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UHPC的耐久性——抗渗性、保护内部钢材与耐化学腐蚀的能

发布时间:2019-09-07 14:32:20浏览次数:
  UHPC的耐久性是其最有价值的性能之一,是预期服役寿命最长的结构工程材料。UHPC耐久性除了高抗渗性、良好保护内部钢材与耐化学腐蚀的能力外,还包括对冻融循环破坏、碱—骨料反应(AAR)和延迟钙矾石生成(DEF)的免疫能力,微裂缝状态下良好抗渗性与微裂缝自愈能力。UHPC耐久性在工程应用与暴露试验中,得到了一定程度的验证(检验周期还不足够长)。对非钢纤维的增强纤维耐久性,目前还缺乏足够的了解。

  至今,对UHPC的耐久性已经开展了大量研究,下表汇总UHPC主要耐久性指标,以及与高性能混凝土(HPC)和普通混凝土(NC)的对比。UHPC的低渗透性,体现在水、气渗透性以及腐蚀性介质扩散速率有大幅度降低,这来源于UHPC基体的“超高”的密实度和抗渗性。

  表:UHPC渗透性、耐久性平均指标,以及UHPC与高性能和普通混凝土对比

  水泥胶凝的材料体系,水泥水化反应会产生体积减缩(化学减缩),因此浆体必然会产生孔隙,具有渗透性。此外,多余或残留的未参与水化反应拌合水也会成为孔隙。决定渗透性高低的关键是孔隙生成的尺寸与连通性。与优质混凝土(HPC)对比,UHPC的孔隙率至少降低超过50%(约从10%降低到4%左右),氯离子扩散系数和气体渗透系数至少有一个数量级的降低(见表中红框数据),表明UHPC孔隙尺寸和连通性大幅度降低。这样幅度的渗透性降低或抗渗性提高,对于重化学类腐蚀如酸类、硝酸铵等,抵抗能力只有几倍的提高;然而,对于自然环境中各种腐蚀性因素,包括硫酸盐侵蚀、碳化和氯离子引发钢筋锈蚀,抵抗能力则发生了“质”的提高。

  丹麦曾试验,在UHPC的拌合水中拌入氯盐,使氯离子含量超过通常引发钢筋锈蚀的临界浓度,两年多后UHPC中的钢筋没有锈蚀迹象。日本采用加速方法进行类似试验,在UHPC与对比混凝土(w/c=0.4)中拌入氯化物使氯含量达到13kg/m3(对于普通混凝土,引发锈蚀的临界氯浓度为水泥重量的0.4~2%,大约在1.8~9kg/m3范围,取决于混凝土密实度),进行180°C、10大气压的蒸压加速锈蚀,经过5个持续8小时的蒸压循环,对比混凝土中钢筋全部表面有黑、红铁锈;UHPC中钢筋虽然轻微变黑,疑似是黑铁锈,但看上去是健全的。此外,在海洋氯盐环境进行了15年的暴露试验以及对几个服役10年左右实际工程检验显示,UHPC露出表面的钢纤维会较快锈蚀,但锈蚀不会深入内部;没有露出表面的钢纤维,即使靠近表面几乎没有保护层厚度,也没有发生锈蚀。这些事实说明,在UHPC中已经不存在氯离子引发钢材锈蚀的条件,最合理的解释为:UHPC拌合水被水泥水化消耗且远远不够水泥完全水化,导致内部非常干燥;其高抗渗性阻碍了氧和水的渗入,因而保持了内部的缺氧和缺水状态,使钢材锈蚀不能引发与开展。该机理解释了氯离子在高干燥与高抗渗UHPC基体中无法活化钢材表面的原因,还需要进一步从理论和试验上研究证实,但不争的事实是:UHPC高密实基体能为埋入钢筋和钢纤维提供有效的防腐保护,并且覆盖或保护层厚度可以低至几毫米。

  基于高密实、高干燥、高抗渗性的基体为钢材提供防腐保护的能力,是UHPC“超高”耐久性的基础,也是预期UHPC工程结构能够实现百年以上免维护服役寿命的依据。因此,UHPC的抗渗性是其能够达到和必须具备关键耐久性性能。UHPC的耐久性最终归结为抗渗性,可以用孔隙率、透气性或氯离子扩散系数来表征。在试验测试的可操作性和辨识度方面,最好的方法是用氯离子扩散系数表征UHPC的抗渗性。UHPC基体的氯离子扩散系数低至10-14~10-15m2/s数量级,已超过RCM法的测量精度范围,NEL法可以满足测量要求(试验方法详见标准T/CBMF37《超高性能混凝土基本性能与试验方法》附录A)。快速的氯离子渗透性或扩散系数试验方法,只适合测量UHPC基体或含不导电纤维的UHPC。

  需要注意,UHPC无法有效抵抗重化学腐蚀,如暴露于高酸性(pH<3.5)液体或高腐蚀性盐中,参考下图。在重化学腐蚀暴露环境(多为工业环境)应用时,需对UHPC暴露表面进行防护。

  图:UHPC试件浸泡于溶液中抗化学腐蚀能力(JSCE指南中解说图C11.6.1)

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