高韌性纖維增強水泥基材性及應用

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。依據微觀力學方法介紹ECC多裂縫開展機理，研究拉伸應力-應變曲線及薄板四點彎曲荷載-撓度曲線發展過程。ECC優良的力學特征彌補普通混凝土脆性破壞模式，能夠應用于橋面連接板等非結構構件.

關鍵詞：ECC 力學性能 應用

1、前言

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

2、ECC研究進展

國內外研究人員對超高韌性水泥基復合材料的力學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材料的基本力學性能和開裂理論基礎。

2.1抗壓性能

是普通混凝土和常見纖維水泥基壓應力-應變曲線。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變（約0.5%），為混凝土壓應變的2.5倍；其中，PVA-ECC在經過峰值荷載后，應力下降較為緩和，PE-ECC應力在經過峰值點后快速降到約50%應力水平，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表現出較好的延性發展；但相對于混凝土均表現出延性特征。ECC材料在抗壓破壞后，試件表面出現裂縫，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拉伸應變-強化

ECC材料拉伸應變-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出一定的彎曲變形能力，但在直接拉伸條件下均表現出應變軟化，因此，將直接拉伸試驗作為判斷材料是否具有應變-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、初裂應變、抗拉強度、抗拉極限應變和裂縫寬度等，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基礎。

3、ECC材料應用前景

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用，經過觀測早期裂縫，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約40%的能源消耗，生產安裝過程降低了50%的垃圾和38%的原料消費。

3.2鋼-ECC組合結構

輕鋼橋面結構具有自重輕、承載高、易于施工等優勢，橋面暴露于自然環境及車輛動荷載作用下，橋面腐蝕嚴重。使用ECC層覆蓋橋面層，實現提高剛度、承載力及耐久性。ECC面層與鋼橋面之間通過栓釘進行粘結，保證ECC面層與橋面整體變形、協同受力。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出良好的裂縫寬度控制能力，具有良好的抗滲性和耐久性，使用壽命可達到100年。

3.3作為修復材料

ECC具有良好的界面粘結性能，作為修復材料能夠對構件、大壩、古建筑進行修復。日本Mitaka水壩使用時間超過60年，壩體表面出現嚴重開裂、剝落，并伴隨有滲水現象，嚴重影響大壩正常運作。大壩于2003年進行ECC修復，表層噴射20mmECC覆蓋層。經過修復，壩體整體性得到恢復，經過觀測，ECC覆蓋層工作良好。

4、結語

ECC材性特點具有廣泛的應用前景。作為非結構構件，如橋面連接板，良好的抗滲性能夠防止雨水對結構主體的侵蝕；與FRP材料結合，充分發揮兩種材料優勢，改善傳統構件受力性能；同時，ECC材料能夠作為修復材料對破損結構進行修復，提高修復效果。

參考文獻：

[1]Li，V.C.（2003）.”On 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合材料的微觀力學設計、性能及發展趨勢. 硅酸鹽學報。第43卷第5期。