ecc材料的性能与应用

ecc材料的性能与应用

0性能的复合化在可持续发展的指导下，水泥材料的发展方向应该是高剂量和高耐久性的。提高材料和结构耐久性的关键是改善材料的脆性,提高其韧性及其它性能,而复合化正是实现这一目标的主要途径。美国国家材料顾问委员会(NMAB)在1980年提出了水泥基复合材料(cementbasedcomposite)这一概念,它是以水泥材料为基材的一系列复合材料,而当用纤维作为增强材料时,则有了纤维增强水泥基复合材料的概念。纤维加入水泥基材中可起到阻裂、增强、增韧等三大作用,目前已使用较多的纤维增强混凝土(FRC)和高性能纤维增强混凝土(HPFRC)即属于此范畴。1ecc材料特性ECC是对FRC改进的产物,其研究开发采用了独特的结构与材料相结合的综合设计方法(IntegratedStructureandMaterialsDesign,简称ISMD),是经细观力学设计的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料。ECC通常是以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于0.15mm的石英砂作为基体,用纤维做增强材料,在纤维体积掺量小于2%的情况下,其极限拉应变通常在3%～7%的范围内,且饱和状态的多缝开裂裂缝宽度小于0.1mm。ECC特有的拉伸应变-硬化性能和多缝开裂特征非常有利于我国建筑规范对于“安全性、适用性、耐久性”的要求。ECC的研究始于上世纪九十年代早期,起初是用聚乙烯纤维(PE)作为增强材料。PE-ECC的性能优异,但是PE纤维价格昂贵,因此从1997年开始,美国密西根大学的Li等人开始使用聚乙烯醇纤维(PVA)代替PE纤维,制成了性能同样优异的PVA-ECC,而其成本只有PE-ECC的八分之一。经过近十年的发展,PVA-ECC在理论和试验研究方面均取得了长足的发展,本文所述的ECC除有特别说明外,均为PVA-ECC。1.1微裂缝的流变特性ECC区别于普通混凝土的最大特点莫过于它的抗拉性能,图1展示的是一个典型的ECC单轴受拉应力-应变曲线。在初始裂缝生成之后,ECC进入塑性变形段,其间的应变-硬化过程伴随着微裂缝的不断生成及发展,表现出极大的韧性,最终的极限拉应变超过了5%,几乎是普通混凝土的500倍。裂缝宽度的发展受到最大桥联应力的约束,因此始终保持在一个很小的数值范围内,即使在接近破坏时的饱和多缝开裂阶段,其最大的裂缝宽度也小于60μm。ECC独特的应变-硬化性能和超强的韧性显著改变了传统水泥基材料的脆性特征,克服了材料脆性导致的诸多缺陷,而且极佳的裂缝控制性能亦非常有利于新建建筑和结构加固补强对裂缝宽度控制的要求,在提高结构安全性、耐久性方面有着极为重要的意义。1.2ecc试件结构ECC的抗弯性能与抗拉性能类似,表现为极强的韧性和多缝开裂。抗弯性能通常用四点弯曲试验检验,图2中的ECC试件尺寸为304.8×76.2×12.2,极限挠度达22mm,是普通混凝土的40倍,而且变形过程有明显的弯曲-硬化现象。图3表现的是多缝开裂。1.3pva-ecc的抗压性虽然ECC的拉伸和弯曲性能和普通混凝土有很大的不同,但是抗压性能和普通的高强混凝土类似。Li等用直径75mm、高度150mm的圆柱体试件检测了PVA-ECC的抗压性能,试验表明,这种代号为M45的PVA-ECC,早期抗压强度增长很快,14d时能达到65MPa,之后强度增长速率明显减缓,8个月龄期时的抗压强度为75MPa。ECC试件在加载过程中近似表现为线弹性性能,28d龄期的试件的弹性模量约为20MPa,极限荷载处的压应变为0.43%。1.4响建构筑物的耐久性在恶劣的环境中,建(构)筑物往往要面临冻融循环的考验,普通混凝土很容易遭受冻融破坏,致使强度降低,裂缝大面积开展,最终严重影响建(构)筑物的耐久性。ECC由于使用了高弹高韧的有机纤维作为增强材,且基体经过细观力学的优化设计,大大提高了材料的致密程度和抗裂性,表现出良好的抗冻融性能。试验研究表明,经过300次冻融循环的ECC试件没有表现出任何的表观劣化现象,试件的极限拉伸应变仅仅从3%下降至2.8%,而抗压强度下降至60.7MPa,比标准养护的试件下降了约22%。ECC抗压强度增长曲线如图4所示。1.5ecc干燥收缩裂缝的分布水泥基材料在硬化过程及正常使用条件下,由于毛细孔水的蒸发,导致构件体积收缩,当毛细孔水蒸发完后,如继续干燥,则凝胶颗粒的吸附水也发生部分蒸发,使凝胶体紧缩。这种干燥收缩会造成水泥基材料的开裂,ECC也不例外。试验研究表明,由于ECC内部纤维的粘结作用,ECC的干燥收缩比同等环境条件下的普通混凝土高了大约80%,尽管如此,ECC较高的干燥收缩并不会产生很大的收缩裂缝。通过圆环测试发现,ECC的干燥收缩裂缝能很稳定地控制在60μm以下,裂缝数量多且分布均匀,而普通混凝土只生成一条主收缩裂缝,且最大裂缝宽度超过1mm。这主要是因为纤维的桥联和阻裂作用,使得试件内部的应力能稳定地传递并扩散,ECC的干燥收缩变形远小于它的抗拉变形能力,始终处于应变-硬化阶段,不会产生过大的裂缝。这意味着干缩裂缝宽度控制能力是ECC材料自身的一种属性,并不因结构尺寸的变化而改变,这对于结构裂缝的控制有着很大的意义。2ecc的性能基于ECC独特的超高韧性,可以很好地解决传统混凝土由于易脆性、弱拉伸性而具有的种种缺陷,在土木工程建设中必然可以展现良好的性能。此外由于其较低的纤维体积掺量,可以避免普通纤维混凝土工作性差的缺点,从而可进一步制备出自密实ECC、可喷射ECC等一系列ECC制品,较低的纤维掺量也从经济上提高了ECC的商用价值。在美国、日本和欧洲等发达国家和地区,研究者对ECC进行了各种优化和改进,研究并开发了一系列不同的ECC产品。2.1可喷射混凝土喷射混凝土,尤其是比较先进的湿式喷射混凝土,已经在地下工程、水利工程、边坡锚固、结构加固等工程领域得到了广泛的使用。喷射混凝土对于材料的强度、粘接性、粘聚性、抗冻融性、耐磨损性、回弹率等都有着较高的要求,而可喷射ECC在保留ECC优良性能的基础上,吸收了喷射混凝土的优点,完全可以满足严格的施工工艺要求。可喷射ECC如图5所示。可喷射混凝土的开发过程引入了细观力学和流变力学相结合的设计方法,细观力学指导着原材料选择、配合比设计、纤维-基体界面性能控制,以保证ECC应变-硬化和多缝开裂的性能;在细观力学设计对材料约束的基础上,流变力学设计指导着材料的变形性能,通过控制其流动性、凝结性来保证材料的可泵性、可喷射性,最终得到各方面性能都满足施工要求的可喷射ECC。2.2自虚实ecc自密实混凝土在工程中的使用已经屡见不鲜,在一些特殊的施工过程中发挥了重要的作用,同样的,ECC也有自密实的发展需要,研究者已经开发了多种型号的自密实ECC。自密实ECC兼具了硬化状态时的高韧性和拌合物状态时的免振捣自密实的优点,可以克服密集配筋、构件几何形状不规则等障碍,在无任何振捣的情况下能自然填充模具,并达到要求的密实度。自密实ECC如图6所示。自密实ECC的制备主要依靠各组分的配合比控制以及化学外加剂的添加。组分配合比控制的目的是限制基材微粒之间的接触面积和相互作用,以尽量减小固体微粒之间的摩擦力。化学外加剂的用途是调整纤维与基材之间的物理化学作用,促使拌合物获得最佳的分散性和粘性。通过这样的优化设计,自密实ECC能在自重作用下就产生足够的变形,同时,较高的粘性又能避免纤维和基材发生分散、离析的现象。2.3质构特性的优点普通混凝土的密度一般为2.5g/cm3,ECC的密度是2g/cm3,而轻质ECC的密度甚至能降到1g/cm3以下(如图7)。轻质ECC在保证拉伸应变-硬化性能和裂缝宽度自约束能力的同时,极大地降低了材料的密度,在保证结构承载力的前提下,降低结构的自重,有效地提高了结构的安全性和经济性。轻质ECC的组成成分除了普通ECC使用的水泥、细骨料和纤维外,还包括微小的玻璃泡、聚合物空心珠和起泡剂等。各组分以干粉料的形式,通过控制粒径尺寸,充分混合均匀成为轻质ECC干粉料。2.4早强型ecc在结构的加固改造以及其它一些特殊的工程中,往往要求浇筑后的混凝土在很短的时间内达到较高的强度,尽可能地避免影响建(构)筑物的正常使用,这在高速公路维修、桥梁加固等工程中尤为重要。基于对水泥基材料快硬早强的需要,研究者在PVA-ECC的基础上开发了早强型ECC。例如,一种以Type-S30型水泥为基材的早强型ECC在浇筑完成3h后,抗压强度能发展至24MPa,并且能保证后期抗拉应变能力不低于2%;而另一种以TypeⅢ型波特兰水泥为基材,并加入5%聚苯乙烯滚珠及一定掺量硝酸钙的ECC,在浇筑完成4h后,抗压强度能发展至21MPa,抗拉强度能达到3MPa以上,并且能保证后期抗拉应变能力不低于3.5%(见图8)。3在水泥领域,其应用空间大,其在土ECC超强的韧性和独特的多缝开裂特性及丰富的产品种类,使其在土木工程领域有着广阔的应用空间。经过最近十几年的发展,ECC材料已经从试验室走向了实际工程,美国、日本等发达国家都已经开展了ECC的工程应用。3.1ecc修复桥面板裂缝的检测结果美国密歇根州的一座公路桥梁的面板经过多年使用后已经损毁严重,工程入员于2002年对其进行了维修加固,工程中大量使用了ECC。该桥梁于2004年接受了检测,检测结果表明,经过两年的使用,经历了冬季恶劣环境条件下的多次冻融循环,ECC修复后的桥面板工作状况依然良好,产生的细小裂缝的宽度能很好地控制在30μm以下。与之形成鲜明对比的是,周围使用普通混凝土修复的桥面板发生了严重的劣化,裂缝宽度高达数毫米。ECC修复桥面板如图9所示。图10为桥面板裂缝宽度的发展历程。3.2ecc修复层的裂缝宽度日本歧阜的一座混凝土边坡墙由于碱骨料反应而遭受了严重的开裂破坏。工程人员于2003年对其进行了加固修复,为了保证修复后不再出现严重开裂,施工时在边坡表面喷上一层厚约50～70mm的ECC覆盖层。完工一年后的检测中发现,ECC修复层的最大裂缝宽度仅有50μm。边坡加固前后对比如图11所示。3.3充填的确定日本广岛的Mitaka水坝已经使用了60多年,混凝土结构破坏严重,开裂、破碎甚至漏水的现象相当严重。因此,该水坝在2003年经历了一次维修,约600m2的混凝土表面被喷上一层20mm厚的ECC作为覆盖层。整个修复过程简单而高效,并不影响水坝的正常使用,修复后的水坝使用情况良好。水坝及维修加固如图12,13所示。3.4提高桥梁的经济能力日本北海道江别市美原大桥建成于2005年5月,它的主桥桥面板使用了钢/ECC组合材料。ECC很高的韧性以及良好的裂缝控制能力很好地满足了桥面板对于适用性和耐久性的要求,ECC的应用使桥面板的自重降低了40%,并将桥梁的预期使用寿命提高至100年,极大地提高了该桥梁的长期经济效应。美原大桥及ECC施工过程如图14,15所示。3.5连续型桥面连接板桥梁面板之间通常都留有伸缩缝,在伸缩缝处设置可膨胀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的过程中,极易受到破坏,于是,水和化学物质很容易渗透入下层的桥梁板甚至结构梁中,导致严重的侵蚀破坏。因此,一旦连接接头发生破坏后未能及时维修,很容易造成结构板、结构梁的劣化,维修时往往要将它们全部更换,造成了极大的浪费。使用连续型桥面连接板来代替连接接头是解决这一难题的有效方法,连接板与相邻的桥面板形成无缝连接,这样可以避免渗漏对下层构件造成的破坏。但是用普通钢筋混凝土或者钢构件制作的连接板需要耗费大量的钢材,而且这种连接是刚性连接,在发生变形时会造成桥梁板内部的应力重分布,使得桥梁面板承载力的设计变得更为复杂。此外,这种刚性连接板也很难控制裂缝的发展尺度。ECC的特性完全可以解决这些难题。ECC的超高韧性以及其应变-硬化的特性可以承受相邻桥梁板温度伸缩引起的变形,而其饱和多缝开裂时对最大裂缝宽度的控制能力又能很好地解决渗漏侵蚀的问题。这种韧性的连接板集成了普通连接件和刚性连接板的优点,具有很高的实用性和经济性。美国密歇根州在2005年7月进行了一个示范性工程,在一座高速公路大桥的改造过程中,大量使用了ECC制作的连接板(见图16),表明ECC材料完全可以作为高性能的桥梁连接板。3.6ecc的超韧性能增强材料消能减震是高层建筑常用的抗震方法之一,通常是在结构的某些部位,如节点、连接处等装设阻尼器。在强震作用下,阻尼器首先进入非弹性状态,产生较大的阻尼,大量耗散能量,使主体结构的动力反应减小,避免进入明显的非弹性状态,从而保护主体结构在强震中免遭破坏。ECC的超强韧性使之成为一种很好的消能减震材料,可以在高层建筑中以预埋件的形式作为消能抗震构件使用。图17所示的是一栋27层95m高的高层建筑,其内部框架使