高延性水泥基复合材料（HDCC）作为高性能纤维增强水泥基复合材料的一个重要分支，在过去二十年里得到了广泛而深入的研究[1,2]。其最显著的特点是在单轴拉伸载荷下表现出明显的应变硬化行为和多重开裂现象，极限拉伸应变通常在3%到8%之间，远超过普通混凝土或传统纤维增强混凝土[3]。这种独特的机械行为赋予了HDCC优异的裂缝控制能力、高韧性以及出色的能量吸收和耗散性能。因此，HDCC在提高结构抗震性、抗冲击性、耐久性（通过控制裂缝宽度来抑制有害物质的侵入）以及修复和加固现有结构方面具有巨大的应用潜力[2,4]。
实现HDCC应变硬化的核心理论基础是基于微观力学设计，这需要同时满足强度标准和能量标准[2,5]。强度标准要求基质开裂后的纤维桥接应力足以触发新微裂纹的形成，而不是让初始裂纹不受控制地扩展。另一方面，能量标准规定纤维在裂缝扩展过程中消耗的能量必须超过基体的断裂能量，从而确保裂缝的稳定扩展和多重开裂[6]。为了满足这些严格条件，现有的高性能HDCC系统通常依赖于聚乙烯醇（PVA）纤维，因为PVA纤维具有高弹性模量、高抗拉强度，并能与水泥基体有效结合[7]。PVA纤维可以提供高初始桥接应力以实现有效的载荷传递，并由于其适度的界面粘结力，促进能量耗散的“脱粘-滑移”机制，从而形成大量细小裂纹，这些裂纹的宽度通常低于100 μm[7,8]。然而，PVA纤维的高生产成本——尤其是为实现高桥接应力所需的高强度、高模量变体——成为阻碍HDCC大规模工程应用的主要瓶颈。市场数据显示，这种PVA纤维的价格通常是普通工程级聚丙烯（PP）纤维的4到5倍[8,9]。这一显著的材料成本大幅增加了HDCC的总体成本，使其在许多对成本敏感的基础设施项目中竞争力较低。因此，开发具有优异性能且成本效益高的HDCC变体成为将这项技术从实验室推向实际工程应用的关键研究方向。
为了降低成本，一种直观的策略是用成本较低的合成纤维（如聚丙烯（PP）纤维）部分或完全替代PVA纤维。PP纤维具有良好的化学稳定性、高延性（断裂时伸长率高），并且成本显著较低，已被广泛用于传统纤维增强混凝土中以控制塑性收缩开裂[[10], [11], [12], [13]]。然而，将它们直接应用于旨在实现高延性的HDCC系统中面临严峻挑战。首先，PP纤维的疏水表面导致与亲水水泥基体的界面粘结力较弱，难以提供足够的桥接应力以满足应变硬化的强度标准。这通常会导致开裂后迅速进入应变软化阶段，表现为具有单一主导裂纹的脆性破坏模式[14,15]。其次，更严重的是新鲜状态下的物理稳定性问题。PP纤维的密度（约0.90–0.91 g/cm3）明显低于水泥浆的密度（通常>1.8 g/cm3）。在浇筑和振动过程中，纤维会随着混合物中的自由水向上浮动，导致材料上部区域聚集严重，从而造成严重的三维非均匀分布[16]。这种不均匀分布不仅会在材料的宏观性能上引起各向异性，还会严重降低其设计的性能，阻碍预期的多重开裂和高延性的实现。因此，有效抑制PP纤维在流体新鲜基体中的上浮和分离是成功利用它们的前提。
新鲜水泥基材料的流变性能，如屈服应力和塑性粘度，是控制颗粒（包括纤维）悬浮和沉降行为的关键因素[15,17]。传统上，添加粘度改性剂可以增加浆体的塑性粘度和保水能力，从而增强其悬浮固体颗粒的能力，并减少泌水和分离现象。然而，过高的粘度会严重损害新鲜混合物的工作性能和混合过程中的纤维分散效率。相反，过度使用高效减水剂以实现优异的流动性和自密实性能，虽然显著降低了屈服应力，但也可能影响浆体的稳定性。这可能导致泌水增加——即自由水的释放——进而为PP纤维的向上运动提供“通道”[18]。目前，对于混合纤维HDCC系统，特别是那些包含低密度纤维的系统，尚未建立基于流变参数的明确质量控制标准。大多数研究[[19], [20], [21]]仍处于通过试错调整外加剂用量的经验阶段，缺乏对浆体流变状态、纤维分散效果和硬化后宏观性能之间内在关系的系统揭示和定量描述。
另一方面，关于PVA和PP纤维在水泥基体中的混合效应的现有研究结论仍然不一致。一些研究表明，简单混合这两种纤维可能无法产生协同效应，甚至可能由于它们在模量、表面特性和与基体的相互作用机制上的显著差异而产生“负面混合效应”[19], [20], [21]]。在这种情况下，界面性能较弱的PP纤维的过早失效可能会干扰PVA纤维的桥接作用[19], [20], [21]]。然而，其他学者指出[22,23]，通过精心设计的基体组成和适当的纤维体积比，这两种纤维类型可能实现互补优势：高模量的PVA纤维承担载荷并引发开裂，而高延性的PP纤维在较大变形阶段通过拔出作用持续耗散能量，从而共同提高材料的韧性和延性。这代表了“正面混合效应”[24]。尽管如此，能够可靠地诱导这种正面混合效应的具体流变条件和纤维比例，以及背后的微观力学机制——特别是纤维/基体界面过渡区的结构和性能如何影响协同行为——仍需要通过系统的实验研究和微观结构分析来澄清。
总之，开发低成本、高延性的HDCC面临两个核心科学问题和技术挑战：（1）如何从根本上解决低密度PP纤维的上浮问题，并通过科学的流变设计和控制实现PVA和PP纤维的均匀、稳定的三维分布，同时保持新鲜混合物的良好工作性能；（2）在明确降低成本的目标下——即显著减少PVA纤维含量——如何通过优化纤维类型、比例和基体性能的匹配，有效激发PVA和PP纤维之间的“正面混合效应”，使混合纤维系统达到甚至超过传统高PVA纤维含量系统的关键机械性能水平（例如，在拉伸和抗弯方面）。
为了解决上述挑战，本研究提出了一种以“流变驱动的性能和成本协同优化”为中心的设计理念。研究旨在基于高体积粉煤灰水泥基体系统，系统地研究PVA/PP混合纤维增强HDCC。研究将首先使用新鲜浆体的泌水行为作为核心标准，建立流变控制方法，目标是实现0%的泌水率，并确定稳定悬浮PP纤维所需的屈服应力和塑性粘度的最佳范围。在此基础上，系统研究不同体积比的PVA和PP纤维对HDCC的抗压强度、单轴拉伸性能、四点弯曲韧性和微观结构的影响。通过宏观力学测试和扫描电子显微镜（SEM）等微观观察技术的结合，将彻底阐明“正面混合效应”背后的条件和机制。最后，将进行全面的成本效益分析，量化在保持超过2%的拉伸延性方面的经济效益。还将从可建造性和耐久性的角度讨论其工程应用潜力，旨在为促进经济型高延性水泥基复合材料的实际应用提供坚实的理论和实验基础。
