高延性纤维增强水泥基复合材料研究应用新进展

土木工程与管理学报JournalofCivilEngineeringandManagementVol．28No．3Sep．2011

高延性纤维增强水泥基复合材料研究应用新进展

a，ba

韩建平，柴巧利（兰州理工大学摘

a．防震减灾研究所；b．甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃兰州730050）

要：首先综述了以ECC为代表的高延性纤维水泥基复合材料的发展过程及其基本力学性能，包括在单轴

拉伸作用下优异的应变硬化以及多缝开裂的性能、抗压性能以及在弯曲作用下较高应变性能。其次较为详细地介绍了钢筋ECC结构构件，包括弯曲构件、受剪构件、梁柱连接构件以及预制填充墙等在往复周期荷载作用下的性能研究进展。最后简要介绍了目前ECC在工程中的应用情况，提出了今后应开展的主要研究内容。关键词：ECC；

应变硬化；

多缝开裂；文献标识码：A

抗震性能

0985（2011）03-0018-06文章编号：2095-中图分类号：TU352．1

混凝土是目前世界上应用最广泛的建筑材

混凝土主要存在以下不料。在实际工程应用中，

足：一是极限受拉荷载下的脆性破坏。混凝土的

抗拉强度较低，当受到拉应力作用时极易发生脆性破坏，如剥落、破碎等。二是混凝土的耐久性问题。如混凝土收缩、化学侵蚀以及热效应等环境因素所引起的耐久性问题，同时混凝土表面不断扩展的裂缝也会极大地影响结构的耐久性，缩短结构的服役寿命。

近年来，以ECC（EngineeringCementitiousComposites）为代表的纤维增强水泥基复合材料引起国内外广泛关注。与普通混凝土、钢纤维混凝其在韧性、耐久性和抗土以及高性能混凝土相比，

疲劳性能等方面都有大幅度的提高和改善。在美ECC已经开始大国、日本和欧洲等国家及地区，

量应用于边坡加固、桥面修复、桥梁连接板及高层ECC的研究主要还集建筑连梁等领域。在国内，

中在试验室条件下的材料性能研究，尚没有ECC的工程应用实例

［1］

浆渗浇钢纤维网混凝土（SlurryInfiltratedMat

SIMCON）［3］，Concrete，它们在直接拉伸荷载作用下具有明显的应变硬化特性，其受拉性能相对普

通混凝土和纤维混凝土有很大改善，但其纤维体如SIFCON中钢纤维体积掺量为4%积掺量较高，～20%［2］，不仅成本难以控制，裂缝也很难控制在几百个μm量级内，而且需要特殊的工艺才能加工成型，这些都极大地限制了HPFRCC在实际工程的推广应用。

ECC是以水泥、砂、矿物掺合料等构成基体，以乱向分布短纤维为增韧材料的复合材料。在纤维体积掺量为2．0%左右的情况下，其极限拉应变能达到3%以上，在拉伸和剪切荷载作用下呈

并表现出明显的应变-硬化及多缝开现出高延性，

裂特性，且饱和状态的多缝开裂裂缝宽度大多小

［4］

于100μm。ECC不仅成本容易控制，而且使用常规的搅拌方法和施工工艺就可以成型。

ECC最早是由美国密歇根大学的VictorC．Li教授等在20世纪90年代初根据微观力学和断裂力学基本原理提出的设计理论，即采用基于微观力学的性能驱动设计方法（PerformanceDrivenDesignApproach，简称PDDA）对材料微观结构进行调整，将乱向短纤维增强水泥基复合材料的纤维桥联法作为研究的理论基础，考虑了纤维特性、基体特性和纤维/基体的界面特性及其之间的相互影响，建立了获得材料应变-硬化特性的两个设计准则，即第一起裂应力准则和裂缝稳态扩展准

。

1ECC材料的发展及理论研究

多年来，在改善传统混凝土脆性的过程中，高

性能纤维增强水泥基复合材料（HighPerformanceFiberReinforcedCementitiousComposites，HP-FRCC）开始出现，如砂浆渗浇钢纤维混凝土（SlurryInfiltratedFiberConcrete，SIFCON）［2］和砂

07-09收稿日期：2011-

），作者简介：韩建平（1970-男，甘肃宕昌人，教授，研究方向为工程结构抗震减震、结构健康监测及损伤诊断（Email：jphan@lut．cn）基金项目：甘肃省高校基本科研业务费资助（0904ZTB152）

第3期韩建平等：高延性纤维增强水泥基复合材料研究应用新进展

·19·

则，提出了通过改进纤维理论体积掺量条件从而能够以最小的纤维含量实现复合材料的应变硬化

［5，6］

。效应

聚乙烯（Polyethylene，简称PE）纤维和聚乙

烯醇（Polyvinylalcohol，简称PVA）纤维通常作为ECC的增韧纤维，PE的拉应变能力高于PVA，但是PVA相对PE成本较低，且与水泥基体有较强的化学粘结力，是目前试验研究和实际工程应用最为广泛的增韧材料

［7］

［10］

纤维增强水泥基复合材料进行拉伸试验。试

PE纤维体积掺量为验结果表明，水胶比为0．27、

2．0%的PE-ECC，极限拉应变最大为5．8%，其对应抗拉强度为2．7MPa；钢纤维体积掺量为2．0%

的钢纤维增强ECC，极限抗拉强度最大为4．8

［1，10］MPa，。其对应拉应变为1%

大连理工大学高淑玲等于2007年对4种不

1%、1．5%与2%）的PVA纤同纤维体积掺量（0、

维增强水泥基复合材料的拉伸性能进行了研究。

试验结果表明，纤维体积掺量为2%的PVA纤维增强水泥基复合材料的极限拉应变达到0．7%，

［11］

是普通混凝土的70倍。

清华大学公成旭等于2008年对不同水灰比和粉煤灰掺量的6个配合比的PVA纤维增强水泥基复合材料进行了单轴拉伸试验。试验研究表

PVA纤维体积掺量为1．7%、砂胶比为0．66、明，

粉煤灰掺量比为0．4，当水灰比为0．5时，极限拉

应变达到最大，为1．7%，此时极限抗拉强度为2．5MPa。复合材料在单轴拉伸荷载下均能实现应变硬化与多重开裂，最小和最大临界裂纹宽度

［12］

分别为26μm和90μm。

大连理工大学徐世烺等于2009年采用国产

利用改进后的直接拉伸试验方法进基体原材料，

行了拉伸性能研究。试验结果表明，采用国产基体材料所研制的复合材料的极限拉应变可以稳定

地达到3%以上，在拉伸过程中具有明显的应变-硬化特性，并具有良好的裂缝宽度控制能力2．1．2抗压性能

［13］

。

2

2．1

试验研究

力学性能

抗拉性能

ECC最大的特点是其具有较高的拉伸延性，

2．1．1

在单轴拉伸作用下具有应变-硬化和多缝开裂的

特性。图1是PVA纤维体积掺量为2%时ECC在单轴拉伸条件下的典型的应力-应变曲线以及

裂缝宽度发展图，初始裂缝出现之后的应变硬化过程伴随着多缝开裂。其极限拉应变应变可达到

［8］

5%，裂缝宽度保持在60μm左右。

。

图1典型的ECC拉伸应力-应变曲线

ECC的抗压性能与普通高强混凝土类似。

ECC的抗压强度为30～90MPa，由于不含粗骨ECC的弹性模量低于普通混凝土，料，为20～25GPa。

在单轴拉伸试验中，首先在ECC材料内部的最大初始缺陷处出现初始裂纹，而后按照缺陷尺接着初始裂寸由大至小顺序不断产生新的裂纹，纹联通贯穿整个界面形成第一条裂缝，对应试件的承载能力瞬间下降后马上恢复原先水平，裂缝间纤维的桥接作用使得ECC在整体传力性能上

［9］

并没有因微细裂缝的形成而被显著削弱。如

试件上最终呈现大体均匀分布的多此重复多次，

条细密裂缝，每条裂缝的宽度大体接近，多条微细

裂缝的形成将使得材料的宏观拉应变增大百倍，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，取而代之的是原有裂缝的不断变宽，直至某一条裂缝发

［1，6，9］

。生局部化扩展，试件最终断裂破坏

PE澳大利亚Ahmed等于2009年对钢纤维、

图2典型ECC抗压强度发展曲线

图2是美国密歇根大学Wang等2006年得

M45的一圆柱体试件到的采用典型配合比ECC-抗压强度发展曲线图。试验结果表明，前14d内

·20·

土木工程与管理学报2011年

14d龄期时试件的抗圆柱体抗压强度增长很快，

压强度大约为65MPa；14d之后，抗压强度增长8个月龄期时圆柱体的抗压强度为75较慢，

MPa［14］。在受压过程中，因纤维的增韧作用，到ECC周围逐渐凸出，达峰值荷载后，而不出现类

［8］

似混凝土试件被迅速压碎的现象。

河北工业大学高淑玲等于2009年采用圆柱体试件，研究了体积掺量为2%的PVA纤维增强水泥基复合材料的抗压性能与普通混凝土的区别。研究结果表明，当PVA纤维增强水泥基复合材料的抗压强度在20～40MPa之间时，其峰值应力对应的应变可达到0．8%～1．5%，是混凝土峰值应变的4～7倍。极限压应变是混凝土的5～

［15］

10倍，具有较高的抗压韧性。大连理工大学李贺东于2009年采用PVA纤

ECC试件测得56d的抗维体积掺量2%的PVA-［16］

压强度值在60MPa左右。2．1．3弯曲性能

随着荷载的进一步下降，仅在试件的下部可以观测到明显的局部破坏裂缝，而试件的侧面却可以

［18］看到大量细密裂缝，抗弯强度为12．24MPa。2．1．4与钢筋粘结性能和变形协调性能

美国夏威夷大学Fischer等于2002年研究了

ECC）受拉硬化特性的基体韧性对钢筋ECC（PE-影响。试验结果表明，用ECC替代混凝土，构件

的荷载变形特征如拉伸强度、变形模式、能量吸收ECC的多缝开方面都得到了改善。如图4所示，

裂变形特性能够消除钢筋与ECC之间的应变差异，整个构件内部应变分布均匀，避免了二者间产生剪滞效应，界面剪应力水平非常低。如图5所示，经历较大非弹性变形后，R/C构件中横向裂缝附近界面脱开，混凝土无法与钢筋屈服后的变形相协调；而R/ECC在经历大变形之后界面仍保

［19］

持完好。

图3是ECC薄板在四点弯曲下的抗弯性能。当荷载加至弹性阶段后，薄板开始弯曲而不出现ECC又被称为“可弯曲的混凝脆性破坏。因此，［17］土”。

图4基体开裂后的R/C和R/ECC

图3ECC薄板四点弯曲试验

美国密歇根大学Wang等于2006年采用304．8mm×76．2mm×25．4mm的ECC薄板试件，分别测定了薄板在24h和90d时的抗弯性当龄期为24h和90d时，能。试验结果表明，

ECC薄板的抗弯强度分别为11MPa和16MPa；90d时，薄板纯弯段受拉侧裂缝呈现多重稳定开裂模式，平均裂缝间距小于1．5mm

［14］

图5钢筋屈服后RC和R/ECC的界面情况

。

2．22．2．1

钢筋ECC（R/ECC）结构构件研究

大连理工大学徐世烺等于2009年采用薄板试件和梁试件对PVA纤维增强水泥基复合材料薄板试件在峰的弯曲性能进行研究。结果表明，

值荷载时产生较大的弯曲变形，并且保持良好的试件完整性，仅在试件的底面可以观测到大量近似平行的细小裂缝，裂缝宽度50μm左右，平均裂缝间距1mm左右，抗弯强度为13．20MPa；梁试件在荷载开始下降后，仍然保持完整状态，并且

弯曲构件

Fischer等于2002年对往复周期荷载作用下的R/ECC柱的性能进行了研究。研究结果表明，在弯曲构件的底部不设抗剪箍筋的情况下，相比

R/ECC构件具有较饱满的普通R/C参照构件，

滞回环，可耗散更多的能量。图6为反复周期荷

载作用后水平位移为10%时两者的破坏形式对R/ECC构件没有出现粘结劈裂和剥落，构件比，

第3期韩建平等：高延性纤维增强水泥基复合材料研究应用新进展

·21·

产生弯曲而不出现剪切破坏并保持良好的整体性；而R/C构件表面出现粘结劈裂使构件底部保护层严重剥落

［20］

重退化，出现大量的斜向裂缝以及严重的混凝土

［21］

。剥落（图8）

。

图8

图6

反复周期荷载作用后水平位移为10%时的破坏形式

钢梁-钢筋混凝土柱节点周期荷载

作用下破坏形态

2．2．2

抗剪构件

Fukuyama等于2000年利用Ohno剪力梁对往复周期荷载作用下的R/ECC梁的性能进行了

苏骏等于2010年采用6榀缩尺比例为1/2的框架中节点对ECC新型梁柱节点在低周反复载荷下的抗震性能进行研究。试验结果表明，ECC能明显改善节点核心区的抗裂性能和剪切延性，具有更好的耗能能力，可部分或全部替代节

［22］

点处箍筋的抗剪作用。2．2．4

填充墙

Kesner等于2005年研究了ECC预制填充墙体系在周期横向荷载作用下的抗震性能。试验结

R/ECC梁滞回环表现更稳研究。研究结果表明，

R/C梁表面可以耗散较多能量。如图7所示，定，

出现粘结劈裂使梁的保护层严重剥落，并出现很

R/ECC梁的损坏明显较少，没多斜向裂缝；相反，

有出现粘结劈裂以及保护层剥落

［8］

。

R/ECC填充墙相对R/C填充墙，果表明，荷载-位

移滞回响应更稳定、峰值荷载更大以及能量耗散更强

［23］

。

3ECC的工程应用

ECC作为一种新型的加固维修材料已目前，

经应用于实际工程中。图9所示为喷射型ECC应用于灌溉渠道的修复，利用其防止普通混凝土在常年反复冻融下的破坏。图10所示为ECC用于为油气管道工程表面的保护层。

图7反复周期荷载作用下Ohno剪力梁的破坏形式

2．2．3

梁-柱连接构件Parra-Montesinos等于2000年开展了3/4比

例外部RCS节点在往复周期荷载作用下的抗震

ECC节点虽然没有使用横性能研究。结果表明，

向钢筋，但荷载-位移滞回响应非常稳定。随着层ECC节点位置不断出现大量间位移的不断增大，斜向裂缝，至试验结束时，节点上分布了几十条细微斜向裂缝。梁翼缘与周围ECC之间也有缝隙产生，但没有发现明显的开裂。相反，随着层间位混凝土节点剪切变形较大，刚度严移的不断增大，

图9喷射ECC应用于图10ECC作为油气

灌溉渠道的修补管道的保护层

图11所示为2007年日本横滨一座41层建

筑采用了ECC连梁，以期利用其在反复循环剪切荷载作用下的高能量耗散能力，提高结构安全性。

图12所示为2005年建成通车的日本北海道ECC组合结构，三原大桥采用钢-桥面面板很薄，

利用了ECC超高的拉伸韧性和裂缝致密特点，面

·22·

土木工程与管理学报2011年

板自重较低了40%，预计寿命为100年。

目前国内试验研究采用的配合比，大多都是在国

外推荐的配合比基础上，通过改变水灰比、粉煤灰含量或者砂的粒径的大小来研究材料性能。因此，配制具有应变硬化特征且极限拉应变能稳定地达到3%的ECC也是当务之急。

（3）国内目前对ECC力学性能的研究仍需深入。拉伸试验是研究材料拉伸延性的最直接有效的方法，但操作难度较高，试验结果误差较大，需要建立统一单轴直拉性能测试标准。

（4）开展ECC在建筑结构抗震技术中的研究

图11ECC连梁应用于高层建筑

与应用。尽管国外在钢筋ECC用于梁、柱、梁柱节点、阻尼构件等方面已有一定研究，但实际结构应用仍然较少。国内对ECC结构构件的抗震性能研究较少，处于起步阶段。因此，应大力开展ECC结构构件抗震性能方面的研究，以发挥ECC结构高延性、裂而不倒的优势。

参

考

文

献

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图13所示为ECC用于无伸缩缝桥面板的连

接板等承受大变形的构件。ECC由于具有应变硬化特征和超高的抗拉应变能力，可以承受非常大的变形，从而调节相邻两跨桥面板因收缩、温度变化、徐变等引起的桥面变形。

4需要深入研究和解决的问题

ECC的基础和理论研究在美国以及日本等

国家已经相对成熟，到目前已经应用到实际工程当中，并取得了良好的工程效果。但是在国内，ECC的研究才刚刚开始，尚存在需进一步研究与解决的问题。

（1）ECC的主要原料PVA纤维的成本较高。到目前为止，使用的PVA纤维都是日本生产，国内尚无生产出增韧效果较好的纤维材料，所以材料的本地化是首先要解决的问题。

（2）尚无性能稳定且能推广使用的配合比。

第3期韩建平等：高延性纤维增强水泥基复合材料研究应用新进展

·23·

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ReserchandApplicationofEngineeringCementitiousComposite

b

HANJian-pinga，，CHAIQiao-lia

（a．InstituteofEarthquakeProtectionandDisasterMitigation；b．KeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationinCivilEngineeringofGansuProvince，LanzhouUniversityofTechnology，Lanzhou730050，China）Abstract：Developmentofhighperformancefiberreinforcedcementitiouscomposites（HPFRCC），especiallyengineeredcementitiouscomposite（ECC）isintroducedfirst．ThefundamentalmechanicalpropertiesofECC，suchasstrain－hardeningandmultiplecrackingunderuniaxialtension，compressivebehaviorandhighstraincapacityunderbendingarereviewed．ThenthemechanicalbehaviorofR/ECCstructuralcomponentsundercyclicloadingisalsoreviewed，suchasbehaviorofflexuralmember，shearmember，beam－columnconnec-tionmemberandwallpanel．FinallytheapplicationofECCinengineeringpracticeissummarizedandtheis-suesthatneedtobeinvestigatedfurtherareproposed．

Keywords：ECC；strain-hardening；multiplecracking；seismicperformance