原材料對(duì)高延性水泥基材料的性能影響研究綜述

魏長江，張治博，茍耀虎，李碧雄，趙小剛，范承寧

（1 四川省能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610041；2 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610065；3 四川能投建工集團(tuán)有限公司，四川成都 610021）

0 引言

目前，混凝土結(jié)構(gòu)是我國應(yīng)用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。然而，盡管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗壓能力，但是其在荷載的作用下極易開裂，使得外界的氣體與水分很容易進(jìn)入到混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，對(duì)混凝土的耐久性能產(chǎn)生不利影響，從而縮短混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用年限。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，混凝土因耐久性問題對(duì)我國經(jīng)濟(jì)造成的損失已無法被忽略，因此必須對(duì)混凝土易開裂的問題加以重視[1]。

在1992 年，Li 等結(jié)合微觀力學(xué)與斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)理念，成功設(shè)計(jì)出一種具有高延性的水泥基復(fù)合材料（High Ductility Cementitious Composites,HDCC），因其具有良好的延展性[2]、裂縫控制能力[3]與優(yōu)異的耐久性能[4]，具有良好的應(yīng)用前景。HDCC 在制備過程中需要確保纖維在水泥基材料中的分散性，因此需要確保漿體的塑性粘度介于1.50～11.59 Pa·s，水膠比的范圍介于0.20～0.50，此時(shí)HDCC 的力學(xué)性能隨水膠比的增大而逐漸降低[5-6]。傳統(tǒng)的HDCC 制備過程中使用了精細(xì)的石英砂、硅灰以及日本產(chǎn)的PVA 纖維，極大增加了HDCC 的制備成本，并且建筑材料的制備應(yīng)盡可能本土化，因此有必要采用其它材料替代部分原有的組分制備HDCC。隨著相關(guān)研究對(duì)HDCC 力學(xué)性能的研究不斷深入，出現(xiàn)了一些新的原材料同樣可以用于制備HDCC，本文基于此，首先對(duì)HDCC 的典型力學(xué)性能進(jìn)行介紹，然后闡述原材料的選取對(duì)HDCC 力學(xué)性能的影響的研究現(xiàn)狀，以期為今后HDCC 的原材料選取提供參考。

1 高延性水泥基復(fù)合材料的基本力學(xué)性能

1.1 拉伸性能

拉伸性能優(yōu)異是HDCC 的典型特征之一。Li 等[2]通過試驗(yàn)研究，得出了HDCC的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1 所示。由圖1 可知，試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)鋸齒狀分布，這是因?yàn)镠DCC 在拉伸荷載的作用下，試件中某一位置首先出現(xiàn)第一條裂縫，此時(shí)試件所受的荷載因裂縫展開而降低，但是由于纖維在水泥基材料中起到了橋聯(lián)的作用，裂縫處的荷載由裂縫處的纖維繼續(xù)承擔(dān)，因此試件的承載力不會(huì)喪失，此后隨著試件端部位移的不斷增加，上述現(xiàn)象不斷重復(fù)發(fā)生。隨著端部位移的繼續(xù)增加，HDCC 的多縫開裂模式如圖2 所示[3]。由圖2 可知，當(dāng)試件中的某一條裂縫寬度過大時(shí)，試件喪失承載能力而被破壞。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是由水泥基材料中的基體、纖維和兩者間的界面所共同決定的。目前，強(qiáng)度準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則和纖維橋聯(lián)法則解釋了HDCC 在荷載作用下呈多縫開裂的破壞機(jī)理[7]。以纖維橋聯(lián)法則為例，Li 等[8]提出了將纖維在水泥基材料中的拔出過程分為脫粘和滑移兩個(gè)階段，纖維在脫粘階段時(shí)處于彈性階段，此后隨著滑移位移的增大，纖維與基體界面間的脫粘能降低，纖維所承受的荷載開始下降，纖維的拔出過程進(jìn)入到滑移階段，HDCC在拉伸荷載的作用下纖維的脫粘和滑移過程不斷發(fā)生，因此試件在宏觀上的破壞現(xiàn)象表現(xiàn)為多縫開裂的破壞過程。

圖1 HDCC的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線[2]

圖2 HDCC的多縫開裂模式[3]

隨著纖維在水泥基材料中的作用機(jī)理不斷被揭示，如何降低HDCC 制作成本與實(shí)現(xiàn)建筑材料的本土化成為學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。徐世烺等[9]為實(shí)現(xiàn)HDCC 制造原材料的本土化，除纖維外的其它材料均采用國內(nèi)生產(chǎn)，制備了一種超高韌性的水泥基復(fù)合材料，并通過直接拉伸試驗(yàn)研究其力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，這種材料的極限拉應(yīng)變可以達(dá)到4%以上，并且裂縫寬度控制能力良好，可以有效地將裂縫寬度控制在100 μm 以內(nèi)。林建輝等[10]對(duì)HDCC經(jīng)過亞高溫（20℃～200℃）處理后的拉伸性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰摻量較高時(shí)，試件經(jīng)亞高溫處理后仍具有良好的應(yīng)變硬化能力，此外，還得出了高摻量粉煤灰HDCC 經(jīng)過溫度處理后，其力學(xué)性能可以得到提升的結(jié)論。

結(jié)合上述分析可知，HDCC 在拉伸荷載的作用下會(huì)呈現(xiàn)明顯的多縫開裂的試驗(yàn)現(xiàn)象，展現(xiàn)出了優(yōu)異的拉伸性能。

1.2 壓縮性能

壓縮性能是水泥基材料的主要性能之一，HDCC 在受壓破壞時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與常規(guī)混凝土具有明顯區(qū)別。已有研究表明HDCC 的受壓破壞過程可以分為三個(gè)階段，第一階段為彈性階段，第二階段為穩(wěn)定階段，第三階段為失穩(wěn)階段。當(dāng)荷載下降至下降段反彎點(diǎn)時(shí)，此時(shí)HDCC 試件的變形急劇增大，并且試件中的裂縫寬度繼續(xù)增大，但是由于纖維的橋聯(lián)作用，試件并未被壓潰[11]。

為了探究HDCC 在壓縮荷載作用下的性能，王振波等[12]采用PVA 纖維與鋼纖維混摻的方法，制備了一種混雜纖維高延性水泥基復(fù)合材料，以期降低HDCC 在高強(qiáng)度等級(jí)下的抗壓韌性退化問題，通過對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，試件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量的大小與鋼纖維摻量成正相關(guān)，此外，PVA 纖維與鋼纖維混摻后制備的HDCC 抗壓韌性有較大的提升?？芗蚜恋萚11]以加載頻率和應(yīng)力水平作為變化因素，深入探究了HDCC 單軸受壓疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，由于HDCC 基體中含有纖維在內(nèi)部亂序分布，所以試件的阻裂能力和變形能力有顯著提高，因此HDCC 在經(jīng)受疲勞破壞后仍具有良好的整體性，此外，結(jié)合S-N 曲線得出了HDCC 具有更高的壓縮疲勞強(qiáng)度的結(jié)論。結(jié)合上述分析可知，在軸向壓縮荷載的作用下，與傳統(tǒng)的水泥基材料不同，HDCC具有良好的抗壓韌性。

1.3 彎曲性能

單軸拉伸試驗(yàn)可以有效評(píng)價(jià)HDCC 的力學(xué)性能。直接拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖3 所示[13]，拉伸試驗(yàn)所用的試件為狗骨狀試件，然而狗骨狀試件在拉伸過程中易在變截面處產(chǎn)生應(yīng)力集中與初始偏心問題。盡管高棟等[14]對(duì)直接拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，但是直接拉伸試驗(yàn)對(duì)儀器的加載速度與精度具有較高的要求，因此直接拉伸試驗(yàn)仍具有一定的操作難度。

圖3 直接拉伸試驗(yàn)裝置示意圖[13]

蔡向榮等[15]提出了更為簡便的測(cè)試HDCC 力學(xué)性能的方法，設(shè)計(jì)出了一種四點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)方法，如圖4 所示，采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與直接拉伸試驗(yàn)對(duì)比研究了HDCC 的力學(xué)性能，通過試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出了HDCC 的應(yīng)變硬化性能。

圖4 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置示意圖[15]

結(jié)合試件的彎曲破壞現(xiàn)象，可以認(rèn)為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是可以代替單軸拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)HDCC力學(xué)性能的簡易方法。

2 高延性水泥基復(fù)合材料的原材料選擇

HDCC 的原材料主要包括水泥基、粉煤灰、硅灰、特細(xì)石英砂以及纖維。其中HDCC 的制備通常不選用粗骨料，而選用較細(xì)的石英砂作為輕骨料。

由于目前我國加大對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度，砂石的價(jià)格也隨之增長。此外，水泥在制作的過程中產(chǎn)生了較多的溫室氣體，進(jìn)一步對(duì)環(huán)境造成了影響。因此為了降低天然骨料的使用量，以及減少水泥用量，許多學(xué)者基于固廢利用的理念，嘗試在HDCC 的制備過程中，采用固體廢棄物作為膠凝材料或替代部分天然骨料，制備一種具有環(huán)境保護(hù)效益的高延性水泥基復(fù)合材料。

2.1 膠凝材料

水泥與粉煤灰是制備HDCC 主要的膠凝材料。結(jié)合目前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，固體廢棄物在水泥基材料中的應(yīng)用大幅增加。余江濤等[16]采用廢棄混凝土破碎后產(chǎn)生的細(xì)小粉末作為膠凝材料，通過替代部分的粉煤灰，成功制備了一種超高延性的再生微粉水泥基復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用再生微粉制備的HDCC 具有更高的拉伸延性，但是再生微粉的摻量存在上限，若再生微粉摻量過大則會(huì)對(duì)HDCC 的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。傅柏權(quán)等[17]為了促進(jìn)固體廢棄物在水泥基材料中的應(yīng)用，通過試驗(yàn)探究了粉煤灰摻量變化對(duì)HDCC 性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰摻量較大時(shí)，試件的流動(dòng)度增大，但是試件的力學(xué)性能均有不同程度的降低，因此在制備HDCC 時(shí)，粉煤灰的摻量應(yīng)存在一定的限制。

綜上所述，不同的膠凝材料用于取代部分水泥或粉煤灰制備HDCC 是具有可行性的，但是，目前上述新型膠凝材料在水泥基材料中的作用機(jī)理尚不明確，有待進(jìn)一步研究。

2.2 骨料

鮑文博等[18]采用尾礦砂替代部分天然河砂，制備了一種具有環(huán)保效益的高延性水泥基復(fù)合材料，通過對(duì)這種材料進(jìn)行了抗拉、抗壓以及抗彎等力學(xué)試驗(yàn)，得出尾礦砂作為輕骨料制備的HDCC 在各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)上均有提升的結(jié)論。黃振宇等[19]為提高HDCC 在保溫隔熱方面的性能表現(xiàn)，采用空心微珠作為輕骨料，在此基礎(chǔ)上結(jié)合強(qiáng)度準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一種輕質(zhì)高延性的水泥基復(fù)合材料，并通過試驗(yàn)對(duì)這種材料的力學(xué)性能與保溫隔熱性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，空心微珠作為輕骨料可以顯著降低試件的干密度，同時(shí)得到了干密度與導(dǎo)熱系數(shù)成正相關(guān)這一結(jié)論，成功制備出了一種拉應(yīng)變可達(dá)8%、導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.152 W/m·K 的保溫型高延性水泥基復(fù)合材料。郭麗萍等[20]以提高抗沖磨強(qiáng)度為目標(biāo)，采用金剛砂作為細(xì)骨料制備HDCC，以期為泄水建筑物提供一種修復(fù)用的新材料，通過對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能研究，得出了采用金剛砂制備HDCC 可提高試件的抗折強(qiáng)度，但是會(huì)顯著降低HDCC 的延展性和抗拉強(qiáng)度，這主要是因?yàn)榻饎偵暗挠捕容^大，且金剛砂表面存在尖銳棱角，因此纖維在拔出的過程中受到了切削破壞。PVA 纖維在不同骨料類型下的微觀形貌如圖5 所示，由圖5 可知，采用金剛砂作為輕骨料會(huì)對(duì)纖維產(chǎn)生刮傷作用。值得一提的是，李碧雄等[21]采用廢玻璃作為輕骨料制備HDCC 也得出了相似的結(jié)論。

圖5 不同骨料類型對(duì)PVA纖維形貌的影響

由上述分析可知，骨料的類型對(duì)HDCC 力學(xué)性能具有顯著的影響，細(xì)骨料表面的尖銳棱角會(huì)刮傷HDCC 中的纖維，從而弱化試件的拉伸性能，因此在細(xì)骨料的選擇中應(yīng)避免帶有尖銳棱角的細(xì)骨料，或是對(duì)帶有棱角的細(xì)骨料進(jìn)行預(yù)處理，以降低其帶來的不利影響。

2.3 纖維

制備HDCC 所用纖維種類的不同決定了HDCC 的力學(xué)性能特點(diǎn)，常見的纖維類型及參數(shù)如表1 所示[22]。

表1 常見纖維的性能參數(shù)[22]

權(quán)娟娟等[23]為了提高HDCC 高溫作用后的力學(xué)性能，采用PVA 纖維與鋼纖維混摻的方法制備了一種混摻纖維的高延性水泥基復(fù)合材料，通過對(duì)比試件在不同溫度作用后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)混摻纖維可以減少高溫作用對(duì)試件拉伸性能的不利影響，但是鋼纖維的摻入會(huì)使得試件在常溫下的拉伸性能出現(xiàn)降低。郭向陽等[24]結(jié)合纖維單根拔出試驗(yàn)，以PVA 纖維表面是否經(jīng)過涂油處理、粉煤灰摻量大小、砂膠比大小以及細(xì)骨料類型作為變化因素，通過分析纖維拔出試驗(yàn)中的性能參數(shù)，對(duì)PVA 纖維與水泥基材料界面的性能進(jìn)行了研究，明確了各因素變化對(duì)界面性能產(chǎn)生的影響。玄武巖纖維作為一種耐高溫性能極佳的纖維，在HDCC 領(lǐng)域的應(yīng)用較少，張娜等[25]通過試驗(yàn)研究，制備出了一種玄武巖纖維高延性水泥基復(fù)合材料，并對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能展開了深入研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維高延性水泥基復(fù)合材料同樣具備在拉伸荷載作用下多縫開裂的破壞模式，但是其極限應(yīng)變率有顯著降低，僅達(dá)到0.5%以上。王文煒等[26]以纖維種類、纖維直徑與纖維長度作為變化因素，探究了上述因素的變化對(duì)HDCC 力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維與玄武巖纖維不適用于制備HDCC，采用此兩種纖維制備的試件在破壞過程中，并未觀測(cè)到多縫開裂的破壞現(xiàn)象，而采用PVA 纖維和聚丙烯纖維制備的HDCC 則具有良好的延展性。

結(jié)合上述幾種纖維在HDCC 中的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，纖維與基體之間的界面性能對(duì)試件的延展性起到了決定性作用。適用于制備HDCC 的纖維應(yīng)是表面與基體之間的粘結(jié)性不強(qiáng)且伸長率較大的纖維。

3 高延性水泥基復(fù)合材料的工程應(yīng)用

HDCC 因具有良好的能量吸收能力，而被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。砌體結(jié)構(gòu)作為我國應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，因其抗震性能差在地震荷載的作用下極易發(fā)生倒塌，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失，已有學(xué)者考慮采用HDCC 對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。周鐵鋼等[27]采用HDCC 對(duì)空斗墻體進(jìn)行加固，通過分析HDCC 抹面位置的不同對(duì)加固效果的影響，發(fā)現(xiàn)空斗墻體不管以何種抹面方式進(jìn)行加固，HDCC 都可以起到提高墻體承載能力的作用。鄧明科等[28]采用HDCC 替代普通混凝土，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的塑性鉸區(qū)域進(jìn)行澆筑，通過對(duì)比試件在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線和耗能能力，得出塑性鉸區(qū)域用HDCC 澆筑可顯著增強(qiáng)試件的抗彎能力，并且可以減少梁端箍筋用量的結(jié)論。

4 結(jié)論與展望

高延性水泥基復(fù)合材料因具有良好的變性能力、裂縫控制能力與力學(xué)性能，作為一種新型的建筑材料，具有良好的應(yīng)用前景，其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增多。但是由于其造價(jià)成本較高，推廣使用具有一定的難度，因此未來的研究方向還需要從以下方面展開：

（1）降低HDCC 的成本造價(jià)，如選用國產(chǎn)纖維替代日本產(chǎn)的PVA 纖維，以實(shí)現(xiàn)原材料的本土化；

（2）減少不可再生資源的使用，如河砂、水泥等材料?？梢圆捎镁哂协h(huán)境效益的固體廢棄物制備HDCC，通過試驗(yàn)探究不同原材料對(duì)HDCC 性能影響的作用機(jī)理，完善可以用于制備HDCC 的原材料選擇；

（3）實(shí)際工程所處的環(huán)境較為復(fù)雜，因此可以對(duì)多因素共同作用下HDCC 性能的表現(xiàn)進(jìn)行研究。