李家正12

(1.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料 (Engineered Cementitious Composite，ECC) 是經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計，在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延展性的一種纖維增強水泥基復(fù)合材料[1-2]。最早在20世紀(jì)90年代初，美國密歇根大學(xué)Li教授和麻省理工大學(xué)的Leung教授等運用斷裂力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)原理提出了ECC材料的基本設(shè)計理念。隨后ECC在日本和歐洲獲得了飛快的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，日本稱之為超高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料(Ultra High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite，UHPFRCC)[3]。歐洲則根據(jù)該材料應(yīng)變硬化這一典型特征而將其命名為應(yīng)變硬化水泥基材料(Strain Hardening Cement-based Composites，SHCC)[4]。ECC極高的延展性是在纖維摻量較低的情況下(纖維體積摻量僅為2%或以下)，通過多裂縫的平穩(wěn)展開而實現(xiàn)的，其應(yīng)變能力是普通混凝土的幾百倍(單軸拉伸荷載下最大應(yīng)變>3%)。從圖1可以看出，在較高應(yīng)變的情況下，ECC材料的裂縫寬度仍能夠保持在60 μm以下[5-7]。

圖1 典型的ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及裂縫寬度發(fā)展示意Fig.1 Typical ECC tensile stress-strain curveand crack width development curve

ECC材料具有以下特點：

(1)良好的安全性。ECC有極高的拉伸延性，ECC材料結(jié)構(gòu)除了具有抗坍塌能力，還具有高抗損傷能力，遭受地震等破壞后的殘余裂縫寬度很小。

(2)超高的耐久性。ECC在限制干燥收縮的條件下，裂縫寬度控制在30 μm左右，可以有效減少氯化物和硫酸鹽等侵蝕性介質(zhì)對混凝土材料的破壞，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

(3)綠色低碳可持續(xù)性。從建筑材料全生命周期成本角度來看，ECC的經(jīng)濟(jì)成本、能耗、CO2排放，修補成本等方面較普通混凝土低[8-10]。

2 HECC材料制備與性能要求

長江科學(xué)院基于某大型水電站廊道塑性鉸接段材料研究項目，提出了適用于水工建筑的水泥基復(fù)合材料(Hydraulic Engineered Cementitious Composites, HECC)概念。根據(jù)不同水工結(jié)構(gòu)功能要求，HECC應(yīng)具有按需設(shè)計的拌和物性能(可采用低坍落度制備)和相應(yīng)成型方法、中等強度、低彈性模量、按需設(shè)計的延伸率、較強的熱穩(wěn)定性、高耐久性、可控的裂縫寬度以及較為寬泛的原材料選擇。與工民建等行業(yè)的ECC相比，HECC材料特性體現(xiàn)在以下方面。

2.1 原材料

為了擴(kuò)展HECC的適用范圍，降低HECC制備難度及經(jīng)濟(jì)成本，在滿足設(shè)計要求的前提下，HECC可擴(kuò)大原材料選擇范圍，采用工程當(dāng)?shù)卦牧吓渲艸ECC。

(1)水泥可采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥等。

(2)輔助膠凝材料可采用粉煤灰、硅粉、礦渣等。擴(kuò)大輔助膠凝材料的選擇范圍，不僅減少了水泥的用量，減少CO2排放，較傳統(tǒng)的ECC更加環(huán)保，同時可以獲得良好的應(yīng)變硬化效果。長江科學(xué)院的研究成果表明，硅粉有助于提高拌和物黏聚性、防止泌水、增加極限抗拉強度、提高抗彎強度，但對極限延伸率、最大荷載處位移有不利影響[11]。Kim等[12]、Sahmaran等[13]、曹明莉等[14]的研究均表明，粉煤灰、礦渣作為輔助膠凝材料制備的ECC，其極限拉應(yīng)變分別為3.5%和3.6%[12-14]。

(3)可采用水利水電工程當(dāng)?shù)卦牧现苽銱ECC用的細(xì)骨料，細(xì)骨料最大粒徑可增大至1.25 mm。長江科學(xué)院的研究成果表明，采用某大型水電站當(dāng)?shù)卦瓲钌啊?.25 mm的細(xì)骨料以及0.63 mm的細(xì)骨料制備的HECC極限延伸率分別為0.75%、1.86%及2.88%[11]。田礫等[15]的研究表明，細(xì)骨料粒徑由110 μm增大至1.25 mm時，ECC的極限延伸率有所降低，但仍能獲得>2%的延伸率，但相對于普通混凝土提高了近200倍，同時使得ECC的制備容易實現(xiàn)，應(yīng)用范圍得以擴(kuò)展[15]。

(4)結(jié)合不同應(yīng)用場景，充分利用彈性模量高、價格低的鋼纖維、聚乙烯纖維(PE)、聚乙烯醇(PVA)、聚烯烴彈性體(POE)纖維、纖維水泥(FC)、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等單獨和共同使用，拓寬HECC纖維選擇范圍，形成HECC新型纖維增強體系。一方面能獲得較高的應(yīng)變性能，另一方面能降低HECC的成本[16-17]。

2.2 拌合物性能及制備、成型方法

不同水工結(jié)構(gòu)對混凝土坍落度、擴(kuò)散度、流動性有不同要求。HECC可針對不同要求，制備進(jìn)行相應(yīng)坍落度HECC的制備。尤其是低坍落度(≤100 mm)HECC的制備，與現(xiàn)有制備方法顯著不同。同時，成型方法也顯著不同，由單一的自密實、自流平成型，向振搗成型、擠壓成型、碾壓成型等多種成型方法發(fā)展。

2.3 力學(xué)性能和耐久性能

HECC應(yīng)具有中等強度，28 d抗壓強度標(biāo)號一般為C25—C40，特殊部位(如抗沖磨部位)HECC抗壓強度可適當(dāng)提高。28 d彈性模量一般<20 GPa。按照HECC不同的應(yīng)用場景，可設(shè)計HECC的延伸率，一般為1%～3%。在不摻加引氣劑的條件下，HECC抗凍性能超過F300，具體指標(biāo)見表1。

表1 HECC材料性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of HECC materials

2.4 裂縫寬度控制

開裂混凝土的滲透性與裂縫寬度的三次冪成正比，當(dāng)混凝土裂縫寬度<100 μm時，可以認(rèn)為混凝土的抗?jié)B性能與未開裂混凝土是一致的[18-19]。從圖1可以看出，傳統(tǒng)ECC在極限載荷(應(yīng)變4%)，裂縫寬度保持在100 μm以內(nèi)?？紤]到水工混凝土服役環(huán)境，對抗?jié)B性能要求較高，因此應(yīng)控制HECC的裂縫最大寬度≤60 μm。

2.5 熱穩(wěn)定性

HECC通常具有結(jié)構(gòu)體積大、混凝土內(nèi)部溫升高等特點。為了保證PVA纖維的穩(wěn)定性，混凝土內(nèi)部最高溫度≤95 ℃，混凝土內(nèi)部>75 ℃的持續(xù)時間<72 h。

2.6 自愈合能力

自愈合是指在不通過任何外界干預(yù)的條件下材料自身對裂縫的修復(fù)能力。通常情況下，混凝土毫米級的裂縫寬度是無法僅依靠自身進(jìn)行愈合的。損傷齡期越早，試件的裂縫自愈合的效果越好，隨裂縫出現(xiàn)時間延長，自愈合的效果隨之降低[20]。HECC應(yīng)具有較強的自愈合能力，包括強度自愈合、抗?jié)B自愈合和裂縫自愈合。強度恢復(fù)指數(shù)計算式為

(1)

式中：Rs是強度恢復(fù)指數(shù)；Sc是破壞后帶裂縫再次標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相同齡期后的試件強度；Sb是同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件強度。

HECC的28 d強度恢復(fù)指數(shù)應(yīng)≥60%，HECC在預(yù)加載到70%最大極限荷載后再養(yǎng)護(hù)28 d開展抗?jié)B試驗，抗?jié)B等級達(dá)空白樣的80%。

3 HECC在水工結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用構(gòu)想

在美國、日本和歐洲等國家及地區(qū)，ECC大量應(yīng)用于邊坡加固、橋面修復(fù)、橋梁連接板及高層建筑連梁等領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)在建筑工程及道路施工領(lǐng)域也有所應(yīng)用，但ECC在水工建筑物中的應(yīng)用尚未見報道。結(jié)合HECC的材料特點，構(gòu)想HECC在水工領(lǐng)域的應(yīng)用場景[21-23]。

3.1 堆石壩新型壩基廊道

深厚覆蓋層心墻堆石壩壩基廊道的設(shè)計，國內(nèi)外多采用在防滲墻頂部設(shè)置灌漿廊道與防滲心墻連接的型式。然而，從已建工程運行情況來看，壩基廊道開裂及滲漏是一個亟待解決的問題。壩基廊道開裂及滲漏的原因可歸結(jié)為：在壩體填筑過程中，壩基廊道在豎直方向?qū)l(fā)生撓曲大變形。在水庫蓄水過程中，防滲墻在水壓作用下向下游變形，帶動與其剛性連接的壩基廊道同時向下游產(chǎn)生撓曲變形。豎向和向下游的撓曲大變形會在壩基廊道靠近岸坡附近區(qū)域產(chǎn)生大應(yīng)力區(qū)，當(dāng)應(yīng)力超過鋼筋混凝土抗拉強度時，將在壩基廊道上出現(xiàn)裂縫和滲漏現(xiàn)象。目前，壩基廊道防裂的研究主要集中在截面型式和結(jié)構(gòu)縫布置的設(shè)計優(yōu)化方面，在壩基廊道材料方面的研究鮮見報道。擬采用HECC構(gòu)建能夠適應(yīng)大變形的壩基廊道結(jié)構(gòu)，為壩基廊道防裂、防滲漏提供一條新的有效途徑。

在設(shè)計方面，在壩基廊道變形較大區(qū)域采用HECC塑性鉸接段替代普通混凝土段，形成多段HECC與普通混凝土段組成的鉸鏈?zhǔn)嚼鹊澜Y(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析確定HECC塑性鉸接段的數(shù)量和范圍，采用HECC的心墻堆石壩壩基廊道結(jié)構(gòu)見圖2和圖3。該新型結(jié)構(gòu)將原來相對剛性的混凝土壩基廊道變?yōu)槿嵝糟q鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，通過調(diào)整廊道整體剛度的方式主動適應(yīng)壩體的變形，從而提高壩基廊道的防裂性能。HECC鉸接段的配筋量小于普通混凝土段，充分利用ECC應(yīng)變硬化、超高韌性、裂縫分散和自修復(fù)等特性，確保HECC鉸接段首先進(jìn)入塑性狀態(tài)，承擔(dān)結(jié)構(gòu)的主要變形。此外，主要變形由HECC塑性鉸接段承擔(dān)后，壩基廊道普通混凝土段變形量及內(nèi)應(yīng)力大幅下降，開裂風(fēng)險明顯降低。

圖2 采用HECC的心墻堆石壩壩基廊道結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.2 Sectional view of dam foundation gallerystructure of core rockfill dam with HECC

圖3 采用HECC的心墻堆石壩壩基廊道結(jié)構(gòu)變形后示意圖Fig.3 Schematic diagram after deformation of damfoundation gallery structure of core rockfill damwith HECC

在施工方面，采用HECC與常規(guī)混凝土相比，僅增加了HECC塑性鉸接段澆筑以及HECC塑性鉸接段與普通混凝土段連接界面的處理工序，而且界面處理方式相對簡單。同時，通過抹刷界面劑，可以加強HECC塑性鉸接段與普通混凝土段之間的粘接強度，進(jìn)一步降低壩基廊道的開裂風(fēng)險。

3.2 面板堆石壩新型防滲面板

混凝土面板堆石壩因其具有良好的安全性、經(jīng)濟(jì)性、抗震能力強和對地形地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性等優(yōu)勢，在水利水電工程中得到了廣泛的應(yīng)用[24]?；炷撩姘遄鳛槊姘宥咽瘔蔚闹饕罎B結(jié)構(gòu)，其整體性和耐久性關(guān)系到大壩的安全運行。面板混凝土開裂的原因可以歸結(jié)為：壩體和面板混凝土的變形不協(xié)調(diào)。目前，混凝土面板后期變形控制是防止開裂的主要手段，然而被動的變形控制方法只能解決面板某一階段開裂問題，縱觀面板整個運行期，混凝土面板開裂仍然會發(fā)生。在面板混凝土應(yīng)力大、變形大的區(qū)域，通過合理布置HECC塑性區(qū)，確保HECC比普通混凝土材料先進(jìn)入塑性狀態(tài)，普通混凝土區(qū)仍處于彈性未破壞階段，從而提高防滲面板適應(yīng)變形的能力，顯著降低高堆石壩的面板開裂風(fēng)險，為面板混凝土防裂開辟新的途徑。面板堆石壩新型防滲面板結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 混凝土面板堆石壩新型防滲面板示意圖Fig.4 Schematic diagram of new anti-seepage panel ofconcrete faced rockfill dam

在設(shè)計方面，針對不同面板結(jié)構(gòu)和防滲要求，HECC面板有以下3種布置方式。

(1)全HECC澆筑面板。對于小型面板壩可采用HECC全部替代常規(guī)混凝土澆筑防滲面板，同時取消鋼筋配置，在造價可控的條件下，顯著提高面板防滲抗裂能力。

(2)HECC與普通混凝土組合面板。對于高堆石壩，通過沿高程方向設(shè)置若干HECC塑性區(qū)替代部分普通混凝土區(qū)，構(gòu)件HECC和普通混凝土組合面板防滲體系，將原來剛性的面板本體變成了相對柔性的面板。同時，HECC面板材料的設(shè)計強度等級小于普通混凝土區(qū)的材料設(shè)計強度等級，保證HECC塑性區(qū)率先進(jìn)入塑性，提高整個防滲面板適應(yīng)大變形能力，降低高堆石壩防滲面板的開裂風(fēng)險。

(3)HECC和普通混凝土組成雙層防滲面板。在普通混凝土表面澆筑HECC材料，構(gòu)建雙層防滲面板體系。該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于老舊壩體改造，在舊壩混凝土面板上直接鋪設(shè)HECC面板，用于防滲抗裂，且施工方便。

3.3 堆石壩新型心墻結(jié)構(gòu)

根據(jù)堆石壩采用的心墻材料，可分為黏土心墻壩、瀝青混凝土心墻壩。心墻開裂和滲漏已經(jīng)成為影響心墻堆石壩安全運行的主要問題。采用HECC代替現(xiàn)有的黏土心墻、瀝青混凝土心墻，將提高心墻適應(yīng)變形和防滲的能力。

在設(shè)計方面，HECC心墻采用超韌性水泥基復(fù)合材料澆筑，并且根據(jù)設(shè)計的防滲和強度等級配合拌制而成。HECC心墻與壩基廊道的連接結(jié)構(gòu)見圖5。通過HECC材料的性能調(diào)控，HECC心墻厚度相對瀝青心墻可進(jìn)一步縮減，心墻重量的降低，將減少心墻對壩基廊道的壓力，從而減少心墻的沉降。HECC心墻的下端與壩基廊道設(shè)置弧槽，擴(kuò)大HECC心墻與壩基廊道的接觸面積，使心墻與壩基廊道的結(jié)合部位的粘結(jié)能力進(jìn)一步提高。在心墻與壩基廊道結(jié)合處設(shè)置金屬止水，與壩基灌漿廊道一起，形成壩體下部防滲體系。在施工方面，該新型心墻結(jié)構(gòu)可采用常規(guī)混凝土拌和澆筑設(shè)備，因此心墻堆石壩施工程序簡單。

圖5 HECC心墻與壩基廊道的連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of connection betweenHECC core wall and dam foundation gallery

3.4 碾壓混凝土新型防滲結(jié)構(gòu)

我國的碾壓混凝土壩上游面多采用變態(tài)混凝土防滲。傳統(tǒng)的變態(tài)混凝土由于施工加漿振搗不到位，以及干縮和溫度應(yīng)力等因素導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。當(dāng)前，碾壓混凝土上游面防滲問題仍然是設(shè)計方與施工方關(guān)心的問題。采用HECC替代變態(tài)混凝土區(qū)和二級配碾壓混凝土區(qū)作為碾壓混凝土壩的上游防滲結(jié)構(gòu)，提高碾壓混凝土壩體上游面的防滲能力。

在設(shè)計方面，碾壓混凝土壩從上游至下游依次為上游面HECC防滲區(qū)、三級配碾壓混凝土區(qū)、下游面三級配變態(tài)混凝土區(qū)，采用HECC作為碾壓混凝土壩上游防滲面見圖6。上游面防滲區(qū)采用HECC，厚度通過計算分析確定，HECC區(qū)具有極強的表面抗裂能力，能提高壩體上游的防滲能力。極端情況下，上游面僅可能出現(xiàn)不連通的表面分散裂縫，不會因自身開裂引起上游防滲區(qū)防滲性能下降。在施工方面，相對于上游面采用變態(tài)混凝土和二級配碾壓混凝土防滲結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)碾壓混凝土壩，防滲區(qū)厚度小，節(jié)省材料用量，簡化施工工序；相對于“金包銀”碾壓混凝土大壩，HECC防滲區(qū)與三級配混凝土區(qū)結(jié)合質(zhì)量高，施工過程簡化。

圖6 采用HECC作為碾壓混凝土壩上游防滲面示意圖Fig.6 Schematic diagram of HECC as the upstreamimpervious surface of roller compacted concrete dam

3.5 拱壩基礎(chǔ)約束區(qū)抗震防裂結(jié)構(gòu)

拱壩基礎(chǔ)約束區(qū)附近區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，一旦遭遇強震，開裂風(fēng)險極高?；A(chǔ)約束區(qū)的開裂會造成滲漏、水力劈裂等一系列次生災(zāi)害問題，影響拱壩的結(jié)構(gòu)安全。目前基礎(chǔ)約束區(qū)的抗震防裂一般采用高強度混凝土，然而高強混凝土的收縮大，脆性大，材料抗裂和變形能力低，開裂危害性大?；A(chǔ)約束區(qū)采用HECC澆筑，一方面可提高基礎(chǔ)約束區(qū)的抗裂能力，同時發(fā)揮HECC材料的高韌性來吸收一定的能量，從而提高拱壩的抗震防裂能力。

在設(shè)計方面，根據(jù)拱壩的抗震等級和防裂要求，通過配合比設(shè)計，在拱壩基礎(chǔ)約束區(qū)采用適合抗震防裂的HECC材料，增加基礎(chǔ)約束區(qū)的材料強度，提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗裂安全度，采用HECC作為拱壩基礎(chǔ)約束區(qū)見圖7。在自由區(qū)采用普通混凝土，HECC作為水泥基材料與混凝土的連接性能好，結(jié)構(gòu)變形能夠協(xié)調(diào)。與單純通過提高強度的材料分區(qū)設(shè)計相比，基礎(chǔ)約束區(qū)采用HECC材料，具有裂縫分散特性和高韌性，在滿足結(jié)構(gòu)防裂要求的同時還具有吸能作用，對抗震設(shè)計意義重大。在施工方面，基礎(chǔ)約束區(qū)采用HECC材料，其施工過程與常規(guī)施工相同，施工方案簡單。

圖7 采用HECC作為拱壩基礎(chǔ)約束區(qū)示意圖Fig.7 Schematic diagram of HECC as the constraintarea of arch dam foundation

4 HECC材料在水工結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究方向展望

HECC在高延性、適應(yīng)變性、高抗裂等方面具有獨特的優(yōu)勢，在水工混凝土領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為了更好地推動HECC在水工混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用，還需要在以下方面開展研究[25]。

(1)HECC與常態(tài)混凝土的界面性能研究及處理。HECC與常規(guī)水工混凝土的界面性能不僅僅影響HECC的使用功能及裂縫自愈合能力，同時影響結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，HECC與常態(tài)混凝土能否協(xié)同工作取決于界面性能。圍繞HECC與常態(tài)混凝土的界面性能，應(yīng)開展界面性能包括劈拉強度、抗剪強度、抗折強度和斷裂韌性等力學(xué)性能，以及界面過渡區(qū)寬度、顯微硬度等微觀性能研究。在此基礎(chǔ)上開展不同強度、界面不同粗糙度、界面劑類型等因素對界面性能的影響規(guī)律研究，提出不同的界面處理方式。

(2)HECC與常態(tài)混凝土協(xié)同體積穩(wěn)定性研究。在溫度20 ℃，濕度60%的養(yǎng)護(hù)條件下，普通混凝土的最終干燥收縮值范圍為(400～600)×10-6。同樣養(yǎng)護(hù)條件下，HECC材料的干縮范圍為(1 200～1 800)×10-6[26]。HECC的干燥收縮相對較高，應(yīng)引起高度重視，研究HECC與常態(tài)混凝土的協(xié)同體積穩(wěn)定性。通過摻加多孔陶瓷骨料、高吸水樹脂(SAP)、礦物摻和料、有膨脹功能的外加劑等方式降低HECC材料的收縮。

(3)纖維在HECC中的熱穩(wěn)定性研究。HECC材料中膠凝材料含量高，水化放熱量大，在某大型水電站廊道HECC塑性鉸接段實測內(nèi)部最高溫度接近95 ℃。因此，研究纖維在HECC中熱穩(wěn)定性十分重要。

(4)HECC的裂縫自愈合性能。結(jié)合微觀與宏觀測試手段，揭示不同齡期HECC開裂后強度恢復(fù)、裂縫自愈合規(guī)律及內(nèi)在機理，對合理設(shè)計使用HECC材料具有十分重要的意義。

(5)適用于HECC的骨料品種及參數(shù)選擇。普通ECC的制備常常采用堅硬的石英砂，且大多骨料最大粒徑<0.16 mm，HECC由于用量大，為降低造價，須充分利用當(dāng)?shù)厣笆?，并開展砂子的巖性、最大粒徑及顆粒級配、堿活性等對HECC性能的影響研究。

(6)HECC制備、成型及養(yǎng)護(hù)技術(shù)。纖維均勻分散是保證ECC性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需開發(fā)易于纖維分散的大容量高效拌和工藝；針對水利水電工程的某些應(yīng)用場景，如面板混凝土施工時，需要采用較低坍落度(≤100 mm)、低流動性的HECC，同時配套相應(yīng)的振搗及成型工藝，這與常規(guī)ECC的自密實、自流平施工方式不同，因此需要開展專門的研究工作；同時，應(yīng)加強現(xiàn)場早期濕養(yǎng)護(hù)，以保障HECC的膠材水化與性能發(fā)展。