陳玉珩 （江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210096）

ECC是一種經(jīng)細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)的先進(jìn)材料，具有應(yīng)變-硬化特性,在纖維體積摻量小于2%的情況下，其極限拉應(yīng)變通常在3%～7%的范圍內(nèi)[1]。ECC具有多縫穩(wěn)態(tài)開裂的特點(diǎn)，在安全性、耐久性、適用性等方面有著優(yōu)異的性能，可以很好地解決傳統(tǒng)混凝土由于易脆性、弱拉伸性而導(dǎo)致的種種缺陷，在水泥基制品開發(fā)、橋梁道路施工、結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 ECC材料簡介

1.1 ECC材料定義

ECC（Engineered Cementitious Composites）的材料組分包括水、水泥、一級(jí)粉煤灰、石英砂、纖維和化學(xué)添加劑等。由于粗骨料會(huì)影響復(fù)合材料的延性，因此ECC材料中不包含粗骨料。通常來說，2%的纖維含量能夠滿足ECC材料達(dá)到應(yīng)變硬化性能的要求；另外，由于基體韌度不能太高，石英砂的平均粒徑通常在110μm。通常情況下水灰比小于0.5，纖維體積摻量不大于2%[2]。

1.2 ECC材料基本特性

ECC與混凝土具有相近的抗拉強(qiáng)度范圍和抗壓強(qiáng)度，但是受拉性能完全不同。傳統(tǒng)混凝土一旦達(dá)到抗拉強(qiáng)度后初始裂縫出現(xiàn)并脆性失效。而ECC試件出現(xiàn)裂縫后在單向拉伸中承載力仍能增加。硬化伴隨著大量裂縫的形成。每一條裂縫開展到一定寬度，荷載增加的同時(shí)裂縫隨之增加。此種機(jī)理下，ECC試件可以達(dá)到微小裂縫間距和發(fā)展的飽和狀態(tài)，該狀態(tài)由晶胞中的纖維應(yīng)力傳遞能力決定。最終某裂縫處開裂，并發(fā)生屈曲。典型的力學(xué)屈曲在受拉應(yīng)變3%～5%時(shí)發(fā)生，裂縫間距3～6mm，寬度約60μm。換言之，材料表現(xiàn)出準(zhǔn)延性，受拉應(yīng)變3%～5%時(shí)裂縫控制良好。

2 ECC構(gòu)件及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

2.1 R/ECC梁及RC/ECC組合梁

對于梁構(gòu)件，可以考慮將材料用于構(gòu)件的受拉區(qū)域，在提高承載力的同時(shí)，還能夠避免因混凝土開裂導(dǎo)致的鋼筋銹蝕問題，下面將先對RC/ECC組合梁的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

圖1 組合梁截面及配筋情況示意圖

Maalej和Li[3]考慮利用ECC良好的裂縫控制能力和延性來提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，采用極限拉應(yīng)變高達(dá)5.4%的PE-ECC材料來替換受拉區(qū)混凝土，ECC層厚度取為2倍梁底至受拉縱筋中心點(diǎn)的距離，對RC/ECC組合梁進(jìn)行了四點(diǎn)彎試驗(yàn)，并與普通RC梁進(jìn)行了對比。梁跨度為914.4mm，截面尺寸為152.4mm×114.3mm，受拉縱筋配筋率為1.47%，純彎段不配置箍筋（如圖1所示）。

構(gòu)件的最終破壞形態(tài)如圖2所示，從圖2(a)中可以看出，RC梁破壞時(shí)梁底裂縫數(shù)量少且寬度大；相比之下RC/ECC組合梁在梁底ECC與混凝土的交界處出現(xiàn)了明顯的裂縫分化現(xiàn)象，即混凝土中的裂縫在交界處分化成細(xì)密裂縫延伸至ECC層（圖2、圖3）。

2.2 R／ECC柱

Fischer和Li[4]等研究了R/ECC無箍筋柱在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能，并與配置箍筋的RC柱進(jìn)行了對比。R/ECC柱較R/C柱具有更高的承載力、更大的極限變形和更飽滿的滯回環(huán)。R/ECC構(gòu)件裂縫數(shù)量多、寬度小且分布廣泛，而且未出現(xiàn)ECC剝落現(xiàn)象；然而，RC構(gòu)件鋼筋外露，混凝土剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，可見R/ECC構(gòu)件具有更好的災(zāi)害抵御能力。

圖2 RC梁最終破壞形態(tài)

圖3 組合梁最終破壞形態(tài)

2.3 梁-柱節(jié)點(diǎn)

湖北工業(yè)大學(xué)的蘇俊等[5]通過6個(gè)縮尺比例的梁-柱中節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究了超高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（UHTCC）用于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)時(shí)節(jié)點(diǎn)的抗震性能及破壞形態(tài)。研究結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)用UHTCC材料能夠顯著改善節(jié)點(diǎn)的承載力、延性和能量耗散能力，抗震性能得到了顯著提高。

3 ECC材料工程應(yīng)用

3.1 ECC材料在高層抗震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

由于ECC材料優(yōu)越的變形性能和耗能能力，將ECC材料用于建筑結(jié)構(gòu)的主要耗能構(gòu)件中，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。2005年，日本鹿島建筑公司宣布將ECC連梁使用于在日本東京和橫濱建設(shè)的2棟高層建筑，標(biāo)志著ECC這種高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在世界高層建筑中的工程實(shí)際應(yīng)用。目前這2棟高層已經(jīng)落成，分別是地處東京中心27層Glorio Roppongi和地處橫濱的41層Nabeaure Tower。R/ECC連梁可以提高高層建筑物在地震荷載下的能量吸收能力，降低建筑物震后修復(fù)費(fèi)用。

3.2 ECC材料作為結(jié)構(gòu)修復(fù)材料的應(yīng)用

ECC材料優(yōu)越的控制裂縫能力、超高的延性和良好的耐久性使得其成為結(jié)構(gòu)修復(fù)的理想材料。較大的工程實(shí)例為日本廣島的Mitaka大壩。該大壩建于1944年，是一座典型的大型混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)過60多年的使用期，大壩表面的混凝土出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象，影響了大壩的正常使用，也存在一定的安全隱患。2003年鹿島建筑公司使用噴射ECC方法對其進(jìn)行了修復(fù)加固，取得了良好的效果。

4 結(jié)論

ECC材料對于結(jié)構(gòu)的延性、災(zāi)害抵御能力和災(zāi)后可修復(fù)性都具有重要貢獻(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者已對ECC材料的力學(xué)特性和工程應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，如直接拉伸性能、抗壓性能、彎曲性能、抗剪性能、斷裂性能、自愈合性能、耐久性能等。不難預(yù)見，ECC用于工程結(jié)構(gòu)可極大提高結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。