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有限責任公司，四川成都 610041；2 四川大學 建筑與環(huán)境學院，四川成都 610065；3 四川能投建工集團有限公司，四川成都 610021）

0 引言

目前，混凝土結構是我國應用最廣泛的建筑結構形式之一。然而，盡管混凝土結構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入到混凝土結構的內部，對混凝土的耐久性能產生不利影響，從而縮短混凝土結構的正常使用年限。據有關統(tǒng)計結果表明，混凝土因耐久性問題對我國經濟造成的損失已無法被忽略，因此必須對混凝土易開裂的問題加以重視[1]。

在1992 年，Li 等結合微觀力學與斷裂力學的基礎理念，成功設計出一種具有高延性的水泥基復合材料（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HDCC 的力學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的石英砂、硅灰以及日本產的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。隨著相關研究對HDCC 力學性能的研究不斷深入，出現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HDCC 的典型力學性能進行介紹，然后闡述原材料的選取對HDCC 力學性能的影響的研究現狀，以期為今后HDCC 的原材料選取提供參考。

1 高延性水泥基復合材料的基本力學性能

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]通過試驗研究，得出了HDCC的典型拉伸應力-應變曲線，如圖1 所示。由圖1 可知，試件的拉伸應力-應變曲線呈現鋸齒狀分布，這是因為HDCC 在拉伸荷載的作用下，試件中某一位置首先出現第一條裂縫，此時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，因此試件的承載力不會喪失，此后隨著試件端部位移的不斷增加，上述現象不斷重復發(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，當試件中的某一條裂縫寬度過大時，試件喪失承載能力而被破壞。上述現象的產生，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，強度準則、能量準則和纖維橋聯(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階段，纖維在脫粘階段時處于彈性階段，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象表現為多縫開裂的破壞過程。

圖1 HDCC的典型拉伸應力-應變曲線[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理不斷被揭示，如何降低HDCC 制作成本與實現建筑材料的本土化成為學界關注的重點。徐世烺等[9]為實現HDCC 制造原材料的本土化，除纖維外的其它材料均采用國內生產，制備了一種超高韌性的水泥基復合材料，并通過直接拉伸試驗研究其力學性能，試驗結果表明，這種材料的極限拉應變可以達到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。林建輝等[10]對HDCC經過亞高溫（20℃～200℃）處理后的拉伸性能進行了研究，試驗結果表明，當粉煤灰摻量較高時，試件經亞高溫處理后仍具有良好的應變硬化能力，此外，還得出了高摻量粉煤灰HDCC 經過溫度處理后，其力學性能可以得到提升的結論。

結合上述分析可知，HDCC 在拉伸荷載的作用下會呈現明顯的多縫開裂的試驗現象，展現出了優(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 在受壓破壞時的應力-應變曲線與常規(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。當荷載下降至下降段反彎點時，此時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合材料，以期降低HDCC 在高強度等級下的抗壓韌性退化問題，通過對試件進行抗壓強度試驗，試驗結果表明，試件的抗壓強度、彈性模量的大小與鋼纖維摻量成正相關，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，試驗結果表明，由于HDCC 基體中含有纖維在內部亂序分布，所以試件的阻裂能力和變形能力有顯著提高，因此HDCC 在經受疲勞破壞后仍具有良好的整體性，此外，結合S-N 曲線得出了HDCC 具有更高的壓縮疲勞強度的結論。結合上述分析可知，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

單軸拉伸試驗可以有效評價HDCC 的力學性能。直接拉伸試驗的試驗裝置如圖3 所示[13]，拉伸試驗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生應力集中與初始偏心問題。盡管高棟等[14]對直接拉伸試驗進行了改進，但是直接拉伸試驗對儀器的加載速度與精度具有較高的要求，因此直接拉伸試驗仍具有一定的操作難度。

圖3 直接拉伸試驗裝置示意圖[13]

蔡向榮等[15]提出了更為簡便的測試HDCC 力學性能的方法，設計出了一種四點彎曲的試驗方法，如圖4 所示，采用四點彎曲試驗與直接拉伸試驗對比研究了HDCC 的力學性能，通過試驗結果計算出了HDCC 的應變硬化性能。

圖4 四點彎曲試驗裝置示意圖[15]

結合試件的彎曲破壞現象，可以認為四點彎曲試驗是可以代替單軸拉伸試驗評價HDCC力學性能的簡易方法。

2 高延性水泥基復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，而選用較細的石英砂作為輕骨料。

由于目前我國加大對環(huán)境保護的力度，砂石的價格也隨之增長。此外，水泥在制作的過程中產生了較多的溫室氣體，進一步對環(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)境保護效益的高延性水泥基復合材料。

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用大幅增加。余江濤等[16]采用廢棄混凝土破碎后產生的細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合材料，試驗結果表明，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對HDCC 的力學性能產生不利影響。傅柏權等[17]為了促進固體廢棄物在水泥基材料中的應用，通過試驗探究了粉煤灰摻量變化對HDCC 性能的影響，試驗結果表明，當粉煤灰摻量較大時，試件的流動度增大，但是試件的力學性能均有不同程度的降低，因此在制備HDCC 時，粉煤灰的摻量應存在一定的限制。

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理尚不明確，有待進一步研究。

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合材料，通過對這種材料進行了抗拉、抗壓以及抗彎等力學試驗，得出尾礦砂作為輕骨料制備的HDCC 在各項力學指標上均有提升的結論。黃振宇等[19]為提高HDCC 在保溫隔熱方面的性能表現，采用空心微珠作為輕骨料，在此基礎上結合強度準則和能量準則，設計了一種輕質高延性的水泥基復合材料，并通過試驗對這種材料的力學性能與保溫隔熱性能進行了研究，試驗結果表明，空心微珠作為輕骨料可以顯著降低試件的干密度，同時得到了干密度與導熱系數成正相關這一結論，成功制備出了一種拉應變可達8%、導熱系數僅為0.152 W/m·K 的保溫型高延性水泥基復合材料。郭麗萍等[20]以提高抗沖磨強度為目標，采用金剛砂作為細骨料制備HDCC，以期為泄水建筑物提供一種修復用的新材料，通過對試件進行力學性能研究，得出了采用金剛砂制備HDCC 可提高試件的抗折強度，但是會顯著降低HDCC 的延展性和抗拉強度，這主要是因為金剛砂的硬度較大，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對纖維產生刮傷作用。值得一提的是，李碧雄等[21]采用廢玻璃作為輕骨料制備HDCC 也得出了相似的結論。

圖5 不同骨料類型對PVA纖維形貌的影響

由上述分析可知，骨料的類型對HDCC 力學性能具有顯著的影響，細骨料表面的尖銳棱角會刮傷HDCC 中的纖維，從而弱化試件的拉伸性能，因此在細骨料的選擇中應避免帶有尖銳棱角的細骨料，或是對帶有棱角的細骨料進行預處理，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 的力學性能特點，常見的纖維類型及參數如表1 所示[22]。

表1 常見纖維的性能參數[22]

權娟娟等[23]為了提高HDCC 高溫作用后的力學性能，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合材料，通過對比試件在不同溫度作用后的力學性能，發(fā)現混摻纖維可以減少高溫作用對試件拉伸性能的不利影響，但是鋼纖維的摻入會使得試件在常溫下的拉伸性能出現降低。郭向陽等[24]結合纖維單根拔出試驗，以PVA 纖維表面是否經過涂油處理、粉煤灰摻量大小、砂膠比大小以及細骨料類型作為變化因素，通過分析纖維拔出試驗中的性能參數，對PVA 纖維與水泥基材料界面的性能進行了研究，明確了各因素變化對界面性能產生的影響。玄武巖纖維作為一種耐高溫性能極佳的纖維，在HDCC 領域的應用較少，張娜等[25]通過試驗研究，制備出了一種玄武巖纖維高延性水泥基復合材料，并對其動態(tài)力學性能展開了深入研究，試驗結果表明，玄武巖纖維高延性水泥基復合材料同樣具備在拉伸荷載作用下多縫開裂的破壞模式，但是其極限應變率有顯著降低，僅達到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HDCC 力學性能的影響，試驗結果表明，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，并未觀測到多縫開裂的破壞現象，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。

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

3 高延性水泥基復合材料的工程應用

HDCC 因具有良好的能量吸收能力，而被廣泛應用于建筑結構加固領域。砌體結構作為我國應用最為廣泛的結構形式之一，因其抗震性能差在地震荷載的作用下極易發(fā)生倒塌，對人們的生命財產造成了巨大損失，已有學者考慮采用HDCC 對砌體結構進行加固。周鐵鋼等[27]采用HDCC 對空斗墻體進行加固，通過分析HDCC 抹面位置的不同對加固效果的影響，發(fā)現空斗墻體不管以何種抹面方式進行加固，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，對鋼筋混凝土結構的塑性鉸區(qū)域進行澆筑，通過對比試件在低周反復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 澆筑可顯著增強試件的抗彎能力，并且可以減少梁端箍筋用量的結論。

4 結論與展望

高延性水泥基復合材料因具有良好的變性能力、裂縫控制能力與力學性能，作為一種新型的建筑材料，具有良好的應用前景，其在工程領域中的應用日益增多。但是由于其造價成本較高，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，如選用國產纖維替代日本產的PVA 纖維，以實現原材料的本土化；

（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，通過試驗探究不同原材料對HDCC 性能影響的作用機理，完善可以用于制備HDCC 的原材料選擇；

（3）實際工程所處的環(huán)境較為復雜，因此可以對多因素共同作用下HDCC 性能的表現進行研究。