工程用水泥基复合材料在土木工程中的应用

郑军兴　丁勇国

1西京学院土木工程学院（710123） 2西安铁路工程集团（712099）

工程用水泥基复合材料在土木工程中的应用

郑军兴1丁勇国2

1西京学院土木工程学院（710123） 2西安铁路工程集团（712099）

为了促进工程用水泥基复合材料（ECC）在土木工程中的应用，对ECC材料在土木工程中的实际应用进行实例分析，并对ECC材料在工程中应用的效果进行了对比分析，希望能对促进ECC材料在土木工程中的应用。

ECC；土木工程；表面修复；建筑减震

0　前言

工程用水泥基复合材料（ECC）是指基于断裂力学、微观物理力学和统计学优化设计，使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%，硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定在3%以上的新型工程用水泥基复合材料［1］。ECC组成材料包括纤维、水泥、砂、水、矿物掺合料和增稠剂，通常情况下水灰比小于0.5，纤维体积掺量不大于2%。试验研究已经证实它的应变能力一般为3%～6%，最高可达8%，耗能能力是常规纤维混凝土的3倍［2］。因此ECC在提高结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性方面具有显著的效果，在抗震结构、大变形结构、抗冲击结构和修复结构中有着广阔的发展前景。

1　ECC在土木工程中的应用

1.1灌溉渠道的表面修补

大多数服役数十年的灌溉渠道都由于冲磨作用而遭到破坏。某中心枢纽渠道表面粗骨料裸露，边角部分磨损，有长1m、宽1mm的裂缝。该渠道表面粗骨料裸露，底板局部剥落，石墙底部有部分填充砂浆脱落。首先用水对底层表面进行冲洗，清除掉被破坏的砂浆。边墙上每石块接缝处均由砂浆填充。2012年，用ECC涂抹或喷射方式，对该中心枢纽渠道进行修补。普通砂浆和超高强聚合物砂浆也曾用于该中心枢纽渠道的修补，但是1个月后又能观测到裂缝，然而应用ECC修补的尚未观测到裂缝。

1.2建筑物的减震

在周期荷载作用下，ECC-钢筋复合结构可以吸收大量的能量［3］。在钢筋混凝土结构建筑物中，利用与ECC复合来减震。在高层建筑的主框架结构中，应用这种复合结构既能提高能量吸收能力，又能减少地震后的修补。设计时，考虑到结构效应，抗剪试验采用1/2.5的尺寸。结果表明，该构件在周期荷载作用下具有特殊的性能，裂缝宽度小于0.3mm。

1.3坝体的表面修复

对于微裂缝结构，ECC表现出优越的屏蔽性能，能提高坝体抗渗性［4］。某重力坝需要对下游坝高从现有的33m加到44m。2013年，在该坝的上游表面喷射了30m的ECC保护层，厚度为30mm，增强对已破坏混凝土表面的保护。每隔1.5m2设置一铰钉，用来确保ECC和底层混凝土的紧密黏结。后经过连续观察，裂缝基本没有出现，效果良好。

1.4挡土墙的表面修复

对于微裂缝结构，从美学角度出发，ECC适合用于破碎混凝土结构的表面。某混凝土重力挡土墙建于20世纪80年代，墙体由于碱骨料反应产生裂缝。于2010年，裂缝用环氧树脂进行灌浆处理，墙体表面也涂了有机材料保护层。2014年，修补表面再次开裂，这次采用喷射ECC和其他材料进行修补。修补7个月后，采用ECC的都未观测到裂缝。到10个月和24个月时，分别观测到0.05mm和0.12mm的裂缝，还可以观测到形成的微缝网。24个月的观测比12个月的更难，因为表面积聚了很多杂质。同时，也观测了采用普通砂浆修补的情况，1个月就能明显观测到可见缝，于3、10、24月后分别出现0.03mm、0.2mm、0.3mm的裂缝。

1.5高架桥的表面修复

由于微缝结构所产生的低气体和液体渗透性，ECC期待用于延迟混凝土结构的碳化。一般铁路高架桥的表面的防碳化处理，采用有机漆类的衬砌。然而在长期的交通荷载作用下，衬砌容易产生早期裂缝。2014年，将10mm厚的ECC喷射于有弯曲裂缝的高架桥的梁上，铰钉用于确保ECC和底层混凝土的黏结。

在探索性试验之前，对钢筋混凝土梁施加小应力幅度的交替荷载，也就是假定其在铁路交通荷载产生了弯曲裂缝。在交替荷载作用了1700万次后，喷射ECC的钢筋混凝土梁的裂缝宽度只有0.13mm，仅为无ECC保护层的一半（0.25mm）。ECC对混凝土表面碳化的抑制作用也在加速碳化试验中得到证实。

2　结语

随着混凝土结构应用领域的不断扩大，混凝土结构的规模也日渐增大，传统的结构工程向高度更高、跨度更大、荷载更重的方向不断发展，同时，对建筑材料性能的要求也变得越来越高。而ECC材料的出现及在土木工程中的广泛应用必将为未来建筑的发展注入新的生机与活力。

［1］邬喜春，张亮.浅谈ECC材料的性能研究与应用［J］.科技信息，2012，15（4）：232-235.

［2］赵艳亮，新型材料ECC在结构工程中的应用［J］.企业科技与发展，2010，22（3）：134-137.

［3］姚山，张继文，涂永明.ECC材料在结构防震减灾中的应用［J］.工业建筑，2010，27（1）：94-99.

［4］丁一，陈小兵，李荣.ECC材料的研究进展与应用［J］.建筑结构，2012，37（7）：304-306.