ECC材料的研究及應(yīng)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(fù)合材料，具有良好的物理力學(xué)性能，在安全性、耐久性、適用性等方面有著優(yōu)異的性能，可以很好的解決傳統(tǒng)混凝土由于易脆性、弱拉伸性而導(dǎo)致的各種缺陷，在橋梁道路施工、結(jié)構(gòu)加固補強等方面有著優(yōu)良的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ECC；抗拉性能；應(yīng)變硬化；工程應(yīng)用

混凝土是工程建設(shè)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(yīng)用。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，為了確保人造設(shè)施和自然環(huán)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(xù)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(guān)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(nèi)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(dāng)?shù)耐饧犹盍希愿纳苹炷恋淖冃文芰1]

1 ECC材料的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 ECC材料的提出

美國密歇根大學(xué)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(fù)合材料。ECC是基于細觀力學(xué)設(shè)計具有超強韌性的亂向分布短纖維增強水泥基復(fù)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(yīng)變能達到3%以上，具有明顯的應(yīng)變-硬化特性及多縫開裂現(xiàn)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(yōu)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)變-硬化過程伴隨著微裂縫的不斷生成及發(fā)展，最終的極限拉應(yīng)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(xiàn)裂縫，第一條裂縫出現(xiàn)后，對應(yīng)試件的承載能力經(jīng)歷瞬間下降后馬上恢復(fù)，裂縫寬度很快穩(wěn)定在一個很細的尺寸上，之后出現(xiàn)第二條裂縫，如此重復(fù)多次，試件上最終呈現(xiàn)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(yīng)變?yōu)?%），裂縫寬度能夠保持在60μm，當(dāng)應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)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(xué)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(fā)展曲線圖。試驗結(jié)果表明，前14d內(nèi)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(xiàn)類似普通混凝土試件被迅速壓碎的現(xiàn)象[6]。

2 ECC的應(yīng)用

由于ECC的優(yōu)良性能，可用于橋板、路面的修復(fù)或翻新，制作橋梁接頭、連接板，還可用于抗震結(jié)構(gòu)或鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的節(jié)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(fù)材料等領(lǐng)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(yīng)用使橋面板的自重降低了40%，并將橋梁的預(yù)期使用壽命提高至100年，極大地提高了該橋梁的長期經(jīng)濟效應(yīng)[7]。

3 結(jié)語

ECC作為一種具有優(yōu)良性能的新興復(fù)合材料，受到了廣泛關(guān)注，擁有廣闊的發(fā)展前景。目前 ECC在美國、日本和新加坡等國已經(jīng)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(nèi)對于ECC的研究尚處于起步的階段。因此，應(yīng)當(dāng)吸收和借鑒國外的先進成果，結(jié)合國內(nèi)對新型材料的需要，對ECC進行相關(guān)研究，希望能在ECC材料理論、產(chǎn)品制造、工程應(yīng)用等方面取得重大的突破。

參考文獻

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[3] 姚山，戴玲，馬麗. 工程用水泥基復(fù)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.

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