神奇的高延性混凝土
地震灾害是人类面临的最严重的自然灾害之一，造成了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。因此，提高建筑物的抗震能力、减轻地震灾害引起工程界的关注。西安建筑科技大学土木工程学院邓明科教授及其团队研发的高延性混凝土可以抗9级地震。这种抗震“神器”是如何让房子在地震中屹立不倒的，我们一起看看它的神奇之处。
萌生研发提高砌体结构抗震性念头
混凝土材料是世界上研究最多应用最广、其他材料所不能替代的主要土木工程材料之一。高性能混凝土具有高强度、高耐久性、高流动性及高抗渗性等优点，是目前混凝土技术的一个重要发展方向。但混凝土的抗压强度提高以后，其脆性增大，抗拉和抗剪强度相对较低，导致结构延性降低，使混凝土材料的应用范围受到很大限制。砖体结构在我国应用广泛，历史久远，是目前既有结构的主要形式之一，在城乡和村镇建筑中占有重要的地位。但由于砌体的抗拉强度低、抗裂性能差以及材料自身的脆性，导致砌体结构的整体性较差，在大地震中破坏严重，甚至发生倒塌。2008年汶川地震中映秀镇、北川县等高烈度区的中小学砌体结构房屋大量损毁，造成了较大人员伤亡和经济损失。因此，提高砌体结构的抗震性能意义重大。
“当时汶川地震，我作为深入震区的专家之一，看到震后满目疮痍的场景震惊了，房屋夷为平地，尤其是村镇房屋全军覆没，成为一个个砖头，人员伤亡和经济损失惨烈。”西安建筑科技大学土木工程学院教授邓明科说，地震作用下，由于混凝土材料的脆性以及变形能力不足，导致钢筋混凝土框架柱、连梁、剪力墙等构件容易发生剪切破坏，会造成结构严重损坏甚至发生倒塌。回来后心情久久不能平息，一直思考如何突破现有砌体的抗拉强度低、抗裂性能差、材料自身脆弱、砌体结构整体性较差的现状，如何提高砌体结构的抗震性能，避免灾害的再次发生。
邓明科提出了“高延性混凝土构件抗剪机理与设计方法研究”课题。从材料延性出发，利用高延性混凝土的高韧性和高耐损伤能力，针对高延性混凝土“梁、柱、剪力墙”的破坏形态、延性剪切破坏机理、受剪承载力、非线性分析等关键问题，进行系统的试验研究和理论分析，为高延性混凝土在抗震结构中的应用和震后免修复设计提供了科学依据。
利用材料延性提高结构抗震性能
高延性水泥基复合材料(ECC)最早由美国Michigan大学Victor.C.Li教授在1992年提出，配制单位体积的ECC，约50%的水泥可用粉煤灰、硅灰等工业废料取代。经纤维与活性掺合料有效复合，不仅强化了混凝土材料的各项关键性能，还大幅度地提高了结构的耐久性和耐损伤能力，对节约资源和能源，保护生态环境具有重要意义。
历经多年的不懈努力，邓明科和其团队利用陕西当地的材料资源，经过数百次材料试配、纤维界面改性和设计参数调整，成功配制出具有高强度、高韧性、高抗裂性能和高耐损伤能力的高延性混凝土，并系统开展了高延性混凝土抗压韧性、弯曲韧性、抗压强度和尺寸效应的试验研究。邓明科介绍，采用高延性混凝土加固砌体结构，可改善传统砌体结构容易开裂、整体性能差的特点，提高砌体结构的抗震性能，并可用于高烈度区砌体结构房屋抗震设计，还可用于既有砌体结构房屋的抗震加固与修复。另外，与现有加固方法相比，邓明科提出的加固方法施工方便，节省工期，加固费用较低，性价比高。
为实现高延性混凝土制备技术的产业链整合，提高科研工作效率，并快速实现成果转化应用，邓明科与国内相关企业合作研发，率先攻克了高延性混凝土专用纤维的国产化制备关键技术。在此基础上，从材料到构件再到结构，系统、全面地开展了高延性混凝土材料及构件的基本性能研究，将高延性混凝土用于剪力墙连梁、底部塑性铰区、转换大梁、梁柱节点等结构关键部位，并在高延性混凝土加固砌体结构方面取得了突破性研究成果。
抹上“神奇”混凝土 9度地震模型墙体完好
邓明科教授及其研究团队研发的高延性混凝土的加固技术神奇在哪里？据介绍，这是基于微观力学的设计原理，以水泥、石英砂等为基体的纤维增强复合材料。相对于普通混凝土的神奇之处在于高于普通混凝土的受压变形能力和受压韧性，拉伸荷载下更为显著的应变硬化效应，弯曲荷载下表现出超高韧性和多密裂缝开展机制，剪切荷载下破坏模式具有明显的延性特征。
传统房屋，一般是砂浆、泥浆砌起来的，砂浆砖都属于脆性材料，也就是说块与块之间是分散的，没有整体性，而研发出的高延性混凝土，它与普通混凝土相比最大的优势是具有很好的延展性，不仅强度高，还韧性好，抹上它之后，就形成了一个整体，就好比让传统的砌体结构穿上了具有韧性还很坚强的外衣一样。而且它跟砖的黏贴性很好，就像通过钢板把整个墙钉住一样，这样就能利用高延性混凝土材料本身良好的延展性在地震中让房屋保持很好的完整性了。在使用时是很方便的。传统房屋砌完墙后，在表面抹灰时不要抹砂浆，只要抹上1.5厘米的高延性混凝土就够了，即使达到汶川地震震中的强度，房屋也不会出现裂缝，更不会出现坍塌。
经过模拟地震振动台的试验就能清楚地看到高延性混凝土（HDC）的神奇了。模型为1:2缩尺的二层临街商铺砌体结构。模型是已进行两次振动台试验的受损结构，一层两端山墙严重受损且出现贯通交叉裂缝，几近丧失承载力情况下。在模型一层两侧山墙和背立面纵墙压抹10mmHDC面层。试验结果显示，穿上“HDC外衣”后，模型在9度罕遇地震下屹立不倒，HDC面层几乎没有发现裂缝；HDC面层对墙体的约束作用使模型在9度罕遇地震下保持较好完整性；试验中通过测得结构的周期和频率在经历小震、中震、大震后基本无变化。说明HDC耗散了大量的地震能量，模型基本没有损伤。
已在多个省市得到应用
起初，研制高延性混凝土这种新材料的初衷是因2008年汶川地震中砌体结构大面积毁坏，这次的九寨沟地震也是如此，给国家和人民带来了巨大的生命和财产损失，砌体结构的加固势在必行。在西安市碑林环大学创新产业带管理委员会的支持和其团队的努力下，邓明科教授和他的团队在高延性混凝土研究领域获得国家发明专利20项，实用新型专利20项。据了解，2014年4月，陕西省科技厅对“高延性混凝土加固砌体结构”项目进行了科技成果鉴定，专家评定该项研究成果达到“国际领先水平”；2014年8月，陕西省住建厅对高延性纤维加固砌体结构技术进行专家评审，颁发了陕西省建设科技新技术推广项目证书。
如今，高延性混凝土已成功应用于西安市长安区、蓝田、周至、高陵以及咸阳和宝鸡、延安等部分中小学校舍的抗震加固，以及办公楼、住宅楼、商住楼的加固中。目前，高延性混凝土加固技术已先后在陕西、广东、福建等十余个省市得到应用。
本报记者王嘉
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