氯离子浓度以及变异系数。结果列于表2中。表2 试件氯离子扩散系数计算值 材料 龄期/(天)表面自由氯离子浓度/(%)表观氯离子扩散系数/10-8(cm2/s)变异系数 UHTCC 14 0.3896 8.54 0.1643 28

21、 7.09 56 7.23 90 3.11 120 0.94 对比混凝土 14 0.3974 24.9 0.2145 28 18.4 56 12.8 90 10.9 120 8.24 从结果中可以发现一些基本规律。对于UHTCC试件，随着试验龄期的增长，UHTCC的表观氯离子扩散系数显著降低，到120天试验龄期时仅为28天时的13.3%。可见，UHTCC的氯离子扩散系数并不是一个定值，而是随着龄期的变化而变化的，且随着龄期的增长呈下降趋势，即氯离子朝UHTCC内部扩散的速率减缓。如前所述，原因之一是由于粉煤灰等矿物掺合料的使用对材料中孔隙的填充作用和后期“火山灰”反应的水化产物对渗透孔道的堵塞

22、或隔断效应；二则是粉煤灰等矿物掺合料水化时能产生较多的C-S-H凝胶，而C-S-H凝胶会吸附一部分氯化物于其中，并可堵塞扩散通道，造成氯离子扩散系数下降；粉煤灰中较高的C3A等矿物成分能够捕捉从混凝土表面渗透的氯离子，生产所谓的Friedel盐，即C3A.CACl2.10H2O，通常，C3A含量高，结合氯化物的能力也较高12。3 结论 1)UHTCC具有比相同等级普通混凝土更优越的抗渗性能，28天龄期时的渗透系数仅为同强度等级普通混凝土的64%；且随龄期增长，抗渗性能逐渐增强，56天龄期时渗透系数为同强度等级普通混凝土的35%左右。2)快速氯离子渗透试验结果表明，早龄期时UHTCC氯离子渗透系

23、数与同强度等级普通混凝土相当，但120天龄期时UHTCC的氯离子渗透系数仅为同强度等级普通混凝土的1/2。3)通过自由氯离子含量的测定，结果显示，UHTCC表面5mm厚度层内自由氯离子含量较大，随着渗透深度增大，自由氯离子含量减小迅速。通过Fick第二定律计算可得，UHTCC表观氯离子扩散系数随龄期增大逐渐减小。参考文献(References)1 徐世烺，李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用J.土木工程学报，2008，41(6)：45-60.Xu Shilang,Li Hedong.A review on the development of research and appli

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