ECC材料的研究及應(yīng)用情況

楊昕碭

摘 要：ECC是Engineered Cementitious Composites的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種亂向分布纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有良好的物理力學(xué)性能，在安全性、耐久性、適用性等方面有著優(yōu)異的性能，可以很好的解決傳統(tǒng)混凝土由于易脆性、弱拉伸性而導(dǎo)致的各種缺陷，在橋梁道路施工、結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)等方面有著優(yōu)良的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ECC；抗拉性能；應(yīng)變硬化；工程應(yīng)用

混凝土是工程建設(shè)中用量較大的建筑材料之一，然而，混凝土抗拉強(qiáng)度低、韌性差等缺點(diǎn)限制了混凝土在工程中的應(yīng)用。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了確保人造設(shè)施和自然環(huán)境的和諧共處，需要混凝土材料滿足高延展性、高耐久性和可持續(xù)性的要求。因此，對(duì)高性能混凝土的研究成為工程中迫切的需要。提高混凝土性能的關(guān)鍵是提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、韌性及在各種荷載作用下的裂縫控制能力，目前國(guó)內(nèi)外就高性能混凝土的研究重點(diǎn)是在水泥基混凝土中添加適當(dāng)?shù)耐饧犹盍希愿纳苹炷恋淖冃文芰1]

1 ECC材料的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 ECC材料的提出

美國(guó)密歇根大學(xué)高等混凝土材料實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)90年代早期率先提出了ECC這種具有超高韌性的水泥基復(fù)合材料。ECC是基于細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)具有超強(qiáng)韌性的亂向分布短纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，主要以水泥、礦物摻合料以及平均粒徑不大于0.15mm的石英砂作為基體，用PE纖維（聚乙烯纖維）或PVA纖維（聚乙烯醇纖維）做增強(qiáng)材料，在纖維體積摻量為2%左右的情況下，其極限拉應(yīng)變能達(dá)到3%以上，具有明顯的應(yīng)變-硬化特性及多縫開(kāi)裂現(xiàn)象[2]。

1.2 ECC材料的性能

1.2.1 ECC抗拉性能

ECC與普通混凝土相比最大的優(yōu)點(diǎn)是它的抗拉性能，圖1展示的是一個(gè)典型的ECC單軸受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線。在初始裂縫生成之后，ECC進(jìn)入塑性變形階段，其間的應(yīng)變-硬化過(guò)程伴隨著微裂縫的不斷生成及發(fā)展，最終的極限拉應(yīng)變超過(guò)了5%，幾乎是普通混凝土的500倍。隨著荷載的增長(zhǎng)，在基體中最大初始缺陷尺寸所在截面上首先開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，第一條裂縫出現(xiàn)后，對(duì)應(yīng)試件的承載能力經(jīng)歷瞬間下降后馬上恢復(fù)，裂縫寬度很快穩(wěn)定在一個(gè)很細(xì)的尺寸上，之后出現(xiàn)第二條裂縫，如此重復(fù)多次，試件上最終呈現(xiàn)基本均勻分布的多條細(xì)密裂縫，每條裂縫的寬度接近，即使在極限荷載時(shí)（應(yīng)變?yōu)?%），裂縫寬度能夠保持在60μm，當(dāng)應(yīng)變小于1%時(shí)，裂縫寬度更小[3]。

1.2.2 ECC抗彎性能

ECC的抗彎性能與抗拉性能類(lèi)似，表現(xiàn)為極強(qiáng)的韌性和多縫開(kāi)裂性能?？箯澬阅芡ǔＳ盟狞c(diǎn)彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)如圖2所示。圖中ECC試件尺寸為304.8×76.2×12.2，極限撓度達(dá)22mm，是普通混凝土的40倍，而且彎曲過(guò)程有明顯的彎曲-硬化現(xiàn)象[4]。

1.2.3 ECC抗壓性能

ECC的抗壓性能與普通高強(qiáng)混凝土類(lèi)似。ECC的抗壓強(qiáng)度為30～90MPa，由于不含粗骨料，ECC的彈性模量低于普通混凝土，為20～25GPa。圖3是美國(guó)密歇根大學(xué)Wang等于2006年試驗(yàn)得到的采用典型配合比ECC-M45的圓柱體試件抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線圖。試驗(yàn)結(jié)果表明，前14d內(nèi)圓柱體抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)很快，14d齡期時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度大約為65MPa，14d之后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，8個(gè)月齡期時(shí)圓柱體的抗壓強(qiáng)度為75MPa[5]。在受壓過(guò)程中，因纖維的增韌作用，到達(dá)峰值荷載后，ECC周?chē)饾u凸出，而不是出現(xiàn)類(lèi)似普通混凝土試件被迅速壓碎的現(xiàn)象[6]。

2 ECC的應(yīng)用

由于ECC的優(yōu)良性能，可用于橋板、路面的修復(fù)或翻新，制作橋梁接頭、連接板，還可用于抗震結(jié)構(gòu)或鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)、高耐久性路面、地下建筑、混凝土管道、高耐久性保護(hù)層和耐久性修復(fù)材料等領(lǐng)域。而且，ECC材料可以泵送、自密實(shí)，也可以噴射，大大提高了工作效率，縮短工作時(shí)間。

比如日本北海道江別市美原大橋于2005年5月建成，它的主橋橋面板使用鋼材和ECC組合材料。ECC極高的韌性以及良好的裂縫控制能力很好的滿足了橋面板對(duì)適用性和耐久性的要求，ECC的應(yīng)用使橋面板的自重降低了40%，并將橋梁的預(yù)期使用壽命提高至100年，極大地提高了該橋梁的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

ECC作為一種具有優(yōu)良性能的新興復(fù)合材料，受到了廣泛關(guān)注，擁有廣闊的發(fā)展前景。目前 ECC在美國(guó)、日本和新加坡等國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究，并在實(shí)際工程中取得了良好的效果，而國(guó)內(nèi)對(duì)于ECC的研究尚處于起步的階段。因此，應(yīng)當(dāng)吸收和借鑒國(guó)外的先進(jìn)成果，結(jié)合國(guó)內(nèi)對(duì)新型材料的需要，對(duì)ECC進(jìn)行相關(guān)研究，希望能在ECC材料理論、產(chǎn)品制造、工程應(yīng)用等方面取得重大的突破。

參考文獻(xiàn)

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[4]SHUXIN WANG，VICTOR C L Polyvinyl alcohol fiber reinforced engineered cementitious composites [J]：Material Design and Performances，2003.

[5]Wang S，Li V C.Polyvinyl Alcohol Fiber Reinforced Engineered Cementitious Composites： Material Design and Performances[C] / / Fischer G，Li V C.Proc.Intl RILEM Workshop HPFRCC in Structural Applications.RILEM SARL，2006：65-73.

[6]Li V C.Concrete Construction Engineering Handbook[M].USA：CRC Press，2007.

[7]丁一.ECC材料的理論及應(yīng)用試驗(yàn)研究[D].北京：中冶集團(tuán)建筑研究總院，2008.