楊家俊，馮玉釧，賈小龍

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750000；2.寧夏交通建設(shè)股份有限公司，寧夏 銀川 750000；3.寧夏道路養(yǎng)護工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750000）

0 引言

耐久性是指混凝土抵抗環(huán)境中各種介質(zhì)侵蝕作用的能力。目前，國內(nèi)外學(xué)者對混凝土的耐久性研究主要集中在凍融破壞、硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕等方面[1]，侵蝕中包含了混凝土碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)等[2]。普通混凝土在凝結(jié)硬化的過程中會產(chǎn)生許多小氣泡，因而會存在較多的微小裂縫和孔隙，由于這些微小裂縫和孔隙的存在，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處于海水、工業(yè)廢水等不利環(huán)境中時，有害離子會通過裂縫慢慢侵入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。超高性能混凝土擁有優(yōu)異的耐久性能，在不利環(huán)境中仍能保持其結(jié)構(gòu)和功能的完整性。已有的大量試驗證明，超高性能混凝土之所以擁有優(yōu)異的耐久性，原因就在于其擁有低水膠比、低孔隙率等特性。沈磊[3]通過設(shè)置凍融試驗，發(fā)現(xiàn)了超細活性粉末的摻入能夠?qū)HPC的密實度起到提升作用，隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于致密，耐久性也隨之提高。

目前，已有許多學(xué)者對UHPC的耐久性能進行了探索，但對于骨料中摻加風(fēng)積沙的UHPC耐久性研究目前還較為薄弱，且對風(fēng)積沙材料在結(jié)構(gòu)耐久性方面的影響機理尚不清晰。因此，本文首先研究不同風(fēng)積沙替代率下UHPC的抗壓強度，之后根據(jù)力學(xué)性能試驗結(jié)果設(shè)置兩組分別為機制砂UHPC與摻風(fēng)積沙UHPC的配合比，分別制備試件，并進行抗凍性試驗和抗硫酸鹽浸泡試驗研究，以探討摻風(fēng)積沙UHPC耐久性能的優(yōu)劣。

1 試驗簡介

1.1 試驗原材料

水泥：寧夏賽馬水泥廠生產(chǎn)的P·O52.5水泥。

硅灰：寧夏奕陽工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的硅灰，SiO2含量為91%。

粉煤灰：寧夏寧東地區(qū)煤炭基地生產(chǎn)的Ⅰ級灰。

機制砂：寧夏地區(qū)機制砂，細度模數(shù)為3.48，其顆粒級配見表1。

表1 機制砂顆粒級配

風(fēng)積沙：寧夏騰格里沙漠背風(fēng)面表面浮著的風(fēng)積沙，細度模數(shù)為0.43，顆粒級配見表2。

表2 風(fēng)積沙顆粒級配

減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，外觀為淡黃色液體，固含量為43%，減水率在25%以上。

鋼纖維：鍍銅平直型鋼纖維，長度為13mm，等效直徑為0.2mm，抗拉強度為2 978MPa。

1.2 試件成型

UHPC拌和過程為：先將試驗所需的骨料投入單軸式強制混凝土攪拌機中攪拌60s，使得機制砂與風(fēng)積沙混合均勻，之后將試驗所需的膠凝材料與鋼纖維加入拌和120s，最后將試驗所需的水與減水劑加入拌和480s。攪拌時長共11min。UHPC配合比（質(zhì)量比）如表3所示，水膠比固定為0.15。

表3 UHPC配合比

1.3 試驗設(shè)計

（1）凍融循環(huán)

凍融循環(huán)試驗根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）進行，試驗制備機制砂組UHPC與摻風(fēng)積沙組UHPC兩組試件，試件尺寸為100mm×100mm×400mm。首先，將標準養(yǎng)護24d后的試件置于常溫水中浸泡4d，之后測試試件的初始質(zhì)量與動彈性模量，然后將試件移至凍融循環(huán)箱體內(nèi)，設(shè)置300次循環(huán)，每循環(huán)50次測試其質(zhì)量變化與動彈性模量變化。

（2）硫酸鹽浸泡

進行硫酸鹽浸泡的試件尺寸為100mm×100mm×100mm。首先，測試經(jīng)標準養(yǎng)護28d后試件的強度，之后配制濃度為5%的Na2SO4溶液，將經(jīng)標準養(yǎng)護28d加常溫水中浸泡4d的試件浸泡在Na2SO4溶液中，底部采用墊條架空，試塊與試塊之間留出空隙。在達到設(shè)定的浸泡時長后，將試件從溶液中取出，測算其質(zhì)量、抗壓強度與劈裂抗拉強度損失率，以評價摻風(fēng)積沙組UHPC抵抗硫酸鹽侵蝕的能力。

1.4 測試方法

質(zhì)量：試件達到測試齡期后，將其放置于通風(fēng)處，待試件表面風(fēng)干后用電子秤測量試件的質(zhì)量變化，若質(zhì)量損失率超過5%則視為失效，停止試驗。

動彈性模量：首先測量試件質(zhì)量，將測得的質(zhì)量值輸入動彈性模量測定儀，在測桿與試件接觸位置涂抹凡士林，之后將發(fā)射端測桿與接收端測桿壓在試件測點位置。每組數(shù)據(jù)取3個試件試驗結(jié)果的算術(shù)平均值。

立方體抗壓強度：本試驗按照《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）的規(guī)定進行，加載速率設(shè)置為1.2MPa/s。

立方體劈裂抗拉強度：本試驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土規(guī)程》（JTG 3420—2020）的規(guī)定進行。

2 風(fēng)積沙制備UHPC的力學(xué)性能

UHPC的配合比設(shè)計通常以骨料的最緊密堆積為目標。合理的原材料、良好的顆粒級配、較少的孔隙率都會對其微觀結(jié)構(gòu)有一定的改善作用。通過分析表2中的風(fēng)積沙顆粒級配，可認為風(fēng)積沙顆粒最大尺寸為0.3mm或0.6mm。使用風(fēng)積沙去補充機制砂中這部分欠缺的顆粒，便可以得到風(fēng)積沙摻入機制砂的質(zhì)量分數(shù)。本文UHPC配合比設(shè)計中，風(fēng)積沙摻率設(shè)定為15%,25%和35%。按照以上3種風(fēng)積沙摻率優(yōu)化機制砂級配后得到的試驗用混合砂的細度模數(shù)如表4所示。

表4 混合砂細度模數(shù)

UHPC試件在風(fēng)積沙摻率分別為0,15%,25%,35%,100%下的7d,28d抗壓強度試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同風(fēng)積沙摻率下試件的抗壓強度

由圖1可知，試件的抗壓強度隨風(fēng)積沙摻率的增加呈先增大后減小的趨勢。風(fēng)積沙的細度模數(shù)較小，因此UHPC骨料中摻加適量的風(fēng)積沙可以改善UHPC內(nèi)部顆粒的級配，實現(xiàn)骨料間不同粒徑顆粒的相互填隙，使UHPC內(nèi)部填充均勻，從而強度提升。但由于風(fēng)積沙是由松散母巖風(fēng)化而成，本身強度低[4]，因此當(dāng)風(fēng)積沙摻量過多時，其成為UHPC內(nèi)主要的骨料，從而導(dǎo)致UHPC抗壓強度下降。UHPC中摻加15%,25%,35%的風(fēng)積沙時，其抗壓強度分別提高了11.9%,11.2%,9.2%，說明在機制砂中摻加一定比例的風(fēng)積沙能夠增加UHPC的抗壓強度。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，摻入風(fēng)積沙的UHPC漿體擴展度也有一定提升，這是因為機制砂大顆粒間的摩擦力較大，加入了部分風(fēng)積沙后使原有機制砂中缺少的0～0.6mm粒徑區(qū)間得到部分補充，使得骨料均質(zhì)性更強，從而提高了擴展度。

3 UHPC的耐久性能

由以上試驗結(jié)果可知，風(fēng)積沙摻率在35%時試件的抗壓強度與風(fēng)積沙摻率為15%時試件的抗壓強度差異不大。為更好地評判摻風(fēng)積沙UHPC的耐久性能，將耐久性試驗中的風(fēng)積沙摻率設(shè)定為35%。UHPC配合比如表5所示。

表5 UHPC配合比

3.1 UHPC的抗凍性能

（1）質(zhì)量損失

質(zhì)量損失率是試件質(zhì)量損失值與試件質(zhì)量初始值的比值，是體現(xiàn)混凝土凍融損傷程度的一個重要指標。表6所示為凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率。

表6 凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率

從表6可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩組試件的質(zhì)量損失率增大，但幅度較小，說明兩組UHPC試件具有較好的抗凍性能。已有研究表明，在凍融環(huán)境下，混凝土材料的吸水速率明顯提高，每經(jīng)過一次凍融循環(huán)，混凝土的保水度都會提高[5]。試驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后試件表面沒有出現(xiàn)明顯的裂縫或剝落現(xiàn)象，只有試件表面的鋼纖維出現(xiàn)了輕微的銹蝕。

（2）動彈性模量損失

在達到設(shè)定的凍融循環(huán)次數(shù)后，取出試件，擦干試件表面的水分并涂抹凡士林以提升測量準確性。表7所示為凍融循環(huán)后試件動彈性模量保持率。

從表7可以看出，兩組UHPC動彈性模量的變化規(guī)律均為隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件的動彈性模量逐漸減小。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)在100次以內(nèi)時，試件動彈性模量變化幅度較??；在凍融循環(huán)次數(shù)達到300次時，機制砂組UHPC動彈性模量保持率為97.9%，摻風(fēng)積沙組UHPC動彈性模量保持率為97.3%。相關(guān)研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下遭受破壞的原因主要為水分子通過混凝土的孔隙進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且因溫度的變化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu)[6]。對于UHPC而言，其水膠比一般低于0.2，內(nèi)部含有的自由水較少，因而在凍融循環(huán)作用下其動彈性模量的下降幅度并不明顯。并且由于風(fēng)積沙顆粒的填充作用，摻風(fēng)積沙組UHPC的密實度較高，也在一定程度上提升了其抗凍性能。

3.2 UHPC抗硫酸鹽侵蝕性能

（1）質(zhì)量損失

表8所示為硫酸鹽浸泡后試件的質(zhì)量損失率。

表8 硫酸鹽浸泡后試件質(zhì)量損失率

在普通混凝土試件的成型過程中，其內(nèi)部會因密實度不高而殘留大量氣孔，由于這些微小裂縫和孔隙的存在，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處于工業(yè)廢水、海水或鹽湖等含鹽量較高的不利環(huán)境中時，有害離子會通過裂縫慢慢侵入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。UHPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，孔隙率小，所以耐久性能相比普通混凝土有了很大提升。試件經(jīng)硫酸鹽浸泡后的質(zhì)量損失率越小，表明該組UHPC的耐久性能越好。從表8可以看出，浸泡時間不超過30d時，兩組試件的質(zhì)量并未出現(xiàn)下降，此時的質(zhì)量損失率均為負數(shù)，說明試塊經(jīng)長時間的浸泡會吸收一定水分，且吸收的水分質(zhì)量大于試件因硫酸鹽浸泡損失的質(zhì)量。

（2）抗壓強度損失

抗壓強度是評價混凝土損傷程度的一個重要指標。當(dāng)達到設(shè)定浸泡時長后，將試塊取出擦干，測試其抗壓強度，不同浸泡時長下UHPC的抗壓強度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 硫酸鹽浸泡后試件的抗壓強度

對于普通混凝土而言，硫酸鈉中的硫酸根離子會通過內(nèi)部孔隙侵入試件內(nèi)部，與其內(nèi)部的化學(xué)成分發(fā)生反應(yīng)從而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，膨脹應(yīng)力會隨著反應(yīng)的進行逐漸增大，當(dāng)超過混凝土的強度時，就會造成混凝土開裂。從圖2可以看出，浸泡時間在30d以內(nèi)時，UHPC抗壓強度較未浸泡時出現(xiàn)了不降反增的現(xiàn)象。這是由于UHPC中含有大量的活性粉末摻合料，結(jié)構(gòu)相對密實，在浸泡初期硫酸鹽溶液無法通過孔隙進入UHPC內(nèi)部，所以試件的力學(xué)性能損失并不明顯，而標養(yǎng)28d后的UHPC試件內(nèi)部仍存在大量未水化的水泥。在浸泡的前30d內(nèi)，隨著時間的推移，UHPC內(nèi)部仍進行著水化反應(yīng)使得抗壓強度小幅度上升。在浸泡時長超過30d后，試件抗壓強度隨著浸泡時間的增長逐漸下降，機制砂組UHPC與摻風(fēng)積沙組UHPC浸泡120d后的抗壓強度損失率分別為4.22%與4.18%。

（3）劈裂抗拉強度損失

不同浸泡時長下UHPC的劈裂抗拉強度變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 硫酸鹽浸泡后試件的劈裂抗拉強度

從試驗結(jié)果可以看出，劈裂抗拉強度的變化規(guī)律與抗壓強度的變化規(guī)律大致相同，在浸泡初期未出現(xiàn)明顯的強度降低現(xiàn)象，這是由于浸泡環(huán)境提供了充足的水分促使試件內(nèi)部膠凝材料繼續(xù)水化生成C-S-H凝膠，因而強度增大。機制砂組UHPC與摻風(fēng)積沙組UHPC浸泡120d后的劈裂抗拉強度損失率分別為5.73%與3.49%。朱鼎等[7]的研究表明，硫酸鹽浸泡試驗中，浸泡初期硫酸鈉溶液與UHPC發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鈣礬石與石膏等物質(zhì)，降低了硫酸鈉溶液的擴散速率，同時基體密實度增加，因而強度提高。

4 結(jié)論

（1）凍融循環(huán)對兩組UHPC試件的質(zhì)量變化影響不大，經(jīng)300次凍融循環(huán)后機制砂組UHPC與摻風(fēng)積沙組UHPC的質(zhì)量損失率分別為0.14%與0.15%。

（2）經(jīng)300次凍融循環(huán)后，機制砂組UHPC試件的動彈性模量保持率為97.9%，摻風(fēng)積沙組UHPC試件的動彈性模量保持率為97.3%。試驗結(jié)果表明，風(fēng)積沙作為骨料制備的UHPC試件具有良好的抗凍性能。

（3）摻風(fēng)積沙組UHPC經(jīng)60d硫酸鹽浸泡后，其抗壓強度較初始值變化不大；浸泡120d后，其抗壓強度較初始值降低4.18%，機制砂組UHPC抗壓強度較初始值降低4.22%。