熊錢華

(石門縣交通運輸局， 湖南 常德 415300)

硅酸鹽水泥砼材料以其廣泛的適用性和低廉的價格成為使用范圍最廣的建筑材料。但水泥基砼材料在應用中存在抗拉強度低、韌性差及裂縫出現后難以控制等缺點，成為工程事故發(fā)生的誘因。研究及工程實踐表明，砼結構性能下降速度很大程度上與砼結構的裂縫相關。裂縫的產生將迅速導致外部環(huán)境中水、二氧化碳和氯離子滲透到結構中，為內部鋼筋生銹提供通道，從而導致砼基體進一步破壞。在結構服役過程中不可避免地會出現裂縫，提高砼材料的韌性和強度以實現裂縫的有效控制，克服水泥基材料變形差、易開裂的缺陷成為研究熱點。

超高韌性水泥基復合材料是通過微觀力學性能設計、調整得到的一種短纖維亂向分布的水泥基復合材料。最早由Li V. C.教授提出，命名為Engineering Cementitious Composites(ECC)，它能實現穩(wěn)態(tài)下的多縫開裂，提高水泥基材料的韌性。隨后，歐洲、澳大利亞等地區(qū)學者對其展開進一步研究和性能改善，得到應變硬化水泥基復合材料(SHCC)，日本學者也研究提出超高韌性纖維增強水泥基復合材料(UHPFRCC)。在國內，浙江大學徐世烺教授研究出一種在低纖維含量下具有超過3%拉應變能力的材料，它在拉伸荷載作用下會產生多個細裂縫，裂縫寬度小于100 μm，稱之為超高韌性水泥基復合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites，UHTCC)。該文對近年UHTCC耐久性能研究進行綜述，以提高該材料在土木工程和水利工程中的優(yōu)勢和作用。

1 UHTCC的抗凍融循環(huán)性能

對于吸水飽和的砼，在其凍融循環(huán)過程中，當砼中毛細水在負溫下由水轉變?yōu)楸鶗r，其體積發(fā)生約9%膨脹，在膨脹壓力作用下，周圍的微觀結構中產生拉應力，砼在重復拉伸作用下發(fā)生開裂破壞。

文獻[11-12]對普通硅酸鹽砼、引氣砼、鋼纖維砼和UHTCC進行凍融循環(huán)試驗，發(fā)現UHTCC材料的抗凍融循環(huán)性能最優(yōu)，明顯優(yōu)于其他3種砼材料。

文獻[13]通過對UHTCC材料在凍融循環(huán)條件下的質量損失、動彈性模量損失、彎曲抗拉強度等性能試驗研究，發(fā)現UHTCC經過300次凍融循環(huán)后，其質量損失小于1%，動彈性模量損失不大于5%，能滿足寒冷地區(qū)工程抗凍要求。

文獻[14]指出，在氯鹽環(huán)境下，UHTCC材料在凍融循環(huán)后期表層會嚴重剝落，導致抗凍性能明顯降低。

文獻[15]研究發(fā)現，經過300次凍融循環(huán)作用后，在不摻引氣劑的情況下，UHTCC材料依然可保持較好的力學性能，且發(fā)生的變形較小。

文獻[16-18]進一步對UHTCC材料抗凍融循環(huán)作用性能影響因素進行研究，發(fā)現纖維體積摻量和砂灰比對其影響更顯著，纖維種類的影響很小。

關于粉煤灰對UHTCC材料抗凍融循環(huán)性能的影響目前尚無定論。文獻[20]指出粉煤灰的摻入對UHTCC材料抗凍融循環(huán)性能的影響甚微。文獻[13]指出，粉煤灰對水泥基材料抗凍性的影響程度有待研究，認為水灰比的影響更顯著，其取值可基本確定砼的孔結構并決定砼的性能，孔隙率越大意味著砼的含水越多，在凍融循環(huán)作用下越易發(fā)生破壞；另外，微細孔能通過減小滲透水壓力，抑制負溫下冰晶的形成，從而提高砼的抗凍耐久性。

2 UHTCC的抗碳化性能

砼碳化是指空氣中的二氧化碳與砼中的堿性物質發(fā)生反應，導致砼pH值下降。砼是一種強堿性材料，在這種環(huán)境下，鋼筋表面的鈍化膜不會被腐蝕，但一旦環(huán)境中的堿性物質被消耗導致pH值下降，則鋼筋鈍化膜會發(fā)生破壞，鋼筋被銹蝕，從而造成材料耐久性下降。文獻[21]對UHTCC分別進行快速碳化和預裂后快速碳化試驗，探究不同齡期下UHTCC的抗碳化性能，結果表明無裂縫的UHTCC在抗碳化性能上的表現與相同強度的砼基本一致，但經過相同荷載的預裂處理后，在裂縫處UHTCC的碳化深度與無裂縫處相差不大，僅為同等強度砼碳化深度的30%～40%。

文獻[15]認為根據UHTCC材料中原材料的選擇及使用環(huán)境等進行必要研究很有必要，因為UHTCC材料中不摻粗骨料，但會摻入粉煤灰、礦渣等高活性材料以減少水泥用量，這會很大程度上影響UHTCC材料的抗碳化性能。

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3 UHTCC的抗?jié)B性能

砼具有復雜的多孔結構，水是最常見又最容易與砼接觸的介質，水分很容易通過孔隙進入砼內部，同時水又攜帶其他有害離子(Cl-、SO42-、Na+等)，會對砼內部造成侵蝕性破壞。因此，砼的抗?jié)B性能與其耐久性能密切相關。

文獻[15]發(fā)現，UHTCC在抗?jié)B透性能的各方面(抗水滲透性能、抗氯離子滲透性能和抗氯離子擴散性能)均顯著優(yōu)于同等強度的普通砼。

文獻[21]對UHTCC進行快速氯離子滲透試驗，并進行UHTCC滲透系數、氯離子滲透系數和自由氯離子含量測定，結果表明早期UHTCC的滲透系數為相同強度普通砼的35%左右，氯離子滲透系數與相同強度普通砼一致。但隨著齡期的增長，氯離子滲透系數明顯低于相同強度普通砼。

文獻[22-23]等指出UHTCC的抗?jié)B透性能優(yōu)良，且發(fā)生1.5%拉應變時的滲透系數仍與未發(fā)生開裂時的滲透系數在同一數量級上。文獻[24-26]等研究也證實了這一結論，還發(fā)現UHTCC達到應變硬化階段時抗?jié)B透性能仍然很好，且隨著養(yǎng)護齡期的增長，其抗?jié)B透性能會提高。

文獻[27]研究了不同拉應變(1.5%、2.0%、2.5%)、不同試件厚度(10、12、15 mm)情況下水的滲透能力，結果表明由于UHTCC具有對裂縫寬度的優(yōu)越控制能力，其在微裂縫狀態(tài)下仍保持著較好的抗?jié)B性能，且UHTCC在滲透過程中存在自愈現象，隨著滲透時間的增加，UHTCC的水滲透系數逐漸降低，在滲透初期滲透系數的下降幅度明顯，然后趨于穩(wěn)定。

文獻[28]指出，PVA纖維和基體材料之間界面處的微通道效應為氯離子的滲透提供了通道，如何改善PVA纖維界面并調整UHTCC配合比以提高其早期抗氯離子滲透性能，消除微通道效應需作更全面、更深入的研究。同時，由于使用粉煤灰等礦物摻合料，這些材料的水化過程和水化機理將對內部纖維和材料整體性能產生影響，也需進一步研究。

4 UHTCC的收縮徐變性能

文獻[29]將UHTCC應用到修補舊砼中，并對新舊砼體系的界面收縮性能展開研究，發(fā)現UHTCC可有效控制修補層的裂縫寬度，并控制裂縫寬度小于60 μm，基本滿足結構的正常使用需求。

文獻[30]通過對UHTCC及其基體在干縮過程中出現的裂縫進行觀測，發(fā)現盡管UHTCC及其基體的自由收縮值高于普通砼，但UHTCC可實現對裂縫發(fā)展的有效控制，大大降低裂縫寬度，裂縫寬度僅為普通砼的20%。

文獻[31]的研究結果表明，對于UHTCC材料，PVA纖維的摻入可使其基體在開裂過程中出現多縫開裂現象，并達到應變硬化效果。裂縫數量和寬度與基體材料的性能及PVA纖維摻量相關，PVA纖維體積摻量為1.5%時裂縫的控制效果最好，裂縫最大寬度小于40 μm，平均寬度小于20 μm，裂縫數量增加至未摻PVA纖維的5倍以上，滿足多縫開裂的基本性質。這也表明UHTCC具備良好的抗收縮、開裂的性能，有潛力應用于對耐久性能要求較高的砼結構中。

文獻[32]考察了纖維摻量對水泥基復合材料收縮性能的影響，發(fā)現纖維體積摻量對砼基體自由收縮沒有明顯影響，但纖維的摻入可有效提高水泥基復合材料的裂縫控制率，且可將裂縫最大寬度控制至小于40 μm，可視為無害裂縫。

文獻[33]對UHTCC的早期干燥收縮和抗裂性能進行研究，結果表明UHTCC的收縮產生在基體硬化早期，這與文獻[32]的結論一致；通過對比干、濕養(yǎng)護對UHTCC收縮的影響，發(fā)現雖然采用濕養(yǎng)護可避免UHTCC水分蒸發(fā)引起的收縮，但其收縮最終值會大大增加。

文獻[34]對UHTCC收縮及徐變特性進行研究，發(fā)現基體中的纖維滑移是引起UHTCC收縮徐變的主要來源。在相同荷載作用下，帶有裂縫的試件的徐變變形比未開裂的試件大得多；荷載的加載速率對UHTCC材料的韌性影響不大。

5 UHTCC包裹鋼筋的抗銹蝕能力

通常砼結構中的鋼筋是不會生銹的。但在某些條件下，由于砼pH值減小和有害介質侵入，會損壞鋼筋的鈍化膜，鋼筋與水和氧氣接觸并發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕后，由于鋼筋銹蝕產物的存在，會使鋼筋與砼之間的接觸面發(fā)生改變，同時鋼筋的體積膨脹可能導致砼開裂甚至剝落，從而使被銹蝕的鋼筋與砼之間的黏結性能不斷劣化，導致鋼筋與砼不能協(xié)同工作，結構承載力下降。

文獻[35]將UHTCC應用于鋼筋砼梁的保護層，并在受力側制作保護層厚度為15 (不包含受拉鋼筋)和50 mm(包含受拉鋼筋)的鋼筋砼/UHTCC復合梁和全梁，在人工加速銹蝕條件下使主筋銹蝕。結果表明UHTCC可延緩銹蝕的發(fā)生，實現延遲銹脹裂縫出現、限制銹脹裂縫寬度及保持銹蝕后構件較高的剛度和彎曲承載力。

文獻[36]通過電化學加速銹蝕方法對UHTCC-鋼筋拉拔試件進行快速銹蝕，通過直接拉拔試驗研究發(fā)生銹蝕后鋼筋與UHTCC的黏結性能。分析發(fā)現：腐蝕率小于2%時，銹蝕鋼筋與砼的最大平均結合應力逐漸增加，腐蝕率超過2%時迅速降低；UHTCC與鋼筋之間最大平均黏結應力在小于3%的范圍內保持線性增加，超過3%后基本上保持不變；UHTCC起到類似箍筋作用，對由銹脹產生的銹脹力具有良好的抑制作用。

6 疲勞荷載作用下UHTCC的耐久性能

在重復荷載作用下，結構(或部分構件)將產生重復應力和應變，以致在低于靜載強度下發(fā)生疲勞失效。疲勞荷載作用下的損傷是導致結構失效的主要因素之一，亦是引發(fā)結構耐久性破壞的重要原因。

文獻[37]通過對UHTCC梁進行彎曲疲勞試驗，確定在不同應力水平下UHTCC梁的疲勞壽命。結果表明：在疲勞荷載作用下，UHTCC會產生多條裂縫，隨應力水平降低，裂縫數目減少，變形能力減弱；在不同應力水平下，纖維的拔出破壞和拉斷破壞比例不同；低循環(huán)與高循環(huán)疲勞荷載循環(huán)作用下，UHTCC中PVA纖維發(fā)揮作用的程度有所不同，低循環(huán)時纖維以拉斷為主，高循環(huán)時纖維以拔出為主。

文獻[38]對PE、PVA及鋼纖維水泥基復合材料在疲勞荷載作用下的性能進行對比研究，發(fā)現PVA-UHTCC和PE-UHTCC的疲勞應力與壽命成雙線性函數關系，前者傾向于斷裂破壞，后者發(fā)展的裂縫數量更多且傾向于拔出破壞。

文獻[39]通過采用UHTCC修復老砼體系，分析新老砼之間界面特性對疲勞荷載作用下彎曲性能的影響，發(fā)現使用UHTCC修復后的體系不受新老砼特性的影響，且采用UHTCC作為路面覆蓋層時能有效避免路面反射裂縫產生的破壞。

7 結論與展望

根據對UHTCC耐久性能的已有研究，得出以下結論：1) 對比普通硅酸鹽水泥砼、引氣砼和鋼纖維砼，UHTCC材料的抗凍融循環(huán)性能最好，且在不摻引氣劑的情況下可滿足寒冷地區(qū)工程對抗凍的要求。2) 無裂縫的UHTCC碳化深度與同等強度普通砼基本相當，但經過預裂處理后的碳化深度僅為普通砼的30%～40%，有無粗骨料、外摻活性材料對UHTCC抗碳化性能有較大影響。3) UHTCC的抗?jié)B性能良好，滲透系數僅為同等強度普通砼的35%左右，且在1.5%拉應變或應變硬化階段都能保持較高水準；抗氯離子滲透系數明顯低于同強度等級的普通砼。4) UHTCC材料的自由收縮值比普通砼高，且對裂縫的控制率更高，最大寬度的裂縫仍屬于無害裂縫。5) UHTCC具有延緩銹蝕發(fā)生進程、延遲銹脹裂縫出現、限制銹脹裂縫寬度、保持銹蝕后構件較高剛度和彎曲承載力等優(yōu)勢。6) 疲勞荷載作用下，UHTCC材料仍以多縫開裂和應變硬化為主，纖維種類對其破壞模式有影響，PVA-UHTCC傾向于發(fā)生斷裂破壞，PE-UHTCC傾向于發(fā)生拔出破壞。

綜上，UHTCC作為一種新型水泥基復合材料展現出良好的力學性能和耐久性能，具有廣泛的應用前景，但仍需更深入的研究。研究可從以下幾方面進行：1) 因為UHTCC不使用粗骨料，且使用大量粉煤灰等活性物質替代水泥，這能節(jié)省水泥用量，但粉煤灰對UHTCC的耐久性能的影響不能確定，不同粉煤灰摻量對UHTCC結構耐久性的影響有待進一步研究。2) 中國已建造了大量鋼筋砼結構，且UHTCC材料價格昂貴，大規(guī)模取代普通砼是不可持續(xù)發(fā)展的，只能將UHTCC作為一種修補材料，以結構外包裹的方式提升現有建筑結構的耐久性。UHTCC與普通砼的界面黏結性能、包裹在UHTCC內的普通砼的耐久性均有待深入研究。3) 已有文獻未涉及關于UHTCC材料的堿-集料反應及這種反應造成的耐久性受損，也未研究UHTCC的沖磨侵蝕，而水壩中砼的沖磨侵蝕是影響結構耐久性的重要原因，相關研究也需進行。