浅析高性能水泥基纤维混凝土在桥梁中的应用
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摘 要：我国每年都会出现大量的病桥、危桥亟待维修养护。高性能水泥基纤维混凝土（ECC）是一种新型建筑材料，具有良好的力学性能和耐久性等优点，能够克服普通混凝土材料抗拉强度低、韧性差等短板。目前已应用于国内外许多实桥，能有效提高桥梁构造物使用性能和耐久性，适用性较强。
关键词：水泥基纤维混凝土;桥梁工程;维修加固;应用
中图分类号：TU528.572
桥梁是我国道路交通体系的重要组成部分，对交通的通行能力和通行效率有着直接的影响。对其使用的安全性和耐久性等有较高的要求。我国桥梁数量众多，随着服役年限增长，每年都会出现大量的病桥、危桥亟待维修养护。高性能水泥基纤维混凝土（ECC）是一种新型建筑材料，具有良好的力学性能和耐久性等优点，近年来在桥梁维修加固中使用较多，能够有效提高桥梁的使用性能，成为现代桥梁应用材料的补充。[1]
1 高性能水泥基纤维混凝土的发展
19世纪20年代，英国人发明了由水泥、水、粗骨料和细骨料等材料按照一定的比例配制，并经过搅拌、浇筑、振捣和养护而得到的混凝土。因其原材料易获取，成本较低，施工便捷、坚固耐用等优点，在土木工程领域得到了广泛的应用，成为当代五大工程材料中应用范围最广范的结构材料。但混凝土材料由于存在抗拉强度低、韧性差等短板在一定程度上限制了其优势的发挥。
为了克服混凝土材料的弱点，人们一直致力于混凝土的材料性能改善，采用纤维增强混凝土就是一种重要的解决途径。纤维增强混凝土以水泥净浆、砂浆或混凝土为基材，以杂乱分布的短纤维或长纤维做增强材料组合而成的复合材料。混凝土中掺入纤维能使混凝土性能得到明显改善。
1980年中期美国密歇根大学的Victor C.Li教授提出了一种新的纤维增强水泥基复合材料，是一种以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于0.15mm的石英砂作为基体，用纤维做增强材料，纤维体积掺量不超过2%，利用普通混凝土制作工艺就可以加工成型的高性能纤维增强水泥基复合材料，即超高韧性水泥基复合材料，并将其命名为Engineered Cementitious Composites，简记为ECC。[2]
2 高性能水泥基纤维混凝土的优势分析
（1）变形能力大、抗疲劳能力强。桥梁结构受到的荷载大，且有较多的震动荷载，ECC的极限拉应变可以达到3%左右，是普通混凝土极限拉应变的300倍左右。可以用于承受反复荷载作用的结构，如桥面板，桥梁连接板，伸缩缝锚固区等。
（2）控制裂缝效果好、耐久性好。桥梁在荷载和环境的作用下，温度变化、约束条件下的干燥收缩或自收缩引起表面开裂，氯化物或其他侵蚀性介质易于从面层渗透至钢筋的表面造成钢筋锈蚀，导致混凝土保护层剥落。ECC的多缝开裂特性可以把裂缝宽度控制在0.6 mm左右，在一定程度上起到了阻止外界物质侵入的作用，可减小内部钢筋的锈蚀，提高结构的耐久性。
（3）抗剪抗弯承载力高。桥梁跨中截面常存在较大的弯矩和剪力作用，ECC材料中纤维的乱向均匀分布，可以很好的适应弯矩和剪力作用的复杂应力状态，提高结构的抗剪抗弯能力，减少截面尺寸，承载能力更高。[3]
（4）抗震性能好。ECC的耗能能力强，可以通过大变形多缝开裂和应变硬化耗散地震能，是种很好的扰震消能材料，可以用于梁墩节点位置，提高结构的抗震性能。
3 高性能水泥基纤维混凝土在桥梁中的应用
3.1 橋面铺装及面板维修
略阳县马家河大桥由于多年服役、桥梁自身功能性退化，于2010年使用高性水泥基复合材料进行了桥面铺装修补。施工过程简易，修复后拥有较高的抗压强度以及超高的拉伸变形性能，且无需设置伸缩缝。ECC特有的裂缝控制能力，能够很好的防止水、离子等物质的侵入，提高了耐久性。此外，在国内外水泥混凝土路面坑槽、裂缝处理中，也大量应用了ECC材料，修复快1小时即可通车，施工速度更快捷。
3.2 韧性连接板及拼接部位
在连续梁桥中，连接板与相邻的面板形成无缝刚性连接，在发生变形时会造成桥梁面板内部的应力较大，在长期车辆荷载的作用下，造成连接板处的负弯矩过大，引起开裂，导致防水能力下降。ECC的应变-硬化特性和超高韧性可以承受相邻板梁产生的变形，其对最大裂缝宽度的控制能力也能较好解决渗漏侵蚀的问题。南京长江大桥引桥T梁桥面连续化改造工程中，将其作为桥面连续材料，应用效果良好。[4]此外，桥梁拓宽时横向拼接等部位，不仅要承受较大应力，还要承受较大变形。普通混凝土难以满足桥梁拼接部位变形要求，需要使用延性好、强度高的材料，采用ECC可以较好的解决上述问题。
3.3 混凝土保护层及覆盖层
将ECC作为混凝土的保护层，尤其是结构的受拉区，能够克服普通混凝土的脆性性质，提高已建桥梁弯曲断面应力和延性，进而有效提高桥梁构造物结构性能和耐久性。在海南万洋高速公路建设中就应用了该新型材料，能够有效抑制有害物质，水分，二氧化碳等通过裂纹侵入内部延缓钢筋被腐蚀，是一种绿色环保混凝土。此外，由于ECC具高的粘结强度和延性，在一些加固工程中将其作为预应力钢筋等的覆盖层，与普通喷射混凝土相比还具有易喷射、显著降低回弹损失等特点，整体受力性能更好，延性更高。
4 结语
高性能水泥基纤维混凝土中水泥基材提供粘结作用、抗压强度与刚度，纤维在水泥基复合材料中的起延缓裂缝出现、提高密实性及拉伸性能的作用。具有抗拉强度高、变形能力大、抗疲劳能力强、耐久性好等诸多优点。其在桥梁工程中应用逐年增多，且处于不断的应用探究中，在国内外桥梁新建、维修加固中应用前景较好，是一种新型、绿色建筑材料，值得大力推广。
参考文献：
[1]左永辉.新材料在桥梁拼接中的应用研究[D].2017.
[2]丁一，陈小兵，李荣.ECC材料在桥梁工程中的应用[C].第十八届全国桥梁学术会议论文集（上册）.2008.
[3]张黎飞.纤维复合材料增强水泥基桥面连接板工作性能研究[D].
[4]刘曙光，常智慧，张栋翔，等.PVA-ECC材料在桥梁伸缩缝工程中的应用[J].混凝土与水泥制品，2016（2）.
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