工程用水泥基復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用

鄭軍興　丁勇國

1西京學(xué)院土木工程學(xué)院（710123） 2西安鐵路工程集團(tuán)（712099）

工程用水泥基復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用

鄭軍興1丁勇國2

1西京學(xué)院土木工程學(xué)院（710123） 2西安鐵路工程集團(tuán)（712099）

為了促進(jìn)工程用水泥基復(fù)合材料（ECC）在土木工程中的應(yīng)用，對ECC材料在土木工程中的實際應(yīng)用進(jìn)行實例分析，并對ECC材料在工程中應(yīng)用的效果進(jìn)行了對比分析，希望能對促進(jìn)ECC材料在土木工程中的應(yīng)用。

ECC；土木工程；表面修復(fù)；建筑減震

0　前言

工程用水泥基復(fù)合材料（ECC）是指基于斷裂力學(xué)、微觀物理力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)優(yōu)化設(shè)計，使用短纖維增強(qiáng)，且纖維摻量不超過復(fù)合材料總體積的2.5%，硬化后的復(fù)合材料應(yīng)具有顯著的應(yīng)變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定在3%以上的新型工程用水泥基復(fù)合材料［1］。ECC組成材料包括纖維、水泥、砂、水、礦物摻合料和增稠劑，通常情況下水灰比小于0.5，纖維體積摻量不大于2%。試驗研究已經(jīng)證實它的應(yīng)變能力一般為3%～6%，最高可達(dá)8%，耗能能力是常規(guī)纖維混凝土的3倍［2］。因此ECC在提高結(jié)構(gòu)的延性、耗能能力、抗侵蝕性、抗沖擊性和耐磨性方面具有顯著的效果，在抗震結(jié)構(gòu)、大變形結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)和修復(fù)結(jié)構(gòu)中有著廣闊的發(fā)展前景。

1　ECC在土木工程中的應(yīng)用

1.1灌溉渠道的表面修補(bǔ)

大多數(shù)服役數(shù)十年的灌溉渠道都由于沖磨作用而遭到破壞。某中心樞紐渠道表面粗骨料裸露，邊角部分磨損，有長1m、寬1mm的裂縫。該渠道表面粗骨料裸露，底板局部剝落，石墻底部有部分填充砂漿脫落。首先用水對底層表面進(jìn)行沖洗，清除掉被破壞的砂漿。邊墻上每石塊接縫處均由砂漿填充。2012年，用ECC涂抹或噴射方式，對該中心樞紐渠道進(jìn)行修補(bǔ)。普通砂漿和超高強(qiáng)聚合物砂漿也曾用于該中心樞紐渠道的修補(bǔ)，但是1個月后又能觀測到裂縫，然而應(yīng)用ECC修補(bǔ)的尚未觀測到裂縫。

1.2建筑物的減震

在周期荷載作用下，ECC-鋼筋復(fù)合結(jié)構(gòu)可以吸收大量的能量［3］。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物中，利用與ECC復(fù)合來減震。在高層建筑的主框架結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用這種復(fù)合結(jié)構(gòu)既能提高能量吸收能力，又能減少地震后的修補(bǔ)。設(shè)計時，考慮到結(jié)構(gòu)效應(yīng)，抗剪試驗采用1/2.5的尺寸。結(jié)果表明，該構(gòu)件在周期荷載作用下具有特殊的性能，裂縫寬度小于0.3mm。

1.3壩體的表面修復(fù)

對于微裂縫結(jié)構(gòu)，ECC表現(xiàn)出優(yōu)越的屏蔽性能，能提高壩體抗?jié)B性［4］。某重力壩需要對下游壩高從現(xiàn)有的33m加到44m。2013年，在該壩的上游表面噴射了30m的ECC保護(hù)層，厚度為30mm，增強(qiáng)對已破壞混凝土表面的保護(hù)。每隔1.5m2設(shè)置一鉸釘，用來確保ECC和底層混凝土的緊密黏結(jié)。后經(jīng)過連續(xù)觀察，裂縫基本沒有出現(xiàn)，效果良好。

1.4擋土墻的表面修復(fù)

對于微裂縫結(jié)構(gòu)，從美學(xué)角度出發(fā)，ECC適合用于破碎混凝土結(jié)構(gòu)的表面。某混凝土重力擋土墻建于20世紀(jì)80年代，墻體由于堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生裂縫。于2010年，裂縫用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌漿處理，墻體表面也涂了有機(jī)材料保護(hù)層。2014年，修補(bǔ)表面再次開裂，這次采用噴射ECC和其他材料進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)7個月后，采用ECC的都未觀測到裂縫。到10個月和24個月時，分別觀測到0.05mm和0.12mm的裂縫，還可以觀測到形成的微縫網(wǎng)。24個月的觀測比12個月的更難，因為表面積聚了很多雜質(zhì)。同時，也觀測了采用普通砂漿修補(bǔ)的情況，1個月就能明顯觀測到可見縫，于3、10、24月后分別出現(xiàn)0.03mm、0.2mm、0.3mm的裂縫。

1.5高架橋的表面修復(fù)

由于微縫結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的低氣體和液體滲透性，ECC期待用于延遲混凝土結(jié)構(gòu)的碳化。一般鐵路高架橋的表面的防碳化處理，采用有機(jī)漆類的襯砌。然而在長期的交通荷載作用下，襯砌容易產(chǎn)生早期裂縫。2014年，將10mm厚的ECC噴射于有彎曲裂縫的高架橋的梁上，鉸釘用于確保ECC和底層混凝土的黏結(jié)。

在探索性試驗之前，對鋼筋混凝土梁施加小應(yīng)力幅度的交替荷載，也就是假定其在鐵路交通荷載產(chǎn)生了彎曲裂縫。在交替荷載作用了1700萬次后，噴射ECC的鋼筋混凝土梁的裂縫寬度只有0.13mm，僅為無ECC保護(hù)層的一半（0.25mm）。ECC對混凝土表面碳化的抑制作用也在加速碳化試驗中得到證實。

2　結(jié)語

隨著混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，混凝土結(jié)構(gòu)的規(guī)模也日漸增大，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工程向高度更高、跨度更大、荷載更重的方向不斷發(fā)展，同時，對建筑材料性能的要求也變得越來越高。而ECC材料的出現(xiàn)及在土木工程中的廣泛應(yīng)用必將為未來建筑的發(fā)展注入新的生機(jī)與活力。

［1］鄔喜春，張亮.淺談ECC材料的性能研究與應(yīng)用［J］.科技信息，2012，15（4）：232-235.

［2］趙艷亮，新型材料ECC在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2010，22（3）：134-137.

［3］姚山，張繼文，涂永明.ECC材料在結(jié)構(gòu)防震減災(zāi)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)建筑，2010，27（1）：94-99.

［4］丁一，陳小兵，李榮.ECC材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012，37（7）：304-306.