高延性水泥基复合材料在水工结构中的应用构想

李家正12

(1.长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

高延性纤维增强水泥基复合材料 (Engineered Cementitious Composite，ECC) 是经系统设计，在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料[1-2]。最早在20世纪90年代初，美国密歇根大学Li教授和麻省理工大学的Leung教授等运用断裂力学和细观力学原理提出了ECC材料的基本设计理念。随后ECC在日本和欧洲获得了飞快的发展和广泛应用，日本称之为超高性能纤维增强水泥基复合材料(Ultra High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite，UHPFRCC)[3]。欧洲则根据该材料应变硬化这一典型特征而将其命名为应变硬化水泥基材料(Strain Hardening Cement-based Composites，SHCC)[4]。ECC极高的延展性是在纤维掺量较低的情况下(纤维体积掺量仅为2%或以下)，通过多裂缝的平稳展开而实现的，其应变能力是普通混凝土的几百倍(单轴拉伸荷载下最大应变>3%)。从图1可以看出，在较高应变的情况下，ECC材料的裂缝宽度仍能够保持在60 μm以下[5-7]。

图1 典型的ECC拉伸应力-应变曲线及裂缝宽度发展示意Fig.1 Typical ECC tensile stress-strain curveand crack width development curve

ECC材料具有以下特点：

(1)良好的安全性。ECC有极高的拉伸延性，ECC材料结构除了具有抗坍塌能力，还具有高抗损伤能力，遭受地震等破坏后的残余裂缝宽度很小。

(2)超高的耐久性。ECC在限制干燥收缩的条件下，裂缝宽度控制在30 μm左右，可以有效减少氯化物和硫酸盐等侵蚀性介质对混凝土材料的破坏，从而提高结构的耐久性。

(3)绿色低碳可持续性。从建筑材料全生命周期成本角度来看，ECC的经济成本、能耗、CO2排放，修补成本等方面较普通混凝土低[8-10]。

2 HECC材料制备与性能要求

长江科学院基于某大型水电站廊道塑性铰接段材料研究项目，提出了适用于水工建筑的水泥基复合材料(Hydraulic Engineered Cementitious Composites, HECC)概念。根据不同水工结构功能要求，HECC应具有按需设计的拌和物性能(可采用低坍落度制备)和相应成型方法、中等强度、低弹性模量、按需设计的延伸率、较强的热稳定性、高耐久性、可控的裂缝宽度以及较为宽泛的原材料选择。与工民建等行业的ECC相比，HECC材料特性体现在以下方面。

2.1 原材料

为了扩展HECC的适用范围，降低HECC制备难度及经济成本，在满足设计要求的前提下，HECC可扩大原材料选择范围，采用工程当地原材料配制HECC。

(1)水泥可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥等。

(2)辅助胶凝材料可采用粉煤灰、硅粉、矿渣等。扩大辅助胶凝材料的选择范围，不仅减少了水泥的用量，减少CO2排放，较传统的ECC更加环保，同时可以获得良好的应变硬化效果。长江科学院的研究成果表明，硅粉有助于提高拌和物黏聚性、防止泌水、增加极限抗拉强度、提高抗弯强度，但对极限延伸率、最大荷载处位移有不利影响[11]。Kim等[12]、Sahmaran等[13]、曹明莉等[14]的研究均表明，粉煤灰、矿渣作为辅助胶凝材料制备的ECC，其极限拉应变分别为3.5%和3.6%[12-14]。

(3)可采用水利水电工程当地原材料制备HECC用的细骨料，细骨料最大粒径可增大至1.25 mm。长江科学院的研究成果表明，采用某大型水电站当地原状砂、1.25 mm的细骨料以及0.63 mm的细骨料制备的HECC极限延伸率分别为0.75%、1.86%及2.88%[11]。田砾等[15]的研究表明，细骨料粒径由110 μm增大至1.25 mm时，ECC的极限延伸率有所降低，但仍能获得>2%的延伸率，但相对于普通混凝土提高了近200倍，同时使得ECC的制备容易实现，应用范围得以扩展[15]。

(4)结合不同应用场景，充分利用弹性模量高、价格低的钢纤维、聚乙烯纤维(PE)、聚乙烯醇(PVA)、聚烯烃弹性体(POE)纤维、纤维水泥(FC)、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等单独和共同使用，拓宽HECC纤维选择范围，形成HECC新型纤维增强体系。一方面能获得较高的应变性能，另一方面能降低HECC的成本[16-17]。

2.2 拌合物性能及制备、成型方法

不同水工结构对混凝土坍落度、扩散度、流动性有不同要求。HECC可针对不同要求，制备进行相应坍落度HECC的制备。尤其是低坍落度(≤100 mm)HECC的制备，与现有制备方法显著不同。同时，成型方法也显著不同，由单一的自密实、自流平成型，向振捣成型、挤压成型、碾压成型等多种成型方法发展。

2.3 力学性能和耐久性能

HECC应具有中等强度，28 d抗压强度标号一般为C25—C40，特殊部位(如抗冲磨部位)HECC抗压强度可适当提高。28 d弹性模量一般<20 GPa。按照HECC不同的应用场景，可设计HECC的延伸率，一般为1%～3%。在不掺加引气剂的条件下，HECC抗冻性能超过F300，具体指标见表1。

表1 HECC材料性能指标Table 1 Performance indexes of HECC materials

2.4 裂缝宽度控制

开裂混凝土的渗透性与裂缝宽度的三次幂成正比，当混凝土裂缝宽度<100 μm时，可以认为混凝土的抗渗性能与未开裂混凝土是一致的[18-19]。从图1可以看出，传统ECC在极限载荷(应变4%)，裂缝宽度保持在100 μm以内。考虑到水工混凝土服役环境，对抗渗性能要求较高，因此应控制HECC的裂缝最大宽度≤60 μm。

2.5 热稳定性

HECC通常具有结构体积大、混凝土内部温升高等特点。为了保证PVA纤维的稳定性，混凝土内部最高温度≤95 ℃，混凝土内部>75 ℃的持续时间<72 h。

2.6 自愈合能力

自愈合是指在不通过任何外界干预的条件下材料自身对裂缝的修复能力。通常情况下，混凝土毫米级的裂缝宽度是无法仅依靠自身进行愈合的。损伤龄期越早，试件的裂缝自愈合的效果越好，随裂缝出现时间延长，自愈合的效果随之降低[20]。HECC应具有较强的自愈合能力，包括强度自愈合、抗渗自愈合和裂缝自愈合。强度恢复指数计算式为

(1)

式中：Rs是强度恢复指数；Sc是破坏后带裂缝再次标准养护相同龄期后的试件强度；Sb是同龄期标准养护试件强度。

HECC的28 d强度恢复指数应≥60%，HECC在预加载到70%最大极限荷载后再养护28 d开展抗渗试验，抗渗等级达空白样的80%。

3 HECC在水工结构中的应用构想

在美国、日本和欧洲等国家及地区，ECC大量应用于边坡加固、桥面修复、桥梁连接板及高层建筑连梁等领域。近年来，国内在建筑工程及道路施工领域也有所应用，但ECC在水工建筑物中的应用尚未见报道。结合HECC的材料特点，构想HECC在水工领域的应用场景[21-23]。

3.1 堆石坝新型坝基廊道

深厚覆盖层心墙堆石坝坝基廊道的设计，国内外多采用在防渗墙顶部设置灌浆廊道与防渗心墙连接的型式。然而，从已建工程运行情况来看，坝基廊道开裂及渗漏是一个亟待解决的问题。坝基廊道开裂及渗漏的原因可归结为：在坝体填筑过程中，坝基廊道在竖直方向将发生挠曲大变形。在水库蓄水过程中，防渗墙在水压作用下向下游变形，带动与其刚性连接的坝基廊道同时向下游产生挠曲变形。竖向和向下游的挠曲大变形会在坝基廊道靠近岸坡附近区域产生大应力区，当应力超过钢筋混凝土抗拉强度时，将在坝基廊道上出现裂缝和渗漏现象。目前，坝基廊道防裂的研究主要集中在截面型式和结构缝布置的设计优化方面，在坝基廊道材料方面的研究鲜见报道。拟采用HECC构建能够适应大变形的坝基廊道结构，为坝基廊道防裂、防渗漏提供一条新的有效途径。

在设计方面，在坝基廊道变形较大区域采用HECC塑性铰接段替代普通混凝土段，形成多段HECC与普通混凝土段组成的铰链式廊道结构，通过结构优化分析确定HECC塑性铰接段的数量和范围，采用HECC的心墙堆石坝坝基廊道结构见图2和图3。该新型结构将原来相对刚性的混凝土坝基廊道变为柔性铰链式结构，通过调整廊道整体刚度的方式主动适应坝体的变形，从而提高坝基廊道的防裂性能。HECC铰接段的配筋量小于普通混凝土段，充分利用ECC应变硬化、超高韧性、裂缝分散和自修复等特性，确保HECC铰接段首先进入塑性状态，承担结构的主要变形。此外，主要变形由HECC塑性铰接段承担后，坝基廊道普通混凝土段变形量及内应力大幅下降，开裂风险明显降低。

图2 采用HECC的心墙堆石坝坝基廊道结构剖视图Fig.2 Sectional view of dam foundation gallerystructure of core rockfill dam with HECC

图3 采用HECC的心墙堆石坝坝基廊道结构变形后示意图Fig.3 Schematic diagram after deformation of damfoundation gallery structure of core rockfill damwith HECC

在施工方面，采用HECC与常规混凝土相比，仅增加了HECC塑性铰接段浇筑以及HECC塑性铰接段与普通混凝土段连接界面的处理工序，而且界面处理方式相对简单。同时，通过抹刷界面剂，可以加强HECC塑性铰接段与普通混凝土段之间的粘接强度，进一步降低坝基廊道的开裂风险。

3.2 面板堆石坝新型防渗面板

混凝土面板堆石坝因其具有良好的安全性、经济性、抗震能力强和对地形地质条件的良好适应性等优势，在水利水电工程中得到了广泛的应用[24]。混凝土面板作为面板堆石坝的主要防渗结构，其整体性和耐久性关系到大坝的安全运行。面板混凝土开裂的原因可以归结为：坝体和面板混凝土的变形不协调。目前，混凝土面板后期变形控制是防止开裂的主要手段，然而被动的变形控制方法只能解决面板某一阶段开裂问题，纵观面板整个运行期，混凝土面板开裂仍然会发生。在面板混凝土应力大、变形大的区域，通过合理布置HECC塑性区，确保HECC比普通混凝土材料先进入塑性状态，普通混凝土区仍处于弹性未破坏阶段，从而提高防渗面板适应变形的能力，显著降低高堆石坝的面板开裂风险，为面板混凝土防裂开辟新的途径。面板堆石坝新型防渗面板结构见图4。

图4 混凝土面板堆石坝新型防渗面板示意图Fig.4 Schematic diagram of new anti-seepage panel ofconcrete faced rockfill dam

在设计方面，针对不同面板结构和防渗要求，HECC面板有以下3种布置方式。

(1)全HECC浇筑面板。对于小型面板坝可采用HECC全部替代常规混凝土浇筑防渗面板，同时取消钢筋配置，在造价可控的条件下，显著提高面板防渗抗裂能力。

(2)HECC与普通混凝土组合面板。对于高堆石坝，通过沿高程方向设置若干HECC塑性区替代部分普通混凝土区，构件HECC和普通混凝土组合面板防渗体系，将原来刚性的面板本体变成了相对柔性的面板。同时，HECC面板材料的设计强度等级小于普通混凝土区的材料设计强度等级，保证HECC塑性区率先进入塑性，提高整个防渗面板适应大变形能力，降低高堆石坝防渗面板的开裂风险。

(3)HECC和普通混凝土组成双层防渗面板。在普通混凝土表面浇筑HECC材料，构建双层防渗面板体系。该结构可应用于老旧坝体改造，在旧坝混凝土面板上直接铺设HECC面板，用于防渗抗裂，且施工方便。

3.3 堆石坝新型心墙结构

根据堆石坝采用的心墙材料，可分为黏土心墙坝、沥青混凝土心墙坝。心墙开裂和渗漏已经成为影响心墙堆石坝安全运行的主要问题。采用HECC代替现有的黏土心墙、沥青混凝土心墙，将提高心墙适应变形和防渗的能力。

在设计方面，HECC心墙采用超韧性水泥基复合材料浇筑，并且根据设计的防渗和强度等级配合拌制而成。HECC心墙与坝基廊道的连接结构见图5。通过HECC材料的性能调控，HECC心墙厚度相对沥青心墙可进一步缩减，心墙重量的降低，将减少心墙对坝基廊道的压力，从而减少心墙的沉降。HECC心墙的下端与坝基廊道设置弧槽，扩大HECC心墙与坝基廊道的接触面积，使心墙与坝基廊道的结合部位的粘结能力进一步提高。在心墙与坝基廊道结合处设置金属止水，与坝基灌浆廊道一起，形成坝体下部防渗体系。在施工方面，该新型心墙结构可采用常规混凝土拌和浇筑设备，因此心墙堆石坝施工程序简单。

图5 HECC心墙与坝基廊道的连接示意图Fig.5 Schematic diagram of connection betweenHECC core wall and dam foundation gallery

3.4 碾压混凝土新型防渗结构

我国的碾压混凝土坝上游面多采用变态混凝土防渗。传统的变态混凝土由于施工加浆振捣不到位，以及干缩和温度应力等因素导致裂缝的产生。当前，碾压混凝土上游面防渗问题仍然是设计方与施工方关心的问题。采用HECC替代变态混凝土区和二级配碾压混凝土区作为碾压混凝土坝的上游防渗结构，提高碾压混凝土坝体上游面的防渗能力。

在设计方面，碾压混凝土坝从上游至下游依次为上游面HECC防渗区、三级配碾压混凝土区、下游面三级配变态混凝土区，采用HECC作为碾压混凝土坝上游防渗面见图6。上游面防渗区采用HECC，厚度通过计算分析确定，HECC区具有极强的表面抗裂能力，能提高坝体上游的防渗能力。极端情况下，上游面仅可能出现不连通的表面分散裂缝，不会因自身开裂引起上游防渗区防渗性能下降。在施工方面，相对于上游面采用变态混凝土和二级配碾压混凝土防渗结构的传统碾压混凝土坝，防渗区厚度小，节省材料用量，简化施工工序；相对于“金包银”碾压混凝土大坝，HECC防渗区与三级配混凝土区结合质量高，施工过程简化。

图6 采用HECC作为碾压混凝土坝上游防渗面示意图Fig.6 Schematic diagram of HECC as the upstreamimpervious surface of roller compacted concrete dam

3.5 拱坝基础约束区抗震防裂结构

拱坝基础约束区附近区域应力状态复杂，一旦遭遇强震，开裂风险极高。基础约束区的开裂会造成渗漏、水力劈裂等一系列次生灾害问题，影响拱坝的结构安全。目前基础约束区的抗震防裂一般采用高强度混凝土，然而高强混凝土的收缩大，脆性大，材料抗裂和变形能力低，开裂危害性大。基础约束区采用HECC浇筑，一方面可提高基础约束区的抗裂能力，同时发挥HECC材料的高韧性来吸收一定的能量，从而提高拱坝的抗震防裂能力。

在设计方面，根据拱坝的抗震等级和防裂要求，通过配合比设计，在拱坝基础约束区采用适合抗震防裂的HECC材料，增加基础约束区的材料强度，提高基础结构的抗裂安全度，采用HECC作为拱坝基础约束区见图7。在自由区采用普通混凝土，HECC作为水泥基材料与混凝土的连接性能好，结构变形能够协调。与单纯通过提高强度的材料分区设计相比，基础约束区采用HECC材料，具有裂缝分散特性和高韧性，在满足结构防裂要求的同时还具有吸能作用，对抗震设计意义重大。在施工方面，基础约束区采用HECC材料，其施工过程与常规施工相同，施工方案简单。

图7 采用HECC作为拱坝基础约束区示意图Fig.7 Schematic diagram of HECC as the constraintarea of arch dam foundation

4 HECC材料在水工结构中的应用研究方向展望

HECC在高延性、适应变性、高抗裂等方面具有独特的优势，在水工混凝土领域具有广泛的应用前景。为了更好地推动HECC在水工混凝土领域的应用，还需要在以下方面开展研究[25]。

(1)HECC与常态混凝土的界面性能研究及处理。HECC与常规水工混凝土的界面性能不仅仅影响HECC的使用功能及裂缝自愈合能力，同时影响结构的耐久性。因此，HECC与常态混凝土能否协同工作取决于界面性能。围绕HECC与常态混凝土的界面性能，应开展界面性能包括劈拉强度、抗剪强度、抗折强度和断裂韧性等力学性能，以及界面过渡区宽度、显微硬度等微观性能研究。在此基础上开展不同强度、界面不同粗糙度、界面剂类型等因素对界面性能的影响规律研究，提出不同的界面处理方式。

(2)HECC与常态混凝土协同体积稳定性研究。在温度20 ℃，湿度60%的养护条件下，普通混凝土的最终干燥收缩值范围为(400～600)×10-6。同样养护条件下，HECC材料的干缩范围为(1 200～1 800)×10-6[26]。HECC的干燥收缩相对较高，应引起高度重视，研究HECC与常态混凝土的协同体积稳定性。通过掺加多孔陶瓷骨料、高吸水树脂(SAP)、矿物掺和料、有膨胀功能的外加剂等方式降低HECC材料的收缩。

(3)纤维在HECC中的热稳定性研究。HECC材料中胶凝材料含量高，水化放热量大，在某大型水电站廊道HECC塑性铰接段实测内部最高温度接近95 ℃。因此，研究纤维在HECC中热稳定性十分重要。

(4)HECC的裂缝自愈合性能。结合微观与宏观测试手段，揭示不同龄期HECC开裂后强度恢复、裂缝自愈合规律及内在机理，对合理设计使用HECC材料具有十分重要的意义。

(5)适用于HECC的骨料品种及参数选择。普通ECC的制备常常采用坚硬的石英砂，且大多骨料最大粒径<0.16 mm，HECC由于用量大，为降低造价，须充分利用当地砂石料，并开展砂子的岩性、最大粒径及颗粒级配、碱活性等对HECC性能的影响研究。

(6)HECC制备、成型及养护技术。纤维均匀分散是保证ECC性能的关键环节，需开发易于纤维分散的大容量高效拌和工艺；针对水利水电工程的某些应用场景，如面板混凝土施工时，需要采用较低坍落度(≤100 mm)、低流动性的HECC，同时配套相应的振捣及成型工艺，这与常规ECC的自密实、自流平施工方式不同，因此需要开展专门的研究工作；同时，应加强现场早期湿养护，以保障HECC的胶材水化与性能发展。