应变硬化水泥基复合材料(S...设计理论及力学性能研究进展_冷赞.pdf

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)设计理论及力学性能研究进展DOI:10.19936/ki.20968000.20230328.019应变硬化水泥基复合材料(SHCC)设计理论及力学性能研究进展冷赞，薛昕*(厦门大学 建筑与土木工程学院，厦门361005)摘要:应变硬化水泥基复合材料(SHCC)克服了普通混凝土韧性差、裂缝宽度难以控制等缺点，在拉伸状态下呈现准应变硬化和多缝开裂特性，韧性和耐久性优异，应用前景广泛。我国针对 SHCC 的研究起步较晚，目前已开展了大量研究，取得了众多成果，但仍存在不少课题。本文首先对 SHCC 的性能定位、承载机制以及设计方法进行了阐释，重点说明了微观材料参数对 SHCC 材料宏观力学性能的显著影响;在此基础上重点聚焦 SHCC 的拉伸性能在我国的研究现状进行了综述，并对其他力学性能进行了简要概述，综述结果证明了上述设计理论在 SHCC 材料设计过程中的重要指导作用;最后总结了目前研究中存在的课题并对将来的发展进行了展望。希望本文能对 SHCC 的进一步深入研究和推广应用提供一定的借鉴作用。关键词:应变硬化水泥基复合材料;性能定位;承载机制;材料设计方法;研究现状中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03012013A review on design theory and mechanical performance of strain hardening cementitious composites(SHCC)LENG Zan，XUE Xin*(School of Architecture and Civil Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China)Abstract:Different from normal concrete，strain hardening cementitious composites(SHCC)exhibits pseudostrain hardening behavior and multiple cracking characteristics under uniaxial tension force Due to its high tough-ness and small cracking width，SHCC has become one of the most promising civil engineering materials SHCC hasbeen extensively studied in China，and achieved fruitful results，but there are also many topics existing to be furtherexplored This paper firstly elucidated the performance specification，bearing mechanism and design approach ofSHCC Studies have shown that microscopic mechanical parameters of material has significant effects on the macro-scopic mechanical performance of SHCC Then focusing on tensile behavior and other mechanical properties，thispaper reviewed the research progress of SHCC in China The results of the review indicated that fiber has a signifi-cant improvement on SHCC and verified the importance of the abovementioned design theory in the design andmanufacture of SHCC Finally，this paper pointed out the existing topics and the future research direction of SHCCIt is hoped that this paper will contribute to a deeper understanding and aid in the further research of SHCCKey words:strainhardening cementitious composites;performance specification;bearing mechanism;designapproach;research status收稿日期:20220127基金项目:国家自然科学基金(51978591)作者简介:冷赞(1996)，女，硕士研究生，主要从事应变硬化水泥基复合材料方面的研究。通讯作者:薛昕(1972)，男，博士，副教授，主要从事复合材料方面的研究，。1前言优异的经济性和良好的施工性使混凝土成为不可或缺的土木工程材料。但传统混凝土强于抗压而弱于抗拉，需要通过钢筋或型钢进行抗拉补强。即使这样，传统的钢筋混凝土(C)结构仍旧存在破坏时韧性不足、使用过程中难以避免开裂以及难以控制开裂后裂缝宽度等缺点1，过大的裂宽为外部劣化因子提供了侵入通道，降低了 C 结构的耐久性。为弥补传统混凝土的上述弱项，高延性低裂宽的水泥基复合材料应运而生。高延性水泥基复合材料最早由美国密歇根大学的 Li 团队于 20 世纪 90 年代初研发成功25，当时命名为 ECC(engineering cementi-tious composites)。和普通混凝土在开裂后迅速软化的脆性破坏不同，ECC 对缺口不敏感，在基体材料初0212023 年 3 月复合材料科学与工程裂后伴随着细密微细裂缝的逐次出现，整体呈现类似钢材的应变硬化特征，其破坏时的极限应变可达4%以上，远超普通钢筋 0.2%的屈服应变，同时裂缝宽度控制在 100 m 以下，是一种高韧性、高耐久性的纤维增强水泥基复合材料。由于该应变硬化举动伴随着多条微细裂缝的开展，和金属材料所定义的应变硬化举动有所区别，因此称之为准应变硬化举动(pseudo strain hardening behavior，有的文献译为伪应变硬化举动)。Naaman 等6 认识到 ECC 的上述性能在工程应用上的优越性，最早将类似于 ECC 的“在轴向拉伸下整体呈现准应变硬化特性并伴随着多缝开裂的纤维增强水泥基材料”定义为 HPFCC(highperformance fibre reinforced cementitious composites)。HPFCC 由于性能优异而逐渐受到工程界的广泛关注，ILEM(国际材料与结构研究实验联合会)于2004 年至2011 年间，发起成立了由 Li 任主席，以HPFCC 为研究对象的 208HFC 技术分会;随后又于 2010 年至 2016 期间发起成立了后续的 240FDS技术分会(a framework for durability design of fibre re-inforced StrainHardening Cementbased Composites:SHCC)。在 240FDS 技术分会的命名中，ILEM 强调了 HPFCC 的准应变硬化性能，因此采用 SHCC代替表述。国内关于多缝开裂高延性水泥基材料的研究始于 21 世纪初，除了 HPFCC、SHCC、ECC 以外，还使用了各种不同的命名方式。徐世烺及其他学者713 将其命名为“超高韧性水泥基复合材料”，用 UHTCC(ultra high toughness cementitious compos-ites)表述，西安建筑科技大学邓明科1415 将其命名为 HDC(high ductile fiber reinforced concrete)，而东南大学孙伟等1618 采用 HDCC(high ductility cemen-titious composites)的命名方式。由于 ILEM 协会以及国内外众多学者多使用 SHCC 命名，因此本论文也采用该表述。ECC 是 SHCC 中性能优异的种类之一。近年来，国内学者对 SHCC 材料展开了大量广泛而深入的研究，取得了众多成果，但不可否认的是，如要使 SHCC 得到广泛应用仍存在不少须深入探讨的课题。鉴于以上背景，本文首先介绍了各类纤维增强水泥基复合材料，并明确了 SHCC 材料的性能定位，继而基于微观力学和断裂力学机制对其承载机制进行阐释;接着介绍了 SHCC 材料的设计方法，并结合既往的研究对材料的选择进行了说明;然后聚焦SHCC 材料的直接拉伸以及其他力学性能，对国内研究现状进行归纳整理;最后指出了目前存在的主要课题并对将来发展进行了展望。希望本文能对SHCC 材料的进一步深入研究和推广应用提供一定的借鉴作用。2SHCC 性能定位和作用机制2.1关于 SHCC 的性能定位纤维增强水泥基复合材料种类众多，性能存在差异。根据 Li19 提出的性能驱动型材料设计方法(Performance Driven Design Approach，PDDA)，首先需要根据应用场景对各种复合材料进行性能定位。图 1 是日本混凝土学会20 对各种纤维增强材料的定位，可做借鉴。图 1水泥基复合材料分类(基于文献 20 调整)Fig.1Classification of cementitious composites表 1 列出了各种纤维增强水泥基复合材料的主要区别。如前所述，对于 SHCC 材料，追求的是其高韧性，对强度并不做特别要求，其强度和普通混凝土以及一般纤维增强水泥基材料相近，因此可以采用常规方法进行养护，现场施工方便，易于推广。SHCC材料多使用有机合成纤维，譬如 PE、PVA、PP 等，由于其具有较高的韧性，可以应用于地震吸能构件以提高抗震能力，并且由于多裂缝发展、裂缝宽度小、易于修复，可以提高震后建筑物的可修复性;同时可作为维修加固材料，用于桥面修复、边坡加固、普通C 构件加固以及砌体结构加固等实际工程中2122。即使加固后出现裂缝，但由于裂缝宽度细小，外部裂化因子不易侵入，因此可防止内部钢筋锈蚀，提高耐久性。除了 SHCC 以外，还有强调高强度的 UHPFC(ultra high performance fiber reinforced concrete)以及兼具高强度和高韧性的 UHPSHCC 等。UHPFC 一般使用钢纤维增强，在受弯时表现出如图 2 所示的挠度硬化，对拉伸时的应变硬化行为没有要求，一般1212023 年第 3 期应变硬化水泥基复合材料(SHCC)设计理论及力学性能研究进展仍表现为受拉应变软化，可以用于高强度薄细构件。UHPSHCC 可以认为是高强度版的 SHCC 材料，一般使用 PE 纤维增强。由于受拉应变硬化和受弯挠度硬化均展示了材料优异的延性，因此以上材料均可归类于高韧性纤维增强水泥基复合材料 DFCC(ductile fiber reinforced cementitious composites)。另外应注意，高强度的 UHPFC 和 UHPSHCC 一般需要通过高温蒸汽养护实现强度的增长，所以适合于预制构件。表 1各种纤维增强水泥基复合材料的主要区别Table 1Differences of various fiber reinforced cementitious composites类型FC/FCCUHPFCHPFCC/SHCCUHPSHCC力学性能强度/韧性高强度中等韧性中等强度高韧性高强度高韧性拉伸性能应变软化单缝开裂应变软化单