【儀表網 研發(fā)快訊】近日，Cement and Concrete Composites發(fā)表了水資源工程與調度全國重點實驗室、水利水電學院張鐸教授課題組有關超高延性水泥基復合材料 (ECC) 的研究新成果，論文標題為“Breaking strength-ductility trade-off dilemma for Engineered Cementitious Composites (ECC) through filler effect”。2023級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Victor C. Li教授為合作者。
超高延性水泥基復合材料 (ECC) 是一類特殊的纖維增強水泥基復合材料，具有極高的拉伸延性。在荷載作用下，ECC展現(xiàn)出獨特的應變硬化行為，其應變容量至少比傳統(tǒng)混凝土高出兩個數(shù)量級。在ECC的微觀力學設計框架中，應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度 (fc) 為代價，這是由于在普通膠凝體系中K?與fc之間存在正向耦合關系。這種關系構成了同時提升ECC抗壓強度和拉伸延性的主要障礙，即“強度–延性競爭”現(xiàn)象。
圖1 ECC力學響應及設計框架：(a) 彎曲高延性；(b) 微觀力學設計框架
圖2 研究現(xiàn)狀及研究思路：(a) K?- fc的耦合關系；(b) 本研究設計框架
針對這一問題，本研究提出利用惰性顆粒填充實現(xiàn)基體致密化，從而促進K?與fc解耦，并通過對比活性顆粒，驗證惰性填充對復合材料強度–延性關系的改進作用。通過細微觀分析證實，填充效應在一定程度上改善了纖維/基體界面粘結性能，有效提升ECC的纖維橋聯(lián)能力。這一研究結果為高強度、高延性ECC的研發(fā)提供了新思路，同時也為低品位原材料的高價值利用提供了新路徑。這類原材料可進一步擴展至傳統(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。基于上述設計策略的ECC材料能夠兼顧強度、延性、以及裂縫控制的需求，對于水工結構抗?jié)B、耐久性提升、結構修復等場景具有技術優(yōu)勢。
圖3 基于填充效應的ECC優(yōu)化效果：(a) 填充效應對基體K?- fc關系的解耦作用；(b) 填充效應對ECC“強度-延性”競爭關系的改善效果；(c) 宏觀拉伸性能對比；(d) 基于微觀力學模擬的纖維橋聯(lián)作用演化規(guī)律；(e) 纖維/基體界面粘結性能
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