工程水泥基复合材料（ECC）性能及应用

　 毕业设计报告( ( 论文) )

　 工程水泥基复合材料（ECC）的性能及应用

　 所属学院

　土木与交通工程学院

　专

　业

　土木工程（道路与桥梁）

　学

　号

　 32415240

　 姓

　 名

　 徐振

　 指导教师

　杨若冲

　起讫日期

　 2018.12 -- 2019.5

　设计地点

　东南大学成贤学院

　Ⅰ 工程水泥基复合材料（ ECC ）的性能及应用

　 摘要

　工程水泥基复合材料(ECC)，指的是一种新型的纤维增强型水泥基复合材料。本文主要分析了 ECC 现阶段的发展状况，对其发展特点及性能进行了介绍，同时简要介绍了 ECC 的具体工程应用，并展望了 ECC 的发展前景。

　混凝土是目前世界上应用最广泛的建筑材料。在实际工程应用中，混凝土主要存在以下不足: 一是极限受拉荷载下的脆性破坏。混凝土的抗拉强度较低，当受到拉应力作用时极易发生脆性破坏，如剥落、破碎等。二是混凝土的耐久性问题。如混凝土收缩、化学侵蚀以及热效应等环境因素所引起的耐久性问题，同时混凝土表面不断扩展的裂缝也会极大地影响结构的耐久性，缩短结构的服役寿命。

　近年来，以 ECC ( Engineering CementitiousComposites) 为代表的纤维增强水泥基复合材料引起国内外广泛关注。与普通混凝土、钢纤维混凝土以及高性能混凝土相比，其在韧性、耐久性和抗疲劳性能等方面都有大幅度的提高和改善。在美国、日本和欧洲等国家及地区，ECC 已经开始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。在国内，ECC 的研究主要还集中在试验室条件下的材料性能研究，尚没有 ECC 的工程应用实例。

　 关键词：ECC 超高韧性水泥基复合材料；多缝开裂；应变硬化；耐久性；聚乙烯醇纤维；水泥基复合材料；PVA 纤维；抗压强度；应用；抗震性能

　Ⅰ

　 Ⅱ

　Performance and application of engineering cement- - based composites (ECC)

　Abstract

　Engineering cement-based composite (ECC) refers to a new type of fiber-reinforced cement-based composite.This paper mainly analyzes the development status of ECC at this stage, introduces its development characteristics and performance, and briefly introduces the specific engineering application of ECC, and looks forward to the development prospect of ECC.

　Key words: ECC ultra-high toughness cement-based composite; multi-slot cracking; strain hardening; durability; polyvinyl alcohol fiber; cement-based composite; PVA fiber; compressive strength; application

　 Ⅱ

　 Ⅲ 目录

　第一章

　绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究的背景和意义 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外主要研究现状 .............................................................................................................. 1 1.3 本文的研究目的及主要研究内容 .......................................................................................... 2 第一章

　C ECC 的使用性能 ......................................................................................................................... 3 2.1 ECC 的原理及主要特征 ........................................................................................................... 3 2.2 国产与美国 ECC 性能对比分析 .............................................................................................. 5 第二章

　C ECC 的应用及展望 ..................................................................................................................... 7 3.1

　ECC 的应用 ............................................................................................................................. 7 3.2 ECC 的发展趋势 ....................................................................................................................... 9 第三章

　结语 .......................................................................................................................................... 10 4.1 主要结论 ................................................................................................................................ 10 4.2 展望 ........................................................................................................................................ 10 致谢 ........................................................................................................................................................ 11 参考文献 ................................................................................................................................................ 12

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 1

　第一章

　绪论 1.1 课题研究的背景和意义

　随着现代社会的高速发展，建筑需求明显加大，而在建筑所需材料中以水泥应用范围最广。水泥基材料主要分为三种：一是水泥；二是砂浆；三是混凝土，该材料在实际的工程应用中有利也有弊，优点在于水泥的抗压强度高，但是抗拉强度低，抗裂性能差，脆性也较大，当受到了拉伸应力，水泥材料易于发生脆性破坏，例如剥离和破碎。由于水泥基材料的上述缺点是其固有的，通过改进自身材料很难解决这一问题。如何解决这一问题成为了研究难题。国外经过几十年的研究发现，为了改善水泥基材料的性能，采用了“复合”技术，加入了纤维等材料，也因此衍生出了许多同系列的水泥基复合材料，常见的有纤维混凝土、高性能纤维增强水泥基复合材料等。直至今年，一种性能更高的水泥基复合材料开始出现在市面上，名为工程水泥基复合材料，英文简称为 ECC，深受国内外建筑方的青睐。

　混凝土是工程建设中使用的建筑材料之一。然而，具有低拉伸强度和低韧性的混凝土的缺点限制了混凝土在工程中的应用。随着社会经济的发展，为了保证人造设施与自然环境的和谐共存，要求混凝土材料满足高延展性，高耐久性和可持续性的要求。因此，高性能混凝土的研究已成为工程学的迫切需要。提高混凝土性能的关键是提高混凝土在各种荷载下的抗拉强度，韧性和裂缝控制能力。目前，国内外对高性能混凝土的研究重点是在水泥基混凝土中加入适当的填料，以提高混凝土的变形能力。为解决上述问题，在水泥基材料研究领域，出现了各种各样的混凝土材料，比如钢筋混凝土、纤维混凝土，还有一些复合材料，如纤维增强水泥砂浆、韧性超高的水泥基材料、工程水泥基复合材料等，这些材料的应用领域不同，发展进程也因此存在一定的差异。现阶段，后两种材料已经可以很好的解决工程结构的突然性断裂且具有很好的抗变形能力。分析工程水泥复合材料的性能及应用具有重要的意义。而ECC 也因其良好的性能引起了广泛关注。

　1.2 国内外主要研究现状

　最近的十几年来，水泥基复合材料越来越受到人们的关注，它的应用研究也越来越多。美国、日本、加拿大等国家已经广泛地采用低掺率的合成纤维预拌混凝土，并且将之用于实际工程。在国外发达国家和地区，如美国、日本、欧洲，ECC 已经广泛应用于实际工程，包括：桥梁桥面的维修加固、边坡的加固、作为桥梁的连接板、作为高层建筑的连接梁。在美国使用的混凝土总量中，合成纤维混凝土约占 10%。但在国内，我们主要还是在实验室条件下研究 ECC 的材料性能，相比国外是相当落后的。近年来，我国也开始逐步应用合成纤维混凝土新技术来解决工程中的许多新问题，大部分都有成效。

　ECC 的研究历程是这样的：20 世纪 90 年代初，美国密歇根大学教授维克托[1] 基于其对

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 2 断裂与微观力学基本原理的研究，进一步提出了设计理论，其所采用的设计方法既结合了微观力学的基础性能，也对微观的材料结构展开了合理的调整。在研究短纤维增强水泥基复合材料的时候，他们借助了纤维桥连接法，该方法兼顾了以下多项元素：一是基质和纤维的根本性质；二是二者的界面性质；三是二者之间的相互作用。此外，他们还进一步探究了碳纤维对水泥基复合材料性能所产生的影响，从中发现纤维的直径与应变能力会影响材料的延性改善。有的碳纤维直径较大、拉伸应变较高，但强度和模量低，这种碳纤维在搅拌成型的过程中不太会发生断裂，更有助于优化 ECC 的性能。1995 年，实验室研究并分析了 ECC 材料的应变硬化性能与骨料之间的关系，发现细骨料能显著提升 ECC 材料的弹性模量，但若用量过多，ECC 材料的应变硬化能力就会受到影响，延性也降低。之后，又不断的研究了 ECC 钢筋混凝土的耐久性，ECC 梁的抗剪能力，ECC 在抗震结构中的应变硬化特征和多缝开裂特征，ECC 作为连接板良好的变形能力。

　美国密歇根大学高等混凝土材料实验室在上世纪 90 年代早期率先提出了 ECC 这种具有超高韧性的水泥基复合材料。ECC 是基于细观力学设计具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料，主要以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于 0.15mm 的石英砂作为基体，用 PE 纤维（聚乙烯纤维）或 PVA 纤维（聚乙烯醇纤维）做增强材料，在纤维体积掺量为 2%左右的情况下，其极限拉应变能达到 3%以上，具有明显的应变-硬化特性及多缝开裂现象 和国外的研究相比，我国起步较晚，相关的研究报道也不多。此外，研究的深度和广度上和国外也有很大不同。然而，目前，我国正处于经济快速发展时期，对建筑材料的需求越来越高。在这种背景下，水泥基复合材料越来越受到人们的重视，水泥基复合材料也得到了迅速的发展。值得注意的是，理论研究的缺乏是水泥基复合材料进一步发展的一个障碍。需要理论与实验互相支撑，才能使得国内在这一领域也能够像国外一样广泛的应用于实际工程。

　 1.3 本文的研究目的及主要研究内容

　 本文的研究目的在于解决普通水泥基材料韧性差、脆性差、抗拉伸能力差、容易开裂等缺点，引出 ECC 材料的产生和发展方向。主要介绍了近年来水泥混凝土技术发展的主要方向就是水泥基复合材料，而 ECC 正是一大代表。如今，市面上主要有以下两种水泥基复合材料：一是颗粒水泥基复合材料；二是纤维水泥基复合材料。本文将以水泥基复合材料作为研究对象，分析其具体特征及应用范围，下文是与该研究课题有关的研究文献：

　1.国内外 ECC 材料发展的文献调查 在查阅了大量国内外有关的文献之后，了解了 ECC 材料的设计理论、结构特点，材料的要求以及优缺点分析；并对国内外研究现状以及实际应用进行了文献调查。

　2.ECC 材料的原理和力学性能研究 基于 ECC 材料的微观力学设计原理，通过实验室研究，比对不同的早强剂种类，调节粉煤灰的用量，分析了 ECC 材料的物理性能和力学性能会受到怎样的影响。最后得出了 ECC材料的高流动性、高延性的性能是水泥基复合材料的最大特点。

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 3 3.ECC 材料耐久性、自愈合性等性能研究 ECC 材料由于其自身具有很好地强度、高温低温性能、防水性、控制裂缝宽度的能力等等性能，所以它具有很高的耐久性，具有很稳定的温度敏感性能，为水泥基材料提供了自愈合的可能。

　与普通混凝土相比，ECC 的最大优点是其拉伸性能。产生初始裂纹后，ECC 进入塑性变形阶段，应变硬化过程伴随着微裂纹的不断产生和发展。极限拉伸应变超过 5％，几乎是普通混凝土的 500 倍。随着载荷的增加，裂缝开始出现在基体中最大的初始缺陷尺寸的截面上。出现第一个裂缝后，试样的承载能力在瞬间下降后立即恢复，裂缝宽度很快稳定在非常精细的第二个裂缝的尺寸，经过反复，试件最终出现多个细裂纹基本均匀分布，每个裂纹宽度均匀，即使在极限载荷下（应变为 5％），裂纹宽度可保持在 60μm，当应变较小时裂纹宽度较小超过 1％ 1.2.2 ECC 抗弯性 ECC 的弯曲性能与拉伸性能类似，其特征在于极高的韧性和多缝开裂性能。通常采用四点弯曲试验测试抗弯性能，如图 2 所示.ECC 试样尺寸为 304.8×76.2×12.2，极限挠度为22mm，是普通混凝土的 40 倍，弯曲工艺有明显的弯曲硬化现象[4]。

　1.2.3 ECC 压缩性能 ECC 的压缩性能与普通高强混凝土相似。

　ECC 的抗压强度为 30-90MPa。由于它不含粗骨料，因此 ECC 的弹性模量低于普通混凝土的弹性模量，即 20-25 GPa。图 3 是显示由美国密歇根大学获得的具有典型的 ECC-M45 配比的圆柱形试样的抗压强度的图。试验结果表明，气缸的抗压强度在最初的 14 天内迅速增加。试样的抗压强度在 14 天时约为 65MPa，14 天后抗压强度缓慢增加，并且在 8 个月时气缸的抗压强度增加。强度为 75 MPa [5]。在压缩过程中，由于纤维的增韧效果，在达到峰值载荷后，ECC 逐渐凸起，而不是普通混凝土试样快速压碎的现象[6]。

　2 ECC 申请 由于 ECC 的优异性能，它可用于修复或翻新桥梁和路面，制作桥接和连接板。它还可用于地震结构或钢 - 混凝土复合结构，高耐久性路面，地下建筑物，混凝土管道，高耐久性保护层和耐久性修复材料的接头。此外，ECC 材料可以泵送，自密实或喷射，大大提高了工作效率，减少了工作时间。

　例如，日本北海道江边市的梅园大桥于 2005 年 5 月竣工。其主桥面采用钢和 ECC 复合材料。

　ECC 具有极高的韧性和良好的裂缝控制能力，可满足桥面板的适用性和耐用性要求。

　ECC 的应用减少了桥面板的自重 40％，并将桥梁的预期使用寿命提高到 100 年。大大提高了桥梁的长期经济效益

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 4 第二章

　C ECC 的使用性能

　2.1 C ECC 的原理及主要特征

　通过前文的叙述我们可知，水泥基复合材料有纤维和粒状之分。其中，前者根据所含纤维量来进行划分，又可以分为三种：(1)第一种，纤维体积含量最小，小于 1%，纤维在材料中主要起的作用是收缩裂缝；（2）纤维体积的含量在 1%到 2%之间，纤维主要起到了改进力学性能的作用；（3）高性能纤维增强水泥基复合材料，这种材料与前两种最大的不同之处在于它在单轴拉伸过程中呈现了类似于金属的应变硬化性能，这种材料在破坏过程中存在大量的微裂纹，具有超高的韧性和能量吸收能力。下面具体介绍 ECC 材料的原理及主要特征。

　上世纪 90 年代初，密歇根大学的维克多·克莱教授根据微观断裂力学参数和纤维桥联理论，经过一系列研究和制备，也就有了工程水泥基复合材料，我们所说的 ECC。它的纤维体积掺量为 2%，属于第二种，它的抗压强度在 40 兆帕到 60 兆帕之间，抗拉强度在 5 兆帕左右，拉伸应变可以达到 3%到 5%，这个数值是普通混凝土的 300-500 倍，所以它是一种高性能纤维增强水泥基复合材料。ECC 中的纤维属于短切乱向分布，它对于水泥基材料的增强作用主要表现在纤维的应力传递过程和纤维的桥接应力。在 ECC 的受拉过程中，应力在纤维与基质之间不断传递，可以分成两个部分：裂缝产生之前和裂缝产生之后。最初，裂缝还没有产生，基质和纤维都是在一个整体里面，界面处的基质和纤维所产生的纵向应变相同，这个时候作为主导的是弹性应力的传递，界面处也会随之产生剪切应力。在此之后，荷载会不断地增加，一旦荷载超过了基质和纤维之间的粘结强度，界面之间的摩擦力就成了主导，代替了弹性剪切应力。最后，当荷载增加到一定程度，两者会共同作用，基质与纤维开始发生脱粘，从而产生滑移。研究表明，ECC 的极限抗拉强度主要还是由摩擦应力决定的，而变形能力是由产生的相对滑移决定的。

　高韧性纤维水泥基复合材料 ECC 是一种复合型材料，它是将高强度补强有机纤维添加到由水泥、水、砂组成的水泥砂浆中而产生的。ECC 是基于断裂力学、细观物理力学和统计优化设计的，采用短纤维增强时，纤维含量必须在复合材料总体积的 2.5%以下，硬化后复合材料的应变硬化特性显著。在拉伸载荷作用下会产生许多细小的裂纹，其拉伸应变能力最高可超过新型材料的 3%。该材料的基本构成有：水泥、纤维、石、砂、水、矿物掺合料以及稠化剂。一般来说，水和水泥的比例要在 0.5 以下，且纤维体积不能超过 2％。研究结果显示，ECC 的应变能力通常介于 3%--6%的区间，极限值为 8%，能够消耗普通纤维混凝土的 3倍能源。基于此，ECC 不仅有利于提升结构的延展性和能耗性，还可以切实强化结构的抗冲击性、耐蚀耐磨性，在地震结构中拥有较大的发展空间。较之传统的钢筋混凝土结构，ECC材料有更高的性能[1]

　。ECC 材料可以反映新型材料品种的价值，这符合社会工程材料的需求，所以 ECC 必将成为性能设计方面的一种应用技术，以下是 ECC 的几个性能表现：

　1. 抗拉性能与应变硬化

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 5 有研究发现[2] ,ECC 最主要的性能表现为应变硬化，以下三个方面可以体现: （1）ECC 的应变硬化会有许多裂缝产生，这与金属的冷拉性能不同，当外力消失时，裂缝自然闭合。该过程是对损伤的积累，因而也被叫做准应变硬化。

　（2）应变硬化须是受拉应变硬化，因为在完全荷载的作用下，大纤维体积比的混凝土同样能够显现出应变硬化的特点，但在直接拉伸载荷下，依旧可以看到应变软化。

　（3）为切实强化混凝土的断裂韧性，所以在普通纤维混凝土中加入了一定量的纤维，但材料仍逃脱不了开裂的命运，开裂后的材料整体断裂或从基体中脱出，粘结应力小，荷载也快速下降。在 ECC 材料中，纤维之间的裂缝也能够起到桥接裂缝并且承受荷载的作用，随着裂缝的产生，多个裂缝逐渐从基体中拔出，期间荷载持续增大。

　内部缺陷是破坏水泥基复合材料的主要因素。任意分布的短切纤维在复合材料硬化过程中改变其内部结构，减少内部缺陷，提高材料连续性。在水泥基复合材料的应力过程中，纤维和基体通过力共同变形，并浸渍纤维使基体开裂并连续承受载荷，从而充分保证了水泥基材的抗拉强度;当使用纤维的力学时，当性能，几何尺寸和剂量合适时，复合材料的拉伸强度可以得到显着提高。

　值得一提的是，为保证性能的优良，可尝试在 PVA 纤维的设计阶段考虑怎样减少粘合强度。经过研究发现[4] ：在 PVA 纤维上涂上剂量不同的特殊油剂，可对 PVA 和 ECC 基体之间的粘结与滑移有显著效果。具体而言，即涂覆了油剂的纤维外形比没有涂的更为完整，后者会出现抽丝、拔断等多种问题，前者仅会在拔出的过程中产生轻微的摩擦，直至脱粘与滑移，也没有对外形造成明显的损坏。

　实验结果表明[2] ，在开裂的早期阶段，ECC 材料的荷载和混凝土并没有太大区别，但在极限拉伸应变趋近普通混凝土或传统 FRC 的 500 倍，显示出较大的韧性。ECC 的拉伸应变能力相当于试样上的几个细裂纹。从初始开裂到极限载荷的整个过程中，拉伸应力-应变曲线都表现出明显的应变硬化特征。

　在载荷不断增大的情况下，基体开始出现较大的裂纹，且 ECC 中的纤维可以为之提供所需的桥接应力。基体裂纹的扩散是以“自相似”的方式进行。期间，裂纹尖端的应力场与变形场不会改变，直至裂纹完全穿过截面。当裂纹首次出现时，与之配套的试件承载能力也会在顷刻间下降，然后又立刻恢复，裂缝的宽度也会以较快的速度维持在相对精细的水平，如此反复几次后，试样会显现出很多分布较均匀的细裂缝，裂缝的宽度之间一般都很接近。在极限荷载，也就是应变为 5%以下时，裂缝的宽度也能够维持在 60 微米左右。而当应变小至1%时，裂缝的宽度就会变得很小，材料本身的性质会决定这种细小的裂缝的宽度，无关于ECC 材料是否会配筋及其配筋率的大小。

　2. 抗剪性能与能量吸收

　Kanda（1998）等[8] 借助实验来测试 ECC 的抗剪性能，发现在剪跨比数值为 1 的时候，即没有搭配任何抗剪钢筋时，ECC 梁的抗剪能力高于混凝土梁，比例为 42.7%，而对应变形能力是 2.25 倍，具有显著的破坏延性特征。这些都充分证明了 ECC 材料的抗剪性能。

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 6 Vasillaq（2003）[10] 等人研究并观察了 ECC 板在剪切作用下的变化，发现其从没有开裂到开裂是一个循序渐进的过程，材料本身的刚度并不会因开裂而出现急剧的下降，但普通的混凝土则会表现出十分明显的脆性破坏特征。Gregor[3] 等人重复剪切试验了钢筋混凝土(RC)和钢筋-ECC(R/ECC)梁构件，得出以下结论：在剪切破坏 R/ECC 的过程中有许多非常细小的斜裂缝出现，与延性破坏特征相符。且 ECC 的剪切韧性比 R/C 更好。在地震结构中，分散地震能力最有效的方式是发挥塑性铰区域对能量的吸收作用，但在被脆性混凝土包裹的情况下，仅有少量钢材可通过屈服阶段。然而，在延性比为 10%的时候，即便没有抗剪箍筋，ECC 悬臂梁构件也不会出现保护层脱落或开裂的或破裂。在设计抗震结构的过程中，通常需要用到滞回环，这是一种形状较为完整的结构体系，具有较强的能量吸收能力，因而意义重大。Fukuyama（2003）研究并介绍了响应控制装置，该装置主要由两部分构成：一是 ECC 短柱；二是扩大头。其不仅有助于减小建筑结构在地震中发生的位移，降低对构件的破坏，还能利用 ECC 短柱来达到高韧性、高强度与高刚度的建筑效果；此外，扩大头部既能控制装置的影响范围，还可确保装置与框架之间的紧密连接。因其皆属于水泥基材料，所以相比于钢框架与阻尼器，它们更适用于混凝土结构的地震响应控制。

　在新型水泥基复合材料的初始阶段，增强纤维可以形成网状支撑系统，产生有效的二次强化效果，从而有效地减少材料的内层和毛细管腔的产生;当第一个隐藏裂缝发生在基部并进一步发展时，如果光纤的拉出阻力大于第一个裂缝发生时的载荷，则光纤可以承受更大的载荷，并且光纤的存在可以防止隐藏裂缝发展成宏观裂缝的可能性。从宏观上看，当基质材料受到应力以产生微裂纹时，纤维可以承受由基质开裂传递给它的应力。由基体收缩产生的能量被具有高强度和低弹性模量的纤维吸收，有效地增加了材料。韧性增加了初始抗裂强度并延迟了裂纹的产生。同时，纤维的无序分布也有助于减少水泥基复合材料的塑性收缩和冷冻过程中的张力。研究表明，体积为 0.05％的 Dura 纤维混凝土的抗裂性能提高了近 70％。

　3.韧性评价及薄板抗弯性能 ECC 材料的抗弯性能与其拉伸性能有着直接的关联，使用四点弯曲试验机对 ECC 薄板实验，通过研究发现：在弯矩的作用下，ECC 薄板的裂缝在产生之后，会伴随着应变硬化过程，多缝开裂，挠度也会不断变大，但不会屈服，试件的弯曲韧性也较高，因此 ECC 也被称为弯曲混凝土。

　4.抗渗性 内部孔隙度，孔隙分布和孔隙特征是影响水泥基复合材料抗渗性的主要因素。纤维作为增强材料可以有效地控制水泥基复合材料的早期收缩和微裂纹以及裂纹裂纹的产生和发展，减少材料的收缩裂纹，特别是连接裂纹的产生。此外，纤维作为支撑骨料，减少材料表面的水分裂现象和骨料的偏析，有效降低材料的孔隙率，避免形成连通的毛细孔，并改善水泥基复合材料。抗渗性。试验表明，与普通混凝土相比，0.05％体积的 Dura 纤维混凝土的抗渗性能提高了 60％至 70％。

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 7

　5.抗冲击及抗变形能力 在纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）时，即使基材中已出现大量的分散裂缝，由于增强纤维的存在，基体仍可承受一定的外荷并具有假延性，从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。试验发现，聚丙烯纤维体积掺量为 0.1%~0.2%时，水泥基复合材料的抗冲击性能较对照试样分别提高了 20%~25%

　6.抗冻性 纤维可以缓解温度变化而引起的水泥基复合材料内部应力的作用，从而防止水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散，提高材料的抗冻性；同时，水泥基复合材料抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。在水泥基复合材料中加入聚丙烯、玻璃等纤维的研究表明，纤维的加入，可作为一种有效的水泥基复合材料温差补

　 2.2 国产与美国 C ECC 性能对比分析

　国产 ECC 和美国 ECC 具有不少相同的性能，如下：

　1.自密性 该性能指的是混凝土抗离析的能力较强，无需进行捣固与振动处理。ECC 材料最大的特点就在于水泥浆与集料的比例很高，集料的粒径很小，所以自密性很好。基于新拌的 ECC流变性能的测试结果，可以总结出 ECC 在不受阻碍的情况下拥有良好的流动性与流速。比如修补路面时浇注 ECC 材料，不仅流动性较好，且填充能力也非常优秀，为实际工程中使用带来了很大的便捷。

　2.耐火性

　在温度较高的情况下，高强度的混凝土通常会发生爆裂现象。究其原因在于高强混凝土内部结构较为紧密，不仅孔隙率很小，就连连通的孔隙也较少，所以在温度快速上升的时候，粘稠的硬化水泥浆体会在第一时间内对水蒸气的逸出进行阻挡，使得混凝土的孔洞内形成极大的蒸汽压力。在压力超出混凝土的抗拉强度时，便会立刻爆裂成若干个大小不一的碎片。ECC 材料之所以耐火性能良好，主要是因为 PVA 纤维可以在高温环境下溶解，形成水蒸气的迁移通道，进而释放出 ECC 组分中所聚集的蒸气压力，以防止水泥基质被分解破坏。

　3.自愈合能力 该能力指的是混凝土的裂缝可自行愈合，部分长时间暴露在室外环境下的裂缝会逐渐收缩直至完全消失。很多人将这种能力归因于混凝土内部的水泥基质有一些未被水合，外部原因与其暴露的外部环境条件有关。包括干湿循环、温度条件、渗水和混凝土中的氯化物含量；此外，裂缝的宽度不得大于 150，最好是 50。密歇根州的杨恩华博士在 ECC 部件的耐久性研究中发现了很强的自我修复能力。自我修复能力提高了 ECC 在不断变化的环境中的耐久性。

　4.环保性

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 8 ECC 材料也具有良好的环保性能。煤在燃烧之后会产生降低空气指数的粉煤灰，全球粉煤灰一年的产生量达 6 亿多吨，而怎样有效处理这些粉煤灰成为困扰世界各国已久的大难题。在最近几年里，先后有不少研究结果表明，粉煤灰能够像火山灰、硅粉一样来代替部分水泥，这不仅极大地缓解了其对空气带来的污染，还减少了建筑工程对水泥的用量，节省了不少成本。通常而言，粉煤灰最少可代替 10%-25%的水泥。因为火山灰自身无法与水发生直接反应，必须借助石灰石的作用才能实现水化反应，但释放的热量较少。为此，杨恩华博士用粉煤灰来试验 ECC 材料，结果显示在粉煤灰含量不断增加的情况下，ECC 的抗压强度呈现出不断下降的趋势，但若粉煤灰与水泥的比例保持在 2.8 以下的水平，ECC 材料的抗压性依旧较高。此外，粉煤灰的含量也不会对 ECC 的拉应变产生显著的影响，因为掺加不同含量的粉煤灰的ECC 皆存在应变硬化的现象，所以 ECC 材料对环境保护是有一定作用的。

　3.2 ECC/ 混凝土

　先高温后粘结试件界面粘结机理

　3.2.1 混凝土/混凝土界面 水泥中的主要成分为硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)，这两者占水泥总质量的 75%-82%。根据界面过渡层学说，混凝土/混凝土的粘结处存在一由水泥浆体组成的过渡层区域，新老混凝土的粘结主要由新老混凝土之间的机械咬合力和过渡层内分子间的化学胶结力(范德华力)组成。室温时，对于承受斜面剪切荷载的试件，界面处主要承受压力和剪力，浇筑新混凝土后与既有混凝土粗糙不平的表面犬牙交错，机械咬合力占主要地位；对于劈裂抗拉试件，界面处主要承受拉力，因此主要由化学胶结力提供，机械咬合力占次要地位。温度升至 200oC 时，由于石子的主要成分为 SiO2，此时温度对其化学变化的影响很小，但物理上会使其受热膨胀，石子与水泥基体中由于含有水分，比热容较大，受热膨胀变化较小，降至室温时石子的收缩量也较水泥基体的大，一热一冷导致水泥基体与石子之间会有收缩裂缝的产生，但由于试验时升温速率较快，温度值较低，故收缩裂缝比较细微，在浇筑新混凝土时水泥浆体会通过裂缝深入到既有混凝土中，从而提高了界面的抗拉性能；另一方面既有混凝土表面由于脱水会析出少量 Ca(OH)2 结晶体，当浇筑新混凝土时，这些晶体又重新融入水中，使得界面过渡层中 Ca2+和 OH-增加，不利于 C3H 和 C2H 的形成，降低了新老混凝土之间的粘结力，但降低幅度很小，提升与降低幅度基本相抵消，斜面剪切试件粘结力的主要组成仍为骨料之间的机械咬合力，这一点也可以从剪切试件突然“嘭”地破坏特征中看出。

　温度继续升至 400oC-600oC 时，当浇筑新混凝土时，即使收缩裂缝中有水泥浆体的渗入，但与外界直接接触的水泥基体中的自由水大量蒸发，水泥水化物的脱水导致处理面处的水泥基体分子之间的间距增大，水泥基体的粘结强度下降，这样“根基”不稳，新老混凝土之间的粘结性能下降。但石子仍然完好，过渡层的水泥浆体仍可以与其有良好的粘附力，故粘结力下降幅度不大，剪切试件破坏时仍会发出“嘭”的响声，此时的斜剪和劈拉试件的粘结力仍主要分别由机械咬合力和化学胶结力组成。当温度升至 800oC 时，水泥基体中的自由水和结合水均被蒸发完全，水泥基体中的其他成分和石子一起均被煅烧成粉粒状，无法再浇筑新混凝土。

　3.2.2 ECC/混凝土界面

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 9

　PVA-ECC 与混凝土不同，不但组分中未含有粗骨料，而且还掺入了大量的粉煤灰，就本试验而言，粉煤灰占胶凝材料总量的比重达 54.6%。一方面粉煤灰具有很强的吸水性，增大了界面过渡层中分子之间的范德华力，另一方面高效减水剂的掺入降低了界面过渡层中水泥浆体的自由水含量，从而减小了水化物之间的距离，这两者均使得界面的化学胶结力得到提高。加之既有混凝土表面凹凸不平产生的机械咬合力，使得 PVA-ECC/混凝土界面具有很高的粘结力，以至于室温时剪压试件的裂缝首先发生在 PVA-ECC 处。温度升至 200oC，既有混凝土表面因脱水会有少量 Ca(OH)2 结晶体的析出，浇筑 PVA-ECC 时由于其水灰比较小，大部分的结晶体仍会保留在基体表面，这样当有垂直于水泥基体表面的法向应力时，由于 Ca(OH)2 结晶体的存在降低了其摩阻力系数，从而导致剪切性能的下降。表现在宏观上就使试件的斜剪破坏形式从室温时的 PVA-ECC 处转移到 200oC 时的斜截面处。但浇筑时粉煤灰水泥浆体会渗入既有混凝土的石子与水泥基体之间的裂缝中，增大了界面粘结层的抗拉性能。温度继续上升，与 C40 混凝土一样，由于既有混凝土表面 Ca(OH)2 结晶体越来越多，界面的剪切性能也越来越低，而既有混凝土界面处的水泥基体因大量失水造成其强度下降，即使有粉煤灰浆体的渗入，但由于“根基不稳”，导致其抗拉性能逐渐下降。800oC 时，水泥基体中的自由水和结合水均被蒸发完全，水泥基体中的其他成分和石子一起均被煅烧成粉粒状，无法再进行加固. 国内外 ECC 产品性能上的差异在于：国内学者最开始仅对掺加低体积国产 PVA 纤维的影响进行了研究，进一步了解其对改善水泥基材料的抗裂性能与韧性效果，以期能够强化材料的抗冲击和抗拉性能，后来国内才开始将 PVA 纤维应用于配置 ECC 材料。

　早强型 ECC 材料就是国产 ECC 的典型产品。其作为大跨径钢桥面铺装层材料不仅可以满足一定的强度，也具备了较高的抗弯抗拉性能和良好的变形能力。制备早强型 ECC 的原材料有：水泥、粉煤灰、石英砂、PVA 纤维、高效减水剂、早强添加剂等。通过抗压强度实验和四点弯曲实验，可以选出了有效的早强剂，优化粉煤灰和早强剂用量，确定早强 ECC 材料的配比，增加掺加粉煤灰的量有利于提高 ECC 的工作性能。早强型 ECC 的各种性能能够满足当前桥梁铺装的大部分需要。

　3.2.3 PVA-ECC 与混凝土粘结性能 早在 1994 年，密歇根大学的 Victor C. Li 等[29]比较了 PVA-ECC、传统混凝土、纤维增强混凝土以及钢丝网增强混凝土的剪切性能。发现 PVA-ECC 的剪切性能较传统混凝土和纤维增强混凝土的高，比钢丝网增强混凝土的稍低。在受剪起裂裂缝出现后，传统混凝土和纤维增强混凝土的应力随应变急剧下降，而 PVA-ECC 则表现出独特的应变硬化特征。并且与钢丝网增强混凝土相比，制作工艺和施工流程较为简便。最后认为 PVA-ECC 可以用于对强度和延性均有要求的结构中。为 PVA-ECC 用于混凝土结构修补加固指引了方向。

　国内外对 PVA-ECC/混凝土的界面粘结性能的研究较多，但绝大多数都是在室温条件下进行的，具体如下：通过 PVA-ECC/混凝土 T 形切口叠合梁的四点弯曲试验发现 PVA-ECC 在修补体系中具有独特的“锁缝”现象，可以延长受修补混凝土结构的使用年限。研究了老混凝土表

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 10 面粗糙度对 ECC/混凝土修补加固体系断裂性能的影响。研究结果发现老混凝土表面经处理后虽然可以加大 ECC/混凝土的粘结力，但与一般的新老混凝土加固不同，老混凝土表面不处理时反而 更有利于 ECC/混凝土修补加固体系的“锁缝”特征，使得开裂裂缝宽度更小，耐久 性更好；当加减水剂时，水灰比在 0.28 左右的配比是 PVA-ECC 作修补材料的最好选择。为 PVA-ECC 作修补材料时的配比设计以及界面处理方式提供了参考。新修补材料的干缩往往导致修补加固体系表面裂缝的产生，并使得其容易遭受外界环境的侵蚀。Mo Li 等人[32]研究了 PVA-ECC/老混凝土、普通新混凝土/老混凝土、钢纤维混凝土/老混凝土三个修补加固体系的干缩性能。试验结果表明，由于水泥含量较多并且不含粗骨料，PVA-ECC/混凝土修补加固体系的干缩应变最大，但其本身的干缩裂缝宽度和界面裂缝宽度值在三者之中最小（均小于 60μm），这使得 PVA-ECC/混凝土修补加固体系能够避免氯离子、氧、硫酸盐等的侵蚀，从而具有优越的耐久性。他们进一步研究了老混凝土表面处理方式对 PVA-ECC/混凝土修补体系干缩性能的影响[33]。结果发现当老混凝土表面未经处理即光滑时，界面分层裂缝最大；适宜的粗糙度可以有效抑制 PVA-ECC 表面裂缝和界面分层裂缝的大小，使得 PVA-ECC/混凝土修补加固体系更具延性和耐久性。

　Mustafa Sahmaran[34]等研究了粉煤灰 ECC、矿渣水泥 ECC 和硅粉混凝土与旧混凝土之间的粘结性能。发现矿渣水泥 ECC/混凝土的界面抗剪强度和劈拉强度均要高于粉煤灰 ECC/混凝土，部分原因是矿渣的比表面积比粉煤灰大，水化反应和火山灰反应更充分。Zhang J 和 V C Li[35]研究了 ECC 与混凝土界面的粗糙度对叠合系统的变形能力的影响，结果表明，界面越光滑，ECC/混凝土叠合系统的变形能力越好。表明对于不同的加固体系，其粗糙度要求也不同。HG Zhu 等人[36]研究了混凝土表面浸渍硅烷溶液对 PVA-ECC/混凝土界面粘结性能的影响，发现硅烷溶液的应用会降低界面的劈拉强度，但对界面的抗剪性能没有太大影响。对用 PVA-ECC 修补加固浸渍有硅烷溶液的混凝土结构提供了参考。湖南大学的周宁对 PVA-ECC/混凝土试件进行了双面剪切和钻芯拉拔试验，发现剪切强度随界面粗糙度的增加而增大，界面剂类型对双面剪切强度和钻芯拉拔强度的影响很大。PVA-ECC 强度以及老混凝土强度对这两者也有影响，但相比界面剂类型来说很小。说明了界面剂类型对界面粘结性能的重要性。

　 比较了 PVA-ECC/普通混凝土、自密实混凝土/普通混凝土、普通混凝土/普通混凝土三者的界面粘结抗剪强度,发现在相同条件下，PVA-ECC/普通混凝土相比后两者的界面粘结抗剪强度高很多，这主要是因为 PVA-ECC 中胶凝材料的含量远多于自密实混凝土和普通混凝土，胶凝材料会渗入混凝土中，使得它们之间紧密黏结。大连理工大学王楠[39]通过 PVA-ECC/混凝土试件的抗拉和剪切试验，发现界面粘结性能随既有混凝土粗糙度和强度的增加而增大；浇筑时饱和湿润的界面较干燥的界面粘结性能好，而且浇筑方向对粘结性能也有一定影响，水平向浇筑的试件的较竖向浇筑的试件的界面粘结强度高。为实际施工提供了指导意见。王冰[40~41]通过四点弯曲 T 形切口叠合梁测量 PVA-ECC/混凝土和钢纤/混凝土的界面断裂性能，发现 PVA-ECC 修补系统无论在极限承载力、延性、起裂韧度、耗能能力等

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 11 方面都大于钢纤维混凝土修补系统，具有更强的抗裂能力，不同于钢纤维混凝土修补层中易出现的单一裂缝破坏模式，PVA-ECC 修补层在破坏过程中会出现细微裂缝的破坏模式。PVA-ECC 修复系统比钢纤维修复系统展现出更为优越的裂缝分散能力和能量吸收能力。

　 第三章

　C ECC 的应用及展望

　C 3.1

　ECC 的应用

　经过了近几十年的研究和发展，ECC 技术也慢慢的成熟，除了实验室研究，ECC 已经成功地应用于一些实际工程中。ECC 的韧性很高，其多裂缝开裂的特性也很独特，产品类型也十分丰富，所以才能够在土木工程领域有着广泛的应用空间。多年的研究与发展终于让 ECC材料能够应用到实际工程中。在这一方面起步较早的国家当属美国和日本。ECC 材料的低纤维含量和简单方便的施工工艺也使其在实际工程应用中的可行性很高，且普通混凝土所参照的使用标准也适合用在 ECC 材料上，这就在无形之中扩大了该材料土木工程中的应用范围。无数次试验证明了 ECC 材料的结构强度、耐磨性、能量吸收和裂缝控制能力都有着其他材料不具备的优势。当 ECC 材料作为混凝土表面的覆盖物进行加固和维护时，由于其极限拉伸应变比普通混凝土大得多，即使下层混凝土完全断开，也能承受一定的荷载和变形。因此 ECC材料可以广泛地应用于桥面、路面的维修工程。另外，由于 ECC 超高的韧性，作为连接塑性铰，它具有很强的能量吸收能力。有一种喷射 ECC 具有应变硬化性能，这种 ECC 材料可以得到同样好的力学效果，同时也具备应变硬化特性，裂缝的宽度不到 100 微米，拉伸应变可以达到 1.5%-2.5%之间，最大喷射厚度可以达到 45 毫米。ECC 材料品种的丰富，使得 ECC 材料能够满足多种实际工程的需求。以下是对 ECC 在现实工程中的应用案例介绍：

　1.桥梁面板维修 在美国的密歇根州，有一座名为 Curtis 的大桥，这座桥的面板历经多年的风吹日晒后，已经出现了严重的损坏甚至影响了行人的使用。之后，工程师们在 2002 年进行了加固和维护工作，其中 ECC 材料得到了广泛的应用。为了对比 ECC 材料作为修补材料的优劣性，有关的工作人员在选用 ECC 材料对其进行修补的适合，同时也使用了一般的混泥土进行维修。修补工作完成后的两天里，ECC 修补处没有明显可见的裂缝，而使用普通混凝土修补的地方出现一条很明显的裂缝，宽度大约有 0.3 毫米。两年后，这座桥进行了测试。试验结果表明，经过两年的使用，在严寒的冬季条件下，经过几次冻融循环后，ECC 修复的桥面仍处于良好的工作状态。由此产生的细裂纹的宽度可以很好地控制在 30 微米以下。相比之下，用普通混凝土修补的周边桥面发生了严重退化，出现了严重的剥落现象，裂缝宽度高达几毫米。观测结果表明，ECC 材料能够很好地应用于桥梁修补工程，表现出了一定的优越性能。

　2.边坡加固 在日本，一座混凝土斜坡墙由于碱 - 骨料反应而遭受严重的裂缝损坏，严重影响使用。工程师在 2003 年对其进行了修复和加固，为了确保修复后不会出现更严重的裂缝，工程人

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 12 员在施工过程中在边坡表面喷洒了一层数十毫米厚的 ECC 覆盖物。整个施工过程非常便捷顺利，试验完成一年后，再度勘察发现 ECC 修补的地方最大的裂缝宽度也只有 50 微米，足见该材料的实用性。

　3.水坝维修加固 日本广岛的三阪大坝距今已有 60 多年的使用历史，其内部的混凝土结构已经出现严重的开裂、破碎、漏水等情况，基本上已经到了无法使用的地步。基于此，2003 年该大坝经历了一次大规模的修缮，工程人员同样在这次维修过程中使用了大量的 ECC 材料。大约 600平方米的混凝土表面喷上 20 毫米厚的 ECC 作为保护层。由于 ECC 具有良好的性能和施工技术，所以修复工作不仅简便，且效果十分显著，修复之后的水坝使用情况良好，ECC 材料也因此在水体工程中得到了更为广泛的应用。

　4.钢/ECC 组合桥面板 ECC 材料凭借其良好的力学性能与持久性，除了可以应用于桥梁养护与加固，还能用于桥梁的新建项目。2005 年 5 月，位于日本北海道江北市的梅园大桥正式建成，该大桥的桥面主要采用了钢/ ECC 复合材料，将其作为一般钢材面板的下层铺装。ECC 的高韧性和良好的裂缝控制能力满足桥板铺筑的适宜性和耐久性的要求，由于采用了该方案，桥板的自重降低了 40%，大桥使用寿命预计将延长至 100 年，显著增加了桥的经济效益。

　5.韧性连接板 通常在桥面板之间设置伸缩缝，并在伸缩缝上设置可膨胀接头以连接桥板。然而，在连续的温度膨胀变形过程中，目前的节点很容易损坏，一旦损坏，水和化学物质很容易渗透到桥板甚至下部的结构梁中。造成严重的侵蚀和破坏。因此，一旦节点损坏，必须及时修复，否则很容易造成结构板梁的劣化，在维修过程中经常需要更换，这样就会引起许多不必要的资源浪费。而要有效解决该问题，可将连续桥面连接板来取代连接节点。因为连接板可以和相邻的桥面实现完美的连接，能够减少因为下部构件渗漏而导致的损伤。然而，若采用一般的钢筋混凝土或钢构件来制作连接板，则会消耗大量的钢材，且这种钢材的连接属于刚性连接，即在桥面出现变形的时候，会影响桥梁板内部的应力重分布，使其承载力的设计变得更为复杂。除此之外，刚性连接板在裂缝的扩展规模上也缺乏有效的控制。而 ECC 材料的出现正好可以解决上述难题。ECC 不仅拥有超高的韧性，且应变硬化特性也足以承担相邻桥板在热胀冷缩时所发生的变形，且可在饱和多缝开裂的时候对裂缝宽度进行控制，避免漏水而引起的桥体侵蚀情况。总的来说，这种刚性连接板兼具普通连接件与刚性连接板的优点，所以性价比极高。2005 年 7 月，密歇根开展了一个示范项目，即对公路桥梁进行改造，期间使用了大量由 ECC 材料制作的连接板，工程结果显示，ECC 材料可作为性能超高的桥接板。

　6.抗震消能构件 在现代高层建筑中，使用频率较高的抗震方法是消能减震。详细来说，就是在建筑结构的节点、连接处等部位安装阻尼器，在地震发生时所引起的强烈震动下，这些阻尼器就会立刻进入非弹性状态，并且产生相当大的阻尼，消耗大量的振动能量，以此来减少建筑主体结

　 东南大学成贤学院毕业论文

　 13 构的动力响应，以免其进入非弹性状态。以便在发生强烈地震时保护建筑物不受破坏。由于其优异的韧性，ECC 材料使其成为一种良好的吸收能量和减震材料，可用作高层建筑中嵌入式部件形式的能量消散和抗振构件。在日本，一栋 27 层、近 100 米高的建筑采用了 ECC 材料制成的耗能减震连梁。当地震发生时，这些耗能部件可以起到阻尼能量抵消的作用，有效提高了整个建筑的安全性。

　3.2 C ECC 的发展趋势

　ECC 性能优良，仅凭其超高的韧性就能够有效填补传统混凝土的性能缺陷。另外，因其掺加的纤维量较少，可在一定程度上规避普通纤维混凝土的缺点，比如和易性差，且可深加工制作成自密实 ECC、喷射 ECC 等产品。纤维含量的减少同样也赋予了 ECC 材料以更高的经济价值。在经济发达国家及地区，已有不少专家学者对 ECC 开展了全面的优化及改进实验，且因此研发出了许...