近日，Cement and Concrete Composites发表了水资源工程与调度全国重点实验室、水利水电学院张铎教授课题组有关超高延性水泥基复合材料 (ECC) 的研究新成果，论文标题为“Breaking strength-ductility trade-off dilemma for Engineered Cementitious Composites (ECC) through filler effect”。2023级博士生李俊生为第一作者，张铎为通讯作者，ECC理论创始人、美国密歇根大学Victor C. Li教授为合作者。
超高延性水泥基复合材料 (ECC) 是一类特殊的纤维增强水泥基复合材料，具有极高的拉伸延性。在荷载作用下，ECC展现出独特的应变硬化行为，其应变容量至少比传统混凝土高出两个数量级。在ECC的微观力学设计框架中，应变硬化与多缝开裂行为通常依赖于基体保持较低的断裂韧性 (Kₘ)，然而，限制Kₘ常以牺牲基体抗压强度 (fc) 为代价，这是由于在普通胶凝体系中Kₘ与fc之间存在正向耦合关系。这种关系构成了同时提升ECC抗压强度和拉伸延性的主要障碍，即“强度–延性竞争”现象。
图1 ECC力学响应及设计框架：(a) 弯曲高延性；(b) 微观力学设计框架
图2 研究现状及研究思路：(a) Kₘ- fc的耦合关系；(b) 本研究设计框架
针对这一问题，本研究提出利用惰性颗粒填充实现基体致密化，从而促进Kₘ与fc解耦，并通过对比活性颗粒，验证惰性填充对复合材料强度–延性关系的改进作用。通过细微观分析证实，填充效应在一定程度上改善了纤维/基体界面粘结性能，有效提升ECC的纤维桥联能力。这一研究结果为高强度、高延性ECC的研发提供了新思路，同时也为低品位原材料的高价值利用提供了新路径。这类原材料可进一步扩展至传统混凝土中难以利用的区域性再生资源，如石粉与赤泥等，从而纳入高性能ECC的原料体系。基于上述设计策略的ECC材料能够兼顾强度、延性、以及裂缝控制的需求，对于水工结构抗渗、耐久性提升、结构修复等场景具有技术优势。
图3 基于填充效应的ECC优化效果：(a) 填充效应对基体Kₘ- fc关系的解耦作用；(b) 填充效应对ECC“强度-延性”竞争关系的改善效果；(c) 宏观拉伸性能对比；(d) 基于微观力学模拟的纤维桥联作用演化规律；(e) 纤维/基体界面粘结性能
