1、高延性水泥基复合材料（HDCC）是一种具有应变硬化、多缝开裂和高延性等特性的新型纤维增强水泥基复合材料。概念提出之始，是以微观力学参数为基础进行设计，通过取得基体韧度、界面粘结和纤维特性三者的最优组合，实现高延性。然而细观力学设计是一个非常大的系统工程，同时水泥基复合材料本身也是一种十分复杂的材料，因此从原材料性能的影响规律和优化配合比，以材料的宏观力学性能作为设计目标，从经验的和定性的初步设计开始，实现HDCC最优的材料制备技术显得很有必要。断裂韧度反应了基体抵抗开裂的能力，也是高延性水泥基复合材料（HDCC）的设计基础。Li等指出当聚乙烯醇纤维体积掺量为2％，HDCC基体的断裂韧度Jm应低
2、于0.01 kJ/㎡。纤维和基体界面粘结应力一定时，基体的开裂韧度越低，越容易产生多缝开裂现象。
影响HDCC性能的因素非常多，除了原材料品种及性能与配合比参数如水胶比、胶砂比、粉煤灰含量和其他掺合料的影响外，还受养护条件、流动性、龄期等因素的影响。从而使得HDCC的配合比设计非常复杂困难。本文全面系统研究了配合比设计参数、原材料优选、拌合物流动性及养护制度等对HDCC的力学性能尤其是拉伸延性的影响，同时测试了部分配合比的干燥收缩、氯离子扩散性和水渗透性。从粉煤灰掺量、胶砂比、集料含量、纤维掺量、适当的颗粒状材料、水泥品种、粉煤灰品种、防水剂、外加剂掺量及品种、拌合物流动性、不同养护制
3、度等方面，优化了特定材料下的材料制各技术。所制备的HDCC最大延性达5％左右，达到国际先进水平。在配合比设计基础上，综合众多因素，本文全面系统研究了配合比设计参数等对HDCC基体的断裂韧度的影响规律。测试了不同龄期的基体抗压强度、断裂韧度等，深入揭示了水胶比、粉煤灰含量、灰砂比等配合比关键参数和粉煤灰品种，橡胶微粉等对HDCC基体断裂性能的影响规律和机理。充分表明了微观结构决定着材料的宏观行为。因此在断裂韧度的基础上，选择了部分基体的配合比，制备了微观测试样品，系统进行了MIP、XRD和纳米硬度等微观性能的分析，并借助裂端位错行为的分子动力学理论，分析了<20nm微孔对断裂性能的影响，并采用拟
4、合与微观力学分析方法，得出了孔隙率和微孔含量与断裂性能之间的定量关系。
研究结果表明：HDCC的拉伸应变易产生离散性。要获得较好的延性，宜适当降低基体的断裂韧度，使用高掺量粉煤灰，较高水胶比、较低胶砂比、适当掺量的硅灰、橡胶微粉和EVA乳胶粉等。然而使用高掺量粉煤灰，较高水胶比、橡胶微粉等均会降低强度，但高掺量粉煤灰，由于其活性效应，使后期的延性得不到有力的保证，为降低粉煤灰长期活性的影响，宜使用圆形颗粒含量高，能充分发挥形态效应的低活性粉煤灰或其他掺和料，同时充分注意养护条件的影响。养护条件对低水胶比、高掺量粉煤灰的HDCC延性影响很大，宜使用小于7d的水养护制度。一定范围内降低砂含
5、量，对强度的影响不大。掺加EVA乳胶粉对强度无不利影响，且略有利于延性和抗渗性的提高。使用硫铝酸盐水泥的HDCC显示出较好的长期性能。龄期对断裂韧度的影响高于对抗压强度的影响，这使得HDCC的长期性能难以保证。因此如要以确保HDCC延性的稳定性，应特别注意断裂韧度随龄期的增长变化规律。
随着水胶比的增大，基体的平均纳米硬度和弹性模量均降低；随着龄期的增长，从7d到28d龄期，平均纳米硬度和弹性模量先略有降低。继续在热养护状态下（60±5℃，相对湿度大于95％以上）养护至28d时，其平均纳米硬度又进一步的增长。掺加粉煤灰的配合比，即使热养护28d后，其基体的平均纳米硬度仍然低于7d龄期时
6、的不掺粉煤灰的对比组。粉煤灰掺量的不同使得基体早期的纳米硬度差别较大，但在长期热养护后，其基体纳米硬度相近。本文分析总结了龄期对各级孔含量及分布的影响，提出养护28d龄期前主要改善>50nm大毛细孔含量及分布，中期28d龄期后主要改善<200nm的毛细孔和微孔含量及分布，而后期的热养护则仅改善<20nm微孔含量及分布。粉煤灰品种对微孔分布具有一定的影响。粉煤灰掺量（80％）过高，其28d前孔隙率和毛细孔含量显著增加，但长龄期孔隙率和毛细孔含量均降低。当粉煤灰掺量为30％～70％时，掺加粉煤灰有利于降低各龄期水泥基体的孔结构。砂的添加，对基体纳米硬度的影响不大，降低了各龄期的孔隙率，使得大孔含量
7、略有增加。掺粉煤灰的基体，即使热养护28d，其Ca（OH）2含量均显著低于7d龄期时的不掺粉煤灰的CON组。橡胶粉的掺加，大大降低了基体的纳米硬度：显著的增大了基体的孔隙率和大孔含量，且粒径越小，孔隙率和大孔含量则增加越多。
断裂韧度与孔隙率xp或固相含量xs的相关关系大大低于抗压强度；提出<20nm微孔对抗压强度和断裂韧性的具有正效应。考虑孔径<20nm孔含量x2的影响，置信水平可大大提高，所拟合的断裂韧度与孔隙率xp和孔径<20nm孔含量x2的相关关系为：抗压强度y1=5.2316xp-1.5833X20.1601；R2=0.9400，断裂韧度y2=0.07387Xp1.0779x20.1002，R2=0.8166。并借助裂端位错行为的分子动力学理论，提出微孔的存在，增加了裂纹尖端钝化的几率，同时也可能改变裂纹尖端的发展方向，从而使得裂纹呈“Z”字形发展，合理解释了<20nm微孔对抗压强度和断裂韧性的正效应行为。
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