ECC增強混凝土構件研究綜述

陳玉珩 （江蘇省建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210096）

ECC是一種經細觀力學設計的先進材料，具有應變-硬化特性,在纖維體積摻量小于2%的情況下，其極限拉應變通常在3%～7%的范圍內[1]。ECC具有多縫穩態開裂的特點，在安全性、耐久性、適用性等方面有著優異的性能，可以很好地解決傳統混凝土由于易脆性、弱拉伸性而導致的種種缺陷，在水泥基制品開發、橋梁道路施工、結構加固補強等領域有著廣闊的應用前景。

1 ECC材料簡介

1.1 ECC材料定義

ECC（Engineered Cementitious Composites）的材料組分包括水、水泥、一級粉煤灰、石英砂、纖維和化學添加劑等。由于粗骨料會影響復合材料的延性，因此ECC材料中不包含粗骨料。通常來說，2%的纖維含量能夠滿足ECC材料達到應變硬化性能的要求；另外，由于基體韌度不能太高，石英砂的平均粒徑通常在110μm。通常情況下水灰比小于0.5，纖維體積摻量不大于2%[2]。

1.2 ECC材料基本特性

ECC與混凝土具有相近的抗拉強度范圍和抗壓強度，但是受拉性能完全不同。傳統混凝土一旦達到抗拉強度后初始裂縫出現并脆性失效。而ECC試件出現裂縫后在單向拉伸中承載力仍能增加。硬化伴隨著大量裂縫的形成。每一條裂縫開展到一定寬度，荷載增加的同時裂縫隨之增加。此種機理下，ECC試件可以達到微小裂縫間距和發展的飽和狀態，該狀態由晶胞中的纖維應力傳遞能力決定。最終某裂縫處開裂，并發生屈曲。典型的力學屈曲在受拉應變3%～5%時發生，裂縫間距3～6mm，寬度約60μm。換言之，材料表現出準延性，受拉應變3%～5%時裂縫控制良好。

2 ECC構件及結構力學性能

2.1 R/ECC梁及RC/ECC組合梁

對于梁構件，可以考慮將材料用于構件的受拉區域，在提高承載力的同時，還能夠避免因混凝土開裂導致的鋼筋銹蝕問題，下面將先對RC/ECC組合梁的研究進展進行綜述。

圖1 組合梁截面及配筋情況示意圖

Maalej和Li[3]考慮利用ECC良好的裂縫控制能力和延性來提升鋼筋混凝土結構的耐久性能，采用極限拉應變高達5.4%的PE-ECC材料來替換受拉區混凝土，ECC層厚度取為2倍梁底至受拉縱筋中心點的距離，對RC/ECC組合梁進行了四點彎試驗，并與普通RC梁進行了對比。梁跨度為914.4mm，截面尺寸為152.4mm×114.3mm，受拉縱筋配筋率為1.47%，純彎段不配置箍筋（如圖1所示）。

構件的最終破壞形態如圖2所示，從圖2(a)中可以看出，RC梁破壞時梁底裂縫數量少且寬度大；相比之下RC/ECC組合梁在梁底ECC與混凝土的交界處出現了明顯的裂縫分化現象，即混凝土中的裂縫在交界處分化成細密裂縫延伸至ECC層（圖2、圖3）。

2.2 R／ECC柱

Fischer和Li[4]等研究了R/ECC無箍筋柱在低周反復荷載作用下的力學性能，并與配置箍筋的RC柱進行了對比。R/ECC柱較R/C柱具有更高的承載力、更大的極限變形和更飽滿的滯回環。R/ECC構件裂縫數量多、寬度小且分布廣泛，而且未出現ECC剝落現象；然而，RC構件鋼筋外露，混凝土剝落現象嚴重，可見R/ECC構件具有更好的災害抵御能力。

圖2 RC梁最終破壞形態

圖3 組合梁最終破壞形態

2.3 梁-柱節點

湖北工業大學的蘇俊等[5]通過6個縮尺比例的梁-柱中節點的低周反復加載試驗，研究了超高延性纖維增強水泥基復合材料（UHTCC）用于節點核心區時節點的抗震性能及破壞形態。研究結果表明，在節點核心區應用UHTCC材料能夠顯著改善節點的承載力、延性和能量耗散能力，抗震性能得到了顯著提高。

3 ECC材料工程應用

3.1 ECC材料在高層抗震結構中的應用

由于ECC材料優越的變形性能和耗能能力，將ECC材料用于建筑結構的主要耗能構件中，能夠有效提高結構的抗震性能。2005年，日本鹿島建筑公司宣布將ECC連梁使用于在日本東京和橫濱建設的2棟高層建筑，標志著ECC這種高性能纖維增強水泥基復合材料在世界高層建筑中的工程實際應用。目前這2棟高層已經落成，分別是地處東京中心27層Glorio Roppongi和地處橫濱的41層Nabeaure Tower。R/ECC連梁可以提高高層建筑物在地震荷載下的能量吸收能力，降低建筑物震后修復費用。

3.2 ECC材料作為結構修復材料的應用

ECC材料優越的控制裂縫能力、超高的延性和良好的耐久性使得其成為結構修復的理想材料。較大的工程實例為日本廣島的Mitaka大壩。該大壩建于1944年，是一座典型的大型混凝土結構，經過60多年的使用期，大壩表面的混凝土出現了嚴重的剝落現象，影響了大壩的正常使用，也存在一定的安全隱患。2003年鹿島建筑公司使用噴射ECC方法對其進行了修復加固，取得了良好的效果。

4 結論

ECC材料對于結構的延性、災害抵御能力和災后可修復性都具有重要貢獻，國內外學者已對ECC材料的力學特性和工程應用進行了深入研究，如直接拉伸性能、抗壓性能、彎曲性能、抗剪性能、斷裂性能、自愈合性能、耐久性能等。不難預見，ECC用于工程結構可極大提高結構的安全性和耐久性。