ECC材料的性能优势及工程应用

王青青

摘要：本文介绍了新型水泥基复合材料ECC与传统混凝土相比具有良好的抗拉性能、抗弯性能等物理力学性能；并由于其某些不同于普通混凝土组成材料而使其更具环保性。由于其优良的性能以及绿色的材料使其在在桥梁道路施工、结构加固补强等方面具有良好的应用前景。

关键词：ECC：抗拉性能；绿色环保；工程应用

1.ECC材料及其研究状况

聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料（Engineered Cementitious Compos！‘tes，简称ECC）是一种拉伸变形性能优异的水泥基复合材料，最早由美国密歇根大学的Victor c.Li教授和麻省理工大学的Christopher K.Y.Leung教授于1992年提出，是利用微观力学和断裂力学原理，对材料体系进行系统设计、调整和优化而得到的具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料。

ECC是一种具有突出优良性能的新兴复合材料，因此自从问世以来受到了业界学者的广泛关注，在工程领域具有广泛的发展前景。美国、新加坡、日本等国已经进行了大量的理论和试验研究，并在工程应用中取得了一定的效果。近些年国内对ECC的研究进步很快，不少专家和学者就起其配合比、拉伸性能以及外加剂对其性能的影响等方面进行了不少研究，并取得一定成果。

2.ECC材料的特·性及优势

ECC是由水泥、水、粉煤灰、石英砂、硅灰、聚乙烯醇纤维（PVA）以及外加剂等按照一定配合比制作并养护得到的具有一定强度以及韧性的新型水泥基复合材料。ECC材料具有较好的韧性，极限拉应变能达到3%左右。受拉裂纹多而密，相较于传统混凝土，受拉及受弯性能表现较好；材料组成绿色环保，拥有较大优势。

2.1抗拉强度高

ECC试件的拉伸结果显示：在拉力从零增加到极限拉应变，试件被破坏的时间较长，且试件表面出现多级裂纹。传统混凝土的极限拉应变一般为O.01%左右，而ECC材料在保持一定强度条件下，极限拉应变仍可达3%，甚至有些能达到4%，提高了300倍左右。考虑这是由于在拉伸荷载下，ECC材料中的PVA纤维会产生桥联应力，增大了纤维与集体之间的粘结应力，从而有效的阻止裂缝开展与贯通，延缓试件破坏时间，增强抗拉承载力，极限拉应变提高。

2.2抗剪强度高

早在1998年，国外学者Kanda等对ECC的抗剪性能进行实验，结果发现当剪跨比为1时，不配任何抗剪钢筋，ECC材料梁的抗剪能力是混凝土梁的42.67倍，变形能力高出2.25倍，破坏形式为明显的延性破坏。考虑是因为PVA纤维的桥联作用，增强了水泥浆体对纤维的握裹力，使纤维与浆体不易脱开，增强整体性；此外，纤维在内部均匀散乱分布，将作用在纤维上的剪力有效的向各个方向传递，从而削弱了剪力作用效应，是抗剪强度增加。

2.3环保性好

ECC材料组成中有粉煤灰，没有粗骨料。粉煤灰，是从燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物，对人体、生物以及环境有一定的危害作用。由于其自身的特性，能以较大比重被应用于ECC材料中代替部分水泥。另外，由于目前大多由破碎石头得到，而矿石开采对环境不好。ECC不用粗骨料，能减少石子用量，减少石头开采量，减少对环境的影响，更具环保性。

2.4抗震性能好

ECC材料的抗震性能好主要体现在两个方面。首先，由于该种材料超高的韧性，在地震作用下，房屋或者构建在发生较大的变形之后才会倒塌或者破坏，为有明显预兆的延性破坏。在这种情况下，能给人们明显的预兆，并留给人们足够的逃生时间，提高了结构的安全储备能力，减少财产损失和人员伤亡。其次，由于ECC材料受拉时内部PVA纤维会产生桥联作用，在拉力作用下，与水泥浆体之间慢速连续地产生细小滑移，这种连续地微量滑移不断消耗地震作用是放在结构或构件上的能量，从而提高了结构的抗震性能。

3.工程应用

由于ECC材料相较于传统混凝土具有抗拉强度高、抗剪强度高。抗震性能好等优点，ECC材料主要被用于桥梁道路补修、结构加固、防震减灾等方面。

3.1桥面铺装与补修

大量实验表明，ECC具有优异的抗疲劳性能，能有效阻止水和离子的渗透。由于道路工程中主要经受车辆行驶造成的疲劳荷载，传统的混凝土材料耐冲击性能和抗疲劳性能较差，易造成道路表面的破坏，影响通行。大量工程经验和使用现象表明，在车辆冲击荷载作用下，易在桥梁伸缩缝的橡胶板和两边混凝土内造成应力集中，造成破坏。混凝土的室内试验结果表明，ECC混凝土有较好的韧性和抗渗性。工程实际效果表明，将ECC用到桥梁伸缩缝中可获得良好的效果，并且施工简单、耐久性好，伸缩缝未出现裂缝。

例如2005年建成的日本北海道江别市美原大桥，主桥桥面板就采用了钢材与ECC组合材料。ECC材料极高的韧性以及裂缝自愈合能力很好地满足了桥面板所要求的耐久性和适用性，并且由于应用了部分ECC，降低了近40%的自重。也将桥梁的预期使用寿命增加至100年。不仅能获得良好的经济效益，也具有重大的工程意义。

3.2结构加固与抗震

由受力分析可知，外力尤其是地震作用下，建筑物的破坏常常发生于梁和柱端部，考虑到ECC材料良好的延展性以及能量消耗作用，可以将ECC适当运用于梁柱端，以改善其受力，提高建筑物承载力。

4.结语

通过上述分析可知，ECC材料能弥补传统混凝土抗拉强度低，材料韧性差，破坏呈脆性的缺点，并表现出超高韧性，具有广阔的应用前景。目前ECC材料的研究仍在继续，更多未知的性能及用途有待开发。

5.前景展望

随着工程技术的不断发展和进步，传统混凝土性能已经不能满足工程建设的需要；需要性能更加優越的材料为其带来进步和发展的空间。未来的土木工程材料将向复合化、绿色化、智能化、可持续化和高性能化发展。

不仅仅是新型水泥基复合材料ECC会广泛运用，也一定会应工程和市场的发展需要，出现更多性能优良的绿色高性能材料，保证建筑的质量和土木工程行业的可持续发展。