超高韌性水泥基復合材料耐久性能研究

發布時間：2013-05-06所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)是一種新型建筑材料，它既具有優良的抗拉與抗壓能力，同時又具有良好的耐久性能。本文通過兩個關于超高韌性水泥基復合材料耐久性的實驗，證明了該水泥在工程耐久性能方面具有獨特的優勢。

　　摘要：超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)是一種新型建筑材料，它既具有優良的抗拉與抗壓能力，同時又具有良好的耐久性能。本文通過兩個關于超高韌性水泥基復合材料耐久性的實驗，證明了該水泥在工程耐久性能方面具有獨特的優勢。

　　關鍵詞：超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)；耐久性；抗裂縫能力；抗凍融能力

　　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

　　中圖分類號：U461.7+1   文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

　　1 引言

　　為減少乃至消除混凝土早期收縮裂縫、減小荷載裂縫、提高材料的抗凍性，近年來纖維混凝土材料得到了廣泛的應用[1]，如聚丙烯纖維混凝土、鋼纖維混凝土等的使用都取得了良好的效果。但這些纖維混凝土在荷載作用下仍然無法有效控制裂縫寬度，在直接拉伸荷載作用下仍表現出應變軟化特性，在展示高于普通混凝土韌性的同時通常以較寬的有害裂縫為代價，同時抗凍融循環的能力也不明顯。這些都極大地限制了纖維混凝土材料的推廣應用。

　　2006年，針對以上普通纖維混凝土材料在耐久性的問題，我國研發出了超高韌性水泥基復合材料(Ultra High Toughness Cement itious Composite，簡稱UHTCC)，該材料能有效控制裂縫寬度和提高混凝土的抗凍能力。

　　2 超高韌性水泥基復合材料的耐久性研究

　　2.1 超高韌性水泥基復合材料的抗裂縫能力

　　在鋼筋混凝土結構中，氧氣和水穿越裂縫到達鋼筋表面是鋼筋發生銹蝕的必要條件[2-4]，而侵蝕性物質則一般是隨著水遷移到鋼筋混凝土構件內部的。Tsukamoto的研究[5]表明，水向混凝土內部滲透的速率與裂縫寬度的三次冪成正比，并且當裂縫寬度小于一定臨界值后便不會有水可以滲入到混凝土內部，并且纖維的摻入還可以進一步降低滲透速率，對應素混凝土的臨界裂縫寬度為0.1 mm，摻1.7%聚丙烯腈纖維的混凝土為0.14 mm，摻1%鋼纖維的混凝土為0.155mm。

　　2003年Maalej和Li[6]研究利用具有約5.4%拉應變能力的UHTCC替換受拉區鋼筋兩側各一倍保護層厚度范圍內的混凝土，試驗采用三分點加載進行彎曲試驗，對應梁跨度為914.4 mm，橫截面尺寸為152.4 mm×114.3 mm，受拉鋼筋配筋率約0.0147，純彎段未配置任何抗剪鋼筋，試驗采用同樣配置的鋼筋混凝土梁作對比試件，試驗加載速率為0.0254mm/s。

　　以上兩種試件彎矩-曲率和裂縫寬度-曲率關系如圖1所示，比較發現雖然使用ECC作保護層的試件和對比梁試件中鋼筋屈服(對應曲線上斜率開始明顯變小位置)時對應的荷載基本相同，但前者的極限承載力明顯高于后者，并且最為關鍵的是前者裂縫寬度增長的速率要明顯低于后者；在圖上可以量出對比梁試件鋼筋屈服(對應彎矩約為97 in·kip，即10.961 kN·m)時的裂縫寬度約為0.240mm，使用ECC的試件為0.025mm(根據文獻[6]的觀點，可以認為是無害裂縫)；當裂縫寬度達到0.100 mm時，對比梁試件對應的彎矩值僅在60 in·kip(6.78 kN·m)左右，而使用了UHTCC的試件對應約135 in·kip(15.255 kN·m)。根據結構設計和工程應用實際，可以發現大多數結構在正常使用荷載條件下，鋼筋一般還未達到屈服狀態，因此根據上面的試驗結果，可以認為使用UHTCC替換受拉鋼筋兩側各一倍保護層厚度范圍內的混凝土可以基本上避免鋼筋腐蝕的開始，從而可以極大的提高鋼筋混凝土結構的耐久性。而根據直接拉伸試驗中UHTCC可以較普通纖維混凝土材料將裂縫控制在更小寬度范圍內的事實[7]，我們可以推斷使用UHTCC替換普通纖維混凝土材料，結構耐久性將得到進一步提高，并且UHTCC較后者更具性能成本效益[8]。

　�。�1 in·kip=0.1130 kN·m, 1in=25.4mm）

　　2.2 超高韌性水泥基復合材料的抗凍融能力研究

　　2008年，徐世烺、蔡新華等[9]通過采用4種同強度等級的材料進行對比試驗，分別為UHTCC、鋼纖維混凝土、引氣混凝土和普通混凝土，證明了UHTCC對提高混凝土抗凍融能力有明顯的作用。

　　該實驗采用TDR1型混凝土快速凍融試驗機，試件尺寸為100mm×100mm×400mm的小梁按照在飽水狀態下進行快速凍融試驗，每隔25次凍融循環測試動彈性模量和重量一次，并進行必要的外觀照相和外觀評述，同時進行相應凍融循環次數后的四點彎曲小梁試驗及薄板彎曲試驗，以評價UHTCC在凍融循環作用下保持其應變硬化特性的能力，并將UHTCC的試驗結果與普通混凝土、鋼纖維混凝土和引氣混凝土在相同凍融循環條件下所得到的結果進行比較分析。

　　UHTCC及普通混凝土、引氣混凝土、鋼纖維混凝土對比試件的質量損失和動彈性模量損失結果如圖2所示。從圖2中可以看出,經300次凍融循環后，UHTCC質量損失不到1%，與引氣混凝土相比在抗表層剝落方面有著相同的功效；而普通混凝土在經過不到150次凍融循環后的質量損失就達到了4%，未經引氣的鋼纖維混凝土盡管有纖維的作用，但表層剝落仍較為嚴重，在300次循環后質量損失達到了4%左右。從圖3可以看出,UHTCC經過300次凍融循環后其動彈性模量降低不到5%，而引氣4. 7%的混凝土經過300次凍融循環后的動彈性模量降低量也接近15%，摻入1%鋼纖維的混凝土經過300次凍融循環后動彈性模量降低了近30%，而普通混凝土在200次凍融循環后的動彈性模量降低量就已經超過了40%。

　　普通混凝土、鋼纖維混凝土、引氣混凝土和UHTCC四種材料彎曲抗拉強度隨凍融循環次數的變化關系如表1。從結果中可以看出,經過一定次數的凍融循環作用后，UHTCC的彎曲抗拉強度有一定幅度的下降，但是與同強度等級的普通混凝土、引氣混凝土和鋼纖維混凝土相比,UHTCC下降幅度很小，300次循環后彎曲抗拉強度只下降了28%，而同強度等級的混凝土和鋼纖維混凝土的彎曲抗拉強度幾乎喪失殆盡。

　　表1　不同凍融循環次數下彎拉強度

　　循環次數UHTCC (Mpa)鋼纖維混凝 (Mpa)引氣混凝土 (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:括號中數值為在該凍融循環次數下彎曲抗拉強度與未凍融時的彎曲抗拉強度的百分比(% )。

　　所以，UHTCC在不摻加引氣劑的條件下能夠滿足寒冷地區工程抗凍性的要求。

　　3 結論

　　如前所述，超高韌性水泥基復合材料具有優異的裂縫控制能力，通過產生穩定的多條細密裂縫將裂縫寬度控制在很細的范圍內, 同時又具有優異的抗凍融性能和較低的氯離子滲透性等優異性能。

　　所以，可以預見：超高韌性水泥基復合材料可以用來有效地解決混凝土大壩和輸水渡槽等的防裂、抗滲問題；將其用作鋼筋混凝土結構保護層可有效地對混凝土裂縫進行無害化分散,降低氯離子等有害介質的侵入，從而顯著提高結構的耐久性;超高韌性水泥基復合材料又是一種理想的耐久性修補材料，它可對遭受堿骨料破壞的混凝土結構和遭受疲勞荷載與凍融循環共同作用的混凝土結構進行有效修復，從而顯著延長建筑物的使用壽命；超高韌性水泥基復合材料所具備的優異的裂縫控制能力以及由此帶來的低滲透性，都使得其在蓄水池、污水處理、放射性廢物儲蓄罐等結構中具備良好的應用前景�？傊�，超高韌性水泥基復合材料因其具有優異的裂縫寬度控制能力、低滲透性、良好的耐久性等優異性能，將其用于無論是水工、港工、海工、道路、橋梁還是工業與民用建筑工程中，都將可以使得這些結構變得更安全、更耐久、更可靠,甚至是更經濟。因此，隨著其優異的性能不斷為人所熟知，其組分不斷優化，造價逐步降低，超高韌性水泥基復合材料在未來數年內必將得到逐步的推廣使用。

　　參考文獻：

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