ECC材料的研究及应用情况

杨昕砀

摘 要：ECC是Engineered Cementitious Composites的简称，是一种乱向分布纤维增强水泥基复合材料，具有良好的物理力学性能，在安全性、耐久性、适用性等方面有着优异的性能，可以很好的解决传统混凝土由于易脆性、弱拉伸性而导致的各种缺陷，在桥梁道路施工、结构加固补强等方面有着优良的应用前景。

关键词：ECC；抗拉性能；应变硬化；工程应用

混凝土是工程建设中用量较大的建筑材料之一，然而，混凝土抗拉强度低、韧性差等缺点限制了混凝土在工程中的应用。随着社会和经济的发展，为了确保人造设施和自然环境的和谐共处，需要混凝土材料满足高延展性、高耐久性和可持续性的要求。因此，对高性能混凝土的研究成为工程中迫切的需要。提高混凝土性能的关键是提高混凝土的抗拉强度、韧性及在各种荷载作用下的裂缝控制能力，目前国内外就高性能混凝土的研究重点是在水泥基混凝土中添加适当的外加填料，以改善混凝土的变形能力[1]

1 ECC材料的发展现状

1.1 ECC材料的提出

美国密歇根大学高等混凝土材料实验室在上世纪90年代早期率先提出了ECC这种具有超高韧性的水泥基复合材料。ECC是基于细观力学设计具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料，主要以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于0.15mm的石英砂作为基体，用PE纤维（聚乙烯纤维）或PVA纤维（聚乙烯醇纤维）做增强材料，在纤维体积掺量为2%左右的情况下，其极限拉应变能达到3%以上，具有明显的应变-硬化特性及多缝开裂现象[2]。

1.2 ECC材料的性能

1.2.1 ECC抗拉性能

ECC与普通混凝土相比最大的优点是它的抗拉性能，图1展示的是一个典型的ECC单轴受拉应力应变曲线。在初始裂缝生成之后，ECC进入塑性变形阶段，其间的应变-硬化过程伴随着微裂缝的不断生成及发展，最终的极限拉应变超过了5%，几乎是普通混凝土的500倍。随着荷载的增长，在基体中最大初始缺陷尺寸所在截面上首先开始出现裂缝，第一条裂缝出现后，对應试件的承载能力经历瞬间下降后马上恢复，裂缝宽度很快稳定在一个很细的尺寸上，之后出现第二条裂缝，如此重复多次，试件上最终呈现基本均匀分布的多条细密裂缝，每条裂缝的宽度接近，即使在极限荷载时（应变为5%），裂缝宽度能够保持在60μm，当应变小于1%时，裂缝宽度更小[3]。

1.2.2 ECC抗弯性能

ECC的抗弯性能与抗拉性能类似，表现为极强的韧性和多缝开裂性能。抗弯性能通常用四点弯曲试验检验如图2所示。图中ECC试件尺寸为304.8×76.2×12.2，极限挠度达22mm，是普通混凝土的40倍，而且弯曲过程有明显的弯曲-硬化现象[4]。

1.2.3 ECC抗压性能

ECC的抗压性能与普通高强混凝土类似。ECC的抗压强度为30～90MPa，由于不含粗骨料，ECC的弹性模量低于普通混凝土，为20～25GPa。图3是美国密歇根大学Wang等于2006年试验得到的采用典型配合比ECC-M45的圆柱体试件抗压强度发展曲线图。试验结果表明，前14d内圆柱体抗压强度增强很快，14d龄期时试件的抗压强度大约为65MPa，14d之后抗压强度增长较慢，8个月龄期时圆柱体的抗压强度为75MPa[5]。在受压过程中，因纤维的增韧作用，到达峰值荷载后，ECC周围逐渐凸出，而不是出现类似普通混凝土试件被迅速压碎的现象[6]。

2 ECC的应用

由于ECC的优良性能，可用于桥板、路面的修复或翻新，制作桥梁接头、连接板，还可用于抗震结构或钢-混凝土组合结构的节点、高耐久性路面、地下建筑、混凝土管道、高耐久性保护层和耐久性修复材料等领域。而且，ECC材料可以泵送、自密实，也可以喷射，大大提高了工作效率，缩短工作时间。

比如日本北海道江别市美原大桥于2005年5月建成，它的主桥桥面板使用钢材和ECC组合材料。ECC极高的韧性以及良好的裂缝控制能力很好的满足了桥面板对适用性和耐久性的要求，ECC的应用使桥面板的自重降低了40%，并将桥梁的预期使用寿命提高至100年，极大地提高了该桥梁的长期经济效应[7]。

3 结语

ECC作为一种具有优良性能的新兴复合材料，受到了广泛关注，拥有广阔的发展前景。目前 ECC在美国、日本和新加坡等国已经进行了大量理论和试验研究，并在实际工程中取得了良好的效果，而国内对于ECC的研究尚处于起步的阶段。因此，应当吸收和借鉴国外的先进成果，结合国内对新型材料的需要，对ECC进行相关研究，希望能在ECC材料理论、产品制造、工程应用等方面取得重大的突破。

参考文献

[1]李恒龚.商品混凝土质量影响因素和控制措施[J].黑龙江科技信息，2008.（27）

[2] 陈文永，陈小兵，丁一. ECC高性能纤维增强水泥基材料及其应用[J]. 工业建筑，2010，S1：768-772.

[3] 姚山，戴玲，马丽. 工程用水泥基复合材料（ECC）的研究进展与工程特性[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.

[5]Wang S，Li V C.Polyvinyl Alcohol Fiber Reinforced Engineered Cementitious Composites： Material Design and Performances[C] / / Fischer G，Li V C.Proc.Intl RILEM Workshop HPFRCC in Structural Applications.RILEM SARL，2006：65-73.

[6]Li V C.Concrete Construction Engineering Handbook[M].USA：CRC Press，2007.

[7]丁一.ECC材料的理论及应用试验研究[D].北京：中冶集团建筑研究总院，2008.