ECC的研究进展

苏磊

材料科学与工程学院，无机非金属材料专业，班级：12材4，学号：201214030406

[摘要]：综述纤维分类及对水泥基复合材料阻裂、增强、增韧等力学性能的增强效果；分析了纤维增强水泥基复合材料的增强机理及作用。通过对ECC的研究，认为其前景广泛，意义重大。

[关键词]：水泥基复合材料；纤维；ECC；

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。

1、纤维的分类

纤维混凝土中常见的纤维按其材料性质可分为：金属纤维（如钢纤维、不锈钢纤维），无机纤维（如石棉等天然矿物纤维、抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉、碳纤维等人造纤维），有机纤维（如聚丙烯、聚乙烯、尼龙、芳族聚酰亚胺等合成纤维和西沙尔麻等天然植物纤维）。

按其弹性模量可分为高弹模纤维（如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等）和低弹模纤维（如聚丙烯纤维、某些植物纤维等）。

按其长度可分为非连续的短纤维和连续的长纤维（如玻璃纤维无捻粗纱、聚丙烯纤化薄膜等）。制造纤维混凝土主要使用短纤维，但有时也使用长纤维或纤维制品（如玻璃纤维网格布和玻璃纤维毡等）。

表1-1 部分纤维的性能 相对 直径 拉伸强度弹性模量断裂应变纤维种类 密度 （μm） （MPa） （MPa） （%） 钢纤维 7.80 100-1000 500—2600 210000 0.5-3.5 抗碱玻璃纤维 2.7 12-20 1500-3700 80000 2.5-3.6 丙烯酸纤维 1.18 5-17 200-1000 17000-19000 28-50 芳族聚酰胺纤维 1.44 10-12 2000-3100 62000-120000 2-3.5 尼龙纤维 1.14 23 1000 5200 20 聚酯纤维 聚乙烯纤维 聚丙烯纤维 碳纤维 1.38 0.96 0.9 1.90 10-80 280-1200 10000-18000 25-1000 80-600 5000 20-200 450-700 3500-5200 8-10 1800-2600 23000-38000 10-50 12-100 6-15 0.5-1.5 2、纤维增强水泥基复合材料的力学性能

在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。 2.1 抗拉强度

内部缺陷是水泥基复合材料破坏的主要因素，任意分布的短切纤维在复合材料硬化过程中改变了其内部结构，减少了内部缺陷，提高了材料的连续性。在水泥基复合材料受力过程中纤维与基体共同受力变形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷，可使水泥基材的抗拉强度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。 2.2 抗裂性

在水泥基复合材料新拌的初期，增强纤维就能构成一种网状承托体系，产生有效的二级加强效果，从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生；在硬化过程中，当基体内出现第一条隐微裂缝并进一步发展时，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则纤维能承受更大的荷载，纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。宏观上看，当基体材料受到应力作用产生微裂缝后，纤维能够承担因基体开裂转移给它的应力，基体收缩产生的能量被高强度、低弹性模量的纤维所吸收，有效增加了材料的韧性，提高了其初裂强度、延迟了裂缝的产生，同时，纤维的乱向分布还有助于减弱水泥基复合材料的塑性收缩及冷冻时的张力。研究表明体积掺量0.05%的杜拉纤维混凝土抗裂能力提高近70%。 2.3 抗渗性

内部孔隙率、孔分布和孔特征是影响水泥基复合材料抗渗性的主要因素。以纤维作为增强材料，可以有效控制水泥基复合材料的早期干缩微裂以及离析裂纹的产生及发展，减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。另外，纤维起了承托骨料的作用，降低了材料表面的析水现象与集料的离析，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，提高了水泥基复合材料的抗渗性。试验表明，0.05%体积掺量的杜拉纤维混凝土比普通混凝土的抗渗能力提高了60%~70%。 2.4 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%。 2.5 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偿抗裂手段。

3、 纤维增韧、抗裂机理研究

纤维增强水泥基复合材料是一种多相、多组分、非匀质且不连续的材料，纤维的力学性能参数（抗拉强度、杨氏模量和极限延伸率）、几何特征（集束状况、长度、横截面形状、表面状况等）、体积率、分布状况及不同的施工方式，都影响着纤维的增韧、抗裂效果。尽管自纤维水泥基复合材料问世以来，很多研究者都对其增韧、抗裂机理进行了研究，但到目前为止，没有一个理论能全面反映纤维水泥基复合材料的本质。

纤维混凝土增韧机理主要包括： 3.1 感性解释

S.P.Shah在阐明纤维增强复合材料中的增韧机理时认为,这种复合材料在基体出现第一条裂缝后，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则它能承受更大的荷载。在裂开的截面上，基体不能抗受任何拉伸，而纤维承担着这个复合材料上的全部荷载。随着复合材料上荷载的增大，纤维将通过粘结应力把附加的应力传递给基体。如果这些粘结应力不超过粘结强度，基体就会出现更多的裂缝。这种裂缝增多的过程将继续下去，直至或是纤维断掉或是粘结强度失效而导致纤维被拔出。 3.2 纤维间距理论

这一理论由美国的Romualdi和Betson(1963年)提出。根据线弹性断裂力学来说明纤维对混凝土裂缝发生和发展的约束作用，对于混凝土这类内部原来具有缺陷和裂纹的材料，其开裂强度可因混凝土内加入纤维后，混凝土的韧性增大、裂缝尺寸减小或裂缝尖端应力集中系数降低而得到提高。这就从理论上说明了纤维增强混凝土的机理。就纤维增强混凝土而言，纤维平均间距始终是对线性材料性能起决定作用的一个极为重要的因素。纤维平均间距决定着混凝土在搅拌时的

流变性，而且在某种程度上也影响着成型后混凝土的各种性能。 3.3 混合原理

这一原理的出发点是将纤维增强混凝土看作为纤维增强的复合材料，假定混凝土基体和纤维处于完全粘结的条件下，并且在混凝土基体和纤维连续构成的复合体上，柱状纤维是一维单向配制于基体中的。该复合体的强度是由纤维与基体的体积比和应力所共同决定的。 3.4 三维乱向短纤维的增强机理

以上两种传统的纤维增强机理的力学模型均是单向连续纤维模型，属于理想化情况。实际上,短切乱向纤维在基体中是三维分布的，由于纤维的“短切”和乱向关系，就不如单向连续纤维那样能充分发挥增强作用。在用三向乱维短纤维的增强机理分析时，考虑了纤维与混凝土二者相互作用的复杂情况，采用几个相关系数(方向有效因子、界面粘结因子、长度有效因子)使结论更符合实际情况。

4 ECC 材料的研究进展

多年来，在改善传统混凝土脆性的过程中，高性能纤维增强水泥基复合材料( High PerformanceFiber Reinforced Cementitious Composites，HPFRCC)开始出现，如砂浆渗浇钢纤维混凝土( Slurry Infiltrated Fiber Concrete，SIFCON) 和砂浆渗钢纤维网混凝土( Slurry Infiltrated MatConcrete，SIMCON) ，它们在直接拉伸荷作用下具有明显的应变硬化特性，其受拉性能相对普通混凝土和纤维混凝土有很大改善，但其纤维体积掺量较高，如SIFCON 中钢纤维体积掺量为4%～ 20%，不仅成本难以控制，裂缝也很难控制在几百个μm 量级内，而且需要特殊的工艺才能加工成型，这些都极大地限制了HPFRCC 在实际工程的推广应用。

ECC 是以水泥、砂、矿物掺合料等构成基体，以乱向分布短纤维为增韧材料的复合材料。在纤维体积掺量为2． 0% 左右的情况下，其极限拉应变能达到3% 以上，在拉伸和剪切荷载作用下呈现出高延性，并表现出明显的应变-硬化及多缝开裂特性，且饱和状态的多缝开裂裂缝宽度大多小于100 μm。ECC 不仅成本容易控制，而且使用常规的搅拌方法和施工工艺就可以成型。

ECC 最早是由美国密歇根大学的Victor C．Li 教授等在20 世纪90 年代初根据微观力学和断裂力学基本原理提出的设计理论，即采用基于微观力学的性能驱动设计方法( Performance Driven Design Approach，简称PDDA) 对材料微观结构进行调整，将乱向短纤维增强水泥基复合材料的纤维桥联法作为研究的理论基础，考虑了纤维特性、基体特性和纤维/基体的界面特性及其之间的相互影响，建立了获得材料应变-硬化特性的两个设计准则，即第一起裂应力准则和裂缝稳

态扩展准则，提出了通过改进纤维理论体积掺量条件从而能够以最小的纤维含量实现复合材料的应变硬化效应。

聚乙烯( Polyethylene，简称PE) 纤维和聚乙烯醇( Polyvinyl alcohol，简称PVA) 纤维通常作为ECC 的增韧纤维，PE 的拉应变能力高于PVA，但是PVA 相对PE 成本较低，且与水泥基体有较强的化学粘结力，是目前试验研究和实际工程应用最为广泛的增韧材料。

我国现在正处于经济建设的快速发展时期,对新型建筑材料的要求也越来越高在这种背景下,纤维增强混凝土也越来越受到人们的重视,纤维增强混凝土也得到了快速发展。但是纤维混凝土理论研究的匿乏是制约其进一步发展的障碍,希望将来在纤维增强混凝土这一研究领域能实现理论与实验相互支撑。

ECC的研究是从细观力学理论出发研究出具有低纤维掺量(通常小于2％)和超高韧性的材料。ECC最早是研究聚乙烯纤维增强水泥基复合材料(Potyethyleae—Engineered CementitiousComposite。PE-ECC)，1998年Li和Kanda等开始对PVA-ECC的应用进行了系列研究并取得了一定的成果。2000年，发展了自密实PVA-ECC。

图3．1是普通混凝土(Pc)、维增强混凝土(FRC)和PVA--ECC的轴拉荷载下应力应变关系比较图。

图3．1 PC、FRC和ECC在拉伸作用下应力应变关系比较

由图3．1可以看出，普通混凝土(PC)在到达极限强度以后，应力应变曲线急剧下降，结构迅速失去承载能力。普通混凝土的拉伸极限应变一般在0．2％左右。FRC的拉伸极限应变一般也都小于1％。而且以往的纤维混凝土基本上依旧是单一裂纹破坏。纤维增强混凝土和普通混凝土一样均具有应变软化特性(即当应力达到混凝土抗拉强度正后，应力应变。一6曲线渐次下降。o一6图的下降段为应变软化线，应力随6愈大而愈减小)．虽然下降相对缓慢一些，但是仍然表现为

单裂纹破坏，呈应变软化态势。而工程用聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA--ECC)则表现出应变硬化和多点开裂的良好性能。

5 结论

ECC材料具有很好的延展性及微裂缝宽度控制特性，可以满足下一代基础设施的要求，但仍需进行大量的研究来全面了解这种新型建筑材料。对ECC的研究已经从实验室发展到大规模的实际工程应用。这些应用将对ECC的再设计提供有益的反馈信息， 以便满足不同应用场合的特殊需求。基于微观力学的ECC材料工程学可为ECC的进一步优化提供指导， 目前已经发展并成功应用了基于可持续性考虑的环保ECC 和基于减轻自重考虑的轻质ECC。最近的工程应用也为结构设计提供了非常重要的指南。

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