高延性水泥基复合材料的制备技术综述

庞超明，Leung Christopher K Y，孙伟

（1.东南大学材料科学与工程学院江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京 211189；2.香港科技大学土木工程与环境学院，香港九龙）

高延性水泥基复合材料的制备技术综述

庞超明1，Leung Christopher K Y2，孙伟1

（1.东南大学材料科学与工程学院江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京 211189；2.香港科技大学土木工程与环境学院，香港九龙）

高延性水泥基复合材料（HDCC）是一种具有应变硬化、多缝开裂和高延性等特性的纤维增强水泥基复合材料．从HDCC材料的设计理论、材料选择、配合比设计、养护等方面综述了HDCC材料的制备技术，分析了制备HDCC时易忽略的几个关键技术，提出了HDCC的制备方法．明确了提高HDCC强度、抗渗性及与之相关耐久性的难度，提出HDCC的制备时，要注意基体强度与断裂韧度发展规律的差异，减少大颗粒材料等提高基体本身及纤维分布的均匀性，制备时可采用使用高掺量低活性粉煤灰，橡胶微粉和EVA乳胶粉、较高水胶比、较高胶砂比、减少养护等降低基体的断裂韧度的措施．基于现有HDCC设计理论及制备技术，要大幅度提高强度和耐久性，选择更匹配的纤维或调整优化纤维性能至关重要．

高延性；纤维增强水泥基复合材料；制备技术；断裂韧度

0 引言

纤维增强水泥混凝土（Fiber reinforced cementitiouscomposites，FRCC）自20世纪40年代发明以来，不同类型的FRCC在世界范围内得到了越来越广泛的应用．传统的FRCC初裂后，很快达到最大拉伸应力，一般仅出现一条主裂缝和少量微细裂缝，在较短时间内应变能维持发展，其最大拉伸应变也仅在0.5%左右．虽然在一定程度上降低了混凝土材料的脆性，其抗拉能力、变形能力、耐动载能力等性能也有较大提高，然而整体上依然呈现出应变软化的特性．

20世纪90年代初，基于微观断裂力学参数和纤维桥接理论，Li V C成功制备出了具有较高的断裂韧度和拉伸应变，呈现出多缝开裂和假应变硬化行为的随机乱向短纤维增强的水泥基复合材料（Random short fiber reinforced cementitious composites，RSFRCC），并称为工程水泥基复合材料（Engineered cementitious composite，ECC）[1]，假延性或高延性水泥基复合材料（Pseudo ductility orHigh ductility cementitiouscomposite，PDCC or HDCC）[2-3]．HDCC是一种具有应变硬化、多缝开裂和高延性等特性的新型纤维增强水泥基复合材料．概念提出之始，是以微观力学参数为基础进行设计，通过取得基体韧度、界面粘结和纤维特性三者的最优组合，实现高延性．其抗压强度在30～50 MPa，抗拉强度在3.0～5.0 MPa，抗拉极限变形达到3.0%～5.0%．HDCC优异的性能也吸引了很多研究者的目光，很多研究者认为，要优化HDCC性能如提高强度和耐久性等非常简单，只需根据传统混凝土制备理论与技术即可实现，然而事实却并非如此．再者，虽然LiVC等已经进行了很多的研究，然而该材料受原材料的性能，复合材料的均匀性等因素的影响较大，即使使用相似的配合比，所制备的水泥基复合材料的性能差异也很大，许多研究者都很难成功制备出具有应变硬化、多缝开裂，且性能良好的HDCC．

1 HDCC的设计理论

FRCC中，纤维对脆性水泥基材料的增强作用，主要由纤维的应力传递过程和纤维的桥接应力决定．纤维与基体间的应力传递分为两个部分：裂缝产生前和裂缝产生后．在两个阶段，应力传递的过程差别很大．在裂缝产生前，纤维和基体成为一个整体，纤维和界面处的基体的纵向位移相容，即产生相同的应变，弹性应力传递占主导，界面处产生剪切应力s，弹性剪切应力沿着纤维与基体界面的分布是不均匀的．由于纤维和基体的弹性模量不同，外荷载应力重分布．故弹性应力传输决定着复合材料的初裂应力．在此阶段，纤维与界面之间存在结合力，纤维处于弹性拉伸阶段．随着荷载的进一步增加，当荷载超过纤维与基体的剪切强度，弹性剪切应力s逐步转变为界面摩擦应力i．随着荷载的进一步增加，s和i在界面区共同作用，纤维从界面处开始脱粘，纤维和基体开始产生相对位移．通常假定摩擦应力沿着纤维基体界面均匀分布，复合材料的极限强度和应变主要由摩擦应力决定[4]．

1992年，Li和Leung提出了纤维桥接理论，该理论认为开裂时纤维的桥接作用避免了开裂处裂缝的急剧增大，并对应力进行传递，同时纤维产生的桥接应力与纤维本身的性能、基体的性能、纤维与基体的界面以及裂缝张开的位移有关[2]，并以微观力学参数为基础，提出了HDCC材料的设计基础[3,5-6]．该理论认为，要使纤维增强水泥基复合材料实现多缝开裂，形成假延性，必须合理的设计材料的基体、纤维及其纤维与基体的界面性能，使基体韧度、界面粘结和纤维特性三者达到最优组合，在开裂后纤维有效桥接裂缝，承担荷载，并随裂缝开展逐渐从基体中拔出，在此过程中荷载反而有所提高，大量新裂缝继续产生，材料经历应变硬化阶段．

f是粘滞因子（Snubbing coefficient），如果纤维斜跨裂缝，纤维垂直于裂缝，摩擦力有所提高．实际上f可视为修正系数，其值越高，纤维越容易断裂[7]；

f'是由于纤维倾斜而导致的表观强度的降低系数．纤维表观拔出强度与纤维的倾斜角有关，随着倾斜角度的增大，其表观强度降低越明显[6]；

要实现水泥基复合材料的应变硬化，形成稳定的多缝开裂，必须同时满足以下条件

例如，在《小英雄雨来》一课教学中，课外详细描述了抗日战争中我国人民的智慧以及勇敢精神，是培养学生逐渐形成坚定不移、宁死不屈精神的重要途径，通过教材内容深入挖掘对于高效落实爱国主义思想教育具有重要意义[2]。因此，结合教学内容以及小学生的理解能力等特点，小学语文教师在实际展开这一课教学时，可以带领班级学生参观当地博物馆以及纪念馆等，促使学生从多个角度出发深刻感受家乡的优秀传统文化，在传统传统文化以及中华民族精神的过程中，实现对小学生传统文化素养以及综合素质的全面培养。

其中裂缝尖端基体的韧度

图1 应变硬化的条件Fig.1 Conditions forstrain-hardening

即J'b/Jtip1，然而由于材料内部具有统计不均匀性，部分纤维首先断裂，该部位的J'b/Jtip大幅度降低，从而导致材料产生非饱和状态的多缝开裂．因此应提高材料整体本身的J'b/Jtip，一般应使J'b/Jtip3．而要获得高J'b/Jtip，可提高J'b或降低Jtip来实现．

复合材料的裂缝尖端的韧度Jtip与基体的断裂韧度Km的关系可用下式表示[8]

式中：vm为基体的泊松比；Vf为纤维的体积率；1 Vf主要是考虑由于纤维的存在，降低了裂缝尖端的体积．进一步简化该方程，则

2 制备HDCC的几个观点

HDCC的设计理论中，将材料组成分为基体、纤维和纤维与基体的界面3个部分，其中基体的性能主要包含基体的韧度KIc，基体的拉伸强度；纤维的性能主要包含纤维的弹性模量，纤维的长径比，纤维的拉伸强度；界面性能主要包含界面的化学粘结强度、摩擦粘结强度．要求这些指标在合理的范围之内．纤维品种和性能一定时，纤维与基体的化学粘结强度主要与纤维本身的性能有关，如使用相同或相似的纤维，基体的性能也决定了纤维与基体的摩擦粘结强度，并成为HDCC材料设计的关键．要实现稳定的多缝开裂和应变硬化，首先应明确以下几点：

1）当纤维拔出过程中脱粘在基体开裂之前产生，可能出现两种情形：I）纤维完全脱粘导致复合材料的失效；II）脱粘区不断滑移，导致摩擦应力产生．

采用单根纤维拔出实验时，纤维脱粘遵从于断裂定律而不是强度定律[9]．HDCC的制备，基体应出现第II种情形，且在开裂后纤维依靠摩擦应力有效桥接裂缝，承担荷载，并随裂缝开展逐渐从基体中拔出，纤维拔出过程中荷载反而有所提高，新裂缝持续产生．因此，基体初裂强度、基体与纤维的粘结强度、摩擦应力均不宜太高，应显著小于纤维断裂时的拉伸强度．否则纤维在拔出过程中，不容易脱粘拔出，纤维在裂缝处完全承担应力，基体无法持续开裂，产生纤维拉断破坏．而基体初裂强度、基体与纤维的粘结强度、摩擦应力与水泥基复合材料的水灰比或水胶比息息相关．一般水灰比越低，初裂强度越高，抗压强度越高，基体与纤维的粘结强度和摩擦应力也越高．然而摩擦应力越高，越不容易拔出，这就意味着抗压强度不会太高．研究表明，掺加体积掺量2%的日本Kuraray公司生产的高模量聚乙烯醇纤维PVAF，抗压强度设计20～40MPa时，能制备出具有较好的延性的HDCC[2]．一般来说，相同纤维品种和掺量下，抗压强度越高，延性降低．

2）在现有HDCC设计理论及制备技术的基础上，要大幅度提高抗压强度，选择更匹配的纤维或调整优化纤维性能，协调基体与纤维界面的摩擦应力和纤维强度与基体断裂韧度，也是至关重要的．

3）由于纤维在拔出过程中，需要不断产生微小的裂缝，在产生的裂纹处，纤维均匀分布，能及时桥接，因此要求基体和纤维的分布均具有足够的均匀性．当使用颗粒粒径较大的材料或纤维的分散性不够好时，材料的均匀性降低，获得高延性HDCC的难度增大．

3 HDCC的制备方法

由于材料的不均匀性，HDCC的拉伸应变易产生较大的离散性．在给定的纤维性能下，要获得较好的延性，宜适当降低基体的断裂韧度，然而配合比参数的变化和龄期对抗压强度和断裂韧度的影响有着显著的差异，主要表现在以下几个方面[10]．

1）早龄期如56 d前，基体的断裂韧度增长显著低于抗压强度的增长速度．随着龄期的增长，抗压强度增长速度降低，而断裂韧度的增长速度增大．热养护条件更有利于断裂韧度的增长．

2）水胶比对抗压强度和断裂韧度的影响程度与龄期有关．随着龄期的增长，水胶比对抗压强度的影响降低，但是对断裂韧度的影响增大．随着水胶比的增大，断裂韧度随龄期的增长率也降低．

3）粉煤灰品种对抗压强度的影响很大，但对断裂韧度的影响微小．粉煤灰含量对抗压强度的影响亦高于对断裂韧度的影响．高的粉煤灰掺量，可显著降低基体早龄期的断裂韧度；随着粉煤灰掺量的增加，龄期对断裂韧度的影响增大．

4）胶砂比对断裂韧度的影响显著高于对抗压强度的影响．适当含量的砂（低于1∶0.4）能提高水泥基复合材料的抗压强度．增加砂含量可较大的增加基体最大承载能力和断裂韧度，但同时也大大增加了弱的连接界面，加速了应力跌落过程．

因此，要获得具有更高耐久性的HDCC，优化基体的制备技术，在考虑提高基体强度的同时，要注意强度与断裂韧度的发展规律之间的差异．

微孔的存在或不够密实的基体，有助于降低基体的开裂强度[11-12]．因此HDCC的渗透性一般较高，含有害离子的溶液更易于渗透进材料内部，材料的耐久性降低，因此不适应于服役环境较严酷的钢筋混凝土．因此HDCC的高延性与抗渗透性及与之相关的耐久性，是相互矛盾的，制备时要尽量考虑其矛盾统一性．

通过系统研究原材料优选、拌合物流动性、养护制度及配合比设计参数等，如粉煤灰掺量、胶砂比、集料含量、纤维掺量、适当的颗粒状材料等对HDCC性能的影响，结果表明[10]：可通过使用高掺量粉煤灰，较高水胶比、较高胶砂比、橡胶微粉和EVA乳胶粉等降低基体的韧度．然而使用高掺量粉煤灰，较高水胶比、橡胶微粉等均会降低强度，且高掺量粉煤灰，由于其活性效应，使后期的延性得不到有力的保证，为降低粉煤灰长期活性的影响，宜使用圆形颗粒含量高，能充分发挥形态效应的低活性粉煤灰、或提取过漂珠或沉珠的粉煤灰或其他掺和料，同时充分注意养护条件的影响．养护条件对低水胶比、高掺量粉煤灰的HDCC延性影响很大，宜使用小于7 d的水养护制度[12]．一定范围内降低砂含量，对强度的影响不大．掺加EVA乳胶粉对强度无不利影响，且略有利于延性和抗渗性的提高．使用硫铝酸盐水泥的HDCC显示出较好的长期性能．长龄期对断裂韧度的影响高于对抗压强度的影响，这使得HDCC的长期性能难以保证．因此如要确保HDCC延性的稳定性，应特别注意断裂韧度随龄期的增长变化规律．

4 结论

本文综述了HDCC的设计理论，分析了制备HDCC易忽略的几个关键技术，提出了HDCC的制备方法，得出如下重要结论．

1）由于水胶比、抗压强度、摩擦应力、粘结强度等的相关性，为限制摩擦应力等，HDCC的抗压强度不宜太高．因此采用高掺量粉煤灰，较高水胶比、较低胶砂比、橡胶微粉和EVA乳胶粉等，可提高复合材料的延性．同时为确保后期延性，HDCC对养护要求不高，当使用高掺量粉煤灰时，宜使用相对低活性粉煤灰．

2）基于现有HDCC设计理论及制备技术，要大幅度提高抗压强度，选择更匹配的纤维或调整优化纤维性能至关重要．

3）现有的HDCC设计理论，要求基体和纤维分布具有足够的均匀性，当使用颗粒粒径较大的材料或纤维的分散性不够好时，复合材料均匀性降低，HDCC制备难度增大．

4）要获得具有更高耐久性的HDCC，优化基体的制备技术，在考虑提高基体强度的同时，要注意强度与断裂韧度的发展规律之间的差异．

5）适当微孔的存在或不够密实的基体，有助于基体开裂强度的降低，延性的提高，因此HDCC的高延性与抗渗透性及与之相关的耐久性相互矛盾．

[1]Li V C，Leung C K Y．Steady-state and multiple cracking of short random fiber composites[J]．Journalof Engineeringmechanics，1992，118（11）：2246-2264．

[2]LiV C，M ishraD K，Wu HC．Matrix design forpseudo-strain-hardening fiber reinforced cementitiouscomposites[J]．Materialsand Structures，1995，28：586-595．

[3]庞超明，LEUNG C K Y，孙伟．高掺量粉煤灰高延性水泥基复合材料的制备和性能[J]．硅酸盐学报，2009，37（12）：121-127．

[4]Bentur A，Mindess S．Fiber Reinforced Cementitious Composites[M]．London and New York：Elsevier Science Publishers LTD and Elsevier Science Publishing Co，INC，1990．

[5]Li V C，From m icromechanics to structural engineering-the design of cementitious composites for civil engineering applications[J]．Journal of StructureMechenical Earthquake Engineering，1993，10（2）：37-48．

[6]Kanda T，Li V C，ASCEM．New M icromechanics design theory for pseudostrain hardness cementitous composite[J]．Journal of Engineering mechanics 1999，125（4）：373-381．

[7]Li V C，Wang Y，Backer S．Effect of inclining angle，bundling，and surface treatment on synthetic fiber pull-out from a cementmatrix[J]．Composites，1990，21（2）：132-140．

[8]Budiansky B，CuiY L．On the tensilestrengthofa fiber-reinforced ceramic compositecontaining acrack-like flaw[J]．Journalofmechanicalphysics solids，1994，42：1-19．

[9]LeungCK Y，LiVC．New strength-basedmodel forthedebondingofdiscontinuous fibresin an elasticmatrix．Journalofmaterialsscience，1991，26：5996-6010．

[10]庞超明．高延性水泥基复合材料的制备、性能及基本理论研究[D]．南京：东南大学材料学院，2010．

[11]Wang S，LiV C．Tailoring of Pre-existing flaw in ECCmatrix forsaturated strain hardening[C]//Proceedingsof the fifth InternationalConference on FractureMechanicsofConcrete and Concrete Structures．USA，Vail，Colorado，2004：1005-1012．

[12]Pang Chaoming，SunWei，Leung CK Y．Researchonmethodsofmodifying thebrittlebehaviorof cementitious composites[J]．JournalofWuhan University of Technology-Materials Science Edition，2010，25（1）：156-161．

[责任编辑 田丰]

Review on preparation technology of high ductility cementitious composites

PANG Chao-ming1，Leung Christopher K Y2，SUNWei1

(1.Schoolof Materials Science and Engineering,Southeast University,Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials,Jiangsu Nanjing211189,China;2.Departmentof Civiland EnvironmentEngineering,Hong Kong University of Scienceand Technology,Hong Kong SAR,China)

High ductility cementitious com posites(HDCC)are a new type of fiber reinforced com positesw ith strainhardeningbehavior,multi-crack and high ductility.Thispapersummarized thepreparationofHDCC from design theory, materialselection,mix proportion design and curingmethodsetc.A lso severalviewpoints of preparation HDCC were analyzed,and themethod ofpreparation ofHDCC isput forward.Itisclarified thatitisdifficult to improve thestrength, impermeability and related durability of HDCC.When HDCC isprepared,the difference in the development trendsbetween thematrix strength and fracture toughness should benoticed;and the largegranularmaterialsshould be reduced to improve thematrix and fiber distribution uniform ity,the preparationmethods,w hich can reduce the fracture toughness ofmatrixmeasures,can beapplied such asused high volume fly ash w ith low activity,rubberpowderand EVA powder, thehigherwaterbinder ratio,high ratioofmortar,poorcuringetc..Basedon the theory of HDCC design and preparation technology,to increase the strength and durability to an extent,well-matched fiber to thematrix should be chosen,or fiber performance should be furtheradjusted and optimized.

high ductility;fiber reinforced cementitiouscomposites（FRCC）;preparation technology;fracture toughness

TU528.58

A

1007-2373(2014)06-0017-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.005

2014-09-06

国家自然科学基金（51108077）；江苏省自然科学基金（BK2011612）

庞超明（1977-），女（汉族），高工，博士，Email：pangchao@seu.edu.cn．

数字出版日期：2014-12-17数字出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141217.1129.007.htm l