文章题目

Tensile behavior and microstructural evolution of rubber-modified ECC under thermo-mechanical loadings

热-力耦合下橡胶改性工程水泥基复合材料的拉伸性能与微观结构演变

导读

工程水泥基复合材料（ECC）因其显著的多缝开裂与应变硬化特性，在抗震构件、桥梁伸缩缝、路面修补层等工程中具有重要应用前景。另一方面，利用废旧轮胎橡胶颗粒替代细骨料制备橡胶改性ECC（R-ECC），不仅有助于提升材料韧性和能量耗散能力，也契合固废资源化与低碳建材的发展方向。然而，在实际工程服役过程中，除室温环境外，混凝土结构在实际服役中还常面临 70–150 ℃ 的亚高温工况，如夏季路面、冶金化工类工业建筑、以及高温介质储罐结构等。在此类环境中，材料同时承受温度与荷载作用，其真实性能演化规律直接关系到结构安全与耐久服役可靠性。

现有关ECC高温性能的研究大多采用“先高温暴露、后冷却、再加载”的残余性能测试方法，该方法难以反映材料在服役状态下温度与荷载同步作用时的真实力学响应与微结构演化过程。已有研究在残余性能结果上甚至存在明显分歧，如拉伸强度在100–200 ℃区间出现“先升后降”或“持续衰减”等相反结论。此外，针对橡胶改性ECC的研究更为有限，已有文献多集中于常温力学性能或冲击性能，高温或亚高温条件下的基本拉伸性能与多缝开裂机制尚缺乏系统研究。因此，亟需通过热–力耦合加载试验，揭示R-ECC在亚高温环境中的拉伸行为与微观机制，为工程应用提供更真实、可靠的材料性能依据。

图文介绍

(一）主要研究内容：

本文以橡胶颗粒替代石英粉制备不同橡胶掺量（0%、10%、20%、30%）的R-ECC，系统开展：

①常温下R-ECC的抗压性能与破坏模式分析；

②亚高温环境（25 ℃、70 ℃、100 ℃、150 ℃）下的热–力耦合单轴拉伸试验；

③从质量损失、孔结构、纤维桥联行为及橡胶–基体界面演化等角度，揭示温度与橡胶掺量对R-ECC拉伸性能的耦合影响机制。

(二）主要研究结论：

①随着橡胶替代率增加，R-ECC抗压强度与弹性模量显著下降，但压缩韧性大幅提升，破坏模式由脆性劈裂向延性剪切转变；

②温度升高显著降低初裂强度与抗拉强度，但在70–100 ℃区间内R-ECC的延性明显增强，100℃下出现最大极限拉应变；

③当温度升至150 °C时，PE纤维发生软化甚至熔融，橡胶–基体界面严重劣化，导致拉伸性能与多缝开裂能力急剧衰减；

④水分蒸发导致孔隙率与孔径增大，橡胶–基体ITZ扩展、纤维桥联方式由拉断向拔出再向失效演化，是拉伸性能变化的关键内因。

图1 热–力耦合拉伸试验装置及升温曲线，装置可在恒定环境温度下同步施加拉伸荷载，实现材料拉伸性能的实时高温测试。

图2 不同温度和橡胶掺量下的多缝开裂形态，表明橡胶掺量增加可促进裂缝细化，而高温会削弱裂缝控制能力。

图3 橡胶替代率和温度对R-ECC拉伸性能（初裂强度，抗拉强度，极限拉伸应变，拉伸应变能）的影响。

图4 R-ECC在亚高温环境下拉伸破坏机理，揭示温度升高引起孔隙扩展、界面劣化及纤维软化对裂缝演化与力学性能的影响。

论文引用：

Xie, B.-X., Deng, W.-B., Wang, S., Chen, X.-F., Liu, H.-L., Zhang, G., Zeng, J.-J., & Lin, J.-X. (2026). Tensile behavior and microstructural evolution of rubber-modified ECC under thermo-mechanical loadings. Lifeline Emergency and Safety, 1, 9660011.

https://doi.org/10.26599/LLES.2025.9660011 

论文网址：

https://www.sciopen.com/article/10.26599/LLES.2025.9660011 

作者介绍

通讯作者

林嘉祥  广东工业大学  

广东工业大学副教授。研究领域为新型可持续高性能混凝土材料及结构。

第一作者

谢倍欣  广东工业大学  

广东工业大学博士后。研究领域为先进工程材料的动态力学行为。

期刊介绍

Lifeline Emergency and Safety（中文名：生命线应急与安全）期刊是生命线工程安全应急领域理论研究和应用技术的国际领先平台，由东莞理工学院主办，由清华大学出版社出版，依托广东省城市生命线工程智慧防灾与应急技术重点实验室建设。

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