ECC材料的性能優(yōu)勢(shì)及工程應(yīng)用

王青青

摘要：本文介紹了新型水泥基復(fù)合材料ECC與傳統(tǒng)混凝土相比具有良好的抗拉性能、抗彎性能等物理力學(xué)性能；并由于其某些不同于普通混凝土組成材料而使其更具環(huán)保性。由于其優(yōu)良的性能以及綠色的材料使其在在橋梁道路施工、結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)等方面具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ECC：抗拉性能；綠色環(huán)保；工程應(yīng)用

1.ECC材料及其研究狀況

聚乙烯醇纖維增韌水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Compos！‘tes，簡(jiǎn)稱ECC）是一種拉伸變形性能優(yōu)異的水泥基復(fù)合材料，最早由美國(guó)密歇根大學(xué)的Victor c.Li教授和麻省理工大學(xué)的Christopher K.Y.Leung教授于1992年提出，是利用微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)原理，對(duì)材料體系進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)整和優(yōu)化而得到的具有超強(qiáng)韌性的亂向分布短纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。

ECC是一種具有突出優(yōu)良性能的新興復(fù)合材料，因此自從問(wèn)世以來(lái)受到了業(yè)界學(xué)者的廣泛關(guān)注，在工程領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景。美國(guó)、新加坡、日本等國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，并在工程應(yīng)用中取得了一定的效果。近些年國(guó)內(nèi)對(duì)ECC的研究進(jìn)步很快，不少專家和學(xué)者就起其配合比、拉伸性能以及外加劑對(duì)其性能的影響等方面進(jìn)行了不少研究，并取得一定成果。

2.ECC材料的特·性及優(yōu)勢(shì)

ECC是由水泥、水、粉煤灰、石英砂、硅灰、聚乙烯醇纖維（PVA）以及外加劑等按照一定配合比制作并養(yǎng)護(hù)得到的具有一定強(qiáng)度以及韌性的新型水泥基復(fù)合材料。ECC材料具有較好的韌性，極限拉應(yīng)變能達(dá)到3%左右。受拉裂紋多而密，相較于傳統(tǒng)混凝土，受拉及受彎性能表現(xiàn)較好；材料組成綠色環(huán)保，擁有較大優(yōu)勢(shì)。

2.1抗拉強(qiáng)度高

ECC試件的拉伸結(jié)果顯示：在拉力從零增加到極限拉應(yīng)變，試件被破壞的時(shí)間較長(zhǎng)，且試件表面出現(xiàn)多級(jí)裂紋。傳統(tǒng)混凝土的極限拉應(yīng)變一般為O.01%左右，而ECC材料在保持一定強(qiáng)度條件下，極限拉應(yīng)變?nèi)钥蛇_(dá)3%，甚至有些能達(dá)到4%，提高了300倍左右?？紤]這是由于在拉伸荷載下，ECC材料中的PVA纖維會(huì)產(chǎn)生橋聯(lián)應(yīng)力，增大了纖維與集體之間的粘結(jié)應(yīng)力，從而有效的阻止裂縫開(kāi)展與貫通，延緩試件破壞時(shí)間，增強(qiáng)抗拉承載力，極限拉應(yīng)變提高。

2.2抗剪強(qiáng)度高

早在1998年，國(guó)外學(xué)者Kanda等對(duì)ECC的抗剪性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)剪跨比為1時(shí)，不配任何抗剪鋼筋，ECC材料梁的抗剪能力是混凝土梁的42.67倍，變形能力高出2.25倍，破壞形式為明顯的延性破壞?？紤]是因?yàn)镻VA纖維的橋聯(lián)作用，增強(qiáng)了水泥漿體對(duì)纖維的握裹力，使纖維與漿體不易脫開(kāi)，增強(qiáng)整體性；此外，纖維在內(nèi)部均勻散亂分布，將作用在纖維上的剪力有效的向各個(gè)方向傳遞，從而削弱了剪力作用效應(yīng)，是抗剪強(qiáng)度增加。

2.3環(huán)保性好

ECC材料組成中有粉煤灰，沒(méi)有粗骨料。粉煤灰，是從燃燒后的煙氣中收捕下來(lái)的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物，對(duì)人體、生物以及環(huán)境有一定的危害作用。由于其自身的特性，能以較大比重被應(yīng)用于ECC材料中代替部分水泥。另外，由于目前大多由破碎石頭得到，而礦石開(kāi)采對(duì)環(huán)境不好。ECC不用粗骨料，能減少石子用量，減少石頭開(kāi)采量，減少對(duì)環(huán)境的影響，更具環(huán)保性。

2.4抗震性能好

ECC材料的抗震性能好主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，由于該種材料超高的韌性，在地震作用下，房屋或者構(gòu)建在發(fā)生較大的變形之后才會(huì)倒塌或者破壞，為有明顯預(yù)兆的延性破壞。在這種情況下，能給人們明顯的預(yù)兆，并留給人們足夠的逃生時(shí)間，提高了結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備能力，減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。其次，由于ECC材料受拉時(shí)內(nèi)部PVA纖維會(huì)產(chǎn)生橋聯(lián)作用，在拉力作用下，與水泥漿體之間慢速連續(xù)地產(chǎn)生細(xì)小滑移，這種連續(xù)地微量滑移不斷消耗地震作用是放在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的能量，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.工程應(yīng)用

由于ECC材料相較于傳統(tǒng)混凝土具有抗拉強(qiáng)度高、抗剪強(qiáng)度高?？拐鹦阅芎玫葍?yōu)點(diǎn)，ECC材料主要被用于橋梁道路補(bǔ)修、結(jié)構(gòu)加固、防震減災(zāi)等方面。

3.1橋面鋪裝與補(bǔ)修

大量實(shí)驗(yàn)表明，ECC具有優(yōu)異的抗疲勞性能，能有效阻止水和離子的滲透。由于道路工程中主要經(jīng)受車(chē)輛行駛造成的疲勞荷載，傳統(tǒng)的混凝土材料耐沖擊性能和抗疲勞性能較差，易造成道路表面的破壞，影響通行。大量工程經(jīng)驗(yàn)和使用現(xiàn)象表明，在車(chē)輛沖擊荷載作用下，易在橋梁伸縮縫的橡膠板和兩邊混凝土內(nèi)造成應(yīng)力集中，造成破壞。混凝土的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，ECC混凝土有較好的韌性和抗?jié)B性。工程實(shí)際效果表明，將ECC用到橋梁伸縮縫中可獲得良好的效果，并且施工簡(jiǎn)單、耐久性好，伸縮縫未出現(xiàn)裂縫。

例如2005年建成的日本北海道江別市美原大橋，主橋橋面板就采用了鋼材與ECC組合材料。ECC材料極高的韌性以及裂縫自愈合能力很好地滿足了橋面板所要求的耐久性和適用性，并且由于應(yīng)用了部分ECC，降低了近40%的自重。也將橋梁的預(yù)期使用壽命增加至100年。不僅能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，也具有重大的工程意義。

3.2結(jié)構(gòu)加固與抗震

由受力分析可知，外力尤其是地震作用下，建筑物的破壞常常發(fā)生于梁和柱端部，考慮到ECC材料良好的延展性以及能量消耗作用，可以將ECC適當(dāng)運(yùn)用于梁柱端，以改善其受力，提高建筑物承載力。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，ECC材料能彌補(bǔ)傳統(tǒng)混凝土抗拉強(qiáng)度低，材料韌性差，破壞呈脆性的缺點(diǎn)，并表現(xiàn)出超高韌性，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前ECC材料的研究仍在繼續(xù)，更多未知的性能及用途有待開(kāi)發(fā)。

5.前景展望

隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳統(tǒng)混凝土性能已經(jīng)不能滿足工程建設(shè)的需要；需要性能更加優(yōu)越的材料為其帶來(lái)進(jìn)步和發(fā)展的空間。未來(lái)的土木工程材料將向復(fù)合化、綠色化、智能化、可持續(xù)化和高性能化發(fā)展。

不僅僅是新型水泥基復(fù)合材料ECC會(huì)廣泛運(yùn)用，也一定會(huì)應(yīng)工程和市場(chǎng)的發(fā)展需要，出現(xiàn)更多性能優(yōu)良的綠色高性能材料，保證建筑的質(zhì)量和土木工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。