●王卓琳 趙宇翔

混凝土——建筑的血肉

如果把建筑比作一個(gè)人，那么混凝土就是構(gòu)成他的血肉?；炷潦侨缃駪?yīng)用最為廣泛的建筑材料，我國(guó)的商品混凝土產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，至2019年已增長(zhǎng)至27.38億立方米?；炷恋膹V泛應(yīng)用要?dú)w功于它硬化前出色的流動(dòng)性，硬化后良好的抗壓承載能力，以及低廉的價(jià)格。然而，混凝土在接近破損時(shí)并無(wú)顯著變形，這被稱為脆性破壞，常常會(huì)導(dǎo)致建筑的突然倒塌，是一種十分危險(xiǎn)的破壞形式。與之相對(duì)的是塑性破壞，例如金屬等材料，在破壞前會(huì)產(chǎn)生很大的變形，這給人們充足的時(shí)間發(fā)現(xiàn)與處置。工程中，常在混凝土構(gòu)件里配置鋼筋，以增強(qiáng)構(gòu)件的變形性能，在構(gòu)件層面實(shí)現(xiàn)塑性破壞，這也就是常見(jiàn)的鋼筋混凝土的由來(lái)。然而，鋼筋混凝土并沒(méi)有從根本上改善混凝土的固有缺陷，仍存在混凝土易破損的問(wèn)題，繼而造成鋼筋銹蝕，降低構(gòu)件整體承載能力。

ECC的力學(xué)特性

為從根本上解決混凝土材料存在的問(wèn)題，許多學(xué)者致力于增強(qiáng)混凝土的變形性能，而其中最為成功的就是一種添加了合成纖維的“混凝土”，它被稱為高延性水泥基復(fù)合材料 (ECC,Engineering Cementitious Composite)。這種復(fù)合材料最早是在二十世紀(jì)九十年代，由美國(guó)密歇根大學(xué)土木工程系的Victor C Li教授提出來(lái)的。根據(jù)添加的合成纖維類型不同，ECC可被分為PVA（聚乙烯醇纖維）-ECC和PE（聚乙烯纖維）-ECC。一般來(lái)說(shuō)，PVA-ECC的裂縫更為細(xì)密，更適合用作建筑外表面涂層、防水層等方面，而PE-ECC的極限應(yīng)力、應(yīng)變則更高，受力性能更好，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作與加固中有更大的作用。

ECC特殊的力學(xué)性能源于經(jīng)過(guò)微觀力學(xué)設(shè)計(jì)的原材料配合比，其主要原材料為水泥、細(xì)砂、粉煤灰和合成纖維。ECC不使用普通混凝土中的石子等粗骨料，使用的細(xì)骨料為粒徑很小的細(xì)砂，這可以避免在粗骨料處應(yīng)力集中導(dǎo)致的單縫開(kāi)裂破壞。與一般混凝土盡可能提升強(qiáng)度的思路不同，ECC中大量添加的粉煤灰反而使得基質(zhì)的強(qiáng)度略微降低，但粉煤灰起到了填充空隙和毛細(xì)孔的作用，提高了基質(zhì)的均勻性，降低了各截面上開(kāi)裂荷載值的離散程度，有利于裂縫的均勻產(chǎn)生。當(dāng)裂縫產(chǎn)生后，ECC中添加的合成纖維能夠在開(kāi)裂處產(chǎn)生牽拉效果，使得ECC在繼續(xù)受力時(shí)不會(huì)因已有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致破壞，而是會(huì)繼續(xù)生成更多細(xì)密的裂縫，產(chǎn)生多縫開(kāi)裂的現(xiàn)象。ECC使用的纖維為疏水的PE纖維或經(jīng)過(guò)疏水化處理的PVA纖維，而疏水性會(huì)降低纖維與基質(zhì)的粘結(jié)強(qiáng)度，更容易導(dǎo)致滑移。因此，在開(kāi)裂后繼續(xù)受拉時(shí)，ECC的纖維并不會(huì)像其他纖維混凝土中的纖維一樣直接斷裂，而是經(jīng)歷脫膠、滑移、拔出的過(guò)程，使裂縫寬度穩(wěn)定增長(zhǎng)。由于滑移時(shí)纖維與基質(zhì)產(chǎn)生摩擦力，ECC開(kāi)裂后的耗能能力得到顯著提升。ECC材料的設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)單追求強(qiáng)度的提升，而是通過(guò)人為設(shè)計(jì)更加均勻的基質(zhì)，更易滑移的纖維，實(shí)現(xiàn)超高的延性與韌性，如同以柔克剛的太極拳，將外力巧妙化解。

ECC顯著區(qū)別于普通混凝土的特征有：開(kāi)裂后的應(yīng)變硬化階段，破壞前的多縫開(kāi)裂模式，破壞時(shí)的超高抗拉應(yīng)變。在抗拉試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)谝粭l裂縫產(chǎn)生后，隨著拉應(yīng)變的繼續(xù)增加，普通混凝土的拉應(yīng)力會(huì)迅速下降，而ECC的拉應(yīng)力則會(huì)緩慢上升，直至完全破壞，這被稱為應(yīng)變硬化。開(kāi)裂后繼續(xù)受拉時(shí)，ECC的裂縫圖像如圖1所示，具有細(xì)而致密的特點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，飽和狀態(tài)多點(diǎn)開(kāi)裂的ECC抗拉試件裂縫寬度不超過(guò)0.1 mm，裂縫間距不超過(guò)3 mm。ECC的多縫開(kāi)裂特性使其擁有了更強(qiáng)的變形能力，普通混凝土的抗拉應(yīng)變一般為0.01%，而ECC的抗拉應(yīng)變普遍可達(dá)到3%左右，最高甚至能達(dá)到10%，超越了大部分金屬的抗拉延性。對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，更高的抗拉延性意味著更好的彎曲性能，普通混凝土和ECC的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，普通混凝土在彎矩作用下出現(xiàn)受拉區(qū)的脆性斷裂，而ECC試件在大變形下仍能彎而不壞，這也是它被稱為“可彎曲混凝土”的原因。

圖1 多縫開(kāi)裂形態(tài)

圖2 脆性斷裂的混凝土與可彎曲的ECC

ECC的顯著優(yōu)勢(shì)

相比普通混凝土，ECC有以下優(yōu)勢(shì)：

1.對(duì)于具有應(yīng)變硬化特性的材料，屈服（金屬等）或開(kāi)裂（ECC）后承載能力的增加使其不會(huì)立即破壞，這使得人們有充足的時(shí)間在破壞前發(fā)現(xiàn)屈服或裂縫并及時(shí)采取措施。因此，使用ECC澆筑、加固結(jié)構(gòu)可有效提升結(jié)構(gòu)安全性，減少結(jié)構(gòu)失效造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。

2.在受到?jīng)_擊荷載作用時(shí)，普通混凝土就像玻璃，耗能能力不足，會(huì)產(chǎn)生脆性破壞，而開(kāi)裂的ECC就像被子彈擊中的防彈玻璃，通過(guò)致密裂縫的生成消耗能量，因此ECC可表現(xiàn)出極強(qiáng)的韌性，在沖擊荷載的作用下能裂而不壞，可用于抗震、抗爆加固。

3.普通的鋼筋混凝土梁受拉區(qū)常出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂，裂縫滲水會(huì)導(dǎo)致受拉鋼筋銹蝕，對(duì)構(gòu)件承載能力造成不利影響。由于ECC開(kāi)裂后裂縫寬度小，其抗?jié)B性能優(yōu)于開(kāi)裂后的普通混凝土。因此，使用ECC作為鋼筋保護(hù)層既可提升構(gòu)件的承載能力與變形性能，也可有效避免混凝土開(kāi)裂滲水導(dǎo)致的鋼筋銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.水泥基材料都具有不同程度的自愈合能力，這是由于在開(kāi)裂后，基質(zhì)中未水化的水泥等物質(zhì)在外界水的作用下水化，起到了填充裂縫的作用。研究表明，水泥基材料的自愈合能力很大程度受到裂縫寬度影響，裂縫越小自愈合現(xiàn)象越明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ECC具有更強(qiáng)的自愈合能力，這一方面源于其細(xì)密的裂縫分布，另一方面也是因?yàn)镋CC的水灰比較小，水泥含量比普通混凝土多。ECC的自愈合能力使其無(wú)需在輕微開(kāi)裂時(shí)檢修，節(jié)省了建筑的維護(hù)成本。

ECC的應(yīng)用領(lǐng)域

由于ECC具有出色的力學(xué)性能，它已被廣泛應(yīng)用于土木工程中。

1.橋面板修補(bǔ)：ECC的首次工程應(yīng)用是在2002年美國(guó)密歇根州的一項(xiàng)橋面板修補(bǔ)工程中。工程結(jié)束3年后，工程人員檢測(cè)修補(bǔ)位置的開(kāi)裂情況，發(fā)現(xiàn)使用ECC修補(bǔ)的橋面板裂縫寬度維持在0.05 mm左右，而使用混凝土修補(bǔ)的橋面板裂縫寬度達(dá)到了3.8 mm。該工程證明了使用ECC作為結(jié)構(gòu)表面的修補(bǔ)層可有效提升結(jié)構(gòu)的適用性與耐久性，為后續(xù)更多的ECC修補(bǔ)工程提供了經(jīng)驗(yàn)。

2.水壩、水渠的修補(bǔ)：日本廣島的Mitaka水壩已使用了60多年，存在多處開(kāi)裂。2003年，工程師使用了噴射混凝土對(duì)其進(jìn)行了維修，并在500 m2的混凝土表面噴涂了一層30 mm厚的ECC作為覆蓋層，如圖3所示。修繕后，ECC覆蓋層起到了抵抗水流侵蝕混凝土的作用。

圖3 ECC用于日本Mitaka水壩修補(bǔ)

2005年，日本Shiga縣的灌溉渠使用了ECC抹面加固和ECC噴射加固兩種方式進(jìn)行加固。該工程同樣使用了普通水泥砂漿與高強(qiáng)聚合物水泥砂漿加固作為對(duì)比，后續(xù)調(diào)查結(jié)果表明，這些材料加固部位出現(xiàn)了裂縫，但兩種ECC加固方式均未見(jiàn)裂縫。

3.建筑外墻面加固與修復(fù)：建筑外墻的破損常常會(huì)導(dǎo)致面層墜落，對(duì)過(guò)往行人的安全造成威脅。對(duì)于破損的外墻，采用普通砂漿加固并不能有效解決問(wèn)題。由于ECC在溫度變化下具有良好的抗裂性能，2014年開(kāi)始，在我國(guó)山東與河北省的若干建筑中嘗試使用ECC加固的建筑外墻，起到了提升建筑耐久性的作用，同時(shí)也可減少模板的使用，節(jié)省人力與工期。試驗(yàn)與實(shí)踐均證明，使用ECC進(jìn)行修復(fù)后，建筑外墻在30個(gè)月的持續(xù)監(jiān)測(cè)中都未出現(xiàn)破損，提升了建筑耐久性。

4.高層建筑抗震構(gòu)件：ECC還被用作高層建筑的抗震元件。典型的高層自定心框架結(jié)構(gòu)頂部梁端需通過(guò)減震器與柱連接，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自定心，如圖4-a所示。這樣的設(shè)計(jì)既增加了材料的使用，加長(zhǎng)了工期，也減小了建筑內(nèi)部的使用面積，造成經(jīng)濟(jì)效益的損失。圖4-b展示了一種使用連梁的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，可有效提升室內(nèi)使用面積。然而，該結(jié)構(gòu)對(duì)連梁的受力性能提出了嚴(yán)格的要求，如果使用普通鋼筋混凝土則需很高的配筋率，施工與檢修成本均較高。日本工程師提出，可使用ECC制作連梁提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低維護(hù)費(fèi)用，并在東京的多座高層建筑中應(yīng)用了ECC連梁，包括27層的Glorio-Tower，41層的Nabule Yokohama Tower，60層的Kitahama Tower。在2011年的地震中，三座建筑均受到了一定程度的影響，但并沒(méi)有出現(xiàn)任何損壞，驗(yàn)證了ECC連梁的可靠性。

圖4 ECC用于高層建筑連梁

5.砌體結(jié)構(gòu)抗震加固：砌體結(jié)構(gòu)在我國(guó)有廣泛的應(yīng)用與悠久的歷史。相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能常較差，在地震中更容易倒塌。使用ECC加固砌體結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)其耗能能力，提升其抗震性能。目前，西安、甘肅等多個(gè)省都已頒布ECC加固砌體結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，上海市也已有若干使用ECC加固砌體結(jié)構(gòu)的工程案例，且相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，如圖5所示。

6.3 D打?。?D打印是一種通過(guò)模型數(shù)據(jù)逐層增加材料制造實(shí)體的方式，已被成功用于航天、軍工、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。隨著我國(guó)施工人員老齡化的加劇，建筑工業(yè)化成為了建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，而3D打印技術(shù)是一種全新的建筑工業(yè)化技術(shù)，具有加快施工速度、節(jié)省人工成本等優(yōu)點(diǎn)，因此建筑行業(yè)對(duì)3D打印建筑技術(shù)有著急迫的需求，催生了許多針對(duì)3D打印建筑的研究與試驗(yàn)，圖6展示了一種3D打印的混凝土結(jié)構(gòu)。然而，由于材料、機(jī)械等方面的研究尚不成熟，3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用仍處于起步階段。ECC中沒(méi)有粗骨料，力學(xué)性能又十分出色，因此十分適合用于3D打印建筑。國(guó)內(nèi)使用ECC進(jìn)行3D打印的研究也已經(jīng)起步，可以預(yù)見(jiàn)，ECC將在3D打印材料中占據(jù)一席之地。

圖5 噴涂ECC用于砌體結(jié)構(gòu)加固

圖6 3D打印混凝土結(jié)構(gòu)

隨著結(jié)構(gòu)技術(shù)和材料科學(xué)的革新，傳統(tǒng)的工程材料越來(lái)越難以滿足新的工程建設(shè)需求，ECC的出現(xiàn)為建筑業(yè)的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇和空間。隨著研究人員對(duì)ECC研究的深入，相信可以克服這種材料的不足，達(dá)到技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的互惠，在材料生產(chǎn)與工程應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性的進(jìn)展。