应变强化型水泥基复合材料研究综述

王汉鹏 李占鸿，2，* 谢正良 余江滔 邹 勇

（1.上海建筑科学研究院有限公司，上海 200032；2.同济大学结构防灾减灾工程系，上海 200092；3.上海中环投资开发集团公司，上海 200060；4.重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400042）

0 引言

我国建筑行业凭借着廉价劳动力及人口红利，在过去的几十年间高速发展，如今规模已跃居世界领先水平。然而，发展中存在的问题也不容忽视。高层、超高层建筑在大城市中成为主流选择，这就对混凝土的性能提出了越来越高的要求。而混凝土固有的缺陷，如脆性破坏、极限应变低、自重大以及带裂缝工作等制约着它的发展。

钢筋混凝土结构是建筑行业最为常见的建筑形式。钢筋的应变强化和超强变形能力使得钢筋混凝土结构能够经历各种荷载作用的考验。然而，混凝土的脆性和钢筋锈蚀等仍影响了钢筋混凝土结构的性能。以地震灾害为例，历次震害统计发现［1］，经过正规抗震设计的钢筋混凝土框架结构相比于其他结构形式（如砌体结构、砌体框架混合结构等）所受地震损伤较轻，但仍然出现混凝土压碎剥落和钢筋外露屈曲等破坏［2-3］。此外，道路、桥梁和水利工程中的各种病害也无不与混凝土的脆性易裂和钢筋的低耐候性有关。

为了改善混凝土的性能，国内外学者针对纤维增强混凝土进行了试验研究，采用的纤维类别包括金属纤维（如钢纤维）、无机纤维（如玻璃纤维）和有机纤维（如聚乙烯醇纤维）。与传统混凝土相比，纤维混凝土的抗拉强度、极限拉伸应变、抗冲击强度、韧性和抗裂性都有明显的提高，如钢纤维混凝土可以显著减少节点核心区箍筋的用量［4］，但由于纤维混凝土的变形能力仍远不如钢材，纤维混凝土只能替代混凝土而不能达到钢筋的增强效果，因此普通混凝土结构仍无法离开钢筋。

为了适应建筑工程中高韧性和未来自动化建造的需求，研究者进行了水泥基材料的优化设计，并采用高强度和高模量短切纤维对其强化，成功研发出应变强化型水泥基复合材料（Strainhardening Cementitious Composites，SHCC）［5-10］。SHCC 的抗压强度介于10～150 MPa；其抗拉强度介于3～20 MPa，是普通混凝土的2～10 倍；其平均拉伸应变介于2%～12%，甚至达到建筑钢材的变形水平［11］。从理论上说，SHCC 在材料层面上为高韧性建造、智能建造甚至是无筋建造提供了解决方案。

我国建筑工程规范对于建造材料、结构构件和结构体系的性能给出了详尽的规定，合格的建造材料必须通过不同层面的验证，这涉及材料强度、延性和断裂能，构件的承载力、刚度和变形能力以及极端荷载作用下结构体系的力学反应等诸多方面试验和理论。将SHCC 应用于土木工程，需要通过学术界和工程界的共同努力。本文将从材料、构件和结构三个层面介绍国内外学者在SHCC 方面的研究成果，包括：SHCC 材料性能的突破及理论发展；SHCC 构件的国内外研究进展；SHCC应用于结构层面的研究进展。

1 SHCC的应用与发展

1.1 SHCC材料性能的突破及理论发展

1.1.1 国外研究现状

SHCC最早于1992年由密歇根大学的Li和麻省理工的Leung［12］提出，是一种基于断裂力学和微观力学原理，对材料体系进行系统设计、调整和优化得到的新型工程用水泥基复合材料，因此又被称为高延性纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）。通过有意识地调整纤维、基体以及纤维基体界面，这种复合材料具有应变硬化和多缝开裂的特性，其指标一般为：纤维掺量不超过材料总体积2.0%，硬化后的复合材料在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，具有显著的应变硬化特征，极限拉应变可稳定地达到3%以上。

图1 由（a）裂缝间桥联纤维承担的应力通过（b）σ（δ）函数关系曲线得到量化Fig.1 Stress carried by fibers across an opening crack（a）is quantified by the σ（δ）curve（b）

短短不到30 年的时间内，在各国学者对SHCC 组分的甄选及配合比的不断调节下，SHCC材料的性能不断突破，取得了明显的进步。1994年，Maalej和Li［13］在研究中发现，水泥基材料的抗弯强度与拉伸开裂强度随着材料脆性比率B增大而减小；当B→0 时，极限抗弯强度为受拉开裂强度的3 倍（理想的弹塑性材料），这是准脆性的常规纤维混凝土的极限抗弯强度上限；而对于具有应变硬化性能的SHCC材料，对应强度比值更高。

Li 和Dhanada 等［14］则发现通过降低水灰比和使用粗砂，可以提高SHCC 的弹性模量，但是对应变硬化不利。此外，通过纤维的表面处理使纤维与基体之间粘结力增大可以降低纤维的临界体积率。

Li基于强度准则和能量准则提出了一组由可测得物理参数表征的方程，当材料满足该方程时，说明其具有多缝开裂模式和拉伸延性［15］。这两个准则是后继的研究者能够通过选择、调配材料从而对SHCC 进行性能设计的理论基础。2002 年，Wang S 等［16］利用上述两大设计准则，采用性能导向的设计方法研发出了聚乙烯醇（PVA）纤维增强的应变强化水泥基复合材料，即PVA-SHCC。单轴拉伸试验结果表明，其极限应变超过4%，极限强度为4.5 MPa（图2）。试件在拉伸作用下呈现出多裂缝开展的现象，且裂缝宽度控制在100 μm。

图2 不同表面涂油剂用量下PVA-SHCC的拉伸应力-应变曲线Fig.2 Tensile stress-strain curve of composites with different surface oiling agent content

Wang 和Li［17］根据断裂力学准则引入人工缺陷来研究SHCC 内的缺陷对性能的影响，这一方法使得SHCC 的应力应变曲线更加饱满且延性提高，延性最高可达3.79%。与传统的反复试错方式不同，SHCC 的微观统计力学设计方法缩小了实现SHCC 性能所需的微观力学参数的范围，提高了效率。对纤维-界面裁剪设计、选择人为缺陷的尺寸来提高拉伸变形的幅度和稳定性都是微观力学成功的应用实例。

Ranade R 等［18］发明了高强度＆高延性混凝土（HSHDC），该材料的抗压强度超过150 MPa，直接拉伸强度高达15 MPa，拉伸应变在3%和4%之间。这是水泥基复合材料第一次真正实现了高强度和高延性的结合。然而直接拉伸试验结果表明，该材料的裂缝宽度较大，裂缝密度偏低且应力波动较大。

1.1.2 国内研究现状

徐世烺和李贺东［19］在国内较早成功研发出同类型材料，命名为超高韧性水泥基复合材料（Ultra High Toughness Cementitious Composites，UHTCC），并系统、详细地介绍了超高韧性水泥基复合材料名称的由来、分类、基本性能、设计方法和在实际工程中的运用情况。研究者通过改进的直拉试验测得制备的UHTCC 的拉伸应变能力可以稳定在3.6%～4.2%，拉伸时呈现多条细密裂缝，且裂缝宽度能够控制在100 μm以内。

张君和公成旭［20］配制出了极限拉伸应变1.65%的纤维增强水泥基材料。高淑玲和徐世烺［21］配制得到了拉应变能力为0.7%的PVA 纤维水泥基复合材料，也称为PVA-FRCC。

图3 世界范围内高延性混凝土与同济大学研制UHDC的拉伸强度-拉伸应变的对比Fig.3 Comparison of tensile strength and tensile strain of UHDC developed by Tongji University and the other high ductility concrete around the world

在影响纤维混凝土的性能因素方面，邓宗才等［22］研究了各种纤维对高延性混凝土抗弯冲击性能的影响；李操旺［23］研究了聚乙烯纤维的纤维含量及纤维长径比的不同对于材料力学性能的影响，并根据PE 纤维混凝土小梁的荷载-挠度曲线，利用规范ASTM-C1018 对其增韧效果进行评价。张娜、周健等［24］利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对玄武岩纤维增强水泥基复合材料（BFRCC）进行冲击压缩试验，试验研究结果表明：不同纤维掺量BFRCC 的动态抗压强度、破碎状态、韧度系数等均具有明显的应变率效应。

余江滔等研制出超高延性水泥基复合材料（Ultra High Ductility Concrete，UHDC），同样是SHCC 家族的一员。在正确的选材下，UHDC 的抗压强度介于30～150 MPa，抗拉强度介于5～20 MPa，是普通混凝土的3～10倍。平均拉伸应变达8%，最大拉伸应变达到12%以上。［11］

图4 狗骨试件的轴向拉伸试验（引自文献［11］）Fig.4 Axial tensile test of dogbone specimen［11］

图5 UHDC的轴拉应力-应变曲线（引自文献［11］）Fig.5 Uniaxia tensile stress-strain curve of UHDC［11］

1.2 SHCC构件的国内外研究进展

SHCC 材料问世后，各国的研究者们纷纷尝试将SHCC 材料应用于结构构件中，并通过试验对SHCC构件的力学性能进行验证和优化。

1.2.1 国外研究现状

剪切破坏是传统混凝土构件中典型的脆性破坏模式，SHCC 的高延性特征首先体现在抗剪试验上。Kanda 和Watanabe［25］对具有约1%拉应变能力的PVA-SHCC进行抗剪性能测试，结果表明，在不配任何抗剪钢筋的情况下，剪跨比为1 的PVA-SHCC 梁的抗剪承载力比混凝土梁高出42.6%，对应变形能力高出2.25 倍，破坏模式具有明显的延性特征。

P.Kabele 和T.Kanakubo［26］研究了配筋SHCC结构构件的剪切性能，进行了较为完整的力学试验，并通过数值方法模拟梁在剪力作用下的受力特点，论证了配筋SHCC 构件尺寸对材料力学性能的影响。

Li和Fischer［27-28］通过钢筋增强的PE-SHCC 试件（R/SHCC）和混凝土试件（RC）的直接拉伸试验研究钢筋与SHCC 之间的相互作用，结果发现：R/SHCC 试件上出现的首条裂缝始终保持在50～120 μm，整个加载过程中未出现SHCC 基体材料剥落的现象。上述结果表明，R/SHCC 即使在经受很大变形的情况下仍能够保持构件的整体性，其中SHCC 材料仍然能够继续承担不低于开裂前所能传递的荷载；另外还研究了配筋SHCC 柱在低周反复荷载作用下的抗震性能［29］。试验表明，SHCC 与钢筋的变形协调良好，这一特性使得构件的延性增强，防止构件的脆性破坏。若将这样的材料应用到抗震工程中，必然将极大地提高结构的安全性和可靠性。

此外，国外研究者利用配筋SHCC 构件进行了大量试验，如梁柱连接构件［30］、填充墙［31］、阻尼构件［32］等。这些研究指出配筋SHCC 构件具有较强的耗能能力及很好的抗震性能。SHCC 超强的拉伸延性使其能够在弹塑性阶段及非弹性阶段都能够与钢筋较好的变形协调，构件在低周反复荷载作用下体现出高延性水平，大变形条件下仍能保持稳定的滞回性能。

1.2.2 国内研究现状

李庆华和徐世烺［33］开展了钢筋增强SHCC 受弯构件和SHCC 取代受拉区纵向钢筋周围部分混凝土而作为钢筋保护层受弯构件的试验研究。研究结果表明：超高韧性水泥基复合材料与钢筋能够保持良好的粘结和变形协调性，同时能够提高构件的承载能力和延性，裂缝宽度也得到良好的控制。

追溯世界经济发展的历史可以发现，不仅发展中国家而且也包括发达国家，经济的发展首先得益于传统产业的发展.为此，学术界一直以来注重对传统产业的研究.

由于SHCC 多裂缝开展和应变硬化的特性，其结构抗震的应用前景也十分广阔。潘金龙等研究了SHCC 高度、轴压比和纵筋配筋率对于SHCC/钢筋混凝土组合柱抗震性能的影响［34］；除此之外，进行了钢筋与SHCC 的拉拔试验［35］，探究不同影响因素对于SHCC粘结性能的影响。

张远淼、余江滔等［36］采用拟静力试验研究了SHCC 修复震损钢筋混凝土剪力墙的抗震性能，试验结果表明SHCC 材料使得剪力墙的承载力基本得到恢复，延性、耗能能力得到了提高，如图6所示。

图6 钢筋混凝土剪力墙BZ2 与SHCC修复的钢筋混凝土剪力墙R-BZ2对比Fig.6 Comparison of（a）hysteretic curve，（b）cumulative energy dissipation capacity between reinforced concrete shear wall BZ2 and reinforced concrete shear wall R-BZ2 repaired by SHCC

苏骏、徐世烺等［37］为研究超高韧性水泥基材料新型梁柱节点的抗震性能，进行了框架中节点的低周反复载荷试验，分析了不同轴压比和体积配箍率下梁柱节点的受力特点、裂缝开展形式、滞回特性。结果表明，超高韧性水泥基材料具有更好的耗能能力，可部分或全部替代节点处箍筋的抗剪作用。

潘钻峰等［38］采用SHCC 制作柱永久性模板，其内浇筑素混凝土形成组合柱，研究其抗震性能。试验表明SHCC 组合柱端水平荷载-位移滞回曲线饱满，刚度退化较缓，变形能力较大，并提出了R-SHCC 柱的理论受弯承载力和受剪承载力表达式。

Zhang Z G 等［39］利用橡胶粉制备SHCC 板，进行了落锤试验。在直接冲击载荷下，添加橡胶粉的SHCC 面板在10 次冲击后仍然保持结构完整性，而未添加橡胶粉的SHCC 面板在第一次冲击后往往会失效。这证实了在冲击载荷下，加入橡胶粉的SHCC 的鲁棒性和损伤容限得到有效提高，使其具有成为抗冲击结构材料的可能。

邓明科等［40］对4 片采用SHCC 面层加固的受损砖墙进行了低周反复荷载试验，研究了SHCC面层加固砖砌体墙的破坏机理、破坏形态、滞回特性和变形能力。结果表明，SHCC 加固后的砖墙变形能力和抗震性能都显著提高，脆性破坏模式由于内部砖墙受SHCC 面层约束而改善，且加固效果优于传统的钢筋网片加固等技术；此外还研究了将SHCC 用于RC 梁面层加固［41］，结果显示梁的承载力、延性和耗能能力都得到显著提高。

进一步，余江滔等［42-43］初步证明SHCC 材料可以实现无钢筋建造，其研究团队采用UHDC（极限拉伸强度为15 MPa）制作的四点弯曲梁［44］，并用数字图像相关方法对其裂纹扩展和破坏模式进行了监测。在没有配筋的情况下，其弯曲性能相当于配筋率1.5%的普通钢筋混凝土梁且具有更好的延性；除此之外，UHDC 梁在正常使用极限状态下的裂缝宽度和挠度远小于RC 梁（图7、图8）。这表明利用UHDC材料大幅减少或替代构件中的钢筋是可行的。

图7 无筋SHCC梁抗弯试验（引自文献［43］）Fig.7 Bending test of unreinforced SHCC beams

图8 无筋SHCC梁与配筋梁承载力对比（引自文献［43］）Fig.8 Comparison of bearing capacity between reinforced beam and UHDC beam without reinforcement.

1.3 SHCC应用于结构层面的研究进展

SHCC 应用于结构层面的研究成果较少。邓明科等通过振动台试验分析了SHCC 加固的二层砌体结构的整体破坏特征和抗震性能［45］，研究显示加固后的整体结构在强震下的刚度退化延缓，耐损伤能力和变形能力增强，抗震性能明显优于传统钢筋水泥砂浆面层加固的结构。

2017 年，同济大学余江滔等通过振动台试验证明，采用UHDC 材料制作的无筋UHDC 组合框架如图9 所示。在经历了7.5～9 度地震烈度的振动后，无筋框架残余变形小，且无明显破坏，其抗震能力可以与普通钢筋混凝土框架媲美［46］，振动过程中，UHDC 组合框架产生大量细微裂缝，裂缝出现降低了结构的刚度和自振频率，大幅提高了结构阻尼，使得框架可以在地震中有效地吸收能量，达到了消能、减震的效果。

图9 无筋UHDC组合框架的振动台试验（引自文献［45］）Fig.9 Shaking table test of reinforced UHDC compositeframe without reinforcement

2 结论

纤维混凝土的研发弥补了传统混凝土在材料性能上的种种缺陷，其中SHCC 因高延性、独特的多缝开裂模式以及准应变硬化特性而受到研究者的青睐。材料性能方面，各国研究者通过微观力学设计，纤维-界面的处理、人工缺陷设计等多种方式对SHCC 的延性和抗拉性能进行了优化和提高。某些情况下，SHCC 的极限抗拉强度突破了15 MPa，是传统混凝土的数倍；拉伸应变能力突破了10%，是传统混凝土的数百倍。在构件层次上，研究者将SHCC 广泛应用于复合梁、柱、板构件的制作、抗震加固面层等方面，深入研究了构件的力学性能、耗能能力以及韧性、冲击性能、抗疲劳荷载等特性，试验证明SHCC 在这些性能上表现优异。在结构层面上，研究者已经初步验证了SHCC用于无筋建造的可能性。

然而，即使性能远胜传统混凝土，普通的SHCC 脱离钢筋仍存在一定的障碍。一方面，我国建筑规范要求抗震钢筋的拉伸率不低于9%，而普通SHCC 的拉伸应变能力只在4%左右，仍不及钢筋；另一方面，少部分拉伸应变能力较强的SHCC（如UHDC）的出现，为无筋建造带来了可能性，但特定条件下其裂缝宽度较大，可能会影响结构抗渗、抵抗有害离子侵蚀或抗火等性能，所以仍然需要进行材性的提升。

此外，实际的建造工程需遵循一套完整的设计规范，包括结构构件在各种工况下的各种性能标准，但从目前来看，这方面的规范和标准仍比较匮乏。因此，后续的研究应更细致广泛地考察如极端环境、各种应变速率下SHCC 材料的抗渗性、抗裂性、抗冻融性等各种性能，建立针对SHCC 结构构件的可靠性指标和设计方法，形成一套可用的技术标准，为其工程应用奠定基础。