高延性纖維增強水泥基復合材料的發(fā)展及應用

唐 勇 李 旭

（1.天津市市政工程設計研究院重慶分院，重慶 404100；2.重慶渝發(fā)建設有限公司，重慶 400024）

1 ECC簡介及特點

高延性纖維增強水泥基復合材料，英文為Engineered Cementitious Composite，簡稱ECC，是指基于微觀力學和斷裂力學對纖維、基體和界面進行設計、通過纖維增強的復合材料。自1990年密歇根大學的Li教授提出以來，多國學者已對其各項性能和工程應用做了大量研究。ECC在不同國家的叫法有所不同，在我國也有人稱其為“超高韌性水泥基復合材料”，即Ultra High Toughness Cementitious Composite，簡稱UHTCC。

ECC與傳統(tǒng)水泥基材料最大的不同就是其拉伸性能。ECC材料具有超強的受拉變形能力，在單軸拉伸情況下其極限拉應變可超過3%；同時，在受拉時表現(xiàn)為類似于金屬材料才有的應變硬化行為，稱為ECC的偽應變硬化；ECC材料在拉伸破壞時表現(xiàn)為多縫開裂，與傳統(tǒng)水泥基材料拉伸破壞時沿單條主裂縫破壞不同，ECC受拉時裂縫寬度小、間距小，最終表現(xiàn)為多條裂縫達到指定寬度而破壞。這些良好的拉伸性能正是對纖維、基體和界面設計的結(jié)果。

除了良好的拉伸性能外，ECC其他方面的特性：（1）壓縮特性。ECC材料壓縮性能與傳統(tǒng)混凝土類似，但ECC的彈性模量較小，受壓變形能力較大，受壓破壞時表現(xiàn)出很好的延性。（2）抗剪性能。不同于混凝土剪切破壞時的脆性破壞，ECC材料剪切破壞時為典型的延性破壞，抗剪承載力以及剪切變形能力都遠強于混凝土。（3）耐久性。耐久性是抗裂性、抗?jié)B性和抗腐蝕性等多方面性能的綜合。前述ECC良好的受拉性能即良好的抗裂性；受拉多縫開裂，裂縫寬度小，使得外界的水和氯離子等無法滲入，即很好的抗?jié)B性；研究表明ECC還具有很好的抗碳化能力，在受電化學腐蝕后仍能保持很好的力學性能，即很好的抗腐蝕性。（4）自愈合能力。由于ECC組分以及裂縫寬度小的原因，在暴露于室外工作環(huán)境經(jīng)過一段時間后，由于ECC繼續(xù)水化，在裂縫中會產(chǎn)生白色晶體堵住裂縫，且研究證明愈合后的裂縫具有一定的承載能力。（5）可持續(xù)性。結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性包括結(jié)構(gòu)對環(huán)境的影響，也包括在結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)的社會經(jīng)濟成本。密歇根大學綜合多個學科構(gòu)件模型對ECC結(jié)構(gòu)進行了評估，結(jié)果表明使用ECC的結(jié)構(gòu)其生命周期內(nèi)的成本低于混凝土結(jié)構(gòu)；ECC材料由于其組分的原因本身就屬于一種環(huán)保材料。ECC材料具有很好的可持續(xù)性。

ECC不含粗骨料，通過纖維的連接作用增強基體。摻入纖維一般為聚乙烯醇PVA纖維，經(jīng)過設計可使纖維的摻量在2%左右，使其更具經(jīng)濟性。近年來也有研究人員使用成本更低的聚乙烯PE纖維，結(jié)果表明效果也很好。除了水泥以外，ECC的原料中還含有粉煤灰，使得其更環(huán)保經(jīng)濟。還可以通過添加其他原料，來實現(xiàn)多種特殊性能或來滿足具體要求，這也是近年來對于ECC研究的一個熱點。

2 幾種新型具有特殊性能的ECC

2.1 可噴射型抗火ECC

隨著結(jié)構(gòu)越來越向大跨、高聳發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應用越來越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)的抗火一直是個大問題，傳統(tǒng)應用于鋼結(jié)構(gòu)的抗火涂料韌性差，雖然在結(jié)構(gòu)的正常使用階段可以一定程度上增加鋼結(jié)構(gòu)的抗火能力，但在極端狀況下，如地震、爆炸等沖擊荷載下會從鋼結(jié)構(gòu)表面剝落，使鋼結(jié)構(gòu)直接暴露于火災中，嚴重影響結(jié)構(gòu)安全，發(fā)生于2001年的911事件就是一個慘痛的例子。為解決這個問題，近兩年有研究人員研發(fā)了一種可噴射型的抗火ECC。通過在傳統(tǒng)ECC中添加蛭石和細小玻璃泡，并用價格更低的PE纖維代替PVA纖維，得到可噴射的抗火ECC。此ECC可噴射性好，與鋼結(jié)構(gòu)的粘結(jié)能力遠遠強于傳統(tǒng)防火涂料，其抗火能力也可與傳統(tǒng)防火涂料相當，有很好的應用前景。

2.2 可3D打印ECC

混凝土的3D打印是施工行業(yè)最認可的方法，而傳統(tǒng)普通混凝土這種材料由于在抗拉方面的缺陷以及本身的脆性，使其在作為3D打印材料時不可避免地需要鋼筋來加勁。鋼筋的參與不僅限制了3D打印技術(shù)的自由性，同時也增加了打印施工本身的難度，這樣打印出來的建筑物或構(gòu)筑物也不可避免地具有傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的許多缺點，易開裂以及由開裂引起的鋼筋銹蝕，具有嚴重的耐久性問題以及可持續(xù)性問題。而普通 ECC 材料雖然能克服傳統(tǒng)普通混凝土在耐久性、可持續(xù)性等多方面的問題，但由于其本身具有較高的流動性，凝結(jié)硬化也需要較長時間，使得普通ECC也不宜作為3D打印的材料。為了解決這些問題，可3D打印的ECC材料應運而生。這種ECC除了波特蘭水泥、粉煤灰和PVA纖維外，還添加了一定量的鋁酸鈣水泥、微硅、凹凸棒納米粘土和粉煤灰空心球。使得其在打印設備中有良好的可流動性，能順利地通過打印設備中的各種管道和泵送設備，又能在離開打印設備后能在很短的時間內(nèi)凝結(jié)硬化，便于成型；同時具有很好的觸變性，當在打印設備中收到剪切力攪拌力時能流動，離開打印設備不受力時又不易流動；在滿足觸變性的同時還不發(fā)生離析，保證了ECC原有的優(yōu)良性質(zhì)。隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)行業(yè)越來越趨向于自動化和裝配化，這種ECC的應用前景也會越來越廣。

2.3 自密實ECC

傳統(tǒng)ECC拌合物流動性差，在澆筑時需要一定的施工工序，影響施工速度，還容易出現(xiàn)纖維分布不均的問題。Li教授等人通過對減水劑進行優(yōu)化，并添加一定量的羥丙基甲基纖維素，得到了可以自密實的ECC。試驗證明，這種ECC在新鮮狀態(tài)的拌合物具有很好的流動性和理想的黏度，使得其在施工時不用外界振搗就可密實，同時纖維與基體不會發(fā)生離析，有很大的工程應用潛力。

此外，還有防水ECC、綠色環(huán)保ECC、輕質(zhì)ECC等，以滿足不同的工程需要。

3 ECC的應用

3.1 ECC用于結(jié)構(gòu)修復

位于美國密歇根州，一座建成于1976年的簡支梁橋，橋面瀝青鋪裝老化嚴重，鋼筋混凝土橋面板也有一定程度損傷，嚴重影響交通。通過對瀝青老化部分橋面板進行清理，然后分別用ECC和混凝土進行鋪裝來作對比。修復后4個月，用ECC修復部分僅在ECC表明產(chǎn)生不影響使用的細微裂縫，而用混凝土修復部分裂縫比較明顯。修復后10個月，ECC修復部分仍然完好，裂縫寬度無明顯增加，而用混凝土修復部分已破壞較嚴重。

2003年日本使用ECC對廣島地區(qū)一表面受損的水壩進行修復，在受損水壩表面噴射ECC，修復后明顯減少了大壩的維修次數(shù)和維修費用。

3.2 ECC作為橋面聯(lián)結(jié)板

使用橋面聯(lián)結(jié)板可有效防止橋梁伸縮縫的病害，但仍存在一些問題。例如在溫差變化較大時，鋼筋混凝土聯(lián)結(jié)板會由于兩端板的較大變形而開裂，若因此提高聯(lián)結(jié)板的配筋率又會影響橋梁受力。為解決上述問題，研究人員指出用ECC作為聯(lián)結(jié)板。這一結(jié)構(gòu)也已在美國一座跨簡支梁橋中得到應用，被證實有很好的效果。

3.3 ECC在抗震領(lǐng)域的應用

ECC具有高拉伸韌性、高剪切延性和高能量吸收能力，是理想的抗震材料。對將ECC應用于抗震的研究非常多，包括應用ECC的柱、梁和節(jié)點等，都證實了ECC在地震中很好的能量吸收能力。同時ECC與鋼結(jié)構(gòu)組合時，由于ECC的變形能力，使得其能與鋼的變形協(xié)調(diào)，不會從鋼結(jié)構(gòu)表面脫落。此外，還有基于ECC的抗震框架結(jié)構(gòu)，建于2007年的日本橫濱Nabeaure大廈就是使用了ECC 作為連梁的結(jié)構(gòu)體系。

3.4 ECC應用于鋼橋面鋪裝

目前我國鋼橋面鋪裝使用最多的還是環(huán)氧瀝青混凝土，但環(huán)氧瀝青混凝土價格昂貴，在承受重載時疲勞破壞問題嚴重，維修次數(shù)多，維修費用大。ECC材料具有很好的延性和抗疲勞性能，且與鋼材黏結(jié)性能好、抗腐蝕抗?jié)B能力強。有研究人員提出將ECC應用于鋼橋面鋪裝，并通過在ECC中加入工業(yè)廢料提升ECC的環(huán)保性和經(jīng)濟性，并通過試驗驗證將ECC應用于鋼橋面時，ECC的自愈合能力還會進一步提升其作為橋面鋪裝材料的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

ECC材料已不算是新型材料，關(guān)于ECC的研究也已經(jīng)非常多，盡管優(yōu)點諸多，但在我國幾乎沒有真正應用，存在很多原因，其中很重要的就是我國目前尚沒有生產(chǎn)ECC成品的商家，若私人拌制ECC，原材料和配合比對最終產(chǎn)品的性能影響較大。與ECC性能較類似的另一種纖維混凝土UHPC，已經(jīng)有很多出售UHPC成品的商家，盡管UHPC的價格是ECC的幾倍，但仍有很多大橋的鋪裝和聯(lián)結(jié)部位采用，效果也非?？捎^。綜合看來，ECC在我國還有非常大的應用空間。