摘要
为解决超轻质工程水泥基复合材料（ultra-lightweight engineered cementitious composites，ULECC）存在的强度较低和材料成本较高的问题，在微观力学设计理论的指导下，开发出一种兼顾强度和经济性可持续的ULECC。采用粉煤灰漂珠（fly ash cenosphere，FAC）和空心玻璃微珠（hollow glass microsphere，HGM）两种轻质填料，加入纤维素丝（cellulose filaments，CF）进行纳米增强，同时讨论水胶比的影响。共设计了5种配合比，其中3种可被归为ULECC。结果表明：提出的ULECC仅添加1%的PE纤维即可实现密度低至1296 kg/m3，强度达41.9 MPa，拉应变达10.28%；水胶比是影响ULECC力学性能的重要因素，随着水胶比的减小，ULECC抗压强度、初裂强度和抗拉强度均逐渐增大，延性先减小后增大。SEM微观结构表明，掺入轻质填料会增大孔隙率，降低基体断裂韧性，使得延性显著上升。与传统工程水泥基复合材料（ECC）相比， ULECC在不过多损伤强度的前提下，提供了具有竞争力的变形能力，大大提高了可持续性，降低了材料成本。
关键词
Abstract
To address the issues of low strength and high material costs associated with ultra-lightweight engineered cementitious composites (ULECC), a sustainable ULECC that balances strength and cost has been developed based on micro-mechanical design theory. Two types of lightweight fillers were used: fly ash cenospheres (FAC) and hollow glass microspheres (HGM), along with cellulose filaments (CF) for nano-enhancement. The influence of the water-binder ratio was also examined. A total of five different mix ratios were designed, three of which can be classified as ULECC. The results indicate that the proposed ULECC, with only 1% PE fiber addition, achieves a density as low as 1296 kg/m3, a strength of 41.9 MPa, and a tensile strain of 10.28%. The water-binder ratio is a key factor affecting ULECC′s mechanical properties. As this ratio decreases, the compressive strength, initial cracking strength, and tensile strength of ULECC gradually increase, while ductility first decreases and then increases. Scanning electron microscopy (SEM) analysis shows that incorporating lightweight fillers increases porosity and reduces the matrix′s fracture toughness, leading to a significant rise in ductility. Compared to traditional engineered cementitious composites (ECC), ULECC provides competitive deformation capability without excessive damage strength, which greatly improves sustainability and reduces material costs.
工程水泥基复合材料（ECC）由于其独特的微观结构和纤维桥接效应[1-3]，通常具有3%以上的极限抗拉应变和多重开裂特性[4-7]。然而，相同体积的ECC成本几乎为普通混凝土的十倍[8]。这源于掺入其中的有机纤维，尽管其体积分数通常限制在2%以内，但其仍占到了总成本的60%~80%[9]。因此，ECC主要被作为耗能构件在混凝土结构中使用，如连梁和耗能支撑等[10-12]，以及作为修复与加固材料用于新建以及既有建筑中[13-14]。随着超高层建筑、大跨度桥梁等自重敏感结构的发展，密度小于1 400 kg/m3的超轻质工程水泥基复合材料（ULECC）具有更广泛的应用前景[15-18]，然而密度的降低往往以损伤其强度和延性为代价[19]。过去5年中对ULECC的最新研究[7，9，15-16，20-24]结果表明，大多数样品的抗压强度低于35 MPa，拉伸应变能力低于6%。因此，本研究旨在开发一种兼顾强度、延性以及经济性的ULECC。
粉煤灰漂珠（FAC）和空心玻璃微珠（HGM）常作为轻质填料用于降低ECC的密度[15，25]。FAC是热电厂燃煤的副产品，为表面光滑的空心球体结构，直径为10~300 μm，密度为400~900 kg/m3[26]，一般可作轻质骨料使用，且具有一定的火山灰活性，能够在一定程度上弥补由密度降低导致的基体力学性能的不足[27-28]。Deng等[15]采用FAC完全替代石英砂，使得ECC的密度由1 740 kg/m3降到1 260 kg/m3，下降27.59%；延性由1.34%增大到5.21%，增大了288.81%；而抗压强度由35.0 MPa下降到34.3 MPa，仅下降2.00%。
HGM是一种从废弃玻璃中提取的高性能轻质环保材料[20]，具有更小的粒径（2~150 μm）和更低的密度（150~600 kg/m3），常用于替代胶凝材料[29]。Wang等[20]用不同类型的HGM替代100%粉煤灰（FA）使得ECC的密度从1 872 kg/m3降低至1 260 kg/m3，下降了32.69%；而抗压强度由46.4 MPa下降到8.2 MPa，下降幅度高达82.33%。可见虽然HGM的掺入能有效降低ECC的密度，但会大幅降低其抗压强度。因此，可采用较小的HGM添加量，以期达到制得更加环保、可持续的ULECC，而不过于损伤其抗压强度的目的。
由于掺入轻质材料之后降低了基质的断裂韧性，根据微观设计理论[30]，这可促进ULECC的应变硬化[19]。因此，可以尝试较低的纤维掺量来实现ULECC优异的延性。同时，掺入纤维素丝（CF）进一步优化ULECC的力学性能。CF具有亲水性和纳米补强作用[31-32]，能在相对较低的质量分数下（胶凝材料质量的0.05%~0.20%）改善ULECC的性能。
水胶比是影响ECC性能的重要参数，通过改变ECC的孔隙率影响ECC的各项性能，包括强度、纤维分散以及纤维-基体界面黏结性能等。郭荣鑫等[33]发现适宜的水胶比可以使得ECC获得良好的纤维-基体界面性能，从而提高延性。过低或过高的水胶比均不利于ECC力学性能的发挥。
基于以上背景，用FAC完全替代石英砂，用HGM替代30%粉煤灰制备ULECC，仅添加体积掺量为1%的PE纤维来降低成本，添加0.1%（胶凝材料质量分数）的CF保证良好的力学性能，讨论适宜的水胶比，从而开发环保、经济兼具优异力学性能的ULECC。研究了ULECC的密度、抗压强度、拉伸性能等力学性能，测试了基质的断裂韧性和纤维桥接能力。同时，基于扫描电子显微镜（SEM）从微观层面解释了增韧机制。
1 试验
1.1 原材料和配合比
基体所需原材料包括P·O52.5普通硅酸盐水泥（OPC）、一级粉煤灰（FA）、硅灰（SF）、石英砂、FAC、HGM、水、减水剂。其中，固体材料粒径分布见图1。采用抗拉强度为2 400 MPa、长径比为750的PE纤维作为增强材料，PE纤维的物理参数见表1。
图1固体材料粒径分布
Fig.1Particle size distributions of solid component
表1PE纤维物理参数
Tab.1Physical properties of PE fiber
共制备5种混合物，配合比如表2所示，其中，E0为不加轻质填料的对照组。E1用FAC完全替代石英砂，并且用HGM替代30%的粉煤灰。E2在E1基础上加入质量分数为0.1%胶凝材料的CF，以弥补轻质填料对强度的不利影响。为了讨论水胶比对ECC性能的影响，制备仅水胶比不同的混合物E3和E4，水胶比分别为0.23和0.21。
表2配合比
Tab.2Mix proportions
1.2 试件制备
首先，将固体材料全部倒入搅拌机，搅拌2~3 min，确保混合均匀。将搅拌均匀的水和减水剂混合溶液（若有CF，将CF加入溶液中并提前超声分散）分两次缓慢加入，继续搅拌5 min左右，直至干料搅拌至浆体状态。然后，加入PE纤维，边加边搅拌，直至纤维完全加入，再继续搅拌约5 min。最后，将新拌混合物装入模具，移至振动台上振动2 min。室内盖膜养护24 h后拆模，转移至标准养护室（温度20℃±1℃，湿度≥95%）养护至测试龄期。
1.3 测试方法
参考GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》，采用水泥胶砂流动度测定仪测定拌合物流动度。制作一系列尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的立方体试件，养护至测试龄期后，称取表面干燥状态下试件的重量进行密度测试。密度测试完成后，使用万能试验机进行立方体抗压强度试验，加载速率为0.5 MPa/s。另制作100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件用于弹性模量测试。表2所列每种配比均测试3个立方体和3个棱柱体试件。
单轴拉伸试验采用日本土木工程学会JSCE推荐的狗骨型试件，试验加载设备采用MTSLPS.305型电子万能试验机，拉伸试件尺寸和试验装置如图2所示。在80 mm标距段两侧对称布置量程为25 mm的位移传感器（LVDT），使用TDS-540静态数据采集仪同步采集拉伸荷载和标距段拉伸位移，以获得试件应力-应变关系。采用位移加载方式，加载速率为0.5 mm/min，每种配比测试3个试件。
图2单轴拉伸试验
Fig.2Uniaxial tensile test
单裂纹拉伸试验在预先削弱的狗骨型试件上进行，切口断面尺寸和试验装置如图3所示。在预制切口两侧分别布置电子引伸计。加载方式为位移加载，加载速率为0.2 mm/min。每种配比测试3个试件。
图3单裂纹拉伸试验
Fig.3Single-crack tension test
在无纤维基体梁上进行三点弯曲试验，试验装置和试件尺寸如图4所示。采用位移加载，加载速率为1 mm/min。试验前在梁跨中截面预制宽度为1 mm、深度为12 mm的缺口。每组测试3个试件。
图4三点弯曲试验
Fig.4Three-point bending test
2 试验结果与分析
2.1 流动度
图5展示了试验测得的不同拌合物的流动度。对比E0和E1的流动度可以看出，在相同水胶比条件下，加入轻质填料后ECC的流动度显著降低，由215 mm降至190 mm，下降幅度为11.6%。其原因在于：1）砂的密度显著高于FAC，重力作用使ECC更易流动，同时砂的比表面积较小，需水量较低，黏滞阻力相对较小，E0的流动性更好; 2）用HGM替代30%FA后，在水胶比不变的情况下，混合料中可用于润滑骨料的水分减少，导致颗粒间移动受限，进而降低了流动性[34]; 3）FAC具有一定的吸水性，且在搅拌过程中极易被搅碎[35-36]，破碎后的FAC吸水性进一步增强，从而导致拌合物流动性进一步降低。
图5流动度
Fig.5Flow rate
对比E2、E3和E4的试验结果可以看出，随着水胶比的降低，即使增加了减水剂的用量，ECC的流动性仍逐渐下降。相较于水胶比0.25，当水胶比为0.23和0.21时，流动度分别下降了2.6%和5.3%。E1与E2的结果表明，CF对新拌浆体流动度的影响较小。这可能是由于较高的水胶比及适量的减水剂在一定程度上抵消了CF对流动性的负面影响。
2.2 密度和抗压强度
各配比拌合物的抗压强度和密度如图6所示。对比E0和E1可以看出，轻质填料显著降低了ECC的抗压强度和密度。拌合物的密度从1 992 kg/m3降至1 296 kg/m3，下降了35%，属于ULECC；抗压强度从69.1 MPa降至39.2 MPa，下降了43.3%。对比E2、E3和E4的结果可知，拌合物的抗压强度和密度均随水胶比的降低而增大。当水胶比从0.25降至0.23和0.21时，抗压强度分别为43.7 MPa和47.1 MPa，增大了4.3%和12.4%；密度分别为1 400 kg/m3和1 520 kg/m3，增大了8%和17.3%。这是因为水胶比降低后，胶凝材料占比增大，水分减少，使得硬化后的ECC内部孔隙减少，基体结构更加致密[33]。
图6抗压强度和密度
Fig.6Compressive strength and densities
加入CF后，E2的抗压强度为41.9 MPa，E1的抗压强度为39.2 MPa，而两者的密度基本相同，均为1 296 kg/m3，表明CF能在不显著增大拌合物密度的同时提高拌合物的抗压强度。这是因为CF纤维能够增强材料的微观结构，促进水泥水化，提高材料密实度[32]。
2.3 拉伸性能
标准养护28 d后，各配比试件的拉伸应力-应变曲线如图8所示，所有配比均表现出显著的应变硬化行为，应变均在3%以上。从图8中提取各试件的拉伸参数，包括初裂强度（σc）、极限拉伸强度 （σu）和极限拉伸应变（εu）（参考文献[37]），结果如表3所示。
图7ULECC密度与抗压强度关系统计
Fig.7Statistical relationship between density and compressive strength of ULECC
图8不同混合物的拉伸应力-应变曲线
Fig.8Tensile stress-strain curves of different mixtures
表3ECC拉伸参数
Tab.3Tensile parameters of ECC
由图8和表3可以看出，E2展现出最优的应变能力，其极限拉伸应变达10.28%。E4则表现出最高的拉伸强度，达5.21 MPa。使用轻质填料后，ECC的初裂强度和极限拉伸强度呈下降趋势，但其延展性显著提升。极限应变从3.77%提升到7.77%，增长了106.10%；初裂强度由1.60 MPa降至1.26 MPa，降低了21.25%；极限拉伸强度从4.10 MPa降至3.30 MPa，降低了19.51%；拉伸段裂缝数由16条增至48条。轻质填料的加入导致基体断裂韧性降低，材料更容易产生裂缝，从而提高了ECC的应变硬化性能[16]。
由于CF的桥接作用能有效控制裂缝的扩展，吸收更多的应变能，提高材料的延性[32]，加入CF的E2表现出最好的延性，与E1相比，裂缝数从48条增至59条，应变从7.77%增至10.28%。E1和E2的PE纤维掺量虽仅为1%，却达到了先前研究中纤维掺量为2%的混合物的延性水平，如图9所示。随着水胶比的降低，LECC的初裂强度和极限强度逐渐增加，极限应变则先降低后升高，但整体呈下降趋势。
图9ULECC密度与应变能力关系统计
Fig.9Statistical relationship between density and strain capacity of ULECC
2.4 应变硬化指数分析
根据ECC设计理论，ECC要具有应变硬化特征，必须同时满足两个准则，即
1）能量准则：
(1)
2）强度准则：
(2)
式中：Jtip为裂纹尖端断裂韧性，可由K2m/Em计算得出，Km和Em分别为基体断裂韧性和弹性模量；σ（δ）为纤维桥接应力-裂纹开口宽度曲线，可由单裂纹拉伸试验获得；J′b为互补余能；σc和σ0分别为初裂强度和最大纤维桥接应力；δ0为σ（δ）曲线上与σ0对应的裂纹开口宽度。
表4和表5列出了无纤维缺口梁三点弯曲试验和单裂纹拉伸试验的结果。对比E0和E1可知，相同水胶比下，随着轻质填料质量分数的增加，Km和Jtip分别降低了39.76%和24.72%。轻质填料的引入增大了材料的孔隙率，削弱了基体韧性。由于CF的桥接作用，E2加入CF纤维后Km和Jtip均显著提高。比较E2、E3和E4可知，随着水胶比的降低，基体更加密实，内部缺陷更少，导致Km和Jtip整体呈上升趋势。
表4三点弯曲试验结果
Tab.4Results of three point bending test
表5单裂纹拉伸试验结果
Tab.5Results of single crack tensile test
图10给出了不同混合物通过单裂纹拉伸试验得到的纤维桥接应力-裂纹开口宽度曲线。提取各曲线的最大纤维桥接强度（σ0）、裂纹开口宽度（δ0）和纤维桥接互补能（J′b），列于表5。再根据公式来计算应变硬化指数P（如图11所示）。P可以定量表征ECC应变硬化的潜力，表达式如下：
(3)
(4)
式中：PE为能量应变硬化指数，PS为强度应变硬化指数。
水胶比相同情况下，掺入轻质填料会导致σ0和J′b均降低，这是因为轻质填料会削弱纤维的桥接性能。加入CF后，σ0和J′b显著提升，原因是CF可以增强纤维和基体之间的黏结。水胶比降低后，密实的基体增大了纤维与基质之间的摩擦作用，导致σ0和J′b逐渐增大。
所有混合物的PS≥1.2以及PE≥3.0，表明所有配合比的混合物均实现了应变硬化。其中，E0的PE值最小，这是因为E0未添加轻质填料导致基体强度高。致密的基体增加了纤维与基体之间的界面黏结强度，导致纤维在拉伸过程中大量断裂。用FAC替代所有砂子以及用HGM替代30%FA之后，PE增大，而PS降低。由于CF的桥接作用，E2的PE和PS均大幅提高，分别提高了17.97%和34.08%。当水胶比从0.25减小到0.21时，PS减小，而PE变化不大，说明水胶比为0.25时，基质韧性和纤维桥接能力达到了较好的平衡。
图10不同混合物的纤维桥接应力-裂纹开口曲线
Fig.10Fiber bridging stress-crack opening curves of different mixtures
图11应变硬化指数
Fig.11Pseudo-strain hardening indices
2.5 微观分析
单轴拉伸试验后，对E0、E1、E2试样断截面进行SEM分析。如图12（a）和（b）所示，E0基体结构密实，仅有少量微小气孔，没有观察到明显裂缝，致密的基体使得纤维与基体间存在较强的黏结力，纤维在拉伸过程中出现大量断裂。与E0相比，由于轻质填料的掺入，能够清晰地观察到E1基体中存在大量气孔。此外，在E1基体表面观察到大量完整或破碎的FAC及其脱离坑洞，表明FAC与周围基体之间的结合较弱，这都导致纤维与基体间的黏结强度较低，PE纤维易从基体中拔出，如图12（c）和（d）所示。而从图12（e）和（f）可以看出，与E1相比，加入CF后的E2基体表面气孔更少，基体结构更加密实，并且E2的纤维表面与E1相比更加粗糙，存在更多的划痕与基体碎屑，表明CF的加入导致纤维和基质之间的黏结性能提高，有利于提高试件的变形能力。
图12E0、E1和E2的SEM图
Fig.12SEM images of E0, E1 and E2
3 结论
1）在1%的低纤维掺量下，用FAC替代所有石英砂，同时用HGM替代30%FA后，ECC密度下降了35%，延性提高了106.10%。所有配比均表现出应变硬化现象，应变均大于3%。其中，E2应变能力最高，达10.28%，密度低至1 296 kg/m3，其在提高结构抗震性能、作为结构的修复加固材料方面具有较好的应用前景。
2）加入0.1%掺量的CF后，ULECC的密度并无明显变化，但强度和应变能力明显增强。与E1相比， E2的初裂强度和极限强度分别增大了16.81%和 10.61%，应变能力从7.77%增至10.28%，提升了32.3%。SEM结果显示， CF的存在改善了E2的纤维-基体界面黏结性能，纤维的桥联作用得到了充分发挥，进而明显增强了延性。
3）当水胶比从0.25降至0.21时，混合物的密度从1 296 kg/m3增长至1 520 kg/m3，增长了17.28%，同时，基体断裂韧性、抗压强度和抗拉强度均有增强，而应变能力整体呈下降趋势。
