高延性纤维增强水泥基复合材料在建筑结构中的应用现状

陈杨;章红梅

【摘 要】高延性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,ECC)是一种使用微观力学、断裂力学对复合材料进行系统分析得到的具有超高韧性的纤维增强水泥基复合材料.ECC作为一种高性能新材料,能够显著改善结构构件的力学性能,将其合理的应用于结构构件中也是其重要的发展趋势.对ECC材料进行了介绍,综述了ECC材料性能、ECC在建筑结构中的研究应用现状,就现有的应用形式方面的不足进行了评述和展望.%Engineered Cementitious Composite (ECC) is a fiber reinforced cement based composite material systematically designed based on the micromechanics and fracture mechanics and engineered to achieve the ultrahigh toughness.As a kind of new material with high performance,ECC can significantly improve the mechanical properties of structural members and it is an important development trend of the ECC to be reasonably applied in the structural component.This paper

introduces the performance and the state of the research and application in structure of ECC.Meanwhile,the existing problems in the form of application are reviewed and prospected. 【期刊名称】《结构工程师》 【年(卷),期】2017(033)003 【总页数】14页(P208-221)

【关键词】水泥基复合材料;力学性能;应变硬化;多缝开裂;耐久性;应用现状

【作 者】陈杨;章红梅

【作者单位】同济大学结构工程与防灾研究所,上海20092;同济大学结构工程与防灾研究所,上海20092 【正文语种】中 文

混凝土作为我国建筑领域应用最广泛的建筑材料,以其取材便利,应用方便,抗压能力强被广泛应用于各类建筑结构中。但随着现代建筑结构形式的发展,普通混凝土自重大、韧性差、抗拉强度低的缺陷该材料在结构上的的应用与发展[1]。为了弥补这些缺陷,研究人员将纤维掺杂到混凝土材料中以期改善材料的韧性和强度,高性能纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC)应运而生,这种材料在单轴拉伸作用下具有明显的准应变硬化特性[2]。但由于这种材料纤维掺量非常高,使得搅拌困难,需要特殊的制备工艺和设备才能成型,极大的了材料的应用与发展。在对纤维增强水泥基复合材料有了进一步的认识后,密歇根大学的Li教授在1992年提出了高延性纤维增强水泥基复合材料的基本设计理念[3]。

高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,ECC)是一种使用微观力学和断裂力学对复合材料进行系统分析,对纤维、基体以及纤维-基体界面进行优化设计得到的具有准应变硬化特性和多缝开裂特性的纤维增强水泥基复合材料[4-5]。ECC一般采用普通硅酸盐水泥和粉煤灰作为胶凝材料,以精细砂作为细骨料,掺加水、纤维以及减水剂、增稠剂、消泡剂等外加剂搅拌而成。典型ECC配比如表1所示。ECC中掺加纤维的体积分数一般不超过2%[5],在拉伸荷载作用下,初始裂缝出现后,纤维的桥接作用有效的抑制了裂缝的进一步扩展,材料出现明显的应变硬化过程,在这一过程中显示出了超高的韧性,其极限拉应变可以达到3%～8%[6],是普通混凝土的200～500倍。

ECC根据不同的分类方法可分为许多不同的类型。其中根据使用纤维的类型,ECC

可以分为聚乙烯纤维增强ECC(PE-ECC)、聚乙烯醇纤维增强ECC(PVA-ECC)、钢纤维增强ECC、碳纤维增强ECC、混杂纤维增强ECC。其中虽然钢纤维作为纤维增强混凝土中应用最广泛的材料,但是由于钢纤维纤维长细比的影响,其钢纤维增强ECC极限拉应变仅有0.5%左右[7],尽管其抗压、抗弯、抗折等性能较为优越,但并不能达到ECC的相应标准。碳纤维在搅拌过程中易折断,使得纤维在基体中的桥接作用不能得到有效的发挥,也较大的影响了材料性能[8]。因此这两种纤维在现有技术水平之下不适合作为ECC广泛推广的纤维选材。而聚乙烯纤维和聚乙烯醇纤维具有较好的拉伸变形能力,在ECC中能够较好的发挥其高强度和高弹模特性,PVA-ECC和PE-ECC的极限拉应变能稳定在3%以上,这两种ECC是较为理想的ECC材料。

由应变硬化特性得来的超高的韧性和由多缝开裂特性得来的能量耗散能力使得ECC在建筑结构中具有广阔的应用前景。本文从ECC的基本力学性能、耐久性及经济性入手,系统评价了各项性能对材料应用的影响,对ECC现有的结构应用形式进行了综述,以期对ECC的更多应用形式提供参考。

ECC凭借独特的设计理论使得性能明显优于普通混凝土以及传统纤维增强混凝土材料,其优异的单轴拉伸性能、抗压性能和抗剪性能是其广泛应用于工程结构的重要基石。 1.1 单轴拉伸性能

单轴拉伸试验是检验水泥基复合材料是否具有应变硬化特性最直接的手段。国内的试验研究目前尚无一个统一的试验标准,现阶段国内外拉伸试验一般采用矩形或哑铃型[15]等平板型试件,这种夹持式试验需要对夹头处进行特殊处理以免产生应力集中现象,使得试件端部发生断裂破坏。国内徐世烺团队使用改良的直接拉伸试验装置(图1),在试件端部外贴纤维布并黏贴铝板,有效的避免了夹具造成的应力集中现象,取得良好的试验效果[9]。另一种改进的试验装置是采用“狗骨式”试件和夹持

装置[10],使得断裂区域在如图2所示的测量区域之内,亦获得了准确的试验结果。 由单轴拉伸试验获得的PVA-ECC典型拉伸应力应变曲线如图3所示[11],图中可以明显观察到ECC的两大特性:应变硬化特性和多缝开裂特性。在达到屈服应力之后产生明显区别于普通混凝土材料应变软化的应变硬化过程,最终极限拉应变达到3%以上;并且在此过程中也产生了良好的裂缝控制能力,在拉应变达到1%时,微细裂缝的平均宽度只有60 μm,在极限拉应变处裂缝平均宽度也不超过100 μm。应变硬化的特性能够明显的提升结构构件的韧性,改善结构构件的抗震性能。

试验研究表明,ECC受拉产生裂缝的过程是非常稳定的。加载过程中,当初始裂缝在最大初始缺陷截面处出现后,裂缝在纤维提供桥接应力的条件下以稳态开裂模式扩展。裂缝宽度发展到几十微米后便开始稳定,继续加载,裂缝宽度不发生变化而裂缝条数逐步增多,直到荷载达到峰值后裂缝宽度重新开始增加,当某一条裂缝出现失稳扩展时,试件发生破坏[5,9]。裂缝平均宽度一般为50 μm,最大不超过100 μm。在一般民用及工业建筑中,宽度不大于0.05 mm的裂缝对结构的使用不造成危害[12]。因此ECC材料可以作为“无缝混凝土”进行使用,对结构阻止有害物质侵蚀材料、结构构件进行防腐、防水和抗震都有重要意义。 1.2 压缩性能

ECC的高韧性不仅表现在受拉性能上,在受压性能也表现出了较好的延性。图4[13]是不同水泥基复合材料,包括普通混凝土、PE-ECC、PVA-ECC的受压应力应变曲线。从图中可以看出,ECC的峰值应力压应变约为0.5%,远高于普通混凝土的0.2%,应力达到峰值应力后,混凝土材料应力出现陡然下降的现象,而PVA-ECC的应力以较为缓慢的速率下降,PE-ECC应力出现陡降之后以缓慢的速率下降,展现了良好的延性性能。

从试件的破坏形态上来看,ECC试件在破坏时裂缝以多条细密裂缝的形式出现,并没有产生主裂缝,因此试件破坏时仍然保持了良好的完整性,没有出现普通混凝土的坍

塌破碎现象。这种性能体现了在受压破坏过程中,ECC中的纤维充分发挥了桥接作用[14],有效避免材料发生脆性破坏,提升了材料的韧性,对结构构件应用ECC提升结构的延性和抗震性能有着重要意义。 1.3 抗剪性能

ECC的抗剪性能通过梁的抗剪循环加载试验获得。国外研究学者对PVA-ECC梁和普通混凝土梁进行抗剪性能试验发现[17],ECC梁破坏时出现了大量的细密斜裂缝,发生剪拉破坏时承载力超过普通混凝土梁50%,极限拉应变为普通混凝土梁的2倍,破坏呈延性破坏特征。

研究发现,由于ECC在剪切应力条件下,承受斜拉应力呈现多缝开裂的形式,因此,ECC的拉伸性能好也说明了其剪切性能也较好[18]。由于ECC优良的剪切延性,箍筋的数量可以减少甚至取消,由ECC承担相应的荷载。ECC的这个性能,能够大幅度减少构件发生脆性破坏可能性,提高构件延性性能和抗震性能。 2.1 ECC的耐久性

混凝土的易开裂性是混凝土结构发展的重要因素之一。究其原因,混凝土裂缝出现后,水和有害物质通过裂缝进入到混凝土内部,对钢筋和混凝土本身造成侵蚀作用,从而对结构构件耐久性和安全性造成严重后果[19]。因此,控制混凝土材料在使用过程中所产生的裂缝宽度就是提高结构耐久性的重要措施。ECC通过在水泥基材料中添加纤维,经过对基体、纤维以及两者接触面进行系统的优化设计,能够有效将材料在使用过程中产生的裂缝宽度控制在100 μm以下,甚至在干燥收缩的情况下裂缝宽度能控制在50 μm以下[9]。同时,ECC的裂缝宽度以及细密裂缝性质是由材料本身决定的,与构件尺寸大小,是否配筋等无关[19]。

另一方面,由于ECC具有不同于普通混凝土材料脆性断裂性质的延性性能,在荷载作用下ECC构件的保护层不易脱落,这对结构构件耐久性的提升具有重要作用。 作为一种新型材料,在确定其有优越的力学性能后,确定其耐久性是将其有效应用在

工程结构中极为重要的一环。国内外的相关研究人员对此作了大量的工作。国内徐世烺团队对ECC的耐久性进行了系统的研究,通过试验研究确定了ECC的干燥收缩性能、徐变性能、长期应变能力、抗剥落性能、抗疲劳性能、抗渗透性、耐腐蚀性等一系列相关材料耐久性能。通过对这些性能的综合评判,确定了ECC具有明显优于普通混凝土材料的耐久性。

由上可知,当用ECC取代普通混凝土时,普通混凝土构件的缺陷,如收缩开裂,侵蚀性有害物质通过保护层渗透至材料内部、钢筋发生锈蚀以及保护层的脱落可以得到有效的减缓甚至避免,使得结构构件得到更好的耐久性[20]。 2.2 ECC的经济性

现代混凝土结构得到蓬勃的发展,除了混凝土本身具有优良的力学性能外。其材料价格低廉,取材便利是其能够迅速得以应用发展的重要因素。因此,对ECC经济性的研究是其大规模应用的基石。

从本文前文的介绍中可知,ECC中所采用的纤维有聚乙烯纤维(PE)聚乙烯醇纤维(PVA),其中PE-ECC较PVA-ECC有着更好的力学性能,但在ECC推广初期,同体积的PE价格是PVA价格的八倍左右[21],从性能-成本的角度出发,导致现阶段PVA-ECC工程应用推广更加广泛。随着纤维技工技术的不断发展,现PE纤维价格也已下降到与PVA纤维价格基本持平甚至略低于PVA纤维价格。尽管如此,纤维的价格依然很昂贵,尤其是在国产纤维质量等级不高,大部分纤维依靠国外进口的条件下,进一步的提升了成本。相对于普通混凝土材料,同体积的ECC造价是其10倍左右,可谓相当昂贵。

因此PVA纤维的国产化是一个重要的研究方向[14-16],研究解决纤维直接小导致纤维强度较低和纤维表明的憎水处理不当导致的在基体中分散性较差这两大核心问题,这对ECC降低成本与材料的应用推广有着极为重要的意义。另外,粉煤灰和硅灰等工业废料在PVA-ECC胶凝材料中的大量使用使得ECC不仅成为了环境友好型

的绿色材料,更能进一步的降低成本,具有重要的经济效益和环保意义。除此之外,将ECC和普通混凝土联合使用,形成新的结构或构件形式,也是未来ECC应用研究的一个重要方向。

国外的相关学者选择ECC复合保温墙作为研究对象,采用生命周期法进行研究。基于基本生命周期经济评价准则,通过建立全生命周期模型,评估其经济合理性。研究结果表明,这种ECC复合墙的外立面比普通混凝土墙具有更高的生命周期,在维护费用相同的情况下,ECC复合墙维护频率远少于普通混凝土墙。综合评判,其具有经济优越性[22]。

因此,尽管PVA-ECC的造价较高,但其优越的力学性能和耐久性使得它在一些建筑或结构中使用是具有经济优越性的。另外,随着研究的不断深入,当纤维和其他原料的问题得到解决,势必能够进一步降低ECC的造价成本,使其能够更好的得以应用和推广。

如前所述,ECC具有超高的拉应变能力,优异的裂缝控制能力,在拉伸作用下具有显著的应变硬化特征。相较于普通混凝土构件而言,ECC能够显著改善构件的力学性能。大量试验研究表明,用ECC制作的结构构件脆性破坏模式例如剪切破坏会有效减少,最大变形处的裂缝宽度会得到有效控制,由于ECC材料达到屈服后出现应变硬化特征,其变形与钢筋具有变形协调性,保护层材料未出现剥落现象。ECC的使用可以显著提高结构构件的能量耗散能力和延性性能,具有良好的工程应用效果。 3.1 梁

梁作为一种重要的结构构件形式,国内外相关学者对ECC在梁中的各种应用形式做了大量的研究工作。李庆华对3组配筋ECC梁进行了四点弯曲试验[24]。试验结果表明,与RC梁相比,ECC梁屈服荷载提高了21.6%,ECC的使用有效延迟了构件中钢筋的屈服;延性指数较RC梁也有大幅度提升;试验中也观察到了,在梁开裂后,ECC梁裂缝宽度增长十分缓慢,在达到屈服时其最大裂缝宽度仍可控制在50 μm以内。

试验过程中的裂缝变化见图5。

杨忠对ECC梁的受剪性能进行了试验研究[25],试验按照正交设计试验方法,设置9根试验梁,在不同剪跨比、配箍率、配筋率等变参数条件下对ECC梁在剪切破坏下的变形和延性进行分析。在小剪跨比的条件下,尽管ECC梁剪切破坏的性质没有改变,但梁由一条主斜裂缝变成了多条细密裂缝,使得梁表现出较好的延性,有效避免了剪切脆性破坏,见图6。

由上文中的分析可知,ECC的价格较普通混凝土材料偏高,价格的劣势在一定程度上了其在结构构件中的应用,为了提高性价比,充分发挥ECC和混凝土各自的优势,产生了一种新的应用形式—将普通RC梁的面层(保护层)置换成为ECC,形成RC/ECC复合梁。混凝土构件因为不可避免的开裂现象,导致构件延性和耐久性受损,将保护层替换成为ECC材料,充分利用了ECC的多缝开裂特性,能够避免侵蚀性物质侵入构件内部造成危害。

清华大学张君等[26]对ECC—混凝土热接复合梁进行了试验和模拟研究,试验结果见图7。结果表明,在梁底复合ECC不仅可以提高梁的抗弯承载力,还大幅度提升了梁的延性,当复合层厚度超过某一临界值后,其承载力和延性性能将会显著增大,临界ECC厚度成为研究的重要参数。

Christopher就ECC复合层对梁疲劳性能的加强进行了试验研究[43],ECC层可以显著提高构件的疲劳寿命,当应力水平为90%时,复合层厚度为25 mm的构件其疲劳寿命是普通混凝土梁的2倍,复合层厚度为50 mm的构件其疲劳寿命是普通混凝土梁的3倍。

通过研究RC-ECC复合梁界面性能试验研究发现,通过配置横跨ECC和混凝土截面的箍筋分担剪应力,能够有效截面裂缝的形成与扩展,避免截面粘结破坏,使得ECC的优越特性得以充分发挥。 3.2 柱

柱作为重要的竖向承载构件,ECC在柱上也有较多应用形式,相关研究人员也做了大量的研究工作。俞家欢等[28]对PP-ECC柱进行了轴压试验研究。通过对6根PP-ECC柱和1根混凝土柱的试验研究,分析了不同长细比、配筋率等参数对柱子破坏形态和力学性能的影响。试验发现,随着长细比的增加,轴压长柱的承载力缓慢下降;随着配筋率的增加,柱承载力增加但其延性呈缓慢下降趋势。PP-ECC柱的破坏形态跟普通混凝土柱也有很大的不同,极限状态时,PP-ECC柱裂缝宽度基本控制在50μm以内,并且未曾出现柱压溃崩碎现象,柱体最终破坏形态见图8。

Fischer等[29]对混凝土柱和ECC柱做了低周反复荷载作用下的对比试验分析,ECC构件的抗剪能力是有ECC的固有特性提供,因此一般不需要设置横向钢筋。加载过程中,在塑性铰没有形成之前,试件的响应是由纵向钢筋的受拉塑形变形性能和ECC的受压性能有关。由于试验采用的ECC和混凝土材料受压强度(混凝土抗压强度60 MPa,ECC抗压强度40 MPa,)和弹性模量具有较大差异,因此两组试件的弹性刚度和抗弯强度略有差异。普通混凝土柱在屈服之前会出现由于粘结破坏和保护层脱落导致的抗弯承载能力的突然下降以及塑性铰区剪切裂缝的扩展,最后核心混凝土压碎破坏,试验结果见图9(a)。相比较而言,ECC柱整体上甚至在塑性铰区都能保持很好地完整性,钢筋和ECC的协调变形可以有效降低界面的粘结应力,避免粘结劈裂的现象和保护层脱落的现象出现,使得ECC和钢筋能够共同受力。除此之外,ECC本身提供了较大的抗剪能力和对柱体核心部位和纵向钢筋的约束能力。在整个加载过程中,试件保持弯曲变形模式,并没有发生剪切破坏,试验结果见图9(b)。 考虑到经济-性能方面的原因,使用ECC和混凝土组成组合柱也是一种ECC在柱的重要应用形式。潘金龙等[30]对这样一种组合柱进行了理论和模拟研究。这种柱通过将柱子边缘区的混凝土置换成为ECC形成一种新型的ECC/混凝土组合柱。文中基于平截面假定和材料的简化本构关系,提出了组合柱的承载力计算方法。通过计算发现,在大偏心受压、小偏心受压的情况下,ECC厚度和纵向钢筋配筋率增加都可

以有效提高柱子的最终承载力,但增加混凝土强度仅能在小偏心受压的条件下增加构件承载力见图10。

目前ECC也用来跟其他复合材料一起使用形成新的组合柱体系用来提高柱体的承载力和延性性能。Mirmiran等对FRP管中填充ECC的新型组合柱体系进行了模拟分析,研究表明,FRP管可以减少对钢筋混凝土柱横向约束和抗剪的横向钢筋的需求,同时能够提高抗弯强度,延性性能和耗能能力。

ECC柱除了用作竖向承载构件外,ECC短柱还被用作抗震阻尼器[31],通过它的强度、能量吸收特性,来减少结构整体的变形,从而有效减少结构其他构件的破坏。ECC短柱阻尼器的能量吸收是依靠钢筋的屈服来实现的,而ECC与钢筋协调变形的特性使得短柱能够有效的吸收更多能量,在钢筋屈服后,ECC能够防止构件发生剪切破坏,粘结劈裂破坏等脆性破坏模式,同时,多缝开裂的材料特性也能够降低结构破坏,吸收更多能量。ECC短柱阻尼器已经在横滨和东京得到了工程应用。 3.3 剪力墙

钢筋混凝土剪力墙是建筑结构常用的抗侧力构件。在地震作用中,钢筋混凝土剪力墙能够有效的吸收地震能量,具有良好的抗震性能。但近几年的实验研究表明,配有有限横向钢筋的剪力墙,当承受反复循环荷载时,具有耗能能力差的特点,会导致滞回曲线捏拢现象以及较大的强度退化的现象出现。从材料层面上分析,导致这一现象的原因是混凝土材料的脆性特性和易开裂的性质。ECC可以有效的弥补混凝土这方面的劣性。

中国建筑西北设计研究院研发出一种预制纤维增强混凝土耗能墙并获得国家知识产权局专利授权。这种墙体由ECC预制而成,其延性、耗能能力是普通混凝土墙的2～3倍,可作为抗侧力耗能构件安装在主体结构所需部位。

Li等人[32]通过改良的CSMM模型对不同轴压比作用下的ECC剪力墙和RC剪力墙试件进行了单调加载作用下和低周反复荷载作用下的对比分析,分析结果如图11

和图12所示。从图11中可以看出,在裂缝出现之前,两种试件的刚度基本相同,这是因为材料参数设置时ECC采用了跟混凝土相似的刚度;试件出现裂缝之后,ECC构件呈现出应变硬化特性,使得ECC剪力墙承载力和延性大幅度提高,其峰值荷载较RC剪力墙提高30%左右,极限位移是RC剪力墙的3倍左右。就低周反复荷载作用下的分析结果而言,ECC墙体能够进行更多次的荷载循环,并且由于其高延性的特性,每次循环荷载作用下具有明显的能量耗散优势。

研究发现,地震作用下的墙体底部塑性铰区破坏最为严重,且不利于震后的修复工作。为了更好的利用ECC的力学性能和混凝土的经济优势,梁兴文团队开发了一种在塑性铰区采用延性纤维混凝土的剪力墙,并对其抗震性能进行了试验研究和理论分析[33]。通过对4个纤维增强混凝土剪力墙试件低周反复试验,分析剪力墙构件的受力性能。试验结果表明,塑性铰区采用ECC的试件其弹性阶段明显变长,达到屈服后呈延性性能,承载力下降缓慢。此外,ECC还可以有效的控制塑性铰区弯剪斜裂缝的宽度,损伤程度明显低于普通剪力墙构件,能够有效的防止塑性铰区发生剪切破坏,对减轻墙体地震作用下的破坏程度有重要作用。随着ECC使用区域的增大,试件的延性性能和耗能能力有明显的提高。

除了作为构件或构件中的部分进行使用,ECC还可以进行修复受损的构件。ECC具有良好的延展性和抵抗温湿交替作用的能力,这种特点在工程维修中具有很大的优越性。张远淼用ECC对震损后的钢筋混凝土剪力墙构件进行了修复工作,并对修复后的构件再一次进行了拟静力试验研究[34]。试验结果如图13所示,从图中可以发现,修复后的构件承载力基本得到恢复,延性得到较大的提高,剪力墙的破坏模式从脆性破坏转变成延性破坏,墙体的耗能能力也得到明显的提高。此外,ECC和钢筋良好的变形协调性也使得脚部钢筋的利用率得到了提高。修复后试件裂缝首先出现在粘结界面处,这也说明了粘结界面是ECC/混凝土构件的薄弱环节,ECC与混凝土粘结性能的研究和界面的处理将是复合使用ECC和混凝土的研究重点之一。

3.4 节点

在框架结构中,节点的重要性不言而喻,梁柱节点承担着从梁和板传递来的竖向恒载和活载,以及由地震作用和风作用带来的横向荷载,因此节点区域的受力十分复杂,如图14所示。为了防止地震作用下由横向钢筋配置不足引起的节点区的脆性剪切破坏,提高节点的抗震性能,节点区域往往需要配置较多的横向钢筋[35]。配置过多的横向钢筋也会带来一些问题,一方面,过于密集的钢筋会导致钢筋由于空间有限难以安置,混凝土浇筑的密实性也不能保证;另一方面,地震荷载往往会导致节点区域的混凝土脱落、粘结劈裂破坏和脆性剪切破坏,配置横向钢筋虽然能够提高延性变形能力,但混凝土脆性破坏固有特性并没有得到改善,混凝土和钢筋的不协调变形没有得到解决。而ECC的应变硬化特性和与钢筋的协调变形特性能够很好的解决这一问题。

Yuan等人[36]对四个T型RC/ECC复合梁柱节点和两个普通钢筋混凝土梁柱节点进行了低周反复试验,通过对试件极限荷载、极限位移、耗能能力、节点剪应力、裂缝开展模式等整体性能评价,来测定ECC在梁柱节点区域应用的优越性。试验的变量包括柱轴压力、横向钢筋配筋率以及是否使用ECC。试验研究发现,对于没有配置箍筋的节点,ECC能够大幅度提高承载力和延性,如图15(a)所示;对配置箍筋 试件而言,ECC可以使节点从脆性破坏模型转变为由梁底部纵向钢筋屈服导致的弯曲破坏模式。ECC节点构件比RC节点构件呈现出更好的承载能办理,延性和耗能能力(图15(b)中S-4与S-2)。柱子轴压力的增加并不能提高最终承载力,因为他们都呈现弯曲破坏,但是会导致延性系数增大,因为轴压力会抑制节点区裂缝的开展(图15(b)中S-4与S-5)。试验表明,节点区抗剪钢筋配筋率的增大会导致难易浇筑,最终承载力会小幅增加(图15(b)中S-4与S-6)。总之,在节点区用ECC代替混凝土能够有效提高梁柱节点的抗震性能,可以减少抗剪钢筋的配筋率。

Maalej等[37]也对9组十字型梁柱节点构件进行了试验研究,如图16所示。试验

发现,ECC的使用使得细密裂缝仅在节点区和梁柱塑性铰区扩展,在较大非弹性变形条件下,仍然没有较大裂缝以及混凝土保护层脱落现象,甚至在横向位移达到9%时,节点仍然能保持完整性。多组试件试验发现,不存在剪切破坏模式,耗能能力可以提高11%～20%,且所有试件都表现出相应的抗剪能力,说明ECC可以有效地替代横向钢筋。

ECC梁柱节点和RC梁柱节点的开裂模式具有明显差异。钢筋屈服之前,梁底部首先出现一些小弯曲裂缝,在这个阶段,节点区域没有裂缝出现。钢筋达到屈服后,当位移达到2Δy,梁底部形成较大的弯曲裂缝,在这个阶段,节点区域出现两条较小的剪切裂缝,但裂缝并未发生扩展现象;当位移达到3Δy,梁底裂缝周边出现细密裂缝;当位移达到6Δy时,节点核心区出现大量细密裂缝;试件最终在位移达到7Δy时,试件由于梁端塑性铰区扩展发生破坏,节点未出现剪切破坏。两种节点试件的裂缝开展模式见图17。 3.5 板

板是建筑结构中的重要组成部分,对于保证建筑物的承载力、刚度、耐久性以及抗风、抗震性能具有重要的作用,对于建筑效果和建筑各省、隔热也有直接影响。随着复合楼板技术的不断发展,各种轻质高强的复合楼板应运而生,ECC作为超高韧性水泥基材料,除了具有优异的力学性能,其耐久性也明显优于普通混凝土材料。通过ECC复合楼板,可以改善楼板构件的强度及耐久性。

徐世烺团队研发了一种既有钢筋混凝土板受弯面凿毛后浇筑ECC材料制成的复合板,并对其进行了集中荷载作用下四边简支双向板试验研究,对此种新型复合楼板在较复杂受力条件下的受弯性能进行了研究[38]。试验发现,后浇ECC层厚度分别为15 mm,30 mm,45 mm的复合楼板,在裂缝宽度为0.2 mm时,整体结构的承载力分别提高了165%,443%,576%。同时,加载过程中也表现出了对裂缝优异的和分散能力,与高强混凝土加固构件发生脆性破坏形成鲜明对比。

除了与普通混凝土形成复合楼板,薄壁ECC板和钢桁架结构组成的预制模块化楼板也受到相关学者的青睐。Fischer[39]对这种复合楼板的设计,施工及结构性能进行了研究,并与传统的楼板进行了对比复合楼板示意图如图18所示。复合楼板的特点包括重量轻,承载能力高,刚度大,同时,模块化制造工艺能够适应各种负载的要求,能够在最大程度上实现材料资源的最优化和建筑工业化。日本北海道的三原斜拉索桥其桥面板采用了钢/ECC复合结构,使用ECC代替桥面板的沥青覆盖物,使得结构自重降低40%,同时增强了板的承载能力和刚度,提高了桥面板的抗疲劳强度,其预计寿命达到100年[39]。

ECC材料本身的超高韧性和受拉应变硬化特性使得ECC可以承受较大变形,因此在结构中承受较大变形的位置,ECC材料能发挥出独特的优势,例如对延性和耐久性要求较高的无伸缩桥面板的连接板。桥面板的连接板在承受因干湿循环、温度变化等引起的伸缩变形过程中易收到破坏,水和其他侵蚀性物质能够很容易的侵入到下层桥梁板和结构梁中,对结构造成严重的侵蚀破坏。而采用刚性连接板会造成桥面板内部的应力重分布,使得整体结构的承载力设计更加复杂化,而且也很难控制裂缝的扩展。而ECC韧性连接板很好的解决了这一问题[39]。

美国最早对ECC在桥面板连接板上进行了应用,2005年密歇根州某公路桥采用了ECC进行了桥面板连接板的设计施工,施工完成后进行了全负载测试,结果显示,ECC柔性连接板没有改变桥跨的简支特性。施工完成两年后对连接板特性进行了持续性能监测,发现性能基本保持不变,明显减少了桥面养护的需求。 3.6 其他

ECC良好的韧性和裂缝控制能力,使得其在工程领域有着良好的应用空间,除了在上述一些结构构件中开展的应用研究之外,在其他领域也展开了大规模的应用。 ECC的多缝开裂特性使其作为一种防水材料进行工程应用。日本广岛的Mitaka混凝土重力坝混凝土表面出现劣化,有大量裂缝出现。工程人员在迎水面喷射了面积

600 m2,厚度为20 mm的ECC材料作为覆盖修复层,取得了良好的效果[40]。 除此之外,ECC也在修复灌溉水渠,修复受损挡土墙,隧道衬砌修复等进行了实际的工程应用。

高延性纤维增强水泥基复合材料作为一种对纤维、基体以及纤维-基体界面进行优化设计得到的具有准应变硬化特性和多缝开裂特性的纤维增强水泥基复合材料,由应变硬化特性得来的超高的韧性和由多缝开裂特性得来的能量耗散能力克服了普通混凝土材料自重大、抗拉强度低的缺陷,使得ECC在建筑结构中具有广阔的应用前景。对于ECC的研究应用现状综述表明,要更加深入的研究和应用这一材料还需解决一系列的问题:

(1) 目前ECC中采用的纤维多为PVA纤维,而国产纤维质量普遍不高,所需纤维主要从日本进口,大大增加了固有成本,在一定程度上导致了ECC在国内的推广困难,因此推动国内优质化PVA本土化生产是一个重要的研究方向。

(2) 每一立方米ECC的配置需要的水泥用量远大于普通混凝土材料,水泥用量的增大会造成二氧化碳和能源消耗的增大,不利于环境保护。通过粉煤灰和硅灰等工业废料在胶凝材料中的大量使用可以使ECC不仅成为环境友好型的绿色材料,更能进一步的降低成本。

(3) 自徐世烺团队将ECC引入我国,国内相关科研单位和学者相继开展了ECC的研究工作并取得了较大成果,但对于ECC仍然没有一个统一的试验检测标准,使得试验研究难以统一化与规范化,这也是ECC在国内推广应用的困难之一。在未来相关研究人员共同建立一套实用的统一试验标准是必要的。

(4) 现阶段国内对ECC材料性能的研究大都停留在材料力学性能的研究上,ECC的耐久性研究仍然处于起步阶段,耐久性作为衡量一种材料实用价值的重要标志,需要加大科研力度。

(5) ECC材料的特点之一就是价格昂贵,ECC的大规模应用需要建立在性价比较优

的基础上实行,加大对ECC结构或构件的经济性研究,通过建立全生命周期模型,正确评估ECC结构或构件和经济合理性,是大力推动ECC材料应用的必经之路。 (6) ECC在国外以及进入到了大规模应用阶段,我国因为相关研究工作起步较晚,实际工程应用并没有大力推广。但另一方面,也体现了我国现阶段产研脱节的现象存在于ECC的研究应用领域。希望相关学者能够切实的加强ECC在结构构件上的应用推广,使优异的材料更好更快的应用到现实工程中,发挥其独有的特征优势。 (7) 现阶段ECC在结构构件中的应用形式较为简单,没有针对ECC和其他材料各自的特性以及ECC的经济性,开展更为高效可行的ECC应用形式,这对ECC的推广发展是一个较大瓶颈。需要结构构件的相关专家学者加大这方面的科研投入。 ECC是一种性能卓越且具有重大技术突破的新型建筑复合材料,随着其技术的不断成熟和材料成本的进一步降低,ECC必将在各类工程中发挥自己独特的优势。

【相关文献】

[1] 吴中伟,廉惠珍.高性能水泥混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

Wu Zhongwei,Lian Huizhen.High performance cement concrete [M].Beijing:China Railway Publishing House,1999.(in Chinese)

[2] Parra-Montesinos G J.High-performance Fiber-reinforced cement composites:an alternative for seismic design of structures[J].Aci Structural Journal,2005,102(5):668-675. [3] Li V C,Leung C K Y.Steady-state and multiple cracking of short random fiber composites[J].Journal of Engineering Mechanics,1992,118(11):2246-22.

[4] Li V C.On engineered cementitious composites (ECC) a review of the material and its applications[J].Journal of Advanced Concrete Technology,2011,1:215-230.

[5] Li V C,Wang S,Wu C.Tensile strain-hardening behavior of polyvinyl alcohol engineered cementitious composite (PVA-ECC)[J].ACI materials Journal,2001,98(6).

[6] Zhou J,Qian S,Ye G,et al.Improved fiber distribution and mechanical properties of engineered cementitious composites by adjusting the mixing sequence[J].Cement & Concrete Composites,2012,34(3):342-348.

[7] Li V C,Wu H,Maalej M,et al.Tensile behavior of cement-based composites with random discontinuous steel fibers[J].Journal of the American Ceramic Society,1996,79(1):74-78.

[8] Li V C,Obla K H.Effect of fiber length variation on tensile properties of carbon-fiber cement composites[J].Composites Engineering,1994,4(9):947-9.

[9] 徐世烺,李贺东.超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究[J].土木工程学报,2009(9):32-41. Xu Shilang,Li Hedong.Uniaxial tensile experiments on ultra high toughness cementitious composite [J].China Civil Engineering Journal,2009,42(9):32 ― 41.(in Chinese) [10] Kim J K,Kim J S,Ha G J,et al.Tensile and fiber dispersion performance of ECC (engineered cementitious composites) produced with ground granulated blast furnace slag[J].Cement & Concrete Research,2007,37(7):1096-1105.

[11] Weimann M B,Li V C.Hygral behavior of engineered cementitious composites (ECC)/vergleich der hygrischen eigenschaften von ECC mit Beton[J].Restoration of Buildings & Monuments,2003,9(5):513-534.

[12] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

Wang Tiemeng.Engineering structure crack control[M].Beijing:China Architecture & Building Press,1997.(in Chinese)

[13] Li V C.Engineered cementitious composites-tailored composites through

micromechanical modeling[J].Journal of Advanced Concrete Technology,2003,1(3):215-230.

[14] 曹明莉,许玲,张聪.高延性纤维增强水泥基复合材料的微观力学设计、性能及发展趋势[J].硅酸盐学报,2015,43(5):632-2.

Cao Mingli,Xu Ling,Zhang Cong.Review on micromechanical design,performance and development tendency of engineered cementitious composite[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2015,43(5):632-2.(in Chinese)

[15] 彭明强,李国友,范磊,等.国产PVA纤维用于高韧性纤维增强水泥基复合材料的试验研究[J].混凝土与水泥制品,2016(2):58-62.

Peng Mingqiang,Li Guoyou,Fan Lei,et al.Experimental study on domestic polyvinyl alcohol (PVA) fiber reinforced concrete [J].China Concrete and Cement Products,2016(2):58-62.(in Chinese)

[16] 汪卫,潘钻峰,孟少平,等.国产PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能研究[J].工业建筑,2014(S1):958-9.

Wang Wei,Pan Zuanfeng,Meng Shaoping,et al.Study on mechanical properties of domestic PVA fiber reinforced cementitious conmpsite [J].Industrial Construction,2014.(in Chinese)

[17] Kanda T,Watanabe S,Li V C.Application of pseudo strain hardening cementitious composites to shear resistant structural elements[J].Aedificatio Publishers,Fracture Mechanics of Concrete Structures,,1998,3:1477-1490.

[18] Li V C,Mishra D K,Naaman A E,et al.On the shear behavior of engineered cementitious composites[J].Advanced Cement Based Materials,2003,1(3):142-149.

[19] Kim Y Y,Fischer G.Performance of bridge deck link slabs designed with ductile engineered cementitious composite[J].Aci Structural Journal,2004,101(6):792-801. [20] Li V C,Stang H.Elevating FRC material ductility to infrastructure durability[J].In Fiber-Reinforced Concretes,Proc,BEFIB 2004:171-186.

[21] Li Victor C,张亚梅.高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用[J].硅酸盐学报,2007,35(4):531-536.

LI Victor C,Zhang Yamei.Progress and application of engineered cementitious [J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2007,35(4):531-536.(in Chinese)

[22] Wang S,Wu C,Li V C.Tensile strain-hardening behavior or polyvinyl alcohol

engineered cementitious composite (PVA-ECC)[J].Aci Materials Journal,2001,98(6):483-492. [23] Wang D,Bai H R.Life cycle model of ultra high toughness cementitious composites exterior walls[J].Applied Mechanics & Materials,2014,638-0:1512-1515.

[24] 李庆华,徐世烺.超高韧性水泥基复合材料在受弯构件中应用研究[J].工程力学,2010(A02):235-239.

Li Qinghua,Xu Shilang.Application of ultra high toughness cementitious composites in flexural members[J].Engineering Mechanics,2010.(in Chinese)

[25] 杨忠.超高韧性水泥基复合材料构件受剪性能试验研究[D].合肥:合肥工业大学,2014. Yang Zhong.Experimental analysis on shear performance of ultra high toughness cementitious composites members[D].Hefei:Hefei University of Technology,2014.(in Chinese)

[26] Zhang J,Leung C K Y,Yin N C.Flexural performance of layered ECC-concrete composite beam[J].Composites Science & Technology,2014,66(11-12):1501-1512.

[27] Leung C K Y,Yin N C,Zhang J.Fatigue enhancement of concrete beam with ECC layer[J].Cement & Concrete Research,2007,37(5):743-750.

[28] 俞家欢,贾还来,赵同峰,等.ECC长柱试验研究[J].工业建筑,2012(S1):558-562. Yu Jiahuan,Jia Huanlai,Zhao Tongfeng,et al.Experimental research on PP-ECC long columns [J].Industrial Construction,2012(S1):558-562.(in Chinese)

[29] Fischer G,Li V C.Effect of matrix ductility on the performance of reinforced ECC column members under reversed cyclic loading conditions[J].2002.

[30] Jinlong Pan Bing Lu,Dawei Gu,et al.Mechanical behavior of rectangular steel-reinforced ECC/concrete composite column under eccentric compression[J].Transactions of Tianjin University,2015,21:269-277.

[31] Fukuyama H,Suwada H.Experimental response of HPFRCC dampers for structural control[J].Journal of Advanced Concrete Technology,2003,1(3):317-326.

[32] Li M,Luu H C,Wu C,et al.Seismic performance of reinforced engineered cementitious composite shear walls[J].Earthquakes & Structures,2014,7(5):691-704.

[33] 党争,梁兴文,邓明科,等.纤维增强混凝土剪力墙抗震性能试验研究与理论分析[J].建筑结构学

报,2014,35(6):12-22.

Dang Zheng,Liang Xingwen,Deng Mingke,et al.Experimental and theoretical studies on seismic behavior of fiber reinforced concrete shear walls[J].Journal of Building Structures,2014,35(6):12-22.(in Chinese)

[34] 张远淼,余江滔,陆洲导,等.ECC修复震损剪力墙抗震性能试验研究[J].工程力学,2015,32(1):72-80.

Zhang Yuanmiao,Yu Jiangtao,Lu Zhoudao,et al.Experimental test on aseismic behavior of damaged reinforced concrete shear wall repaired with ECC[J].Engineering Mechanics,2015,32(1):72-80.(in Chinese)

[35] Ghobarah A,Said A.Shear strengthening of beam-column joints[J].Engineering Structures,2002,24(7):881-888.

[36] Yuan F,Pan J,Xu Z,et al.A comparison of engineered cementitious composites versus normal concrete in beam-column joints under reversed cyclic loading[J].Materials & Structures,2013,46(1-2):145-159.

[37] Qudah S,Maalej M.Application of engineered cementitious composites (ECC) in interior beam-column connections for enhanced seismic resistance[J].Engineering Structures,2014,69(9):235-245.

[38] 徐世烺,王楠,蔡新华.集中荷载作用下后浇UHTCC简支双向混凝土板的试验研究[J].土木工程学报,2011,44(8):33-41.

Xu Shilang,Wang Nan,Cai Xingwen.Experimental study on two-way simply supported concrete slab with post-poured UHTCC under concentrated load[J].China Civil Engineering Journal,2011,44(8):33-41.(in Chinese)

[39] Fischer G,Lárusson L H,Jönsson J.Prefabricated floor and roof panels with engineered cementitious composites(ECC)[C].Proceeding of the 2009 ASCE Structures Congress.2009:2199-2208.

[40] Kojima S,Sakata N,Kanda T,et al.Application of direct sprayed ECC for retrofitting dam structure surface:Application for Mitaka-Dam[J].Concrete journal,2004,42:135-139.