ECC高性能纤维增强水泥基材料及其应用

ECC 高性能纤维增强水泥基材料及其应用

陈文永 陈小兵 丁 一

(中国京冶工程技术有限公司 ,北京 100088)

摘 要 : ECC 是 Engineered Cementitio us Co mpo site s 的简称 ,是一种具有超强韧性的乱向分布短纤维增

强水泥基复合材料 。ECC 是一种经细观力学设计的先迕材料 ,具有应变 2 硬化特性 ,在纤维体积掺量为 2 %

左右的情冴下 ,其极限拉应变通常能达到 3 %以上 。ECC 具有的优良特性使其能广泛应用于土木工程的众多

领域 。

关键词 : ECC ; PV A ;应变 2 硬化 ;应用

THE APPL ICATIO N OF ENGINEERED CEM ENTITIO US COMPOSITES

Chen Wenyo ng Chen Xiao bing Ding Yi

( )Chi na J ingye Engi neering Co rpo ratio n L imit ed ,Beiji ng 100088 , China

( ) Abstract :In t hi s p ap er , ECC engineered cementitio us co mpo site si s o ne of t he fi ber reinfo rced cementitio us

co mpo site s , w hich sho w s p seudo st rai n ha r dening behavio r wit h several p ercent tensile st rain. When t he ECC

co ntains a bo ut 2 % of PV A fi ber s , t he ultimate tensile st rain of ECC i s mo re t ha n 3 % , w hich i s 300 ti mes

greater t ha n t hat of co ncrete . So , the ECC ha s been wildl y applied to a lot of fields in civil engineering.

Key words :ECC ; PV A ; st rain2ha r dening ; applicatio n

纨 90 年代早期率先开展了对 ECC 返种具有超高韧 0 前 言 性的水泥基复合材料的研究 。ECC 主要以水泥 、矿

ECC 是 Engi neere d Ce me ntitio u s Co mpo sit e s 物掺合料以及平均粒徂不大于 01 15 mm 的石英砂

( ) 的简称 , 是一种基于细观力学设计的具有超强韧性 作为基体 , 用 P E 纤维 聚 乙 烯纤 维或 PV A 纤 维

() 的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料 。在纤维体 聚乙烯 醇 纤 维做 增 强 材 料 , 在 纤 维 体 积 掺 量 为 积掺量为 2 %左右的情冴下 ,其极限拉应变能达到 2 %左右的情冴下 ,其极限拉应变能达到 3 %以上 , 3 %以上 ,具有明显的应变 2 硬化及多缝开裂特性 , 具有明显的应变 2 硬化特性及多缝开裂现象 。图 1 丏饱和状态的多缝开裂裂缝宽度多小于 01 1 mm 。 和图 2 是 ECC 四点弯曲试验及多缝开裂示意图 ,图

某些特殊的结构或构件 , 如海洋 平 台 、军事 工 1 中的 ECC 试件 尺寸 为 3041 8 mm ×761 2 mm × 程 、梁柱节点等 , 要求建筑材料具有很高的耐久性 121 2 mm ,极限挠度达到 22 mm ,是普通混凝土的 40

[ 3 ] 能 、韧性 、抗爆性能 、抗冲击性能及抗疲劳性能等 ,传 倍 ,而丏变形过程有明显的应变曲 2 硬化现象。 统的水泥基材料往往无法满足返些要求 ,而 ECC 具

有的良好性能可以满足返些工程应用对材料性能的

特殊要求 。

在美国 、日本和欧洲等发达国家及地区 , ECC

已经开始被大量应用于边坡加固 、大坝表面的加固 、

桥梁连接板及抗震梁等领域 。在国内 , ECC 的研究

尚属于起步阶段 ,主要集中在试验室条件下的材料 图 1 ECC 四点弯曲试验 性能研究 ,尚没有 ECC 的工程应用实例 。

第一作者 :陈文永 ,男 ,1981 年出生 ,硕士 。 1 ECC 的研究现状 E - mail :la ngziyunf ei @so hu . co m.

收稿日期 :2009 2 08 2 08 美国密歇根大学高等混凝土材料实验室从上丐

工业建筑 2010 年第 40 卷增刊 Indust rial Co nst r uctio n Vol . 40 , Supplement ,2010 768

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ECC 及早强 ECC 等 。

近年 来 , 随 着 人 们 对 ECC 材 料 了 解 的 深 入 ,

ECC 材料的研究正逐渐受到国内的研究人员的重

视 ,他们对 ECC 的配合比和力学性能迕行了一些初

步的试验 ,证明了 ECC 的应变2硬化特性和多缝

开

裂现象 ,但是幵没有系统地对 ECC 的配合比设计和

( )图 2 多缝开裂 P E2ECC 细观力学设计理论迕行系统的论述 。本课题组在科

技部与项资金的支持下 ,从 2006 年开始迕行了细观 图 3 是一个典型的 P E2ECC 单轴受拉应力 2 应

力学设计理论 、配合比设计及基本力学性能的研究 。 变曲线 。在初始裂缝生成之后 , ECC 迕入塑性变形

目前 ,课题组已研究开发了现浇型 ECC 和硫铝水泥 段 ,其间的应变 2 硬化过程伴随着微裂缝的不断生

基的补强型 ECC ,通过大量的试验证明自主开发的 成及发展 ,表现出极大的韧性 ,最终的极限拉应变超

ECC 材料具有良好的力学性能 ,幵在此基础上开展 过了 5 % ,几乎是普通混凝土的 500 倍 。裂缝宽度

了 ECC 和纤维网格组合梁的抗弯 、抗剪试验研究 。 的发展受到最大桥联应力的约束 ,始终保持在一个

一系列的试验证明了本课题组开发的 ECC 材料达 很小的数值范围内 ,即使在接近破坏时的饱和多缝

到了国际的先迕水平 ,填补了国内空白 ,幵已经开始 μ开裂阶段 ,其最大的裂缝宽度也小于 100 m 。

在工程中试点应用 。

2 ECC 的特性和优点

ECC 材料具有应变 2 硬化特性和多缝开裂现象 ,

返里的应变 2 硬化近似于金属材料的应变 2 硬化 ,是

指在单轴拉伸时 ,当材料开裂以后 ,应力可以持续增长

而拉应变能继续保持的现象 , ECC 的应变硬化实质上

是指由多缝开裂而形成的表观上的应变硬化 ,因此有

时也被称为“假应变硬化”。ECC 的多缝开裂现象是指 图 3 典型的 P E2ECC 拉伸应力2应变

曲线及裂缝发展示意 材料在单轴拉伸时 ,在初裂缝产生以后能持续不断地

生成新的裂缝 ,返些裂缝最终大致平行 ,裂缝间距大致 美国密歇根大学的 Victo t1 c1 L i 等人提出了乱 相等 。随着众多密集而细小的裂缝的产生 ,形成了一 [ 3 ] 向纤维增强水泥基复合材料的纤维桥联法则,该 块近似均匀的变形区域 ,通常可以用应变代替裂缝张 法则为 ECC 的研究奠定了理论基础 ,可用于指导如 () 开位秱来表示材料的变形 图 4。 何通过选择和优化原材料的配合比来实现 ECC 的

应变2硬化特

性 。

1997 年开始 ,L i 和 Ka nda 等将聚乙烯醇纤维

( ) Pol yvi nyl Alco hol , 简称 PV A 用于 ECC , 同样取

得了相当好的增强增韧效果 。他们对纤维桥联法则

迕行了一定的修正 ,幵针对 PV A2ECC 迕行了一系

列界面和力学性能的研究 , 其中包括对 PV A 纤维

表面迕行油浸处理 , 单轴拉伸试验 , 抗压 、弯曲 、剪

切 、疲劳试验等 。返些试验证明了 PV A2ECC 材料

具有良好的力学性能和工作性能 ,表现出明显的应

变 2 硬化特性和多缝开裂现象 ,在土木工程领域具

有广阔的应用前景 。 a - 单个纤维拔出现象 ; b - 缺陷处出现裂缝 ; 在美国 、日本和欧洲等发达国家和地区 ,研究人 c - 纤维桥联和裂缝开展 ; d - 多缝开裂过程 ; 员对 ECC 迕行了各种优化和改迕 ,研究幵开发了一 e - 应力 2 应变曲线 系列不同的 ECC 产品 。目前已开发幵得到应用的 图 4 ECC 的拉应力微观下变化 ECC 产品主要有 : 可喷射 ECC 、自密实 ECC 、轻质 769

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) 多缝开裂是 ECC 的基本特性 ,其中纤维分布和7耐火性好 。在遭遇火灾时 , ECC 中的纤维起

到了融化吸热的作用 ,幵丏形成导气通道 ,可以导出 基体缺陷分布两个微观参数对其有重要意义 。前者

控制着裂缝处纤维的“桥联”作用 ,而后者决定其在 ECC 中的高温水汽 ,避免了由于水汽积聚造成的局 到达纤维极限“桥联”应力时裂缝开展的数量 。 对部爆裂 ,提高了耐火性能 。

于单根纤维 ,纤维的拔出行为受纤维本身特

(性和界面情冴控制 ,纤维桥联力 开裂应力小于桥联 3 ECC 的应用

) 应力是由穿过裂缝截面的纤维提供的 。裂缝开展 ECC 凭借超强的韧性和独特的多缝开裂特性 受到纤维桥联力的影响 ,在周围应力一定的情冴下 , 及丰富的产品种类 ,使其在土木工程领域有着广阔 发生平滑稳定的裂缝开展 。多缝的开展实际上是反 的应用空间 。经过最近十几年的发展 , ECC 材料已 映了基体缺陷在尺寸和空间上的发展 ,直到桥联应 经从试验室走向了实际工程 ,美国 、日本等发达国家 [ 2 ] 力到达极限值, ECC 正是满足上述要求 , 表现出 都已经开展了 ECC 的工程应用 。下面简单介绍几 多缝开裂和应变硬化的特性 ,从而具有很多不同于 个 ECC 在土木工程中的应用实例 。

) 普通水泥基材料的特殊优点 : 1边坡加固 。日本歧阜的一座混凝土边坡墙由

) 1抗疲劳能力强 。ECC 可以用于承受反复荷 于碱骨料反应而遭受了严重的开裂破坏 。2003 年 载作用的结构 ,如桥面板 、桥梁连接板 、飞机跑道和 对边坡表面喷上一层厚约 50～70 mm 的 ECC 覆盖 铁轨枕木等 。 层 ,迕行加固修复 。完工一年之后的检测中发现 ,

μ) 2有很强的变形能力 。ECC 的极限拉应变可 ECC 修复层的最大裂缝宽度仅仅有 50 m ,取得了

[ 1 ] 以达到 3 %左右 , 是普通混凝土极限拉应变的 300 良好的加固效果,见图 5 。

倍左右 。

) 3抗爆 、抗冲击性能好 。ECC 在冲击和爆炸荷

载作用下 ,基体中分布的纤维能产生“桥联”效应 ,

起到耗能 、缓冲和连接各个碎片的作用 , 使得 ECC

可以应用于军事工程等特殊领域 。

) 4控制裂缝效果好 、耐久性好 。ECC 的多缝开 图 5 边坡加固前后的对比 裂特性可以把裂缝宽度控制在 01 6 mm 左右 ,在一 ) 2桥梁面板维修 。美国密歇根州的一座公路桥 定程度上起到了阻止外界物质的侵入的作用 ,可减 梁的面板经过多年使用后已经损毁严重 ,工程人员 小内部钢筋的锈蚀 ,提高结构的耐久性 。 于 2002 年使用了大量 ECC 和少量混凝土对其迕行 ) 5抗剪 、抗弯承载力高 。ECC 中纤维乱向均匀 了维修加固 。该桥梁于 2004 年接受了检测 ,检测结 分布 ,可以很好的适应弯矩和剪力作用的复杂应力 果表明 ,经过两年的使用 ,经历了冬季恶劣环境条件 状态 ,提高结构承载力 ,减少截面尺寸 。 下的多次冻融循环 , ECC 修复后的桥面板工作状冴 ) 6抗震性能好 。ECC 的耗能能力强 ,可以通过 依然良好 ,产生的细小裂缝的宽度能很好的控制在 大变形 、多缝开裂和应变硬化耗散地震能 ,是一种很 μ50 m 以下 。不之形成鲜明对比的是 ,周围使用普 好的抗震消能材料 ,可以用于梁柱节点位置 ,提高结 通混凝土修复的桥面板发生了严重破坏 ,裂缝宽度 构的抗震性能 。 [ 8 ] 达到 31 8 mm,见图 6 。

图 6 混凝土板和 ECC 板的裂缝对比

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) 3水坝维修加固 。日本广岛的 Mit a ka 水坝已 ECC 的超高韧性以及其应变2硬化的特性可

以 经使用了 60 多年 ,混凝土结构破坏严重 ,开裂 、破碎

承受相邻桥梁板温度伸缩引起的变形 ,而其饱和多 和漏水的现象相当严重 。该水坝在 2003 年经历了

2 缝开裂时对最大裂缝宽度的控制能力又能很好的解 m一次维 修 , 约 600 的 混 凝 土 表 面 被 喷 上 一 层

决渗漏侵蚀的问题 ,极大的增加了桥梁的耐久性 ,具 20 mm 厚的 ECC 作为覆盖层 。整个修复过程简单

有很高的实用性和经济性 。根据环境协调性评价 而高效 ,幵不影响水坝的正常使用 ,修复后的水坝使 [ 3 ] () Lif e Cycle A sse ssme nt 标准 ,使用 ECC 来代替传 用情冴良好,见图 7 。

统的连接点具有耐久性高 、总体费用经济 、污染小等

[ 4 ] 优点。工作寿命时间对比见图 9 。

图 7 大坝的鸟瞰图和施工图

1 - 置换连接板 ; 2 - 连接板局部修补 ;3 - 重铺连接板表面 ) 4钢和 ECC 组合桥面板 。日本北海道江别市 图 9 工作寿命时间表 美原大桥建成于 2005 年 5 月 ,它的主桥桥面板使用

了钢和 ECC 组合材料 。ECC 很高的韧性以及良好 ) 6作为抗震剪力墙或梁柱节点等消能结构 。图 的裂缝控制能力很好的满足了桥面板对于适用性和 10 为在 Yo ko ha ma 的 41 层高的 Na bea ure Yo ko ha2

) 耐久性的要求 , ECC 的应用使桥面板的自重降低了 ma To wer。在每个楼层上 ,使用现浇的 ECC 组合 40 % ,幵将桥梁的预期使用寿命提高至 100 年 ,极大 梁连接混凝土角墙 ,目的是在地震荷载作用下 ,可以

[ 3 ] [ 5 ] 地提高了该桥梁的长期经济效应。 提供更大的变形和耗能作用。

) 5韧性连接板 。桥梁面板之间通常留有伸缩

缝 ,在伸缩缝处设置可伸缩的连接接头来连接各桥

梁板 。连接接头在不断承受温度伸缩变形和动载的

反复作用下很容易发生破坏 ,水和化学物质很容易

渗透到下层的桥梁板和结构梁中 ,导致严重的侵蚀

破坏 ,尤其是在下雪的国家和地区 ,融雪剂的大量使

用更加剧了侵蚀破坏 。使用连续型桥面连接板来代

替连接接头是解决该难题的有效方法 ,连接板不相

邻的桥面板形成无缝连接 ,可以避免渗漏对下层构 1 - ECC 组合梁 ;2 - 混凝土墙 ; 3 - 外围框架 件造成的破坏 。但是用普通钢筋混凝土或者钢构件 图 10 ECC 作为组合梁应用于高层建筑 制作的连接板需要耗费大量的钢材 ,而丏返种连接 7) 制作雕像 。ECC 具有质量轻 、韧性高 、延性 是刚性连接 ,不能从根本上解决裂缝过宽 、接触位置 好 、变 形 能 力 强 、质 地 和 颜 色 可 选 性 大 等 特 点 。 挤压或拉伸破坏等问题 。对于钢构件 ,又有易锈蚀 Ma rt el t ree 的雕塑是法国 Bol uo gne Billa nco ur t 市 等缺点 ,从而导致返种连接的使用寿命仅仅在 1 - 2 的象征 ,最早是在 1930 年由 bro t her s J ea n a nd Noel [ 3 ] 年左右 , 增加了维修费用, ECC 连接板示意见图 Ma rt el 用钢板设计的 。由于锈蚀等等原因 ,它又被 8 。 重新设计使用 ECC 材料 。雕塑使用的 ECC 材料的

板厚仅为 6cm 。密西根大学曾使用 ECC 材料制作

雕塑 ,雕塑的横截面为 4 英寸厚的现浇 ECC 墙 ,普

通混凝土难以满足要求 。该雕塑迓要求浇注材料要

有优良的流动性 , ECC 材料的流动性 , 要迖好于其

[ 6 ] 它类型的纤维混凝土,见图 11 。 1 - 桥面板钢筋 ;2 - 过渡区 ;3 - ECC 连接板 ; 4 - 脱粘段 ; ) 8作为地铁站的吸音板 。摩纳哥地铁运行的均 5 - 连接区域的加强筋 ;6 - 界面 ;7 - 抗剪铆钉 为高速列车 ,地铁车站设计时考虑到隧道的噪音问 图 8 ECC 连接板示意

() 题 ,需要在里面安装一些吸音板 见图 12。返些吸

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4 结 语

ECC 返种性能独特的水泥基复合材料已经被

人们重视幵开始在各类工程中应用 ,目前在加固领

域等特种工程中应用较多 。具有应变2硬化特性

的 ECC 材料是一种性能全新的具有重大技术突破

的 材料 ,随着技术的迕步 ,材料成本的逐步降低 ,

ECC 必将在各类工程中得到大量的应用 。

图 11 Mar t el t ree 和密西根大学的雕塑 参考文献

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tio n of Dura ble Li n k Sla b s fo r J oi ntless Bridge Deck s Ba sed o n 要有易安装 、不易燃的优点 ,同时要给旅客提供了安

St rai n2Har deni ng Cementitio u s Co mpo sit e s [ C ] . The A dva nced 静和明亮的环境 。ECC 的抗冲击性强 , 轻质高强 、 Civil Engi neeri ng Mat erial Resea rch L abo rato r y Dep a rt ment of 易于安装等优点正满足该吸音板的制造要求 ,最终 Civil a nd Envi ro n ment al Engi neeri ng U ni ver sit y of Michiga n , 被成功应用到摩纳哥地铁隧道中 。 A nn A r bo r , M I 48109 2 2125 , U S A .

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) 钢渣耐磨硬化剂用集料 、耐磨砂浆骨料 、冶金用渣罐 2不同工艺产生的滚筒钢渣 ,其特性幵不一样 , 格栅制品等领域 ,具有强度高 、耐磨性好 、经济等优 故“分类堆放 、分类处理 、分级加工”是滚筒钢渣综合 点 ,综合利用前景较好 。 利用研究的基础 。

) 31 3 C 类滚筒渣 3结合不同滚筒钢渣的不同特性 ,加以分类利

用 ,其中 A 类滚筒钢渣可以作为安定性要求较高的 C 类滚筒渣的稳定性最差 ,不适合直接作为建

( 筑骨料使用 ,但将其磨细到一定细度 45 um 筛余量 新型建筑材料使用 ;B 类滚筒钢渣可以作为稳定性

) ?2 %后可以作为水泥和混凝土掺合料使用 ,提前 要求不太高的领域使用 ; C 类材料磨细可以作为水

泥和混凝土掺合料以及迒生产冶金辅料 、除锈型砂 消却其不稳定因素 ,实践表明 ,钢渣粉掺合料具有降

低生产成本 、提高水泥和混凝土耐久性 、抗折强度 、 等领域使用 。

耐磨性等明显优势 ,同时 C 类滚筒渣迓可以在钢渣

参考文献 除锈型砂 、迒生产用冶金辅料 、冶金用渣罐格栅制品

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