《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Exceptional high-temperature-resistant engineered geopolymer composites: Roles of LCP fiber and micromechanism
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工程水泥基复合材料（ECC）通过液晶聚合物纤维（LCP）与低断裂强度地聚物基体的创新结合，显著提升高温性能，300℃下仍保持4%以上拉伸应变和60μm以下裂宽，多尺度分析揭示了纤维-基体界面及材料热力学特性机制，同时实现热导率0.2W/(m·K)和成本降低27%的协同优化。
余克全|唐子明|匡宏星|薛志航|邓博宇|马彩龙|于江涛|王飞
同济大学土木工程学院，中国上海四平路1239号，200092
摘要
工程水泥基复合材料（ECC）以其优异的变形能力和抗裂性能而备受关注，是具有韧性的基础设施材料的理想选择。然而，传统合成纤维的低熔点（通常低于200°C）限制了ECC在易发生火灾或高温环境中的应用。提高ECC的高温耐受性一直是一个长期存在的挑战。本研究首次将高熔点液晶聚合物（LCP）纤维与低断裂韧性的土聚合物基体结合，开发出一种新型的低含量纤维增强土聚合物复合材料（LCP-EGC），显著提升了ECC的高温耐受性。即使在不含1%体积百分比的纤维的情况下，LCP-EGC在300°C的温度下仍保持了明显的应变硬化特性和出色的抗裂能力，实现了4%的拉伸应变和60微米的裂纹宽度。通过多尺度分析（涵盖纤维、基体及纤维-基体界面特性），揭示了LCP-EGC高温应变硬化响应的机制。此外，LCP-EGC还表现出优异的隔热性能，其导热系数低至0.2 W/(m·K)。案例分析表明，与具有相似导热系数的聚乙烯纤维增强ECC相比，LCP-EGC复合板材的火灾后材料成本损失可降低约27%。这些发现为推进耐高温和具有韧性的结构设计提供了理论支持和实际策略。
引言
工程水泥基复合材料（ECC）是一类高性能建筑材料，与普通混凝土（OC）相比，具有明显的应变硬化响应和更强的抗裂能力[1]。与OC典型的准脆性破坏不同，ECC的拉伸延展率可达3%至22%，并且通过分散的微裂纹实现能量的逐步耗散，从而增强结构的抗震韧性[[1], [2], [3]]。此外，在使用条件下，ECC的裂纹宽度可保持在100微米以下。这种有限的裂纹形成有效阻止了水分和侵蚀性物质的渗透，降低了钢筋腐蚀的风险，延长了整体使用寿命[4]。这些特性使ECC成为下一代基础设施和加固应用的理想选择[5]。
然而，ECC的高温耐受性不足仍然是其广泛应用的主要障碍。这一问题的关键在于目前ECC配方中常用的聚合物纤维熔点相对较低。聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯（PE）纤维是公认的有效增强材料，但其熔点通常低于230°C（表1）。在火灾事件中，温度可能迅速超过200°C，导致这些纤维迅速熔化，从而丧失ECC的独特延展性，影响结构设计的安全性。因此，提高ECC的高温耐受性是实现其更广泛应用的关键研究方向[9]。
本研究采用液晶聚酯（LCP）纤维与土聚合物基体结合的创新方法，成功将ECC保持高延展性的温度限制提升至300°C，这是对现有研究的重大突破。以往克服这一挑战的常用方法是使用具有较高耐热性的纤维，如钢纤维（SF）和玄武岩纤维（BF）。表1显示，SF和BF的熔点均高于1000°C，是PVA和PE纤维的4倍以上。实验验证了这两种纤维在提高高温性能方面的有效性。例如，SF和PE纤维的混合使用在PE纤维熔化（150°C）后减轻了ECC的脆性破坏[9]；BF-ECC在高达300°C的温度下仍保持应变硬化特性[12]。然而，这两种方法都无法在高温条件下实现高延展性。值得注意的是，即使在室温下，SF和BF单独使用也难以提供较高的延展性，其拉伸应变能力通常不超过0.5%，远低于传统的PVA/PE-ECC[9,12]。严格来说，这些纤维增强复合材料并不属于ECC的范畴。
LCP纤维的拉伸强度、模量和伸长率与PE纤维相当，但其熔点显著较高，约为350°C（表1）。这种纤维主要应用于航空航天领域，此前尚未有将其用于ECC的研究。值得注意的是，任何新纤维的采用都会引发对其成本的担忧，这直接影响其市场接受度。中国内地LCP纤维的市场价格与PVA纤维相当，这意味着将其用于ECC生产将带来较高的材料成本。我们之前的研究[13]表明，降低ECC材料成本的关键在于减少纤维的使用量。为此，需要使用低断裂韧性的基体来弥补纤维桥接能力的不足。在这种情况下，土聚合物基体成为一个特别有前景的候选材料[13]。
基于以上考虑，我们创新地将LCP纤维与土聚合物基体结合，开发出一种低含量、耐高温的LCP-EGC。LCP-EGC是首个能够在300°C温度下保持显著应变硬化性能（拉伸应变超过4%）的水泥基复合材料（图1）。与SF和BF不同，LCP纤维与基体的相容性更好，使复合材料在室温下的延展率与传统的PVA/PE-ECC相当（超过3%）。这些发现表明，LCP纤维作为高延展性复合材料的第三类增强材料具有巨大潜力，可与PVA和PE纤维并驾齐驱。重要的是，它们的加入将这类复合材料的适用温度范围提升至至少300°C，克服了现有纤维增强系统在高温下的关键限制。
本研究首先评估了LCP-EGC在20°C至400°C温度范围内残余压缩和拉伸性能的变化情况，随后通过多尺度表征阐明了性能变化的机制。分析涵盖了纤维、基体及纤维-基体界面。所采用的微观技术包括热重分析（TG）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和汞侵入孔隙率测量（MIP）。此外，还通过稳态保护热板法量化了复合材料的导热系数，以评估其隔热性能。最后进行了初步的成本分析。这些发现为提高ECC的高温韧性提供了关键策略，并为设计耐火/高温结构提供了宝贵的技术支持。
原材料
LCP-EGC基体由以下材料系统合成：偏高岭土（MK）和硅灰（SF）作为固体铝硅酸盐前驱体，粉煤灰微球（FAC）作为轻质细骨料，以及无水硅酸钠（A-Na?SiO?）和玻璃酸钠作为混合碱激活剂。这些前驱体和骨料的形态特征如图2所示。
MK（内蒙古先进材料有限公司，中国）的比表面积为20 m2/g
结果与讨论
（第3.1-3.5节描述了力学性能，第3.6节展示了导热系数，第3.7节进行了成本分析）
结论
为了解决传统PVA/PE-ECC因纤维熔化而在高温下性能下降的问题，本研究首次将高熔点LCP纤维与低断裂韧性的土聚合物基体结合，开发出一种新型的低含量纤维增强复合材料（LCP-EGC），显著提升了ECC的高温耐受性。即使在300°C的温度下，LCP-EGC仍保持了超过4%的拉伸应变。此外，从
作者贡献声明
余克全：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、方法论制定、资金获取。唐子明：数据验证、实验研究。匡宏星：实验研究。薛志航：数据验证。邓博宇：数据验证。马彩龙：数据验证。于江涛：数据验证、资源管理、方法论制定。王飞：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、方法论制定、实验研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52108177和52108243）的支持。
