工程水泥基復(fù)合材料及其應(yīng)用

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

一、引言

自從19世紀(jì)波特蘭水泥問世以來，水泥被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，為人類社會的進步與發(fā)展做出了重大的貢獻。幾個世紀(jì)以來，水泥混凝土應(yīng)用領(lǐng)域擴大，對混凝土性能要求也更高。傳統(tǒng)水泥混凝土主要存在以下缺點：①材料的脆性破壞②較低的抗拉強度③易開裂，且裂縫寬度大④帶縫工作所引起的鋼筋生銹、壽命縮短等問題。要從其材質(zhì)上改良是很困難的，不斷的翻修和重建也不是長遠的策略，因此新型水泥基復(fù)合材料的研究成為了當(dāng)今工程發(fā)展的主要方向。新型的水泥基復(fù)合材料既要改善傳統(tǒng)水泥混凝土的缺點，也要滿足當(dāng)今社會的發(fā)展趨勢——耐久、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展。

二、ECC材料的發(fā)展

ECC全稱Engineered，是上個世紀(jì)九十年代早期在美國密西根大學(xué)Li教授和麻省理工的Leung教授[1]在高等混凝土材料實驗室開展的研究，是一種具有超強韌性的亂向分布纖維增強水泥水泥基復(fù)合材料。通過微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)原理，對材料進行系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化。經(jīng)過試驗研究，ECC材料在纖維體積摻量2%時擁有極好的抗拉抗彎性能。

多年以來，科研學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識到傳統(tǒng)水泥基材料的缺點并開始著手改善。纖維在增加混凝土的強度，減少裂縫開裂等方面有顯著成效，因此學(xué)者研究出鋼纖維混凝土和聚丙烯混凝土，纖維摻量穩(wěn)定在2%左右，能夠在混凝土早期提供較強的強度和韌度，防止過早開裂，但在拉伸試驗中，開裂后的混凝土性能較差，長期使用性能差；后來，研究人員提高了纖維的摻量，研發(fā)出了高性能纖維混凝土，它開裂時體現(xiàn)出了準(zhǔn)應(yīng)變-硬化的特性，但由于纖維的含量非常高，不僅成本無法控制，施工的難易度也直線上升。

三、ECC材料特性及研究現(xiàn)狀

(一)受拉特性

ECC材料的應(yīng)變-硬化特性是指材料在繼續(xù)發(fā)生應(yīng)變必須增加應(yīng)力時，材料抵抗變形的能力明顯提高，能產(chǎn)生多條細而密的裂縫。

ECC材料在進行受拉試驗時，首先材料會在最大初始缺陷處出現(xiàn)初始裂紋，然后裂紋會依次出現(xiàn)在缺陷由大到小的缺陷處，最后初始裂紋處會出現(xiàn)貫穿整個材料界面的裂縫，即初始裂縫，初始裂縫出現(xiàn)后整個試件的承載能力急劇降低，然后馬上恢復(fù)至原先水平，這是由于材料中，摻入的纖維在裂縫處起到“橋接”作用，所以整體未受到裂縫的影響而出現(xiàn)承載力降低。

(二)受壓特性

ECC材料的受壓特性與普通高強混凝土相差不大，其抗壓強度大致為30-90MPa。普通混凝土的彈性模量相對于ECC材料的彈性模量更高。但抗壓應(yīng)變高于普通混凝土，由于ECC材料中摻入細紗和中砂，沒有粗骨料的加入。

(三)抗彎特性

普通水泥基材料韌性差，抗拉強度低，容易開裂等特點，摻入纖維在普通水泥混凝土中，可以在一定程度上改善普通水泥基材料的性脆，容易開裂的特點。ECC材料相較于普通水泥基材料也具有極好的抗彎特性。同拉伸試驗相似，四點彎曲試驗中，ECC材料還具有顯著的應(yīng)變硬化特性。

(四)抗剪性能及抗震性能

大量文獻表明[6-9]，PVA-ECC材料能夠顯著提高梁的抗剪承載能力，很大程度上是由于纖維的作用，纖維表面處理工藝以及纖維特性決定能否與水泥基形成良好的粘結(jié)作用。粘結(jié)強度增強，以及纖維在水泥基中的亂向分布狀態(tài)，可以較好的適應(yīng)彎矩和剪力的復(fù)雜應(yīng)力，有利于使結(jié)構(gòu)尺寸減小。

(五)其他性能

ECC材料不僅僅是在力學(xué)性能上的表現(xiàn)良好，在其他功能方面也十分優(yōu)異。①與鋼筋的協(xié)調(diào)變形。按照粘結(jié)滑移理論，在普通混凝土結(jié)構(gòu)中，一旦混凝土產(chǎn)生裂縫，將由鋼筋全部承擔(dān)拉力，而混凝土退出工作，鋼筋應(yīng)力的突然增加將導(dǎo)致裂縫的進一步擴大。

四、ECC材料的應(yīng)用

(一)加固維修材料

ECC材料仍然可用于加固維修材料，被廣泛的應(yīng)用于橋面、大壩、邊坡等場所，主要是因為其優(yōu)異的耐久性、變形能力和裂縫控制能力。在橋面維修中，ECC材料的裂縫在剛開始甚至不易發(fā)現(xiàn)，一年過后裂縫仍然維持在50μm的水平，而普通混凝土的裂縫較大，達到毫米級別，從一開始鋪筑到使用數(shù)年后，普通混凝土較于ECC材料的表現(xiàn)都較差；其應(yīng)用于大壩維修、邊坡填筑也是同樣的原理。

五、結(jié)論與展望

ECC材料由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在耐久性和裂縫控制方面也表現(xiàn)卓越，以及優(yōu)秀的施工性和環(huán)保性，使其作為一種工程材料，能夠較好的應(yīng)用于工程的各個領(lǐng)域。然而，依然有很多問題值得進一步討論：PVA有機纖維的成本還是過高，且國內(nèi)生產(chǎn)出的PVA并不能達到直接用在工程上的要求，這對國內(nèi)廠家和學(xué)者提出了挑戰(zhàn)；新的ECC材料的出現(xiàn)必然具有匹配的測試標(biāo)準(zhǔn)。盡快確立有關(guān)規(guī)范是推進ECC發(fā)展的重要環(huán)節(jié)；目前進行了較多的力學(xué)性能試驗，耐久性試驗進行較少，并且僅僅研究材料本身，材料與構(gòu)件結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系較少，材料同環(huán)境以及荷載的共同作用下研究不夠。