ECC材料的研究及應用情況

楊昕碭

摘 要：ECC是Engineered Cementitious Composites的簡稱，是一種亂向分布纖維增強水泥基復合材料，具有良好的物理力學性能，在安全性、耐久性、適用性等方面有著優異的性能，可以很好的解決傳統混凝土由于易脆性、弱拉伸性而導致的各種缺陷，在橋梁道路施工、結構加固補強等方面有著優良的應用前景。

關鍵詞：ECC；抗拉性能；應變硬化；工程應用

混凝土是工程建設中用量較大的建筑材料之一，然而，混凝土抗拉強度低、韌性差等缺點限制了混凝土在工程中的應用。隨著社會和經濟的發展，為了確保人造設施和自然環境的和諧共處，需要混凝土材料滿足高延展性、高耐久性和可持續性的要求。因此，對高性能混凝土的研究成為工程中迫切的需要。提高混凝土性能的關鍵是提高混凝土的抗拉強度、韌性及在各種荷載作用下的裂縫控制能力，目前國內外就高性能混凝土的研究重點是在水泥基混凝土中添加適當的外加填料，以改善混凝土的變形能力[1]

1 ECC材料的發展現狀

1.1 ECC材料的提出

美國密歇根大學高等混凝土材料實驗室在上世紀90年代早期率先提出了ECC這種具有超高韌性的水泥基復合材料。ECC是基于細觀力學設計具有超強韌性的亂向分布短纖維增強水泥基復合材料，主要以水泥、礦物摻合料以及平均粒徑不大于0.15mm的石英砂作為基體，用PE纖維（聚乙烯纖維）或PVA纖維（聚乙烯醇纖維）做增強材料，在纖維體積摻量為2%左右的情況下，其極限拉應變能達到3%以上，具有明顯的應變-硬化特性及多縫開裂現象[2]。

1.2 ECC材料的性能

1.2.1 ECC抗拉性能

ECC與普通混凝土相比最大的優點是它的抗拉性能，圖1展示的是一個典型的ECC單軸受拉應力應變曲線。在初始裂縫生成之后，ECC進入塑性變形階段，其間的應變-硬化過程伴隨著微裂縫的不斷生成及發展，最終的極限拉應變超過了5%，幾乎是普通混凝土的500倍。隨著荷載的增長，在基體中最大初始缺陷尺寸所在截面上首先開始出現裂縫，第一條裂縫出現后，對應試件的承載能力經歷瞬間下降后馬上恢復，裂縫寬度很快穩定在一個很細的尺寸上，之后出現第二條裂縫，如此重復多次，試件上最終呈現基本均勻分布的多條細密裂縫，每條裂縫的寬度接近，即使在極限荷載時（應變為5%），裂縫寬度能夠保持在60μm，當應變小于1%時，裂縫寬度更小[3]。

1.2.2 ECC抗彎性能

ECC的抗彎性能與抗拉性能類似，表現為極強的韌性和多縫開裂性能。抗彎性能通常用四點彎曲試驗檢驗如圖2所示。圖中ECC試件尺寸為304.8×76.2×12.2，極限撓度達22mm，是普通混凝土的40倍，而且彎曲過程有明顯的彎曲-硬化現象[4]。

1.2.3 ECC抗壓性能

ECC的抗壓性能與普通高強混凝土類似。ECC的抗壓強度為30～90MPa，由于不含粗骨料，ECC的彈性模量低于普通混凝土，為20～25GPa。圖3是美國密歇根大學Wang等于2006年試驗得到的采用典型配合比ECC-M45的圓柱體試件抗壓強度發展曲線圖。試驗結果表明，前14d內圓柱體抗壓強度增強很快，14d齡期時試件的抗壓強度大約為65MPa，14d之后抗壓強度增長較慢，8個月齡期時圓柱體的抗壓強度為75MPa[5]。在受壓過程中，因纖維的增韌作用，到達峰值荷載后，ECC周圍逐漸凸出，而不是出現類似普通混凝土試件被迅速壓碎的現象[6]。

2 ECC的應用

由于ECC的優良性能，可用于橋板、路面的修復或翻新，制作橋梁接頭、連接板，還可用于抗震結構或鋼-混凝土組合結構的節點、高耐久性路面、地下建筑、混凝土管道、高耐久性保護層和耐久性修復材料等領域。而且，ECC材料可以泵送、自密實，也可以噴射，大大提高了工作效率，縮短工作時間。

比如日本北海道江別市美原大橋于2005年5月建成，它的主橋橋面板使用鋼材和ECC組合材料。ECC極高的韌性以及良好的裂縫控制能力很好的滿足了橋面板對適用性和耐久性的要求，ECC的應用使橋面板的自重降低了40%，并將橋梁的預期使用壽命提高至100年，極大地提高了該橋梁的長期經濟效應[7]。

3 結語

ECC作為一種具有優良性能的新興復合材料，受到了廣泛關注，擁有廣闊的發展前景。目前 ECC在美國、日本和新加坡等國已經進行了大量理論和試驗研究，并在實際工程中取得了良好的效果，而國內對于ECC的研究尚處于起步的階段。因此，應當吸收和借鑒國外的先進成果，結合國內對新型材料的需要，對ECC進行相關研究，希望能在ECC材料理論、產品制造、工程應用等方面取得重大的突破。

參考文獻

[1]李恒龔.商品混凝土質量影響因素和控制措施[J].黑龍江科技信息，2008.（27）

[2] 陳文永，陳小兵，丁一. ECC高性能纖維增強水泥基材料及其應用[J]. 工業建筑，2010，S1：768-772.

[3] 姚山，戴玲，馬麗. 工程用水泥基復合材料（ECC）的研究進展與工程特性[J]. 混凝土，2010，11：87-91.

[4]SHUXIN WANG，VICTOR C L Polyvinyl alcohol fiber reinforced engineered cementitious composites [J]：Material Design and Performances，2003.

[5]Wang S，Li V C.Polyvinyl Alcohol Fiber Reinforced Engineered Cementitious Composites： Material Design and Performances[C] / / Fischer G，Li V C.Proc.Intl RILEM Workshop HPFRCC in Structural Applications.RILEM SARL，2006：65-73.

[6]Li V C.Concrete Construction Engineering Handbook[M].USA：CRC Press，2007.

[7]丁一.ECC材料的理論及應用試驗研究[D].北京：中冶集團建筑研究總院，2008.