超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用
作者：吴东真
来源：《科学与财富》2015年第11期
摘要：超高韧性水泥基复合材料因为其本身具备着重量轻、韧性好、强度高、裂缝控制性好的优势得到了广泛的应用，已经成为各类工程项目中采用最多的施工材料之一，但是它并非是完美无缺的，它本身存在着收缩大、材料成本高的缺陷限制了其在我国大体量工程中的推广和使用。

为此，在这里我们有必要对其研究进展和应用情况进行分析。

关键词：水泥；超高韧性水泥基复合材料；混凝土；耐久性；裂缝
自从十九世纪二十年代水泥问世至今，水泥混凝土施工技术的应用越来越受到人们的重视，由其引发的混凝土施工技术也深受着人们的重视。

近年来，水泥混凝土已成为建筑领域施工的主要材料之一，是我国建筑产业中使用最广、应用最成功的结构材料。

当前，就我国的建筑工程施工分析，其中有七成以上都是由混凝土结构构成的，且每年都有大量的混凝土结构涌现而出，为建筑事业发展增添色彩。

超高韧性水泥基复合材料便是基于这种时代背景下产生的一种新技术，它的应用已成为整个工程领域中最受关注的一部分。

1 超高韧性水泥基复合材料概念
水泥复合材料是现代化社会发展中主要的建筑原材料之一，是基于可持续发展思想观念下形成的一套施工新技术，它的应用本身具备着高强化、高性能、高耐久性的重大优势，同时也是整个水泥混凝土发展的主导性方向。

在目前的工程施工建设中，传统的水泥基复合材料也就是水泥混凝土材料的应用日趋广泛，它已成为最为典型的脆性材料，是实现建筑结构高耐久性、改善建筑结构脆性、提高建筑结构韧性必须要重视的问题，而材料复合化则是解决这一问题的最终手段。

1.1 混凝土性能
混凝土结构本身具备着抗拉强度低、韧性差、容易开裂且难以控制的缺陷，因此在传统的工程施工建设中，尤其是以钢筋混凝土结构为主的工程，裂缝问题的出现比比皆是，由此引发的工程施工事故时有发生，给工程建设带来严重的影响，也给人们生活和工作带来了不必要的威胁。

经过大量的实践证明，混凝土结构性能的高低直接取决于水、二氧化碳、氯离子等有害物质给混凝土结构所带来的影响。

在这种社会背景下，混凝土裂缝问题如果得不到有效的控制，则必然会大大的增加这些灾害介质向着混凝土内部的侵入，最终导致了混凝土结构出现过载的劣质影响，甚至是完全丧失应有的功能，也就是直接影响着建筑结构的整体性和耐久性。

在目前的建筑工程项目中，为了克服混凝土这些情况，聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土等新型建筑结构应用而生，这些材料的出现有效的缓解了传统混凝土结构中所出现的各种隐患问题，为工程施工建设指明了新方向。

1.2 超高韧性水泥基复合材料
超高韧性水泥基复合材料是一种全新高性能的纤维增强水泥基复合材料，是于十九世纪初期出现的，它自产生以来一直深受着国内外专家和学者的关注，它的应用有效的提高了传统混凝土结构的耐久性和刚度，同时有效的满足了结构的多样性要求。

根据过去多年的工程实例总结得出，在现代化建筑工程项目中，做好混凝土施工技术控制对于提高结构的耐久性、增加施工效率有着至关重要的意义。

2 超高韧性水泥基复合材料的基本性能
混凝土材料自从诞生以来，混凝土材料以其卓越的性能和施工优越性成为目前应用最广泛，使用最多的结构材料之一。

但是伴随着社会经济发展和人民生活水平的提高，人们对于建筑结构耐久性、刚性提出了新要求，与此同时传统的混凝土材料越来越无法满足人们生活需求，同时对于建筑工程施工技术也提出了新要求。

超高韧性水泥基复合材料的应用便是基于这种时代背景下产生的施工新技术，它的运用有效的缓解了传统混凝土施工压力。

2.1 受压特性
超高韧性水泥基复合材料在应用的过程中，因为材料、复合材料的不同所形成的性能也不尽相同，在目前的工程项目中，不同的骨料、不同的水泥型号以及模量对于结构的特点要求也不尽相同。

所以PE-ECC和PVA-ECC的弹性模量均低于混凝土，其中PE-ECC水灰比明显低于PVA-ECC，因此可以判断这是造成前者的抗压强度和弹性模量均高于后者的主要原因；两者的压应变能力均大于混凝土（约为0.2%-0.3%），都在0.5%左右，PVA-ECC试件在经过峰值荷载后，承载能力以相对混凝土缓慢得多的速率持续下降，而PE-ECC试件在到达峰值荷载后承载能力首先以很快的速率下降至峰值的50%左右，而后下降的速度与前者相近。

2.2 受拉特性
准应变硬化和产生多条细密裂缝是ECC材料基本特征。

ECC材料在承受直接拉伸荷载时产生多条细密裂缝的过程是非常稳定的：在轴向拉伸荷载作用下，随着荷载的增长，在拥有最大初始缺陷尺寸截面上的基体首先开始出现裂缝，此时ECC中的纤维能够提供足够的桥联应力，基体中的裂缝以"自相似"模式稳态开裂模式）扩展，在裂缝扩展过程中，裂缝尖端的应力场和变形场保持不变，直至裂缝贯通整个截面；当第一条裂缝出现后，对应试件的承载能力经历瞬间下降后马上恢复，裂缝宽度很快稳定在一个很细的水平上（和第一条裂缝的宽度大体相同），如此重复多次，试件上最终呈现大体均匀分布的多条细密裂缝，每条裂缝的宽度大体接
近，此时裂缝间基体内嵌固纤维所提供的桥联应力不足以使基体内产生新的裂缝，裂缝处于饱和状态，此后随着荷载的增加，不再有新裂缝产生。

3 高韧性水泥基复合材料在结构中的应用
3.1 作为混凝土保护层提高耐久性
通过对裂缝宽度的控制可以明显提高混凝士结构的耐久性。

依据UHTCC对自身裂缝僦度的控制特性，将受拉纵筋两侧吾一倍保护层厚度的混凝土替换为PE-UHTCC，对一根这样的功能梯度复合粱（FGC）进行了初步研究。

试验发现不仅粱的承载略有提高.更为重要的是，FGC 粱裂缝宽度发展十分缓慢.上部混凝十中的裂缝在遇到UHTCC层时被分敬为很多细小裂缝。

钢筋屈服时FGC粱的裂缝宽倪为0025ram，而对比钢筋棍凝十梁达到0.24ram。

3.2 于无伸缩缝桥面板的莲接扳等承受大变形构件
由于材料具备应变特征和超高的抗拉府变能力，UHTCC可以承受较大的变形，而不会产生局部破坏。

利用这一特点UHTCC可以廊川丁结构中变形鞍人何置，比如无伸缩缝桥面板的连接扳。

相邻两跨桥面板收缩、温度变化、徐变臀引起的变形都可以通过具有高变形能力的UHTCC连接扳调节。

结束语
超高韧性水泥基复台材料从问世以来不到二十年的时问，已经获得了较为广泛的研究，这些研究结果展示了该材料具有着诸多的优点。

最近几年.该材料在日本、美国、欧洲、韩国开始获得了较为广泛的工程应用，在应崩中逐步展示了该材料的诸多优越性和应用优势。

参考文献
[1]丁一，陈小兵，李荣.ECC材料的研究进展与应用[J].建筑结构，2007（S1）.
[2]高淑玲，徐世烺.PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究[J].大连理工大学学报，2007（2）.。