工程用水泥基復合材料在土木工程中的應用

鄭軍興　丁勇國

1西京學院土木工程學院（710123） 2西安鐵路工程集團（712099）

工程用水泥基復合材料在土木工程中的應用

鄭軍興1丁勇國2

1西京學院土木工程學院（710123） 2西安鐵路工程集團（712099）

為了促進工程用水泥基復合材料（ECC）在土木工程中的應用，對ECC材料在土木工程中的實際應用進行實例分析，并對ECC材料在工程中應用的效果進行了對比分析，希望能對促進ECC材料在土木工程中的應用。

ECC；土木工程；表面修復；建筑減震

0　前言

工程用水泥基復合材料（ECC）是指基于斷裂力學、微觀物理力學和統計學優化設計，使用短纖維增強，且纖維摻量不超過復合材料總體積的2.5%，硬化后的復合材料應具有顯著的應變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產生多條細密裂縫，極限拉應變可穩定在3%以上的新型工程用水泥基復合材料［1］。ECC組成材料包括纖維、水泥、砂、水、礦物摻合料和增稠劑，通常情況下水灰比小于0.5，纖維體積摻量不大于2%。試驗研究已經證實它的應變能力一般為3%～6%，最高可達8%，耗能能力是常規纖維混凝土的3倍［2］。因此ECC在提高結構的延性、耗能能力、抗侵蝕性、抗沖擊性和耐磨性方面具有顯著的效果，在抗震結構、大變形結構、抗沖擊結構和修復結構中有著廣闊的發展前景。

1　ECC在土木工程中的應用

1.1灌溉渠道的表面修補

大多數服役數十年的灌溉渠道都由于沖磨作用而遭到破壞。某中心樞紐渠道表面粗骨料裸露，邊角部分磨損，有長1m、寬1mm的裂縫。該渠道表面粗骨料裸露，底板局部剝落，石墻底部有部分填充砂漿脫落。首先用水對底層表面進行沖洗，清除掉被破壞的砂漿。邊墻上每石塊接縫處均由砂漿填充。2012年，用ECC涂抹或噴射方式，對該中心樞紐渠道進行修補。普通砂漿和超高強聚合物砂漿也曾用于該中心樞紐渠道的修補，但是1個月后又能觀測到裂縫，然而應用ECC修補的尚未觀測到裂縫。

1.2建筑物的減震

在周期荷載作用下，ECC-鋼筋復合結構可以吸收大量的能量［3］。在鋼筋混凝土結構建筑物中，利用與ECC復合來減震。在高層建筑的主框架結構中，應用這種復合結構既能提高能量吸收能力，又能減少地震后的修補。設計時，考慮到結構效應，抗剪試驗采用1/2.5的尺寸。結果表明，該構件在周期荷載作用下具有特殊的性能，裂縫寬度小于0.3mm。

1.3壩體的表面修復

對于微裂縫結構，ECC表現出優越的屏蔽性能，能提高壩體抗滲性［4］。某重力壩需要對下游壩高從現有的33m加到44m。2013年，在該壩的上游表面噴射了30m的ECC保護層，厚度為30mm，增強對已破壞混凝土表面的保護。每隔1.5m2設置一鉸釘，用來確保ECC和底層混凝土的緊密黏結。后經過連續觀察，裂縫基本沒有出現，效果良好。

1.4擋土墻的表面修復

對于微裂縫結構，從美學角度出發，ECC適合用于破碎混凝土結構的表面。某混凝土重力擋土墻建于20世紀80年代，墻體由于堿骨料反應產生裂縫。于2010年，裂縫用環氧樹脂進行灌漿處理，墻體表面也涂了有機材料保護層。2014年，修補表面再次開裂，這次采用噴射ECC和其他材料進行修補。修補7個月后，采用ECC的都未觀測到裂縫。到10個月和24個月時，分別觀測到0.05mm和0.12mm的裂縫，還可以觀測到形成的微縫網。24個月的觀測比12個月的更難，因為表面積聚了很多雜質。同時，也觀測了采用普通砂漿修補的情況，1個月就能明顯觀測到可見縫，于3、10、24月后分別出現0.03mm、0.2mm、0.3mm的裂縫。

1.5高架橋的表面修復

由于微縫結構所產生的低氣體和液體滲透性，ECC期待用于延遲混凝土結構的碳化。一般鐵路高架橋的表面的防碳化處理，采用有機漆類的襯砌。然而在長期的交通荷載作用下，襯砌容易產生早期裂縫。2014年，將10mm厚的ECC噴射于有彎曲裂縫的高架橋的梁上，鉸釘用于確保ECC和底層混凝土的黏結。

在探索性試驗之前，對鋼筋混凝土梁施加小應力幅度的交替荷載，也就是假定其在鐵路交通荷載產生了彎曲裂縫。在交替荷載作用了1700萬次后，噴射ECC的鋼筋混凝土梁的裂縫寬度只有0.13mm，僅為無ECC保護層的一半（0.25mm）。ECC對混凝土表面碳化的抑制作用也在加速碳化試驗中得到證實。

2　結語

隨著混凝土結構應用領域的不斷擴大，混凝土結構的規模也日漸增大，傳統的結構工程向高度更高、跨度更大、荷載更重的方向不斷發展，同時，對建筑材料性能的要求也變得越來越高。而ECC材料的出現及在土木工程中的廣泛應用必將為未來建筑的發展注入新的生機與活力。

［1］鄔喜春，張亮.淺談ECC材料的性能研究與應用［J］.科技信息，2012，15（4）：232-235.

［2］趙艷亮，新型材料ECC在結構工程中的應用［J］.企業科技與發展，2010，22（3）：134-137.

［3］姚山，張繼文，涂永明.ECC材料在結構防震減災中的應用［J］.工業建筑，2010，27（1）：94-99.

［4］丁一，陳小兵，李榮.ECC材料的研究進展與應用［J］.建筑結構，2012，37（7）：304-306.