强度和韧性之间通常互斥，水泥基材料作为全球最常用的准脆性工程材料之一，具有较低的弯曲韧性和易裂性，这在承载应力过程中容易导致裂缝的产生，影响结构安全性与使用寿命。本文综述了多年来在提升水泥基材料（主要高强/超高强体系）弯曲韧性方面的主要技术进展，重点关注纳米、微米和宏观尺度增韧材料的使用，以及前沿的制备工艺。通过探讨这些增韧技术及其机制，旨在为水泥基材料的增韧领域提供参考与启示。

图1 综述框架：多尺度增韧材料与先进制备工艺

增强水泥基材料韧性最常见的方式是引入不同尺度（纳米、微米、宏观）的增韧材料。由于这些材料尺度与物理性能的不同，其会展现出不同的作用机制与增韧效果。

2.1 纳米尺度增韧

纳米碳基材料：包括碳纳米管（CNTs）、碳纳米纤维（CNFs）、石墨烯、氧化石墨烯（GO）和石墨烯纳米带（GNRs）等。这些材料可通过填充微孔、桥连微裂纹和促进C-S-H凝胶的生长等方式发挥增韧效应。

典型如碳纳米管（CNTs）：CNTs具有同心管状结构和碳原子的六边形排列，它们可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT），且具有超高的模量、拉伸强度和纵横比。研究表明其加入活性粉末混凝土（RPC）后，弯曲韧性（载荷-挠度曲线下的面积）可提升19.5%至41.2%。

注意的是，需注意CNTs的分散状态，这是由于CNT单体的超高纵横比，易在范德华力作用下与其他CNT单体纠缠团聚。通常，通过将高效减水剂作为化学分散剂与物理作用中的超声波处理相结合，可以实现碳纳米管的有效分散。纳米材料在溶液中的分散状态可以通过紫外可见光谱的吸光度、激光粒度分析仪的粒度分布和zeta电位的绝对值来评估。相比之下，纳米材料在水泥基体中的分散可通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线计算机断层扫描（CT）和X射线光电子能谱（XPS）直接观察。但纳米材料的微尺度和低掺量使检测它们在水泥基体内的分布具有挑战性。

图2 （a）碳纳米管的结构模型和（b）碳纳米管对水泥基体的三种改性作用

石墨烯：与CNTs不同的是，石墨烯是一种二维纳米片材料，厚度约为1nm，纵横比为600-600000，比表面积为700-1500m2/g。它也是一种超硬和坚韧的材料，其弹性模量大于1100GPa，拉伸强度约为125GPa。研究发现石墨烯可提高C-S-H凝胶的聚合度和平均分子链长度，细化CH晶体尺寸并降低取向指数，从而有助于水泥基体的致密化。在增韧方面，其可通过自身的层状结构和超高纵横比分散试件内部的应力集中，并发挥裂纹偏转和裂纹桥接效应。另外，亲水性含氧官能团赋予氧化石墨烯GO比石墨烯更高的反应性和水分散性。GO的分散性和增韧效果可以通过与其他材料（如CNTs）的反应或交联来进一步促进。

图3 （a）GO-CNTs杂化模型、（b）GO和CNTs交联反应、（c）GO在裂纹处连接CNTs，以及（d）GO和CNTs混杂水泥基材料的力学强度

纳米颗粒材料：如高活性纳米二氧化硅（SiO₂）和基本惰性纳米碳酸钙（CaCO₃）等。这些材料可致密水泥基材料的微观结构，发挥成核效应与偏转微裂纹来提升水泥基材料的韧性。

2.2 微米尺度增韧

聚合物材料：如苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸酯（PAE）、环氧树脂（ER）等。它们在水泥基体内形成含聚合物膜的有机-无机网络，增强内聚力，部分还可与水化产物化学交联，从而改善水泥基材料的抗裂性。另外，研究发现利用聚合物单体的原位聚合增韧效果更加显著。

图4 （a）含SBR与PAM的脆性指数，（b）聚合物膜与（c）聚合物与CH交联

晶须材料：以单晶形式生长的纤维状微晶，是一种新型的复合增强和增韧材料。3wt%-5wt% CaCO3晶须掺入可以提高UHPC弯曲韧性指数I20 24.2 %-34.3%。此外，添加CaCO3晶须还可提高水泥基材料的压缩韧性和冲击韧性。

细金属颗粒：高强度和高延性的金属材料也可提升超高强水泥基材料的弯曲吸能能力和韧性。然而，应考虑使用它们的经济成本。

下表汇总了微纳尺度增韧材料的增韧效果与机理：

表1 微纳尺度增韧材料总结

2.3 宏观尺度增韧

钢纤维：其是用于增韧的最常见和最有效的纤维之一。通常，异形（端钩/波浪型）钢纤维的增韧效果大于直钢纤维。

聚合物纤维：在高强/超高强体系下，增韧效果PE纤维＞PVA纤维＞PP纤维。

植物纤维：建筑领域对环保材料的需求导致探索植物纤维作为传统纤维的替代品。植物纤维的运用有助于降低水泥基材料的生产成本，同时提供高韧性和轻质特性的优势。但植物纤维在高pH值水泥体系中的耐碱性具有挑战。

橡胶颗粒：橡胶颗粒具有良好的弹性，其可形成“柔性骨架”来增加水泥基材料形变与提升其能量吸收能力，尤其在动态荷载作用下表现突出。然而，橡胶颗粒与水泥基体的粘结力较差，过量使用会导致强度显著降低。

纺织增强混凝土（TRC）和晶格材料可分别从2D和3D角度来提升水泥基材料的弯曲韧性。另外，受生物自然启发并在微观尺度上设计的仿生结构材料可以展现突破性的高强度和韧性。这种生物“非凡的骨架”为提高水泥基材料的韧性提供了独特的灵感，从而有望解决脆性工程材料强度和韧性之间的矛盾。

图5（a）和（b）双尺度单晶微晶格，（c）损伤过程中断裂模式图，（d）受跳蚤启发的轻质水泥基材料的分段蜂窝结构，以及（e）分段蜂窝结构的渐进损伤行为

2.4. 多尺度增韧方法

水泥基材料的多尺度特性促使人们探索跨多尺度的增韧方法。多尺度组合增韧材料可以达到互补效应，提高水泥基材料的整体韧性。

图6 (a)纳米二氧化硅改性纤维的拉拔载荷-位移曲线，（b）GO和CNTs混杂试件的弯曲强度-位移曲线，以及（c）增韧材料在多尺度上的增韧机制图6 (a)纳米二氧化硅改性纤维的拉拔载荷-位移曲线，（b）GO和CNTs混杂试件的弯曲强度-位移曲线，以及（c）增韧材料在多尺度上的增韧机制

从材料科学的角度来看，材料的微观结构设计和均匀性决定了所制备试件的宏观性能。先进制造工艺可以改善水泥基材料的孔隙结构，并调节宏观和微观结构的发展。更重要的是，这些工艺的适当选择和成功实施是优化不同尺度材料增韧效率的关键。

3.1 匀质性搅拌工艺

振动搅拌：通过在搅拌过程中引入0-60Hz的振动可减少搅拌阻力，提高搅拌效率。过程中不同相之间的碰撞和摩擦有利于结块粉末（如水泥）颗粒的分散，并改善纤维的分布情况。研究表明，采用振动搅拌试件的载荷-挠度曲线均高于正常搅拌的试件。

真空搅拌：通过提供低压真空环境（约40-50mbar），以减少新拌浆体中滞留的含气量，从而减少硬化浆体中的毛细孔和中孔数量。研究表明，真空搅拌能够在一定程度上提高水泥基材料的抗弯性能，尤其在蒸汽养护的条件下效果更为显著。

3.2 精细化成型工艺

加压成型：通过施加压力减少新拌水泥浆的大气泡，改善其孔隙结构。研究发现，加压成型增强了纳米颗粒的在水泥基材料中的作用效率。另外，预加压可提高RPC的弯曲韧性（载荷-挠度曲线下的面积），其中压力每增加5MPa，韧性就会提高约10%。

定向成型：宏观定向成型的经典案例是注浆纤维混凝土（SIFCON）的开发以及功能梯度混凝土的设计制备。关于微定向成型，冰模板方法可通过控制冰的生长来精确调节孔隙形态和孔隙率，当冰晶冻干或解冻时，材料会形成有序的微观结构，例如率先运用且制备出的水泥-PVA水凝胶复合材料，实现了韧性的数量级提高。但冰模板技术仍然面临诸多挑战。

图7 纤维定向成型的设计制备

图8 （a）冰模板技术的基本原理与（b）通过冰模板技术制备的水泥-PVA水凝胶复合材料

水泥基材料的韧性提升不仅依赖于增韧材料的选择，还需结合先进的制备工艺来发挥其最大效能。多尺度增韧策略已被证明能有效提升水泥基材料的韧性，满足现代建筑和基础设施对材料性能日益增长的需求。

尽管水泥基材料增韧的科学技术成熟度不断提高，但未来仍需要在以下方面进一步研究：

•研究多类型或多尺度增韧材料对水泥基材料韧性的混杂效应，揭示相应的组合机制；

•研究有效作用C-S-H凝胶的原位增韧技术，如使用纳米纤维和聚合物单体等；

•寻求新的生物结构来开发高能量吸收材料，以及探索将这些材料用于水泥基材料增韧的有效方法；

•探索简单的微结构调控技术和高效的梯度结构设计方法来制备高韧性水泥基材料；

•关注作用于基体和纤维/骨料之间的界面增韧技术，因为水泥基材料属于多相材料，涉及诸多界面；

•研究先进低碳养护方法对水泥基材料韧性的影响；

•研究水泥基材料的静态压缩韧性和动态力学韧性；

•全面检查不同评估方法计算的韧性指数，以客观判断增韧材料在水泥基材料中的增韧效能。

[1] Kai Yang, Zhuo Tang, Wengui Li, Zhaofei Long, Jionghuang He, Gang Ma, Yingjie Li, Yu Xiang, Youjun Xie, Guangcheng Long, A comprehensive review on the toughening technologies of cement-based materials: From multiscale materials to advanced processes [J]. Construction and Building Materials, 2024, 456: 139274.