超高性能混凝土保护层厚度取值分析.pdf

第40 卷第5期2023年9月引用本文：徐港，文长城，王，青，等.超高性能混凝土保护层厚度取值分析 J.建筑科学与工程学报，2 0 2 3，40（5）：32-42.XU Gang,WEN Changcheng,WANG Qing,et al.Value analysis of UHPC cover thicknessJJ.Journal of Architecture and Civil Engineering,2023,40(5):32-42.D0I:10.19815/j.jace.2022.01015（1.三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室，湖北宜昌4430 0 2；2.三峡大学土木工程系，湖北宜昌4430 0 2）摘要：从结构的安全性、适用性、耐久性、耐火性出发，分析了影响超高性能混凝土（UHPC)保护层厚度取值的主要因素，包括黏结强度、裂缝、挠度、碳化、冻融、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、耐火性。在安全性方面，基于变形钢筋黏结强度的理论计算方法，得到了UHPC构件的最小保护层厚度，并试验检验了计算结果。在适用性方面，考虑了钢纤维对混凝土构件挠度和裂缝的影响，经过验算得到了保护层厚度最低要求。在耐久性方面，分别考虑了碳化、冻融、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀，借用已有公式计算出各类环境下的最小保护层厚度。在抵抗氯离子侵蚀方面，对不同环境进行了具体分析。此外，还对比分析了普通混凝土与UHPC的耐火性。最后，综合考虑安全性、适用性、耐久性、耐火性的要求，给出了UHPC保护层厚度取值的建议值。结果表明：当保护层不小于纵筋公称直径时，可保证UHPC构件的黏结强度，且最小保护层厚度可减小到普通混凝土的0.8 2 4倍以下；UHPC抵抗碳化和冻融作用的性能远优于普通混凝土，5mm厚的保护层能够满足UHPC构件100年内使用需求；UHPC的导热能力高于普通混凝土，应该增加UHPC构件的构造措施来满足其防火要求。关键词：超高性能混凝土；保护层；黏结力；碳化；氯离子；冻融中图分类号：TU528XU Gangl,WEN Changchengl2,WANG Qingl*2,BAO Haol*2,WANG Shengweil-?(1.Hubei Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation,China Three Gorges University,Yichang 443002,Hubei,China;2.Department of Civil Engineering,China Three GorgesAbstract:From the perspective of safety,applicability,durability and fire resistance,the mainfactors affecting the value of thickness of ultra-high performance concrete(UHPC)cover wasanalyzed,including bond strength,crack,deflection,carbonization,freeze-thaw,chloride ionpenetration,sulfate penetration and fire resistance.In terms of safety,the minimum coverthickness of UHPC components was calculated based on the theoretical calculation method ofbond strength of deformed reinforcement,and the calculation results were verified byexperiments.In terms of applicability,considering the influence of steel fiber on the deflectionsand cracks of concrete members,the minimum requirement of cover thickness can be obtained by收稿日期：2 0 2 2-0 1-0 5基金项目：国家级地方高校能源和环境材料化学学科创新引智基地项目（D20015)；土木工程防灾减灾湖北省引智创新示范基地项目（2 0 2 1EJD026）作者简介：徐港（197 4-)），男，工学博士，教授，博士生导师，E-mail：p o s t x g 16 3.c o m。建筑科学与工程学报Journal of Architecture and Civil Engineering超高性能混凝土保护层厚度取值分析徐港12,文长城1,王青12 ,鲍浩1-2,汪胜巍1.2文献标志码：A文章编号：16 7 3-2 0 49（2 0 2 3)0 5-0 0 32-11Value analysis of UHPC cover thicknessUniversity,Yichang 443002,Hubei,China)Vol.40No.5Sept.2023第5期checking calculation.In terms of durability,factors such as carbonation,freeze-thaw,chlorideion penetration and sulfate penetration were considered respectively,and the minimum coverthickness under various environments was calculated by using the existing formula.In terms ofresistance to chloride ion penetration,different environments were analyzed in detail.In addition,the fire resistance of ordinary concrete and UHPC was compared and analyzed.Finally,considering the requirements of safety,applicability,durability and fire resistance,therecommended value of UHPC cover thickness was given.The results show that the bond strengthof UHPC members can be guaranteed when the cover thickness is not less than the nominaldiameter of longitudinal reinforcement,and the minimum cover thickness can be reduced to notmore than O.824 times of the ordinary concrete.The performance of UHPC in resistingcarbonation and freeze-thaw is far better than that of ordinary concrete,and the cover of 5 mmthickness can meet the needs of UHPC members within 1oo years.The thermal conductivity ofUHPC is higher than that of ordinary concrete,and the structural measures of UHPCcomponents should be added to meet its fire protection requirements.Key words:UHPC;concrete cover;bond strength;carbonization;chloride ion;freeze-thaw0引言超高性能混凝土（UHPC)是一种具有超高强度、高韧性和优异耐久性的水泥基复合材料，在重载、大跨度、抗震、防爆和抗冲击结构中具有广阔的应用前景 1-2 。根据Sohail 等 3 的研究,与普通强度混凝土相比，UHPC中的氯离子扩散系数至少降低了3个数量级，从而延缓了钢筋开始锈蚀的时间。Moffatt等 L4研究了UHPC暴露在海洋环境长达21年的耐久性性能，监测结果表明，与典型高性能混凝土(HPC)和普通混凝土相比,UHPC的耐久性都有显著提高。另有研究表明,UHPC抗压强度不小于12 0 MPa，抗拉强度不小于5MPa5。因此，UHPC的强度和耐久性远远优于普通混凝土，基于这种新型材料设计出的构件和结构往往能够打破传统普通混凝土的某些限制，这使得国家标准委员会的通用设计标准受到了一定挑战?。根据混凝土结构设计规范（GB50010一20107，混凝土保护层是指结构构件中钢筋外边缘至构件表面范围用于保护钢筋的混凝土，简称保护层。保护层厚度的存在能够保证混凝土结构的安全性、适用性和耐久性 8-10 1,它既能为钢筋提供一定的黏结力，更能保护钢筋免于外界环境的直接侵蚀1-13。混凝土保护层的最小厚度与混凝土强度等级有关，但各国规范却没有针对具有超高强度和超高耐久性的UHPC保护层进行说明和特别考虑 14。中国的现行规范 7 规定，一类环境中混凝土保护层厚度最小值为15mm;BSEN1992-1-1:2004徐港，等：超高性能混凝土保护层厚度取值分析力强度因子显著增加。El-joukhadar等 2 1 研究了超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC)材料在氯化物环境中缓解钢筋腐蚀的效率，发现1倍和2 倍纵筋直径的UHPC保护层厚度仍然能有效减缓钢筋的腐蚀速率。Lv等 12 133规定混凝土保护层最小厚度为10 mm；A C I 318 R-19规定不考虑侵蚀环境时，保护层厚度最小可取9.53mm;CEB-FIPModelCode2010规定混凝土最小保护层厚度为10 mm。但这些规定已经不再适合UHPCL15，其保护层厚度的取值需要进一步的分析。Michaud等 16 利用2 8 个缺口梁试件在屈曲试验中评估了保护层厚度为1倍钢筋直径的UHPC构件的安全性，试验发现UHPC保护层未被胀裂。Citek等 17 分别研究了厚度为2 倍、1.5倍和1倍钢筋直径的UHPC保护层对预埋带肋钢筋的黏结性能的影响，结果表明这种薄的保护层足以保证构件的黏结力要求。Qiu等 18 对8 根UHPC梁的裂缝形态、裂缝间距和荷载裂缝宽度曲线进行了测试分析，发现减小UHPC保护层厚度有利于减小构件的平均裂缝间距和最大裂缝宽度。Luo等 19 研究了UHPC保护层厚度对UHPC轻型面板弯曲开裂行为（如裂缝宽度和裂缝间距)的影响，发现减小UH-PC保护层厚度可有效抑制UHPC层裂缝的发生和扩展。Pyo等 2 0 利用预开槽三点弯曲试件研究了UHPC的裂缝速度，结果表明在低加载速率下，钢纤维的存在显著减缓了裂纹扩展；此外，随着UH-PC中纤维体积掺量从0.5%增加到1.0%，临界应34通过加速电化学腐蚀、直接拉伸试验和声发射分析，研究了UHPC被氯离子侵蚀的情况，结果表明UHPC能较好抵抗氯离子的侵蚀，并且少量氯离子侵蚀能够增加钢纤维与砂浆之间的黏结力，使得UHPC开裂时不会出现较大的裂缝。Ahmad等 2 2 1研究了UHPC的耐火性，发现UHPC比普通混凝土更易发生高温爆裂和剥落。Li等 2 3 研究了UH-PC的热工性能，通过试验测定了UHPC的热工参数，发现UHPC的导热系数低于普通混凝土。以上研究已经取得了一定的研究成果，但缺乏系统性的研究与总结。因此，本文将从安全性、适用性、耐久性、耐火性等方面，对UHPC混凝土保护层厚度进行较为全面的总结和分析。1保护层厚度对黏结强度的影响1.1UHPC与普通混凝土的黏结强度对比根据文献 2 4 试验结果可知，在相同条件下，普通混凝土与钢筋的黏结应力为19.7 MPa,而UH-PC与钢筋的极限黏结应力为39.1MPa。根据文献25的试验结果可知，UHPC与钢筋的最大黏结强度可达到40.3 MPa，平均黏结强度也在3 5MPa以上。因此，在保护层厚度、锚固长度、钢筋直径等条件相同的情况下,UHPC与钢筋的黏结强度远大于普通混凝土。中心拉拔试验表明，当纵筋的保护层厚度小于其公称直径的4.5倍时，混凝土与钢筋的黏结强度随保护层厚度的增大而增大 2 6-2 8 。因此，混凝土保护层的厚度是决定混凝土构件中黏结强度上限的条件之一，而混凝土构件所需要的最大黏结力取决于钢筋中的轴力。假定普通混凝土构件与UHPC构件中的配筋相同，则两者所需的最大黏结强度是相同的，但UHPC与钢筋的黏结强度更大，因此适当减小保护层的厚度仍然能满足UHPC构件对黏结力的需求。1.2UHPC保护层厚度取值分析根据文献 2 9 ，混凝土与钢筋间的相互挤压力示意图如图1所示。图1中N为钢筋与混凝土之间的相互挤压力，力与T。为挤压力的分力。最终黏结强度与最大径向压力的关系为t=a+ptan(0)式中：t为最终黏结强度；为化学胶结力；0 为钢筋的肋面与水平面的夹角，如图1所示；p为钢筋周围混凝土受到的径向挤压力。式(1)中a与均为常量，Pmax为混凝土开裂前建筑科学与工程学报图1钢筋与混凝土间相互挤压力示意图Fig.1 Schematic diagram of extrusion force betweenlongitudinal reinforcement and concrete承受的最大挤压力，当ppmax时，t随着p的增大而增大；当ppmax时，混凝土构件发生劈裂破坏。因此，pmax决定了黏结强度的上限。pmax的值取决于混凝土抗拉强度、保护层厚度和受拉纵筋直径。根据文献 30 ，钢筋周围的混凝土受到的最大径向挤压力为pmax=f.(0.59式中：c。为受拉纵筋保护层厚度；Ra为钢筋公称半径；f为混凝土抗拉强度。UHPC的相对保护层厚度计算公式为Cs,UHPc/d=0.847pmax.UHPc/f.UHPc-0.076 3(3)式中：Cs.UHPc为UHPC构件中受拉纵筋保护层厚度；fi.uHPc为UHPC的抗拉强度；d为钢筋公称直径；Pmax.UHPc为UHPC开裂前承受的最大挤压力。假设钢筋在普通混凝土构件中受拉屈服时的黏结强度与在UHPC构件中黏结强度TuHPc相同，即t=tUHPC；由于化学胶结力较小，可认为钢筋与两种材料的化学胶结力相等，结合式（1)可知两者的法向压力相等，则 pmx=Pmax,UHC。根据规范 7，c、/d E1,4.5。同时，当混凝土强度等级小于C30时，构件的保护层厚度必须强制增加5mm。因此当相对保护层厚度cs/d=1时，混凝土的强度等级不能小于C30,则抗拉强度最小可取f.=1.43MPa，此时pmax取得最小值。当相对保护层厚度cs/d=4.5时，混凝土的强度等级为C50,f.=1.89MPa，此时pmax取得最大值。因此，pmaxUHPcE1.816 MPa,10.206MPa,将其代人式（3）可得cs.UHPc/dE0.355，2.345。1.3试验验证(1)为了验证上述理论计算结果的可靠性，浇筑了一批10 0 0 mmX500mmX20mm的UHPC板,并将板与伴随试件置于标准养护室，一起进行了2 8 d标养，然后测得伴随试件立方体抗压强度为12 6.6MPa，劈裂强度为12.30 MPa，抗折强度为15.362023年Rd+0.09)(2)第5期MPa，满足规范 5 对UHPC的相关规定。每块板都配置4根纵向钢筋，不配箍筋，纵筋为直径6 mm的HRB600级钢筋。HRB600级钢筋极限抗拉强度为1684MPa，屈服强度为148 6 MPa，弹性模量为2 0 0GPa。保护层厚度为6 mm和3mm，分别代表cs/d=1、c./d=0.5。U H PC的原材料包括P.O52.5水泥、硅灰（SF）、粉煤灰、石英砂、高效减水剂、镀铜微丝钢纤维。UHPC具体配料如表1所示。表1UHPC配合比Table1UHPC mix ratio各材料用量/%水胶比胶砂比水泥粉煤灰硅灰减水剂钢纤维0.161注：钢纤维掺量2%指占混凝土总体积的2%。试验时，采用螺旋千斤顶进行分级加载，加载过程中，使用PTS智能裂缝测宽仪测量每级荷载下的裂缝宽度，加载后裂缝如图2、3所示。图2 6 mm厚保护层的板破坏形态Fig.2 Plate failure pattern of 6 mm concrete cover图33mm厚保护层的板破坏形态Fig.3 Plate failure pattern of 3 mm concrete cover图2 中板的混凝土保护层厚度为6 mm，c s/d=1,直至被压坏，板的保护层始终未被胀裂，混凝土和钢筋间的黏结力是足够的。图3中板的混凝土保护层厚度为3mm，c./d=0.5,在加载过程中，钢筋出现纵向裂缝，如图中红圈所示，且保护层已经被胀裂，不满足实际需求。这与理论计算的结果不符，一方面，由于板中未配置箍筋，故而构件更易开裂；另一方面，试验中使用了HRB600级高强钢筋，它对黏结强度的要求更高。经过试验验证，纵筋保护层厚度取值为cs/d徐港，等：超高性能混凝土保护层厚度取值分析适用性分析2.1裂缝分析根据文献 31 对UHPC构件裂缝计算及修正方法，化简后得到UHPC保护层厚度c。的表达式为WmaxE,C.=1.51rVos.UHPC普通混凝土最大裂缝计算公式为5035351,实际的UHPC保护层厚度数值则是c减去箍筋直径。由于试验未设置保护层厚度为4mm和5mm的试验组,因而得到的结论偏保守。2运deq一0.0 42Pte152(4)220mx=a w F:(1.9c.08 la)Pte式中：c。为普通混凝土的纵筋保护层厚度；Wmax为最大裂缝限值；E，为钢筋弹性模量；os、O s.U H Pc 分别为普通混凝土和UHPC中纵向受拉钢筋的应力；deg为纵向受拉钢筋等效直径；pte为纵向受拉钢筋配筋率；cr为构件受力特征系数；亚为裂缝间纵向受拉钢筋的应变不均匀系数。将式（5）代人式（4)可得(1.258c.+0.053 m)-C=Os,UHPC根据文献 31,E0.162,0.655,在定Os,UHPC性分析时可取最大值0.6 55，代人式（6）可得c=0.824c 0.072 9 dPte由式（7）可以看出，当允许裂缝宽度相同时，UHPC的保护层厚度可以比普通混凝土小得多。2.2挠度分析根据规范 7 和文献 32 34 对超高性能混凝土梁刚度计算方法及修正方法的研究，可得长期荷载作用下UHPC梁的刚度B为亚B=E,A,ho/L(+0.1+(0.871+4.4%f(br-b)hrYf=bho式中：A为受拉纵筋面积;h。为截面的有效高度；为纵向受拉钢筋配筋率，对钢筋混凝土受弯构件，取为A。/（b h。）；为受拉翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值；E为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值;br、h t 分别为受拉区翼缘的宽度、高度；为考虑荷载长期对挠度增大的影响系数；b为矩形截面宽度，T形、I形截面后的腹板宽度。(5)E-0.042d(6)PtePte6s4.5E）(8)(9)(7)36将式（9）代人式（8）并化简可得(1.149亚+0.1B=E,A,/Lp(h从式（10)可知，相同工况下，假定构件的截面高度为定值，混凝土保护层减小，h。增大导致刚度B增大，会使得构件的挠度减小。3耐久性分析3.1环境作用类别结构的耐久性为结构在设计使用年限内正常工作的能力，它与结构自身因素和外部环境都有关 13.35。BSEN1992-1-1:2004考虑了碳化作用、氯离子侵蚀、冻融作用、其他化学物质侵蚀，将混凝土构件的所处环境划分为XO、XC 1XC 4、XD 1XD3、XS1XS3、XF1XF4、XA 1XA 3等18 个类别；ACI318R-19考虑了冻融作用、有害离子侵蚀对混凝土结构的影响，将混凝土构件所处环境分为FOF3、SO S3、W O W 2、CO C2 等14 个类别;CEB-FIP Model Code 2010采用了与 BS EN 1992-1-1:2004相同的标准，将混凝土所处环境划分为18类。混凝土结构设计规范（GB50010一2 0 10)将环境划分为一、二 a、二 b、三a、三b、四、五共7 个类别。综合各国规范，本文的环境类别划分及概况如表2 所示。表2 环境类别划分及概况Table 2Classification and overview ofenvironmental categories环境类别环境概况一干燥的大气环境三a非冻融的潮湿环境二b干湿交替冻融循环环境三a氯离子间接侵蚀环境三b氯离子直接侵蚀环境四海洋环境五受人为或自然的侵蚀性物质影响环境3.22一般大气环境一般大气环境包含一类和二a类环境，只需要分析碳化作用的影响。对于保护层的设计首先应该满足Ti+T,T式中：T1为保护层完全碳化所需要的时间；T为保护层完全碳化后钢筋锈蚀发生锈胀开裂所需要的时间；T为设计耐久年限 36 。参照规范 37，混凝土构件的设计耐久年限为建筑科学与工程学报4.5A,门bh+4.4ha(br-b)hf式中：Kk、K。、K m 分别为碳化系数、保护层厚度、局(10)部环境对钢筋开始锈蚀耐久年限的影响系数；H。、Hr、H a、H T、H r H、H m 分别为保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度、局部环境对混凝土保护层厚度锈胀开裂耐久年限的影响系数；t为各项影响系数为1.0 时构件自钢筋开始锈蚀到保护层锈胀开裂的时间。根据规范 37 ，混凝土碳化深度与时间的关系为(14)式中：。为混凝土碳化深度；k为混凝土碳化速度系数；t。为碳化时间。在实际情况下，混凝土的碳化系数不是一个常量，它与混凝土的抗压强度、水胶比以及所处的环境有关 38 。因此，根据文献 39中的数据，对抗压强度12 0 MPa的混凝土进行碳化速度系数推导。根据文献 39 中的表9.7,在相同条件下，UHPC与普通混凝土碳化深度如表3所示。表3不同等级混凝土碳化深度Table 3 Carbonation depth of different concrete混凝土等级91d碳化深度/mm根据式（14)计算出C120的UHPC碳化速度系数为0.2 0 0 mma-0.5。根据规范 37 的表5.2.2，数据拟合得到表达式Kk=2.275k-0.58，相关系数为1.00,可以计算出当k=0.200mma-0.5时，Kk=5.786；对于一般环境取局部环境系数m=1.2，根据表5.2.5线性插值得到Km=1.402；对于UHPC，立方体抗压强度不小于12 0 MPa，根据规范 37 的表5.3.3对室外墙板影响系数曲线进行拟合得到H=0.001f%237,相关系数为1.0 0，当feu=120MPa时取Hr=44.8;Ha取室外墙板的0.9 7;H取室外墙板的1.0 1;HR取室外墙板的0.9 7;m=1.2,Hm根据室外墙板数据的线性插值后取3.2 7 2；对于室外环境的t，最小取值为1.9。联立式（11）（14），并将上述系数取值代人，可得(11)当保护层厚度取5mm时，K。=0.54，H。取最小值0.3 1，则T148.6年，完全可以满足50 年、100年的设计使用寿命，故在一类和二a类环境中，UHPC保护层厚度最小取值为5mm。2023年Ti=15.2KkK.Km(12)T,=H.H,H.HHrHHmtr(13)C40C804.00.1T123.3K.+264.7HcC1000.1C1200.1(15)第5期3.3冻融环境对于二b类环境，根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T500822009)40，当质量损失率达到5%或者相对动弹性模量下降40%时认为结构失效。混凝土自然环境下工作寿命与实验室试验寿命关系为t=Kn/B式中：t为混凝土自然环境下工作寿命；n为实验室冻融循环次数；K为冻融循环系数，一般取12;B为自然环境中一年冻融循环次数，这里取最为严重的东北地区的数据，12 0 次 41-42 。经过计算，UHPC在自然条件下工作50、10 0年所受的冻融损伤与实验室冻融循环50 0、10 0 0 次的损伤相同，然而根据文献 39 中表9.3，C100混凝土实验室冻融12 0 0 次的质量损失为0,故UH-PC的保护层设计不需要单独考虑冻融环境的影响，在二b类环境下,UHPC保护层厚度与一类和二a类环境中相同。3.4氯离子侵蚀环境氯离子侵蚀环境包括三a类、三b类和四类环境，根据规范 37 ，在氯离子侵蚀条件下，混凝土保护层锈胀开裂的所需时间可按式（17）（2 0)计算。ter=ti+tet=()*X10-6+0.2t)KK=2 VDerf-1(1-Cte=i2te.0式中：K为氯离子侵蚀系数；ter为混凝土保护层锈胀开裂所需时间；t为混凝土保护层完全被侵蚀且钢筋开始锈蚀的时间；t。为钢筋开始锈蚀到保护层锈胀开裂所需时间；t1为混凝土表面氯离子浓度达到稳定值所需要的时间；D为氯离子扩散系数；Cer为钢筋锈蚀临界氯离子浓度；C。为混凝土构件表面氯离子浓度；1为混凝土保护层锈胀开裂时间修正系数；2为考虑多个锈坑及分布对保护层开裂时间的修正系数；te.o为不考虑锈蚀产物渗透迁移及锈坑位置修正的钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀开裂的时间，根据规范 37 表6.3.2 中南方墙板构件的数据进行曲线拟合，推导得到C120的UHPC的保护层厚度c与tc.o的关系式为te.。=0.18 4c 十4.0 98，线性相关系数为0.997；部分参数取值如表4所示。根据文献5、规范 37 和规范 43，可得UHPC和普通混凝土的Ccr和D,如表5所示。徐港，等：超高性能混凝土保护层厚度取值分析三at1/年10Cs/(kg m=3)3.201.05(16)32表5普通混凝土与UHPC的Cr和DTable 5 Cer and D of ordinary concrete and UHPC混凝土等级D/(m:a-1)C301.3C1202.1联立式（17）（2 0）可得c2tererf-1(1-4D将相关数据代人式（2 1)得0.399c2+0.232c+5.163ter=30.0935c+0.243c+5.4090.0311c+0.243c+5.409分别令ter为50、10 0 年，经计算并取整数可得3(17)类环境内UHPC保护层厚度取值，如表6 所示。表6 3类环境内UHPC保护层厚度取值(18)Table 6Thickness of UHPC cover in three types of(19)设计使用年限/年(20)环境类别保护层厚度/mm12表6 中对于四类环境保护层厚度的取值未考虑海水中硫酸盐的侵蚀。3.5硫酸盐侵蚀环境四类和五类环境存在硫酸盐侵蚀作用，当硫酸根离子侵人混凝土后将与水泥水化产物反应生成钙矾石，钙矾石体积膨胀使得混凝土开裂。因此，可直接将硫酸盐在结构服役期内的侵蚀深度作为保护层厚度最小取值 4。根据Geng等 45-8 的研究发现，硫酸盐侵蚀混凝土的规律基本上符合Fick第二扩散定律的描述，但是硫酸根离子的扩散系数却与多种因素相关，包括水灰比、硫酸根离子浓度、应力等因素。一方面，离子的扩散速率与离子的半径有关，离子半径越大，扩散速率越小L48，所以硫酸根离子比氯离子扩散更慢。另一方面，UHPC中掺加了活性矿物掺合料，37表4各类环境中的部分参数取值Table 4SSome parameter values in variousenvironments环境类别1.2Cer/(kg m-3)environment50三a三b四三a三b四2135三b5.871.101.2三a类环境三b类环境四类环境(22)1001731四019.001.101.25.36X10-46.31X10-6(21)5238有利于抵抗硫酸盐侵蚀，研究发现粉煤灰掺量为25%和45%的水泥制品比不含矿物掺合料的水泥制品膨胀更小 49。因此，在海洋环境下，硫酸根离子的侵蚀深度应该是小于氯离子侵蚀深度的。此外，氯离子的存在会对硫酸根离子侵蚀混凝土产生阻碍作用，且海洋中氯离子浓度比硫酸根离子浓度大几倍，根据文献44 可知海洋环境中C1-含量约为19.0 gL-1,SO-含量约为3.0 gL-1。因此在海洋环境中，不需要额外考虑硫酸根离子的侵蚀问题 44.49。将氯离子浓度代人式（2 1）可以得到，在海洋环境中，设计年限为50 年和10 0 年的UHPC构件的保护层厚度为35mm和52 mm。对于其他环境，例如人为的工业污水环境，其中可能存在大量硫酸根离子，而氯离子却很少，因此需要根据Fick第二定律和式(2 1)结合实际情况来计算，其中硫酸根离子扩散系数可以根据各国标准进行实测。4耐火性分析钢筋混凝土构件在火灾中失效的主要原因有两个：其一，混凝土由于高温而爆裂剥落；其二，钢筋在高温中软化使得混凝土构件整体承载力下降 38.2 。UHPC属于混凝土材料，也存在高温爆裂的风险，甚至较普通混凝土更容易发生爆裂，这是由于UH-PC中水泥和硅灰含量较大，内部孔隙少,增加了爆裂剥落的风险 2 2.50-51。根据Ahmad等 2 2 的研究，当UHPC内部温度升高到30 0 以上时便会发生爆裂和剥落。根据研究，混凝土中的钢筋一般在2 50 450 下开始软化 52 ，而火灾中明火造成的高温一般在32 0 40 0 2 2 。因此，设计UHPC保护层厚度时，需要根据建筑设计防火规范（GB500162014)53中的规定，保证在规定的时间内钢筋所处温度不达到2 50即可。混凝土导热系数越大，其内部温度上升越快，UHPC与普通混凝土导热系数如表7 所示。由表7 可知，UHPC导热系数的具体数值并没有统一的结论，不同学者测定的结果不尽相同。有人认为普通混凝土中骨料导热系数大，因此普通混凝土导热系数大于UHPC。还有人认为UHPC结构致密，并且包含钢纤维,UHPC导热系数应该大于普通混凝土。但分析UHPC保护层厚度的取值时发现，UHPC保护层不仅更薄，而且更易发生爆裂剥落。因此，在减小UHPC保护层厚度的同时，为了增强UHPC结构的耐火性,需要采取其他构造建筑科学与工程学报表7 UHPC和普通混凝土的导热系数(2 0 0）Table 7Thermal conductivity of UHPC andordinary concrete(200)墙体材料钢纤维掺量/%导热系数/W（m K)-111.58021.670UHPCC5.4341UHPCC5523UHPC562C40570措施，比如增加隔热层、保温层，以减缓内部升温速率。5保护层厚度建议值考虑到混凝土碳化反应的差异和构件的重要性，分平面构件（板、墙、壳)及杆状构件（梁、柱、杆）两类确定保护层厚度的建议值。杆状构件的保护层厚度在平面构件保护层厚度的基础上乘以1.3，并取整 7。同时，保护层厚度不得小于纵向受力钢筋的公称直径。因此，对于设计使用年限为50 年的UHPC构件，保护层最小厚度c建议值如表8 所示。表8 UHPC最小保护层厚度（50 年）Table 8Minimum cover thickness of UHPC(50 years)环境类别-、二 a、二 b三a三b四对于设计使用年限为10 0 年的UHPC构件，保护层厚度建议值如表9 所示。表9UHPC最小保护层厚度（10 0 年）Table 9Minimum cover thickness of UHPC(100 years)环境类别一、二 a,二 b三a三b四对比国内外最新的UHPC规范，发现法国规范 58-590 对于UHPC保护层提出了较为全面的规定，其保护层厚度的建议取值主要与环境类别、建筑类别有关，不考虑分构件类别的差异，在一四类环境2023年1.7201.7051.7871.8411.8002.2802.210c/mm板、墙、壳梁、柱、杆57121621283546c/mm板、墙、壳梁、柱、杆57172331415268第5期中，UHPC保护层厚度的取值范围分别为515mm、10 15 m m、10 2 5m m、15 2 5 m m。其中一类、二类环境建议值与本文大致相当，但三类、四类环境的建议值比本文更小，可能与该规范规定的UHPC最低立方体抗压强度为145MPa有关，高于中国规范 51中UHPC强度不低于12 0 MPa的要求。6结语（1)当保护层厚度不小于纵筋的公称直径时，UHPC与钢筋的黏结强度能够满足安全性要求。（2)当允许裂缝宽度相同时，UHPC保护层厚度可以减小到普通混凝土保护层的0.8 2 4倍以下，有利于减小构件的挠度和截面尺寸。(3)在相同的环境作用下，UHPC保护层厚度可减小到普通混凝土的1/31/2。参考文献：References:1陈宝春，韦建刚，苏家战，等.超高性能混凝土应用进展 J.建筑科学与工程学报，2 0 19，36（2）：10-2 0.CHEN Baochun,WEI Jiangang,SU Jiazhan,et al.State-of-the-art progress on application of ultra-highperformance concreteJJ.Journal of Architecture andCivil Engineering,2019,36(2):10-20.2 M A F D,D ENG M K,FA N H K,e t a l.St u d y o n t h elap-splice behavior of post-yield deformed steel bars inultra high performance concreteJ.Construction andBuilding Materials,2020,262:120611.3SSOHAIL M G,KAHRAMAN R,AL NUAIMI N,et al.Durability characteristics of high and ultra-highperformance concretesJ.Journal of Building Engi-neering,2021,33:101669.4MOFFATT E G,THOMAS M D A,FAHIM A,et al.Performance of ultra-high-performance concretein harsh marine environment for 21 years JJ.ACIMaterials Journal,2020,117(5):105-112.5超高性能混凝土（UHPC）技术要求：T/CECS101072020S.北京：中国标准出版社，2 0 2 0.Technical requirements for ultra high performanceconcrete:T/CECS101072020S.Beijing:Stand-ards Press of China,2020.6 K H A K SEFI D I S,G H A L EH NO VI M,D E BR I T O J.Bond behaviour of high-strength steel rebars in nor-mal（NSC）a n d u l t r a-h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e