ECC与既有混凝土粘结界面抗剪性能研究
高延性水泥基复合材料(ECC)正交试验
Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2023, 12(3), 298-306 Published Online March 2023 in Hans. https:///journal/hjce https:///10.12677/hjce.2023.123034高延性水泥基复合材料(ECC)正交试验吴倩倩1，蔡海兵1*，胡 时1，丁祖德21安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 2昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明收稿日期：2023年2月27日；录用日期：2023年3月19日；发布日期：2023年3月29日摘 要本文利用正交试验设计原理，开展了9组高延性水泥基复合材料(ECC)的坍落度、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验，研究了硅灰、改性脱硫石膏、膨胀剂和减水剂四种因素对ECC 物理、力学性能的影响，并采用多元线性回归的方法，建立了ECC 的性能预测模型。
试验结果表明：最优组为硅灰掺量20%，脱硫石膏掺量4%，膨胀剂掺量6%，减水剂掺量1.9%；通过对正交试验的结果进行回归分析，得出了ECC 物理、力学性能预测模型，模型精度较高。
关键词正交试验，高延性水泥基复合材料，力学性能，修复工程Orthogonal Test of High DuctilityEngineering Cementitious Composites (ECC)Qianqian Wu 1, Haibing Cai 1*, Shi Hu 1, Zude Ding 21School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 2Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming YunnanReceived: Feb. 27th, 2023; accepted: Mar. 19th, 2023; published: Mar. 29th, 2023AbstractIn this paper, using the orthogonal experiment design principle, carry out 9 groups of high ductili-ty Engineering Cementitious Composites (ECC) of the slump, cube compressive strength, splitting ten-sile strength and flexural strength test, study the effect of silica fume, modified desulfurization gyp-sum, expansive agent and water reducing agent of four factors on the physical and mechanical proper-ties of ECC, and adopt multiple linear regression method. The performance prediction model of ECC was established. The results show that the optimal group is silica fume content of 20%, desulfuri-*通讯作者。
混凝土梁抗剪性能的研究进展
混凝土梁抗剪性能的研究进展刘君阳;闫亚汐;栾力文【摘要】影响混凝土梁抗剪机理的因素有很多, 其中包括剪跨比、混凝土强度、水平钢筋屈服强度和竖向钢筋屈服强度. 对于混凝土构件的抗剪机理的研究是一个复杂的过程, 因此, 混凝土构件的抗剪机理是国内外工程领域非常关注的一个问题. 本文分别介绍了国内外对混凝土构件抗剪性能研究的主要成果, 并对今后拟开展的研究工作提出了建议.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2016(042)001【总页数】2页(P28-29)【关键词】混凝土梁;抗剪性能;影响因素【作者】刘君阳;闫亚汐;栾力文【作者单位】华北理工大学轻工学院, 河北唐山 063000;华北理工大学轻工学院, 河北唐山 063000;华北理工大学轻工学院, 河北唐山 063000【正文语种】中文【中图分类】TU375.1混凝土构件的抗剪是钢筋混凝土结构诸多重要问题中的经典问题之一。
在钢筋混凝土结构设计中要求尽可能避免构件发生脆性破坏。
典型的脆性破坏是构件的剪切破坏。
为了避免构件发生剪切破坏，就需要研究构件发生剪切破坏的机理，再采取针对性的措施。
目前国内外针对集中荷载作用下混凝土梁的抗剪性能已经进行了大量的试验研究。
本文对钢筋混凝土梁的抗剪性能进行了总结和分析，以期对今后开展研究和工程应用具有一定的参考价值。
如图1所示[1]，钢筋混凝土梁的抗剪承载力是由混凝土和钢筋共同承担的，图中VCZ、Va、Vs、Vd分别表示受压区未开裂混凝土梁的抗剪贡献、骨料咬合作用、腹筋抗剪作用和纵筋的销栓作用，VC表示这些项抗剪作用之和。
影响混凝土梁抗剪机理的因素有很多。
下面分别从混凝土强度、剪跨比、水平腹筋和竖向腹筋对钢筋混凝土梁的抗剪性能的影响做简要介绍。
混凝土强度对抗剪强度有直接的影响，这一点是显而易见的，因为剪切破坏是由于混凝土达到极限强度而发生的，所以混凝土强度越高，抗剪强度就越高，而且对于普通混凝土构件来说，一般认为抗剪强度与混凝土强度是呈线性关系的。
ECC研究进展与应用：综述
ECC研究进展与应用：综述摘要：ecc是engineered cementitious composites的简称，是一种具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料。
ecc不同于普通的纤维增强混凝（frc），它是一种经细观力学设计的先进材料，具有应变一硬化特性，在纤维体积掺量小于2%的情况下，其极限拉应变通常在3%—7%的范围内。
经过大量的试验与研究表明，ecc材料具有很多优良的性能，能够适用于土建工程中的很多领域。
关键字：ecc；韧性；应用一、引言近年来，我国国民经济得到了长足的发展，同时对公路事业的发展也提出了更高的要求，带动了高等级公路在我国的蓬勃发展。
水泥混凝土路面因具有强度高，稳定性好，持久耐用和养护费用低等优点而被广泛使用。
但是，水泥基材料在工程中还出现了诸多的问题，主要有两个方面：（1）极限荷载条件下的脆性破坏，如剥落、破碎等，均与混凝土低韧性密切相关；（2）正常工作状态下的破坏，如混凝土裂纹扩展导致有害离子引入，引发混凝土及钢筋的破坏。
因此，要发展绿色高性能甚至超高性能混凝土就要求混凝土既要有足够的强度，又要有良好的延性，以及必要的耐久性。
二、ecc发展概况新型的超强韧性纤维混凝土ecc（ engineered cementitious composites）是以水泥、砂、水、矿物掺合料和化学外加剂构成基体，用纤维体积掺量低于 3% 高强高弹模短纤维做增韧材料，硬化后具有应变–硬化和多重稳定开裂特征的新型高性能纤维增韧水泥基复合材料。
该水泥基复合材料是基于微观物理力学原理优化设计的具有应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型工程用水泥基复合材料.这种复合材料是在二十世纪九十年代由美国密歇根大学的li.v.c提出来的。
试验研究已经证实它的应变能力可达几个百分点，最高可达6%，耗能能力是常规纤维混凝土的几倍，抗压强度在高强混凝土范围之内，是一种具有很大应变-硬化性能的复合材料。
目前美国与日本等国家已经对强韧性纤维混凝土ecc进行了大量的理论与试验研究工作，并已经在实际工程中得到了广泛的推广和应用。
浅谈ECC与混凝土的界面黏结性能
浅谈ECC与混凝土的界面黏结性能摘要：现代社会的整体进步推动着我国土木工程行业的快速发展，城镇化进程的不断深入对建筑材料的质量和性能提出了更高的要求。
ECC作为一种具有较强抗压、抗拉伸性能的复合材料，与混凝土叠合使用时可以大大提高混凝土的耐久性。
而ECC与混凝土界面的黏结性能是影响ECC与混凝土叠合使用效果的关键因素，因此，本文从劈拉、抗剪、抗折以及断裂性能等方面分析ECC与混凝土界面的黏结性能，希望为提高ECC与混凝土叠合使用的效果提供理论参考。
关键词：ECC；混凝土；界面黏结性能；引言城市化的进程加大了道路、桥梁、建筑等的建设需求，混凝土成为现代社会需求量最大、应用范围最广的建筑材料之一。
但普通的混凝土一般会有较严重的抗拉性能差、脆性较强以及抗裂性能较低的缺点，难以满足现代工程建设对高性能建筑材料的需求。
而在混凝土中添加ECC则可以大大改善这些缺点，提高建筑材料的整体性能。
当ECC与混凝土混合使用时，两者接触界面的黏结性能会影响其混合使用效果，因此，研究ECC与混凝土的界面黏结性能对提升两者混合使用效果具有重要理论指导意义。
一、工程用水泥基复合材料（ECC）概述（1）工程用水泥基复合材料（ECC）简介ECC是工程用水泥基复合材料的简称，它是在水泥、水、砂石等的基础上，掺入纤维、增稠剂以及矿物掺合料等组成的新型工程用水泥基复合材料。
通常情况下，掺入的纤维为短纤维，且掺入量一般不超过复合材料总量的2.5%，主要起到改善水泥复合材料使用性能的作用。
目前已有许多比较成熟的研究资料表明，工程用水泥基复合材料（ECC）不管是在抗侵蚀性、耐磨性和抗冲击性方面，还是在结构的延伸性和耗能能力方面都比普通混凝土强，在土木工程项目建设中具有巨大的应用价值。
（2）工程用水泥基复合材料（ECC）特点工程用水泥基复合材料（ECC）是依据断裂力学、微观物理力学以及统计学等学科的原理优化设计得到的新型复合材料，应变硬化是该复合材料硬化后最明显的特征，概括起来主要表现在以下两个方面：首先，工程用水泥基复合材料（ECC）的应变硬化与金属材料的时效硬化和冷拉强化有很大差别，该复合材料的应变硬化一般会由于材料的拉伸作用产生许多裂缝，当硬化外力消除后，这些已经产生的裂缝会逐渐愈合消失，这可以看做是一种通过积累损伤达到增强材料强度目的的过程。
浅谈ECC材料的性能研究与应用
ｆ） １ 抗疲 劳能力强 。Ｅ Ｃ可以用 于承受 反复荷载作 用的结构 ， Ｃ 如桥 面板 、 桥梁连接板 、 飞机跑道和铁轨枕木等。 （） ２有很强 的变形能力 。Ｅ Ｃ的极限拉应变可以达到 ３ Ｃ ％左 右 ， 是普 通混凝土极限拉应 变的 ３０ ０ 倍左右。 （ 抗爆 、 冲击性能好 。Ｅ Ｃ ３ ） 抗 Ｃ 在冲击和爆 炸荷载作用下 ， 基体中分 布 的纤维 能产生“ 桥联 ” 效应 ， 到耗能 、 冲和连接各个碎片 的作 用 ， 起 缓 使得 Ｅ Ｃ Ｃ 可以应用于军事工程等特殊领域。 （ 控制裂缝效果好 、 ４ ） 耐久性好 。Ｅ Ｃ的多缝 开裂特性可 以把 裂缝 Ｃ
并 结 合 具 体 ＿ 程 实例 阐述 了Ｅ Ｔ － ＣＣ材 料 在 土 木 工程 领 域 的广 泛 应 用 。
［ 关键词］ 水泥基工程复合材料 Ｅ Ｃ 性 能 优势 应用 Ｃ
０前 言 ．
随着混 凝土结构应用 领域的不断扩 大 ， 混凝土结构 的规模也 日 渐 增大 ， 统的结构工 程向空间更高 、 度更大 、 传 跨 荷载更重 的方 向不断发 展， 同时 ， 对建筑材 料性能的要求也 变得越来越高 。一些特殊 的结构或 构件 ， 如海 洋平 台 、 军事工 程 、 梁柱节 点等 ， 要求建筑材料具有很 高的耐 久性能 、 韧性 、 抗爆性 能 、 冲击性能及抗疲 劳性能等 ， 抗 传统 的水泥基材 料往往 无法 满足 这些 要求 ， 而应 运 而生 的水泥 基工 程复合 材料 Ｅ Ｃ Ｃ （ ｎ ｉ ｅ ｄ ｅ ｅ ｔ ｏｓ ｏ ｐ ｓｅ ） Ｅ ｇ ｅｒ ｍ ｎ ｔ ｕ ｍ ｏｉ ｓ则是 一种基 于细观力学设 计 的具 ｎ ｅＣ ｉ Ｃ ｉ ｔ 有超 强韧性 的乱向分布短纤 维增 强水泥基 复合材料 其 具有 的良好性 ， 能可 以满足这些工程应用对材料性能的特殊要求。
PVA-ECC与既有混凝土黏结面抗渗及劈裂抗拉试验
PVA-ECC与既有混凝土黏结面抗渗及劈裂抗拉试验DING Zude;WEN Jincheng;LI Xiaoqin;HUANG Juan;YANG Xiao【摘要】采用相对渗透系数法和劈裂抗拉法,开展了聚乙烯醇纤维增强混凝土(PVA-ECC)与既有普通混凝土黏结面抗渗及劈裂抗拉试验,分析界面处理方式、界面剂种类和养护时间对黏结面抗渗性能及劈裂极限力的影响.结果表明:随着界面粗糙度的增加,黏结面渗透系数减小,劈裂极限力增大,抗渗性能和黏结性能得以提高;不同界面剂中,采用膨胀水泥浆处理的黏结面抗渗性能最好,而采用环氧树脂界面剂处理的黏结面劈裂极限力最大;养护时间从14d增加到28 d时,刷毛平界面-膨胀水泥浆(S-P)复合试件的渗透系数下降了75.2％,劈裂极限力增大35.0％;PVA-ECC与既有普通混凝土黏结面的渗透系数与渗水后的劈裂极限力呈线性关系,且前者随后者的增大而减小.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2019(022)003【总页数】7页(P356-362)【关键词】结构加固;聚乙烯醇纤维增强混凝土(PVA-ECC);既有混凝土;黏结面;抗渗性能;劈裂极限力【作者】DING Zude;WEN Jincheng;LI Xiaoqin;HUANG Juan;YANG Xiao 【作者单位】;;;;【正文语种】中文【中图分类】TU528.5作为一种脆性材料，普通混凝土韧性低，易产生裂缝.因而，有相当比例的运营隧道及地下混凝土结构存在开裂、渗漏水等病害，直接影响着结构的安全性和耐久性[1-4].高韧性纤维增强水泥基复合材料(engineered fiber reinforced cementitious composites， ECC)的出现为地下结构以及混凝土大坝等的开裂、渗漏水处治提供了新的解决方案，已初步在日本、瑞士等国家得到应用并展现出广阔的前景[5].ECC材料超高的韧性和良好的裂缝控制能力使得其极限拉伸应变能够达到3%以上[6-7]，并且能在峰值荷载时，将裂缝宽度控制在50μm以内[8].由于纤维能对早期收缩裂缝的出现和发展起到有效的抑制作用，因此ECC具有良好的抗渗能力[9].养护28d无裂缝状态下的ECC渗透系数仅为同强度普通混凝土的1/4[10]，当拉伸应变达到1.5%时，ECC的裂缝宽度仅为40～50μm，渗透系数仍能保持在10-10m·s-1 的数量级，而相同拉伸应变下砂浆的抗渗系数达到10-4m·s-1数量级[11].在地下、水工混凝土结构的加固与修复中，ECC与混凝土的黏结面可能成为抗裂、抗剪、抗渗的薄弱环节.其黏结性能及抗渗性能对地下及水工结构加固设计至关重要，若黏结面处理不好，将成为渗漏水通道.王楠等[12]研究了ECC与既有普通混凝土黏结面的力学性能，结果表明在无界面剂、无锚筋等增强黏结状态的措施下，单纯通过改变既有普通混凝土构件的表面粗糙度和抗压强度可使ECC与其黏结面的劈裂抗拉强度、剪切强度分别达到普通混凝土相应强度的72.8%和52.9%以上.Wang等[13]和Sahmaran等[14]发现界面剂、既有混凝土强度和表面粗糙度是影响ECC与既有混凝土黏结面抗剪强度的主要因素，各处理条件下的黏结面抗剪强度差异超过60%，而即使在最优黏结面处理条件下，黏结面抗剪强度也仅为ECC的57%.Tayeh等[15]和Muoz等[16]的研究结果显示钢纤维混凝土与普通混凝土黏结面的劈裂抗拉强度在最优黏结面处理条件下仅为钢纤维混凝土的23%～43%.现有对于ECC-混凝土黏结面力学性能的研究已较为全面，虽然ECC与既有混凝土黏结面的抗剪强度及劈裂抗拉强度未能达到较高水平，但不影响工程应用[13-17].在针对混凝土黏结面抗渗性能的报道中，李平先等[18]和Qian等[19]对传统新-老普通混凝土试件开展了水压渗透法试验，结果表明既有混凝土表面粗糙度、界面剂种类和基底混凝土的抗压强度及养护时间等因素是影响黏结面渗透性能的主要因素.高丹盈等[20]使用同样的试验方法研究了钢纤维混凝土与普通混凝土黏结面的抗渗性能，发现当钢纤维体积分数为1.5%～2.0%时，钢纤维对黏结面抗渗性能的改善效果最好，增益比达到27%.Tayeh等[15]发现钢纤维混凝土与普通混凝土黏结面具有较好的抗渗性能，其抗渗性能比普通混凝土高46%.上述研究成果集中在ECC与混凝土黏结面力学性能、传统混凝土抗渗性能方面.虽有部分成果涉及到钢纤维混凝土与普通混凝土黏结面抗渗性能，但尚没有针对聚乙烯醇纤维增强混凝土(PVA-ECC)与普通混凝土黏结面抗渗性能及其影响因素的试验报道.此外，混凝土在高孔隙水压渗透后其黏结面力学性能会有所下降[21]，而此类黏结面渗水后的劈裂抗拉性能目前尚不明确.基于此，本文结合现有混凝土黏结面性能研究成果，采用相对渗透系数法和劈裂抗拉法，开展PVA-ECC与既有普通混凝土黏结面的抗渗性能和渗水后劈裂抗拉试验，分析界面处理方式、界面剂种类和养护时间对PVA-ECC与既有普通混凝土黏结面抗渗性能和黏结性能的影响，以期为工程应用提供科学指导.1 PVA-ECC与普通混凝土抗渗及劈裂抗拉试验由于聚乙烯醇(PVA)纤维具有抗拉强度高、弹性模量高、与水泥化学相容性良好以及与水泥基材间界面黏结力良好等特点[22]，本次试验采用PVA纤维来制作ECC(以下统称PVA-ECC).在进行PVA-ECC与既有普通混凝土界面渗透试验之前，先确定PVA-ECC和普通混凝土材料本身的抗渗性能.根据GB/T 50108—2008《地下工程防水技术规范》的要求，地下结构常采用抗渗等级不低于P8的防水混凝土，换算成渗透系数不超过2.61×10-11m·s-1[23]，因此，既有普通混凝土(NC)选用公路隧道衬砌常用C25抗渗混凝土.以往研究发现，水灰比(质量比，下同)对混凝土的抗渗性能有较大影响，因而选取了极限拉伸应变为3%～6%，但水灰比不同的2种PVA-ECC进行试验，其水灰比分别为0.57和1.03[24]，记作低水灰比PVA-ECC(EL)和高水灰比PVA-ECC(EH).普通混凝土(NC)和2种水灰比PVA-ECC的配合比见表1.其中，PVA-ECC采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥、标准石英砂、Ⅰ级粉煤灰、聚羧酸高效减水剂和Kuraray公司生产的PVA纤维来制备. 按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的相对渗透系数法对标准抗渗试件进行试验.采用GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的劈裂抗拉试验方法测定完成加压试件的劈裂极限力和断面的平均渗水高度.通过式(1)计算混凝土的平均渗透系数K：(1)式中：Dm为平均渗水高度，m；H为水压力，以水柱高度表示，m；t为恒压时间，s；a为混凝土的吸水率，一般为0.03.文中混凝土的平均渗透系数K以1组6个试件测试值的平均值作为试验结果.普通混凝土(NC)、低水灰比PVA-ECC(EL)和高水灰比PVA-ECC(EH)的抗渗及劈裂抗拉试验结果见表1.表1 材料配合比及试验结果Table 1 Mix proportion of materials and test resultsMaterialMix proportion(by mass)CementFly ashSandCoarse aggregateWaterWater-reducing agentFiberK/(m·s-1)Splitting ultimate force/kNNC1.00000.20003.00004.20000.66000.006009.15×10-12101.40EL1.00001.20000.72000.57000.00300.03792.40×10-13205.60EH1.00001.72000.70001.03000.00100.05513.19×10-11217.10由表1可见：EH试件在抗渗试验过程中完全渗透，渗透系数为3.19×10-11 m·s-1，而NC和EL试件在抗渗试验过程未有水渗出，测得其渗透系数分别为9.15×10-12，2.40×10-13 m·s-1；渗透试验后EH试件的劈裂极限力为217.1kN，EL试件的劈裂极限力为205.6kN，前者比后者高出5.6%，而NC试件的劈裂极限力为101.4kN，明显小于PVA-ECC试件.综上，EH试件有较高的劈裂极限力但其抗渗性能不能满足要求，因此下文仅开展低水灰比PVA-ECC与普通混凝土界面抗渗及劈裂抗拉试验.2 PVA-ECC与普通混凝土黏结面抗渗及劈裂抗拉试验PVA-ECC与普通混凝土黏结面抗渗及劈裂抗拉试验设计了11组试验工况，共计66个圆台形复合试件.各工况每组取6个试件测量值的平均值作为该工况的试验结果.分别考察界面处理方式、界面剂种类和养护时间对PVA-ECC与普通混凝土黏结面抗渗性能的影响.复合试件尺寸及界面设置如图1所示.试验采用3种方式对既有普通混凝土表面进行处理：(1)无处理平界面(W)，即仅用钢丝刷清除既有普通混凝土半圆台试件表面的污物；(2)刷毛平界面(S)，即选用在既有普通混凝土半圆台试件表面刷毛的处理方式[25]，刷去表面水泥砂浆露出的粗骨料(平均灌砂深度为2～3mm)[18]，以确保界面达到最大粗糙度时不损伤界面[20]；(3)波纹型界面(B)，即采用波纹板模具(图1(b))制成波纹型界面混凝土半圆台试件，波纹尺寸为波峰(波谷)间距60mm，波纹起伏度15mm.图1 PVA-ECC-普通混凝土复合试件尺寸及界面设置Fig.1 Size and interface setting of PVA-ECC-NC composite specimen(size:mm)试验采用3种工程中常用的界面剂[18]，分别为水泥净浆(J)、膨胀水泥浆(P)和环氧树脂界面剂(H).各界面剂配合比见表2.表2 界面剂配合比Table 2 Mix proportion(by mass) of interfaceagentsInterfacial agentCementFly ash(class Ⅰ)WaterUEA expansive agentEpoxy resin(liquid)Epoxy resin(powder)Cementpaste(J)1.00.10.4000Cement expansion paste(P)1.00.10.40.100Epoxy resin interface agent(H)00001.05.0各界面处理方式下既有普通混凝土半圆台试件及PVA-ECC-普通混凝土复合试件见图2.PVA-ECC-普通混凝土复合试件制作及试验过程如下：(1)在抗渗试模中放置1片梯形薄钢板或梯形波纹板，将抗渗试模隔成2半，然后在隔板1侧浇筑普通混凝土形成普通混凝土半圆台试件，标准养护28d后备用；(2)将普通混凝土半圆台试件按上述3种方式进行界面处理后，在水池中浸泡2h使界面充分湿润，取出清洗干净，得到图2(a)，(b)，(c)所示半圆台试件；(3)在既有混凝土半圆台试件表面涂抹界面剂，放置在抗渗试模中，然后在另一侧浇筑PVA-ECC，振捣密实后抹平表面，常温覆膜放置48h后脱模，标准养护28d即制成PVA-ECC-普通混凝土复合试件(图2(d)).在HS-4S型数显抗渗仪上对PVA-ECC-普通混凝土复合试件进行水压渗透.采用劈裂抗拉试验方法将完成加压的试件沿黏结面劈开，测定劈裂面的渗水高度和劈裂极限力，计算其渗透系数.沿中轴面分别劈开试件的普通混凝土侧和PVA-ECC侧，观察材料内部渗水高度.图2 各界面处理方式及PVA-ECC-普通混凝土复合试件Fig.2 Interface treatments and ECC-concrete composite specimen3 试验结果分析3.1 界面渗透及黏结特征图3展示了部分典型PVA-ECC-普通混凝土复合试件渗水试验后的照片，图中各试件剖面的平均渗水高度用白线标出.由图3可见：除个别试件外，PVA-ECC侧的渗水高度均低于普通混凝土侧，PVA-ECC侧的渗水高度则一直保持在较低水平(1～2mm)，可见通过合适的界面处理，复合试件的黏结面不会成为渗透的薄弱环节(图3(a))；采用不同界面处理方式的复合试件在其黏结面处的渗水高度各不相同，而不同试件的普通混凝土侧、PVA-ECC侧的渗水高度差异不大.同样的规律也出现在其他工况的复合试件中，说明界面处理方式对黏结面的抗渗性能有影响.在渗水后试件的黏结面劈裂抗拉试验中发现，PVA-ECC-普通混凝土复合试件的破坏面均发生在紧贴既有普通混凝土侧的黏结面上，说明与界面剂黏结的既有普通混凝土薄层是黏结界面的薄弱环节.图3 渗水试件照片Fig.3 Photos of permeated specimens in various working conditions3.2 界面处理方式的影响各界面处理方式下，试件黏结面的平均渗水高度标准差为9.5～36.2mm，其渗透系数见图4.由图4可见：除W-H试件外，其余复合试件黏结面的抗渗性能均强于普通混凝土本身.这是因为W-H试件采用了无处理平界面，而界面剂H凝固时的体积变化较大且变化不均匀，可能导致黏结面出现微缝隙，降低了黏结面的抗渗性能.由图4还可知，刷毛平界面S的平均渗透系数最小，波纹型界面B次之，而无处理平界面W最大，其3种界面处理方式下试件的平均渗透系数分别为1.70×10-12，3.99×10-12，7.81×10-12m·s-1.刷毛处理的黏结面抗渗性能最佳，这是由于粗糙界面增大了机械啮合力，使得黏结更紧密.图4 各界面处理方式下试件黏结面渗透系数Fig.4 Permeability coefficients of specimen bonding interface with different interface treatments各界面处理方式下，试件界面的劈裂极限力标准差为5.9～32.4kN，其劈裂极限力对比如图5所示.由图5可见，刷毛平界面S渗水后，3种界面剂处理的试件黏结面平均劈裂极限力最大，为73.11kN，无处理平界面W次之，为60.86kN，波纹界面B则仅为57.39kN，前者劈裂极限力分别比后两者高20.1%和27.4%，表明界面粗糙度对其黏结性能有直接影响.界面粗糙度越高，界面间的接触面积越大，界面间的机械啮合力和界面化学作用力越强.波纹型界面B的劈裂极限力与无处理平界面W仅相差6%，表明波纹界面B黏结性能与无处理平界面W大致相当，波纹型界面处理方式对提高界面黏结性能没有明显贡献.图5 各界面处理方式下试件黏结面劈裂极限力Fig.5 Interfacial splitting ultimate force of specimen bonding interface with different interface treatments3.3 界面剂种类的影响由图4可见，采用界面剂P的黏结面抗渗性能优于其他2种界面剂，其平均渗透系数仅为1.69×10-12 m·s-1，界面剂J次之，为5.41×10-12 m·s-1，界面剂H最大，为6.39×10-12 m·s-1.这是由于膨胀水泥浆P所具有的微膨胀性抑制了混凝土干缩时基体内产生的微裂缝，减少了水的渗流通道，从而提高了黏结面的抗渗性能.水泥净浆J在搭配3种界面处理方式时的黏结面抗渗性能虽不及膨胀水泥浆P，但均比普通混凝土本身的渗透系数小，不会成为抗渗的薄弱环节.环氧树脂界面剂H在搭配3种界面处理方式时的渗透性能差异较大，对于S-H试件，其黏结面抗渗性能接近S-P试件黏结面的抗渗性能.由图5可见，采用界面剂H的黏结面平均劈裂极限力最大，为72.42kN，界面剂P次之，为66.72kN，界面剂J最低仅为52.22kN.所有复合试件中，S-H试件黏结面劈裂极限力最大，能达到普通混凝土劈裂极限力的83.2%.界面剂种类对黏结面劈裂极限力与抗渗性能的影响有所不同：从抗渗性能看，膨胀水泥浆界面剂最佳；从劈裂性能来看，环氧树脂界面剂最优.3.4 养护时间的影响在上述试验结果中，S-P试件黏结面呈现较好的抗渗性能和黏结性能，且由于膨胀水泥浆材料易得、界面刷毛处理施工难度小等特点，使得其具有非常强的工程实用价值.基于此，进一步开展养护时间对S-P试件黏结面抗渗性能及劈裂极限力的影响试验.分别制作1组S-P试件及1组普通混凝土试件，每组6个试件，试件制作方法同前，养护14d后进行抗渗及劈裂抗拉试验，并与养护28d试件的试验结果进行对比，如图6所示.图6 不同养护时间下S-P试件的试验结果Fig.6 S-P specimen interface test results under different curing times由图6(a)可知，普通混凝土试件的渗透系数在养护14d时为10.64×10-12 m·s-1，而在28d时降低到9.15×10-12 m·s-1，降低了14.0%.S-P试件黏结面的渗透系数在养护28d时比养护14d时降低了75.2%.说明养护时间越长，混凝土本身以及S-P试件黏结面的抗渗性能越好，而且S-P试件黏结面抗渗性能的提升比普通混凝土更明显.由图6(b) 可知，普通混凝土和S-P试件的劈裂极限力随养护时间的增加而增大，养护28d的普通混凝土劈裂极限力比养护14d的提高了13.3%，S-P试件则提高了35.0%.3.5 PVA-ECC与普通混凝土黏结面抗渗性能与抗拉强度的关系以上述PVA-ECC与普通混凝土黏结面的试验数据为样本(其中，W-H试件黏结面试验数据差异较大，舍弃该工况)，得到渗透系数与劈裂极限力之间的关系散点图，见图7.通过一元线性回归拟合，可得回归方程为：y=-0.1566x+13.1510(2)其相关系数R=0.8358，通过一元线性回归法中相关系数R与置信度关系检验，可知其置信度达到99%，说明PVA-ECC与普通混凝土黏结面抗渗性能与渗水后劈裂极限力之间存在线性关系，其渗透系数随劈裂极限力增加呈线性减小.图7 界面渗透系数-劈裂力关系Fig.7 Relationship of interfacial permeability coefficient and splitting ultimate force4 结论(1)界面处理粗糙度越高，PVA-ECC与既有混凝土黏结面抗渗性能就越好，劈裂极限力也越大.界面剂对黏结面抗渗性能的影响与劈裂极限力不同，膨胀水泥浆处理的黏结面抗渗性能最好，而环氧树脂界面剂处理的黏结面劈裂极限力最大. (2)随着养护时间的增加，S-P试件黏结面的渗透系数下降了75.2%，劈裂极限力提高了35.0%.可见，确保界面剂的充分水化凝结对于黏结面黏结性能的提升十分重要.(3)PVA-ECC与普通混凝土黏结面的渗透系数与渗水后劈裂极限力呈线性关系，且随劈裂极限力增大而减小.(4)低水灰比PVA-ECC本身的抗渗性能和黏结性能明显优于普通混凝土，在合理的界面处理方式下，PVA-ECC与普通混凝土黏结性能好，黏结面抗渗性能已超过普通混凝土本身，在地下结构等加固与修复中有巨大应用优势.参考文献：【相关文献】[1] 张顶立.隧道及地下工程的基本问题及其研究进展[J].力学学报,2017,49(1):3-21.ZHANG Dingli.Essential issues and their research progress in tunnel and underground engineering[J].Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(1):3-21.(in Chinese)[2] 罗鑫.公路隧道健康状态诊断方法及系统的研究[D].上海：同济大学,2007.LUO Xin.Research on quantitative diagnosis method and system for health condition of highway tunnel[D].Shanghai:Tongji University,2007.(in Chinese)[3] 邹育麟,何川,周艺,等.重庆高速公路现役营运隧道渗漏水病害统计及成因分析[J].公路交通科技,2013,30(1):86-93,101.ZOU Yulin,HE Chuan,ZHOU Yi,et al.Statistics and cause analysis of leakage diseases in operating expressway tunnels in Chongqing[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2013,30(1):86-93,101.(in Chinese)[4] 董飞,房倩,张顶立,等.北京地铁运营隧道病害状态分析[J].土木工程学报,2017,50(6):104-113.DONG Fei,FANG Qian,ZHANG Dingli,et al.Analysis on defects of operational metro tunnels in Beijing[J].China Civil Engineering Journal,2017,50(6):104-113.(in Chinese)[5] 徐世烺,李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].土木工程学报,2008,41(6):45-60.XU Shilang,LI Hedong.A review on the development of research and application of ultra high toughness cementitious composites[J].China Civil Engineering Journal,2008,41(6):45-60.(in Chinese)[6] 徐世烺,李贺东.超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究[J].土木工程学报,2009,42(9):32-41. 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工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)耐久性能研究进展及应用
高其 韧性 ， 从而 有 效 地抑 制 裂 缝 的形 成 和 发展 。工 程 纤 维增 强水 泥基 复合材 料 （ Ｅ Ｃ Ｃ） 具有 较 高 的延 性
２ Ｅ Ｃ Ｃ耐 久 性 能试 验研 究
２ ． １ 抗 收缩 性能试 验
和裂缝 控制 能力 ， 大 大 改 善 了水 泥基 材 料 的抗 裂性 能¨ ， 是有 望解 决工 程结 构 耐 久 性 问题 的一 种 新 型
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ＆ Ａｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｂｕｉ ｌ ｄ ｉ ｎｇ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ
性 和 良好 的裂 缝控 制 能 力 ¨ ３ Ｊ ， 它 的韧性 与铝 合 金 非
・
８・
裂 作用 ， 使 得 试 件 内部 应 力 能 稳 定 地 传 递 并 扩 散 。 另 一方 面 ， 纤维 可 以挤压 甚 至阻塞 砂浆 内的毛 细管 ， 使 砂浆 表 面失水 面 积减 少 ， 水 分迁 移 困难 ， 降低 毛 细
公司， 山西 太原
摘
４ ５ ４ ０ ０ ３ ； ２ ． 中化 二建 集 团有 限
０ ３ ０ ０ ２ １ ）
要： 普通钢筋混凝 土结构存 在着严 重 的耐久性 问题 ， 工
常相似 ］ 。图 １ 为Ｐ Ｖ Ａ纤 维体 积掺 量 为 ２ ％的 Ｅ Ｃ Ｃ 在 单轴 拉伸 荷载 作用 下 的典型 应力 一应 变 曲线 。
ECO-ECC的制备技术、性能、微观机理及仿真分析的开题报告
ECO-ECC的制备技术、性能、微观机理及仿真分析的开题报告一、研究背景随着环境污染和气候变化问题的日益严重，绿色环保材料的研究和开发越来越受到关注。
ECO-ECC是一种新型的环保水泥基复合材料，是在传统高性能混凝土的基础上加入了再生纤维和化学掺合料，其力学性能和耐久性能都有非常显著的提高，且完全符合环保要求。
因此，ECO-ECC在建筑结构、道路桥梁、环保绿化等领域都有广泛的应用前景。
目前国内外对于ECO-ECC的研究较为少见，其制备技术、性能、微观机理以及仿真分析的研究也尚未深入展开。
因此，本文旨在对于ECO-ECC的研究进行深入探究，以期为其在实际应用中提供可靠的基础和理论支撑。
二、研究内容1、制备工艺研究：针对传统高性能混凝土的配合比和工艺，结合再生纤维和化学掺合料的特性，研究出ECO-ECC的最佳配合比和制备工艺。
2、性能测试研究：对于制备好的ECO-ECC进行力学性能测试和耐久性能测试，分析其强度、抗裂性、抗冻融性、耐化学腐蚀性等各方面性能指标。
3、微观结构分析研究：通过扫描电镜、X射线衍射仪等技术对于ECO-ECC的微观结构进行分析，探究其材料内部的结构特征和组成比例。
4、仿真分析研究：利用有限元软件对于ECO-ECC的受力性能及断裂机理进行数值仿真，为其在实际应用中提供理论指导。
三、研究意义和创新性1、ECO-ECC是一种新型的环保材料，其研究和开发对于解决环境污染和气回收问题具有重要意义。
2、本文对于ECO-ECC的制备技术、性能测试、微观结构分析以及仿真分析进行深入探究，为其在实际应用中提供了理论指导和技术支撑。
3、本文考虑到环境保护和可持续发展，在ECO-ECC的制备过程中加入了再生纤维等环保元素，是一项非常具有创新性和可持续性的研究工作。
四、研究方法1、基础试验：包括混凝土配合比的确定、性能测试、微观结构分析等；通过实验数据的分析和处理，得出ECO-ECC的基本性质和特点。
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混凝土设计强度等级 Ｃ３０
中原工学院学报
表 １ 混 凝 土 配 合 比
水泥
砂
４０７ｋｇ·ｍ－３
６４０ｋｇ·ｍ－３
２０１９ 年 第 ３０ 卷
石子 １１３８ｋｇ·ｍ－３
水 ２１５ｋｇ·ｍ－３
ＥＣＣ 设计强度等级 Ｅ４０
ＰＶＡ 纤维 ２４ｋｇ·ｍ－３
表２ ＥＣＣ 配合比
水泥
第 ３０ 卷 第 ４ 期 ２０１９ 年 ８ 月
中原工学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＯＮＧＹＵＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１９
文 章 编 号 ：１６７１－６９０６（２０１９）０４－００４９－０６
ＥＣＣ 与既有混凝土粘结界面抗剪性能研究
本文拟对 ＥＣＣ 与原 混 凝 土 Ｚ 型 粘 结 试 件 进 行 试 验研究，分析４种不同类型的界面粗糙度对 ＥＣＣ 与 原
混凝土界面粘结抗剪性切能的影响规律。
１ 试 验 概 况
１．１ 试 验 材 料 所用材料为老混凝土，它为提前浇筑的一批尺寸为
１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１５０ｍｍ 的普通混凝土试块。老混 凝土由以下材料组成：普 通 硅 酸 盐 水 泥 Ｐ·Ｏ４２．５；细 骨料，为最大粒径５ｍｍ 普通河砂；粗骨料，为粒径５～ ２５ｍｍ 的碎石；普通自来水。混凝土２８ｄ抗压强度为 ３４．２６ ＭＰａ，其配合比如表１所示。
收 稿 日 期 ：２０１９－０７－０３ 引文格式：魏鹏，周明洋．ＥＣＣ 与既有混凝土粘结界面抗剪性能研究［Ｊ］．中原工学院学报，２０１９，３０（４）：４９－５４．
ＷＥＩ Ｐｅｎｇ，ＺＨＯＵ Ｍｉｎｇｙａｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｂｏｎｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ＥＣＣ ａｎｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９，３０（４）：４９－５４（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）．
魏 鹏１，周 明 洋２
（１．河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 ４５４００３；２．中铁北京工程局集团有限公司机场工程分公司，北京 １０００００ ）
摘 要： 为研究工程纤维增强水泥基复合材料（ＥＣＣ）与既有混凝土粘结界面 的 抗 剪 切 性 能，对 ２４ 个 ＥＣＣ 与 既 有 混 凝 土 Ｚ型粘结试件和６个混凝土 Ｚ型整体试件进行抗剪切性能研究，考察界面粗糙度对 ＥＣＣ 与既有混凝土粘结 剪 切 性 能 的影响，并建立抗剪切性能与界面粗糙度的函数关系表达 式。结 果 表 明：抗 剪 切 性 能 与 界 面 粗 糙 度 成 线 性 关 系 ，界 面 粗 糙度的增加能明显地提高试件的抗剪切强度。该研究结果可为今后的 ＥＣＣ 加固混凝土结构研究提供参考。 关 键 词 ： ＥＣＣ；受 剪 性 能 ；界 面 粘 结 ；粗 糙 度 中 图 分 类 号 ： ＴＵ５０２ 文 献 标 志 码 ： Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６９０６．２０１９．０４．０１１
近几年来，我国 的 房 屋 建 筑 因 自 然 灾 害 的 原 因 导 致大量受 损，针 对 受 损 房 屋 的 修 复 加 固 势 在 必 行 。 ［１］ 现在建筑物常用的加 固 方 法 有 增 大 截 面 法、粘 贴 钢 板 加 固 法 、外 加 预 应 力 加 固 法 、增 设 支 点 加 固 法 和 粘 贴 纤 维复合材 料 加 固 法 等 。 ［２］ 但 这 些 方 法 都 存 在 一 些 不 足，如增大截面加固 法 和 增 设 支 点 加 固 法 对 净 空 有 较 大 影 响 ，粘 贴 钢 板 加 固 法 只 适 用 于 受 弯 或 受 拉 构 件 ，外 加预应力法不适用于 高 湿 度 环 境 下 的 混 凝 土 结 构，粘 贴纤 维 材 料 复 合 加 固 法 早 期 对 混 凝 土 构 件 刚 度 提 升 小 。 工 程 纤 维 增 强 水 泥 基 复 合 材 料 （Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，简称 ＥＣＣ）是 一 种 用 于 加 固 的 复 合 材 料 ，具 有 较 高 的 韧 性 、延 展 性 和 耐 久性，同时具有较高的抗裂 性 能 和 裂 缝 控 制 能 力 。 ［３－６］ 将 ＥＣＣ 应用在房屋建筑的修复加固中，可解决现在常 用加固方法存在的问题。然而在用复合材料对既有混 凝土结构进行修复加 固 时，往 往 因 粘 贴 面 两 侧 材 料 在 受力时变形不同步而 产 生 滑 移，导 致 修 复 后 的 构 件 发 生剪切破 坏 。 ［７－９］ 因 此，提 高 修 复 结 构 的 整 体 工 作 性 能，关键在于提高修 复 材 料 与 既 有 混 凝 土 构 件 粘 结 面 的抗剪切能力。
ＥＣＣ配合比强度设计值为４０ ＭＰａ，所用材 料 为水 泥、Ⅰ级粉煤灰、细砂（粒径小于０．６ｍｍ）、ＰＶＡ 纤维（日 本 Ｋｕｒａｒａｙ 公 司 生 产 的 Ｋ－ ⅡＲＥＣ１５ 型，其 性 能 见 表３）、减 水 剂、水。ＥＣＣ２８ｄ 抗 压 强 度 为４２．５ ＭＰａ， 其 配 合 比 如 表 ２。 １．２ 试 件 制 作
为了使粘结试件 截 面 上 的 应 力 分 布 均 匀，且 在 加 载时能保持试件粘结 面 与 加 载 方 向 一 致，结 合 相 关 试 验资料 ，本 ［１０－１１］ 文采 用 Ｚ 型 试 件 对 ＥＣＣ 与 老 混 凝 土 粘结试件和混凝土整体试件的抗剪切性能进行试验研 究。Ｚ 型试件尺寸（单位为 ｍｍ）如图１所示。
砂子
５５５ｋｇ·ｍ－３ ４９０ｋｇ·ｍ－３
粉煤灰 ６８０ｋｇ·ｍ－３
水 ４４７ｋｇ·ｍ－３
减水剂 １．７２％
直径 ３９ ｍｍ
长度 １２ ｍｍ
表３ ＰＶＡ 纤维性能
抗拉强度
极限延伸率
１ ６２０ ＭＰａ
７．０％
弹性模量 ４２．８ＧＰａ
密度 １．２ｇ·ｍ－３