可弯曲的混凝土<br/>——高延性水泥基复合材料

可弯曲的混凝土
——高延性水泥基复合材料

2022-02-16王卓琳赵宇翔

科技视界 2022年1期

●王卓琳赵宇翔

混凝土——建筑的血肉

如果把建筑比作一个人，那么混凝土就是构成他的血肉。混凝土是如今应用最为广泛的建筑材料，我国的商品混凝土产量逐年增长，至2019年已增长至27.38亿立方米。混凝土的广泛应用要归功于它硬化前出色的流动性，硬化后良好的抗压承载能力，以及低廉的价格。然而，混凝土在接近破损时并无显著变形，这被称为脆性破坏，常常会导致建筑的突然倒塌，是一种十分危险的破坏形式。与之相对的是塑性破坏，例如金属等材料，在破坏前会产生很大的变形，这给人们充足的时间发现与处置。工程中，常在混凝土构件里配置钢筋，以增强构件的变形性能，在构件层面实现塑性破坏，这也就是常见的钢筋混凝土的由来。然而，钢筋混凝土并没有从根本上改善混凝土的固有缺陷，仍存在混凝土易破损的问题，继而造成钢筋锈蚀，降低构件整体承载能力。

ECC的力学特性

为从根本上解决混凝土材料存在的问题，许多学者致力于增强混凝土的变形性能，而其中最为成功的就是一种添加了合成纤维的“混凝土”，它被称为高延性水泥基复合材料 (ECC,Engineering Cementitious Composite)。这种复合材料最早是在二十世纪九十年代，由美国密歇根大学土木工程系的Victor C Li教授提出来的。根据添加的合成纤维类型不同，ECC可被分为PVA（聚乙烯醇纤维）-ECC和PE（聚乙烯纤维）-ECC。一般来说，PVA-ECC的裂缝更为细密，更适合用作建筑外表面涂层、防水层等方面，而PE-ECC的极限应力、应变则更高，受力性能更好，在结构构件的制作与加固中有更大的作用。

ECC特殊的力学性能源于经过微观力学设计的原材料配合比，其主要原材料为水泥、细砂、粉煤灰和合成纤维。ECC不使用普通混凝土中的石子等粗骨料，使用的细骨料为粒径很小的细砂，这可以避免在粗骨料处应力集中导致的单缝开裂破坏。与一般混凝土尽可能提升强度的思路不同，ECC中大量添加的粉煤灰反而使得基质的强度略微降低，但粉煤灰起到了填充空隙和毛细孔的作用，提高了基质的均匀性，降低了各截面上开裂荷载值的离散程度，有利于裂缝的均匀产生。当裂缝产生后，ECC中添加的合成纤维能够在开裂处产生牵拉效果，使得ECC在继续受力时不会因已有裂缝进一步扩展导致破坏，而是会继续生成更多细密的裂缝，产生多缝开裂的现象。ECC使用的纤维为疏水的PE纤维或经过疏水化处理的PVA纤维，而疏水性会降低纤维与基质的粘结强度，更容易导致滑移。因此，在开裂后继续受拉时，ECC的纤维并不会像其他纤维混凝土中的纤维一样直接断裂，而是经历脱胶、滑移、拔出的过程，使裂缝宽度稳定增长。由于滑移时纤维与基质产生摩擦力，ECC开裂后的耗能能力得到显著提升。ECC材料的设计并不是简单追求强度的提升，而是通过人为设计更加均匀的基质，更易滑移的纤维，实现超高的延性与韧性，如同以柔克刚的太极拳，将外力巧妙化解。

ECC显著区别于普通混凝土的特征有：开裂后的应变硬化阶段，破坏前的多缝开裂模式，破坏时的超高抗拉应变。在抗拉试验中，当第一条裂缝产生后，随着拉应变的继续增加，普通混凝土的拉应力会迅速下降，而ECC的拉应力则会缓慢上升，直至完全破坏，这被称为应变硬化。开裂后继续受拉时，ECC的裂缝图像如图1所示，具有细而致密的特点。一般来说，饱和状态多点开裂的ECC抗拉试件裂缝宽度不超过0.1 mm，裂缝间距不超过3 mm。ECC的多缝开裂特性使其拥有了更强的变形能力，普通混凝土的抗拉应变一般为0.01%，而ECC的抗拉应变普遍可达到3%左右，最高甚至能达到10%，超越了大部分金属的抗拉延性。对于材料来说，更高的抗拉延性意味着更好的弯曲性能，普通混凝土和ECC的四点弯曲试验结果如图2所示，普通混凝土在弯矩作用下出现受拉区的脆性断裂，而ECC试件在大变形下仍能弯而不坏，这也是它被称为“可弯曲混凝土”的原因。

图1 多缝开裂形态

图2 脆性断裂的混凝土与可弯曲的ECC

ECC的显著优势

相比普通混凝土，ECC有以下优势：

1.对于具有应变硬化特性的材料，屈服（金属等）或开裂（ECC）后承载能力的增加使其不会立即破坏，这使得人们有充足的时间在破坏前发现屈服或裂缝并及时采取措施。因此，使用ECC浇筑、加固结构可有效提升结构安全性，减少结构失效造成的生命财产损失。

2.在受到冲击荷载作用时，普通混凝土就像玻璃，耗能能力不足，会产生脆性破坏，而开裂的ECC就像被子弹击中的防弹玻璃，通过致密裂缝的生成消耗能量，因此ECC可表现出极强的韧性，在冲击荷载的作用下能裂而不坏，可用于抗震、抗爆加固。

3.普通的钢筋混凝土梁受拉区常出现混凝土开裂，裂缝渗水会导致受拉钢筋锈蚀，对构件承载能力造成不利影响。由于ECC开裂后裂缝宽度小，其抗渗性能优于开裂后的普通混凝土。因此，使用ECC作为钢筋保护层既可提升构件的承载能力与变形性能，也可有效避免混凝土开裂渗水导致的钢筋锈蚀，提高结构的耐久性。

4.水泥基材料都具有不同程度的自愈合能力，这是由于在开裂后，基质中未水化的水泥等物质在外界水的作用下水化，起到了填充裂缝的作用。研究表明，水泥基材料的自愈合能力很大程度受到裂缝宽度影响，裂缝越小自愈合现象越明显。实验结果表明，ECC具有更强的自愈合能力，这一方面源于其细密的裂缝分布，另一方面也是因为ECC的水灰比较小，水泥含量比普通混凝土多。ECC的自愈合能力使其无需在轻微开裂时检修，节省了建筑的维护成本。

ECC的应用领域

由于ECC具有出色的力学性能，它已被广泛应用于土木工程中。

1.桥面板修补：ECC的首次工程应用是在2002年美国密歇根州的一项桥面板修补工程中。工程结束3年后，工程人员检测修补位置的开裂情况，发现使用ECC修补的桥面板裂缝宽度维持在0.05 mm左右，而使用混凝土修补的桥面板裂缝宽度达到了3.8 mm。该工程证明了使用ECC作为结构表面的修补层可有效提升结构的适用性与耐久性，为后续更多的ECC修补工程提供了经验。

2.水坝、水渠的修补：日本广岛的Mitaka水坝已使用了60多年，存在多处开裂。2003年，工程师使用了喷射混凝土对其进行了维修，并在500 m2的混凝土表面喷涂了一层30 mm厚的ECC作为覆盖层，如图3所示。修缮后，ECC覆盖层起到了抵抗水流侵蚀混凝土的作用。

图3 ECC用于日本Mitaka水坝修补

2005年，日本Shiga县的灌溉渠使用了ECC抹面加固和ECC喷射加固两种方式进行加固。该工程同样使用了普通水泥砂浆与高强聚合物水泥砂浆加固作为对比，后续调查结果表明，这些材料加固部位出现了裂缝，但两种ECC加固方式均未见裂缝。

3.建筑外墙面加固与修复：建筑外墙的破损常常会导致面层坠落，对过往行人的安全造成威胁。对于破损的外墙，采用普通砂浆加固并不能有效解决问题。由于ECC在温度变化下具有良好的抗裂性能，2014年开始，在我国山东与河北省的若干建筑中尝试使用ECC加固的建筑外墙，起到了提升建筑耐久性的作用，同时也可减少模板的使用，节省人力与工期。试验与实践均证明，使用ECC进行修复后，建筑外墙在30个月的持续监测中都未出现破损，提升了建筑耐久性。

4.高层建筑抗震构件：ECC还被用作高层建筑的抗震元件。典型的高层自定心框架结构顶部梁端需通过减震器与柱连接，以实现结构的自定心，如图4-a所示。这样的设计既增加了材料的使用，加长了工期，也减小了建筑内部的使用面积，造成经济效益的损失。图4-b展示了一种使用连梁的框架-核心筒结构，可有效提升室内使用面积。然而，该结构对连梁的受力性能提出了严格的要求，如果使用普通钢筋混凝土则需很高的配筋率，施工与检修成本均较高。日本工程师提出，可使用ECC制作连梁提高结构的抗震性能，降低维护费用，并在东京的多座高层建筑中应用了ECC连梁，包括27层的Glorio-Tower，41层的Nabule Yokohama Tower，60层的Kitahama Tower。在2011年的地震中，三座建筑均受到了一定程度的影响，但并没有出现任何损坏，验证了ECC连梁的可靠性。

图4 ECC用于高层建筑连梁

5.砌体结构抗震加固：砌体结构在我国有广泛的应用与悠久的历史。相对于钢筋混凝土结构，砌体结构的抗震性能常较差，在地震中更容易倒塌。使用ECC加固砌体结构，可增强其耗能能力，提升其抗震性能。目前，西安、甘肃等多个省都已颁布ECC加固砌体结构的标准，上海市也已有若干使用ECC加固砌体结构的工程案例，且相关技术标准正在制定中，如图5所示。

6.3 D打印：3D打印是一种通过模型数据逐层增加材料制造实体的方式，已被成功用于航天、军工、医疗等多个领域。随着我国施工人员老龄化的加剧，建筑工业化成为了建筑行业的发展趋势，而3D打印技术是一种全新的建筑工业化技术，具有加快施工速度、节省人工成本等优点，因此建筑行业对3D打印建筑技术有着急迫的需求，催生了许多针对3D打印建筑的研究与试验，图6展示了一种3D打印的混凝土结构。然而，由于材料、机械等方面的研究尚不成熟，3D打印技术在建筑行业的应用仍处于起步阶段。ECC中没有粗骨料，力学性能又十分出色，因此十分适合用于3D打印建筑。国内使用ECC进行3D打印的研究也已经起步，可以预见，ECC将在3D打印材料中占据一席之地。