具有超高抗弯强度和断裂韧性的水泥层压板

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具有超高抗弯强度和断裂韧性的水泥层压板

时间：2026年3月18日

来源：CEMENT & CONCRETE COMPOSITES

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本研究通过仿生珍珠层结构设计，结合水化、冷冻铸造及原位聚合工艺，成功制备出具有分层微结构的耐强水泥材料，其抗弯强度达79.1 MPa，韧性提升3695倍，突破传统水泥性能局限。

作者：王玉环、鲍毅、孟伟娜

美国新泽西州霍博肯市史蒂文斯理工学院土木、环境与海洋工程系，邮编07030

摘要：

传统的基于水泥的材料存在抗弯强度低和韧性差的问题，这限制了它们的机械性能。受到珍珠母结构的启发——珍珠母以其通过层次化微观结构和方解石与聚合物的协同作用而获得的卓越抗弯强度和韧性而闻名——本文提出了一种利用仿生“砖-砂浆”层次化微观结构来设计水泥层压板的策略。所得到的水泥层压板抗弯强度达到了79.1 MPa，韧性达到了15.5 MJ/m³，分别比普通水泥提高了11倍和3695倍。原位水泥水化作用形成了介观尺度的“砖块”，其中聚乙烯醇在每个砖块内部形成了聚合物。通过原位聚合，聚丙烯酰胺被用作“砂浆”，将砖块粘合在一起，并确保聚合物在层间均匀分布。实验结果表明，内部的聚合物有效抑制了裂纹的产生，而层间的聚合物则能够阻止和桥接裂纹的扩展，通过多模态变形机制耗散能量。这种仿生制造策略为建筑行业开发高性能、抗裂的仿生材料提供了新的途径。

引言

水泥是混凝土的主要粘合材料，其碳排放量占总量的8%以上，也是全球使用最广泛的工程材料。基于水泥的材料具有较高的抗压强度[1]，[2]，但抗拉强度和抗弯强度较低，断裂韧性也较低[2]。普通水泥的抗弯强度和韧性分别为2.65 MPa和8 kJ/m³[3]。传统混凝土的抗弯强度、韧性及应变能力分别低于5 MPa、100 kJ/m³和0.1%[4]，[5]。水泥和混凝土有限的机械性能影响了混凝土结构的安全性和耐久性，并增加了必要的加固技术所带来的建设和维护成本。

提高基于水泥的材料抗弯强度和断裂韧性的传统方法主要涉及添加具有高抗拉强度的增强材料。常用的增强材料包括但不限于钢[6]、聚合物[7]、碳[8]、玻璃[9]、植物[10]和玄武岩[11]。这些增强材料的尺寸范围从纳米级[12]到宏观级[13]不等，常见的形态包括纤维[14]、管状[15]、网状[16]和纳米材料[17]。这些方法通过桥接效应[18]提高了基于水泥的材料的机械性能，抗弯强度最高可达到11 MPa[18]。

最近，受到具有层次化结构的仿生材料进展的启发，人们提出了一种新的方法来提高基于水泥的材料的抗弯强度和韧性[19]。特别是珍珠母，其抗弯强度和断裂韧性远超纯方解石[20]，这得益于其“砖-砂浆”层次化微观结构。其卓越的机械性能归因于超薄的方解石片层和层间聚合物（见图1(a)）。片层的厚度从纳米级到几微米不等，这使得它们能够有效桥接裂纹并耗散能量，同时保持结构完整性[21]。方解石片层由纳米颗粒组成，这些颗粒内部含有聚合物，使材料具有弹性变形能力并提高了韧性。此外，片层间的聚合物可以阻止裂纹扩展。片层的交错排列以及波浪状结构和矿物桥接进一步增强了抗弯强度和韧性。

这种“砖-砂浆”微观结构已被应用于提高硅酸钙水化物（C-S-H）的抗弯强度和韧性（见图1(b1)），C-S-H是构成水泥机械强度和耐久性的主要水化产物[22]。通过聚合物渗透和热压处理，C-S-H复合材料韧性提高了73倍（从71 kJ/m³增加到5,173 kJ/m³），抗弯强度提高了16倍（从8 MPa增加到124 MPa[23]）。然而，通过化学方法合成C-S-H成本较高，不适合大规模生产高性能水泥基复合材料。同时实现高强度和韧性并保持低成本和低能耗仍然是开发高性能水泥基复合材料的挑战。

为了提高可持续性，人们采用逐层浇铸的方法制备了以水泥为“砖”和硅胶为“砂浆”的复合材料[24]。在水泥层之间加入聚合物膜或网状结构后，水泥的断裂韧性提高了17-50倍[25]，[26]。然而，这些方法降低了抗弯强度（低于5 MPa）[23]，[25]，[26]。低抗弯强度可能是由于砖层过厚（20-30毫米）所致（见图1(b2)）。厚层结构影响了载荷传递和能量耗散。相比之下，天然珍珠母利用薄层（纳米到微米级）形成了密集的界面屏障，有效阻止了裂纹扩展，耗散了能量，并提高了韧性。然而，亲水性水泥层与疏水性聚合物层之间的弱界面相互作用阻碍了机械性能的改善。

为了提高抗弯强度和韧性，采用冷冻铸造法制备了水泥层压板[17]，将砖层厚度降低到20-30微米。随后通过多次冻融循环形成了PVA“砂浆”，抗弯强度达到了6.5 MPa，韧性达到了1,407 kJ/m³[3]。冷冻铸造法获得的抗弯强度和韧性优于逐层浇铸法，但由于多种原因，仍低于C-S-H层压板。首先，PVA的高分子量以及水泥层间有限的间距导致了微孔的形成（见图1(b3)，这些微孔促进了应力集中，限制了机械性能的提升[3]。其次，与纯C-S-H相比，水泥层压板形成的结合相较少，导致与PVA的结合力较弱。此外，由于PVA的高分子量，引入PVA需要多次冻融循环才能充分填充，从而降低了时间和材料效率[3]。总之，实现高抗弯强度和高韧性仍然是基于水泥的材料的重大挑战。

为了解决这一挑战，本文提出了受珍珠母启发的水泥层压板，其抗弯强度达到了79.1 MPa，韧性达到了15,518 kJ/m³，分别比普通水泥提高了11倍和3695倍。本文开发了一种结合水泥水化、冷冻铸造、冷冻干燥、原位聚合和热压工艺的方法，制备了具有密集“砖-砂浆”微观结构的水泥层压板（见图1(c)）。在水化过程中，形成并起无机粘合剂作用的水化钙（铝）硅酸盐（C-(A)-S-H）是水泥和水化产物的关键成分[3]。水泥水化后引入PVA作为内部聚合物，将C-S-H粘合在一起。通过冷冻铸造和冷冻干燥过程，C-S-H和PVA组装成具有层次化微观结构的“砖块”。随后通过单体渗透和原位聚合，在“砖块”之间引入聚丙烯酰胺作为“砂浆”，确保聚合物在层间的均匀分布。最后通过热压进一步密实微观结构，从而提高界面粘附力和整体机械性能。

与文献中的聚合物改性水泥层压板[17]相比，所提出的方法克服了相分离、界面作用弱、微孔、C-S-H结合相有限以及时间效率低等挑战，实现了更紧密的层次化微观结构、丰富的C-S-H结合相和强界面作用。通过结合仿生层次化设计、直接掺入水泥、优化的聚合物整合和先进的加工技术，这项研究在高性能水泥复合材料领域取得了突破，解决了同时提高机械强度和韧性的长期难题。