淺析高性能水泥基纖維混凝土在橋梁中的應用
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摘 要：我國每年都會出現大量的病橋、危橋亟待維修養護。高性能水泥基纖維混凝土（ECC）是一種新型建筑材料，具有良好的力學性能和耐久性等優點，能夠克服普通混凝土材料抗拉強度低、韌性差等短板。目前已應用于國內外許多實橋，能有效提高橋梁構造物使用性能和耐久性，適用性較強。
關鍵詞：水泥基纖維混凝土;橋梁工程;維修加固;應用
中圖分類號：TU528.572
橋梁是我國道路交通體系的重要組成部分，對交通的通行能力和通行效率有著直接的影響。對其使用的安全性和耐久性等有較高的要求。我國橋梁數量眾多，隨著服役年限增長，每年都會出現大量的病橋、危橋亟待維修養護。高性能水泥基纖維混凝土（ECC）是一種新型建筑材料，具有良好的力學性能和耐久性等優點，近年來在橋梁維修加固中使用較多，能夠有效提高橋梁的使用性能，成為現代橋梁應用材料的補充。[1]
1 高性能水泥基纖維混凝土的發展
19世紀20年代，英國人發明了由水泥、水、粗骨料和細骨料等材料按照一定的比例配制，并經過攪拌、澆筑、振搗和養護而得到的混凝土。因其原材料易獲取，成本較低，施工便捷、堅固耐用等優點，在土木工程領域得到了廣泛的應用，成為當代五大工程材料中應用范圍最廣范的結構材料。但混凝土材料由于存在抗拉強度低、韌性差等短板在一定程度上限制了其優勢的發揮。
為了克服混凝土材料的弱點，人們一直致力于混凝土的材料性能改善，采用纖維增強混凝土就是一種重要的解決途徑。纖維增強混凝土以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基材，以雜亂分布的短纖維或長纖維做增強材料組合而成的復合材料?；炷林袚饺肜w維能使混凝土性能得到明顯改善。
1980年中期美國密歇根大學的Victor C.Li教授提出了一種新的纖維增強水泥基復合材料，是一種以水泥、礦物摻合料以及平均粒徑不大于0.15mm的石英砂作為基體，用纖維做增強材料，纖維體積摻量不超過2%，利用普通混凝土制作工藝就可以加工成型的高性能纖維增強水泥基復合材料，即超高韌性水泥基復合材料，并將其命名為Engineered Cementitious Composites，簡記為ECC。[2]
2 高性能水泥基纖維混凝土的優勢分析
?。?）變形能力大、抗疲勞能力強。橋梁結構受到的荷載大，且有較多的震動荷載，ECC的極限拉應變可以達到3%左右，是普通混凝土極限拉應變的300倍左右。可以用于承受反復荷載作用的結構，如橋面板，橋梁連接板，伸縮縫錨固區等。
?。?）控制裂縫效果好、耐久性好。橋梁在荷載和環境的作用下，溫度變化、約束條件下的干燥收縮或自收縮引起表面開裂，氯化物或其他侵蝕性介質易于從面層滲透至鋼筋的表面造成鋼筋銹蝕，導致混凝土保護層剝落。ECC的多縫開裂特性可以把裂縫寬度控制在0.6 mm左右，在一定程度上起到了阻止外界物質侵入的作用，可減小內部鋼筋的銹蝕，提高結構的耐久性。
?。?）抗剪抗彎承載力高。橋梁跨中截面常存在較大的彎矩和剪力作用，ECC材料中纖維的亂向均勻分布，可以很好的適應彎矩和剪力作用的復雜應力狀態，提高結構的抗剪抗彎能力，減少截面尺寸，承載能力更高。[3]
（4）抗震性能好。ECC的耗能能力強，可以通過大變形多縫開裂和應變硬化耗散地震能，是種很好的擾震消能材料，可以用于梁墩節點位置，提高結構的抗震性能。
3 高性能水泥基纖維混凝土在橋梁中的應用
3.1 橋面鋪裝及面板維修
略陽縣馬家河大橋由于多年服役、橋梁自身功能性退化，于2010年使用高性水泥基復合材料進行了橋面鋪裝修補。施工過程簡易，修復后擁有較高的抗壓強度以及超高的拉伸變形性能，且無需設置伸縮縫。ECC特有的裂縫控制能力，能夠很好的防止水、離子等物質的侵入，提高了耐久性。此外，在國內外水泥混凝土路面坑槽、裂縫處理中，也大量應用了ECC材料，修復快1小時即可通車，施工速度更快捷。
3.2 韌性連接板及拼接部位
在連續梁橋中，連接板與相鄰的面板形成無縫剛性連接，在發生變形時會造成橋梁面板內部的應力較大，在長期車輛荷載的作用下，造成連接板處的負彎矩過大，引起開裂，導致防水能力下降。ECC的應變-硬化特性和超高韌性可以承受相鄰板梁產生的變形，其對最大裂縫寬度的控制能力也能較好解決滲漏侵蝕的問題。南京長江大橋引橋T梁橋面連續化改造工程中，將其作為橋面連續材料，應用效果良好。[4]此外，橋梁拓寬時橫向拼接等部位，不僅要承受較大應力，還要承受較大變形。普通混凝土難以滿足橋梁拼接部位變形要求，需要使用延性好、強度高的材料，采用ECC可以較好的解決上述問題。
3.3 混凝土保護層及覆蓋層
將ECC作為混凝土的保護層，尤其是結構的受拉區，能夠克服普通混凝土的脆性性質，提高已建橋梁彎曲斷面應力和延性，進而有效提高橋梁構造物結構性能和耐久性。在海南萬洋高速公路建設中就應用了該新型材料，能夠有效抑制有害物質，水分，二氧化碳等通過裂紋侵入內部延緩鋼筋被腐蝕，是一種綠色環保混凝土。此外，由于ECC具高的粘結強度和延性，在一些加固工程中將其作為預應力鋼筋等的覆蓋層，與普通噴射混凝土相比還具有易噴射、顯著降低回彈損失等特點，整體受力性能更好，延性更高。
4 結語
高性能水泥基纖維混凝土中水泥基材提供粘結作用、抗壓強度與剛度，纖維在水泥基復合材料中的起延緩裂縫出現、提高密實性及拉伸性能的作用。具有抗拉強度高、變形能力大、抗疲勞能力強、耐久性好等諸多優點。其在橋梁工程中應用逐年增多，且處于不斷的應用探究中，在國內外橋梁新建、維修加固中應用前景較好，是一種新型、綠色建筑材料，值得大力推廣。
參考文獻：
[1]左永輝.新材料在橋梁拼接中的應用研究[D].2017.
[2]丁一，陳小兵，李榮.ECC材料在橋梁工程中的應用[C].第十八屆全國橋梁學術會議論文集（上冊）.2008.
[3]張黎飛.纖維復合材料增強水泥基橋面連接板工作性能研究[D].
[4]劉曙光，常智慧，張棟翔，等.PVA-ECC材料在橋梁伸縮縫工程中的應用[J].混凝土與水泥制品，2016（2）.
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