《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：LCP fiber for robust engineered cementitious composites: design and micromechanical mechanism
编辑推荐：
摘要虽然聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯（PE）纤维是ECC中最广泛认可的增强纤维，但它们各自的缺点仍有进一步优化空间。PVA纤维具有亲水性，能提供较强的裂缝宽度控制，但其较高的粘结强度和有限的抗拉强度增加了PVA-ECC的设计复杂度，并阻碍了复合材料的抗拉强度提高。PE纤维具有较
摘要
虽然聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯（PE）纤维是ECC中最广泛认可的增强纤维，但它们各自的缺点仍有进一步优化空间。PVA纤维具有亲水性，能提供较强的裂缝宽度控制，但其较高的粘结强度和有限的抗拉强度增加了PVA-ECC的设计复杂度，并阻碍了复合材料的抗拉强度提高。PE纤维具有较高的抗拉强度，但其疏水表面削弱了裂缝宽度控制能力，使得耐久性难以保证。此外，PVA和PE纤维都不具有足够的耐热性，在不超过200°C的温度暴露后，其抗拉性能通常就会丧失。如何平衡并协同增强这两种纤维的功能，一直是ECC研究中的持久难题。本研究提出采用液晶聚合物（LCP）纤维用于ECC增强。LCP纤维兼具PVA纤维的亲水性和PE纤维的高抗拉强度及弹性模量，同时具有更高的耐热性。本研究验证了LCP作为替代增强纤维的有效性，所制备的LCP-ECC集成了强裂缝宽度控制、简便制备、高延展性和高抗拉强度等特性。LCP-ECC的裂缝宽度低至40μm，抗拉应变能力达3%，抗拉强度达9 MPa。重要的是，LCP-ECC在300°C暴露后仍保持高延展性，从而超越了传统PVA-ECC和PE-ECC的耐热度限制。这些发现为优化ECC性能及拓展其工程应用提供了理论指导和实践路径。
引言
工程水泥基复合材料（ECC）旨在克服传统混凝土固有的脆性，代表了一种高延展性纤维增强复合系统。通过纤维、基体及纤维-基体界面的协同优化设计，ECC可实现高达3%–8%（即为普通混凝土的300–800倍）的优异抗拉应变能力，从而实现与钢筋接近的变形协调性[1], [2], [3], [4], [5]。通过ECC材料的微观力学调控，工程师可将局部裂缝转化为分散的多条微裂缝，从而增强材料的内在韧性，重新定义极端载荷环境下的裂缝管理极限，并建立容损混凝土技术的新范式[6], [7], [8], [9]。值得注意的是，特征性的渐进多条裂缝模式赋予材料显著的能量耗散能力，这一特性使ECC在地震工程、结构修复和加固应用中极具竞争力[10], [11], [12], [13], [14]。
由于优异的抗拉伸应变硬化响应，聚乙烯醇（PVA）纤维和聚乙烯（PE）纤维是当前ECC的主要增强材料。PVA纤维表面的亲水性促进了与水泥基体的强界面粘结，从而赋予所得ECC强大的裂缝控制能力[15]。裂缝宽度可始终控制在80μm以下（图1a）[16], [17], [18], [19]。这种紧密的裂缝不仅有效阻碍了外部有害化学物质的侵入，还增强了材料的自修复能力，从而进一步保持ECC的耐久性。然而，PVA纤维的抗拉强度和弹性模量较低（表1），且强界面粘结容易导致纤维断裂。因此，PVA-ECC的设计高度依赖于微观力学设计理论，导致制备复杂度较高[17], [20], [21]。
PE纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量（表1），同时表现出显著的表面疏水性。这种组合导致纤维与基体之间相对较弱的界面粘结，使得纤维滑移以拔出为主而非断裂。因此，PE纤维能更有效地参与纤维桥接，产生更大的桥接互补能[22]。较高的互补能使稳态多条裂缝和复合应变硬化的判据更容易满足。正因如此，许多研究仅通过确保纤维均匀分布便获得了高延展性或超高延展性的PE-ECC，无需复杂的组分调控。然而，值得注意的是，PE纤维的疏水性也限制了其抑制裂缝宽度的能力。获得高延展性通常伴随着较大的裂缝宽度，通常超过130μm（图1a）[23], [24], [25], [26], [27]。这种宽裂缝不仅削弱了对外部有害介质侵入的抵抗，还阻碍了裂缝的自修复，从而使得长期耐久性难以保证。
另一方面，尽管PVA和PE纤维的有效增韧使ECC具有优异的抗拉延展性，并在某些工程应用中具有广阔前景，但这些纤维固有的低熔点（通常不超过230°C）限制了复合材料对高温的抵抗能力（表1）。一旦温度超过200°C，ECC的特征抗拉响应完全丧失，材料变得与普通砂浆几乎无异（图1b），这一局限在一定程度上制约了其更广泛的应用和采用[20], [24]。
LCP纤维兼具PVA纤维的亲水特性和PE纤维的高抗拉强度及弹性模量，从而弥补了PVA-ECC和PE-ECC各自性能上的不足[28]。LCP纤维的另一显著优势是其较高的熔点（约350°C，见表1）。这赋予LCP-ECC卓越的高温耐受性。因此，LCP纤维有望作为PVA和PE的替代增强纤维，在ECC中具有强大的应用潜力。本研究为ECC的性能优化及更广泛的工程部署提供了一条路径。
本研究通过宏观压缩和拉伸试验，考察了LCP-ECC在环境条件下及300°C暴露后的力学行为和裂缝模式演化。基于表面润湿性测试、单纤维拔出试验和三点基体弯曲试验，系统阐明了室温和高温下高延展性的微观力学机制。此外，采用SEM-EDS微区分析揭示了微观结构特征如何决定宏观力学响应。
基于上述实验和机理研究，本研究成功开发了一种集高抗拉强度、高抗拉应变能力和强裂缝控制于一体的新型ECC。更重要的是，LCP-ECC在300°C暴露后仍保持了3%的抗拉应变能力（图1b）[16], [24]。当前结果表明了LCP纤维在水泥基材料中应用的可行性，表明其有望缓解现有ECC的关键局限，为其性能优化提供了新方向。
章节片段
原材料
ECC中使用的水泥基材料包括P.I 52.5普通硅酸盐水泥（OPC）和粉煤灰（FA），其氧化物成分总结于表2。细骨料包括石英砂（QS）、橡胶粉（RP）和粉煤灰空心玻璃微珠（FAC），密度分别为2700、900和700 kg/m3。RP和FAC作为部分细骨料的替代物引入，以降低基体的断裂韧性，从而促进ECC的应变硬化行为发展。
纤维的表面润湿性
本研究中采用的传统PE和PVA纤维及LCP纤维的静态接触角测量结果如图5所示。PE纤维表现出约140°的大接触角。相比之下，液体在PVA和LCP纤维表面几乎完全铺展，接触角接近0°。接触角是纤维表面润湿性（亲水性）的指标。角度越大反映疏水性越强，角度越小
多维评估
为了系统评估LCP-ECC的性能，选取五个代表性指标，对LCP-ECC、PE-ECC和具有可比抗压强度等级的PVA-ECC进行了综合比较：(i) 初始开裂强度与抗压强度之比，(ii) 抗拉强度与抗压强度之比，(iii) 抗拉应变能力，(iv) 平均裂缝宽度的倒数，以及(v) 300°C暴露后的抗拉应变能力。数据为
结论
通过发挥LCP纤维相对于PVA和PE纤维的性能优势，本研究成功开发了一种具有高抗裂性、优异裂缝控制、高抗拉延展性和高温耐受性的ECC。通过对压缩和拉伸行为、裂缝模式、纤维-基体界面粘结、基体断裂韧性等的综合研究，系统阐明了LCP纤维的增韧效应及内在机制，
CRediT作者贡献声明
Victor Li：撰写—审阅与编辑。薛智航：撰写—审阅与编辑，监督指导。姜分明：撰写—审阅与编辑。毛文婷：撰写—审阅与编辑，形式分析，概念构思。王飞：撰写—审阅与编辑，形式分析，概念构思。于克全：撰写—审阅与编辑，形式分析，概念构思。姜振兴：撰写—原稿，调查研究，形式分析，数据整理
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
姜振兴|于克全|王飞|毛文婷|姜分明|薛智航|Victor Li
