1、ECC混凝土的應(yīng)用,匯報(bào)內(nèi)容 1 ECC混凝土的背景 2 ECC混凝土的物理力學(xué)性能 3 ECC的其他性能 4 ECC的破壞 5 ECC目前在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用 6 混雜鋼纖維增強(qiáng)超高性能水泥基材料,1 背景,工程用水泥基復(fù)合材料(engineered eementitious composite，ECC)是經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延展性的一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。 迄今為止，混凝土作為工程建筑材料仍存在以下不足之處：極限荷載下的脆性破壞。通常所觀察到的破壞模式（如混凝土開裂、剝落、沖擊或爆炸荷載的破碎等）均與混凝土不良的拉伸行為有關(guān)；正常荷載下的破壞表現(xiàn)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足

2、，其主要原因是混凝土的開裂引發(fā)的鋼筋銹蝕及其他相關(guān)問題。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性問題。工程建筑材料面臨的挑戰(zhàn)要求未來混凝土必須滿足高延展性、高耐久性、可持續(xù)性，以確保人造設(shè)施與自然環(huán)境之間的和諧共處。,增大混凝土的變形，改善混凝土的脆性，越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的重視。有關(guān)大變形水泥基混凝土的研究，目前國內(nèi)外的技術(shù)路線主要是通過在水泥基混凝土中添加適當(dāng)?shù)耐饧犹盍希愿纳苹炷恋淖冃文芰?。ECC（Engineered Cementitious Composite）通常是以水泥或者以水泥加填料或粒徑不大于5 mm 的細(xì)集料作為基體，用纖維做增強(qiáng)材料。ECC 的特點(diǎn)是具有超高韌性，其拉應(yīng)變值大于3%，且

3、飽和狀態(tài)的多點(diǎn)開裂裂縫寬度小于3 mm。微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理使ECC 的纖維體積含量低于2%3%。在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性及可持續(xù)性方面，ECC 具有很大的優(yōu)勢。,1.1 ECC的特性,ECC是指基于斷裂力學(xué)、微觀物理力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用短纖維增強(qiáng)，且纖維摻量不超過復(fù)合材料總體積的25，硬化后的復(fù)合材料應(yīng)具有顯著的應(yīng)變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3以上的新型工程用水泥基復(fù)合材料。其組成材料包括,其組成材料包括纖維、水泥、砂、水、礦物摻合料和增稠劑，通常情況下水灰比小于05，纖維體積摻量不大于2，其構(gòu)件剖面見圖1，圖中黑色的圓形和橢圓形小點(diǎn)為纖維，白

4、色為水泥基體，灰色為石英砂。試驗(yàn)研究已經(jīng)證實(shí),它的應(yīng)變能力一般為3-6，最高可達(dá)8，耗能能力是常規(guī)纖維混凝土的3倍。因此它在提高結(jié)構(gòu)的延性、耗能能力、抗侵蝕性、抗沖擊性和耐磨性方面具有顯著的效果，在抗震結(jié)構(gòu)、大變形結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)和修復(fù)結(jié)構(gòu)中有著廣闊的發(fā)展前景。 應(yīng)變硬化是ECC最顯著的特性，它表現(xiàn)在下面3個(gè)方面： (1)不同于金屬材料的冷拉時(shí)效，Ecc的應(yīng)變硬化伴隨著多裂縫的開展，外力消失后，裂縫自然合攏，是一個(gè)損傷累積的過程，因此也被成為準(zhǔn)應(yīng)變硬化(Pseudostrain hardening)。,(2)應(yīng)變硬化必須是在受拉情況下的應(yīng)變硬化，一些纖維體積摻率較大的混凝土在彎曲荷載作用下也呈

5、現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，但在直接拉伸荷載作用下仍表現(xiàn)為應(yīng)變軟化。 (3)普通纖維混凝土(FRC)中摻入的纖維雖然能有效地提高斷裂韌性，但材料開裂后皆被拉斷或以較小的黏結(jié)應(yīng)力從基體中拔出，荷載隨之突然降低；ECC中纖維在開裂后能有效橋接裂縫，承擔(dān)荷載，并隨多裂縫開展逐漸從基體中拔出，在此過程中荷載反而有所提高。,值得注意的是，為了保證良好的工作性能，PVA纖維設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要考慮如何降低黏結(jié)強(qiáng)度。Shunxin Wang和Revlon等研究者通過研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)PVA纖維涂覆不同劑量的特殊油劑，在適當(dāng)涂覆用最下，對(duì)PVA與ECC的基體之間產(chǎn)生黏結(jié)滑移有一定的作用，從圖2可以看出,涂12油劑的纖維明顯比不

6、涂油劑的外形完整，不涂油劑的PVA纖維產(chǎn)生了抽絲、拔斷的現(xiàn)象，而涂12油劑的纖維在拔出過程中摩擦、逐漸脫黏、滑移。耗散了大量能量，纖維僅表層有輕微磨損現(xiàn)象。,1.2 ECC的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r,ECC理論研究始于1992年，最早試圖用聚乙烯纖維(PolyemyIene，簡稱PE)來解決水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)、增韌問題。1997年Li和kanda等開始將聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，簡稱PVA)用于ECC，制成了PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。PVA纖維的主要性能見表l，其抗拉強(qiáng)度和受拉彈性模量均高于普通混凝土，PVA纖維的分子中含有OH基團(tuán)，能與水泥漿形成很高的黏結(jié)強(qiáng)度，但自身在攪拌過

7、程中并不糾結(jié)成團(tuán)。其成本是等體積高彈模PE纖維的l8且明顯低于鋼纖維。目前國內(nèi)外主要研究都集中在PVA-ECC上，見圖3。,國內(nèi)近些年來ECC研究進(jìn)步很快，張君和公成旭舊采用了高性能試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證了PVA-ECC在單軸拉伸荷載下的應(yīng)力應(yīng)變特性、裂縫形態(tài)及配合比關(guān)系；青島理工大學(xué)田礫等的研究表明隨著加載速率的降低，材料表現(xiàn)出更好的應(yīng)變硬化性能，微裂縫條,數(shù)增多；大連理工大學(xué)張英華等研究了增稠劑對(duì)ECC材料性能的影響，試驗(yàn)研究表明合理選擇增稠劑類型及合理的配合比設(shè)計(jì)，可以使ECC在具有良好的工作性能的同時(shí)在力學(xué)性能上也有定程度的提高；大連理工大學(xué)的高淑玲等試配了,PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，研究了原

8、材料投料順序及攪拌工藝的影響及不同摻合料對(duì)流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度及其直接拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線的影響。配制的PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的極限拉應(yīng)變最大可到07，是普通混凝土的70倍，東南大學(xué)的徐偉等以及同濟(jì)大學(xué)的王曉剛等也先后開展了這方面的研究，并且針對(duì)ECC價(jià)格較高的缺點(diǎn)，進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。例如改變纖維摻量，放寬所用的細(xì)骨料的粒徑和成分要求，添加粉煤灰和硅灰等，雖然極限拉應(yīng)變有所降低，但仍然體現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征。,2 ECC的物理力學(xué)性能,試驗(yàn)研究表明，ECC材料單軸受拉時(shí)的初裂荷載與素混凝土基本相當(dāng)，但極限拉應(yīng)變接近普通混凝土或傳統(tǒng)FRC的500倍，表現(xiàn)出極大的韌性性質(zhì)。ECC超高的拉應(yīng)變能力對(duì)應(yīng)

9、于試件上的多條細(xì)密裂縫，在從開裂至峰值荷載整個(gè)過程中，拉應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化特征，具體見圖4。,2.1 抗拉性能與應(yīng)變硬化,隨著荷載的增長，在擁有最大初始缺陷尺寸截而上的基體首先開始出現(xiàn)裂縫，此時(shí)ECC中的纖維能夠提供足夠的橋聯(lián)應(yīng)力，基體中的裂縫以“自相似”模式(即分形理論模式)擴(kuò)展，在裂縫擴(kuò)展過程中，裂縫尖端的應(yīng)力場和變形場保持不變，直至裂縫貫通整個(gè)截面。當(dāng)?shù)谝粭l裂縫出現(xiàn)后，對(duì)應(yīng)試件的承載能力經(jīng)歷瞬間下降后馬上恢復(fù)，裂縫寬度很快穩(wěn)定在一個(gè)很細(xì)的水平上(和第一條裂縫的寬度大體相同)，如此重復(fù)多次，試件上最終呈現(xiàn)大體均勻分布的多條細(xì)密裂縫，每條裂縫的寬度大體接近，即使是在極限荷載時(shí)(

10、應(yīng)變?yōu)?)裂縫寬度保持在60m左右，當(dāng)應(yīng)變小于1時(shí)，裂縫寬度更小。這種細(xì)密的微裂縫寬度是由材料自身性質(zhì)決定的，它與這種復(fù)合材料是否配鋼筋以及配筋率大小無關(guān)剛。,2.2 抗剪性能與能量吸收,1998年Kanda等對(duì)ECC進(jìn)行抗剪性能測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)剪跨比為1時(shí)，在不配任何抗剪鋼筋的情況下，ECC梁的抗剪承載力比混凝上梁高出42.67，對(duì)應(yīng)變形能力高出2.25倍，破壞模式具有明顯的延性特征。2003年Vasillaq等發(fā)現(xiàn)ECC板在剪切作用下從未裂到開裂是個(gè)漸進(jìn)的過程，不會(huì)出現(xiàn)剛度的突然下降，而在常規(guī)混凝上會(huì)產(chǎn)生非常典型的脆性破壞特征。Gregor等對(duì)鋼筋混凝土(R/C)和鋼筋-ECC(R/ECC)梁

11、構(gòu)件進(jìn)行的抗剪周期循環(huán)試驗(yàn)表明，RECC剪切破壞時(shí)出現(xiàn)大量的細(xì)微斜裂縫，類似于延性破壞，抗剪韌性大大優(yōu)于R/C。,在抗震結(jié)構(gòu)中，塑性鉸區(qū)的能量吸收是耗散地震能的主要途徑，但是在周圍脆性混凝土的包裹下，只有極小部分的鋼筋能經(jīng)歷屈服階段。然而，即使取消抗剪箍筋，當(dāng)延性比(y)達(dá)到10時(shí)，ECC懸臂梁構(gòu)件試驗(yàn)中仍未出現(xiàn)保護(hù)層剝落或爆裂現(xiàn)象，其滯回環(huán)形狀飽滿，具有較強(qiáng)的能量吸收能力，具體可見圖5，這對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。Fukuyama在2003年介紹了由ECC短柱和擴(kuò)大頭組成的響應(yīng)控制裝置。它可以減少建筑結(jié)構(gòu)的地震位移和減小構(gòu)件損壞。ECC短柱可以實(shí)現(xiàn)高韌性、高剛度和高強(qiáng)度；擴(kuò)大頭可以調(diào)整響

12、應(yīng)控制裝置的影響范圍，同時(shí)保證控制裝置和框架的連接。由于同為水泥基材料，它們比鋼框架和阻尼器更適合混凝土結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)控制。,2.3 薄板彎曲性能及韌性評(píng)價(jià),對(duì)于水泥基復(fù)合材料而言，其抗拉性能直接決定了抗彎性能優(yōu)劣。圖6是ACE-MRL給出的ECC薄板在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)上的表現(xiàn)，試驗(yàn)研究表明：ECC薄板在彎矩作用下，初始裂縫產(chǎn)生之后的應(yīng)變硬化過程伴隨著多縫開裂，撓度進(jìn)一步,增大，但不屈服，試件彎曲韌性較高，所以有文獻(xiàn)也稱ECC為bending concrete，即可彎曲混凝土。,3 ECC的其他性能,自密實(shí)指混凝土具有很強(qiáng)的抗離析能力，且不需要夯實(shí)和振搗。ECC的主要特性是水泥漿一骨料比很高且骨

13、料的粒徑很小(主要由石英砂組成)，因而具有很好的自密實(shí)性。圖7是ACE-MRL給出新拌ECC的流變性能測試。它是ECC在沒有阻礙條件下的流動(dòng)性和流動(dòng)速度。測試結(jié)果可以表征ECC的填充能力，如圖7，顯示ECC的擴(kuò)展度為600mm。,3.1 自密實(shí),高溫下高強(qiáng)混凝土常常發(fā)生爆裂。這主要是因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，孔隙率較小，連通孔的數(shù)量更少，當(dāng)其遭受快速升溫時(shí)，致密的硬化水泥漿體阻止了水蒸氣的及時(shí)逸出，致使混凝土內(nèi)部孔洞里產(chǎn)生相當(dāng)大的蒸汽壓力；當(dāng)蒸汽壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就導(dǎo)致混凝土瞬間裂成大小不一的碎塊。ECC具有很好的耐火性，主要原因是PVA纖維會(huì)在高溫下溶解，從而形成水蒸氣的遷

14、移通道，使ECC構(gòu)件中蒸汽壓得到釋放，避免水泥基體的分解和破壞。,3.2 耐火性,3.3 自愈合,人們很早就知道有的混凝土具有裂縫自愈合的能力，一些服役年限很長的混凝土暴露在外部環(huán)境下，其裂縫會(huì)縮小甚至消失。一般認(rèn)為，混凝土自愈合的內(nèi)因是其內(nèi)部還有部分未發(fā)生水化作用的水泥基體，外因則與其暴露的外界環(huán)境條件有關(guān)，包括干濕的循環(huán)，溫度條件，水的滲透和混凝土中氯化物的含量等；另外，裂縫的寬度不能大于150，最好是50。美國Michgan的En-Hua Yang博士在對(duì)ECC構(gòu)件的耐久性研究中發(fā)現(xiàn)其較強(qiáng)的自愈合能力。自愈合能力提高了ECC在變化環(huán)境下的耐久性。,3.4 環(huán)保性,ECC具有良好的環(huán)保性能

15、。粉煤灰是煤燃燒后的產(chǎn)物，它對(duì)空氣的污染嚴(yán)重，全世界每年會(huì)產(chǎn)生超過6億t的粉煤灰，它們的處理是一個(gè)令人頭疼的問題，在近年的研究發(fā)現(xiàn)，和火山灰、硅粉一樣，它可以替代一部分水泥，從而減少建筑材料中水泥的用量。一般而言，粉煤灰至少可以替代10到25的水泥，火山灰本身并不能直接和水發(fā)生化學(xué)作用，但在石灰石的作用下，水化反應(yīng)可以發(fā)生，并放出極少的熱量。En-Hua Yang博士做了摻有粉煤灰的ECC材性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，ECC的抗壓強(qiáng)度總體呈減少的趨勢，但是只要粉煤灰水泥不大于2.8時(shí)，ECC仍保持了較高的抗壓狀態(tài)。粉煤灰的摻量對(duì)ECC拉應(yīng)變的影響較小，不同摻量的ECC都表現(xiàn)出了應(yīng)變硬化的

16、現(xiàn)象。,混凝土是一種復(fù)合的多相材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。從宏觀結(jié)構(gòu)看，可以把混凝土看作是骨料分散在水泥漿基材中的二相材料，或者看成是粗骨料分散在砂漿中的材料。并且，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸大于粗骨料尺寸的四倍以上時(shí)，往往看作是均勻的各向同性材料。從微觀結(jié)構(gòu)看，水泥石是由水泥凝膠、氫氧化鈣結(jié)晶、未水化的水泥顆粒、凝膠空隙、毛細(xì)管及孔隙水、空氣泡等組成。此外，水泥石的水化反應(yīng)還會(huì)延續(xù)相當(dāng)長時(shí)間，毛細(xì)管中水分還會(huì)繼續(xù)蒸發(fā)，留下不少空隙與微細(xì)裂縫，因而混凝土從微觀上看是不均勻的多相材料。,4 ECC的破壞,按照混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)生、延伸、擴(kuò)展直到混凝土發(fā)生破壞，大體上可以將這一變化過程分為四個(gè)階段： （1）原始微裂

17、縫階段 在加載以前，由于水泥漿硬化干縮，水份蒸發(fā)留下裂隙等原因，在混凝土內(nèi)部形成原始微裂縫。這些微裂縫大多出現(xiàn)在粗骨料與砂漿結(jié)合的界面上，少部分出現(xiàn)在砂漿內(nèi)部。如果養(yǎng)護(hù)適當(dāng)，即沒有出現(xiàn)宏觀的干縮裂縫的條件下，這些微裂縫是穩(wěn)定的，并且從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)來看是均勻分散的。 （2）裂縫的起裂 在加載不太大時(shí)，例如單軸壓應(yīng)力不超過極限抗壓應(yīng)力的3040%時(shí)，由于試件中某些孤立點(diǎn)上產(chǎn)生“拉應(yīng)力”集中，這時(shí)混凝土內(nèi)部的原始裂縫有一部分開始延伸或擴(kuò)展，但都很短，數(shù)值微小。當(dāng)這些微裂縫延伸或擴(kuò)展后，應(yīng)力集中得到緩和并立即恢復(fù)了平衡。這一階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本上接近彈性關(guān)系，也有人稱為準(zhǔn)彈性關(guān)系。在這一階段，如荷載保持

18、不變就不會(huì)產(chǎn)生新的裂縫；當(dāng)卸載時(shí)，有少量裂縫還能閉合。,（3）定裂縫的擴(kuò)展階段 如果荷載繼續(xù)增加，但不超過某一臨界應(yīng)力(對(duì)單軸受壓來說應(yīng)力在7090%的抗壓強(qiáng)度以內(nèi))，則已有的裂縫便進(jìn)一步延伸或擴(kuò)展，有的伸入砂漿內(nèi)部，有些短的裂縫彼此相接引起長的裂縫，同時(shí)有新的裂縫產(chǎn)生。這一階段應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈明顯的非線性關(guān)系。如果停止加載，裂縫的擴(kuò)展也會(huì)停止，不繼續(xù)發(fā)展。因而可以稱為穩(wěn)定裂縫的擴(kuò)展階段。 （4）不穩(wěn)定裂縫的擴(kuò)展階段 當(dāng)加載超過臨界應(yīng)力，裂縫逐漸連接貫通，砂漿體內(nèi)的裂縫急劇增加，發(fā)展加快。這一階段，荷載保持不變時(shí)，裂縫也會(huì)自行繼續(xù)延伸和擴(kuò)展，也即荷載保持不變也會(huì)導(dǎo)致破壞。因而任何長期荷載都不應(yīng)超

19、過臨界應(yīng)力值。這一階段稱為不穩(wěn)定裂縫擴(kuò)展階段。在這一階段，單軸受壓試件的體積不僅不縮小，反而開始膨脹。最后，貫通的裂縫將試件分裂成若干小柱，這時(shí)，當(dāng)荷載減小時(shí)，變形還會(huì)繼續(xù)增加。,5 ECC目前在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用,由于ECC抗拉性能好，薄斷面ECC和鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)比普通的鋼一混結(jié)構(gòu)具有更高的抗折強(qiáng)度。圖8為位于日本北海道的Mihara Ohashi大橋的施工現(xiàn)場，橋長972 m，中心跨度340 m。2004年，橋上鋼板的瀝青覆蓋物有一半厚度40mm厚的ECC代替，通過減少應(yīng)力產(chǎn)生來增強(qiáng)橋面板的承載能力和剛度，從而提高橋面的抗疲勞強(qiáng)度。這是必需的，因?yàn)樵跇蛐拗倪^程中，日本有關(guān)部門對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了

20、修訂，其中抗疲勞性能有了新的要求。,5.1 橋面板,圖8 橋面板的施工現(xiàn)場,鋼板的剪力件布置如圖8(a)所示，用來保證ECC和鋼板的黏結(jié)。ECC先在攪拌站拌和，通過大型攪拌車運(yùn)到施工現(xiàn)場，然后進(jìn)行二次攪拌。ECC每天澆筑約30 m3，整個(gè)橋面的澆筑量為800 m3。澆筑工藝如圖8(b)所示。,在交替荷載作用下，ECC-鋼筋復(fù)合結(jié)構(gòu)可以吸收大量的能量。如圖9所示，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物中，利用與ECC復(fù)合來減震，于2004年和2005年分別在日本東京和橫濱得到應(yīng)用。在高層建筑的主框架結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用這種復(fù)合結(jié)構(gòu)既能提高能量吸收能力，又能減少地震后的修補(bǔ)。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到結(jié)構(gòu)效應(yīng)，抗剪試驗(yàn)采用1/2.5

21、的尺寸。結(jié)果表明該構(gòu)件在周期荷載作用下具有特殊的性能，裂縫寬度小于0.3 mm。,5.2建筑物的減震,圖9 建筑物減震構(gòu)件的預(yù)制,5.3 壩體的表面修復(fù),由于其微裂縫結(jié)構(gòu)，ECC表現(xiàn)出優(yōu)越的屏蔽性能，能提高抗?jié)B性。 圖10為日本廣島轄區(qū)內(nèi)的Mitaka大壩。該壩為重力壩，需要對(duì)下游壩高從現(xiàn)有的33 m加高到44 m。2003年，在該壩,的上游表面(面積：500 m2)噴射了30 m的ECC保護(hù)層，厚度為30 mm，增強(qiáng)對(duì)已破壞混凝土表面的保護(hù)。每隔1.5 m2設(shè)置一鉸釘用來確保ECC和底層混凝土的緊密黏結(jié)。,圖10 大壩表面ECC的噴射,5.4 灌溉渠道的表面修補(bǔ),大多數(shù)服役數(shù)十年的灌溉渠道都

22、由于沖磨而遭到破壞。圖11為Shiga轄區(qū)內(nèi)的中心樞紐渠道 (墻側(cè)高1.1 m，底板寬1.5 m)，該渠道表面粗骨料裸露，邊角部分磨損，有長1 m、寬1 mm的裂縫。富山轄區(qū)的Seridanno渠道(墻側(cè)高1.1 m，石墻高約2.4 m，底板寬約2.05m)表面粗骨料裸露，底板局部剝落，石墻底部有部分填充砂漿脫落。 首先用水對(duì)底層表面進(jìn)行沖洗，清除掉被破壞的砂漿。邊墻上每石塊接縫處均由砂漿填充。2005年，用ECC涂抹或噴射方式，對(duì)中心樞紐渠道和seridanno渠道進(jìn)行修補(bǔ)。,普通砂漿和超高強(qiáng)聚合物砂漿也曾用于中心樞紐渠道和Seridarnno渠道的修補(bǔ)中。但是1個(gè)月后就能觀測到裂縫，然而應(yīng)

23、用ECC，尚來觀測到裂縫。,圖11 灌溉渠道的修復(fù),由于其微裂縫結(jié)構(gòu)，從美學(xué)角度出發(fā)，ECC適合用于破碎混凝土結(jié)構(gòu)的表面。日本岐阜轄區(qū)的一混凝土重力摟土墻建于20世紀(jì)70年代，寬約18m，高約5m。 墻體由于堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生裂縫，于1994年，裂縫用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌漿處理，墻體表面也涂上有機(jī)材凝保護(hù)層。2003年修補(bǔ)表面再次開裂，這次采用噴射ECC和其他材料進(jìn)行修補(bǔ)，如圖12所示。,5.5 擋土墻的表面修復(fù),圖12 擋土墻的表面修復(fù),修補(bǔ)7個(gè)月后，采用ECC的都未觀測到裂縫。到10個(gè)月和24個(gè)月時(shí)，分別觀測到小于0.05 mm和0.12 mm的裂縫。同時(shí)還可以觀測到形成了微縫網(wǎng)。24個(gè)月后的觀測比

24、12個(gè)月時(shí)更難，主要是由于表面積聚了很多雜質(zhì)。同時(shí)，也觀測了采用普通砂漿修補(bǔ)的情況，1個(gè)月就能明顯的觀測到可見縫，于3、10、24月后分別出現(xiàn)0.03、0.2、0.3 mm的裂縫。,5.6 高架橋的表面修復(fù),由于微縫結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的低氣體和液體滲透性，ECC期待用于延遲混凝土結(jié)構(gòu)的碳化。一般鐵路高架橋的表面的防碳化處理，采用有機(jī)漆類的襯砌。然而，由于經(jīng)受長期的交通荷載作用下裂縫的擴(kuò)展(閉合作用)，襯砌容易產(chǎn)生早期裂縫。2005年，10mm厚的ECC噴射于有彎曲裂縫的高架橋的梁上。鉸釘用于確保ECC和底層混凝的黏結(jié)。,圖13 高架橋的表面修復(fù),在探索性試驗(yàn)之前，對(duì)鋼筋混凝粱施加小應(yīng)力幅度的交替荷載，

25、也就是假定其在鐵路交通荷載產(chǎn)生了彎曲裂縫。在交替荷載作用了1700萬次后，噴射ECC的鋼筋混凝土粱的裂縫寬度只有0.13 mm，僅為無ECC保護(hù)層的一半(0.25 mm)。ECC對(duì)混凝表面碳化的抑制作用也在加速碳化試驗(yàn)中得到證實(shí)。,超高性能水泥基復(fù)合材料(UHPCC)一般指強(qiáng)度大于100 MPa，具有良好的流動(dòng)性能與工作性能的水泥基復(fù)合材料超高性能水泥基復(fù)合材料因具有高強(qiáng)度、高耐久性、高體積穩(wěn)定性和高工作性的特點(diǎn)，在防護(hù)工程、民用高層建筑以及核廢料處理等工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，但是其致命弱點(diǎn)是脆性大，這不僅增添了建筑結(jié)構(gòu)安全隱患，同時(shí)也限制了其廣泛的應(yīng)用近年來，研制與開發(fā)超高強(qiáng)度、高韌性與高

26、耐久性的超高性能水泥基復(fù)合材料己成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn) 水泥基材料是一種脆性易裂的無機(jī)材料，摻入性能優(yōu)異的纖維，通過其與基體間的界面結(jié)合，充分發(fā)揮纖維對(duì)脆性,基體的增強(qiáng)、增韌與阻裂效應(yīng)，可以有效地改善脆性水泥基基體的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及抗沖擊性能等，特別是在增韌方面具有明顯的作用水泥基材料具有多相、多組分、多尺度以及多層次的特性，且其從塑性階段到硬化階段所產(chǎn)生的裂紋也是大到毫米級(jí)小到微米級(jí)，如果只摻入單一尺寸的纖維，僅僅能改善材料某一層次的性能,6 混雜鋼纖維增強(qiáng)超 高性能水泥基材料,混雜纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是通過合理的材料設(shè)計(jì)，把不同性質(zhì)與不同尺度和優(yōu)點(diǎn)的纖維混雜，在結(jié)構(gòu)形成和受力破壞過程

27、中，它們將在不同階段相互取長補(bǔ)短與單一品種和單一尺度的纖維相比，混雜纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能。采用不同幾何尺寸的壓痕鋼纖維和平直超細(xì)鋼纖維按一定比例混雜，可制備一種超高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(UHPFRCC)。,6.1 原材料,水泥：江南小野田PII52.5，28 d抗壓強(qiáng)度為75.6 MPa，抗折強(qiáng)度為9.6 MPa粉煤灰：南京熱電廠生產(chǎn)的超細(xì)粉煤灰，比表面積720 m2kg，化學(xué)組成如表1所示,硅灰：比表面積22 m2g，SiO：含量為95.48集料：普通河砂，最大粒徑2.5 mm，連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.36高效減水劑：Grace公司的量為總膠凝材料用量的2

28、纖維：鞍山市昌宏鋼纖維廠生產(chǎn)平直型超細(xì)鋼纖維(SFl)；無錫市長征工程纖維有限公司生產(chǎn)壓痕型鋼纖維(SF2)2種Super-1000 N，固體含量為40，減水率為45，2種纖維具體的性能參數(shù)見表2,6.2 配合比 本試驗(yàn)保持基體配合比不變，纖維總體積率為3，研究SF與SF2混雜比例變化對(duì)超高性能水泥基材料性能的影響UHPCC的基體配合比如表3所示，各配合比的纖維摻量及工作性能見表4,6.3 混雜鋼纖料對(duì)混凝土性能的影響 6.3.1 纖維混雜對(duì)新拌漿體性能的影響 表4表明，摻入鋼纖維使砂漿的流動(dòng)性降低，但是2種鋼纖維對(duì)新拌水泥漿體的流動(dòng)性影響程度不同隨著壓痕形鋼纖維摻量的增加，新拌砂漿流動(dòng)性能大

29、幅度下降，這是由于纖維表面不光滑，對(duì)漿體的阻力較大；同時(shí)與SFl相比，其長度較長，在漿體中更易于相互搭接形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步阻止砂漿的流動(dòng)，因此當(dāng)2種鋼纖維混雜時(shí)，隨著較長的壓痕形纖維混雜比例的增加，新拌漿體的流動(dòng)性能也相應(yīng)下降,6.3.2 混雜纖維對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的影響,圖14纖維混雜對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,由圖14顯示，壓痕型鋼纖維摻量為3時(shí)，SF2在同齡期的強(qiáng)度小于同體積率下?lián)郊悠街毙统?xì)鋼纖維SFl的強(qiáng)度；在纖維體積率為3的情況下，2種纖維等比例混雜，28和90 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)162.4和182.8 MPa，是同體積率為3的情況下，2種纖維等比例混雜，28和90 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)16

30、2.4和182.8 MPa，是同齡期時(shí)不摻纖維PC強(qiáng)度的178和163，是單摻SFl的120和116，是同齡期單摻SF2的143和121這是因?yàn)殡S著壓痕形鋼纖維摻入量的增加，纖維與水泥基復(fù)合材料界面的機(jī)械咬合力增加，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度有一定的提高；但是由于其長徑比較小，而且其抗拉強(qiáng)度比平直型超細(xì)鋼纖維小得多，因此，摻量過大反而影響了復(fù)合材料強(qiáng)度的發(fā)展實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單一形狀和單一尺度的纖維相比，2種鋼纖維以適宜的比例混雜，復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度有較大幅度提高,6.3.3混雜纖維對(duì)材料抗折強(qiáng)度的影響,如圖15所示，2種纖維按比例混雜時(shí)，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度均比單一纖維的抗折強(qiáng)度提高，但是混雜比例不同，抗

31、折強(qiáng)度有較大的差異按等比例混雜的配比HF2抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)大于HFl與HF3，其7 d抗折強(qiáng)度是同齡期基體的3.2倍，28 d抗,折強(qiáng)度是同齡期基體的3.1倍，90 d抗折強(qiáng)度是同齡期不摻纖維強(qiáng)度的3.7倍,圖15 鋼纖維混雜對(duì)抗折強(qiáng)度的影響,6.3.4 混雜纖維對(duì)材料彎曲韌性的影響,圖16纖維混雜對(duì)UHPCC彎曲荷載位移曲線影響,如圖16所示，混雜纖維的摻人明顯地提高了復(fù)合材料28和90 d初裂彎曲強(qiáng)度和極限彎曲強(qiáng)度，其中HF2的極限強(qiáng)度最高由于壓痕鋼纖維直徑較粗，長徑比較小，所以單摻SF2配合比的彎曲強(qiáng)度明顯低于單摻SFl的強(qiáng)度，同時(shí)也低于相同齡期各混雜配比的強(qiáng)度,圖4表明：5種材料的荷載一撓度

32、曲線形狀相似，即受力過程內(nèi)部變化相似，且都具有較高的韌性，這與鋼纖維與基體的粘結(jié),及自身的性質(zhì)分不開荷載達(dá)到初裂點(diǎn)，即基體裂開時(shí)，基體承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)移給纖維承擔(dān)；荷載達(dá)到初裂點(diǎn)后，做功越多，說明纖維的增韌效果越好。如表5顯示，與單一纖維相比，2種纖維混雜時(shí)，復(fù)合材料的韌性增加，當(dāng)2種尺寸的鋼纖維混雜體積比為1：1時(shí)(配比HF2)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度最高，極限荷載為20.2 kN，而且荷載一位移曲線下積分面積也最大，即彎曲韌性最大,6.3.5混雜纖維對(duì)材料拉伸強(qiáng)度的影響,由圖17可知，HF2和HF3均具有較高的單軸拉伸強(qiáng)度，這說明鋼纖維混雜后，在軸拉過程中，不同尺度纖維阻裂效應(yīng)充分發(fā)揮，從而復(fù)合材

33、料抗拉伸性能增強(qiáng)特別是由于SF2的表面帶有許多壓痕，其與基體有較高的機(jī)械咬合力，因此SF2的界面粘結(jié)強(qiáng)度較高，而SF1因其自身的抗,圖17維混雜對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響,拉強(qiáng)度較高，纖維直徑小，長徑比大，纖維間距小，所以當(dāng)兩者混雜時(shí)，由于界面粘結(jié)效應(yīng)、纖維間距效應(yīng)及2種效應(yīng)的復(fù)合疊加，從而2種纖維優(yōu)勢互補(bǔ)，使纖維混雜效應(yīng)更有效地發(fā)揮,6.4 強(qiáng)度機(jī)理分析,6.4.1 2種類型鋼纖維與基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度 界面粘結(jié)力計(jì)算公式為,式中， 為平均A面粘結(jié)強(qiáng)度；P為纖維拔出荷載；n為纖維根數(shù)；df為纖維直徑；lf為纖維埋人基體長度,纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中纖維與基體的界面粘結(jié)力是整個(gè)體系的薄弱部位在外力作用下，通常基體和纖維的變形不一致，沿纖維表面將產(chǎn)生剪力，而纖維周圍存在界面薄弱區(qū)，在界面薄弱區(qū)一定范圍內(nèi)，將形成連續(xù)裂縫，此時(shí)纖維脫粘開始，此荷載稱為脫粘荷載在此之前，荷載一位移基本上呈彈性變化。如圖18所示。,圖18維脫粘和拔出時(shí)所做的功,纖維脫粘與拔出時(shí)所做的功是通過纖維拔出試驗(yàn)中荷載一纖維拔出位移曲線下包圍的面積的積分來計(jì)算的，具體見下式,式中，Wb為纖維脫粘與拔出時(shí),做的總功；Wb1為纖維脫粘做的功；Wb2為纖維拔出做的功與纖維拔出長度,纖維的整個(gè)拔出過程可分為：完全彈性約束階段、局部脫粘階段和完全脫粘階段壓痕型鋼纖維從基體拔出的粘結(jié)力來自于3部分：