超高韧性水泥基复合材料耐久性能研究

　　摘要：超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)是一种新型建筑材料，它既具有优良的抗拉与抗压能力，同时又具有良好的耐久性能。本文通过两个关于超高韧性水泥基复合材料耐久性的实验，证明了该水泥在工程耐久性能方面具有独特的优势。

　　关键词：超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)；耐久性；抗裂缝能力；抗冻融能力

　　Abstract:Ultra high toughness cementitious composites is a new kind of construction material with excellent tensile and compression resistance and excellent durability. Based on two experiments of the durability of ultra high toughness cementitious composites, the unique advantage of this mateial in durability is proved.

　　Key words: ultra high toughness cementitious composites; durability; anti-crack performance; anti-freeze performance

　　中图分类号：U461.7+1   文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

　　1 引言

　　为减少乃至消除混凝土早期收缩裂缝、减小荷载裂缝、提高材料的抗冻性，近年来纤维混凝土材料得到了广泛的应用[1]，如聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土等的使用都取得了良好的效果。但这些纤维混凝土在荷载作用下仍然无法有效控制裂缝宽度，在直接拉伸荷载作用下仍表现出应变软化特性，在展示高于普通混凝土韧性的同时通常以较宽的有害裂缝为代价，同时抗冻融循环的能力也不明显。这些都极大地限制了纤维混凝土材料的推广应用。

　　2006年，针对以上普通纤维混凝土材料在耐久性的问题，我国研发出了超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cement itious Composite，简称UHTCC)，该材料能有效控制裂缝宽度和提高混凝土的抗冻能力。

　　2 超高韧性水泥基复合材料的耐久性研究

　　2.1 超高韧性水泥基复合材料的抗裂缝能力

　　在钢筋混凝土结构中，氧气和水穿越裂缝到达钢筋表面是钢筋发生锈蚀的必要条件[2-4]，而侵蚀性物质则一般是随着水迁移到钢筋混凝土构件内部的。Tsukamoto的研究[5]表明，水向混凝土内部渗透的速率与裂缝宽度的三次幂成正比，并且当裂缝宽度小于一定临界值后便不会有水可以渗入到混凝土内部，并且纤维的掺入还可以进一步降低渗透速率，对应素混凝土的临界裂缝宽度为0.1 mm，掺1.7%聚丙烯腈纤维的混凝土为0.14 mm，掺1%钢纤维的混凝土为0.155mm。

　　2003年Maalej和Li[6]研究利用具有约5.4%拉应变能力的UHTCC替换受拉区钢筋两侧各一倍保护层厚度范围内的混凝土，试验采用三分点加载进行弯曲试验，对应梁跨度为914.4 mm，横截面尺寸为152.4 mm×114.3 mm，受拉钢筋配筋率约0.0147，纯弯段未配置任何抗剪钢筋，试验采用同样配置的钢筋混凝土梁作对比试件，试验加载速率为0.0254mm/s。

　　以上两种试件弯矩-曲率和裂缝宽度-曲率关系如图1所示，比较发现虽然使用ECC作保护层的试件和对比梁试件中钢筋屈服(对应曲线上斜率开始明显变小位置)时对应的荷载基本相同，但前者的极限承载力明显高于后者，并且最为关键的是前者裂缝宽度增长的速率要明显低于后者；在图上可以量出对比梁试件钢筋屈服(对应弯矩约为97 in·kip，即10.961 kN·m)时的裂缝宽度约为0.240mm，使用ECC的试件为0.025mm(根据文献[6]的观点，可以认为是无害裂缝)；当裂缝宽度达到0.100 mm时，对比梁试件对应的弯矩值仅在60 in·kip(6.78 kN·m)左右，而使用了UHTCC的试件对应约135 in·kip(15.255 kN·m)。根据结构设计和工程应用实际，可以发现大多数结构在正常使用荷载条件下，钢筋一般还未达到屈服状态，因此根据上面的试验结果，可以认为使用UHTCC替换受拉钢筋两侧各一倍保护层厚度范围内的混凝土可以基本上避免钢筋腐蚀的开始，从而可以极大的提高钢筋混凝土结构的耐久性。而根据直接拉伸试验中UHTCC可以较普通纤维混凝土材料将裂缝控制在更小宽度范围内的事实[7]，我们可以推断使用UHTCC替换普通纤维混凝土材料，结构耐久性将得到进一步提高，并且UHTCC较后者更具性能成本效益[8]。

　　（1 in·kip=0.1130 kN·m, 1in=25.4mm）

　　2.2 超高韧性水泥基复合材料的抗冻融能力研究

　　2008年，徐世烺、蔡新华等[9]通过采用4种同强度等级的材料进行对比试验，分别为UHTCC、钢纤维混凝土、引气混凝土和普通混凝土，证明了UHTCC对提高混凝土抗冻融能力有明显的作用。

　　该实验采用TDR1型混凝土快速冻融试验机，试件尺寸为100mm×100mm×400mm的小梁按照在饱水状态下进行快速冻融试验，每隔25次冻融循环测试动弹性模量和重量一次，并进行必要的外观照相和外观评述，同时进行相应冻融循环次数后的四点弯曲小梁试验及薄板弯曲试验，以评价UHTCC在冻融循环作用下保持其应变硬化特性的能力，并将UHTCC的试验结果与普通混凝土、钢纤维混凝土和引气混凝土在相同冻融循环条件下所得到的结果进行比较分析。

　　UHTCC及普通混凝土、引气混凝土、钢纤维混凝土对比试件的质量损失和动弹性模量损失结果如图2所示。从图2中可以看出,经300次冻融循环后，UHTCC质量损失不到1%，与引气混凝土相比在抗表层剥落方面有着相同的功效；而普通混凝土在经过不到150次冻融循环后的质量损失就达到了4%，未经引气的钢纤维混凝土尽管有纤维的作用，但表层剥落仍较为严重，在300次循环后质量损失达到了4%左右。从图3可以看出,UHTCC经过300次冻融循环后其动弹性模量降低不到5%，而引气4. 7%的混凝土经过300次冻融循环后的动弹性模量降低量也接近15%，掺入1%钢纤维的混凝土经过300次冻融循环后动弹性模量降低了近30%，而普通混凝土在200次冻融循环后的动弹性模量降低量就已经超过了40%。

　　普通混凝土、钢纤维混凝土、引气混凝土和UHTCC四种材料弯曲抗拉强度随冻融循环次数的变化关系如表1。从结果中可以看出,经过一定次数的冻融循环作用后，UHTCC的弯曲抗拉强度有一定幅度的下降，但是与同强度等级的普通混凝土、引气混凝土和钢纤维混凝土相比,UHTCC下降幅度很小，300次循环后弯曲抗拉强度只下降了28%，而同强度等级的混凝土和钢纤维混凝土的弯曲抗拉强度几乎丧失殆尽。

　　表1　不同冻融循环次数下弯拉强度

　　循环次数UHTCC (Mpa)钢纤维混凝 (Mpa)引气混凝土 (Mpa)普通混凝土(Mpa)

　　017.77（100）9.09（100）7.13（100）8.84（100）

　　2513.33（90.3）8.77（96.5）6.90（97.2）6.92（78.2）

　　5013.79（93.4）7.84（86.2）5.79（81.7）4.24（48.0）

　　7512.12（82.1）6.32（69.5）5.57（78.3）4.14（46.8）

　　10012.33（83.5）6.02（66.2）5.65（79.6）3.62（40.8）

　　15011.20（75.8）4.57（50.3）5.23（73.2）1.66（18.8）

　　20011.06（74.9）2.46（27.1）4.62（65.1）-

　　30010.62（71.9）1.58（17.4）4.18（58.9）-

　　注:括号中数值为在该冻融循环次数下弯曲抗拉强度与未冻融时的弯曲抗拉强度的百分比(% )。

　　所以，UHTCC在不掺加引气剂的条件下能够满足寒冷地区工程抗冻性的要求。

　　3 结论

　　如前所述，超高韧性水泥基复合材料具有优异的裂缝控制能力，通过产生稳定的多条细密裂缝将裂缝宽度控制在很细的范围内, 同时又具有优异的抗冻融性能和较低的氯离子渗透性等优异性能。

　　所以，可以预见：超高韧性水泥基复合材料可以用来有效地解决混凝土大坝和输水渡槽等的防裂、抗渗问题；将其用作钢筋混凝土结构保护层可有效地对混凝土裂缝进行无害化分散,降低氯离子等有害介质的侵入，从而显著提高结构的耐久性;超高韧性水泥基复合材料又是一种理想的耐久性修补材料，它可对遭受碱骨料破坏的混凝土结构和遭受疲劳荷载与冻融循环共同作用的混凝土结构进行有效修复，从而显著延长建筑物的使用寿命；超高韧性水泥基复合材料所具备的优异的裂缝控制能力以及由此带来的低渗透性，都使得其在蓄水池、污水处理、放射性废物储蓄罐等结构中具备良好的应用前景。总之，超高韧性水泥基复合材料因其具有优异的裂缝宽度控制能力、低渗透性、良好的耐久性等优异性能，将其用于无论是水工、港工、海工、道路、桥梁还是工业与民用建筑工程中，都将可以使得这些结构变得更安全、更耐久、更可靠,甚至是更经济。因此，随着其优异的性能不断为人所熟知，其组分不断优化，造价逐步降低，超高韧性水泥基复合材料在未来数年内必将得到逐步的推广使用。

　　参考文献：

　　[1]吴中伟,廉惠珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社, 1999 (Wu Zhongwe,i Lian Huizhen. High performance concrete [M ]. Beijing: China Railway Publishing House, 1999 ( in Chinese))

　　[2] LiV C, Leung C K Y. Steady state and multiple cracking of short random fiber composites [ J]. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1992, 118 ( 11 ):2246-2264

　　[3]张君,公成旭.高韧性纤维增强水泥基复合材料单轴抗拉性能研究[C]//第十一届全国纤维混凝土学术会议论文集:纤维混凝土的技术进展与工程应用, 2006:27-32

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　　[5]Tsukamoto M.Tightness of fiber concrete[J].Darmstadt Concrete:Annual Journal on Concrete and Concrete Structures,1990,5:215-225

　　[6]Maalej M,Li V C.Introduction of strain hardening engineered cementitious composites in the design of reinforced concrete flexural members for improved durability[J].Structural Journal,ACI,2003,92(2):167-176

　　[7]田砾,刘丽娟,赵铁军,等.沿海混凝土结构耐久性问题研究现状与对策[J].海岸工程,2005,24(3):58-66

　　[8]吴人杰.复合材料[M].天津;天津大学出版社, 2000:208-210 (Wu Renjie. Composite Materials[M]. Tianjin:Tianjin UniversityPress, 2000:208-210 ( in Chinese))

　　[9]徐世烺,蔡新华,李贺东.超高韧性水泥基复合材料抗冻耐久性能试验研究[J].土木工程学报, 2009,42(9):42-50