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试析工程设计水泥基复合材料的基本力学性能及工程应用

2020-03-19 446 上传者：管理员

摘要：传统的混凝土材料会有拉伸脆性、裂缝宽度大等缺点，进而对结构耐久性造成了严重影响。工程设计水泥基复合材料(ECC)作为通过设计、调整材料微观结构得到的具备高延性、高韧性和高裂缝宽度控制能力等优点的纤维增强水泥基复合材料，其极限拉伸应变能够达到3%以上，受压、受弯时具有较大的变形能力，且大量的工程应用证明，ECC替代混凝土能带来较好的综合效益，值得大力推广和应用。

关键词：
ECC
基本性能
复合材料
工程应用
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1、基本性能

ECC以水泥、粉煤灰、微硅粉等为胶凝材料，PVA、PE等纤维为增强材料，最粗骨料通常为精细砂，骨料直径在300µm以下，以保证基体的均匀性。在纤维体积掺量低于2%的情况下,硬化后的复合材料表现出与金属相似的应变硬化特性，极限拉伸应变通常达到普通混凝土的300～500倍；受拉、受弯时裂缝宽度控制在100µm以下，阻裂性能优异。使用ECC材料替代混凝土，能显著提高结构的变形能力和耐久性能。

1.1 单轴压缩性能

ECC不含粗骨料，压缩弹性模量低于普通混凝土，通常为15~22GPa。抗压强度取决于配合比及原材料种类，28d强度一般为30~80MPa，最高可达到150MPa。受压时，水泥基体开裂后，ECC内部纤维发挥作用，阻止断裂界面剥离，试件表面出现大量裂纹而不脱落，变形能力较强，极限压应变可达到普通混凝土的2~3倍，单轴压缩性能见图1。

图1 ECC受压应力一应变曲线及破坏形态

1.2 直接拉伸性能

直接拉伸作用下，ECC基体开裂后，开裂截面处应力由纤维承担，荷载瞬时下降后恢复。纤维的桥联作用使得荷载持续波动增长，试件表面逐渐出现微细裂缝，直到裂缝数目达到饱和，其中一条裂缝不断扩展，最终纤维被拉断或拔出，试件破坏。伴随着多裂缝开展，ECC表现出应变硬化特性，极限拉应变可达3%以上。目前使用PE纤维制备的PE—ECC极限拉应变最高达到11%，具备较高的拉伸延性。直接拉伸性能见图2。

图2 ECC直接拉伸应力一应变曲线及破坏形态

1.3 受弯变形性能

通常采用薄板四点弯曲试验评价材料弯曲韧性。不同于混凝土薄板受弯脆性破坏，ECC薄板受弯时能将受拉面单一裂缝分散为大量微细裂缝，裂缝宽度控制在较低水平，直至某个受弯截面处拉应力超过纤维桥联应力，纤维被拉断或拔出，裂缝不断扩展并贯穿受弯截面，试件破坏。ECC的开裂强度通常低于普通混凝土，极限抗弯强度可达到混凝土的2倍左右，从开裂到破坏耗时为普通混凝土数百倍，试件变形较大，受弯韧性较高，见图3。

图3 ECC受压、受拉及受弯板底开裂形态

1.4 其他性能

ECC原材料中细度较小的粉煤灰、微硅粉等颗粒能够填充内部孔隙，随着龄期增长，二次水化反应逐步进行，材料内部初始缺陷逐渐减小，材料抗渗性能和氯离子渗透系数逐渐降低，使得ECC具备有限的自愈能力和优异的抗渗性能。矿物复掺使ECC具备其他性能。复掺石灰石粉的ECC材料能够抑制早期开裂，自愈性能提高；复掺偏高岭土的ECC具备较低的干燥收缩性和孔隙率，基体更密实。

对ECC构件的研究表明，ECC能显著提高梁构件的弯曲变形性能和抗剪性能，但箍筋过密会限制ECC变形，降低构件变形能力；循环加载下的ECC梁柱构件表现出较强的裂缝宽度控制能力和较高延性，其滞回曲线更加饱满，耗能能力更强。

2、工程应用

ECC高延性、高韧性及优异的裂缝宽度控制能力能够有效解决传统混凝土受拉脆性带来的结构耐久性问题，长期效益较高，具备良好的应用前景。各国研究人员尝试将ECC应用于实际工程当中(见图4)，取得了较好的效果。

图4 ECC工程应用

2.1 桥面板及桥面连接板

ECC材料最早为满足桥面连接板柔性变形、控制裂缝开展等性能要求而设计，目前在美日等地做了大量桥梁工程实际应用，如美国密歇根州94号高速公路桥面连接板、日本Mihara大桥等。对比钢筋混凝土桥面板，ECC能在减轻桥梁自重的同时，有效抑制桥面开裂，提高桥梁使用寿命。

2.2 结构修补

优异的耐久性能和抗渗能力使得ECC在结构修复中具有极高的应用价值。日本Mitaka水坝长期运行过程中，表面混凝土严重受损，出现开裂渗水现象，以ECC喷射层覆盖表面后运行状况良好；日本滋贺县中央水渠受损后分别采用ECC和玻璃纤维聚合物砂浆进行修补，使用一段时间发现，聚合物砂浆出现较大裂缝，而ECC修补层的裂缝极小，抗裂性能更好。

2.3 结构抗震构件

钢筋增强ECC构件在循环荷载下具备优于钢筋混凝土构件的变形能力和耗能能力，适用于需要大变形能力的结构构件。日本鹿岛建筑公司在东京Glorio Roppongi高层公寓楼中采用ECC连梁连接每层的核心墙，旨在发挥ECC较高的耗能能力，提高建筑的抗震性能。

3、结语

目前国内外对ECC进行了大量的理论和试验研究，工程应用也越来越多。ECC具备优异的力学和耐久性能，能够弥补传统混凝土抗拉能力不足导致的结构耐久性问题，综合效益较高。目前ECC较高的成本限制了材料的应用，随着技术的逐渐成熟，成本将不断降低，ECC的应用将更加广泛。

参考文献:

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