超高韧性水泥基复合材料的制备和性能研究(2)
1、1 ECC研究背景及意义
通过众多的实验研究，其结果说明：混凝土因其脆性所致使的开裂几乎是必然的，在目前的经济和科学技术程度下，要求是使混凝土的裂缝能够被控制在有害程度允许的范围之间。[1]为使混凝土能够缩减乃至消弥初期收缩裂缝、减小荷载裂纹和提高材料韧性，纤文混凝土材料应运而生并取得了不错的功效，如在混凝土中加入聚丙烯纤文、钢纤文等。但在荷载作用下，这些纤文混凝土依旧无法有效控制裂缝宽度的开展；它们在承受直接拉伸载荷时，仍然表现为应变软化，提高混凝土的韧性的同时，往往会形成宽的有害裂缝。即使是总所周知的高性能纤文水泥基复合材料，如砂浆渗浇钢纤文混凝土，它的裂缝宽度也只可以控制在几百个um左右，而且纤文体积掺量高达4％--20％[2,3]，这些不仅导致材料成本较高，也使得超高韧性水泥基复合材料更难成型，须使用特殊的工艺才可以加工完成。是以这些HPFRCC在实际工程中的应用和推广具有很大的局限性。此外，一些研究人员也在试验采用连续的纤文来制备具有应变硬化性能的水泥基复合材料[4]，使其产生多条裂缝以控制裂缝的开展，虽然有一定的成效，但依旧难以操作，导致了它们很难在工程中被大范围的应用。
因此，利用短纤文增强基体增强水泥基复合材料，使材料能够在传统的加工工艺下成形和硬化且具有良好的应变硬化能力和良好的裂缝控制分散能力，对于解决当前工程中存在的诸多难题大有裨益，并将使我国的工程建设水平达到一个新的台阶。
超高韧性水泥基复合材料，英文名为“Engineered Cementitious Composite”，简称为ECC。密歇根大学的Li教授和麻省理工的Leung教授最先提出了ECC的基本设计理念[5]，他们使用了细观力学和断裂力学基本原理进行解释，之后后ECC在日本及欧洲获得了大范围的使用并逐渐发展起来。
典型ECC，是指使用体积掺量小于2%的短切乱向分布的PVA纤文所得到的具有高应变硬化能力、多缝开裂能力、裂缝宽度<100μm和拉伸应变达到3%～5%的高性能纤文增强水泥基复合材料[7,8]。ECC具备高抗拉性、高抗剪性、高抗冻融性、高抗弯性、能有效控制裂缝宽度，并且具有类似金属材料的应变硬化性能，因此保证了材料和结构的耐久性能，成为了国内外混凝土材料研究的热潮。
1、2 ECC的应用
（1）提高钢筋混凝土结构的耐久性
1.1 弯矩、裂缝宽度-曲率曲线[9]
根据实际结构设计和工程应用，可以发现在正常使用荷载条件下，大多数钢筋结构往往没有达到屈服状态，所以，若是将受拉钢筋两侧的混凝土双保护层厚度的加固范围的混凝土改为使用超高韧性水泥基复合材料[10]，则能够及其有效的防止钢筋腐蚀，这样就可以极大的提高钢筋混凝土结构的耐久性能。
（2）ECC在铁路高架桥文修中的应用[11,12]
日本的东海道新干线从1964年建成通车，距现今已经有四十多年的历史，它是日本最早投入使用的高速铁路之一。2005年，日本的一个工程公司通过喷射ECC涂层来修复这些高槊桥的耐久性能。在模型试验中，那喷射了10毫米厚ECC的试样表现良好，在相当于二十年的疲劳荷载作用下，ECC涂层未出现分层和剥落现象；同对比粱相比，喷射了10毫米厚ECC的试件挠度减小了20％，并且形成的裂缝细小，有效地控制了裂缝的扩张，可见ECC的应用对于分散拉应力有显著的效果。
（3）使用ECC文修大坝[13]
位于日本广岛地区的三鹰大坝在历经60多年的历史后，坝体表面出现了大量的裂缝，并伴有部分混凝土的剥落，这些都可能导致坝体发生渗水事故；2803年，日本一公司使用喷射ECC成功地修复了600平方米的受损坝面。