工程用水泥基复合材料

工程水泥基复合材料 (ECC)，也称为应变硬化水泥基复合材料 (SHCC)，或更普遍地称为可弯曲混凝土，是一种易于模制的砂浆基复合材料，由特别选择的短随机纤维（通常是聚合物纤维）增强。 与普通混凝土不同，ECC 的拉伸应变能力范围为 3-7%，而普通硅酸盐水泥 (OPC) 浆体、砂浆或混凝土的拉伸应变能力为 0.01%。 因此，ECC 更像是一种延展性金属材料，而不是一种脆性玻璃材料（与 OPC 混凝土一样），因此具有广泛的应用。

与普通纤维增强混凝土不同，ECC 是一系列微机械设计材料。 只要是基于微观力学和断裂力学理论设计/开发的胶凝材料，只要具有大的拉伸延展性，就可以称为ECC。 因此，ECC不是固定的材料设计，而是在不同研究、开发和实施阶段下的广泛主题。 ECC 材料系列正在扩大。 ECC 的单独混合设计的开发需要通过在纳米、微米、宏观和复合尺度上系统地工程化材料来付出特别的努力。

ECC 看起来类似于普通的硅酸盐水泥基混凝土，只是它可以在应变下变形（或弯曲）。 许多研究小组正在开发 ECC 科学，包括密歇根大学、加州大学欧文分校、代尔夫特理工大学、东京大学、捷克技术大学、不列颠哥伦比亚大学和斯坦福大学的研究小组。 传统混凝土缺乏耐久性和应变失效，均源于脆性行为，已成为 ECC 发展的推动因素。

ECC 具有多种独特的性能，包括优于其他纤维增强复合材料的拉伸性能、与传统水泥相当的易加工性、仅使用少量体积分数的纤维 (~ 2%)、紧密的裂缝宽度和 缺乏各向异性的弱平面。 这些特性主要归因于纤维和胶结基质之间的相互作用，可以通过微观机械设计进行定制。 从本质上讲，纤维会产生许多具有非常特定宽度的微裂纹，而不是一些非常大的裂缝（如在传统混凝土中那样）。这使得 ECC 可以变形而不会出现灾难性故障。

这种微裂纹行为导致优异的耐腐蚀性（裂缝非常小且数量众多，侵蚀性介质难以渗透和攻击钢筋）以及自我修复。 在有水的情况下（例如在暴雨期间），未反应的水泥颗粒最近由于水合物开裂而暴露出来，并形成许多膨胀并填充裂缝的产物（硅酸钙水合物 (C-S-H)、方解石等）。 这些产品显示为填充在裂缝中的白色“疤痕”材料。 这种自我修复行为不仅可以密封裂缝以防止流体传输，而且可以恢复机械性能。 这种自我修复已在各种传统水泥和混凝土中观察到； 然而，超过一定的裂缝宽度时，自我修复的效果就会降低。 ECC 中看到的严格控制的裂缝宽度确保所有裂缝在暴露于自然环境时彻底愈合。

当与导电性更强的材料结合使用时，所有水泥材料都可以增加并用于损伤传感。 这基本上是基于这样一个事实，即电导率会随着损坏的发生而改变； 添加导电材料旨在将导电率提高到易于识别此类变化的水平。 尽管 ECC 本身不是材料特性，但正在开发用于损伤传感的半导体 ECC。

ECC 有许多不同的种类，包括：

• 轻质（即低密度）ECC 是通过添加气泡、玻璃泡、聚合物球和/或轻质骨料开发的。 与其他轻质混凝土相比，轻质ECC具有优异的延展性。 应用包括浮动房屋、驳船和独木舟。
• “自密实混凝土”是指可以在自身重量作用下流动的混凝土。 例如，一种自密实材料将能够填充包含精心设计的预先定位的钢筋的模具，而无需振动或晃动以确保均匀分布。 自密实 ECC 是通过使用化学外加剂降低粘度并通过混合比例控制颗粒相互作用而开发的。
• 可喷涂的 ECC 可以从软管中气动喷涂，是通过使用各种高效减水剂和降粘剂开发出来的。 与其他可喷涂纤维增强复合材料相比，可喷涂ECC除了具有独特的机械性能外，还具有增强的泵送性