高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用

劉東

（山西振興公路監(jiān)理有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

ECC 有別于傳統(tǒng)的水泥基材料，具有較強(qiáng)的受拉變形能力，單軸拉伸的極限拉應(yīng)變?cè)?%以上，在受拉狀態(tài)下呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化行為。受拉伸破壞的影響，ECC 通常有多縫開裂的現(xiàn)象，與常規(guī)的水泥基材料有明顯的差異，即并非沿單條主裂縫破壞，而是出現(xiàn)多條小間距、小寬度的裂縫，結(jié)構(gòu)的受損范圍得到均攤，無明顯的集中破壞問題。

1 ECC 的發(fā)展及應(yīng)用概述

ECC 是一種纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，基于纖維、基體和界面進(jìn)行設(shè)計(jì)后產(chǎn)生。具體設(shè)計(jì)理念如圖1所示。

圖1 ECC 設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)混凝土的脆性問題飽受詬病，為改善其性能，工程技術(shù)人員進(jìn)行了深入的研究。在此背景下，高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，在拉伸荷載作用下呈現(xiàn)出突出的應(yīng)變硬化特性，較之于以往的傳統(tǒng)混凝土，受力性能大幅度提升。高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維體積摻量較高，因此此類材料在實(shí)際應(yīng)用中存在局限性。

例如，摻入量的控制難度較大、摻入材料的成本相對(duì)較高，且需要配套特殊的工藝，否則影響混凝土的性能。

ECC 是基于微觀力學(xué)的性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)而衍生出的材料，針對(duì)微觀結(jié)構(gòu)做出深入的優(yōu)化，充分兼顧纖維特性、基體特性和纖維/基體的界面特性及其之間的相互影響，構(gòu)建第一起裂應(yīng)力準(zhǔn)則和裂縫穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展準(zhǔn)則，以較小的纖維含量為前提，達(dá)到提升復(fù)合材料工程性能的效果（凸顯出應(yīng)變硬化效應(yīng)），為工程建設(shè)提供可靠的材料支持。

2 ECC 的基本特性

2.1 壓縮性

通過與傳統(tǒng)混凝土的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，ECC 的壓縮性能與之基本相當(dāng)，但彈性模量較小，在受壓破壞狀態(tài)下，具有良好的延性，如圖2 所示。

圖2 典型ECC 抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線

2.2 抗剪性能

無論是抗剪承載力還是剪切變形能力，ECC 均優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土。

2.3 耐久性

耐久性的高低在很大程度上取決于混凝土的抗?jié)B性、抗腐蝕性等多重性能，根據(jù)前述分析可知，ECC的受拉性能良好，意味著該類材料的抗裂性能突出。在受拉狀態(tài)下，多縫開裂，各裂縫的寬度相對(duì)較小，未構(gòu)成流動(dòng)渠道，外部環(huán)境中的水和氯離子等物質(zhì)無法進(jìn)入，由此也充分說明ECC 的抗?jié)B性能優(yōu)勢(shì)。不僅于此，ECC 還有抗碳化能力，即便受到電化學(xué)腐蝕作用，依然有足夠的穩(wěn)定性，即材料的抗腐蝕性能較佳。因此，ECC 的抗?jié)B性和抗腐蝕性進(jìn)一步保證了耐久性。

2.4 自愈合能力

ECC 出現(xiàn)裂縫后，寬度明顯減小，在外界環(huán)境作用下，將持續(xù)發(fā)生水化。此時(shí)可見部分白色晶體存在于裂縫內(nèi)，起到封堵的作用。經(jīng)一段時(shí)間后，裂縫恢復(fù)正常狀態(tài)。

3 ECC 應(yīng)用研究

ECC 作為保護(hù)層，在改善混凝土結(jié)構(gòu)性能方面有突出作用。得益于ECC 韌性和應(yīng)變硬化性能的優(yōu)勢(shì)，混凝土的穩(wěn)定性和耐久性得到保障，即便遇到極端環(huán)境，ECC 依然有良好的適應(yīng)性。相較于普通鋼筋混凝土，鋼筋增強(qiáng)的ECC 梁、柱及橋面連接板等部位的性能更加突出，在結(jié)構(gòu)承載力、循環(huán)荷載下的能量吸收效果均良好。因此，在工程建設(shè)中，應(yīng)用ECC 是可行的思路，有助于維持構(gòu)件的穩(wěn)定性，提升構(gòu)件的耐久性。

3.1 ECC 在橋面板鋪裝施工中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，我國(guó)鋼橋面鋪裝施工的可選材料較多，其中以環(huán)氧瀝青混凝土的應(yīng)用較為廣泛，但在承受重載時(shí)往往伴有明顯的疲勞破壞問題，后續(xù)維修的工作量較大。ECC 的延性和抗疲勞性能良好，能夠與鋼材穩(wěn)定黏結(jié)，并且在使用過程中可抵御外部因素的影響，有良好的抗腐蝕、抗?jié)B性能。除此之外，在ECC中加入適量的工業(yè)廢料后，有助于提高環(huán)保性，契合于節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代工程理念。在鋼橋面施工中應(yīng)用ECC，得益于該材料良好的自愈合能力，可保證橋面結(jié)構(gòu)的完整性。

以某橋梁為例，全長(zhǎng)972m，在橋上鋼板的瀝青覆蓋物中，約1/2 的厚度由ECC 代替。在采取該配置方式后，可削弱應(yīng)力的作用，保證橋面板有足夠的穩(wěn)定性。從施工工藝的角度來看，先在拌和站生產(chǎn)ECC，通過出廠質(zhì)量檢驗(yàn)后，用大型攪拌車盡快運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，做二次攪拌處理，而后用于澆筑施工。

3.2 ECC 作為保護(hù)層提高混凝土耐久性

受材料性能退化、荷載作用等內(nèi)外部因素的影響，部分處于設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的混凝土構(gòu)件出現(xiàn)破壞。在各類誘發(fā)破壞的原因中，以混凝土保護(hù)層的耐久性不足最為突出，保護(hù)層無法提供全面的保護(hù)功能，局部開裂，為侵蝕因子的進(jìn)入帶來通道。對(duì)于工業(yè)民用建筑，裂縫寬度小于0.05mm 時(shí)具備良好的防護(hù)能力。在工程的混凝土施工中，必須嚴(yán)格控制混凝土裂縫的寬度，增強(qiáng)防護(hù)效果，確保混凝土構(gòu)件有良好的耐久性。在混凝土構(gòu)件表面施工中，用ECC 取代適量的脆性混凝土，改善表面材料的性能，確保構(gòu)件不會(huì)由于約束收縮的存在而損傷開裂。構(gòu)件表面的ECC 保護(hù)層有足夠的厚度時(shí)，即便構(gòu)件受到強(qiáng)烈的外力作用，ECC 保護(hù)層仍可有效吸收能量或在較大程度上抑制能量，控制由于外力所致的裂縫發(fā)展趨勢(shì)，避免裂縫貫通。在ECC 保護(hù)層的防護(hù)作用下，混凝土表面的完整性得到保障，可阻止有害物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部，使混凝土結(jié)構(gòu)具有耐久性[1]。

3.3 ECC 在結(jié)構(gòu)減震中的應(yīng)用

ECC 兼具突出的拉伸韌性、高剪切延性，屬于良好的抗震材料。在現(xiàn)階段的工程實(shí)踐中，通常將ECC用于柱、梁、節(jié)點(diǎn)等較為關(guān)鍵的受力部位。實(shí)際結(jié)果顯示，若能夠合理應(yīng)用ECC，將顯著提高結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收能力，以免因地震或其他外部作用而受損。在對(duì)ECC 和鋼結(jié)構(gòu)做組合應(yīng)用時(shí)，兩者的黏結(jié)具有穩(wěn)定性，各自的變形達(dá)到相協(xié)調(diào)的狀態(tài)，由此避免ECC 從鋼結(jié)構(gòu)表面脫落的情況。

ECC-鋼筋復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收能力較強(qiáng)，因此減震效果明顯。在高層建筑的主框架施工中，若合理設(shè)置ECC-鋼筋復(fù)合結(jié)構(gòu)，將大幅度提高對(duì)能量的吸收能力，避免在地震作用下結(jié)構(gòu)明顯受損，震后的修補(bǔ)工作量也隨之減少。

3.4 ECC 在壩體表面修補(bǔ)中的應(yīng)用

ECC 的裂縫屬于規(guī)模較小的微裂縫，幾乎不存在滲透問題。例如，在某重力壩工程中，需針對(duì)下游壩體做加高處理，即由原本的33m 壩高增至44m。在施工中，對(duì)上游表面噴射了厚度為30mm 的ECC 保護(hù)層，可有效防護(hù)壩體結(jié)構(gòu)，使原本已經(jīng)受損的部位恢復(fù)完整。除此之外，按照特定的間距布設(shè)適量的鉸釘，在其連接作用下，使ECC 和底層混凝土穩(wěn)定結(jié)合，構(gòu)成完整的結(jié)構(gòu)體[2]。

3.5 ECC 在灌溉渠道表面修補(bǔ)中的應(yīng)用

某灌溉樞紐渠道，底板寬度1.5m，側(cè)墻高度1.1m，渠道表面粗骨料裸露，部分邊角區(qū)域有結(jié)構(gòu)受損問題，存在寬度約1mm、長(zhǎng)度約1m 的裂縫，底板局部剝落，石墻底部的填充砂漿由于缺乏足夠的黏結(jié)性能而脫落。

針對(duì)該渠道工程暴露的問題，采取相應(yīng)的處理措施：先用水沖洗底板表面，清理被破壞的砂漿；而后，制備適量?jī)?yōu)質(zhì)的砂漿，用于填充側(cè)墻上各石塊的接縫；用ECC 涂抹的方法修補(bǔ)渠道。在應(yīng)用ECC 進(jìn)行修補(bǔ)后，未見裂縫，表明修補(bǔ)效果良好。

3.6 ECC 在擋土墻表面修補(bǔ)中的應(yīng)用

ECC 在修補(bǔ)破碎混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)往往可取得良好的效果。某重力擋土墻的墻體由于存在較強(qiáng)烈的堿骨料反應(yīng)而形成裂縫。針對(duì)此病害，有關(guān)人員用環(huán)氧樹脂做灌漿處理，同時(shí)取適量的有機(jī)材料，刷涂墻體，但經(jīng)過幾年的使用后，局部仍有開裂問題。為此，決定采用噴射ECC 的方法。通過后期觀察發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用ECC 修補(bǔ)的部分均較為完整；修補(bǔ)后的10 個(gè)月和24個(gè)月，局部有小于0.05mm 和0.12mm 的裂縫，并且可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)部分區(qū)域形成了微縫網(wǎng)，總體來看修補(bǔ)效果較好，結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性得到保證。

3.7 ECC 在高架橋表面修補(bǔ)中的應(yīng)用

微縫結(jié)構(gòu)具有較低的滲透性，可有效延緩結(jié)構(gòu)的碳化，結(jié)構(gòu)的耐久性隨之提升。在鐵路高架橋的防碳化處理中，通常選用有機(jī)類的襯砌，但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，在交通荷載作用下，裂縫有擴(kuò)展的趨勢(shì)，可見襯砌有較為明顯的早期裂縫。針對(duì)該類裂縫問題，采用噴射ECC 的方法予以處理，并設(shè)置適量的鉸釘，以保證ECC 與底層混凝土穩(wěn)定黏結(jié)。為了準(zhǔn)確判斷ECC 在高架橋表面修補(bǔ)中的應(yīng)用效果，對(duì)梁體結(jié)構(gòu)施加小應(yīng)力幅度的交替荷載，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1700 萬次的交替荷載作用后，噴射ECC 的結(jié)構(gòu)雖然存在裂縫，但寬度僅為0.13mm，ECC 保護(hù)層厚度為0.25mm，前者僅為后者的一半左右。除此之外，組織加速碳化試驗(yàn)，結(jié)果顯示ECC 對(duì)混凝土表面碳化的抑制作用較強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在工程高質(zhì)量建設(shè)的浪潮下，部分傳統(tǒng)材料適應(yīng)性不足的問題逐步凸顯，此時(shí)探尋全新的優(yōu)質(zhì)材料至關(guān)重要。其中，ECC 頗具代表性，在提高建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量、修復(fù)既有結(jié)構(gòu)等方面均有突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，值得工程技術(shù)人員加強(qiáng)探索與應(yīng)用。當(dāng)然，ECC 仍有進(jìn)步的空間，后續(xù)同仁們?nèi)孕柙诖祟I(lǐng)域努力耕耘。