工程用水泥基复合材料在土木工程中的应用

2016-03-11郑军兴丁勇国

河南建材 2016年5期

关键词：砂浆复合材料观测

郑军兴　丁勇国

1西京学院土木工程学院（710123） 2西安铁路工程集团（712099）

工程用水泥基复合材料在土木工程中的应用

郑军兴1丁勇国2

1西京学院土木工程学院（710123） 2西安铁路工程集团（712099）

为了促进工程用水泥基复合材料（ECC）在土木工程中的应用，对ECC材料在土木工程中的实际应用进行实例分析，并对ECC材料在工程中应用的效果进行了对比分析，希望能对促进ECC材料在土木工程中的应用。

ECC；土木工程；表面修复；建筑减震

0　前言

工程用水泥基复合材料（ECC）是指基于断裂力学、微观物理力学和统计学优化设计，使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%，硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定在3%以上的新型工程用水泥基复合材料［1］。ECC组成材料包括纤维、水泥、砂、水、矿物掺合料和增稠剂，通常情况下水灰比小于0.5，纤维体积掺量不大于2%。试验研究已经证实它的应变能力一般为3%～6%，最高可达8%，耗能能力是常规纤维混凝土的3倍［2］。因此ECC在提高结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性方面具有显著的效果，在抗震结构、大变形结构、抗冲击结构和修复结构中有着广阔的发展前景。

1　ECC在土木工程中的应用

1.1灌溉渠道的表面修补

大多数服役数十年的灌溉渠道都由于冲磨作用而遭到破坏。某中心枢纽渠道表面粗骨料裸露，边角部分磨损，有长1m、宽1mm的裂缝。该渠道表面粗骨料裸露，底板局部剥落，石墙底部有部分填充砂浆脱落。首先用水对底层表面进行冲洗，清除掉被破坏的砂浆。边墙上每石块接缝处均由砂浆填充。2012年，用ECC涂抹或喷射方式，对该中心枢纽渠道进行修补。普通砂浆和超高强聚合物砂浆也曾用于该中心枢纽渠道的修补，但是1个月后又能观测到裂缝，然而应用ECC修补的尚未观测到裂缝。

1.2建筑物的减震

在周期荷载作用下，ECC-钢筋复合结构可以吸收大量的能量［3］。在钢筋混凝土结构建筑物中，利用与ECC复合来减震。在高层建筑的主框架结构中，应用这种复合结构既能提高能量吸收能力，又能减少地震后的修补。设计时，考虑到结构效应，抗剪试验采用1/2.5的尺寸。结果表明，该构件在周期荷载作用下具有特殊的性能，裂缝宽度小于0.3mm。

1.3坝体的表面修复

对于微裂缝结构，ECC表现出优越的屏蔽性能，能提高坝体抗渗性［4］。某重力坝需要对下游坝高从现有的33m加到44m。2013年，在该坝的上游表面喷射了30m的ECC保护层，厚度为30mm，增强对已破坏混凝土表面的保护。每隔1.5m2设置一铰钉，用来确保ECC和底层混凝土的紧密黏结。后经过连续观察，裂缝基本没有出现，效果良好。

1.4挡土墙的表面修复

对于微裂缝结构，从美学角度出发，ECC适合用于破碎混凝土结构的表面。某混凝土重力挡土墙建于20世纪80年代，墙体由于碱骨料反应产生裂缝。于2010年，裂缝用环氧树脂进行灌浆处理，墙体表面也涂了有机材料保护层。2014年，修补表面再次开裂，这次采用喷射ECC和其他材料进行修补。修补7个月后，采用ECC的都未观测到裂缝。到10个月和24个月时，分别观测到0.05mm和0.12mm的裂缝，还可以观测到形成的微缝网。24个月的观测比12个月的更难，因为表面积聚了很多杂质。同时，也观测了采用普通砂浆修补的情况，1个月就能明显观测到可见缝，于3、10、24月后分别出现0.03mm、0.2mm、0.3mm的裂缝。

1.5高架桥的表面修复

由于微缝结构所产生的低气体和液体渗透性，ECC期待用于延迟混凝土结构的碳化。一般铁路高架桥的表面的防碳化处理，采用有机漆类的衬砌。然而在长期的交通荷载作用下，衬砌容易产生早期裂缝。2014年，将10mm厚的ECC喷射于有弯曲裂缝的高架桥的梁上，铰钉用于确保ECC和底层混凝土的黏结。

在探索性试验之前，对钢筋混凝土梁施加小应力幅度的交替荷载，也就是假定其在铁路交通荷载产生了弯曲裂缝。在交替荷载作用了1700万次后，喷射ECC的钢筋混凝土梁的裂缝宽度只有0.13mm，仅为无ECC保护层的一半（0.25mm）。ECC对混凝土表面碳化的抑制作用也在加速碳化试验中得到证实。