ECC增强混凝土构件研究综述

2018-07-20陈玉珩江苏省建筑设计研究院有限公司江苏南京210096

安徽建筑 2018年3期

陈玉珩（江苏省建筑设计研究院有限公司，江苏南京 210096）

ECC是一种经细观力学设计的先进材料，具有应变-硬化特性,在纤维体积掺量小于2%的情况下，其极限拉应变通常在3%～7%的范围内[1]。ECC具有多缝稳态开裂的特点，在安全性、耐久性、适用性等方面有着优异的性能，可以很好地解决传统混凝土由于易脆性、弱拉伸性而导致的种种缺陷，在水泥基制品开发、桥梁道路施工、结构加固补强等领域有着广阔的应用前景。

1 ECC材料简介

1.1 ECC材料定义

ECC（Engineered Cementitious Composites）的材料组分包括水、水泥、一级粉煤灰、石英砂、纤维和化学添加剂等。由于粗骨料会影响复合材料的延性，因此ECC材料中不包含粗骨料。通常来说，2%的纤维含量能够满足ECC材料达到应变硬化性能的要求；另外，由于基体韧度不能太高，石英砂的平均粒径通常在110μm。通常情况下水灰比小于0.5，纤维体积掺量不大于2%[2]。

1.2 ECC材料基本特性

ECC与混凝土具有相近的抗拉强度范围和抗压强度，但是受拉性能完全不同。传统混凝土一旦达到抗拉强度后初始裂缝出现并脆性失效。而ECC试件出现裂缝后在单向拉伸中承载力仍能增加。硬化伴随着大量裂缝的形成。每一条裂缝开展到一定宽度，荷载增加的同时裂缝随之增加。此种机理下，ECC试件可以达到微小裂缝间距和发展的饱和状态，该状态由晶胞中的纤维应力传递能力决定。最终某裂缝处开裂，并发生屈曲。典型的力学屈曲在受拉应变3%～5%时发生，裂缝间距3～6mm，宽度约60μm。换言之，材料表现出准延性，受拉应变3%～5%时裂缝控制良好。

2 ECC构件及结构力学性能

2.1 R/ECC梁及RC/ECC组合梁

对于梁构件，可以考虑将材料用于构件的受拉区域，在提高承载力的同时，还能够避免因混凝土开裂导致的钢筋锈蚀问题，下面将先对RC/ECC组合梁的研究进展进行综述。

图1 组合梁截面及配筋情况示意图

Maalej和Li[3]考虑利用ECC良好的裂缝控制能力和延性来提升钢筋混凝土结构的耐久性能，采用极限拉应变高达5.4%的PE-ECC材料来替换受拉区混凝土，ECC层厚度取为2倍梁底至受拉纵筋中心点的距离，对RC/ECC组合梁进行了四点弯试验，并与普通RC梁进行了对比。梁跨度为914.4mm，截面尺寸为152.4mm×114.3mm，受拉纵筋配筋率为1.47%，纯弯段不配置箍筋（如图1所示）。

构件的最终破坏形态如图2所示，从图2(a)中可以看出，RC梁破坏时梁底裂缝数量少且宽度大；相比之下RC/ECC组合梁在梁底ECC与混凝土的交界处出现了明显的裂缝分化现象，即混凝土中的裂缝在交界处分化成细密裂缝延伸至ECC层（图2、图3）。

2.2 R／ECC柱

Fischer和Li[4]等研究了R/ECC无箍筋柱在低周反复荷载作用下的力学性能，并与配置箍筋的RC柱进行了对比。R/ECC柱较R/C柱具有更高的承载力、更大的极限变形和更饱满的滞回环。R/ECC构件裂缝数量多、宽度小且分布广泛，而且未出现ECC剥落现象；然而，RC构件钢筋外露，混凝土剥落现象严重，可见R/ECC构件具有更好的灾害抵御能力。

图2 RC梁最终破坏形态

图3 组合梁最终破坏形态

2.3 梁-柱节点

湖北工业大学的苏俊等[5]通过6个缩尺比例的梁-柱中节点的低周反复加载试验，研究了超高延性纤维增强水泥基复合材料（UHTCC）用于节点核心区时节点的抗震性能及破坏形态。研究结果表明，在节点核心区应用UHTCC材料能够显著改善节点的承载力、延性和能量耗散能力，抗震性能得到了显著提高。

3 ECC材料工程应用

3.1 ECC材料在高层抗震结构中的应用

由于ECC材料优越的变形性能和耗能能力，将ECC材料用于建筑结构的主要耗能构件中，能够有效提高结构的抗震性能。2005年，日本鹿岛建筑公司宣布将ECC连梁使用于在日本东京和横滨建设的2栋高层建筑，标志着ECC这种高性能纤维增强水泥基复合材料在世界高层建筑中的工程实际应用。目前这2栋高层已经落成，分别是地处东京中心27层Glorio Roppongi和地处横滨的41层Nabeaure Tower。R/ECC连梁可以提高高层建筑物在地震荷载下的能量吸收能力，降低建筑物震后修复费用。

3.2 ECC材料作为结构修复材料的应用

ECC材料优越的控制裂缝能力、超高的延性和良好的耐久性使得其成为结构修复的理想材料。较大的工程实例为日本广岛的Mitaka大坝。该大坝建于1944年，是一座典型的大型混凝土结构，经过60多年的使用期，大坝表面的混凝土出现了严重的剥落现象，影响了大坝的正常使用，也存在一定的安全隐患。2003年鹿岛建筑公司使用喷射ECC方法对其进行了修复加固，取得了良好的效果。