科普竞赛优秀文章3|一种“更聪明的混凝土”——ECC
“土木工程的重大进展一定是基于土木工程材料的重大进步而取得的。”
——岳清瑞院士
传统混凝土由于脆性较大,在长期服役过程中易在机械载荷与环境因素共同作用下产生裂缝,进而引发结构损伤。因此,在荷载和复杂环境的耦合作用下,混凝土结构常面临开裂、剥落等耐久性挑战。相比之下,工程水泥基复合材料(ECC)具备优异的拉伸韧性和多缝开裂特性,即使发生开裂也能保持良好的承载能力与功能完整性,显著提升结构的耐久性与服役安全。犹如为混凝土披上了一层“韧性护甲”,ECC在提升结构延性、抑制裂缝扩展方面表现出色,正逐步成为土木工程领域提升结构耐久性与服役安全性的有力支撑。其优异的力学性能和裂缝控制能力,为基础设施在复杂服役环境下提供了更加可靠的材料保障。


ECC是什么?
工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,简称ECC)是基于微观力学设计,在拉伸或剪切荷载下呈现高延展性的一种材料。与普通纤维增强混凝土不同,ECC拉伸初裂后的非弹性变形中呈现多缝开裂,是一种具有高韧性和优异抗裂性能的材料。独特的配比设计和纤维的加入(如聚乙烯纤维),使其具备良好的延展性和自愈合能力。

▲ ECC的制备--基体
(水泥、粉煤灰、石英砂…)+ 纤维
ECC的优点
力学性能优良:高强度、高韧性(极限拉应变可达到3%以上)、高抗裂性、优异的裂缝调控能力(平均裂缝宽度能控制在100µm以内)和优异的耐久性。
具有自愈、修复功能:像不小心擦伤手指,皮肤会自动愈合一样,ECC也能“愈合”自身的裂缝。遇到水、空气中的成分时,ECC自动“长出”结晶物把裂缝填上,如同伤口结痂。

▲ECC的拉伸应力-应变曲线

▲ECC与传统混凝土对比

▲ECC自愈合
ECC的应用
ECC在增强结构的安全性、耐久性和可持续性等方面具有明显的优越性。是一种新型的、高性能的建材,广泛应用于桥梁、隧道、抗震结构等工程中,是实现结构耐久性和安全性提升的重要材料之一。



▲ECC的应用
ECC的未来
ECC不仅为传统工程提供了更优的解决方案,还为城市更新和绿色建筑注入了新的活力。未来,ECC将在“大土木”时代继续书写辉煌。
智能:自修复,节省资源和维护成本
环保:固废利用,响应碳中和政策
耐久:为打造宜居、韧性、智慧城市提供保障
普适:组合结构、坝路桥隧、砌体加固、海洋工程