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1.北京建工新型建材科技股份有限公司，北京 102611；2.中国铁建投资集团有限公司，北京 100855；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044

随着高强度预应力体系不断发展，桥梁结构朝着轻质高强方向发展，对混凝土材料性能提出了更高要求［1］。超高性能混凝土是一种超细粒聚密材料与纤维增强技术相结合的高技术水泥基复合材料，其拉压强度超高，韧性明显，耐久性能极好［2-4］，可实现铁路桥梁结构轻型化，减小下部结构建设成本。我国有多条线路跨越海洋，桥梁结构不可避免地受氯离子的侵蚀作用，还可能遭遇干湿循环，因此有必要对UHPC构件在氯离子干湿循环作用下的性能进行研究。

李永强等［5］发现干湿循环能加快普通混凝土结构中氯离子的扩散速度，增加氯离子渗透深度和浓度，且水胶比越大干湿循环作用影响效果越明显。左国望、聂红宇［6-7］对不同宽度预制裂缝的普通混凝土梁进行氯离子溶液干湿循环试验，发现裂缝促进了氯离子的扩散。张弈［8］研究了横向裂缝影响氯离子运输模型，认为裂缝宽度是影响氯离子在混凝土中传输的重要因素。杨盛等［9］研究发现裂缝尺寸越大，氯离子扩散速度越大。Peng［10］发现NaCl溶液浓度越高，浸泡60 d或90 d后混凝土抗压强度越强，裂缝深度对混凝土抗压强度的影响最大，长度次之，裂缝宽度的影响最小。庞森等［11］研究发现不同程度初始损伤钢筋混凝土梁经历120次海水干湿循环后，其屈服荷载、极限荷载和延性均随初始荷载幅值的增加而降低。

既有研究表明，对于正常使用状态下带裂缝的混凝土构件，氯离子的侵蚀和干湿循环作用均会对构件的性能产生不良影响。对于带裂缝的UHPC构件，相关研究还十分缺乏。本文通过预裂加载使UHPC受弯构件产生裂缝，进行氯离子干湿循环和承载力试验，测量梁体在加载过程中的开裂荷载、破坏荷载、裂缝及挠度，研究带裂缝的UHPC梁在氯离子干湿循环作用下的梁体力学性能、氯离子渗透程度的变化情况及变化机理。

1 试验方案

1.1 原材料及试件制作

UHPC中，水泥、石英砂、硅粉、减水剂、水、钢纤维用量分别为706、1 250、200、30、154、158 kg/m3。其中，水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，烧失量Lc=0.5%；石英砂分为1.250~2.500 mm、0.630~1.250 mm、0.315~0.630 mm三个粒径范围，级配比例为2∶4∶1；硅粉密度2.214 g/cm3，平均粒径0.31 μm，SiO2含量为82.22%，烧失量Lb=1.45%；减水剂为聚羧酸高效减水剂；水为自来水；掺入长12~15 mm、直径0.22 mm的细圆形短钢纤维，其抗拉强度为2 800 MPa，体积掺量为2%。

试验构件为1 000 mm×150 mm×100 mm的矩形截面梁，共制作13个钢筋UHPC梁试件。梁体结构及配筋见图1。振捣成型1 d后拆模，放入蒸养箱，从室温20°C逐渐升至35°C后保持1 h，再依次升至50°C、65°C后分别保持1 h，最后升至75°C高温蒸养72 h。降温步骤与升温相反，降至室温后放入恒温恒湿实验室内养护28 d。同时，制作3个100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试块，28 d蒸养养护后测得试块抗压强度为131.95 MPa。

图1 梁体结构及配筋（单位：mm）

1.2 试验过程

采用30 t液压千斤顶进行加载。施加预裂荷载和测试力学性能时对构件进行三分点加载，在跨中形成400 mm的纯弯段，如图2所示。以每级2.5 kN分级加载。根据试验工况将13个试件分为3组。L-1组（3个试件）：直接进行弯曲加载破坏，获得无损梁的力学性能，作为带裂缝钢筋UHPC梁的对照组；L-2组（5个试件）：预制裂缝+氯离子干湿循环15次+加载破坏；L-3组（5个试件）：预制裂缝+氯离子干湿循环30次+加载破坏。

图2 构件加载示意（单位：mm）

对于L-2组和L-3组构件，试验步骤如下。

1）预制裂缝。对构件进行弯曲预裂加载，至梁上有多条裂纹且受拉钢筋重心水平处构件侧表面的混凝土最大裂缝宽度达到0.08~0.12 mm时停止加载。此时的荷载记为最大预裂荷载，用精度0.02 mm的裂缝观测仪测量裂缝宽度，记录裂缝条数，而后卸载。

2）锚固加载，再次打开裂缝。用自制锚具锚固梁体，通过旋转螺杆两端的螺母对梁体进行加载，使裂缝重新打开，如图3所示。用精度0.02 mm的裂缝观测仪测量重新打开后的裂缝宽度。

图3 梁体锚固及加载

3）干湿循环。将构件放入含5.0%（质量分数）NaCl溶液的试验箱中进行干湿循环试验。48 h为1个循环（浸泡24 h后干燥24 h）。

4）加载破坏。干湿循环试验结束后，将构件置于干燥处晾干2 d后进行弯曲承载力试验，逐级加载至破坏。破坏时记录极限荷载，测量裂缝宽度及条数、梁体跨中挠度。

L-1组仅进行步骤4中的加载破坏试验。

1.3 氯离子含量数据采集

构件破坏后，采用钻头直径8 mm的手持式电钻进行钻孔取粉。选取每根梁侧面主裂缝以及主裂缝两侧20、40 mm位置共5个断面，每个断面取4个测点，如图4所示。钻取各测点混凝土表层粉体以及裂缝处混凝土内部距表层5、20、35、50 mm处的粉体，采用氯离子含量快速测试仪检测氯离子含量。

图4 钻孔取粉测点位置（单位：mm）

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

试验测得的构件力学性能及氯离子含量见表1。其中，Wmax为梁体被锚固后、干湿循环前测得的裂缝宽度最大值。可知：

表1 构件力学性能及氯离子含量

1）氯离子干湿循环后，L-2组和L-3组构件的开裂荷载大多比初裂荷载有所提高，其中L-2-3开裂荷载提高最多，达60%。这说明干湿循环后钢筋UHPC梁抗裂性能有所提升。但是，构件L-2-5的开裂荷载大幅降低，这是因为该构件预裂时裂缝最大宽度达0.41 mm，超过0.35 mm，干湿循环无法起到修复作用，反而使其抗裂性大幅降低。

2）L-2组和L-3组极限荷载平均值分别为92.50、91.67 kN，比L-1组极限荷载平均值（75.00 kN）分别提高了23.33%和22.23%。这说明干湿循环后钢筋UHPC梁极限承载力有所提升。

3）L-2组和L-3组破坏时的跨中挠度平均值分别为2.74、3.02 mm，比L-1组破坏时的跨中挠度平均值（3.43 mm）分别减小了20.12%和11.95%。可见，经过预裂加载和干湿循环试验后，钢筋UHPC梁刚度提升，破坏时的变形降低。此外，经过15次氯离子干湿循环的L-2组破坏时的变形小于经过30次氯离子干湿循环的L-3组，说明梁体刚度的提升和干湿循环时间有关，干湿循环时间较长会使刚度有一定程度降低。

3组梁中典型构件的最终破坏裂缝形态见图5。可知：与没有预制裂缝的L-1组相比，破坏时L-2组的裂缝更多、更小、更密，而L-3组与L-1组差别不大。这说明干湿循环作用一定程度上可以使裂缝愈合，但干湿循环次数较多时愈合作用会降低。

图5 典型构件的最终破坏裂缝形态

2.2 氯离子含量

混凝土表层裂缝及两侧氯离子含量见图6。可知：对于L-2和L-3组不同裂缝宽度的构件，裂缝处氯离子含量均最大，且距裂缝越远氯离子含量越低，距裂缝20 mm以上时氯离子含量趋于稳定；氯离子在裂缝处沿梁体纵向扩散范围与裂缝宽度无关。水胶比为0.42的普通混凝土构件经过45个干湿循环后影响范围为30~50 mm［6］，大于UHPC梁裂缝两侧氯离子的扩散范围。这是由于UHPC材料具有高致密性，大大降低了氯离子沿UHPC梁裂缝表面向周围的扩散作用。

图6 混凝土表层裂缝及两侧氯离子含量

裂缝处氯离子含量沿深度的变化曲线见图7。可知：①深度越大，氯离子含量越低，混凝土表面25 mm以下氯离子含量基本趋于稳定。②Wmax小于0.15 mm时裂缝处氯离子含量较低且随深度变化不大，Wmax在0.15~0.25 mm时氯离子含量有一定增长，Wmax大于0.25 mm时氯离子含量有明显增长。这是因为UHPC具有致密性，且裂缝是通过加载得到的，形状不规则，裂缝宽度较小时氯离子难以沿裂缝扩散，而裂缝宽度较大时氯离子扩散顺畅，氯离子含量明显提高。文献［6］中两组普通混凝土构件在干湿循环后分别在30~35 mm和25~30 mm深度处趋于稳定。可见，UHPC氯离子向裂缝深处的扩散范围小于普通混凝土。

图7 裂缝处氯离子含量沿深度的变化曲线

综上可知，经过氯离子干湿循环试验，钢筋UHPC梁的抗裂性、承载力和刚度都得到提升。究其原因，这可能是因为配制UHPC时采用了超低水胶比，水泥颗粒未能充分水化，当UHPC梁浸泡在氯离子溶液中时发生了再次水化，修补了预制裂缝，提高了UHPC梁承载能力。为了验证干湿循环过程中UHPC是否发生了再水化，进一步探究干湿循环对UHPC梁的作用，对L-1组和L-2组试件顶部和裂缝周边的化学结合水进行测试，研究其水化程度差异。

3 结合水含量与承载力变化机理

利用电钻对梁体表层进行取粉。对L-1组的每根梁顶部取样2份；对L-2-1—L-2-4顶部取样2份、主裂缝两侧取样1份，共18份。样品过0.25 mm筛后装袋封闭。测量结合水含量时，用电子天平对每份样品称量5 g放入马弗炉中，升温至105℃后恒温4 h，然后取出冷却，测量得到样品质量m1。再次将样品放入马弗炉中，升温至950℃后恒温4 h，取出冷却，测量得到样品质量m2，根据UHPC配合比，此时样品中胶凝材料的质量m3=（906/2 498）m2，总胶凝材料中矿物掺合料的占比β=200/906=0.221。

结合文献［12-13］中的方法计算粉样中的化学结合水含量w，计算式为

计算可知，L-1组梁体顶部混凝土结合水含量平均值为9.57%，L-2组梁体顶部、裂缝两侧混凝土结合水含量平均值为10.09%、10.83%，分别比L-1组梁体顶部混凝土提高了5.43%和13.17%。可见，钢筋UHPC梁发生了再水化反应，并且裂缝周边比顶部混凝土发生的再水化反应更多，从而影响了梁体的承载力。

预裂加载使构件受到损伤，再水化表现为修复作用。一方面，预裂加载使构件产生了裂缝和变形，这对构件的耐久性等工作性能产生一定影响，不利于结构继续承载。另一方面，由于裂缝的存在，氯离子干湿循环时，水可以通过裂缝进入构件内部，与未水化的水泥颗粒发生再水化反应，将裂缝填满，增强了构件的致密性。由于构件浸泡在溶液中的时间较短，未发生过多再水化反应，不会产生过多的产物破坏构件，且钢筋未锈蚀，因此，再水化反应使构件的极限承载力得到提升。

4 结论

1）带裂缝的钢筋UHPC梁经过适当时间的氯离子干湿循环后，UHPC材料内部发生了再水化，提高了材料性能，构件的抗裂性、极限承载力和刚度都得到了一定程度的提升。

2）对于混凝土表层，UHPC梁裂缝处氯离子含量最大，远离裂缝处的氯离子含量逐渐降低并趋于平缓；氯离子在裂缝处沿梁体纵向扩散范围与裂缝宽度无关。

3）裂缝处距表层的深度越大，氯离子含量越低，表面25 mm以下氯离子含量基本趋于稳定；裂缝宽度越大，氯离子含量越高。

4）由于UHPC材料具有高致密性，氯离子从裂缝处沿梁体表面的扩散范围及向裂缝深处的扩散范围均低于普通混凝土。带裂缝的UHPC构件具有优良的抗氯离子渗透性能。

5）钢筋UHPC构件的初始裂缝宽度较小时，再水化作用可使初始裂缝基本愈合，承载力提升；当最大初始裂缝宽度超过0.35 mm时，再水化作用无法修复裂缝。