工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)耐久性能研究进展及应用

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(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003；2.中化二建集团有限公司，山西 太原 030021)

引言

普通水泥基材料的抗压强度高但抗拉强度低、易开裂，很难单独应用于工程结构中。钢筋混凝土结构结合了钢筋和混凝土结构的优点，在土木工程领域得到了非常广泛的应用。但混凝土结构保护层在受到外部环境作用时易开裂，使混凝土结构产生大量的裂缝，宽大的裂缝会加速有害物质的侵入，从而加快结构的老化，引起严重的耐久性问题。同时还加大了结构反复维修的费用，也缩短了结构的使用寿命。

提高结构耐久性的关键是改善材料的脆性，提高其韧性，从而有效地抑制裂缝的形成和发展。工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)具有较高的延性和裂缝控制能力，大大改善了水泥基材料的抗裂性能[1]，是有望解决工程结构耐久性问题的一种新型建筑材料。

1 工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)

工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)是由美国密歇根大学LiVC等[2]以断裂力学和细观力学基本原理为指导进行优化设计而成，本身不含粗骨料，以纤维为增强材料。其在单轴拉伸荷载作用下的极限拉应变可以稳定达到3%以上，具有应变硬化特性和良好的裂缝控制能力[3]，它的韧性与铝合金非常相似[4]。图1为PVA纤维体积掺量为2%的ECC在单轴拉伸荷载作用下的典型应力-应变曲线。

图1 典型ECC拉伸应力-应变曲线和裂缝宽度发展图[5]

从图1可以看出，进入非弹性阶段后，无论拉应变如何，试件表面的裂缝宽度总是维持在60μm左右，弹性阶段裂缝宽度更小。拉伸应变达到3%以上后，试件表面产生大量的细密裂纹；超过极限应变量后，进入软化阶段并断裂。ECC细密裂缝宽度特性是由材料自身的性质决定的，与是否配钢筋和配筋多少并没有关系，因而本身具有高延性[5]，是提高结构耐久性的新型材料。

2 ECC耐久性能试验研究

2.1 抗收缩性能试验

水泥材料的收缩性能是耐久性的一个重要方面。水泥的收缩主要指干燥收缩，因混凝土中水泥浆体含量较大，由于内部纤维的粘结作用，ECC的干燥收缩比相同环境条件下的普通混凝土提高了大约80%。但是，较高的干燥收缩并不会引起宽大裂缝的产生[6]。赵铁军等[7]的试验表明：掺入PVA纤维的ECC，限制收缩开裂性能指标明显高于基体，纤维体积掺量为1.5%时，最大宽度可以控制在40μm以内，平均宽度控制在20μm。提高纤维掺量，裂缝控制率增幅不大，却能更有效地降低材料的最大开裂宽度。其原因一方面在于纤维的桥接和阻裂作用，使得试件内部应力能稳定地传递并扩散。另一方面，纤维可以挤压甚至阻塞砂浆内的毛细管，使砂浆表面失水面积减少，水分迁移困难，降低毛细管失水收缩形成的毛细张力。

2.2 抗冻融性能试验

地处严寒潮湿状况下的混凝土结构物或构筑物，经多次冻融循环破坏作用，结构内部易产生疲劳应力，导致内部损伤，致使强度降低。如果冻融病害作用在路面上，会引起表面剥蚀和大量裂纹产生，作用在桥梁中会引起混凝土面层开裂、砂浆的剥蚀与粗骨料外露，以及钢筋外露、锈蚀等[8]。张士萍等[9]的试验研究表明：加入引气剂可以增加混凝土内部含气量，改善混凝土内部孔结构，是提高混凝土抗冻性能最为快捷有效的捷径。但若含气量控制不当，又会对混凝土的性能带来不利影响，从而威胁混凝土结构的耐久性[10]。通过对ECC的优化设计，大大提高了材料的致密程度和抗裂性能，是具有较强抗冻融循环性能的复合材料。

徐世烺等[11]对ECC(作者称之为UHTCC)的抗冻性能进行了深入的研究，试验研究表明：经300次冻融循环后，ECC的弯曲抗拉强度略有下降，而相同强度等级的混凝土和钢纤维混凝土的弯曲抗拉强度则几乎丧失殆尽。ECC即使不掺引气剂，在寒冷地区冻融循环作用下仍表现出良好的应变硬化性能。刘曙光等[12]的研究表明：掺入适量PVA纤维的ECC试件，在氯盐环境与冻融循环共同作用下具有较强的抗剥落能力和极限拉伸应变，表现出良好的抗冻融性能。

2.3 抗疲劳性能试验

影响疲劳性能的因素很多，如材料组成、疲劳荷载种类、试件大小和形状等。在环境和机械荷载作用下，基础设施的老化原因是错综复杂的。对于道路来讲，其破坏通常是由表面的开裂开始的，车辆行驶造成的疲劳荷载往往又使开裂更为严重。KimYY等[13]在对足尺桥梁连接板的弯曲疲劳试验研究中指出：ECC与普通混凝土不同，疲劳荷载的作用不会增加裂缝的宽度。图2是不同循环次数裂纹的开展情况，从图2可以看出，普通混凝土连接板在4万次加卸载循环后裂缝宽度曲线出现转折点而突然增大，10万次加卸载循环后裂缝宽度超过0.6mm。而ECC连接板裂缝宽度始终保持在50μm左右。

LeungCKY等[14]对复合梁弯曲疲劳性能的试验研究结果表明：用ECC替代部分受拉区混凝土能够有效地提高疲劳强度，延长疲劳寿命，且ECC厚度越大，其增强效果越明显，ECC替代混凝土对构件的疲劳性能具有显著的增强作用。

图2 疲劳加载条件下连接板裂纹宽度的发展[13]

2.4 抗渗性能试验

混凝土保护层的传输性质可使侵蚀性介质渗透至钢筋，从而引起钢筋锈蚀，传输机制包括渗透、扩散和毛细吸附[5]。物质传输性能的大小，一方面取决于水泥基材料本身抵抗有害介质的能力，另一方面取决于结构内部裂缝的开展程度。开裂后混凝土的渗透性是裂缝宽度的3次方，裂缝宽度<100μm的裂缝对水泥基材料的渗透性影响很小，裂缝宽度<50μm的裂缝对渗透性几乎没有影响[15]。

李庆华等[16]对ECC(作者称之为UHTCC)在带裂缝工作状态下的水渗透性能的研究结果表明：ECC在裂缝宽度为40～70μm的状态下仍然具有较好的抗渗性，且随着裂缝宽度的增加，ECC的渗透系数呈现出阶段性增长的趋势(见图3)。ECC良好的抗渗性能可以有效阻止有害侵蚀性介质渗透导致的钢筋锈蚀，从而避免因钢筋锈蚀产生膨胀应力而造成的脆性混凝土保护层的剥落，因而可以提高结构的耐久性能。

图3 裂缝宽度与渗透系数关系曲线[16]

3 工程应用

ECC具有良好的韧性和裂缝控制能力，在工程领域有着良好的应用空间，这些应用将对ECC的再设计提供有益的反馈信息，以便满足更多领域的需求。

3.1 桥面板

日本北海道的三原斜拉索桥于2005年建成通车。桥面板采用钢/ECC复合结构，使用了大量的ECC来代替桥上钢板的沥青覆盖物，减轻了自重，增强了桥面板的承载能力和刚度，从而提高桥面的抗疲劳强度。预计使用寿命为100年[17]。

3.2 大坝和灌溉渠道的表面修补

由于微裂缝结构ECC表现出很好的屏蔽性能，能提高结构的抗渗性能，故日本广岛辖区的Mitaka大坝，上游500m2表面喷射了30mm厚的ECC作为覆盖层，对开裂结构进行了修复，效果良好。

3.3 抗震结构

在交替荷载作用下，ECC-钢筋复合结构可以吸收大量的能量，可以作为防震抗震的阻尼器，减少震害及后期对结构的修复工作。2005年，日本将ECC用于41层的横滨大厦抗震连梁，使得该大厦经受住了2011年3月11日9.0级地震的考验[18]。

4 结语

从目前的试验研究和工程实例可以看出，工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)克服了传统的普通混凝土的诸多缺陷，在收缩、冻融、疲劳及潮湿条件下均能表现出良好的性能。国外对ECC的研究已相对成熟，并且已经从实验室发展到实际工程应用中。我国对ECC材料的研究起步较晚，要想使其得到更好的推广应用，仍需进行大量的试验研究和分析。例如：ECC中常用的PVA纤维，目前大多从日本进口，成本较高，应尽快使优质PVA纤维的生产实现本地化；研究性能稳定且极具推广价值的ECC配合比；加强ECC材料耐久性方面的研究。

ECC是一种性能卓越且具有重大技术突破的新型建筑复合材料，随着其技术的成熟和材料成本的降低，ECC必将在各类工程中得到大量而广泛的应用。

参考文献：

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