超高延性水泥基復合材料耐久性研究進展

王玉璞 李家正 石妍

摘要：普通混凝土在特殊環境下容易出現性能劣化、耐久性不足的問題。超高延性水泥基復合材料（ECC）是一種纖維增強水泥復合材料，在拉伸載荷作用下產生微裂紋后具有應變硬化和自愈合能力，使ECC在各種環境條件下比普通混凝土有更佳的耐久性。綜述了近年來國內外關于ECC耐久性的研究進展，總結了ECC在抗滲性、抗凍性、耐化學侵蝕性能、耐高溫性、耐磨性相關方面的特點，并與普通混凝土進行了對比。研究發現：目前關于多因素耦合條件下ECC的耐久性研究、耐久性微觀層面解釋以及設計耐高溫、耐磨性好的ECC等方面研究還不充分，基于此提出了幾個未來研究方向。

摘要：超高延性水泥基復合材料； 耐久性； 裂縫； 纖維； 自愈合

中圖法分類號： X171；TV74

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.025

0 引 言

混凝土是建筑工程中應用最廣泛的材料，中國作為基礎建設大國，混凝土產量占全球半數以上，隨著工業化的不斷發展，產量仍在增加?；炷猎陂L期使用的過程中，會存在耐久性減弱甚至消失的問題：在近海地區存在各種離子侵蝕的問題，在高海拔地區存在凍融破壞的問題，同時混凝土自身的耐高溫性、磨損沖擊作用下的耐磨性均受到了考驗。

20世紀90年代所發明的超高延性水泥基復合材料（ECC）是一種纖維增強水泥基材料，根據微觀力學原理設計，摻入2%的纖維，它就具有拉伸應變硬化和多縫開裂行為［1］。其抗壓強度為20～80 MPa，拉伸應變能力為2%～10%，裂縫寬度通常小于100 μm［2］。ECC的應變硬化、多裂紋開展和良好的自愈合能力導致其在滲透、凍融、腐蝕和高溫等環境下比普通混凝土具有更好的耐久性，在加固和修復結構，新建交通、地下、水利和海洋等承受復雜載荷條件和惡劣服役環境的基礎設施方面具有良好潛力［3］。本文總結了近年來國內外ECC耐久性研究的最新成果，發現研究中關于多因素耦合、微觀層面解釋、設計耐久性優異的ECC等方面研究還較少，進而提出了未來ECC耐久性的研究方向。

1 ECC耐久性主要特點

1.1 應變硬化特點及機理

普通纖維混凝土在拉伸荷載的作用下，由于混凝土承載力下降，裂縫間的纖維會被拉出，與普通混凝土的脆性破壞不同，纖維混凝土會出現拉伸軟化的現象，材料強度的下降會比較緩慢，纖維也能限制裂紋的發展。圖1展示了聚丙烯纖維混凝土受到拉伸荷載時應力-應變的關系，可以看出存在明顯的應變軟化行為［4］。

不同于普通纖維混凝土，ECC在單軸拉伸的作用下，初裂后呈現出拉伸應變強化的行為，應變持續增加，且仍能承受更高的荷載，由初裂點開裂發展為多裂縫開展。ECC通過裂縫起裂強度準則和扁平裂紋擴展能量準則實現應變強化，整個過程依賴于纖維的橋聯作用，纖維會承擔基體傳遞的荷載，使得在高應變時仍能保持承載能力，典型的ECC應力-應變曲線及裂縫寬度發展曲線如圖2所示［5］。

1.2 自愈合特點及機理

混凝土的自愈合過程是復雜的化學和物理過程的結合，之前學者認為有幾種原因可能導致自愈合現象：① 水泥水化過程中，氫氧化鈣與二氧化碳反應生成碳酸鈣填充裂縫促進自愈合；② 通過水中的雜質和裂縫剝落產生的松散混凝土顆粒堵塞裂縫；③ 未反應的水泥或膠凝材料進一步水化；④ 裂紋側面已水化的水泥基體膨脹（C-S-H膨脹）［6］。

但后續研究發現，ECC材料具有更加優異的自愈合效果不僅得益于上述幾種原因，更重要的是以下幾個因素：① ECC良好的裂縫控制能力導致多裂紋開展及最大裂紋寬度小于100 μm，整個開裂過程應力不斷被分散；② ECC的低水膠比使其含有較多的未水化水泥顆粒，有助于裂縫的自愈合；③ 纖維的橋聯作用降低了裂紋的橫截面面積，通過減少流體有效地提高了斷面處的pH值；④ 水在纖維下側的湍流區滯留，能促進自愈合產物的生長；⑤ 礦物摻合料粉煤灰、礦渣的二次水化反應［7］。圖3展示了X-CT圖像中ECC自愈合情況［8］。

2 耐久性研究進展

2.1 抗滲性

ECC抗滲性能優異，無裂縫和帶裂縫的狀態都優于普通混凝土。無裂縫的狀態下，孔隙率和孔隙分布決定了混凝土的抗滲透性，不同大小的孔隙中，尺寸介于100～1 000 nm的毛細孔對滲透性影響最大，毛細孔越多，抗滲透性越差，普通混凝土的毛細孔占比達到50%以上，而經過微觀力學設計的ECC內部孔結構更加致密，毛細孔更少，水分子在水壓力作用下更難滲透至材料內部，從而在無裂縫的狀態下ECC的抗滲性更為優異。試驗表明，28 d齡期的ECC相對滲透系數僅為C30混凝土的75%［9］。

開裂狀態下，普通混凝土的滲透性與裂縫寬度存在密切關系，從未開裂狀態到裂縫寬度約50～60 μm時，滲透性保持不變，隨后隨著裂縫開口增加到200 μm，滲透性與裂縫寬度的三次冪成正比，然后在裂縫開口達到200 μm后，滲透性穩步增加。當混凝土裂縫寬度小于100 μm時，可以認為混凝土的抗滲性能與未開裂混凝土是一致的，即裂縫對混凝土滲透性影響不大［10］。而ECC在帶裂縫狀態下仍表現出較好的抗滲性，主要得益于其較好的裂紋控制能力，應變硬化的行為特點導致ECC的平均裂紋寬度可以控制在100 μm以下，且現在大多數制備的ECC基本將裂紋寬度控制在了20～60 μm之間［11］，從而在帶裂縫的狀態下抗滲性明顯優于普通混凝土。

當前實驗主要通過不同的預加載來模擬帶裂縫的情況。普通混凝土在預加載后，抗滲性下降明顯，而纖維的加入可以顯著降低水的滲透性，通過比較ECC與纖維增強砂漿材料（FRM）的滲透性能，發現ECC又明顯優于FRM。FRM滲透系數會隨著裂縫寬度的增加而增加，當裂縫寬度達到500 μm時，其滲透系數上升了7個數量級，抗滲性明顯下降；ECC在高拉伸應變（3%）狀態下，滲透系數僅為7.74×10-10。如表1所列，通過比較預加載拉伸應變為1.5%，2%和3%時ECC的歸一化滲透系數，發現不論預加載應變水平如何，ECC的裂縫寬度都穩定在60 μm左右，且有著較低的滲透系數，基本都在10-10以下的數量級［12-13］。李慶華等［9］對帶裂縫工作狀態下ECC水滲透性能的研究結果同樣也表明：ECC裂縫寬度控制在40～70 μm之間，滲透系數小于1.0×10-9 m/s，并總結了滲透系數與裂縫寬度之間的擬合公式：

K=-6.04257×10-10+3.2838×10-11x-5.8568×10-13x2+5.8568×10-15x3（1）

式中：K為單條裂縫對應的滲透系數，m/s；x為裂縫寬度，μm。Yu［14］、Liu［15］等的實驗也都發現在帶裂縫預加載的狀態下，ECC的滲透系數較低，基本介于7.73×10-12～8.18×10-12 m/s之間。

ECC的自愈合能力使得其長時間浸泡在水中后滲透系數變化仍較小。已有研究表明，ECC自愈合速度與裂縫寬度成反比，在裂縫寬度小于60 μm的情況下，ECC的滲透性可在3～4 d內趨于穩定；裂縫寬度大于100 μm時，ECC滲透性需要7～10 d甚至更長時間才會穩定［16］。裂紋緊密的ECC可在短時間內完成自愈合，可有效防止水和腐蝕性離子的攻擊。Ma等［17］通過滲透性試驗發現，經過10次干濕循環后，ECC的相對透水性下降至0。Liu等［15］建立了一個指數函數來描述ECC自愈合效應引起的滲透率變化。Wang等［18］采用數字圖像處理方法對裂紋形貌進行表征，基于裂紋寬度和裂紋數量的威布爾分布，提出了一種含裂紋混雜纖維ECC的滲透率模型，并觀察了其自愈合行為，從微觀層面觀察自愈合和滲透性的關系。目前還有學者研究了添加納米二氧化硅固化溶液［19］、結晶材料［20］、芽孢桿菌［21］來提升ECC自愈合的能力，并通過吸水性試驗發現ECC的抗滲性得以提升。

2.2 抗凍性

ECC具有良好的抗凍性，經過上百次的凍融循環后，質量損失較少，且各方面性能也都仍處于較高水平。ECC的高抗凍性一方面是由于ECC內部的大孔體積數量較多，使得毛細孔中的水在結冰時產生的體積膨脹有更多的壓力釋放空間［22］；另一方面由于PVA纖維的存在，使得ECC在拉伸荷載下具有超高延展性，如果結冰時水的膨脹體積大于孔隙體積，水膨脹所產生的壓力逐漸積聚甚至超過ECC基體的抗拉強度時，就會產生微裂紋，從而釋放內部水膨脹應力，提高抗凍性［11，22-24］。

混凝土的抗凍性與其孔隙分布有著密切關系。Neithalath等［25］的研究表明，隨著孔的尺寸和孔隙率的增大，混凝土的抗凍性變差。普通混凝土在經過凍融循環后孔隙率和孔徑都會顯著增加，各種性能都會急劇下降。但Sahmaran等［22］發現經過凍融作用后ECC的孔隙率沒有顯著變化（見表2），這一結果進一步驗證了ECC的良好抗凍性，凍融循環后仍能保持優異的性能。

ECC的凍融破壞過程類似于普通混凝土，即內部水結冰產生體積膨脹，過冷水發生遷移，引起各種壓力變化，當壓力超過混凝土能承受的應力時，混凝土內部孔隙及微裂縫逐漸增大，擴展并互相連通，強度逐漸降低，造成結構破壞［26］。但由于ECC內部纖維的橋聯作用，整個破壞過程中存在一個屈服階段。Zhong等［27］通過Mann-Kendall方法描述了ECC整個凍融狀態，分為穩定、不穩定和屈服3個不同的階段。在不穩定和屈服階段，盡管損傷增加，ECC材料特性發生演變，但仍能承受凍融循環作用，他還定義了初始霜凍失效（IF），即處于穩定和不穩定之間的臨界點，和漸進霜凍失效（PF），即IF之后的另一個過渡點，從PF開始，ECC材料迅速變弱并接近最終失效。

Li［23］通過實驗也證明ECC具有優異的抗凍性，其平均耐久系數超過100，而普通混凝土的耐久系數僅為20。徐世烺［28］以及Sahmaran［22］等的研究都表明，經過同樣次數的凍融循環，尤其在210次循環后，ECC仍能保持較好的性能，彎拉強度只有小幅下降，且仍有較好的韌性，而普通混凝土或者砂漿的強度已經消失殆盡。靳賀松等［29］的實驗也發現ECC在經過多次凍融循環后，質量損失率、抗壓強度、極限抗拉強度、極限拉應變、抗折強度以及抗凍融體積膨脹變形性能等仍能保持較高水平。

ECC的自愈合能力使得帶裂縫預加載的試件在凍融循環過程中強度下降并不明顯，尤其在融化期間，會促進ECC緊密的微裂紋中形成二次水化產物，發生輕微愈合，使之仍能保持一定的強度和性能。Sahmaran等［30］發現ECC梁在300次凍融循環后，原始無裂縫和跨中預裂2.5 mm試樣的抗彎強度分別只下降了13.0%和19.4%，跨中撓度值分別只降低32.5%和30.6%。Yu等［31］發現隨著拉伸應變的增加，經過凍融循環后，ECC的拉伸性能變差，超聲脈沖的恢復程度降低，預拉伸應變小于1.5%時，自愈合后的ECC其吸附系數與原始ECC相似，幾乎沒有任何損傷，同樣印證了自愈合使得凍融循環對ECC的影響較小。

2.3 耐化學侵蝕性能

ECC在氯離子和硫酸根離子的侵蝕環境中，表現出比普通混凝土更加優異的耐化學侵蝕性，主要原因在于水化產物、鈣礬石和石膏的連續生成導致纖維-基體界面過渡區的致密化，摩擦鍵增加，纖維的最大橋聯應力增加［32］。

通過快速氯離子滲透試驗，施加干濕循環，發現早齡期ECC與普通混凝土的氯離子滲透系數相差不大，隨著齡期的增長，二者均有下降趨勢，ECC下降的幅度更為明顯，120 d齡期時，ECC的氯離子滲透系數只有28 d齡期時的1/3，是同齡期混凝土的1/2［33］。干濕循環次數的增加會加速氯化物的侵蝕，但會降低ECC后期的擴散系數和速率［34］。氯離子的影響更多體現在對鋼筋混凝土造成嚴重的腐蝕，氯離子通過降低孔溶液的pH，使得鋼筋表面的鈍化膜被破壞，所暴露出的基體與鈍化膜完好的基體形成電位差，形成腐蝕電池，加速蝕坑形成；氯離子加速了腐蝕電池陽極產物的搬運，強化離子通路，降低電阻，使得腐蝕不斷進行［35］。對于未開裂的試件，發現鋼筋增強砂漿試件的氯離子滲透高度接近100 mm，而鋼筋增強ECC中最大也只有22.8 mm，對于開裂狀態下的試件，這一數值關系仍比較接近，開裂的鋼筋增強ECC梁氯離子含量是鋼筋混凝土梁的1/4［33］。

在富含硫酸根離子的環境中，水泥中的氫氧化鈣和鋁酸鈣會與硫酸根離子反應生成鈣釩石，石膏結晶析出，還可能會生成如氫氧化鎂、碳硫硅鈣石，并產生極大的結晶壓力，導致吸水膨脹、開裂和破壞，進而強度下降［36］。但ECC長時間浸泡在硫酸根離子的溶液中，并不會像普通混凝土那樣強度大幅下降，反而還會上升。Wang等［37］發現浸泡200 d后其抗壓強度、抗拉強度增加，拉伸應變降低，仍具有多重開裂和應變硬化行為，并且具有大于2%的延伸率，裂縫寬度小于60 μm，如表3所列?，F實的情況往往是多因素、多離子耦合的狀態，硫酸根離子-氯離子混合條件下ECC的性能變化和單一硫酸根離子中變化類似，為此也有學者模擬了礦井排水工程［38］、污水環境［39］、不同鹽度的海水侵蝕條件下［40］ECC的性能變化，也得到了和Wang等［37］類似的規律。

ECC的自愈合能力會對耐化學侵蝕性起到促進作用，即使在氯離子濃度較高的環境中，基體韌性、界面摩擦和化學鍵退化，ECC的初裂強度和纖維-基體界面結合強度降低，但仍表現出一定的自愈合能力［41-42］，通過在ECC中添加粉煤灰和礦渣，大量飛灰顆粒的存在促進了自愈合后纖維與基體之間的應力傳遞（見圖4），使纖維橋接強度恢復到與對照試樣大致相同的水平，在預損傷的條件下拉伸性能恢復明顯［43］。

由于硫酸根離子的存在，鈣礬石和石膏的形成促進了ECC自愈合過程，比在水中愈合得更快、更完全［41］。為了進一步提高ECC在離子侵蝕環境下的耐久性，Sridhar［44］發現通過混合摻入1.5%的PVA纖維與0.5%鋼纖維制成的ECC，與單一纖維的ECC相比，最大抗壓、抗彎、抗拉強度分別提高了約20.8%，55.5%和42.1%，即使長期暴露在濃硫酸、鹽酸和混合硫酸環境下，90 d后仍能保持一定的強度。

2.4 耐高溫性

ECC具有耐高溫性，一方面得益于材料中去除了粗骨料，避免了粗骨料因高溫膨脹引發的局部變形問題［45］；另一方面在于內部的纖維在高溫環境下熔化后所留下的孔道有效防止了爆炸性脫落［46］。在高溫環境下，ECC中纖維和水泥都會受到高溫的影響，進而不同程度影響著ECC的性能。

不同種類的纖維耐高溫性能不同，導致ECC的耐高溫性也有所不同，其中具有較大斷裂伸長率的纖維，如PVA和PP纖維，使ECC有著更高的拉伸應變能力，但這類纖維熔點低，溫度大于200 ℃后，纖維直徑會明顯減小，拉伸應變能力顯著下降［45］。斷裂伸長率較低的纖維，如玄武巖纖維和碳纖維，使得ECC拉伸應變能力較低，但與此同時纖維耐熱性較好，溫度大于400 ℃時纖維仍能起到增強的作用，而超過溫度閾值，纖維的力學性能會急劇下降，進而使得ECC的相關性能下降［47-48］。ECC通常所采用的普通硅酸鹽水泥，在溫度小于200 ℃時微觀形貌變化不大，有利于水泥的水化，加快水化物的生長；300 ℃左右時，由于C-S-H凝膠脫去部分化合水或結晶水，而使結構變得更加致密，強度增加；300 ℃之后，結晶水開始散失，水化物開始分解；到500 ℃時，結晶水大部喪失，水泥水化物也大部分解，骨料開始脫水，表面出現明顯裂紋，強度快速下降［49］。

高溫作用下，ECC的不同力學性能指標隨著溫度的升高，變化并不一致。

（1） 抗壓性能。隨著溫度的升高，ECC的相對殘余抗壓強度不斷降低［50］，主要原因是纖維和基體在高溫作用下發生熔化及物相分解［51］。還有學者研究了不同降溫制度［52］、養護齡期［53］、試件尺寸［54］、不同強度等級ECC［51］對高溫后ECC抗壓性能的影響。

（2） 抗拉性能。隨著溫度的升高，ECC的拉伸強度和拉伸應變先升高后降低［55］，不同學者分別研究了20～600 ℃范圍內ECC的應變硬化特征［56-58］，并且從基材斷裂韌性、纖維橋接的細觀尺度上解釋機理［59］。

（3） 彎曲及劈拉性能。ECC的彎曲性能與拉伸性能有著相似的變化趨勢［60］。ECC的劈拉強度表現為隨著溫度上升，先升高后降低，再上升再降低的過程［61］。纖維與基體的結合，纖維脫粘、纖維拔出、纖維斷裂和微裂紋發展共同影響了ECC受高溫影響后的力學性能變化［62］。圖5展示了不同溫度下ECC的殘余抗壓強度和抗折強度［46］。

通過增加粉煤灰摻量，可以提高ECC高溫條件下的力學性能，粉煤灰的加入使得水化過程和二次火山灰反應得到加速和改善［63］，具有火山灰活性的粉煤灰會生成耐高溫性能更好的無水鋁酸鈣和無水硅酸鈣［64］。Ma等［65］進一步采用粉煤灰空心微珠設計出耐火性能更優異的ECC，發現微珠與水泥基體的連接并不緊密，周圍存在的小裂紋起到隔熱層的作用，有助于提高隔熱性能；界面結合強度降低，使得嵌入的纖維在拉伸試驗中被拉出而不是斷裂；未反應的微珠起到了將人工缺陷引入基體的作用，裂紋的發生概率和數量增加，提高了拉伸延性。

2.5 耐磨性

ECC的耐磨性是指表面抵抗磨蝕作用（例如摩擦、滾動、滑動、摩擦力和沖擊力）的能力［66］，ECC具有比普通混凝土更高的耐磨性，主要得益于其較高的抗壓強度和拉伸強度，拉伸應變硬化行為和能量吸收能力也會產生一定影響［67］，這一點與普通混凝土類似?，F有的研究表明，抗壓強度和水灰比對普通混凝土耐磨性影響最大，纖維的加入也會影響耐磨性［68-69］。目前關于耐磨性的研究主要集中在耐磨損性和抗沖擊性兩方面。

Ayoob等［70］建立了ECC磨損深度與力學性能的關系，發現二次公式非常準確地關聯了磨損深度與劈拉強度、斷裂模量和彈性模量之間的關系。不同的纖維種類和摻量也使得ECC的耐磨性有所差異，在眾多纖維中，PP纖維表現出了比PE纖維和PVA纖維更好的耐磨性，鋼纖維的使用也會顯著提高ECC的耐磨性，其中PP纖維摻量在2%時耐磨性最好。磨損損失隨著纖維含量的增加而降低，在28 d時，摻入低含量的PVA（0.5%和1.0%）可使耐磨性提高約20%，而摻入高含量的PVA（1.5%和2.0%）可顯著提高耐磨性50%～95%［71-73］。通過用礦渣、硅粉和偏高嶺土取代粉煤灰，花崗巖砂取代硅砂，使用20%的偏高嶺土，可以進一步提高ECC的耐磨性，從而更適應在路面鋪裝等高磨損環境下使用［74］。

ECC優異的力學性能及較高的韌性、能量吸收能力使得其具有極高的抗沖擊性能。在低速沖擊中，落錘試驗的結果表明，圓柱體的ECC試件破壞的沖擊次數可達10 000次以上，是鋼纖維混凝土的9倍，是普通混凝土的200倍，其抗沖擊吸收能量是普通混凝土的48倍、鋼纖維混凝土的9倍［33］。由ECC制成的防護板在10次沖擊后，也只有小凹痕和微裂紋，結構完整，而鋼筋混凝土制成的防護板經歷7次沖擊后即發生嚴重的破壞［75］。在高14 m、沖擊能量13.7 kJ的大落錘試驗中，ECC板的最小瞬時加速度較鋼筋混凝土板減小28.1%，最大沖擊力減小28.1%，最大沖擊時間延長0.006 s，大應變率數量級減小106 s-1［76］。在高速沖擊中，利用速度為300～750 m/s的小質量鋼制射彈沖擊ECC板，彈坑直徑只有30 mm左右，且沒有剝落或碎片，而素混凝土的彈坑直徑更大，成塊狀裂開甚至解體［77］。相比于纖維增強高強砂漿（FRHSM）板以及纖維增強混凝土（FRC）板，同強度的ECC板的侵徹深度和彈坑直徑都比較接近，但若采用高強FRHSM和FRC，ECC板的侵徹深度和彈坑直徑則要遠遠大于另外兩種材料［78］。

3 結論與展望

本文總結了近年來超高延性水泥基復合材料（ECC）的耐久性研究進展，總結了ECC具有高抗滲性，凍融環境中能保持良好的力學及耐久性能，在硫酸根離子及氯離子的環境中能保持高耐化學侵蝕性能，良好的耐高溫性，通過對材料進行改良可設計出具有體積穩定性及優異耐磨性的ECC，并將這些性能與ECC的自愈合行為建立了聯系。目前關于多因素耦合下耐久性的研究、耐久性微觀層面的解釋，以及設計耐高溫、耐磨性好的ECC等方面研究還較少，為此提出以下研究方向：

（1） 加入更多離子，模擬更符合實際情況的離子環境，研究多種離子耦合作用下（如鎂離子、碳酸根離子、銨根離子與氯離子和硫酸根離子的共同作用）ECC的性能變化；探討不同荷載作用類型下（如彎曲荷載下、拉伸荷載下）的耐化學侵蝕性、抗凍性等，并觀察自愈合的情況。

（2） 鹽、酸或堿環境可能會導致纖維的降解，后續研究應對ECC整個凍融過程做出更詳細的定義，對凍融循環下纖維與基體的界面微觀結構進行進一步觀察，建立與宏觀凍融破壞的關系；建立耐磨性與纖維、基體在微觀層面上的關系，從纖維被磨損后的形貌、與基體結合的狀態進行分析；研究長期極端環境下的纖維降解機制，分析纖維、基體和纖維-基體界面的特性隨時間的變化規律。

（3） 進一步設計出在高溫環境中具有良好性能的ECC，在原有纖維混雜理論的基礎上，添加摻合料，改變部分膠凝材料，使得在高溫環境中仍有較高的極限延伸率，并觀察經過降溫升溫反復作用后的性能；優化ECC的骨料選擇，提升ECC高速沖擊狀態下的耐磨性。

參考文獻：

［1］ LI V C.On engineered cementitious composites （ECC） a review of the material and its applications［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2003，1（3）：215-230.

［2］ ZHOU J，PAN J，LEUNG C K Y.Mechanical behavior of fiber-reinforced engineered cementitious composites in uniaxial compression［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2015，27（1）：04014111.

［3］ HUANG B T，LI Q H，XU S L，et al.Strengthening of reinforced concrete structure using sprayable fiber-reinforced cementitious composites with high ductility［J］.Composite Structures，2019，220：940-952.

［4］ 梁寧慧，劉新榮，孫霽.多尺度聚丙烯纖維混凝土單軸拉伸試驗［J］.重慶大學學報，2012，35（6）：80-84，124.

［5］ LI V C，WANG S，WU C.Tensile strain-hardening behaviour of polyvinyl alcohol engineered cementitious composites （PVA-ECC）［J］.ACI Materials Journal，2001，98（6）：483-492.

［6］ MIN W，JOHANNESSON B，GEIKER M.A review：self-healing in cementitious materials and engineered cementitious composite as a self-healing material［J］.Construction and Building Materials，2012，28（1）：571-583.

［7］ 闞黎黎，王明智，史建武，等.超高韌性水泥基復合材料自愈合研究進展［J］.功能材料，2015，46（5）：5001-5006.

［8］ FAN S，LI M.X-ray computed microtomography of three-dimensional microcracks and self-healing in engineered cementitious composites［J］.Smart Materials and Structures，2014，24（1）：015021.

［9］ 李慶華，高棟，徐世烺.超高韌性水泥基復合材料（UHTCC）的水滲透性能試驗研究［J］.水利學報，2012，43（增1）：76-84.

［10］ MA H，YI C，WU C.Review and outlook on durability of engineered cementitious composite （ECC）［J］.Construction and Building Materials，2021，287（2）：122719.

［11］ LU C，LEUNG C K Y.Theoretical evaluation of fiber orientation and its effects on mechanical properties in engineered cementitious composites （ECC） with various thicknesses［J］.Cement and Concrete Research，2017，95：240-246.

［12］ LEPECH M D，LI V C.Water permeability of engineered cementitious composites［J］.Cement and Concrete Composites，2009，31（10）：744-753.

［13］ YAO Y，WANG L，WITTMANN F H，et al.Test methods to determine durability of concrete under combined environmental actions and mechanical load：final report of RILEM TC 246-TDC［J］.Materials and Structures，2017，50（2）：1-13.

［14］ YU J，LI H，LEUNG C K Y，et al.Matrix design for waterproof engineered cementitious composites （ECCs）［J］.Construction and Building Materials，2017，139（15）：438-446.

［15］ LIU H，ZHANG Q，GU C，et al.Influence of micro-cracking on the permeability of engineered cementitious composites［J］.Cement and Concrete Composites，2016，72：104-113.

［16］ REINHARDT H W，JOOSS M.Permeability and self-healing of cracked concrete as a function of temperature and crack width［J］.Cement and Concrete Research，2003，33（7）：981-985.

［17］ MA H，QIAN S，ZHANG Z.Effect of self-healing on water permeability and mechanical property of medium-early-strength engineered cementitious composites［J］.Construction and Building Materials，2014，68：92-101.

［18］ WANG Z，SUN P，HU Y，et al.Crack morphology tailoring and permeability prediction of polyvinyl alcohol-steel hybrid fiber engineered cementitious composites［J］.Journal of Cleaner Production，2023，383：135335.

［19］ AKIN A.Mechanical and permeability properties on self-healing of cementitious composites effect of nano silica cure［J］.Structural Concrete，2022，23（3）：1907-1919.

［20］ MAHMOODI S，SADEGHIAN P.Effect of different exposure conditions on the self-healing capacity of engineered cementitious composites with crystalline admixture［J］.Structural Concrete，2022，24（2）：2133-2144.

［21］ CHEN B，DU L，YUAN J，et al.A experimental study on engineered cementitious composites （ECC） incorporated with sporosarcina pasteurii［J］.Buildings，2022，12（5）：691-709.

［22］ SAHMARAN M，OZBAY E，YIICEL H E.Frost resistance and microstructure of engineered cementitious composites：influence of fly ash and micro poly-vinyl-alcohol fiber［J］.Cement and Concrete Composites，2012（2）：34-49.

［23］ LI V C.Engineered cementitious composites （ECC）：bendable concrete for sustainable and resilient infrastructure［M］.Berlin：Springer Nature，2019.

［24］ SAHMARAN M，LACHEMI M，LI V C.Assessing the durability of engineered cementitious composites under freezing and thawing cycles［J］.Journal of Astm International，2009，6（7）：102406.

［25］ NEITHALATH N，SUMANASOORIYA M S，DEO O.Characterizing pore volume，sizes，and connectivity in pervious concretes for permeability prediction［J］.Materials Characterization，2010，61（8）：802-813.

［26］ 張士萍，鄧敏，唐明述.混凝土凍融循環破壞研究進展［J］.材料科學與工程學報，2008，26（6）：990-994.

［27］ ZHONG J，SHI J，SHEN J，et al.Investigation on the failure behavior of engineered cementitious composites under freeze-thaw cycles［J］.Materials，2019，12（11）：1808.

［28］ 徐世烺，蔡新華，李賀東.超高韌性水泥基復合材料抗凍耐久性能試驗研究［J］.土木工程學報，2009，42（9）：42-46.

［29］ 靳賀松，李福海，何肖云峰，等.聚丙烯纖維水泥基復合材料的抗凍性能研究［J］.材料導報，2020，34（8）：8071-8076，8082.

［30］ SAHMARAN M，YILDIRIM G，AHMED K.The effect of self-healing on the durability performance of micro-cracked ECC［C］∥8th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures，Toledo，2013.

［31］ YU Z，YANG Y，YAN Y.Autogenous self-healing of engineered cementitious composites under freeze-thaw cycles［J］.Construction and Building Materials，2012，34：522-530.

［32］ MA H，QIAN S，ZHANG Z，et al.Tailoring engineered cementitious composites with local ingredients［J］.Construction and Building Materials，2015，101：584-595.

［33］ 李慶華，徐世烺.超高韌性水泥基復合材料基本性能和結構應用研究進展［J］.工程力學，2009，26（增2）：23-67.

［34］ SUN R，HU X，LING Y，et al.Chloride diffusion behavior of engineered cementitious composite under dry-wet cycles［J］.Construction and Building Materials，2020，260：119943.

［35］ GOYAL A，POUYA H S，GANJIAN E，et al.A review of corrosion and protection of steel in concrete［J］.Arabian Journal for Science and Engineering，2018，43：5035-5055.

［36］ RAMEZANIANPOUR A A，RIAHI D E.Effect of combined sulfate-chloride attack on concrete durability-A review［J］.AUT Journal of Civil Engineering，2017，1（2）：103-110.

［37］ WANG S，LI V C.Engineered cementitious composites with high-volume fly ash［J］.ACI Materials Journal，2007，104（3）：233-246.

［38］ WU H L，ZHANG D，DU Y J，et al.Durability of engineered cementitious composite exposed to acid mine drainage［J］.Cement and Concrete Composites，2020，108：103550.

［39］ WANG T，ZHANG D，ZHU H，et al.Durability and self-healing of engineered cementitious composites exposed to simulated sewage environments［J］.Cement and Concrete Composites，2022，129：104500.

［40］ WANG W，XU S，LI Q，et al.Long-term performance of fiber reinforced cementitious composites with high ductility under seawater attack with different salinities［J］.Construction and Building Materials，2022，317：126164.

［41］ LIU H，ZHANG Q，GU C，et al.Self-healing of microcracks in engineered cementitious composites under sulfate and chloride environment［J］.Construction and Building Materials，2017，153：948-956.

［42］ LI M，LI V C.Cracking and healing of engineered cementitious composites under chloride environment［J］.ACI Materials Journal，2011，108（3）：333-341.

［43］ SHUMUYE E D，LI W，LIU J，et al.Self-healing recovery and micro-structural properties of slag/fly-ash based engineered cementitious composites under chloride environment and tidal exposure［J］.Cement and Concrete Composites，2022，134：104789.

［44］ SRIDHAR R.Durability study on engineered cementitious composites with hybrid fibers under sulfate and chloride environments［J］.Cleaner Materials，2022（5）：100121.

［45］ 王振波，韓宇棟.高延性水泥基材料高溫力學性能研究進展［J］.三峽大學學報（自然科學版），2019，41（5）：65-69.

［46］ ZAKA M.Mechanical and impact properties of engineered cementitious composites reinforced with PP fibers at elevated temperatures［J］.Fire，2021（5）：31-46.

［47］ XU M，SONG S，FENG L，et al.Development of basalt fiber engineered cementitious composites and its mechanical properties［J］.Construction and Building Materials，2021，266（3）：121173.

［48］ LI L，GAO D，LI Z，et al.Effect of high temperature on morphologies of fibers and mechanical properties of multi-scale fiber reinforced cement-based composites［J］.Construction and Building Materials，2020，261：120487.

［49］ 鄭文忠，侯曉萌，王英.混凝土及預應力混凝土結構抗火研究現狀與展望［J］.哈爾濱工業大學學報，2016，48（12）：1-18.

［50］ RAFIEI P，SHOKRAVI H，MOHAMMADYAN-YASOUJ S E，et al.Temperature impact on engineered cementitious composite containing basalt fibers［J］.Applied Sciences，2021，11（15）：6848-6862.

［51］ 張麗輝，郭麗萍，孫偉，等.生態型高延性水泥基復合材料的高溫損傷［J］.硅酸鹽學報，2014，42（8）：7-11.

［52］ YU K Q，DAI J G，LU Z D，et al.Mechanical properties of engineered cementitious composites subjected to elevated temperatures［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2015，27（10）：04014268.

［53］ YU K，LU Z，YU J.Residual compressive properties of strain-hardening cementitious composite with different curing ages exposed to high temperature［J］.Construction and Building Materials，2015，98：146-155.

［54］ ERDEM T K.Specimen size effect on the residual properties of engineered cementitious composites subjected to high temperatures［J］.Cement and Concrete Composites，2014，45：1-8.

［55］ ZHANG Z，LIU J C，XU X，et al.Effect of sub-elevated temperature on mechanical properties of ECC with different fly ash contents［J］.Construction and Building Materials，2020，262：120096.

［56］ MECHTCHERINE V，DE ANDRADE SILVA F，MLLER S，et al.Coupled strain rate and temperature effects on the tensile behavior of strain-hardening cement-based composites （SHCC） with PVA fibers［J］.Cement and Concrete Research，2012，42（11）：1417-1427.

［57］ DA SILVA MAGALHES M，TOLEDO F R D，FAIRBAIRN E M R.Thermal stability of PVA fiber strain hardening cement-based composites［J］.Construction and Building Materials，2015，94：437-447.

［58］ BHAT P S，CHANG V，LI M.Effect of elevated temperature on strain-hardening engineered cementitious composites［J］.Construction and Building Materials，2014，69：370-380.

［59］ YU J，LIN J，ZHANG Z，et al.Mechanical performance of ECC with high-volume fly ash after sub-elevated temperatures［J］.Construction and Building Materials，2015，99：82-89.

［60］ POURFALAH S.Behaviour of engineered cementitious composites and hybrid engineered cementitious composites at high temperatures［J］.Construction and Building Materials，2018，158：921-937.

［61］ CHEN M，WANG Y，ZHANG T，et al.Behaviour of structural engineered cementitious composites under dynamic tensile loading and elevated temperatures［J］.Engineering Structures，2023，280：115739.

［62］ SAID M，ABD EL-AZIM A A，ALI M M，et al.Effect of elevated temperature on axially and eccentrically loaded columns containing polyvinyl alcohol （PVA） fibers［J］.Engineering Structures，2020，204：110065.

［63］ WANG Z，HAN S，SUN P，et al.Mechanical properties of polyvinyl alcohol-basalt hybrid fiber engineered cementitious composites with impact of elevated temperatures［J］.Journal of Central South University，2021，28（5）：1459-1475.

［64］ MING X，CAO M，YIN H.Microstructural and mechanical evolutions of sustainable cement blends containing fly ash and calcium carbonate whiskers induced by high temperature［J］.Construction and Building Materials，2020，263：120615.

［65］ MA X，XU L，CAI J，et al.Study on the performances of fire-resistive engineered cementitious composites （ECCs）［J］.Journal of Building Engineering，2023，67：105949.

［66］ RAMEZANIANPOUR A A，HAGHOLLAHI A，POURKHORSHIDI A.Modeling abrasion resistance of concrete floors［J］.Technology of Education Journal，2006（1）：59-68.

［67］ WU C，PAN Y，UEDA T.Characterization of the abrasion resistance and the acoustic wave attenuation of the engineered cementitious composites for runway pavement［J］.Construction and Building Materials，2018，174：537-546.

［68］ LAPLANTE P，AITCIN P C，VEZINA D.Abrasion resistance of concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，1991，3（1）：19-28.

［69］ WARUDKAR A，ELAVENIL S.A comprehensive review on abrasion resistance of concrete［J］.International Journal of Applied Science and Engineering，2020，17（1）：29-43.

［70］ AYOOB N S，DAEK Y H，HILO A N，et al.Abrasion depth-mechanical properties relations of low-cost PVA engineered cementitious composites［J］.Nano Hybrids and Composites，2020，30：55-62.

［71］ ISMAIL M K，HASSAN A A A，LACHEMI M.Effect of fiber type on impact and abrasion resistance of engineered cementitious composite［J］.ACI Materials Journal，2018，115（6）：957-968.

［72］ ABID S R，SHAMKHI M S，MAHDI N S，et al.Hydro-abrasive resistance of engineered cementitious composites with PP and PVA fibers［J］.Construction and Building Materials，2018，187：168-177.

［73］ ABID S R，HILO A N，DAEK Y H.Experimental tests on the underwater abrasion of engineered cementitious composites［J］.Construction and Building Materials，2018，171：779-792.

［74］ ISMAIL M K，HASSAN A，LACHEMI M.Abrasion resistance of self-consolidating engineered cementitious composites developed with different mixture compositions［J］.ACI Materials Journal，2019，116（1）：27-38.

［75］ ZHANG J，MAALEJ M，QUEK S T.Performance of hybrid-fiber ECC blast/shelter panels subjected to drop weight impact［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19（10）：855-863.

［76］ 寇佳亮，王華丞.高延性混凝土板抗落石沖擊性能試驗研究［J］. 振動與沖擊，2020，39（11）：239-247，279.

［77］ MAALEJ M，QUEK S T，ZHANG J.Behavior of hybrid-fiber engineered cementitious composites subjected to dynamic tensile loading and projectile impact［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2005，17（2）：143-152.

［78］ WANG S，LE H T N，POH L H，et al.Resistance of high-performance fiber-reinforced cement composites against high-velocity projectile impact［J］.International Journal of Impact Engineering，2016，95：89-104.

（編輯：胡旭東）

Research progress on durability of ultra-high engineered cementitious composites

WANG Yupu1，2，LI Jiazheng1，2，SHI Yan1，2

（1.Department of Materials and Structure，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Research Center of Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Ordinary concrete is prone to face performance degradation and insufficient durability in special environments.Ultra-high engineered cementitious composites（ECC）is a kind of fiber reinforced cement composite material.It has strain hardening and self-healing ability after microcracks formation under tensile load，which makes ECC possess better durability than ordinary concrete under various environmental conditions.In this paper，the research progress of ECC durability at home and abroad in recent years was reviewed.The characteristics of impermeability，frost resistance，chemical corrosion resistance，high temperature resistance and wear resistance of ECC were summarized and compared with ordinary concrete.It was found that studies on the durability under the condition of multi-factor coupling，the interpretation in term of micro level of durability，and the design of ECC with high temperature resistance and good wear resistance were not sufficient.Based on this，several research directions in the future were put forward.

Key words：

ultra-high engineered cementitious composites；durability；crack；fiber；self-healing