高延性水泥基復(fù)合材料的制備技術(shù)綜述

龐超明，Leung Christopher K Y，孫偉

（1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211189；2.香港科技大學(xué)土木工程與環(huán)境學(xué)院，香港九龍）

高延性水泥基復(fù)合材料的制備技術(shù)綜述

龐超明1，Leung Christopher K Y2，孫偉1

（1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211189；2.香港科技大學(xué)土木工程與環(huán)境學(xué)院，香港九龍）

高延性水泥基復(fù)合材料（HDCC）是一種具有應(yīng)變硬化、多縫開裂和高延性等特性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料．從HDCC材料的設(shè)計(jì)理論、材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)等方面綜述了HDCC材料的制備技術(shù)，分析了制備HDCC時易忽略的幾個關(guān)鍵技術(shù)，提出了HDCC的制備方法．明確了提高HDCC強(qiáng)度、抗?jié)B性及與之相關(guān)耐久性的難度，提出HDCC的制備時，要注意基體強(qiáng)度與斷裂韌度發(fā)展規(guī)律的差異，減少大顆粒材料等提高基體本身及纖維分布的均勻性，制備時可采用使用高摻量低活性粉煤灰，橡膠微粉和EVA乳膠粉、較高水膠比、較高膠砂比、減少養(yǎng)護(hù)等降低基體的斷裂韌度的措施．基于現(xiàn)有HDCC設(shè)計(jì)理論及制備技術(shù)，要大幅度提高強(qiáng)度和耐久性，選擇更匹配的纖維或調(diào)整優(yōu)化纖維性能至關(guān)重要．

高延性；纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料；制備技術(shù)；斷裂韌度

0 引言

纖維增強(qiáng)水泥混凝土（Fiber reinforced cementitiouscomposites，F(xiàn)RCC）自20世紀(jì)40年代發(fā)明以來，不同類型的FRCC在世界范圍內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用．傳統(tǒng)的FRCC初裂后，很快達(dá)到最大拉伸應(yīng)力，一般僅出現(xiàn)一條主裂縫和少量微細(xì)裂縫，在較短時間內(nèi)應(yīng)變能維持發(fā)展，其最大拉伸應(yīng)變也僅在0.5%左右．雖然在一定程度上降低了混凝土材料的脆性，其抗拉能力、變形能力、耐動載能力等性能也有較大提高，然而整體上依然呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特性．

20世紀(jì)90年代初，基于微觀斷裂力學(xué)參數(shù)和纖維橋接理論，Li V C成功制備出了具有較高的斷裂韌度和拉伸應(yīng)變，呈現(xiàn)出多縫開裂和假應(yīng)變硬化行為的隨機(jī)亂向短纖維增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料（Random short fiber reinforced cementitious composites，RSFRCC），并稱為工程水泥基復(fù)合材料（Engineered cementitious composite，ECC）[1]，假延性或高延性水泥基復(fù)合材料（Pseudo ductility orHigh ductility cementitiouscomposite，PDCC or HDCC）[2-3]．HDCC是一種具有應(yīng)變硬化、多縫開裂和高延性等特性的新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料．概念提出之始，是以微觀力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過取得基體韌度、界面粘結(jié)和纖維特性三者的最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)高延性．其抗壓強(qiáng)度在30～50 MPa，抗拉強(qiáng)度在3.0～5.0 MPa，抗拉極限變形達(dá)到3.0%～5.0%．HDCC優(yōu)異的性能也吸引了很多研究者的目光，很多研究者認(rèn)為，要優(yōu)化HDCC性能如提高強(qiáng)度和耐久性等非常簡單，只需根據(jù)傳統(tǒng)混凝土制備理論與技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，然而事實(shí)卻并非如此．再者，雖然LiVC等已經(jīng)進(jìn)行了很多的研究，然而該材料受原材料的性能，復(fù)合材料的均勻性等因素的影響較大，即使使用相似的配合比，所制備的水泥基復(fù)合材料的性能差異也很大，許多研究者都很難成功制備出具有應(yīng)變硬化、多縫開裂，且性能良好的HDCC．

1 HDCC的設(shè)計(jì)理論

FRCC中，纖維對脆性水泥基材料的增強(qiáng)作用，主要由纖維的應(yīng)力傳遞過程和纖維的橋接應(yīng)力決定．纖維與基體間的應(yīng)力傳遞分為兩個部分：裂縫產(chǎn)生前和裂縫產(chǎn)生后．在兩個階段，應(yīng)力傳遞的過程差別很大．在裂縫產(chǎn)生前，纖維和基體成為一個整體，纖維和界面處的基體的縱向位移相容，即產(chǎn)生相同的應(yīng)變，彈性應(yīng)力傳遞占主導(dǎo)，界面處產(chǎn)生剪切應(yīng)力s，彈性剪切應(yīng)力沿著纖維與基體界面的分布是不均勻的．由于纖維和基體的彈性模量不同，外荷載應(yīng)力重分布．故彈性應(yīng)力傳輸決定著復(fù)合材料的初裂應(yīng)力．在此階段，纖維與界面之間存在結(jié)合力，纖維處于彈性拉伸階段．隨著荷載的進(jìn)一步增加，當(dāng)荷載超過纖維與基體的剪切強(qiáng)度，彈性剪切應(yīng)力s逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑婺Σ翍?yīng)力i．隨著荷載的進(jìn)一步增加，s和i在界面區(qū)共同作用，纖維從界面處開始脫粘，纖維和基體開始產(chǎn)生相對位移．通常假定摩擦應(yīng)力沿著纖維基體界面均勻分布，復(fù)合材料的極限強(qiáng)度和應(yīng)變主要由摩擦應(yīng)力決定[4]．

1992年，Li和Leung提出了纖維橋接理論，該理論認(rèn)為開裂時纖維的橋接作用避免了開裂處裂縫的急劇增大，并對應(yīng)力進(jìn)行傳遞，同時纖維產(chǎn)生的橋接應(yīng)力與纖維本身的性能、基體的性能、纖維與基體的界面以及裂縫張開的位移有關(guān)[2]，并以微觀力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，提出了HDCC材料的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[3,5-6]．該理論認(rèn)為，要使纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)多縫開裂，形成假延性，必須合理的設(shè)計(jì)材料的基體、纖維及其纖維與基體的界面性能，使基體韌度、界面粘結(jié)和纖維特性三者達(dá)到最優(yōu)組合，在開裂后纖維有效橋接裂縫，承擔(dān)荷載，并隨裂縫開展逐漸從基體中拔出，在此過程中荷載反而有所提高，大量新裂縫繼續(xù)產(chǎn)生，材料經(jīng)歷應(yīng)變硬化階段．

f是粘滯因子（Snubbing coefficient），如果纖維斜跨裂縫，纖維垂直于裂縫，摩擦力有所提高．實(shí)際上f可視為修正系數(shù)，其值越高，纖維越容易斷裂[7]；

f'是由于纖維傾斜而導(dǎo)致的表觀強(qiáng)度的降低系數(shù)．纖維表觀拔出強(qiáng)度與纖維的傾斜角有關(guān)，隨著傾斜角度的增大，其表觀強(qiáng)度降低越明顯[6]；

要實(shí)現(xiàn)水泥基復(fù)合材料的應(yīng)變硬化，形成穩(wěn)定的多縫開裂，必須同時滿足以下條件

例如，在《小英雄雨來》一課教學(xué)中，課外詳細(xì)描述了抗日戰(zhàn)爭中我國人民的智慧以及勇敢精神，是培養(yǎng)學(xué)生逐漸形成堅(jiān)定不移、寧死不屈精神的重要途徑，通過教材內(nèi)容深入挖掘?qū)τ诟咝鋵?shí)愛國主義思想教育具有重要意義[2]。因此，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容以及小學(xué)生的理解能力等特點(diǎn)，小學(xué)語文教師在實(shí)際展開這一課教學(xué)時，可以帶領(lǐng)班級學(xué)生參觀當(dāng)?shù)夭┪镳^以及紀(jì)念館等，促使學(xué)生從多個角度出發(fā)深刻感受家鄉(xiāng)的優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，在傳統(tǒng)傳統(tǒng)文化以及中華民族精神的過程中，實(shí)現(xiàn)對小學(xué)生傳統(tǒng)文化素養(yǎng)以及綜合素質(zhì)的全面培養(yǎng)。

其中裂縫尖端基體的韌度

圖1 應(yīng)變硬化的條件Fig.1 Conditions forstrain-hardening

即J'b/Jtip1，然而由于材料內(nèi)部具有統(tǒng)計(jì)不均勻性，部分纖維首先斷裂，該部位的J'b/Jtip大幅度降低，從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生非飽和狀態(tài)的多縫開裂．因此應(yīng)提高材料整體本身的J'b/Jtip，一般應(yīng)使J'b/Jtip3．而要獲得高J'b/Jtip，可提高J'b或降低Jtip來實(shí)現(xiàn)．

復(fù)合材料的裂縫尖端的韌度Jtip與基體的斷裂韌度Km的關(guān)系可用下式表示[8]

式中：vm為基體的泊松比；Vf為纖維的體積率；1 Vf主要是考慮由于纖維的存在，降低了裂縫尖端的體積．進(jìn)一步簡化該方程，則

2 制備HDCC的幾個觀點(diǎn)

HDCC的設(shè)計(jì)理論中，將材料組成分為基體、纖維和纖維與基體的界面3個部分，其中基體的性能主要包含基體的韌度KIc，基體的拉伸強(qiáng)度；纖維的性能主要包含纖維的彈性模量，纖維的長徑比，纖維的拉伸強(qiáng)度；界面性能主要包含界面的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度、摩擦粘結(jié)強(qiáng)度．要求這些指標(biāo)在合理的范圍之內(nèi)．纖維品種和性能一定時，纖維與基體的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度主要與纖維本身的性能有關(guān)，如使用相同或相似的纖維，基體的性能也決定了纖維與基體的摩擦粘結(jié)強(qiáng)度，并成為HDCC材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵．要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多縫開裂和應(yīng)變硬化，首先應(yīng)明確以下幾點(diǎn)：

1）當(dāng)纖維拔出過程中脫粘在基體開裂之前產(chǎn)生，可能出現(xiàn)兩種情形：I）纖維完全脫粘導(dǎo)致復(fù)合材料的失效；II）脫粘區(qū)不斷滑移，導(dǎo)致摩擦應(yīng)力產(chǎn)生．

采用單根纖維拔出實(shí)驗(yàn)時，纖維脫粘遵從于斷裂定律而不是強(qiáng)度定律[9]．HDCC的制備，基體應(yīng)出現(xiàn)第II種情形，且在開裂后纖維依靠摩擦應(yīng)力有效橋接裂縫，承擔(dān)荷載，并隨裂縫開展逐漸從基體中拔出，纖維拔出過程中荷載反而有所提高，新裂縫持續(xù)產(chǎn)生．因此，基體初裂強(qiáng)度、基體與纖維的粘結(jié)強(qiáng)度、摩擦應(yīng)力均不宜太高，應(yīng)顯著小于纖維斷裂時的拉伸強(qiáng)度．否則纖維在拔出過程中，不容易脫粘拔出，纖維在裂縫處完全承擔(dān)應(yīng)力，基體無法持續(xù)開裂，產(chǎn)生纖維拉斷破壞．而基體初裂強(qiáng)度、基體與纖維的粘結(jié)強(qiáng)度、摩擦應(yīng)力與水泥基復(fù)合材料的水灰比或水膠比息息相關(guān)．一般水灰比越低，初裂強(qiáng)度越高，抗壓強(qiáng)度越高，基體與纖維的粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦應(yīng)力也越高．然而摩擦應(yīng)力越高，越不容易拔出，這就意味著抗壓強(qiáng)度不會太高．研究表明，摻加體積摻量2%的日本Kuraray公司生產(chǎn)的高模量聚乙烯醇纖維PVAF，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)20～40MPa時，能制備出具有較好的延性的HDCC[2]．一般來說，相同纖維品種和摻量下，抗壓強(qiáng)度越高，延性降低．

2）在現(xiàn)有HDCC設(shè)計(jì)理論及制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，要大幅度提高抗壓強(qiáng)度，選擇更匹配的纖維或調(diào)整優(yōu)化纖維性能，協(xié)調(diào)基體與纖維界面的摩擦應(yīng)力和纖維強(qiáng)度與基體斷裂韌度，也是至關(guān)重要的．

3）由于纖維在拔出過程中，需要不斷產(chǎn)生微小的裂縫，在產(chǎn)生的裂紋處，纖維均勻分布，能及時橋接，因此要求基體和纖維的分布均具有足夠的均勻性．當(dāng)使用顆粒粒徑較大的材料或纖維的分散性不夠好時，材料的均勻性降低，獲得高延性HDCC的難度增大．

3 HDCC的制備方法

由于材料的不均勻性，HDCC的拉伸應(yīng)變易產(chǎn)生較大的離散性．在給定的纖維性能下，要獲得較好的延性，宜適當(dāng)降低基體的斷裂韌度，然而配合比參數(shù)的變化和齡期對抗壓強(qiáng)度和斷裂韌度的影響有著顯著的差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[10]．

1）早齡期如56 d前，基體的斷裂韌度增長顯著低于抗壓強(qiáng)度的增長速度．隨著齡期的增長，抗壓強(qiáng)度增長速度降低，而斷裂韌度的增長速度增大．熱養(yǎng)護(hù)條件更有利于斷裂韌度的增長．

2）水膠比對抗壓強(qiáng)度和斷裂韌度的影響程度與齡期有關(guān)．隨著齡期的增長，水膠比對抗壓強(qiáng)度的影響降低，但是對斷裂韌度的影響增大．隨著水膠比的增大，斷裂韌度隨齡期的增長率也降低．

3）粉煤灰品種對抗壓強(qiáng)度的影響很大，但對斷裂韌度的影響微?。勖夯液繉箟簭?qiáng)度的影響亦高于對斷裂韌度的影響．高的粉煤灰摻量，可顯著降低基體早齡期的斷裂韌度；隨著粉煤灰摻量的增加，齡期對斷裂韌度的影響增大．

4）膠砂比對斷裂韌度的影響顯著高于對抗壓強(qiáng)度的影響．適當(dāng)含量的砂（低于1∶0.4）能提高水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度．增加砂含量可較大的增加基體最大承載能力和斷裂韌度，但同時也大大增加了弱的連接界面，加速了應(yīng)力跌落過程．

因此，要獲得具有更高耐久性的HDCC，優(yōu)化基體的制備技術(shù)，在考慮提高基體強(qiáng)度的同時，要注意強(qiáng)度與斷裂韌度的發(fā)展規(guī)律之間的差異．

微孔的存在或不夠密實(shí)的基體，有助于降低基體的開裂強(qiáng)度[11-12]．因此HDCC的滲透性一般較高，含有害離子的溶液更易于滲透進(jìn)材料內(nèi)部，材料的耐久性降低，因此不適應(yīng)于服役環(huán)境較嚴(yán)酷的鋼筋混凝土．因此HDCC的高延性與抗?jié)B透性及與之相關(guān)的耐久性，是相互矛盾的，制備時要盡量考慮其矛盾統(tǒng)一性．

通過系統(tǒng)研究原材料優(yōu)選、拌合物流動性、養(yǎng)護(hù)制度及配合比設(shè)計(jì)參數(shù)等，如粉煤灰摻量、膠砂比、集料含量、纖維摻量、適當(dāng)?shù)念w粒狀材料等對HDCC性能的影響，結(jié)果表明[10]：可通過使用高摻量粉煤灰，較高水膠比、較高膠砂比、橡膠微粉和EVA乳膠粉等降低基體的韌度．然而使用高摻量粉煤灰，較高水膠比、橡膠微粉等均會降低強(qiáng)度，且高摻量粉煤灰，由于其活性效應(yīng)，使后期的延性得不到有力的保證，為降低粉煤灰長期活性的影響，宜使用圓形顆粒含量高，能充分發(fā)揮形態(tài)效應(yīng)的低活性粉煤灰、或提取過漂珠或沉珠的粉煤灰或其他摻和料，同時充分注意養(yǎng)護(hù)條件的影響．養(yǎng)護(hù)條件對低水膠比、高摻量粉煤灰的HDCC延性影響很大，宜使用小于7 d的水養(yǎng)護(hù)制度[12]．一定范圍內(nèi)降低砂含量，對強(qiáng)度的影響不大．摻加EVA乳膠粉對強(qiáng)度無不利影響，且略有利于延性和抗?jié)B性的提高．使用硫鋁酸鹽水泥的HDCC顯示出較好的長期性能．長齡期對斷裂韌度的影響高于對抗壓強(qiáng)度的影響，這使得HDCC的長期性能難以保證．因此如要確保HDCC延性的穩(wěn)定性，應(yīng)特別注意斷裂韌度隨齡期的增長變化規(guī)律．

4 結(jié)論

本文綜述了HDCC的設(shè)計(jì)理論，分析了制備HDCC易忽略的幾個關(guān)鍵技術(shù)，提出了HDCC的制備方法，得出如下重要結(jié)論．

1）由于水膠比、抗壓強(qiáng)度、摩擦應(yīng)力、粘結(jié)強(qiáng)度等的相關(guān)性，為限制摩擦應(yīng)力等，HDCC的抗壓強(qiáng)度不宜太高．因此采用高摻量粉煤灰，較高水膠比、較低膠砂比、橡膠微粉和EVA乳膠粉等，可提高復(fù)合材料的延性．同時為確保后期延性，HDCC對養(yǎng)護(hù)要求不高，當(dāng)使用高摻量粉煤灰時，宜使用相對低活性粉煤灰．

2）基于現(xiàn)有HDCC設(shè)計(jì)理論及制備技術(shù)，要大幅度提高抗壓強(qiáng)度，選擇更匹配的纖維或調(diào)整優(yōu)化纖維性能至關(guān)重要．

3）現(xiàn)有的HDCC設(shè)計(jì)理論，要求基體和纖維分布具有足夠的均勻性，當(dāng)使用顆粒粒徑較大的材料或纖維的分散性不夠好時，復(fù)合材料均勻性降低，HDCC制備難度增大．

4）要獲得具有更高耐久性的HDCC，優(yōu)化基體的制備技術(shù)，在考慮提高基體強(qiáng)度的同時，要注意強(qiáng)度與斷裂韌度的發(fā)展規(guī)律之間的差異．

5）適當(dāng)微孔的存在或不夠密實(shí)的基體，有助于基體開裂強(qiáng)度的降低，延性的提高，因此HDCC的高延性與抗?jié)B透性及與之相關(guān)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]龐超明，LEUNG C K Y，孫偉．高摻量粉煤灰高延性水泥基復(fù)合材料的制備和性能[J]．硅酸鹽學(xué)報，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，F(xiàn)rom 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]龐超明．高延性水泥基復(fù)合材料的制備、性能及基本理論研究[D]．南京：東南大學(xué)材料學(xué)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．

[責(zé)任編輯 田豐]

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

國家自然科學(xué)基金（51108077）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK2011612）

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

數(shù)字出版日期：2014-12-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141217.1129.007.htm l