工程水泥基复合材料及其应用

(重庆交通大学 重庆 400000)

一、引言

自从19世纪波特兰水泥问世以来，水泥被广泛应用于各个领域，为人类社会的进步与发展做出了重大的贡献。几个世纪以来，水泥混凝土应用领域扩大，对混凝土性能要求也更高。传统水泥混凝土主要存在以下缺点：①材料的脆性破坏②较低的抗拉强度③易开裂，且裂缝宽度大④带缝工作所引起的钢筋生锈、寿命缩短等问题。要从其材质上改良是很困难的，不断的翻修和重建也不是长远的策略，因此新型水泥基复合材料的研究成为了当今工程发展的主要方向。新型的水泥基复合材料既要改善传统水泥混凝土的缺点，也要满足当今社会的发展趋势——耐久、环保、可持续发展。

二、ECC材料的发展

ECC全称Engineered，是上个世纪九十年代早期在美国密西根大学Li教授和麻省理工的Leung教授[1]在高等混凝土材料实验室开展的研究，是一种具有超强韧性的乱向分布纤维增强水泥水泥基复合材料。通过微观力学和断裂力学原理，对材料进行系统的设计和优化。经过试验研究，ECC材料在纤维体积掺量2%时拥有极好的抗拉抗弯性能。

多年以来，科研学者已经认识到传统水泥基材料的缺点并开始着手改善。纤维在增加混凝土的强度，减少裂缝开裂等方面有显著成效，因此学者研究出钢纤维混凝土和聚丙烯混凝土，纤维掺量稳定在2%左右，能够在混凝土早期提供较强的强度和韧度，防止过早开裂，但在拉伸试验中，开裂后的混凝土性能较差，长期使用性能差；后来，研究人员提高了纤维的掺量，研发出了高性能纤维混凝土，它开裂时体现出了准应变-硬化的特性，但由于纤维的含量非常高，不仅成本无法控制，施工的难易度也直线上升。

三、ECC材料特性及研究现状

(一)受拉特性

ECC材料的应变-硬化特性是指材料在继续发生应变必须增加应力时，材料抵抗变形的能力明显提高，能产生多条细而密的裂缝。

ECC材料在进行受拉试验时，首先材料会在最大初始缺陷处出现初始裂纹，然后裂纹会依次出现在缺陷由大到小的缺陷处，最后初始裂纹处会出现贯穿整个材料界面的裂缝，即初始裂缝，初始裂缝出现后整个试件的承载能力急剧降低，然后马上恢复至原先水平，这是由于材料中，掺入的纤维在裂缝处起到“桥接”作用，所以整体未受到裂缝的影响而出现承载力降低。

(二)受压特性

ECC材料的受压特性与普通高强混凝土相差不大，其抗压强度大致为30-90MPa。普通混凝土的弹性模量相对于ECC材料的弹性模量更高。但抗压应变高于普通混凝土，由于ECC材料中掺入细纱和中砂，没有粗骨料的加入。

(三)抗弯特性

普通水泥基材料韧性差，抗拉强度低，容易开裂等特点，掺入纤维在普通水泥混凝土中，可以在一定程度上改善普通水泥基材料的性脆，容易开裂的特点。ECC材料相较于普通水泥基材料也具有极好的抗弯特性。同拉伸试验相似，四点弯曲试验中，ECC材料还具有显着的应变硬化特性。

(四)抗剪性能及抗震性能

大量文献表明[6-9]，PVA-ECC材料能够显著提高梁的抗剪承载能力，很大程度上是由于纤维的作用，纤维表面处理工艺以及纤维特性决定能否与水泥基形成良好的粘结作用。粘结强度增强，以及纤维在水泥基中的乱向分布状态，可以较好的适应弯矩和剪力的复杂应力，有利于使结构尺寸减小。

(五)其他性能

ECC材料不仅仅是在力学性能上的表现良好，在其他功能方面也十分优异。①与钢筋的协调变形。按照粘结滑移理论，在普通混凝土结构中，一旦混凝土产生裂缝，将由钢筋全部承担拉力，而混凝土退出工作，钢筋应力的突然增加将导致裂缝的进一步扩大。

四、ECC材料的应用

(一)加固维修材料

ECC材料仍然可用于加固维修材料，被广泛的应用于桥面、大坝、边坡等场所，主要是因为其优异的耐久性、变形能力和裂缝控制能力。在桥面维修中，ECC材料的裂缝在刚开始甚至不易发现，一年过后裂缝仍然维持在50μm的水平，而普通混凝土的裂缝较大，达到毫米级别，从一开始铺筑到使用数年后，普通混凝土较于ECC材料的表现都较差；其应用于大坝维修、边坡填筑也是同样的原理。

五、结论与展望

ECC材料由于具有优异的力学性能，在耐久性和裂缝控制方面也表现卓越，以及优秀的施工性和环保性，使其作为一种工程材料，能够较好的应用于工程的各个领域。然而，依然有很多问题值得进一步讨论：PVA有机纤维的成本还是过高，且国内生产出的PVA并不能达到直接用在工程上的要求，这对国内厂家和学者提出了挑战；新的ECC材料的出现必然具有匹配的测试标准。尽快确立有关规范是推进ECC发展的重要环节；目前进行了较多的力学性能试验，耐久性试验进行较少，并且仅仅研究材料本身，材料与构件结构之间的联系较少，材料同环境以及荷载的共同作用下研究不够。