高韌性纖維增強水泥基材性及應(yīng)用

張黎飛

摘 要：具有良好的拉伸-硬化、多裂縫開展特征及良好的變形韌性，在壓縮變形過程中能夠保持較好的整體性。依據(jù)微觀力學(xué)方法介紹ECC多裂縫開展機理，研究拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及薄板四點彎曲荷載-撓度曲線發(fā)展過程。ECC優(yōu)良的力學(xué)特征彌補普通混凝土脆性破壞模式，能夠應(yīng)用于橋面連接板等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件.

關(guān)鍵詞：ECC 力學(xué)性能 應(yīng)用

1、前言

ECC具有良好的耐久性、韌性以及抗疲勞性，作為加固修復(fù)材料、橋面連接板及抗震耗能構(gòu)件等，在美國、日本和歐洲具有大量的應(yīng)用[1][2]。國內(nèi)ECC材料研究尚處于起步發(fā)展階段，應(yīng)用前景廣闊。

2、ECC研究進展

國內(nèi)外研究人員對超高韌性水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了大量的試驗研究，主要包括壓縮性能、拉伸性能和彎曲特性，其中拉伸-硬化是反映ECC材料韌性最有效手段。主要介紹了ECC材料的基本力學(xué)性能和開裂理論基礎(chǔ)。

2.1抗壓性能

是普通混凝土和常見纖維水泥基壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與混凝土相比，ECC材料由于不使用粗骨料，所以彈性模量均低于普通混凝土；PVA-ECC與PE-ECC具有相似的極值壓應(yīng)變（約0.5%），為混凝土壓應(yīng)變的2.5倍；其中，PVA-ECC在經(jīng)過峰值荷載后，應(yīng)力下降較為緩和，PE-ECC應(yīng)力在經(jīng)過峰值點后快速降到約50%應(yīng)力水平，后期與PVA-ECC相似，PE纖維彈性模量是PVA纖維的2.2倍，因此可以認(rèn)為纖維彈性模量是決定PE-ECC抗壓強度和彈性模量高于PVA-ECC的原因；PVA-ECC表現(xiàn)出較好的延性發(fā)展；但相對于混凝土均表現(xiàn)出延性特征。ECC材料在抗壓破壞后，試件表面出現(xiàn)裂縫，但試件無大范圍材料剝落，在強度滿足的條件下具有良好的抗壓變形、和抗開裂剝落能力。

2.2拉伸應(yīng)變-強化

ECC材料拉伸應(yīng)變-硬化性能是超高韌性的主要特征（圖1）。許多纖維混凝土材料都能表現(xiàn)出一定的彎曲變形能力，但在直接拉伸條件下均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化，因此，將直接拉伸試驗作為判斷材料是否具有應(yīng)變-硬化特最有效的方法。通過直接拉伸試驗，不僅能夠得出初裂強度、初裂應(yīng)變、抗拉強度、抗拉極限應(yīng)變和裂縫寬度等，還能的到材料的拉伸彈性模量，對研究材料性能有著重要意義。纖維拉斷和拔出兩種纖維破壞模式同時存在，是ECC多裂縫開展的微觀力學(xué)基礎(chǔ)。

3、ECC材料應(yīng)用前景

3.1 橋面連接板

Li V C等人在美國密歇根州高速公路橋面連接板進行了應(yīng)用，經(jīng)過觀測早期裂縫，滿足橋面連接板變形和耐久性要求。新型高韌性橋面連接板能夠節(jié)約40%的能源消耗，生產(chǎn)安裝過程降低了50%的垃圾和38%的原料消費。

3.2鋼-ECC組合結(jié)構(gòu)

輕鋼橋面結(jié)構(gòu)具有自重輕、承載高、易于施工等優(yōu)勢，橋面暴露于自然環(huán)境及車輛動荷載作用下，橋面腐蝕嚴(yán)重。使用ECC層覆蓋橋面層，實現(xiàn)提高剛度、承載力及耐久性。ECC面層與鋼橋面之間通過栓釘進行粘結(jié)，保證ECC面層與橋面整體變形、協(xié)同受力。北海道美原大橋使用ECC作為橋面層，降低橋梁自重達40%。ECC面層在變形過程中表現(xiàn)出良好的裂縫寬度控制能力，具有良好的抗?jié)B性和耐久性，使用壽命可達到100年。

3.3作為修復(fù)材料

ECC具有良好的界面粘結(jié)性能，作為修復(fù)材料能夠?qū)?gòu)件、大壩、古建筑進行修復(fù)。日本Mitaka水壩使用時間超過60年，壩體表面出現(xiàn)嚴(yán)重開裂、剝落，并伴隨有滲水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響大壩正常運作。大壩于2003年進行ECC修復(fù)，表層噴射20mmECC覆蓋層。經(jīng)過修復(fù)，壩體整體性得到恢復(fù)，經(jīng)過觀測，ECC覆蓋層工作良好。

4、結(jié)語

ECC材性特點具有廣泛的應(yīng)用前景。作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如橋面連接板，良好的抗?jié)B性能夠防止雨水對結(jié)構(gòu)主體的侵蝕；與FRP材料結(jié)合，充分發(fā)揮兩種材料優(yōu)勢，改善傳統(tǒng)構(gòu)件受力性能；同時，ECC材料能夠作為修復(fù)材料對破損結(jié)構(gòu)進行修復(fù)，提高修復(fù)效果。

參考文獻：

[1]Li，V.C.（2003）.”O(jiān)n 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，許玲，張聰（2015）.高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料的微觀力學(xué)設(shè)計、性能及發(fā)展趨勢. 硅酸鹽學(xué)報。第43卷第5期。