高韧性纤维增强水泥基材性及应用

张黎飞

摘 要：具有良好的拉伸-硬化、多裂缝开展特征及良好的变形韧性，在压缩变形过程中能够保持较好的整体性。依据微观力学方法介绍ECC多裂缝开展机理，研究拉伸应力-应变曲线及薄板四点弯曲荷载-挠度曲线发展过程。ECC优良的力学特征弥补普通混凝土脆性破坏模式，能够应用于桥面连接板等非结构构件.

关键词：ECC 力学性能 应用

1、前言

ECC具有良好的耐久性、韧性以及抗疲劳性，作为加固修复材料、桥面连接板及抗震耗能构件等，在美国、日本和欧洲具有大量的应用[1][2]。国内ECC材料研究尚处于起步发展阶段，应用前景广阔。

2、ECC研究進展

国内外研究人员对超高韧性水泥基复合材料的力学性能进行了大量的试验研究，主要包括压缩性能、拉伸性能和弯曲特性，其中拉伸-硬化是反映ECC材料韧性最有效手段。主要介绍了ECC材料的基本力学性能和开裂理论基础。

2.1抗压性能

是普通混凝土和常见纤维水泥基压应力-应变曲线。与混凝土相比，ECC材料由于不使用粗骨料，所以弹性模量均低于普通混凝土；PVA-ECC与PE-ECC具有相似的极值压应变（约0.5%），为混凝土压应变的2.5倍；其中，PVA-ECC在经过峰值荷载后，应力下降较为缓和，PE-ECC应力在经过峰值点后快速降到约50%应力水平，后期与PVA-ECC相似，PE纤维弹性模量是PVA纤维的2.2倍，因此可以认为纤维弹性模量是决定PE-ECC抗压强度和弹性模量高于PVA-ECC的原因；PVA-ECC表现出较好的延性发展；但相对于混凝土均表现出延性特征。ECC材料在抗压破坏后，试件表面出现裂缝，但试件无大范围材料剥落，在强度满足的条件下具有良好的抗压变形、和抗开裂剥落能力。

2.2拉伸应变-强化

ECC材料拉伸应变-硬化性能是超高韧性的主要特征（图1）。许多纤维混凝土材料都能表现出一定的弯曲变形能力，但在直接拉伸条件下均表现出应变软化，因此，将直接拉伸试验作为判断材料是否具有应变-硬化特最有效的方法。通过直接拉伸试验，不仅能够得出初裂强度、初裂应变、抗拉强度、抗拉极限应变和裂缝宽度等，还能的到材料的拉伸弹性模量，对研究材料性能有着重要意义。纤维拉断和拔出两种纤维破坏模式同时存在，是ECC多裂缝开展的微观力学基础。

3、ECC材料应用前景

3.1 桥面连接板

Li V C等人在美国密歇根州高速公路桥面连接板进行了应用，经过观测早期裂缝，满足桥面连接板变形和耐久性要求。新型高韧性桥面连接板能够节约40%的能源消耗，生产安装过程降低了50%的垃圾和38%的原料消费。

3.2钢-ECC组合结构

轻钢桥面结构具有自重轻、承载高、易于施工等优势，桥面暴露于自然环境及车辆动荷载作用下，桥面腐蚀严重。使用ECC层覆盖桥面层，实现提高刚度、承载力及耐久性。ECC面层与钢桥面之间通过栓钉进行粘结，保证ECC面层与桥面整体变形、协同受力。北海道美原大桥使用ECC作为桥面层，降低桥梁自重达40%。ECC面层在变形过程中表现出良好的裂缝宽度控制能力，具有良好的抗渗性和耐久性，使用寿命可达到100年。

3.3作为修复材料

ECC具有良好的界面粘结性能，作为修复材料能够对构件、大坝、古建筑进行修复。日本Mitaka水坝使用时间超过60年，坝体表面出现严重开裂、剥落，并伴随有渗水现象，严重影响大坝正常运作。大坝于2003年进行ECC修复，表层喷射20mmECC覆盖层。经过修复，坝体整体性得到恢复，经过观测，ECC覆盖层工作良好。

4、结语

ECC材性特点具有广泛的应用前景。作为非结构构件，如桥面连接板，良好的抗渗性能够防止雨水对结构主体的侵蚀；与FRP材料结合，充分发挥两种材料优势，改善传统构件受力性能；同时，ECC材料能够作为修复材料对破损结构进行修复，提高修复效果。

参考文献：

[1]Li，V.C.（2003）.”On Engineered cementitious

composites（ECC） A Review of the Material and Its Applications.”Journal of Advanced Concrete Technology Vol. 1 No. 3， 215-230.

[2]曹明莉，许玲，张聪（2015）.高延性纤维增强水泥基复合材料的微观力学设计、性能及发展趋势. 硅酸盐学报。第43卷第5期。