综述：ECC板系统近期趋势的最新综述：性能及其应用

《Hybrid Advances》：A state-of-the-art review on recent trends in ECC slab systems: Performance and its applications

　　

工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites, ECC）因其应变硬化特性、微裂缝机制和延性，已发展成为结构系统中水泥混凝土的潜在替代材料。近年来，ECC已广泛应用于钢筋混凝土（reinforced concrete, RC）板、桥面板、组合板和夹心系统中，以提升其结构性能和使用寿命。已有研究探讨了ECC板的各个单独方面，但将结构性能、耐久性和新兴施工技术相结合的综合综述仍然有限。本文重点介绍了ECC板系统近期进展的最新综述。本综述涵盖了纤维类型及纤维混杂（包括玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维增强聚合物）对加筋ECC板抗弯、抗剪、冲切和粘结性能的影响。总结了钢-ECC组合板、桥面板、连接板、罩面层、夹心系统及3D打印ECC板系统的行为。此外，详细综述了ECC板在火灾、爆炸、冲击、疲劳和冻融循环作用下的行为。

主体部分总结：

**Introduction**
钢筋混凝土（RC）板是传递荷载至竖向支承的关键水平构件，其成本占建筑项目的40%–60%。工程水泥基复合材料（ECC）作为一种高延性纤维增强材料，具有应变硬化和多裂缝开裂特征，可显著提高板的荷载承载力、延性和能量吸收能力，并将破坏模式由脆性转为延性。ECC可降低结构自重约24%，提高承载力约29%，同时减少钢筋用量。

**2. Objective and outline of the review**
基于Scopus数据库的文献检索，识别出1987至2026年7月间4157篇ECC相关文献，其中223篇专门研究ECC板系统。现有综述多将ECC板作为更广范围的一部分，缺乏针对ECC板系统结构性能与应用的综合整合。本综述聚焦于ECC板系统，涵盖加筋板、组合板、罩面层、桥面与连接板、夹心板、极端荷载、耐久性、3D打印及数值模拟等主题。

**3. Reinforced ECC slabs**
ECC通过纤维桥接作用在受弯时形成微裂缝网络，提高抗弯承载力。与1.02%配筋率的加筋ECC板相比，无筋ECC的受弯承载力低约40%；配筋率增至约1.88%可改善裂缝分布并提高延性。ECC与钢筋的粘结强度比普通混凝土高18%，且可延缓冲切破坏，使延性系数达2.4–6.4。纤维增强聚合物（FRP）筋，如玻璃FRP（GFRP）、玄武岩FRP（BFRP）和碳FRP（CFRP），能进一步控制裂缝宽度并提高变形能力。

**3.1. Transition between flexural and punching/shear failure in reinforced ECC slabs**
ECC的应变硬化特性可延缓裂缝局部化，使板在冲切或剪切破坏前经历显著的延性弯曲变形。配筋率、ECC拉伸应变能力、板厚和剪跨比（S/d）是控制破坏模式的关键参数。当弯曲承载力低于冲切抗力时，板呈现延性弯曲响应；增加配筋率或ECC厚度可能将控制机制转向剪切或冲切破坏，因此需进行相应验算。

**4. Composite steel-ECC slab systems**
钢-ECC组合板在负弯矩下表现出良好延性，ECC可限制裂缝宽度（≤0.12 mm）并将界面滑移降低42%。ECC板厚增加可提高极限荷载，但增加幅度递减；减小混凝土保护层厚度（35 mm至25 mm）可使峰值荷载提高21%–25%。剪力连接件的数量和间距对组合作用至关重要，端部锚固栓钉可提高纵向抗剪强度。

**5. ECC overlay slabs**
ECC罩面层具有高拉伸应变能力（可达4%），与基底混凝土的粘结强度随界面粗糙度增加而提高（粗糙度2 mm至6 mm时，拉伸粘结强度从4.2 MPa增至5.8 MPa）。ECC罩面层可降低应力、提高疲劳寿命，并减少碳足迹和能耗。薄层ECC罩面层比厚层更具成本效益，且利用再生骨料可进一步改善可持续性。

**6. ECC bridge deck slabs and link slabs**
ECC桥面板和连接板利用其高拉伸应变能力控制裂缝宽度（<0.2 mm），并维持结构连续性。增加ECC厚度可提高抗弯承载力但降低延性。无接缝ECC连接板在40%–50%应力水平下可承受4×10⁵次疲劳循环，且能耗和碳足迹分别降低40%和33%。轻质ECC可降低24%自重，同时提高29%承载力。

**6.1. Design considerations for ECC bridge decks and link slabs**
ECC拉伸应变能力是连接板设计的主要参数，通常需大于4%。配筋率需平衡裂缝控制与转动能力，脱粘长度约为跨度的5%，过渡区需配置额外钢筋以确保应力平顺传递。裂缝宽度通常控制在0.1–0.2 mm，疲劳设计需考虑应力水平和循环次数。

**7. Sandwich and hybrid ECC slabs**
夹心和混合ECC板系统将ECC置于受拉或受压关键区域，如顶部罩面层、底部拉伸层或钢板之间的芯层。使用GFRP、BFRP网格可防止层间剥离，提高承载力和刚度。碳化ECC夹层可提高抗弯强度32%，并在长期服役中保持性能。合理配置ECC层位置能够平衡强度、耐久性和重量。

**8. Elevated-temperature/fire performance**
ECC板在火灾后残余强度显著降低（48%–58%），主要因聚合物纤维熔融形成通道释放蒸气压力。聚丙烯（PP）纤维能有效减少爆裂，而聚乙烯纤维在高温下熔化但可能引发爆裂。混杂纤维系统（如钢纤维与PP纤维）可提高高温后残余性能。温度超过400 °C后，ECC基体脆性增加，强度大幅下降。

**9. Impact and blast resistance**
ECC通过应变硬化和多微裂机制消散冲击能量，抑制剥落。在接触爆炸下，混杂纤维ECC的坑蚀和剥落宽度比常规RC分别降低53.6%和41%。提高ECC板厚度可增强抗爆能力，40 mm厚板可保持整体性。冲击试验表明，ECC的能量吸收能力优于普通纤维混凝土，但高速冲击下完整性较差，添加钢纤维可改善动态冲击强度。

**10. Fatigue behavior of ECC slab**
ECC的纤维桥接作用控制裂缝宽度（<50 μm），在1×10⁵次循环后依然紧凑。连接板在40%–50%峰值荷载下可承受4×10⁵至1×10⁶次循环，混杂纤维ECC板甚至可承受1×10⁷次循环。ECC的疲劳寿命比普通路面混凝土高4.7–7倍。疲劳损伤表现为全深度开裂和刚度退化，但ECC在20×10⁶次循环后仍能保持结构完整性。

**11. Durability of ECC slabs**
ECC的窄裂缝（<100 μm）和低渗透性赋予其优异的抗腐蚀性能。冻融循环会削弱纤维-基体粘结，但掺入粗骨料可提高抗冻融能力。长期现场数据表明，ECC板在寒冷地区服役14年后强度下降10%，而在温暖地区强度反而增加24%。氯化物渗透与裂缝数量线性相关，控制裂缝宽度是保证耐久性的关键。

**12. Recent advances in sustainable and high-performance ECC/SHCC for future slab applications**
可持续ECC/SHCC采用再生骨料、再生纤维和碳化养护，可同时实现高强度（>120 MPa）和高拉伸应变（>5%），并显著降低材料成本和碳足迹。例如，再生PET骨料可提高拉伸延性和能量吸收，回收轮胎纤维可降低成本和能耗。这些材料特性有望用于更薄、更耐久的未来板系统。

**13. 3D printed ECC slab**
3D打印ECC利用纤维提供自增强作用，弥补传统打印混凝土难以布置钢筋的缺陷。纤维方向和打印路径导致各向异性，影响拉伸性能。3D打印ECC板可减少30%–36%自重，并实现延性破坏。聚乙烯纤维在打印中产生拔出破坏，而PVA纤维则发生断裂。添加纺织网格或CFRP网格可显著提高强度和延性。

**14. Analytical and finite element models of ECC slab**
有限元（FE）模型需准确表征ECC的拉伸应变硬化和多裂缝行为。已开发的模型成功预测了钢-ECC组合板、连接板和3D打印ECC板的荷载-变形响应，预测与试验比值多在0.9–1.1范围内。但模型参数常依赖于特定混合料，跨尺度验证和不同配合比间的可转移性仍是挑战。

**15. Summary of the ECC slab systems**
参数研究显示，配筋率从0%增至1.02%可提高抗弯承载力40%，但高配筋率可能转向剪切破坏。ECC板厚增加可提高极限荷载（如增加83%），但增幅递减。界面粗糙度从2 mm增至6 mm可使粘结强度提高38%；混凝土保护层从35 mm减至25 mm可提高峰值荷载21%–25%。冲切承载力提高约18%，后峰值变形能力提高33%–76%。

**16. Relationship between ECC material properties and slab-level structural performance**
ECC的拉伸强度和应变能力分别控制裂缝萌生和开裂后变形，而纤维类型、掺量和基体性能影响裂缝宽度和延性。拉伸应变能力与板极限承载力并非线性相关，实际响应受配筋率、冲切、界面等因素制约。纤维体积过高可能损害工作性和分散性，需根据目标结构性能优化。

**17. Comparison of full-depth and localized ECC slab configurations**
全深度ECC板可提供最大延性和裂缝控制，但材料用量高。ECC罩面层、拉伸层和局部条带可有效减少材料用量，适用于修复和加固。夹心及钢-ECC组合板则结合了ECC延性与传统材料的刚度，需注意界面粘结与应力传递。

**18. Priority Research Needs and Future Directions**
未来研究应建立标准化的材料表征方法、开展足尺结构试验、研究界面行为与组合作用、评估长期疲劳和耐久性、深化极端荷载下的性能、提高数值模型的可转移性、发展3D打印ECC板的设计方法，以及进行生命周期评价和可持续性评估。

**19. Conclusion**
ECC板系统通过高拉伸应变、多裂缝和可控裂缝宽度显著改善了结构性能和耐久性。设计应基于系统级性能方法，根据结构需求选择配置方式（全深度、罩面层、夹心或组合）。目前仍缺乏统一设计规范，足尺和长期验证数据有限。

**20. Limitation of the study**
本综述未进行系统的生命周期评价（LCA）或碳分析，未来研究需从全生命周期角度比较不同ECC板构型与传统系统的可持续性。