高延性纤维增强水泥基复合材料的发展及应用

唐 勇 李 旭

（1.天津市市政工程设计研究院重庆分院，重庆 404100；2.重庆渝发建设有限公司，重庆 400024）

1 ECC简介及特点

高延性纤维增强水泥基复合材料，英文为Engineered Cementitious Composite，简称ECC，是指基于微观力学和断裂力学对纤维、基体和界面进行设计、通过纤维增强的复合材料。自1990年密歇根大学的Li教授提出以来，多国学者已对其各项性能和工程应用做了大量研究。ECC在不同国家的叫法有所不同，在我国也有人称其为“超高韧性水泥基复合材料”，即Ultra High Toughness Cementitious Composite，简称UHTCC。

ECC与传统水泥基材料最大的不同就是其拉伸性能。ECC材料具有超强的受拉变形能力，在单轴拉伸情况下其极限拉应变可超过3%；同时，在受拉时表现为类似于金属材料才有的应变硬化行为，称为ECC的伪应变硬化；ECC材料在拉伸破坏时表现为多缝开裂，与传统水泥基材料拉伸破坏时沿单条主裂缝破坏不同，ECC受拉时裂缝宽度小、间距小，最终表现为多条裂缝达到指定宽度而破坏。这些良好的拉伸性能正是对纤维、基体和界面设计的结果。

除了良好的拉伸性能外，ECC其他方面的特性：（1）压缩特性。ECC材料压缩性能与传统混凝土类似，但ECC的弹性模量较小，受压变形能力较大，受压破坏时表现出很好的延性。（2）抗剪性能。不同于混凝土剪切破坏时的脆性破坏，ECC材料剪切破坏时为典型的延性破坏，抗剪承载力以及剪切变形能力都远强于混凝土。（3）耐久性。耐久性是抗裂性、抗渗性和抗腐蚀性等多方面性能的综合。前述ECC良好的受拉性能即良好的抗裂性；受拉多缝开裂，裂缝宽度小，使得外界的水和氯离子等无法渗入，即很好的抗渗性；研究表明ECC还具有很好的抗碳化能力，在受电化学腐蚀后仍能保持很好的力学性能，即很好的抗腐蚀性。（4）自愈合能力。由于ECC组分以及裂缝宽度小的原因，在暴露于室外工作环境经过一段时间后，由于ECC继续水化，在裂缝中会产生白色晶体堵住裂缝，且研究证明愈合后的裂缝具有一定的承载能力。（5）可持续性。结构的可持续性包括结构对环境的影响，也包括在结构生命周期内的社会经济成本。密歇根大学综合多个学科构件模型对ECC结构进行了评估，结果表明使用ECC的结构其生命周期内的成本低于混凝土结构；ECC材料由于其组分的原因本身就属于一种环保材料。ECC材料具有很好的可持续性。

ECC不含粗骨料，通过纤维的连接作用增强基体。掺入纤维一般为聚乙烯醇PVA纤维，经过设计可使纤维的掺量在2%左右，使其更具经济性。近年来也有研究人员使用成本更低的聚乙烯PE纤维，结果表明效果也很好。除了水泥以外，ECC的原料中还含有粉煤灰，使得其更环保经济。还可以通过添加其他原料，来实现多种特殊性能或来满足具体要求，这也是近年来对于ECC研究的一个热点。

2 几种新型具有特殊性能的ECC

2.1 可喷射型抗火ECC

随着结构越来越向大跨、高耸发展，钢结构的应用越来越广泛。钢结构的抗火一直是个大问题，传统应用于钢结构的抗火涂料韧性差，虽然在结构的正常使用阶段可以一定程度上增加钢结构的抗火能力，但在极端状况下，如地震、爆炸等冲击荷载下会从钢结构表面剥落，使钢结构直接暴露于火灾中，严重影响结构安全，发生于2001年的911事件就是一个惨痛的例子。为解决这个问题，近两年有研究人员研发了一种可喷射型的抗火ECC。通过在传统ECC中添加蛭石和细小玻璃泡，并用价格更低的PE纤维代替PVA纤维，得到可喷射的抗火ECC。此ECC可喷射性好，与钢结构的粘结能力远远强于传统防火涂料，其抗火能力也可与传统防火涂料相当，有很好的应用前景。

2.2 可3D打印ECC

混凝土的3D打印是施工行业最认可的方法，而传统普通混凝土这种材料由于在抗拉方面的缺陷以及本身的脆性，使其在作为3D打印材料时不可避免地需要钢筋来加劲。钢筋的参与不仅限制了3D打印技术的自由性，同时也增加了打印施工本身的难度，这样打印出来的建筑物或构筑物也不可避免地具有传统钢筋混凝土结构的许多缺点，易开裂以及由开裂引起的钢筋锈蚀，具有严重的耐久性问题以及可持续性问题。而普通 ECC 材料虽然能克服传统普通混凝土在耐久性、可持续性等多方面的问题，但由于其本身具有较高的流动性，凝结硬化也需要较长时间，使得普通ECC也不宜作为3D打印的材料。为了解决这些问题，可3D打印的ECC材料应运而生。这种ECC除了波特兰水泥、粉煤灰和PVA纤维外，还添加了一定量的铝酸钙水泥、微硅、凹凸棒纳米粘土和粉煤灰空心球。使得其在打印设备中有良好的可流动性，能顺利地通过打印设备中的各种管道和泵送设备，又能在离开打印设备后能在很短的时间内凝结硬化，便于成型；同时具有很好的触变性，当在打印设备中收到剪切力搅拌力时能流动，离开打印设备不受力时又不易流动；在满足触变性的同时还不发生离析，保证了ECC原有的优良性质。随着现代结构行业越来越趋向于自动化和装配化，这种ECC的应用前景也会越来越广。

2.3 自密实ECC

传统ECC拌合物流动性差，在浇筑时需要一定的施工工序，影响施工速度，还容易出现纤维分布不均的问题。Li教授等人通过对减水剂进行优化，并添加一定量的羟丙基甲基纤维素，得到了可以自密实的ECC。试验证明，这种ECC在新鲜状态的拌合物具有很好的流动性和理想的黏度，使得其在施工时不用外界振捣就可密实，同时纤维与基体不会发生离析，有很大的工程应用潜力。

此外，还有防水ECC、绿色环保ECC、轻质ECC等，以满足不同的工程需要。

3 ECC的应用

3.1 ECC用于结构修复

位于美国密歇根州，一座建成于1976年的简支梁桥，桥面沥青铺装老化严重，钢筋混凝土桥面板也有一定程度损伤，严重影响交通。通过对沥青老化部分桥面板进行清理，然后分别用ECC和混凝土进行铺装来作对比。修复后4个月，用ECC修复部分仅在ECC表明产生不影响使用的细微裂缝，而用混凝土修复部分裂缝比较明显。修复后10个月，ECC修复部分仍然完好，裂缝宽度无明显增加，而用混凝土修复部分已破坏较严重。

2003年日本使用ECC对广岛地区一表面受损的水坝进行修复，在受损水坝表面喷射ECC，修复后明显减少了大坝的维修次数和维修费用。

3.2 ECC作为桥面联结板

使用桥面联结板可有效防止桥梁伸缩缝的病害，但仍存在一些问题。例如在温差变化较大时，钢筋混凝土联结板会由于两端板的较大变形而开裂，若因此提高联结板的配筋率又会影响桥梁受力。为解决上述问题，研究人员指出用ECC作为联结板。这一结构也已在美国一座跨简支梁桥中得到应用，被证实有很好的效果。

3.3 ECC在抗震领域的应用

ECC具有高拉伸韧性、高剪切延性和高能量吸收能力，是理想的抗震材料。对将ECC应用于抗震的研究非常多，包括应用ECC的柱、梁和节点等，都证实了ECC在地震中很好的能量吸收能力。同时ECC与钢结构组合时，由于ECC的变形能力，使得其能与钢的变形协调，不会从钢结构表面脱落。此外，还有基于ECC的抗震框架结构，建于2007年的日本横滨Nabeaure大厦就是使用了ECC 作为连梁的结构体系。

3.4 ECC应用于钢桥面铺装

目前我国钢桥面铺装使用最多的还是环氧沥青混凝土，但环氧沥青混凝土价格昂贵，在承受重载时疲劳破坏问题严重，维修次数多，维修费用大。ECC材料具有很好的延性和抗疲劳性能，且与钢材黏结性能好、抗腐蚀抗渗能力强。有研究人员提出将ECC应用于钢桥面铺装，并通过在ECC中加入工业废料提升ECC的环保性和经济性，并通过试验验证将ECC应用于钢桥面时，ECC的自愈合能力还会进一步提升其作为桥面铺装材料的优势。

4 结语

ECC材料已不算是新型材料，关于ECC的研究也已经非常多，尽管优点诸多，但在我国几乎没有真正应用，存在很多原因，其中很重要的就是我国目前尚没有生产ECC成品的商家，若私人拌制ECC，原材料和配合比对最终产品的性能影响较大。与ECC性能较类似的另一种纤维混凝土UHPC，已经有很多出售UHPC成品的商家，尽管UHPC的价格是ECC的几倍，但仍有很多大桥的铺装和联结部位采用，效果也非常可观。综合看来，ECC在我国还有非常大的应用空间。