硫酸盐环境作用下UHPC的性能研究

黄有强，陈露一，张志豪，李信，郑丽

（1.中铁桥研科技有限公司，湖北 武汉 430034；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉 430034；3.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一种新型水泥基工程材料。1993年法国Bouygues公司Richard等率先研制出这种材料，随后，国际学者们展开了UHPC的理论研究与实践应用。Dugat J等[1]进行了UC200和UC800的应力-应变曲线、泊松比、弹性模量、断裂能等力学性能试验。何峰和黄政宇[2-3]提出了UHPC原材料及配合比设计参数的选择建议和现有UHPC配合比设计中存在的主要问题。刘斯凤等[4]、安明喆等[5]研究了UHPC的抗冻性能。施惠生等[6]研究了UHPC的抗氯离子渗透性能。陈露一等[7-9]研究了UHPC的收缩特性和含粗骨料超高性能混凝土的性能。

UHPC作为一种综合性能优异的新型水泥基工程材料，在钢正交异性板组合桥面、钢-超高性能混凝土组合结构、桥梁局部修补加固、桥梁结构防护等方面具有广阔的应用前景。中铁大桥科学研究院有限公司自主研发的UHPC已经成功应用于太原摄乐桥、武汉军山长江大桥、蒙华铁路公安长江大桥、沪通长江大桥主航道桥等十余座公路、铁路钢桥面的铺装中[10-11]，成功应用于山西灵山、浑源高速全线，湖北京珠、随岳高速全线桥梁伸缩缝修补中，成功应用于宜城汉江大桥湿接缝修补中。

目前，国内UHPC的应用正在如火如荼的进行，应用环境也不断向海洋、盐碱、严寒的等极端环境发展。关于UHPC的力学性能和耐久性能研究主要是在常规单因素条件下进行，而对多因素共同作用的极端条件下的研究较少。在现实环境中，往往是多重侵蚀因素共同存在的，研究多因素下UHPC的性能发展规律可以为UHPC的实践应用提供技术支持。本文对硫酸盐环境作用下的UHPC浸泡养护试验、冻融循环试验、干湿循环试验、冻融-干湿循环耦合试验进行研究。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：武汉亚东水泥有限公司的P·O42.5洋房牌水泥，45μm方孔筛筛余4.8%，表观密度3100 kg/m3，比表面积390 m2/kg，28 d抗折、抗压强度分别为8.1、45.3 MPa。

（2）核心料：中铁桥研科技有限公司自主研发，HX120型，由矿物掺合料、高效减水剂以及其他功能助剂预混制成，各材料均采用粉状，核心料的需水量比68%，含水量0.1%。水泥和核心料的主要化学成分如表1所示。

表1 水泥和核心料的主要化学成分 %

（3）石英砂：洞庭湖水洗烘干石英砂，SiO2含量98.2%，由20～40目、40～70目2种粒径按4∶6的质量比配合使用，混合后石英砂的细度模数为2.2。

（4）钢纤维：山东某公司的镀铜钢纤维，规格为Ф0.2 mm×13 mm，抗拉强度2800 MPa，形状合格率98%。

（5）水：自来水。

1.2 试验配合比

何峰和黄政宇[3]在广泛收集行业内UHPC配制试验数据的基础上，探讨了UHPC原材料和配合比设计参数的选择。具体有以下几点：（1）水胶比以0.18～0.22为宜；（2）水泥用量宜控制在800kg/m2以内；（3）矿物掺合料的掺量应控制在胶凝材料质量的25%～35%；（4）石英粉掺量宜为水泥质量的25%～40%；（5）砂胶比以0.8～0.9为宜；（6）高效减水剂掺量为胶凝材料的2.0%～3.0%；（7）钢纤维体积掺量以1.5%～3.0%为宜。

本文用UC120进行硫酸盐环境作用下UHPC耐久性试验，对应空白组养护条件为标准养护。由于石英粉在标准养护下的UHPC中主要是发挥微集料填充效应，在90℃左右的蒸汽或热水养护时其活性也不明显，且其粒径又与水泥颗粒接近，因此在UC120配合比试验过程中去除了石英粉，适当提高了石英砂的用量，砂胶比提高到0.9～1.0。出于配方保密的要求和现场施工方便的要求，高效减水剂和其他功能助剂均采用粉体，便于在厂内加工为核心料，粉体减水剂掺量相对较低，约为胶凝材料的1.2%～1.5%。试验配合比如表2所示。

表2 试验配合比 kg/m3

2 试验方法及结果分析

2.1 环境模拟

我国西北地区分布着大小上千个盐湖，其中，新疆有102个、青海有33个、内蒙古有370多个、西藏有220多个。盐湖的矿化度一般为300g/L左右，含盐量高且成分复杂，大多属于Na+、K+、Mg2+、SO42-、Cl-体系。受盐湖和气候环境（气候干旱、蒸发强烈、地势低洼、含盐地下水离地表近）的影响，我国新疆、青海、内蒙古、甘肃等地区的土壤类别属内陆盐土。内陆盐土的土壤pH值大都在8.0～9.5。土壤中SO42-的含量最高达到土壤质量的1.43%，Cl-的含量最高达0.82%，Mg2+的含量高达0.62%[12]。

在盐碱环境中，普通混凝土结构在未采取特殊保护措施的条件下，投入使用不到10年，混凝土中的钢筋就会严重锈蚀，导致混凝土保护层剥落，承载能力下降，影响结构安全和寿命。本文研究UHPC在硫酸盐环境作用下的性能发展规律，模拟试验环境采用质量浓度为5%的硫酸钠溶液，所用化学试剂均为分析纯，对应SO42-浓度约为33 800 mg/L。在GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》中对应化学腐蚀环境作用等级为V-E（非常严重）。

2.2 浸泡养护试验

采用100 mm×100 mm×100 mm试件，将试件置于标准养护室养护至1、3、7 d后进行硫酸盐溶液浸泡养护试验。溶液养护试验采用带盖试验容器并置于（20±2）℃试验环境中。试件养护至3、7、14、28、60、90、120 d后测试抗压强度，计算抗压强度耐蚀系数（试验组与标准养护的空白组抗压强度的比值，下文简称耐蚀系数）。抗压强度和耐蚀系数变化规律分别见图1、图2。

由图1可知：UC120的1 d标养抗压强度高达85.2 MPa，达到设计抗压强度的71%；7 d标养抗压强度为122.1 MPa，已满足设计抗压强度要求，因此耐久性试验从7 d龄期开始进行；28 d标养抗压强度为143.1 MPa，富余系数达到1.19；随着标养时间继续延长，28d后抗压强度基本保持稳定。UC120试件标养1、3、7 d后进行硫酸盐溶液浸泡养护试验，浸泡养护的试件在28 d龄期抗压强度耐蚀系数分别为96.9%、96.1%、96.6%，各龄期耐蚀系数都大于94%。养护试验对试件初期强度发展略有影响，随着养护时间延长，后期耐蚀系数接近甚至超过100%。

图1 UC120的抗压强度变化规律

图2 UC120的硫酸盐养护耐蚀系数变化规律

混凝土的硫酸盐侵蚀受外界环境条件和混凝土自身性能的影响，是一个长期而复杂的物理化学作用过程，按其作用机理可以分为物理结晶和化学结晶2种[13]。物理结晶会产生结晶膨胀压力使混凝土表面出现疏松、粉化、剥落等破坏并向内部扩展。化学结晶会生成具有膨胀性的侵蚀产物石膏（CaSO4·2H2O）或钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O），在混凝土内部产生内应力；当其内应力超过混凝土的抗拉强度时，使混凝土胀裂，发生破坏。

UC120试件的硫酸盐溶液浸泡养护试验是在恒温、恒浓度、完全浸泡的条件下进行的，没有温差作用和水分蒸发过程，因此没有物理结晶的作用，仅有少量硫酸盐吸附在试件表面；此外，UHPC表面和内部结构致密，具有极高的抗渗等级[14]，硫酸盐溶液很难渗入到UHPC内部，硫酸盐的吸附作用也使得UHPC表面更加致密，因此很难生成膨胀性的侵蚀产物。UHPC在硫酸盐溶液的长期浸泡养护条件下表现出很好的抗硫酸盐侵蚀性能。

2.3 冻融循环试验

参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法，采用100mm×100mm×100 mm和100 mm×100mm×400 mm试件，将试件置于标准养护室养护至7 d后开始试验，试验环境分为空气（不加任何溶液）、清水、硫酸盐溶液，测试1000个循环。因UHPC性能优异，每100个循环测试1次动弹性模量和质量，计算相对动弹性模量和质量损失率；每200个循环测试1次抗压强度，计算抗压强度耐蚀系数。结果如图3所示。

图3 UC120的硫酸盐冻融循环试验

由图3可知，UC120试件在空气、清水、硫酸盐溶液冻融循环作用下抗压强度耐蚀系数逐渐减小，相对动弹性模量呈增大趋势，质量有少许增加。经过1000次冻融循环后，UC120试件在3种环境中耐蚀系数分别降至85.2%、86.0%、86.8%，相对动弹性模量分别增至105.7%、106.5%、105.8%，不同环境中的变化趋势基本相同；质量损失率分别为-0.09%、-0.07%、-0.10%。试件表面完好，无破损。

混凝土在饱水状态下受冻融循环作用时，孔隙水在结冰和融化过程中会产生体积膨胀和收缩，从而在混凝土内部形成交变作用的应力，混凝土在这种内应力的长期作用下会出现微裂缝，进而形成结构损伤，最终导致剥蚀破坏[15]。GB/T 50476—2019中对设计使用寿命100年的混凝土结构抗冻耐久性指数的要求是DF300≥80%，即经过300次冻融循环后混凝土的相对动弹性模量≥80%。

在不同环境的冻融循环作用下，UC120基体会出现微裂缝，进而形成结构损伤，基体的持续水化和钢纤维的阻裂作用并不能完全抵消这种损伤对混凝土的抗压强度的不利影响，因此，UC120试件抗压强度耐蚀系数逐渐下降。对于7d龄期开始进行试验的UC120试件，虽然其强度已经达到设计强度要求，但其内部仍存在大量的未水化水泥颗粒[16]，在冻融循环过程中仍能持续水化；在硫酸盐溶液中还存在侵蚀性产物和硫酸盐晶体填充混凝土内部的孔隙和微裂缝，这些因素都能提高UC120试件的密实度，因此，UC120试件的质量有少许增加。对同一试件，当质量和尺寸一定（未发生严重剥落）时，动弹性模量只受混凝土密实度的影响，UC120基体的持续水化使试件的密实度逐渐增大，因此UC120试件的相对动弹性模量呈增大趋势。硫酸盐冻融循环试验结果表明UHPC在硫酸盐和低温共同作用下具有很好的抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性能。

2.4 干湿循环试验

参照GB/T 50082—2009中的抗硫酸盐侵蚀试验方法，采用100mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm试件，将试件置于标准养护室养护至7 d后开始试验，测试150个循环。每30个循环测试1次动弹性模量、质量、抗压强度，计算相对动弹性模量、质量损失率、抗压强度耐蚀系数，结果如表3所示。

表3 硫酸盐干湿循环作用下UHPC的性能变化规律

由表3可知，UC120试件在硫酸盐干湿循环作用下抗压强度耐蚀系数先增大后减小，在30次干湿循环时达到最大；相对动弹性模量逐渐增大，在60次干湿循环后趋于稳定；质量略有损失。经过150次干湿循环后，UC120试件的耐蚀系数降至95.0%，相对动弹性模量增至109.7%，质量损失率为0.66%。

混凝土的硫酸盐干湿循环作用会产生结晶应力损伤和内部侵蚀，加速混凝土的劣化。在干湿循环过程中，存在盐溶液浸泡和排液烘干过程，在80℃高温烘干时，混凝土表面水分迅速蒸发，而盐分会残留下来并产生结晶，结晶应力会引起混凝土表层开裂，而微裂缝又为盐溶液向混凝土内部深入提供了通道，从而形成恶性循环。在干湿循环的反复作用下，结构损伤也由表层向内部发展，最终导致结构破坏[17]。相关研究表明：干湿循环引起的性能劣化速率要远高于长期浸泡养护引起的性能劣化速率。GB/T 50476—2019中对设计使用寿命100年的混凝土结构抗硫酸盐结晶等级要求是≥KS150，即经过150次干湿循环后混凝土的抗压强度耐蚀系数≥75%。

UC120试件在前30次干湿循环过程中，由于烘干过程中的高温作用促进了水泥和掺合料的二次水化，使混凝土结构更加密室，因此混凝土抗压强度呈缓慢上升趋势。此外，干湿循环过程中产生的盐结晶和侵蚀性产物对表面孔隙也有密实作用，同时也阻碍了盐溶液向混凝土内部渗透。在这一阶段，高温促进作用占主导地位。前30次干湿循环过程中的质量损失主要是由于混凝土试件表面和内部水分蒸发造成的。随着干湿循环次数的增加，水化反应程度逐渐提高，水化反应基本结束，对强度贡献很小。此时，在持续生成的盐结晶和侵蚀性产物的应力作用下，混凝土表层会产生微裂缝并不断加深，当膨胀应力大于UC120基体的抗拉强度时，混凝土开始劣化。钢纤维的阻裂作用使得UC120试件的劣化并不明显，UC120的密实度也不会急剧降低，因此，相对动弹性模量在60次干湿循环后趋于稳定。硫酸盐干湿循环试验结果表明，UHPC在硫酸盐和高温共同作用下具有很好的抗硫酸盐侵蚀性能。

2.5 冻融-干湿循环耦合试验

采用100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm试件，将试件置于标准养护室养护至7 d后进行硫酸盐溶液冻融-干湿循环耦合试验。为减少高温作用对UC120性能的影响，先进行冻融循环再进行干湿循环，冻融循环100次，干湿循环30次作为1个大循环，进行4个大循环。每100次冻融或30次干湿循环后测试1次动弹性模量和质量，每个大循环后测试1次抗压强度，计算相对动弹性模量和质量损失率、抗压强度耐蚀系数，结果如表4所示。

表4 硫酸盐冻融-干湿循环耦合作用下UHPC性能发展规律

由表4可知，UC120试件在硫酸盐冻融-干湿循环耦合作用下抗压强度耐蚀系数先增大后减小，在1个大循环时达到最大；相对动弹性模量逐渐增大，在1个大循环后趋于稳定；质量略有损失。经过4个大循环后，UC120试件的耐蚀系数降至98.7%，相对动弹性模量增至110.4%，质量损失率达到0.47%。

混凝土的冻融循环作用会引起混凝土的冻胀开裂和表面剥蚀，而干湿循环作用则会产生结晶应力损伤和内部侵蚀。因此，混凝土在冻融-干湿循环交替作用下会产生冻胀损伤、结晶应力损伤和侵蚀产物膨胀损伤，混凝土在多重耦合作用下的劣化速率要远高于单一因素下的劣化速率。

混凝土在第1次大循环时，干湿循环作用中的高温促进作用占主导地位，因此UC120试件经过1次大循环后抗压强度耐蚀系数均有大幅度增加，其机理与2.4节相同。在之后的大循环中，水化反应程度逐渐提高，水化反应基本结束，高温促进作用逐渐减弱，冻胀损伤、结晶应力损伤和侵蚀产物膨胀损伤占据主导地位，而UC120试件中钢纤维的阻裂作用会分担部分由冻胀、结晶、侵蚀产物膨胀引起的应力，并能缓解混凝土内部损伤位置的应力集中现象，从而有效地减少了冻融循-干湿循环耦合作用下的裂缝产生，因此UC120试件的相对动弹性模量和质量损失率并没有出现明显劣化。但是在硫酸盐冻融-干湿循环长期耦合作用下，UC120试件的钢纤维阻裂作用会逐渐削弱，当钢纤维阻裂作用难以抵消冻胀、结晶、侵蚀产物膨胀引起的应力时，混凝土开始劣化，其外在表现为抗压强度耐蚀系数的降低。硫酸盐冻融-干湿循环耦合试验结果表明UHPC在硫酸盐、低温、高温共同作用下整体性能未发生明显劣化，表现出较好的抗硫酸盐侵蚀性能。

3 结论

（1）UC120配合比1 d标养强度高达85.2 MPa，达到设计强度的71%；7 d标养强度为122.1 MPa，已满足设计强度要求；28 d标养强度为143.1 MPa，强度富余系数达到1.19；随着标养时间继续延长，28 d后强度基本保持稳定。

（2）UHPC标养1、3、7 d后进行硫酸盐溶液浸泡养护的试件在28 d龄期的抗压强度耐蚀系数均大于95%，后期各龄期耐蚀系数都大于94%。浸泡养护试件表面有少量硫酸盐吸附，并无腐蚀生锈现象。UHPC在硫酸盐溶液的长期浸泡养护条件下表现出很好的抗硫酸盐侵蚀性能。

（3）UHPC在空气、清水、硫酸盐溶液冻融循环作用下抗压强度耐蚀系数逐渐减小，相对动弹性模量呈增大趋势，质量有少许增加。经过1000次冻融循环后，耐蚀系数均大于85%，相对动弹性模量均大于105%，试件表面完好，并破损。试验结果表明UHPC在硫酸盐和低温共同作用下具有很好的抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性能。

（4）UHPC在硫酸盐干湿循环作用下抗压强度耐蚀系数先增大后减小，在30次干湿循环时达到最大；相对动弹性模量逐渐增大，在60次干湿循环后趋于稳定；质量略有损失。经过150次干湿循环后，耐蚀系数降至95.0%，相对动弹性模量增至109.7%，质量损失率达到0.66%。试验结果表明UHPC在硫酸盐和高温共同作用下仍具有很好的抗硫酸盐侵蚀性能。

（5）UHPC在硫酸盐冻融-干湿循环耦合作用下抗压强度耐蚀系数先增大后减小，在1个大循环时达到最大；相对动弹性模量逐渐增大，在1个大循环后趋于稳定；质量略有损失。经过4个大循环后，耐蚀系数降至98.7%，相对动弹性模量增至110.4%，质量损失率达到0.47%。试验结果表明UHPC在硫酸盐、低温、高温共同作用下整体性能未发生明显劣化，表现出较好的抗硫酸盐侵蚀性能。