淺析高性能水泥基纖維混凝土在橋梁中的應(yīng)用

李琳

摘 要：我國(guó)每年都會(huì)出現(xiàn)大量的病橋、危橋亟待維修養(yǎng)護(hù)。高性能水泥基纖維混凝土（ECC）是一種新型建筑材料，具有良好的力學(xué)性能和耐久性等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服普通混凝土材料抗拉強(qiáng)度低、韌性差等短板。目前已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外許多實(shí)橋，能有效提高橋梁構(gòu)造物使用性能和耐久性，適用性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：水泥基纖維混凝土;橋梁工程;維修加固;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.572

橋梁是我國(guó)道路交通體系的重要組成部分，對(duì)交通的通行能力和通行效率有著直接的影響。對(duì)其使用的安全性和耐久性等有較高的要求。我國(guó)橋梁數(shù)量眾多，隨著服役年限增長(zhǎng)，每年都會(huì)出現(xiàn)大量的病橋、危橋亟待維修養(yǎng)護(hù)。高性能水泥基纖維混凝土（ECC）是一種新型建筑材料，具有良好的力學(xué)性能和耐久性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在橋梁維修加固中使用較多，能夠有效提高橋梁的使用性能，成為現(xiàn)代橋梁應(yīng)用材料的補(bǔ)充。[1]

1 高性能水泥基纖維混凝土的發(fā)展

19世紀(jì)20年代，英國(guó)人發(fā)明了由水泥、水、粗骨料和細(xì)骨料等材料按照一定的比例配制，并經(jīng)過(guò)攪拌、澆筑、振搗和養(yǎng)護(hù)而得到的混凝土。因其原材料易獲取，成本較低，施工便捷、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)代五大工程材料中應(yīng)用范圍最廣范的結(jié)構(gòu)材料。但混凝土材料由于存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差等短板在一定程度上限制了其優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

為了克服混凝土材料的弱點(diǎn)，人們一直致力于混凝土的材料性能改善，采用纖維增強(qiáng)混凝土就是一種重要的解決途徑。纖維增強(qiáng)混凝土以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基材，以雜亂分布的短纖維或長(zhǎng)纖維做增強(qiáng)材料組合而成的復(fù)合材料?；炷林袚饺肜w維能使混凝土性能得到明顯改善。

1980年中期美國(guó)密歇根大學(xué)的Victor C.Li教授提出了一種新的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，是一種以水泥、礦物摻合料以及平均粒徑不大于0.15mm的石英砂作為基體，用纖維做增強(qiáng)材料，纖維體積摻量不超過(guò)2%，利用普通混凝土制作工藝就可以加工成型的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，即超高韌性水泥基復(fù)合材料，并將其命名為Engineered Cementitious Composites，簡(jiǎn)記為ECC。[2]

2 高性能水泥基纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)分析

（1）變形能力大、抗疲勞能力強(qiáng)。橋梁結(jié)構(gòu)受到的荷載大，且有較多的震動(dòng)荷載，ECC的極限拉應(yīng)變可以達(dá)到3%左右，是普通混凝土極限拉應(yīng)變的300倍左右?？梢杂糜诔惺芊磸?fù)荷載作用的結(jié)構(gòu)，如橋面板，橋梁連接板，伸縮縫錨固區(qū)等。

（2）控制裂縫效果好、耐久性好。橋梁在荷載和環(huán)境的作用下，溫度變化、約束條件下的干燥收縮或自收縮引起表面開(kāi)裂，氯化物或其他侵蝕性介質(zhì)易于從面層滲透至鋼筋的表面造成鋼筋銹蝕，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落。ECC的多縫開(kāi)裂特性可以把裂縫寬度控制在0.6 mm左右，在一定程度上起到了阻止外界物質(zhì)侵入的作用，可減小內(nèi)部鋼筋的銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

（3）抗剪抗彎承載力高。橋梁跨中截面常存在較大的彎矩和剪力作用，ECC材料中纖維的亂向均勻分布，可以很好的適應(yīng)彎矩和剪力作用的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)的抗剪抗彎能力，減少截面尺寸，承載能力更高。[3]

（4）抗震性能好。ECC的耗能能力強(qiáng)，可以通過(guò)大變形多縫開(kāi)裂和應(yīng)變硬化耗散地震能，是種很好的擾震消能材料，可以用于梁墩節(jié)點(diǎn)位置，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 高性能水泥基纖維混凝土在橋梁中的應(yīng)用

3.1 橋面鋪裝及面板維修

略陽(yáng)縣馬家河大橋由于多年服役、橋梁自身功能性退化，于2010年使用高性水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了橋面鋪裝修補(bǔ)。施工過(guò)程簡(jiǎn)易，修復(fù)后擁有較高的抗壓強(qiáng)度以及超高的拉伸變形性能，且無(wú)需設(shè)置伸縮縫。ECC特有的裂縫控制能力，能夠很好的防止水、離子等物質(zhì)的侵入，提高了耐久性。此外，在國(guó)內(nèi)外水泥混凝土路面坑槽、裂縫處理中，也大量應(yīng)用了ECC材料，修復(fù)快1小時(shí)即可通車(chē)，施工速度更快捷。

3.2 韌性連接板及拼接部位

在連續(xù)梁橋中，連接板與相鄰的面板形成無(wú)縫剛性連接，在發(fā)生變形時(shí)會(huì)造成橋梁面板內(nèi)部的應(yīng)力較大，在長(zhǎng)期車(chē)輛荷載的作用下，造成連接板處的負(fù)彎矩過(guò)大，引起開(kāi)裂，導(dǎo)致防水能力下降。ECC的應(yīng)變-硬化特性和超高韌性可以承受相鄰板梁產(chǎn)生的變形，其對(duì)最大裂縫寬度的控制能力也能較好解決滲漏侵蝕的問(wèn)題。南京長(zhǎng)江大橋引橋T梁橋面連續(xù)化改造工程中，將其作為橋面連續(xù)材料，應(yīng)用效果良好。[4]此外，橋梁拓寬時(shí)橫向拼接等部位，不僅要承受較大應(yīng)力，還要承受較大變形。普通混凝土難以滿足橋梁拼接部位變形要求，需要使用延性好、強(qiáng)度高的材料，采用ECC可以較好的解決上述問(wèn)題。

3.3 混凝土保護(hù)層及覆蓋層

將ECC作為混凝土的保護(hù)層，尤其是結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)，能夠克服普通混凝土的脆性性質(zhì)，提高已建橋梁彎曲斷面應(yīng)力和延性，進(jìn)而有效提高橋梁構(gòu)造物結(jié)構(gòu)性能和耐久性。在海南萬(wàn)洋高速公路建設(shè)中就應(yīng)用了該新型材料，能夠有效抑制有害物質(zhì)，水分，二氧化碳等通過(guò)裂紋侵入內(nèi)部延緩鋼筋被腐蝕，是一種綠色環(huán)?；炷?。此外，由于ECC具高的粘結(jié)強(qiáng)度和延性，在一些加固工程中將其作為預(yù)應(yīng)力鋼筋等的覆蓋層，與普通噴射混凝土相比還具有易噴射、顯著降低回彈損失等特點(diǎn)，整體受力性能更好，延性更高。

4 結(jié)語(yǔ)

高性能水泥基纖維混凝土中水泥基材提供粘結(jié)作用、抗壓強(qiáng)度與剛度，纖維在水泥基復(fù)合材料中的起延緩裂縫出現(xiàn)、提高密實(shí)性及拉伸性能的作用。具有抗拉強(qiáng)度高、變形能力大、抗疲勞能力強(qiáng)、耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。其在橋梁工程中應(yīng)用逐年增多，且處于不斷的應(yīng)用探究中，在國(guó)內(nèi)外橋梁新建、維修加固中應(yīng)用前景較好，是一種新型、綠色建筑材料，值得大力推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]左永輝.新材料在橋梁拼接中的應(yīng)用研究[D].2017.

[2]丁一，陳小兵，李榮.ECC材料在橋梁工程中的應(yīng)用[C].第十八屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）.2008.

[3]張黎飛.纖維復(fù)合材料增強(qiáng)水泥基橋面連接板工作性能研究[D].

[4]劉曙光，常智慧，張棟翔，等.PVA-ECC材料在橋梁伸縮縫工程中的應(yīng)用[J].混凝土與水泥制品，2016（2）.