高延性纖維增強水泥基復合材料的發展及應用

唐 勇 李 旭

（1.天津市市政工程設計研究院重慶分院，重慶 404100；2.重慶渝發建設有限公司，重慶 400024）

1 ECC簡介及特點

高延性纖維增強水泥基復合材料，英文為Engineered Cementitious Composite，簡稱ECC，是指基于微觀力學和斷裂力學對纖維、基體和界面進行設計、通過纖維增強的復合材料。自1990年密歇根大學的Li教授提出以來，多國學者已對其各項性能和工程應用做了大量研究。ECC在不同國家的叫法有所不同，在我國也有人稱其為“超高韌性水泥基復合材料”，即Ultra High Toughness Cementitious Composite，簡稱UHTCC。

ECC與傳統水泥基材料最大的不同就是其拉伸性能。ECC材料具有超強的受拉變形能力，在單軸拉伸情況下其極限拉應變可超過3%；同時，在受拉時表現為類似于金屬材料才有的應變硬化行為，稱為ECC的偽應變硬化；ECC材料在拉伸破壞時表現為多縫開裂，與傳統水泥基材料拉伸破壞時沿單條主裂縫破壞不同，ECC受拉時裂縫寬度小、間距小，最終表現為多條裂縫達到指定寬度而破壞。這些良好的拉伸性能正是對纖維、基體和界面設計的結果。

除了良好的拉伸性能外，ECC其他方面的特性：（1）壓縮特性。ECC材料壓縮性能與傳統混凝土類似，但ECC的彈性模量較小，受壓變形能力較大，受壓破壞時表現出很好的延性。（2）抗剪性能。不同于混凝土剪切破壞時的脆性破壞，ECC材料剪切破壞時為典型的延性破壞，抗剪承載力以及剪切變形能力都遠強于混凝土。（3）耐久性。耐久性是抗裂性、抗滲性和抗腐蝕性等多方面性能的綜合。前述ECC良好的受拉性能即良好的抗裂性；受拉多縫開裂，裂縫寬度小，使得外界的水和氯離子等無法滲入，即很好的抗滲性；研究表明ECC還具有很好的抗碳化能力，在受電化學腐蝕后仍能保持很好的力學性能，即很好的抗腐蝕性。（4）自愈合能力。由于ECC組分以及裂縫寬度小的原因，在暴露于室外工作環境經過一段時間后，由于ECC繼續水化，在裂縫中會產生白色晶體堵住裂縫，且研究證明愈合后的裂縫具有一定的承載能力。（5）可持續性。結構的可持續性包括結構對環境的影響，也包括在結構生命周期內的社會經濟成本。密歇根大學綜合多個學科構件模型對ECC結構進行了評估，結果表明使用ECC的結構其生命周期內的成本低于混凝土結構；ECC材料由于其組分的原因本身就屬于一種環保材料。ECC材料具有很好的可持續性。

ECC不含粗骨料，通過纖維的連接作用增強基體。摻入纖維一般為聚乙烯醇PVA纖維，經過設計可使纖維的摻量在2%左右，使其更具經濟性。近年來也有研究人員使用成本更低的聚乙烯PE纖維，結果表明效果也很好。除了水泥以外，ECC的原料中還含有粉煤灰，使得其更環保經濟。還可以通過添加其他原料，來實現多種特殊性能或來滿足具體要求，這也是近年來對于ECC研究的一個熱點。

2 幾種新型具有特殊性能的ECC

2.1 可噴射型抗火ECC

隨著結構越來越向大跨、高聳發展，鋼結構的應用越來越廣泛。鋼結構的抗火一直是個大問題，傳統應用于鋼結構的抗火涂料韌性差，雖然在結構的正常使用階段可以一定程度上增加鋼結構的抗火能力，但在極端狀況下，如地震、爆炸等沖擊荷載下會從鋼結構表面剝落，使鋼結構直接暴露于火災中，嚴重影響結構安全，發生于2001年的911事件就是一個慘痛的例子。為解決這個問題，近兩年有研究人員研發了一種可噴射型的抗火ECC。通過在傳統ECC中添加蛭石和細小玻璃泡，并用價格更低的PE纖維代替PVA纖維，得到可噴射的抗火ECC。此ECC可噴射性好，與鋼結構的粘結能力遠遠強于傳統防火涂料，其抗火能力也可與傳統防火涂料相當，有很好的應用前景。

2.2 可3D打印ECC

混凝土的3D打印是施工行業最認可的方法，而傳統普通混凝土這種材料由于在抗拉方面的缺陷以及本身的脆性，使其在作為3D打印材料時不可避免地需要鋼筋來加勁。鋼筋的參與不僅限制了3D打印技術的自由性，同時也增加了打印施工本身的難度，這樣打印出來的建筑物或構筑物也不可避免地具有傳統鋼筋混凝土結構的許多缺點，易開裂以及由開裂引起的鋼筋銹蝕，具有嚴重的耐久性問題以及可持續性問題。而普通 ECC 材料雖然能克服傳統普通混凝土在耐久性、可持續性等多方面的問題，但由于其本身具有較高的流動性，凝結硬化也需要較長時間，使得普通ECC也不宜作為3D打印的材料。為了解決這些問題，可3D打印的ECC材料應運而生。這種ECC除了波特蘭水泥、粉煤灰和PVA纖維外，還添加了一定量的鋁酸鈣水泥、微硅、凹凸棒納米粘土和粉煤灰空心球。使得其在打印設備中有良好的可流動性，能順利地通過打印設備中的各種管道和泵送設備，又能在離開打印設備后能在很短的時間內凝結硬化，便于成型；同時具有很好的觸變性，當在打印設備中收到剪切力攪拌力時能流動，離開打印設備不受力時又不易流動；在滿足觸變性的同時還不發生離析，保證了ECC原有的優良性質。隨著現代結構行業越來越趨向于自動化和裝配化，這種ECC的應用前景也會越來越廣。

2.3 自密實ECC

傳統ECC拌合物流動性差，在澆筑時需要一定的施工工序，影響施工速度，還容易出現纖維分布不均的問題。Li教授等人通過對減水劑進行優化，并添加一定量的羥丙基甲基纖維素，得到了可以自密實的ECC。試驗證明，這種ECC在新鮮狀態的拌合物具有很好的流動性和理想的黏度，使得其在施工時不用外界振搗就可密實，同時纖維與基體不會發生離析，有很大的工程應用潛力。

此外，還有防水ECC、綠色環保ECC、輕質ECC等，以滿足不同的工程需要。

3 ECC的應用

3.1 ECC用于結構修復

位于美國密歇根州，一座建成于1976年的簡支梁橋，橋面瀝青鋪裝老化嚴重，鋼筋混凝土橋面板也有一定程度損傷，嚴重影響交通。通過對瀝青老化部分橋面板進行清理，然后分別用ECC和混凝土進行鋪裝來作對比。修復后4個月，用ECC修復部分僅在ECC表明產生不影響使用的細微裂縫，而用混凝土修復部分裂縫比較明顯。修復后10個月，ECC修復部分仍然完好，裂縫寬度無明顯增加，而用混凝土修復部分已破壞較嚴重。

2003年日本使用ECC對廣島地區一表面受損的水壩進行修復，在受損水壩表面噴射ECC，修復后明顯減少了大壩的維修次數和維修費用。

3.2 ECC作為橋面聯結板

使用橋面聯結板可有效防止橋梁伸縮縫的病害，但仍存在一些問題。例如在溫差變化較大時，鋼筋混凝土聯結板會由于兩端板的較大變形而開裂，若因此提高聯結板的配筋率又會影響橋梁受力。為解決上述問題，研究人員指出用ECC作為聯結板。這一結構也已在美國一座跨簡支梁橋中得到應用，被證實有很好的效果。

3.3 ECC在抗震領域的應用

ECC具有高拉伸韌性、高剪切延性和高能量吸收能力，是理想的抗震材料。對將ECC應用于抗震的研究非常多，包括應用ECC的柱、梁和節點等，都證實了ECC在地震中很好的能量吸收能力。同時ECC與鋼結構組合時，由于ECC的變形能力，使得其能與鋼的變形協調，不會從鋼結構表面脫落。此外，還有基于ECC的抗震框架結構，建于2007年的日本橫濱Nabeaure大廈就是使用了ECC 作為連梁的結構體系。

3.4 ECC應用于鋼橋面鋪裝

目前我國鋼橋面鋪裝使用最多的還是環氧瀝青混凝土，但環氧瀝青混凝土價格昂貴，在承受重載時疲勞破壞問題嚴重，維修次數多，維修費用大。ECC材料具有很好的延性和抗疲勞性能，且與鋼材黏結性能好、抗腐蝕抗滲能力強。有研究人員提出將ECC應用于鋼橋面鋪裝，并通過在ECC中加入工業廢料提升ECC的環保性和經濟性，并通過試驗驗證將ECC應用于鋼橋面時，ECC的自愈合能力還會進一步提升其作為橋面鋪裝材料的優勢。

4 結語

ECC材料已不算是新型材料，關于ECC的研究也已經非常多，盡管優點諸多，但在我國幾乎沒有真正應用，存在很多原因，其中很重要的就是我國目前尚沒有生產ECC成品的商家，若私人拌制ECC，原材料和配合比對最終產品的性能影響較大。與ECC性能較類似的另一種纖維混凝土UHPC，已經有很多出售UHPC成品的商家，盡管UHPC的價格是ECC的幾倍，但仍有很多大橋的鋪裝和聯結部位采用，效果也非常可觀。綜合看來，ECC在我國還有非常大的應用空間。