工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)耐久性能研究進(jìn)展及應(yīng)用

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(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.中化二建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030021)

引言

普通水泥基材料的抗壓強(qiáng)度高但抗拉強(qiáng)度低、易開裂，很難單獨(dú)應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在土木工程領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。但混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層在受到外部環(huán)境作用時(shí)易開裂，使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量的裂縫，寬大的裂縫會加速有害物質(zhì)的侵入，從而加快結(jié)構(gòu)的老化，引起嚴(yán)重的耐久性問題。同時(shí)還加大了結(jié)構(gòu)反復(fù)維修的費(fèi)用，也縮短了結(jié)構(gòu)的使用壽命。

提高結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵是改善材料的脆性，提高其韌性，從而有效地抑制裂縫的形成和發(fā)展。工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)具有較高的延性和裂縫控制能力，大大改善了水泥基材料的抗裂性能[1]，是有望解決工程結(jié)構(gòu)耐久性問題的一種新型建筑材料。

1 工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)

工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)是由美國密歇根大學(xué)LiVC等[2]以斷裂力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)基本原理為指導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)而成，本身不含粗骨料，以纖維為增強(qiáng)材料。其在單軸拉伸荷載作用下的極限拉應(yīng)變可以穩(wěn)定達(dá)到3%以上，具有應(yīng)變硬化特性和良好的裂縫控制能力[3]，它的韌性與鋁合金非常相似[4]。圖1為PVA纖維體積摻量為2%的ECC在單軸拉伸荷載作用下的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 典型ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和裂縫寬度發(fā)展圖[5]

從圖1可以看出，進(jìn)入非彈性階段后，無論拉應(yīng)變?nèi)绾?，試件表面的裂縫寬度總是維持在60μm左右，彈性階段裂縫寬度更小。拉伸應(yīng)變達(dá)到3%以上后，試件表面產(chǎn)生大量的細(xì)密裂紋；超過極限應(yīng)變量后，進(jìn)入軟化階段并斷裂。ECC細(xì)密裂縫寬度特性是由材料自身的性質(zhì)決定的，與是否配鋼筋和配筋多少并沒有關(guān)系，因而本身具有高延性[5]，是提高結(jié)構(gòu)耐久性的新型材料。

2 ECC耐久性能試驗(yàn)研究

2.1 抗收縮性能試驗(yàn)

水泥材料的收縮性能是耐久性的一個(gè)重要方面。水泥的收縮主要指干燥收縮，因混凝土中水泥漿體含量較大，由于內(nèi)部纖維的粘結(jié)作用，ECC的干燥收縮比相同環(huán)境條件下的普通混凝土提高了大約80%。但是，較高的干燥收縮并不會引起寬大裂縫的產(chǎn)生[6]。趙鐵軍等[7]的試驗(yàn)表明：摻入PVA纖維的ECC，限制收縮開裂性能指標(biāo)明顯高于基體，纖維體積摻量為1.5%時(shí)，最大寬度可以控制在40μm以內(nèi)，平均寬度控制在20μm。提高纖維摻量，裂縫控制率增幅不大，卻能更有效地降低材料的最大開裂寬度。其原因一方面在于纖維的橋接和阻裂作用，使得試件內(nèi)部應(yīng)力能穩(wěn)定地傳遞并擴(kuò)散。另一方面，纖維可以擠壓甚至阻塞砂漿內(nèi)的毛細(xì)管，使砂漿表面失水面積減少，水分遷移困難，降低毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)張力。

2.2 抗凍融性能試驗(yàn)

地處嚴(yán)寒潮濕狀況下的混凝土結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物，經(jīng)多次凍融循環(huán)破壞作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)部易產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)部損傷，致使強(qiáng)度降低。如果凍融病害作用在路面上，會引起表面剝蝕和大量裂紋產(chǎn)生，作用在橋梁中會引起混凝土面層開裂、砂漿的剝蝕與粗骨料外露，以及鋼筋外露、銹蝕等[8]。張士萍等[9]的試驗(yàn)研究表明：加入引氣劑可以增加混凝土內(nèi)部含氣量，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，是提高混凝土抗凍性能最為快捷有效的捷徑。但若含氣量控制不當(dāng)，又會對混凝土的性能帶來不利影響，從而威脅混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[10]。通過對ECC的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大提高了材料的致密程度和抗裂性能，是具有較強(qiáng)抗凍融循環(huán)性能的復(fù)合材料。

徐世烺等[11]對ECC(作者稱之為UHTCC)的抗凍性能進(jìn)行了深入的研究，試驗(yàn)研究表明：經(jīng)300次凍融循環(huán)后，ECC的彎曲抗拉強(qiáng)度略有下降，而相同強(qiáng)度等級的混凝土和鋼纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度則幾乎喪失殆盡。ECC即使不摻引氣劑，在寒冷地區(qū)凍融循環(huán)作用下仍表現(xiàn)出良好的應(yīng)變硬化性能。劉曙光等[12]的研究表明：摻入適量PVA纖維的ECC試件，在氯鹽環(huán)境與凍融循環(huán)共同作用下具有較強(qiáng)的抗剝落能力和極限拉伸應(yīng)變，表現(xiàn)出良好的抗凍融性能。

2.3 抗疲勞性能試驗(yàn)

影響疲勞性能的因素很多，如材料組成、疲勞荷載種類、試件大小和形狀等。在環(huán)境和機(jī)械荷載作用下，基礎(chǔ)設(shè)施的老化原因是錯綜復(fù)雜的。對于道路來講，其破壞通常是由表面的開裂開始的，車輛行駛造成的疲勞荷載往往又使開裂更為嚴(yán)重。KimYY等[13]在對足尺橋梁連接板的彎曲疲勞試驗(yàn)研究中指出：ECC與普通混凝土不同，疲勞荷載的作用不會增加裂縫的寬度。圖2是不同循環(huán)次數(shù)裂紋的開展情況，從圖2可以看出，普通混凝土連接板在4萬次加卸載循環(huán)后裂縫寬度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)而突然增大，10萬次加卸載循環(huán)后裂縫寬度超過0.6mm。而ECC連接板裂縫寬度始終保持在50μm左右。

LeungCKY等[14]對復(fù)合梁彎曲疲勞性能的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：用ECC替代部分受拉區(qū)混凝土能夠有效地提高疲勞強(qiáng)度，延長疲勞壽命，且ECC厚度越大，其增強(qiáng)效果越明顯，ECC替代混凝土對構(gòu)件的疲勞性能具有顯著的增強(qiáng)作用。

圖2 疲勞加載條件下連接板裂紋寬度的發(fā)展[13]

2.4 抗?jié)B性能試驗(yàn)

混凝土保護(hù)層的傳輸性質(zhì)可使侵蝕性介質(zhì)滲透至鋼筋，從而引起鋼筋銹蝕，傳輸機(jī)制包括滲透、擴(kuò)散和毛細(xì)吸附[5]。物質(zhì)傳輸性能的大小，一方面取決于水泥基材料本身抵抗有害介質(zhì)的能力，另一方面取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的開展程度。開裂后混凝土的滲透性是裂縫寬度的3次方，裂縫寬度<100μm的裂縫對水泥基材料的滲透性影響很小，裂縫寬度<50μm的裂縫對滲透性幾乎沒有影響[15]。

李慶華等[16]對ECC(作者稱之為UHTCC)在帶裂縫工作狀態(tài)下的水滲透性能的研究結(jié)果表明：ECC在裂縫寬度為40～70μm的狀態(tài)下仍然具有較好的抗?jié)B性，且隨著裂縫寬度的增加，ECC的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出階段性增長的趨勢(見圖3)。ECC良好的抗?jié)B性能可以有效阻止有害侵蝕性介質(zhì)滲透導(dǎo)致的鋼筋銹蝕，從而避免因鋼筋銹蝕產(chǎn)生膨脹應(yīng)力而造成的脆性混凝土保護(hù)層的剝落，因而可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性能。

圖3 裂縫寬度與滲透系數(shù)關(guān)系曲線[16]

3 工程應(yīng)用

ECC具有良好的韌性和裂縫控制能力，在工程領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用空間，這些應(yīng)用將對ECC的再設(shè)計(jì)提供有益的反饋信息，以便滿足更多領(lǐng)域的需求。

3.1 橋面板

日本北海道的三原斜拉索橋于2005年建成通車。橋面板采用鋼/ECC復(fù)合結(jié)構(gòu)，使用了大量的ECC來代替橋上鋼板的瀝青覆蓋物，減輕了自重，增強(qiáng)了橋面板的承載能力和剛度，從而提高橋面的抗疲勞強(qiáng)度。預(yù)計(jì)使用壽命為100年[17]。

3.2 大壩和灌溉渠道的表面修補(bǔ)

由于微裂縫結(jié)構(gòu)ECC表現(xiàn)出很好的屏蔽性能，能提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，故日本廣島轄區(qū)的Mitaka大壩，上游500m2表面噴射了30mm厚的ECC作為覆蓋層，對開裂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修復(fù)，效果良好。

3.3 抗震結(jié)構(gòu)

在交替荷載作用下，ECC-鋼筋復(fù)合結(jié)構(gòu)可以吸收大量的能量，可以作為防震抗震的阻尼器，減少震害及后期對結(jié)構(gòu)的修復(fù)工作。2005年，日本將ECC用于41層的橫濱大廈抗震連梁，使得該大廈經(jīng)受住了2011年3月11日9.0級地震的考驗(yàn)[18]。

4 結(jié)語

從目前的試驗(yàn)研究和工程實(shí)例可以看出，工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)克服了傳統(tǒng)的普通混凝土的諸多缺陷，在收縮、凍融、疲勞及潮濕條件下均能表現(xiàn)出良好的性能。國外對ECC的研究已相對成熟，并且已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到實(shí)際工程應(yīng)用中。我國對ECC材料的研究起步較晚，要想使其得到更好的推廣應(yīng)用，仍需進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和分析。例如：ECC中常用的PVA纖維，目前大多從日本進(jìn)口，成本較高，應(yīng)盡快使優(yōu)質(zhì)PVA纖維的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)本地化；研究性能穩(wěn)定且極具推廣價(jià)值的ECC配合比；加強(qiáng)ECC材料耐久性方面的研究。

ECC是一種性能卓越且具有重大技術(shù)突破的新型建筑復(fù)合材料，隨著其技術(shù)的成熟和材料成本的降低，ECC必將在各類工程中得到大量而廣泛的應(yīng)用。

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