近日，Cement and Concrete Composites發(fā)表了水資源工程與調(diào)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、水利水電學(xué)院張鐸教授課題組有關(guān)超高延性水泥基復(fù)合材料 (ECC) 的研究新成果，論文標(biāo)題為“Breaking strength-ductility trade-off dilemma for Engineered Cementitious Composites (ECC) through filler effect”。2023級(jí)博士生李俊生為第一作者，張鐸為通訊作者，ECC理論創(chuàng)始人、美國密歇根大學(xué)Victor C. Li教授為合作者。
 

　　超高延性水泥基復(fù)合材料 (ECC) 是一類特殊的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有極高的拉伸延性。在荷載作用下，ECC展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)變硬化行為，其應(yīng)變?nèi)萘恐辽俦葌鹘y(tǒng)混凝土高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在ECC的微觀力學(xué)設(shè)計(jì)框架中，應(yīng)變硬化與多縫開裂行為通常依賴于基體保持較低的斷裂韌性 (K?)，然而，限制K?常以犧牲基體抗壓強(qiáng)度 (fc) 為代價(jià)，這是由于在普通膠凝體系中K?與fc之間存在正向耦合關(guān)系。這種關(guān)系構(gòu)成了同時(shí)提升ECC抗壓強(qiáng)度和拉伸延性的主要障礙，即“強(qiáng)度–延性競(jìng)爭(zhēng)”現(xiàn)象。
 

圖1 ECC力學(xué)響應(yīng)及設(shè)計(jì)框架：(a) 彎曲高延性；(b) 微觀力學(xué)設(shè)計(jì)框架
 

　　圖2 研究現(xiàn)狀及研究思路：(a) K?- fc的耦合關(guān)系；(b) 本研究設(shè)計(jì)框架
 

　　針對(duì)這一問題，本研究提出利用惰性顆粒填充實(shí)現(xiàn)基體致密化，從而促進(jìn)K?與fc解耦，并通過對(duì)比活性顆粒，驗(yàn)證惰性填充對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度–延性關(guān)系的改進(jìn)作用。通過細(xì)微觀分析證實(shí)，填充效應(yīng)在一定程度上改善了纖維/基體界面粘結(jié)性能，有效提升ECC的纖維橋聯(lián)能力。這一研究結(jié)果為高強(qiáng)度、高延性ECC的研發(fā)提供了新思路，同時(shí)也為低品位原材料的高價(jià)值利用提供了新路徑。這類原材料可進(jìn)一步擴(kuò)展至傳統(tǒng)混凝土中難以利用的區(qū)域性再生資源，如石粉與赤泥等，從而納入高性能ECC的原料體系?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)策略的ECC材料能夠兼顧強(qiáng)度、延性、以及裂縫控制的需求，對(duì)于水工結(jié)構(gòu)抗?jié)B、耐久性提升、結(jié)構(gòu)修復(fù)等場(chǎng)景具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
 

　　圖3 基于填充效應(yīng)的ECC優(yōu)化效果：(a) 填充效應(yīng)對(duì)基體K?- fc關(guān)系的解耦作用；(b) 填充效應(yīng)對(duì)ECC“強(qiáng)度-延性”競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的改善效果；(c) 宏觀拉伸性能對(duì)比；(d) 基于微觀力學(xué)模擬的纖維橋聯(lián)作用演化規(guī)律；(e) 纖維/基體界面粘結(jié)性能