工程水泥基復合材料及其應用

(重慶交通大學 重慶 400000)

一、引言

自從19世紀波特蘭水泥問世以來，水泥被廣泛應用于各個領域，為人類社會的進步與發展做出了重大的貢獻。幾個世紀以來，水泥混凝土應用領域擴大，對混凝土性能要求也更高。傳統水泥混凝土主要存在以下缺點：①材料的脆性破壞②較低的抗拉強度③易開裂，且裂縫寬度大④帶縫工作所引起的鋼筋生銹、壽命縮短等問題。要從其材質上改良是很困難的，不斷的翻修和重建也不是長遠的策略，因此新型水泥基復合材料的研究成為了當今工程發展的主要方向。新型的水泥基復合材料既要改善傳統水泥混凝土的缺點，也要滿足當今社會的發展趨勢——耐久、環保、可持續發展。

二、ECC材料的發展

ECC全稱Engineered，是上個世紀九十年代早期在美國密西根大學Li教授和麻省理工的Leung教授[1]在高等混凝土材料實驗室開展的研究，是一種具有超強韌性的亂向分布纖維增強水泥水泥基復合材料。通過微觀力學和斷裂力學原理，對材料進行系統的設計和優化。經過試驗研究，ECC材料在纖維體積摻量2%時擁有極好的抗拉抗彎性能。

多年以來，科研學者已經認識到傳統水泥基材料的缺點并開始著手改善。纖維在增加混凝土的強度，減少裂縫開裂等方面有顯著成效，因此學者研究出鋼纖維混凝土和聚丙烯混凝土，纖維摻量穩定在2%左右，能夠在混凝土早期提供較強的強度和韌度，防止過早開裂，但在拉伸試驗中，開裂后的混凝土性能較差，長期使用性能差；后來，研究人員提高了纖維的摻量，研發出了高性能纖維混凝土，它開裂時體現出了準應變-硬化的特性，但由于纖維的含量非常高，不僅成本無法控制，施工的難易度也直線上升。

三、ECC材料特性及研究現狀

(一)受拉特性

ECC材料的應變-硬化特性是指材料在繼續發生應變必須增加應力時，材料抵抗變形的能力明顯提高，能產生多條細而密的裂縫。

ECC材料在進行受拉試驗時，首先材料會在最大初始缺陷處出現初始裂紋，然后裂紋會依次出現在缺陷由大到小的缺陷處，最后初始裂紋處會出現貫穿整個材料界面的裂縫，即初始裂縫，初始裂縫出現后整個試件的承載能力急劇降低，然后馬上恢復至原先水平，這是由于材料中，摻入的纖維在裂縫處起到“橋接”作用，所以整體未受到裂縫的影響而出現承載力降低。

(二)受壓特性

ECC材料的受壓特性與普通高強混凝土相差不大，其抗壓強度大致為30-90MPa。普通混凝土的彈性模量相對于ECC材料的彈性模量更高。但抗壓應變高于普通混凝土，由于ECC材料中摻入細紗和中砂，沒有粗骨料的加入。

(三)抗彎特性

普通水泥基材料韌性差，抗拉強度低，容易開裂等特點，摻入纖維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，容易開裂的特點。ECC材料相較于普通水泥基材料也具有極好的抗彎特性。同拉伸試驗相似，四點彎曲試驗中，ECC材料還具有顯著的應變硬化特性。

(四)抗剪性能及抗震性能

大量文獻表明[6-9]，PVA-ECC材料能夠顯著提高梁的抗剪承載能力，很大程度上是由于纖維的作用，纖維表面處理工藝以及纖維特性決定能否與水泥基形成良好的粘結作用。粘結強度增強，以及纖維在水泥基中的亂向分布狀態，可以較好的適應彎矩和剪力的復雜應力，有利于使結構尺寸減小。

(五)其他性能

ECC材料不僅僅是在力學性能上的表現良好，在其他功能方面也十分優異。①與鋼筋的協調變形。按照粘結滑移理論，在普通混凝土結構中，一旦混凝土產生裂縫，將由鋼筋全部承擔拉力，而混凝土退出工作，鋼筋應力的突然增加將導致裂縫的進一步擴大。

四、ECC材料的應用

(一)加固維修材料

ECC材料仍然可用于加固維修材料，被廣泛的應用于橋面、大壩、邊坡等場所，主要是因為其優異的耐久性、變形能力和裂縫控制能力。在橋面維修中，ECC材料的裂縫在剛開始甚至不易發現，一年過后裂縫仍然維持在50μm的水平，而普通混凝土的裂縫較大，達到毫米級別，從一開始鋪筑到使用數年后，普通混凝土較于ECC材料的表現都較差；其應用于大壩維修、邊坡填筑也是同樣的原理。

五、結論與展望

ECC材料由于具有優異的力學性能，在耐久性和裂縫控制方面也表現卓越，以及優秀的施工性和環保性，使其作為一種工程材料，能夠較好的應用于工程的各個領域。然而，依然有很多問題值得進一步討論：PVA有機纖維的成本還是過高，且國內生產出的PVA并不能達到直接用在工程上的要求，這對國內廠家和學者提出了挑戰；新的ECC材料的出現必然具有匹配的測試標準。盡快確立有關規范是推進ECC發展的重要環節；目前進行了較多的力學性能試驗，耐久性試驗進行較少，并且僅僅研究材料本身，材料與構件結構之間的聯系較少，材料同環境以及荷載的共同作用下研究不夠。