應(yīng)變強(qiáng)化型水泥基復(fù)合材料研究綜述

王漢鵬 李占鴻，2，* 謝正良 余江滔 鄒 勇

（1.上海建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海 200092；3.上海中環(huán)投資開發(fā)集團(tuán)公司，上海 200060；4.重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400042）

0 引言

我國建筑行業(yè)憑借著廉價勞動力及人口紅利，在過去的幾十年間高速發(fā)展，如今規(guī)模已躍居世界領(lǐng)先水平。然而，發(fā)展中存在的問題也不容忽視。高層、超高層建筑在大城市中成為主流選擇，這就對混凝土的性能提出了越來越高的要求。而混凝土固有的缺陷，如脆性破壞、極限應(yīng)變低、自重大以及帶裂縫工作等制約著它的發(fā)展。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是建筑行業(yè)最為常見的建筑形式。鋼筋的應(yīng)變強(qiáng)化和超強(qiáng)變形能力使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)歷各種荷載作用的考驗。然而，混凝土的脆性和鋼筋銹蝕等仍影響了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能。以地震災(zāi)害為例，歷次震害統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)［1］，經(jīng)過正規(guī)抗震設(shè)計的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比于其他結(jié)構(gòu)形式（如砌體結(jié)構(gòu)、砌體框架混合結(jié)構(gòu)等）所受地震損傷較輕，但仍然出現(xiàn)混凝土壓碎剝落和鋼筋外露屈曲等破壞［2-3］。此外，道路、橋梁和水利工程中的各種病害也無不與混凝土的脆性易裂和鋼筋的低耐候性有關(guān)。

為了改善混凝土的性能，國內(nèi)外學(xué)者針對纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了試驗研究，采用的纖維類別包括金屬纖維（如鋼纖維）、無機(jī)纖維（如玻璃纖維）和有機(jī)纖維（如聚乙烯醇纖維）。與傳統(tǒng)混凝土相比，纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變、抗沖擊強(qiáng)度、韌性和抗裂性都有明顯的提高，如鋼纖維混凝土可以顯著減少節(jié)點核心區(qū)箍筋的用量［4］，但由于纖維混凝土的變形能力仍遠(yuǎn)不如鋼材，纖維混凝土只能替代混凝土而不能達(dá)到鋼筋的增強(qiáng)效果，因此普通混凝土結(jié)構(gòu)仍無法離開鋼筋。

為了適應(yīng)建筑工程中高韌性和未來自動化建造的需求，研究者進(jìn)行了水泥基材料的優(yōu)化設(shè)計，并采用高強(qiáng)度和高模量短切纖維對其強(qiáng)化，成功研發(fā)出應(yīng)變強(qiáng)化型水泥基復(fù)合材料（Strainhardening Cementitious Composites，SHCC）［5-10］。SHCC 的抗壓強(qiáng)度介于10～150 MPa；其抗拉強(qiáng)度介于3～20 MPa，是普通混凝土的2～10 倍；其平均拉伸應(yīng)變介于2%～12%，甚至達(dá)到建筑鋼材的變形水平［11］。從理論上說，SHCC 在材料層面上為高韌性建造、智能建造甚至是無筋建造提供了解決方案。

我國建筑工程規(guī)范對于建造材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的性能給出了詳盡的規(guī)定，合格的建造材料必須通過不同層面的驗證，這涉及材料強(qiáng)度、延性和斷裂能，構(gòu)件的承載力、剛度和變形能力以及極端荷載作用下結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)反應(yīng)等諸多方面試驗和理論。將SHCC 應(yīng)用于土木工程，需要通過學(xué)術(shù)界和工程界的共同努力。本文將從材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)三個層面介紹國內(nèi)外學(xué)者在SHCC 方面的研究成果，包括：SHCC 材料性能的突破及理論發(fā)展；SHCC 構(gòu)件的國內(nèi)外研究進(jìn)展；SHCC應(yīng)用于結(jié)構(gòu)層面的研究進(jìn)展。

1 SHCC的應(yīng)用與發(fā)展

1.1 SHCC材料性能的突破及理論發(fā)展

1.1.1 國外研究現(xiàn)狀

SHCC最早于1992年由密歇根大學(xué)的Li和麻省理工的Leung［12］提出，是一種基于斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)原理，對材料體系進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)整和優(yōu)化得到的新型工程用水泥基復(fù)合材料，因此又被稱為高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）。通過有意識地調(diào)整纖維、基體以及纖維基體界面，這種復(fù)合材料具有應(yīng)變硬化和多縫開裂的特性，其指標(biāo)一般為：纖維摻量不超過材料總體積2.0%，硬化后的復(fù)合材料在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，具有顯著的應(yīng)變硬化特征，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3%以上。

圖1 由（a）裂縫間橋聯(lián)纖維承擔(dān)的應(yīng)力通過（b）σ（δ）函數(shù)關(guān)系曲線得到量化Fig.1 Stress carried by fibers across an opening crack（a）is quantified by the σ（δ）curve（b）

短短不到30 年的時間內(nèi)，在各國學(xué)者對SHCC 組分的甄選及配合比的不斷調(diào)節(jié)下，SHCC材料的性能不斷突破，取得了明顯的進(jìn)步。1994年，Maalej和Li［13］在研究中發(fā)現(xiàn)，水泥基材料的抗彎強(qiáng)度與拉伸開裂強(qiáng)度隨著材料脆性比率B增大而減小；當(dāng)B→0 時，極限抗彎強(qiáng)度為受拉開裂強(qiáng)度的3 倍（理想的彈塑性材料），這是準(zhǔn)脆性的常規(guī)纖維混凝土的極限抗彎強(qiáng)度上限；而對于具有應(yīng)變硬化性能的SHCC材料，對應(yīng)強(qiáng)度比值更高。

Li 和Dhanada 等［14］則發(fā)現(xiàn)通過降低水灰比和使用粗砂，可以提高SHCC 的彈性模量，但是對應(yīng)變硬化不利。此外，通過纖維的表面處理使纖維與基體之間粘結(jié)力增大可以降低纖維的臨界體積率。

Li基于強(qiáng)度準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則提出了一組由可測得物理參數(shù)表征的方程，當(dāng)材料滿足該方程時，說明其具有多縫開裂模式和拉伸延性［15］。這兩個準(zhǔn)則是后繼的研究者能夠通過選擇、調(diào)配材料從而對SHCC 進(jìn)行性能設(shè)計的理論基礎(chǔ)。2002 年，Wang S 等［16］利用上述兩大設(shè)計準(zhǔn)則，采用性能導(dǎo)向的設(shè)計方法研發(fā)出了聚乙烯醇（PVA）纖維增強(qiáng)的應(yīng)變強(qiáng)化水泥基復(fù)合材料，即PVA-SHCC。單軸拉伸試驗結(jié)果表明，其極限應(yīng)變超過4%，極限強(qiáng)度為4.5 MPa（圖2）。試件在拉伸作用下呈現(xiàn)出多裂縫開展的現(xiàn)象，且裂縫寬度控制在100 μm。

圖2 不同表面涂油劑用量下PVA-SHCC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curve of composites with different surface oiling agent content

Wang 和Li［17］根據(jù)斷裂力學(xué)準(zhǔn)則引入人工缺陷來研究SHCC 內(nèi)的缺陷對性能的影響，這一方法使得SHCC 的應(yīng)力應(yīng)變曲線更加飽滿且延性提高，延性最高可達(dá)3.79%。與傳統(tǒng)的反復(fù)試錯方式不同，SHCC 的微觀統(tǒng)計力學(xué)設(shè)計方法縮小了實現(xiàn)SHCC 性能所需的微觀力學(xué)參數(shù)的范圍，提高了效率。對纖維-界面裁剪設(shè)計、選擇人為缺陷的尺寸來提高拉伸變形的幅度和穩(wěn)定性都是微觀力學(xué)成功的應(yīng)用實例。

Ranade R 等［18］發(fā)明了高強(qiáng)度＆高延性混凝土（HSHDC），該材料的抗壓強(qiáng)度超過150 MPa，直接拉伸強(qiáng)度高達(dá)15 MPa，拉伸應(yīng)變在3%和4%之間。這是水泥基復(fù)合材料第一次真正實現(xiàn)了高強(qiáng)度和高延性的結(jié)合。然而直接拉伸試驗結(jié)果表明，該材料的裂縫寬度較大，裂縫密度偏低且應(yīng)力波動較大。

1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

徐世烺和李賀東［19］在國內(nèi)較早成功研發(fā)出同類型材料，命名為超高韌性水泥基復(fù)合材料（Ultra High Toughness Cementitious Composites，UHTCC），并系統(tǒng)、詳細(xì)地介紹了超高韌性水泥基復(fù)合材料名稱的由來、分類、基本性能、設(shè)計方法和在實際工程中的運用情況。研究者通過改進(jìn)的直拉試驗測得制備的UHTCC 的拉伸應(yīng)變能力可以穩(wěn)定在3.6%～4.2%，拉伸時呈現(xiàn)多條細(xì)密裂縫，且裂縫寬度能夠控制在100 μm以內(nèi)。

張君和公成旭［20］配制出了極限拉伸應(yīng)變1.65%的纖維增強(qiáng)水泥基材料。高淑玲和徐世烺［21］配制得到了拉應(yīng)變能力為0.7%的PVA 纖維水泥基復(fù)合材料，也稱為PVA-FRCC。

圖3 世界范圍內(nèi)高延性混凝土與同濟(jì)大學(xué)研制UHDC的拉伸強(qiáng)度-拉伸應(yīng)變的對比Fig.3 Comparison of tensile strength and tensile strain of UHDC developed by Tongji University and the other high ductility concrete around the world

在影響纖維混凝土的性能因素方面，鄧宗才等［22］研究了各種纖維對高延性混凝土抗彎沖擊性能的影響；李操旺［23］研究了聚乙烯纖維的纖維含量及纖維長徑比的不同對于材料力學(xué)性能的影響，并根據(jù)PE 纖維混凝土小梁的荷載-撓度曲線，利用規(guī)范ASTM-C1018 對其增韌效果進(jìn)行評價。張娜、周健等［24］利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（BFRCC）進(jìn)行沖擊壓縮試驗，試驗研究結(jié)果表明：不同纖維摻量BFRCC 的動態(tài)抗壓強(qiáng)度、破碎狀態(tài)、韌度系數(shù)等均具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

余江滔等研制出超高延性水泥基復(fù)合材料（Ultra High Ductility Concrete，UHDC），同樣是SHCC 家族的一員。在正確的選材下，UHDC 的抗壓強(qiáng)度介于30～150 MPa，抗拉強(qiáng)度介于5～20 MPa，是普通混凝土的3～10倍。平均拉伸應(yīng)變達(dá)8%，最大拉伸應(yīng)變達(dá)到12%以上。［11］

圖4 狗骨試件的軸向拉伸試驗（引自文獻(xiàn)［11］）Fig.4 Axial tensile test of dogbone specimen［11］

圖5 UHDC的軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線（引自文獻(xiàn)［11］）Fig.5 Uniaxia tensile stress-strain curve of UHDC［11］

1.2 SHCC構(gòu)件的國內(nèi)外研究進(jìn)展

SHCC 材料問世后，各國的研究者們紛紛嘗試將SHCC 材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，并通過試驗對SHCC構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行驗證和優(yōu)化。

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

剪切破壞是傳統(tǒng)混凝土構(gòu)件中典型的脆性破壞模式，SHCC 的高延性特征首先體現(xiàn)在抗剪試驗上。Kanda 和Watanabe［25］對具有約1%拉應(yīng)變能力的PVA-SHCC進(jìn)行抗剪性能測試，結(jié)果表明，在不配任何抗剪鋼筋的情況下，剪跨比為1 的PVA-SHCC 梁的抗剪承載力比混凝土梁高出42.6%，對應(yīng)變形能力高出2.25 倍，破壞模式具有明顯的延性特征。

P.Kabele 和T.Kanakubo［26］研究了配筋SHCC結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剪切性能，進(jìn)行了較為完整的力學(xué)試驗，并通過數(shù)值方法模擬梁在剪力作用下的受力特點，論證了配筋SHCC 構(gòu)件尺寸對材料力學(xué)性能的影響。

Li和Fischer［27-28］通過鋼筋增強(qiáng)的PE-SHCC 試件（R/SHCC）和混凝土試件（RC）的直接拉伸試驗研究鋼筋與SHCC 之間的相互作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：R/SHCC 試件上出現(xiàn)的首條裂縫始終保持在50～120 μm，整個加載過程中未出現(xiàn)SHCC 基體材料剝落的現(xiàn)象。上述結(jié)果表明，R/SHCC 即使在經(jīng)受很大變形的情況下仍能夠保持構(gòu)件的整體性，其中SHCC 材料仍然能夠繼續(xù)承擔(dān)不低于開裂前所能傳遞的荷載；另外還研究了配筋SHCC 柱在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能［29］。試驗表明，SHCC 與鋼筋的變形協(xié)調(diào)良好，這一特性使得構(gòu)件的延性增強(qiáng)，防止構(gòu)件的脆性破壞。若將這樣的材料應(yīng)用到抗震工程中，必然將極大地提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

此外，國外研究者利用配筋SHCC 構(gòu)件進(jìn)行了大量試驗，如梁柱連接構(gòu)件［30］、填充墻［31］、阻尼構(gòu)件［32］等。這些研究指出配筋SHCC 構(gòu)件具有較強(qiáng)的耗能能力及很好的抗震性能。SHCC 超強(qiáng)的拉伸延性使其能夠在彈塑性階段及非彈性階段都能夠與鋼筋較好的變形協(xié)調(diào)，構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下體現(xiàn)出高延性水平，大變形條件下仍能保持穩(wěn)定的滯回性能。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

李慶華和徐世烺［33］開展了鋼筋增強(qiáng)SHCC 受彎構(gòu)件和SHCC 取代受拉區(qū)縱向鋼筋周圍部分混凝土而作為鋼筋保護(hù)層受彎構(gòu)件的試驗研究。研究結(jié)果表明：超高韌性水泥基復(fù)合材料與鋼筋能夠保持良好的粘結(jié)和變形協(xié)調(diào)性，同時能夠提高構(gòu)件的承載能力和延性，裂縫寬度也得到良好的控制。

追溯世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史可以發(fā)現(xiàn)，不僅發(fā)展中國家而且也包括發(fā)達(dá)國家，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展首先得益于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.為此，學(xué)術(shù)界一直以來注重對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的研究.

由于SHCC 多裂縫開展和應(yīng)變硬化的特性，其結(jié)構(gòu)抗震的應(yīng)用前景也十分廣闊。潘金龍等研究了SHCC 高度、軸壓比和縱筋配筋率對于SHCC/鋼筋混凝土組合柱抗震性能的影響［34］；除此之外，進(jìn)行了鋼筋與SHCC 的拉拔試驗［35］，探究不同影響因素對于SHCC粘結(jié)性能的影響。

張遠(yuǎn)淼、余江滔等［36］采用擬靜力試驗研究了SHCC 修復(fù)震損鋼筋混凝土剪力墻的抗震性能，試驗結(jié)果表明SHCC 材料使得剪力墻的承載力基本得到恢復(fù)，延性、耗能能力得到了提高，如圖6所示。

圖6 鋼筋混凝土剪力墻BZ2 與SHCC修復(fù)的鋼筋混凝土剪力墻R-BZ2對比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

蘇駿、徐世烺等［37］為研究超高韌性水泥基材料新型梁柱節(jié)點的抗震性能，進(jìn)行了框架中節(jié)點的低周反復(fù)載荷試驗，分析了不同軸壓比和體積配箍率下梁柱節(jié)點的受力特點、裂縫開展形式、滯回特性。結(jié)果表明，超高韌性水泥基材料具有更好的耗能能力，可部分或全部替代節(jié)點處箍筋的抗剪作用。

潘鉆峰等［38］采用SHCC 制作柱永久性模板，其內(nèi)澆筑素混凝土形成組合柱，研究其抗震性能。試驗表明SHCC 組合柱端水平荷載-位移滯回曲線飽滿，剛度退化較緩，變形能力較大，并提出了R-SHCC 柱的理論受彎承載力和受剪承載力表達(dá)式。

Zhang Z G 等［39］利用橡膠粉制備SHCC 板，進(jìn)行了落錘試驗。在直接沖擊載荷下，添加橡膠粉的SHCC 面板在10 次沖擊后仍然保持結(jié)構(gòu)完整性，而未添加橡膠粉的SHCC 面板在第一次沖擊后往往會失效。這證實了在沖擊載荷下，加入橡膠粉的SHCC 的魯棒性和損傷容限得到有效提高，使其具有成為抗沖擊結(jié)構(gòu)材料的可能。

鄧明科等［40］對4 片采用SHCC 面層加固的受損磚墻進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗，研究了SHCC面層加固磚砌體墻的破壞機(jī)理、破壞形態(tài)、滯回特性和變形能力。結(jié)果表明，SHCC 加固后的磚墻變形能力和抗震性能都顯著提高，脆性破壞模式由于內(nèi)部磚墻受SHCC 面層約束而改善，且加固效果優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼筋網(wǎng)片加固等技術(shù)；此外還研究了將SHCC 用于RC 梁面層加固［41］，結(jié)果顯示梁的承載力、延性和耗能能力都得到顯著提高。

進(jìn)一步，余江滔等［42-43］初步證明SHCC 材料可以實現(xiàn)無鋼筋建造，其研究團(tuán)隊采用UHDC（極限拉伸強(qiáng)度為15 MPa）制作的四點彎曲梁［44］，并用數(shù)字圖像相關(guān)方法對其裂紋擴(kuò)展和破壞模式進(jìn)行了監(jiān)測。在沒有配筋的情況下，其彎曲性能相當(dāng)于配筋率1.5%的普通鋼筋混凝土梁且具有更好的延性；除此之外，UHDC 梁在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度和撓度遠(yuǎn)小于RC 梁（圖7、圖8）。這表明利用UHDC材料大幅減少或替代構(gòu)件中的鋼筋是可行的。

圖7 無筋SHCC梁抗彎試驗（引自文獻(xiàn)［43］）Fig.7 Bending test of unreinforced SHCC beams

圖8 無筋SHCC梁與配筋梁承載力對比（引自文獻(xiàn)［43］）Fig.8 Comparison of bearing capacity between reinforced beam and UHDC beam without reinforcement.

1.3 SHCC應(yīng)用于結(jié)構(gòu)層面的研究進(jìn)展

SHCC 應(yīng)用于結(jié)構(gòu)層面的研究成果較少。鄧明科等通過振動臺試驗分析了SHCC 加固的二層砌體結(jié)構(gòu)的整體破壞特征和抗震性能［45］，研究顯示加固后的整體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的剛度退化延緩，耐損傷能力和變形能力增強(qiáng)，抗震性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋水泥砂漿面層加固的結(jié)構(gòu)。

2017 年，同濟(jì)大學(xué)余江滔等通過振動臺試驗證明，采用UHDC 材料制作的無筋UHDC 組合框架如圖9 所示。在經(jīng)歷了7.5～9 度地震烈度的振動后，無筋框架殘余變形小，且無明顯破壞，其抗震能力可以與普通鋼筋混凝土框架媲美［46］，振動過程中，UHDC 組合框架產(chǎn)生大量細(xì)微裂縫，裂縫出現(xiàn)降低了結(jié)構(gòu)的剛度和自振頻率，大幅提高了結(jié)構(gòu)阻尼，使得框架可以在地震中有效地吸收能量，達(dá)到了消能、減震的效果。

圖9 無筋UHDC組合框架的振動臺試驗（引自文獻(xiàn)［45］）Fig.9 Shaking table test of reinforced UHDC compositeframe without reinforcement

2 結(jié)論

纖維混凝土的研發(fā)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土在材料性能上的種種缺陷，其中SHCC 因高延性、獨特的多縫開裂模式以及準(zhǔn)應(yīng)變硬化特性而受到研究者的青睞。材料性能方面，各國研究者通過微觀力學(xué)設(shè)計，纖維-界面的處理、人工缺陷設(shè)計等多種方式對SHCC 的延性和抗拉性能進(jìn)行了優(yōu)化和提高。某些情況下，SHCC 的極限抗拉強(qiáng)度突破了15 MPa，是傳統(tǒng)混凝土的數(shù)倍；拉伸應(yīng)變能力突破了10%，是傳統(tǒng)混凝土的數(shù)百倍。在構(gòu)件層次上，研究者將SHCC 廣泛應(yīng)用于復(fù)合梁、柱、板構(gòu)件的制作、抗震加固面層等方面，深入研究了構(gòu)件的力學(xué)性能、耗能能力以及韌性、沖擊性能、抗疲勞荷載等特性，試驗證明SHCC 在這些性能上表現(xiàn)優(yōu)異。在結(jié)構(gòu)層面上，研究者已經(jīng)初步驗證了SHCC用于無筋建造的可能性。

然而，即使性能遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)混凝土，普通的SHCC 脫離鋼筋仍存在一定的障礙。一方面，我國建筑規(guī)范要求抗震鋼筋的拉伸率不低于9%，而普通SHCC 的拉伸應(yīng)變能力只在4%左右，仍不及鋼筋；另一方面，少部分拉伸應(yīng)變能力較強(qiáng)的SHCC（如UHDC）的出現(xiàn)，為無筋建造帶來了可能性，但特定條件下其裂縫寬度較大，可能會影響結(jié)構(gòu)抗?jié)B、抵抗有害離子侵蝕或抗火等性能，所以仍然需要進(jìn)行材性的提升。

此外，實際的建造工程需遵循一套完整的設(shè)計規(guī)范，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種工況下的各種性能標(biāo)準(zhǔn)，但從目前來看，這方面的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)仍比較匱乏。因此，后續(xù)的研究應(yīng)更細(xì)致廣泛地考察如極端環(huán)境、各種應(yīng)變速率下SHCC 材料的抗?jié)B性、抗裂性、抗凍融性等各種性能，建立針對SHCC 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性指標(biāo)和設(shè)計方法，形成一套可用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為其工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。