高延性纤维增强水泥基复合材料的发展及应用

2023-01-30刘东

运输经理世界 2022年27期

刘东

（山西振兴公路监理有限公司，山西太原 030001）

0 引言

ECC 有别于传统的水泥基材料，具有较强的受拉变形能力，单轴拉伸的极限拉应变在3%以上，在受拉状态下呈现出应变硬化行为。受拉伸破坏的影响，ECC 通常有多缝开裂的现象，与常规的水泥基材料有明显的差异，即并非沿单条主裂缝破坏，而是出现多条小间距、小宽度的裂缝，结构的受损范围得到均摊，无明显的集中破坏问题。

1 ECC 的发展及应用概述

ECC 是一种纤维增强的复合材料，基于纤维、基体和界面进行设计后产生。具体设计理念如图1所示。

图1 ECC 设计理念

传统混凝土的脆性问题饱受诟病，为改善其性能，工程技术人员进行了深入的研究。在此背景下，高延性纤维增强水泥基复合材料应运而生，在拉伸荷载作用下呈现出突出的应变硬化特性，较之于以往的传统混凝土，受力性能大幅度提升。高延性纤维增强水泥基复合材料的纤维体积掺量较高，因此此类材料在实际应用中存在局限性。

例如，掺入量的控制难度较大、掺入材料的成本相对较高，且需要配套特殊的工艺，否则影响混凝土的性能。

ECC 是基于微观力学的性能驱动设计而衍生出的材料，针对微观结构做出深入的优化，充分兼顾纤维特性、基体特性和纤维/基体的界面特性及其之间的相互影响，构建第一起裂应力准则和裂缝稳态扩展准则，以较小的纤维含量为前提，达到提升复合材料工程性能的效果（凸显出应变硬化效应），为工程建设提供可靠的材料支持。

2 ECC 的基本特性

2.1 压缩性

通过与传统混凝土的对比分析发现，ECC 的压缩性能与之基本相当，但弹性模量较小，在受压破坏状态下，具有良好的延性，如图2 所示。

图2 典型ECC 抗压强度发展曲线

2.2 抗剪性能

无论是抗剪承载力还是剪切变形能力，ECC 均优于传统混凝土。

2.3 耐久性

耐久性的高低在很大程度上取决于混凝土的抗渗性、抗腐蚀性等多重性能，根据前述分析可知，ECC的受拉性能良好，意味着该类材料的抗裂性能突出。在受拉状态下，多缝开裂，各裂缝的宽度相对较小，未构成流动渠道，外部环境中的水和氯离子等物质无法进入，由此也充分说明ECC 的抗渗性能优势。不仅于此，ECC 还有抗碳化能力，即便受到电化学腐蚀作用，依然有足够的稳定性，即材料的抗腐蚀性能较佳。因此，ECC 的抗渗性和抗腐蚀性进一步保证了耐久性。

2.4 自愈合能力

ECC 出现裂缝后，宽度明显减小，在外界环境作用下，将持续发生水化。此时可见部分白色晶体存在于裂缝内，起到封堵的作用。经一段时间后，裂缝恢复正常状态。

3 ECC 应用研究

ECC 作为保护层，在改善混凝土结构性能方面有突出作用。得益于ECC 韧性和应变硬化性能的优势，混凝土的稳定性和耐久性得到保障，即便遇到极端环境，ECC 依然有良好的适应性。相较于普通钢筋混凝土，钢筋增强的ECC 梁、柱及桥面连接板等部位的性能更加突出，在结构承载力、循环荷载下的能量吸收效果均良好。因此，在工程建设中，应用ECC 是可行的思路，有助于维持构件的稳定性，提升构件的耐久性。

3.1 ECC 在桥面板铺装施工中的应用

现阶段，我国钢桥面铺装施工的可选材料较多，其中以环氧沥青混凝土的应用较为广泛，但在承受重载时往往伴有明显的疲劳破坏问题，后续维修的工作量较大。ECC 的延性和抗疲劳性能良好，能够与钢材稳定黏结，并且在使用过程中可抵御外部因素的影响，有良好的抗腐蚀、抗渗性能。除此之外，在ECC中加入适量的工业废料后，有助于提高环保性，契合于节能环保的现代工程理念。在钢桥面施工中应用ECC，得益于该材料良好的自愈合能力，可保证桥面结构的完整性。

以某桥梁为例，全长972m，在桥上钢板的沥青覆盖物中，约1/2 的厚度由ECC 代替。在采取该配置方式后，可削弱应力的作用，保证桥面板有足够的稳定性。从施工工艺的角度来看，先在拌和站生产ECC，通过出厂质量检验后，用大型搅拌车尽快运输至施工现场，做二次搅拌处理，而后用于浇筑施工。

3.2 ECC 作为保护层提高混凝土耐久性

受材料性能退化、荷载作用等内外部因素的影响，部分处于设计使用年限内的混凝土构件出现破坏。在各类诱发破坏的原因中，以混凝土保护层的耐久性不足最为突出，保护层无法提供全面的保护功能，局部开裂，为侵蚀因子的进入带来通道。对于工业民用建筑，裂缝宽度小于0.05mm 时具备良好的防护能力。在工程的混凝土施工中，必须严格控制混凝土裂缝的宽度，增强防护效果，确保混凝土构件有良好的耐久性。在混凝土构件表面施工中，用ECC 取代适量的脆性混凝土，改善表面材料的性能，确保构件不会由于约束收缩的存在而损伤开裂。构件表面的ECC 保护层有足够的厚度时，即便构件受到强烈的外力作用，ECC 保护层仍可有效吸收能量或在较大程度上抑制能量，控制由于外力所致的裂缝发展趋势，避免裂缝贯通。在ECC 保护层的防护作用下，混凝土表面的完整性得到保障，可阻止有害物质进入内部，使混凝土结构具有耐久性[1]。

3.3 ECC 在结构减震中的应用

ECC 兼具突出的拉伸韧性、高剪切延性，属于良好的抗震材料。在现阶段的工程实践中，通常将ECC用于柱、梁、节点等较为关键的受力部位。实际结果显示，若能够合理应用ECC，将显著提高结构对能量的吸收能力，以免因地震或其他外部作用而受损。在对ECC 和钢结构做组合应用时，两者的黏结具有稳定性，各自的变形达到相协调的状态，由此避免ECC 从钢结构表面脱落的情况。

ECC-钢筋复合结构对能量的吸收能力较强，因此减震效果明显。在高层建筑的主框架施工中，若合理设置ECC-钢筋复合结构，将大幅度提高对能量的吸收能力，避免在地震作用下结构明显受损，震后的修补工作量也随之减少。

3.4 ECC 在坝体表面修补中的应用

ECC 的裂缝属于规模较小的微裂缝，几乎不存在渗透问题。例如，在某重力坝工程中，需针对下游坝体做加高处理，即由原本的33m 坝高增至44m。在施工中，对上游表面喷射了厚度为30mm 的ECC 保护层，可有效防护坝体结构，使原本已经受损的部位恢复完整。除此之外，按照特定的间距布设适量的铰钉，在其连接作用下，使ECC 和底层混凝土稳定结合，构成完整的结构体[2]。

3.5 ECC 在灌溉渠道表面修补中的应用

某灌溉枢纽渠道，底板宽度1.5m，侧墙高度1.1m，渠道表面粗骨料裸露，部分边角区域有结构受损问题，存在宽度约1mm、长度约1m 的裂缝，底板局部剥落，石墙底部的填充砂浆由于缺乏足够的黏结性能而脱落。

针对该渠道工程暴露的问题，采取相应的处理措施：先用水冲洗底板表面，清理被破坏的砂浆；而后，制备适量优质的砂浆，用于填充侧墙上各石块的接缝；用ECC 涂抹的方法修补渠道。在应用ECC 进行修补后，未见裂缝，表明修补效果良好。

3.6 ECC 在挡土墙表面修补中的应用

ECC 在修补破碎混凝土结构时往往可取得良好的效果。某重力挡土墙的墙体由于存在较强烈的碱骨料反应而形成裂缝。针对此病害，有关人员用环氧树脂做灌浆处理，同时取适量的有机材料，刷涂墙体，但经过几年的使用后，局部仍有开裂问题。为此，决定采用喷射ECC 的方法。通过后期观察发现，应用ECC 修补的部分均较为完整；修补后的10 个月和24个月，局部有小于0.05mm 和0.12mm 的裂缝，并且可以发现结构部分区域形成了微缝网，总体来看修补效果较好，结构的完整性和稳定性得到保证。

3.7 ECC 在高架桥表面修补中的应用

微缝结构具有较低的渗透性，可有效延缓结构的碳化，结构的耐久性随之提升。在铁路高架桥的防碳化处理中，通常选用有机类的衬砌，但随着使用时间的延长，在交通荷载作用下，裂缝有扩展的趋势，可见衬砌有较为明显的早期裂缝。针对该类裂缝问题，采用喷射ECC 的方法予以处理，并设置适量的铰钉，以保证ECC 与底层混凝土稳定黏结。为了准确判断ECC 在高架桥表面修补中的应用效果，对梁体结构施加小应力幅度的交替荷载，可以发现，经过1700 万次的交替荷载作用后，喷射ECC 的结构虽然存在裂缝，但宽度仅为0.13mm，ECC 保护层厚度为0.25mm，前者仅为后者的一半左右。除此之外，组织加速碳化试验，结果显示ECC 对混凝土表面碳化的抑制作用较强。