ECC材料的性能優勢及工程應用

王青青

摘要：本文介紹了新型水泥基復合材料ECC與傳統混凝土相比具有良好的抗拉性能、抗彎性能等物理力學性能；并由于其某些不同于普通混凝土組成材料而使其更具環保性。由于其優良的性能以及綠色的材料使其在在橋梁道路施工、結構加固補強等方面具有良好的應用前景。

關鍵詞：ECC：抗拉性能；綠色環保；工程應用

1.ECC材料及其研究狀況

聚乙烯醇纖維增韌水泥基復合材料（Engineered Cementitious Compos！‘tes，簡稱ECC）是一種拉伸變形性能優異的水泥基復合材料，最早由美國密歇根大學的Victor c.Li教授和麻省理工大學的Christopher K.Y.Leung教授于1992年提出，是利用微觀力學和斷裂力學原理，對材料體系進行系統設計、調整和優化而得到的具有超強韌性的亂向分布短纖維增強水泥基復合材料。

ECC是一種具有突出優良性能的新興復合材料，因此自從問世以來受到了業界學者的廣泛關注，在工程領域具有廣泛的發展前景。美國、新加坡、日本等國已經進行了大量的理論和試驗研究，并在工程應用中取得了一定的效果。近些年國內對ECC的研究進步很快，不少專家和學者就起其配合比、拉伸性能以及外加劑對其性能的影響等方面進行了不少研究，并取得一定成果。

2.ECC材料的特·性及優勢

ECC是由水泥、水、粉煤灰、石英砂、硅灰、聚乙烯醇纖維（PVA）以及外加劑等按照一定配合比制作并養護得到的具有一定強度以及韌性的新型水泥基復合材料。ECC材料具有較好的韌性，極限拉應變能達到3%左右。受拉裂紋多而密，相較于傳統混凝土，受拉及受彎性能表現較好；材料組成綠色環保，擁有較大優勢。

2.1抗拉強度高

ECC試件的拉伸結果顯示：在拉力從零增加到極限拉應變，試件被破壞的時間較長，且試件表面出現多級裂紋。傳統混凝土的極限拉應變一般為O.01%左右，而ECC材料在保持一定強度條件下，極限拉應變仍可達3%，甚至有些能達到4%，提高了300倍左右?？紤]這是由于在拉伸荷載下，ECC材料中的PVA纖維會產生橋聯應力，增大了纖維與集體之間的粘結應力，從而有效的阻止裂縫開展與貫通，延緩試件破壞時間，增強抗拉承載力，極限拉應變提高。

2.2抗剪強度高

早在1998年，國外學者Kanda等對ECC的抗剪性能進行實驗，結果發現當剪跨比為1時，不配任何抗剪鋼筋，ECC材料梁的抗剪能力是混凝土梁的42.67倍，變形能力高出2.25倍，破壞形式為明顯的延性破壞?？紤]是因為PVA纖維的橋聯作用，增強了水泥漿體對纖維的握裹力，使纖維與漿體不易脫開，增強整體性；此外，纖維在內部均勻散亂分布，將作用在纖維上的剪力有效的向各個方向傳遞，從而削弱了剪力作用效應，是抗剪強度增加。

2.3環保性好

ECC材料組成中有粉煤灰，沒有粗骨料。粉煤灰，是從燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物，對人體、生物以及環境有一定的危害作用。由于其自身的特性，能以較大比重被應用于ECC材料中代替部分水泥。另外，由于目前大多由破碎石頭得到，而礦石開采對環境不好。ECC不用粗骨料，能減少石子用量，減少石頭開采量，減少對環境的影響，更具環保性。

2.4抗震性能好

ECC材料的抗震性能好主要體現在兩個方面。首先，由于該種材料超高的韌性，在地震作用下，房屋或者構建在發生較大的變形之后才會倒塌或者破壞，為有明顯預兆的延性破壞。在這種情況下，能給人們明顯的預兆，并留給人們足夠的逃生時間，提高了結構的安全儲備能力，減少財產損失和人員傷亡。其次，由于ECC材料受拉時內部PVA纖維會產生橋聯作用，在拉力作用下，與水泥漿體之間慢速連續地產生細小滑移，這種連續地微量滑移不斷消耗地震作用是放在結構或構件上的能量，從而提高了結構的抗震性能。

3.工程應用

由于ECC材料相較于傳統混凝土具有抗拉強度高、抗剪強度高。抗震性能好等優點，ECC材料主要被用于橋梁道路補修、結構加固、防震減災等方面。

3.1橋面鋪裝與補修

大量實驗表明，ECC具有優異的抗疲勞性能，能有效阻止水和離子的滲透。由于道路工程中主要經受車輛行駛造成的疲勞荷載，傳統的混凝土材料耐沖擊性能和抗疲勞性能較差，易造成道路表面的破壞，影響通行。大量工程經驗和使用現象表明，在車輛沖擊荷載作用下，易在橋梁伸縮縫的橡膠板和兩邊混凝土內造成應力集中，造成破壞?；炷恋氖覂仍囼灲Y果表明，ECC混凝土有較好的韌性和抗滲性。工程實際效果表明，將ECC用到橋梁伸縮縫中可獲得良好的效果，并且施工簡單、耐久性好，伸縮縫未出現裂縫。

例如2005年建成的日本北海道江別市美原大橋，主橋橋面板就采用了鋼材與ECC組合材料。ECC材料極高的韌性以及裂縫自愈合能力很好地滿足了橋面板所要求的耐久性和適用性，并且由于應用了部分ECC，降低了近40%的自重。也將橋梁的預期使用壽命增加至100年。不僅能獲得良好的經濟效益，也具有重大的工程意義。

3.2結構加固與抗震

由受力分析可知，外力尤其是地震作用下，建筑物的破壞常常發生于梁和柱端部，考慮到ECC材料良好的延展性以及能量消耗作用，可以將ECC適當運用于梁柱端，以改善其受力，提高建筑物承載力。

4.結語

通過上述分析可知，ECC材料能彌補傳統混凝土抗拉強度低，材料韌性差，破壞呈脆性的缺點，并表現出超高韌性，具有廣闊的應用前景。目前ECC材料的研究仍在繼續，更多未知的性能及用途有待開發。

5.前景展望

隨著工程技術的不斷發展和進步，傳統混凝土性能已經不能滿足工程建設的需要；需要性能更加優越的材料為其帶來進步和發展的空間。未來的土木工程材料將向復合化、綠色化、智能化、可持續化和高性能化發展。

不僅僅是新型水泥基復合材料ECC會廣泛運用，也一定會應工程和市場的發展需要，出現更多性能優良的綠色高性能材料，保證建筑的質量和土木工程行業的可持續發展。