Experimental research on the mechanical properties of fiber-reinforced autoclaved aerated concrete under cyclic loading
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摘要:
为研究纤维增强蒸压加气混凝土(FAAC)循环受压力学行为，共设计11组棱柱体试件进行单调及循环受压试验，分析纤维种类(玄武岩纤维(BF)、碳纤维(CF))和纤维掺量对FAAC破坏形态、应力-应变全曲线特征、塑性应变、刚度退化率、应力退化率等力学性能指标的影响规律。研究结果表明：循环荷载作用下FAAC的破坏模式主要为剪切破坏和竖向劈裂破坏，随纤维掺量增加，试件破坏模式由剪切破坏转向竖向劈裂破坏；纤维掺量为0.4wt%时，FAAC的峰值应力增幅最大，BF/蒸压加气混凝土(AAC)的单调加载曲线和循环加载曲线峰值应力分别增加了24.29%、29.16%，CF/AAC的单调加载曲线和循环加载曲线峰值应力则分别增加了31.45%、37.81%；纤维掺量为0.5wt%时，FAAC的峰值应变增幅最大，BF/AAC的单调加载曲线和循环加载曲线峰值应变分别增加了28.12%、28.77%，CF/AAC的单调加载曲线和循环加载曲线峰值应变则分别增加了37.17%、41.50%；两种纤维均小幅度增加了AAC的累积塑性应变，但纤维掺量与卸载刚度及应力退化率之间未表现出明显的规律。基于试验结果，采用幂函数对FAAC标准化塑性应变与卸载点之间的关系进行拟合；提出应力退化率及加、卸载曲线双折线简化模型；最后，建立了循环荷载作用下FAAC的应力-应变曲线计算方程。
Abstract:In order to investigate the compressive mechanical properties of fiber-reinforced autoclaved aerated concrete (FAAC) under cyclic loading, a total of 11 sets of prismatic specimens were designed for uniaxial monotonic and cyclic compression tests. The effects of fiber types (basalt fiber (BF), carbon fiber (CF)) and fiber content on the mechanical performance indicators of FAAC such as failure mode, stress-strain curve characteristics, plastic strain, stiffness degradation rate, and stress degradation rate, were analyzed. The research results indicate that the failure mode of FAAC under cyclic loading contains oblique shear failure and vertical splitting failure, and with the fiber content increasing, the failure mode of FAAC turns from shear failure to splitting failure. When the fiber content is 0.4%, the peak stresses of FAAC reach their maximum values, the peak stresses of BF/autoclaved aerated concrete (AAC) under monotonic and cyclic loading increase 24.29% and 29.16%, respectively, while that of CF/AAC increase 31.45% and 37.81%, respectively. When the fiber content is 0.5%, the peak strains of FAAC reach their maximum values, the peak strains of BF/AAC under monotonic and cyclic loading increase 28.12% and 28.77%, respectively, while that of CF/AAC increase 37.17% and 41.50%, respectively. Both BF and CF slightly improve the cumulative plastic strain of AAC, but there is no significant relationship between fiber content, unloading stiffness, and stress degradation rate. Based on the experimental results, a power function is used to fit the relationship between the standardized plastic stain and unloading strain. Simplified double line models for stress degradation rate, unloading and reloading curves are proposed. Finally, the stress-strain curve calculation equation for FAAC under cyclic loading is established.
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Keywords:
- autoclaved aerated concrete /
- fiber /
- cyclic loading /
- stress-strain curve /
- plastic strain /
- calculation equation
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随着电子器件功率密度的增加和工作环境的日益复杂，导热材料的界面接触性差，应力集中或分布不均都会导致材料的结构损伤。裂纹和间隙都会加剧声子散射，阻碍热流高效传递，造成热量聚集和局部温度过热，影响器件使用寿命和可靠性[1]。在这种情况下，如果热界面材料具有自修复性能，可以修复裂纹并恢复其原始功能，保证声子传导的良好通道和材料的结构稳定性，这对导热材料的发展和应用前景来说具有重要意义。
自修复材料作为一种新型智能材料，通过封装愈合剂或结合动态键在损伤发生后能恢复其基本性能，在电子、能源、环境和医学等各个领域具有广阔的应用前景[2]。聚合物的自愈能力主要由分子的可逆相互作用、化学键的重构及链的运动或动态交换构建的，其中包括动态共价键[3-5]、氢键[6-8]、离子相互作用[9-10]和π-π堆积[11-12]等。氢键由于其可逆性、方向性和修复速率快被广泛用于自愈材料的合成中[13]。而由于软硬链段的微相分离结构和大量氢键的存在，聚脲材料具有广泛的结构和性能可调性[14]。其性能优异，具备高韧性、抗冲击性、耐腐蚀和快速聚合等特点，是最有前途的自修复材料之一[15]。
基于动态交联网络的聚合物不仅具有自修复性，还兼具可回收或再加工能力，贴合循环经济和环境可持续发展的主题[16]。Yu等[17]构筑了一种新的共聚亚胺网络，拉伸强度最高可达63.7 MPa，且具有出色的自我修复能力和可回收性，有效解决了机械鲁棒性和动态性之间的平衡；Wan等[18]通过“含羞草”仿生策略制备新型动态聚酰亚胺材料，具有良好的降解效率、优异的可回收性。复合材料经多次循环后，碳纤维无损回收率高达100%。
设计自修复导热复合材料的有效策略是将导热填料引入自修复聚合物基体之中。导热填料的掺入会显著影响聚合物基体的各种性能，包括导热性、机械性和自愈性等[19]。Wang 等[20]以氮化硼纳米片(BNNS)和液态金属(LM)作为功能填料，嵌入具有自修复功能的聚(脲-氨基甲酸酯)弹性体(PUAUE)中，赋予了材料许多理想特性，如高导热性、电绝缘性、高韧性和室温自愈性等。具有“黑金”之称的石墨烯具有大的比表面积、高强度、导热 (热导率TC>
5000 W·m−1·K−1)导电性良好、化学性能稳定，由于这些特性常用作制备功能性复合材料[21]。Yu等[22]利用分子间的高密度氢键相互作用，引入褶皱石墨烯为导热填料，得到了兼具高回弹、高导热、强界面黏附性、快速自愈合的导热复合材料。材料的拉伸强度和导热性能的修复效率分别为100%和98.65%。基于以上考虑，本文通过席夫碱反应引入动态亚胺键，同时基于聚醚胺分子链的柔韧性，脲基氢键和动态亚胺键的协同作用，设计并合成了兼具自修复功能的双动态网络构筑自修复聚脲(D-PUA)柔性膜。其中，氢键位点构建了具有类似共价交联网络的鲁棒性和稳定性，同时和亚胺键的多重协同也保证了聚脲体系的动态可逆[23]。随后以D-PUA为聚合物基体，电剥离的石墨烯(GNP)为导热填料，通过简单的机械共混制备具有导热性、自修复性和可回收性的GNP/D-PUA复合材料。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI，99%)，麦克林生化科技有限公司；聚醚胺 D-2000 (数均分子量Mn~
2000 )、聚醚胺 D-400 (Mn~400)、对苯二甲醛(TA，≥99%)，阿拉丁生化科技有限公司；N, N-二甲基甲酰胺(DMF，99.8%)，安徽泽生科技有限公司；石墨箔(工业级)，北京晶龙特碳科技有限公司；硫酸铵(96%)，天津市东丽区天大化学试剂厂。1.2 动态聚脲柔性膜的制备
控制异氰酸根(—NCO)、氨基(—NH2)和醛基(—CHO)的比例为1∶1.1∶0.1，通过改变不同分子量聚醚胺的摩尔比来调控聚脲的力学性能。以D-400和D-2000为10∶1的D-PUA合成为例，自修复D-PUA的制备步骤如下：首先取
0.8891 g(4 mmol) IPDI，将其溶解于2 mL无水DMF中，然后将1.6 g (4 mmol) D-400和0.8 g (0.4 mmol) D-2000分别溶解在3 mL无水DMF中，并与IPDI溶液混合，于40℃磁力搅拌4 h。随后，向溶液中加入0.0537 g (0.4 mmol)对苯二甲醛，升温至70℃继续反应24 h，反应完成后将高分子溶液浇注在聚四氟乙烯模具中，室温下抽真空去除气泡，60℃真空干燥24 h得透明微黄的D-PUA柔性膜，反应过程如图1 所示。下文若不做特殊说明，讨论的都是D-400/D-2000为10∶1的D-PUA。![]()
图 1 (a) 自修复聚脲(D-PUA)的合成路线图；(b) D-PUA薄膜的制备过程示意图；(c) D-PUA双动态网络结构示意图(包含氢键和动态亚胺键)IPDI—Isophorone diisocyanate; D-400, D-2000—PolyetheramineFigure 1. (a) Synthetic route of self-healing polyurea (D-PUA); (b) Schematic demonstration of the preparation process of the D-PUA films; (c) D-PUA dual dynamic network structure diagram, including hydrogen bonds and dynamic imine bonds同时制备了不含亚胺键的聚脲柔性膜(PUA)作为对比样，其具体制备过程如下：首先取
0.9782 g (4.4 mmol) IPDI，将其溶解于2 mL无水DMF中，然后将1.6 g (4 mmol) D-400和0.8 g (0.4 mmol) D-2000分别溶解在3 mL无水DMF中，并与IPDI溶液混合，于40℃磁力搅拌12 h。反应完成后将高分子溶液浇注在聚四氟乙烯模具中，室温下抽真空去除气泡，60℃真空干燥24 h得透明的PUA柔性膜。1.3 电剥离石墨烯(GNP)的制备
用精密线性稳压稳流电源(TN-XXZ02，国充充电科技江苏股份有限公司)，石墨箔片作为阳极，铂片作为阴极，0.1 mol/L的硫酸铵水溶液作为电解液，电压恒定为15 V，对石墨箔进行电化学剥离，产物用去离子水洗去过量的硫酸铵，最后冷冻干燥得GNP。
1.4 石墨烯/聚脲(GNP/D-PUA)复合材料的制备
称取一定量的GNP在无水DMF中超声分散12 h得GNP分散液，随后将GNP分散液滴加到由IPDI、D-400、D-2000和对苯二甲醛合成聚脲高分子溶液(D-400∶D-2000=10∶1)中，机械搅拌24 h至混合均匀，在真空干燥箱中0.5 h，去除气泡，将得到的GNP/D-PUA溶液浇注在聚四氟乙烯模板上，60℃下真空干燥24 h，得到GNP/D-PUA导热复合材料。按GNP在复合材料中所占的质量分数，将样品标记为GNPx/D-PUA(x=2.5、5、7.5、10和12.5)，如表1所示。
表 1 石墨烯(GNP)/D-PUA的样品命名Table 1. Sample naming of graphene (GNP)/D-PUASample Mass of GNP/mg GNP content/wt% GNP2.5/D-PUA 87.4 2.5 GNP5/D-PUA 179.3 5 GNP7.5/D-PUA 276.2 7.5 GNP10/D-PUA 378.5 10 GNP12.5/D-PUA 486.7 12.5 1.5 材料测试与表征
1.5.1 结构表征
1H NMR 测试在德国Bruker Avance II 核磁共振波谱仪上进行，所用溶剂为氘代氯仿，四甲基硅烷(TMS)作为内标物。采用傅里叶红外光谱仪(VERTEX 80，德国布鲁克公司)测试产物的全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析其化学结构，波数范围为
4000 ~500 cm−1。变温红外光谱是在 Bruker IFS 66 v/s傅里叶红外光谱仪上进行的，光谱分辨率为4 cm−1，谱图采集范围为4000 ~500 cm−1。1.5.2 力学性能
采用万能拉力机(Instron 5967，美国英斯特朗公司)根据 GB/T 528—2009[24]标准测试材料力学性能，加载速度为 250 mm/min。
1.5.3 自修复和可回收性能
划痕修复的测试方法为：用手术刀在复合膜上划出深度一致的划痕，将受损膜放在偏光显微镜上进行加热修复。
修复效率的测试方法为：将原始试样从中间切开，两个受损末端浸入水中30 s，然后充分接触在相应温度下进行修复，修复后重新测试力学性能。拉伸强度和断裂韧性(应力-应变曲线与横轴的积分面积)的修复效率按下式进行计算：
η=σhσ0×100% (1) 其中，σ0和σh分别为原始试样和修复后试样的拉伸强度和断裂韧性。
材料重塑回收的方法为将复合膜剪碎后在 80℃、~10 MPa压力下热压15 min。
1.5.4 断面的形貌表征
采用扫描电子显微镜(SEM，S4800，日立高新技术(上海)国际贸易有限公司)对液氮脆断的样品断面形貌进行表征。
1.5.5 导热性能
采用导热系数测试仪(Hot Disk，瑞典凯戈纳斯仪器商贸(上海)有限公司)，配备7577探头，采用平板模块测试。
2. 结果与讨论
2.1 D-PUA的分子结构表征
制备D-PUA的过程如图1(a)所示，IPDI 的异氰酸根与D-400、D-2000两端的氨基反应生成氨基封端的大分子聚脲。随后与对苯二甲醛在较温和的环境下进一步反应合成氢键和动态亚胺键协同作用的D-PUA，其微观组成和结构如图1(b)、图1(c)所示。
为了验证聚合物的合成，首先利用1H NMR谱图(图2(a))分析产物的化学结构。其中，化学位移5.10×10−6~5.69×10−6是NH—CO—NH的氢质子峰。化学位移8.07×10−6对应C=N的氢质子峰。化学位移7.76×10−6、7.91×10−6为苯环的特征峰。化学位移0.85×10−6~1.14×10−6、1.67×10−6和3.54×10−6属于 IPDI中甲基、亚甲基和环己烷的氢质子峰。化学位移为10.05×10−6是醛基的氢质子峰，这是由于高分子反应不完全，残余少量醛基没有反应。1H NMR结果表明D-PUA的成功合成[25-27]。
通过ATR-FTIR图谱进一步证明D-PUA的成功制备。如图2(b)所示，在
1150 和1438 cm−1分别出现 C—O—C和C—N的特征峰。1690 cm−1 C=O的伸缩振动吸收峰、3336 cm−1 N—H伸缩振动吸收峰和1520 cm−1 N—H弯曲振动吸收峰，均属于NH—CO—NH的特征峰。1625 cm−1出现的C=N特征峰，代表醛基和氨基经席夫碱反应生成亚胺键，ATR-FTIR的结果表明D-PUA中存在脲基和亚胺键，可以形成氢键和亚胺键协同作用的双动态网络[28-29]。氢键是赋予材料自愈性的重要因素。D-PUA的原位变温红外显示(图2(c))，随着温度从30℃升高至110℃，NH—CO—NH中N—H弯曲振动吸收峰从
1528 cm−1移动到1508 cm−1，C=O吸收峰从1694 cm−1蓝移至1702 cm−1，这些变化证明了体系中氢键的存在[30]。![]()
图 2 D-PUA的 核磁共振氢谱图(a)、衰减全反射红外光谱图(b)和变温红外光谱图(c)Figure 2. 1 H NMR (a), ATR-FTIR (b) and variable-temperature FTIR spectra (c) of D-PUA2.2 D-PUA的力学、自修复性能
聚醚胺D-400与D-2000相比分子量较小，分子链短，与异氰酸酯反应后形成的脲基氢键更加紧密[31]。因此，可以通过调节D-400和D-2000的摩尔比，来研究氢键密度对D-PUA力学性能的影响。如图3(a)所示，D-PUA的拉伸强度随着D-400/D-2000摩尔比的增加而提高。当D-400/D-2000为10∶1时，D-PUA的拉伸强度和断裂伸长率分别为(11.7±0.7) MPa和(895.9±1.6)%。D-400的占比越高，材料内的氢键密度越高，从而增强D-PUA 的拉伸强度。与已报道的动态聚脲弹性体相比[32-33]，D-PUA在拉伸强度和韧性上有较大的优势。此外，在氢键密度相同的条件下，含亚胺键的D-PUA其拉伸强度和断裂伸长率皆高于不含亚胺键的PUA。说明亚胺键的引入可以进一步优化聚脲的力学性能。
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图 3 (a) D-400/D-2000不同配比下的应力-应变曲线；(b) 不同静息时间下D-PUA的拉伸-回缩循环曲线；(c) D-PUA加载-卸载的数码照片Figure 3. (a) Stress-strain curves of D-400/D-2000 at different proportions; (b) D-PUA stretch-shrink cycle curves at different resting time; (c) D-PUA load-unload digital photosD-PUA还具有良好的弹性，可通过循环拉伸实验对其回弹性进行研究。将材料拉至400%的形变，加载第一个循环后出现明显的滞后圈(图3(b))，根据滞后环的面积可以计算出消耗的能量约5.2 MJ/m3，这部分损耗能是由于拉伸时材料内部动态相互作用破坏，分子间的相互作用使链段运动受阻而产生的[34]。当第一个拉伸循环结束后立即进行第二次循环，滞后圈明显变小，能量耗散减少为3.9 MJ/m3。这主要是由于分子间的动态氢键破裂后，无法在短时间内立即重建[35]。
但当材料室温静置20 min后，D-PUA的拉伸循环曲线几乎与原曲线重合，滞后圈恢复到原来的大小。D-PUA的回弹性可通过图3(c)所见，应力卸载后伸长的材料发生弯曲。当室温静置一定时间后，材料又能自动恢复到原来的状态。上述结果说明D-PUA具有良好的回弹性，具有制备多功能柔性复合材料的潜力。
除了具有良好的回弹性外，由于氢键和亚胺键的动态特性，D-PUA在温度和水的刺激下还具有高效的自修复性能。从划痕测试(图4(a))可以看到，60℃时D-PUA在8 min内可以快速使损伤愈合，而PUA(无亚胺键)的划痕愈合在同一温度下需要更久的时间(15 min)。这说明氢键和亚胺键对自修复的协同作用优于单一的氢键。D-PUA的这种自愈过程类似于生物有机体中伤口和割伤的自然愈合[36]。为了量化修复效率，用手术刀将长条形试样规则地切割成两部分，将被切末端浸入水中30 s后使其充分接触，并在60℃烘箱中进行修复。将修复好的试样进行拉伸试验，通过拉伸强度和断裂韧性的修复效率评估其修复能力。图4(c)、图4(d)分别描绘了不同愈合时间后膜的应力-应变曲线和断裂韧性的修复效率。显然，愈合是随着时间的延长而进行的，修复72 h后D-PUA的拉伸强度和断裂韧性的修复效率分别为84.62%和80.36%。图4(b)更加直观的说明了D-PUA的自修复性能，修复72 h后蓝色部分(亚甲基蓝染色)和透明部分重新修复在一起。就分子结构而言(图4(e))，多重氢键和亚胺键可以加速分子链的运动和重排，从而实现结构愈合[33-37]。
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图 4 (a) 聚脲(PUA)和D-PUA划痕自修复的光学显微镜图像；(b) 染色和未染色D-PUA样品在60℃下修复72 h的数码照片；(c) D-PUA切断后在60℃下不同愈合时间的应力-应变曲线；(d) D-PUA切断后在60℃下不同愈合时间的韧性及修复效率；(e) D-PUA自修复机制图Figure 4. (a) Optical microscope images of polyurea (PUA) and D-PUA scratch self-healing; (b) Digital photos of dyed and undyed D-PUA samples repaired at 60℃ for 72 h; (c) Stress-strain curves of D-PUA after cutting at different healing time at 60℃; (d) Toughness and repair efficiency of D-PUA after cutting at different healing time at 60℃; (e) Self-healing mechanism diagram of D-PUA2.3 GNP/D-PUA的力学、自修复和再加工性能
图5(a)为复合材料的应力-应变曲线，随着GNP含量的增加，复合材料的拉伸强度先提高后降低，断裂伸长率显著降低。这主要是由于适量GNP基于自身的刚度可以起到补强效果[38]。GNP含量过高时，与基体的相容性变差，在受力过程中易出现裂纹，从而导致断裂，显著降低复合材料的拉伸强度和断裂伸长率。综合考虑材料的力学、导热和自修复性能，选择GNP10/D-PUA采用偏光显微镜观察不同温度下划痕的愈合过程，如图5(b)所示。GNP10/D-PUA在60℃下修复60 min仍存在明显的划痕，但升温至90℃修复60 min后划痕几乎完全消失。将其切断后在60℃修复72 h后，膜的应力和断裂韧性的修复效率分别为83.94%和61.07%，如图5(c)、图5(d)所示，显示出一定的自修复能力。
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图 5 (a) 具有不同质量分数石墨烯(GNP)复合材料的应力-应变曲线；(b) GNP10/D-PUA划痕自修复的光学显微镜图像；(c) GNP10/D-PUA切断后在90℃下不同愈合时间的应力-应变曲线；(d) GNP10/D-PUA切断后在90℃下不同愈合时间的韧性及修复效率Figure 5. (a) Stress-strain curves of composites with different mass fractions graphene (GNP); (b) Optical microscope images of GNP10/D-PUA scratch self-healing; (c) Stress-strain curves of GNP10/D-PUA after cutting at different healing time at 90℃; (d) Toughness and repair efficiency of GNP10/D-PUA after cutting at different healing time at 90℃进一步考察GNP的负载量对D-PUA复合材料划痕修复情况的影响，结果如图6所示。随着GNP负载量的增加，复合材料的划痕修复速率逐渐降低。当GNP负载量为12.5wt%时，即使在 90℃下修复75 min划痕仍未被修复。说明GNP的加入阻碍了基体的分子链运动和动态键的重组，使复合材料的自修复性能有不同程度的下降。
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图 6 具有不同填料负载量的GNP/D-PUA在90℃下划痕自修复的光学显微镜图像Figure 6. Optical microscope images of GNP/D-PUA with different filler loadings scratch self-healing at 90℃得益于氢键和动态亚胺键的高度动态性，D-PUA和GNP/D-PUA在温和的条件下都可以实现热再加工，从而具有可持续性。如图7(a)、图7(b)所示，将材料剪碎后施加一定压力和温度(80℃，~10 MPa)以加速分子链迁移并促进动态键的重建[39]，15 min后可重新形成均一无缺陷的复合膜。重新测试回收膜的力学性能，其力学性能如图7(c)、图7(d)所示，拉伸强度及断裂伸长率的回复率分别在 95.16%和 97.63%以上。这样的过程可以重复5次循环，表明复合材料具有优异的可再加工性能，有望于制备易于再加工的高性能聚合物复合材料，减少电子垃圾，并提高塑料回收的效率[40]。
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图 7 ((a), (b)) D-PUA和 GNP10/D-PUA热压回收前后的数码照片； ((c), (d)) D-PUA和GNP10/D-PUA热压回收前后的应力-应变曲线Figure 7. ((a), (b)) Digital photos of D-PUA and GNP10/D-PUA before and after hot pressing recovery; ((c), (d)) Stress-strain curves of D-PUA and GNP10/D-PUA before and after hot pressing recover2.4 GNP/D-PUA的导热性能
石墨烯作为填料在聚脲基体中的分布对材料的导热性能有很大的影响，为了更加直观地对复合材料的形貌及GNP的分布情况进行清晰的观察，分别对D-PUA和GNP10/D-PUA的断面进行扫描分析。如图8所示，本征型D-PUA截面平整且光滑，在10wt%GNP 填充量下，GNP片层之间均匀分布，相互接触且无明显孔隙，有利于导热通路的构筑[41]。
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图 8 D-PUA ((a), (b)) 和 GNP10/D-PUA ((c), (d))复合材料的断面SEM图像Figure 8. Fracture surface SEM images of D-PUA ((a), (b)) and GNP10/D-PUA ((c), (d))由于石墨烯自身的良好导热性，复合材料的导热系数随填料负载量的增加而增加(图9(a))。填料含量较低时，在复合材料内部很难形成有效的导热路径。含量增加后，GNP之间的距离减小，更易形成导热网络，使热导率迅速增加[42]。
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图 9 (a) 不同填料含量的GNP/D-PUA平面内导热系数；(b) GNP/D-PUA 的传热机制图；(c) 放置在加热板边缘的GNP/D-PUA复合材料的热红外图像； GNP/D-PUA在散热器的LED间通电前后的红外热像图(d)和不同时间点对应的表面温度(e)Figure 9. (a) In-plane thermal conductivity of GNP/D-PUA with different stuffing contents; (b) Heat transfer mechanism diagram of GNP/D-PUA composite; (c) Thermal infrared images of GNP/D-PUA composites placed on the edge of a heating plate; Infrared thermal images of GNP/D-PUA before and after power is applied between the LED of the radiator (d) and corresponding surface temperature at different time points (e)图9(b)为GNP/D-PUA的导热机制图，GNP均匀分散在D-PUA基体中，片层之间相互连接以构筑导热通路。填料含量为10wt%时，面内导热系数为2.57 W·m−1·K−1，相对于本征膜提升了571%，优于之前所报道的自修复导热材料[41, 43]。为了可视化传热行为，采用红外热成像仪，记录了复合膜沿面内热传递的情况(图9(c))，结果表明GNP10/D-PUA的传热速率最快。
此外，模拟实际热界面材料的应用场景，将复合膜放置在LED小灯泡和散热器之间，并记录其红外热成像图(图9(d))。图9(e)为通电-断电过程中小灯泡表面温度随时间的变化图，75 s时GNP10/D-PUA的表面温度比D-PUA低12.6℃，表明 GNP10/D-PUA的散热效果最佳。以上结果证明了GNP10/D-PUA具有良好的传热和散热能力，有望应用于未来电子器件的散热部件。
复合材料经重塑再加工后的导热性也是自修复导热材料的一个重要性能，将GNP10/D-PUA剪碎热压(80℃，10 MPa)后再测试其面内热导率，结果如图10所示。GNP10/D-PUA在5次重塑后面内热导率最高可达2.16 W·m−1·K−1，回复率均在80.93%以上，说明复合材料重塑后的导热网络也得到了一定的恢复，具备可重复加工性。
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图 10 GNP10/D-PUA经过多次热压重塑后的面内热导率Figure 10. In-plane thermal conductivity of GNP10/D-PUA after multiple hot pressing recoveries3. 结 论
本文通过简单的合成工艺制备了具有双动态网络的自修复聚脲(D-PUA)。为了平衡自修复和导热性，选择石墨烯(GNP)为填料，主要探究石墨烯的加入对D-PUA自修复性能、导热性能和可回收性能的影响。得出的主要结论如下：
(1) D-PUA具有良好的回弹性和自修复性能。将D-PUA膜拉伸至一定形变，撤去应力并静置20 min后，可以恢复到原始形状。此外，D-PUA被完全切断后，60℃愈合72 h，断裂韧性的修复效率为80.36%；
(2)引入GNP后，GNP/D-PUA复合膜仍有自修复性能，且显著提升了D-PUA的导热性能。GNP添加量为10wt%时，90℃也可修复损伤，切开后愈合72 h，断裂韧性的修复效率为61.07%。GNP10/D-PUA的面内导热系数达到2.57 W·m−1·K−1，较本征型D-PUA提升了571%；
(3) GNP/D-PUA具有可回收性。复合膜经多次热压循环，重塑后力学性能基本不变且面内热导率的回复率均在80.93%以上，实现了高效回收和可持续发展。
总体而言，制备的GNP/D-PUA导热复合材料有望应用于柔性电子器件如可穿戴设备、导热皮肤、柔性传感器、柔性电路板和智能医疗等领域。
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图 3 循环荷载作用下纤维增强蒸压加气混凝土(FAAC)破坏过程
Figure 3. Failure process of fiber-reinforced autoclaved aerated concrete (FAAC) under cyclic loading
εc, σc, and εp are the peak strain, peak stress, and plastic strain of the curve, respectively; εun−1 and σun−1 are the unloading strain and unloading stress of the previous level unloading curve, respectively; εun and σun are the unloading strain and unloading stress of the next level unloading curve
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图 5 循环荷载作用下FAAC最终的破坏现象
Figure 5. Final failure phenomenon of FAAC under cyclic loading
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图 6 单调及循环荷载作用下FAAC应力(σ)-应变(ε)曲线
Figure 6. Stress (σ)-strain (ε) curves of FAAC under monotonic and cyclic loading
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图 7 FAAC塑性应变与卸载点应变关系
R2—Fitting degree
Figure 7. Relationship between plain strain and unloading strain of FAAC
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图 10 单调荷载作用下FAAC的归一化应力-应变曲线
Figure 10. Normalized stress-strain curves of FAAC under monotonic loading
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图 11 纤维掺量与单调加载曲线拟合参数之间的关系
c, d—Fitting parameters; wb, wc—Mass content of basalt fibers and carbon fibers, respectively
Figure 11. Relationship between fiber content and fitting parameters of stress-strain curves under monotonic loading
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图 12 卸载、再加载曲线简化模型
Figure 12. Simplified model for unloading and reloading curves
σun,r—Stress of the point on reloading curve whose strain is equal to that of unloading strain of previous unloading curve
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图 13 FAAC试验曲线与简化计算方程对比
Figure 13. Comparison between test curve and calculation equation of FAAC
表 1 纤维基本物理力学性能
Table 1 Basic physical and mechanical properties of fiber
Fiber Density/(g·cm−3) Length/mm Diameter/μm Tensile strength/MPa Melt point/℃ Elastic modulus/GPa CF 1.75 3 7 4900 800-900 230 BF 2.63-2.65 3 7-15 3000 -4800 1050 91-110 Notes: CF—Carbon fiber; BF—Basalt fiber. 
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表 2 蒸压加气混凝土(AAC)试件配合比
Table 2 Mix proportion of autoclaved aerated concrete (AAC)
Tailing sand/wt% Lime/wt% Cement/wt% Gypsum/wt% Aluminum powder/wt% Water/Solid materials 58.3 12.9 25.8 3 0.08 0.50
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表 3 AAC试件参数
Table 3 Specimen design parameters of AAC
No. Fiber Fiber content/wt% No. Fiber Fiber content/wt% AAC – – AAC – – BF/AAC-0.1 BF 0.1 CF/AAC-0.1 CF 0.1 BF/AAC-0.2 0.2 CF/AAC-0.2 0.2 BF/AAC-0.3 0.3 CF/AAC-0.3 0.3 BF/AAC-0.4 0.4 CF/AAC-0.4 0.4 BF/AAC-0.5 0.5 CF/AAC-0.5 0.5 Notes: BF/AAC-n—Basalt fiber reinforced autoclaved aerated concrete with fiber content of nwt%, n varies from 0.1 to 0.5; CF/AAC-n—Carbon fiber reinforced autoclaved aerated concrete with fiber content of nwt%, n varies from 0.1 to 0.5.
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表 4 单调及循环荷载作用下FAAC试件的峰值应力及峰值应变
Table 4 Peak stress and peak strain of FAAC under monotonic and cyclic loading
No. Monotonic loading Cyclic loading No. Monotonic loading Cyclic loading εc/10−3 σc/MPa εc/10−3 σc/MPa εc/10−3 σc/MPa εc/10−3 σc/MPa AAC 3.958 1.968 3.945 1.883 AAC 3.958 1.968 3.945 1.883 BF/AAC-0.1 4.268 2.056 4.293 2.015 CF/AAC-0.1 4.327 2.194 4.418 2.152 BF/AAC-0.2 4.385 2.178 4.477 2.170 CF/AAC-0.2 4.545 2.341 4.490 2.246 BF/AAC-0.3 4.773 2.310 4.840 2.347 CF/AAC-0.3 5.089 2.518 5.020 2.454 BF/AAC-0.4 4.805 2.446 4.831 2.432 CF/AAC-0.4 5.343 2.587 5.496 2.595 BF/AAC-0.5 5.071 2.357 5.080 2.282 CF/AAC-0.5 5.429 2.444 5.582 2.399
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[1] WANG C L, NI W, ZHANG S Q, et al. Preparation and properties of autoclaved aerated concrete using coal gangue and iron ore tailings[J]. Construction and Building Materials, 2016, 104: 109-115. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.12.041
[2] 陈潇, 张浩宇, 薛鑫, 等. 固体废弃物在蒸压加气混凝土中的应用现状综述[J]. 硅酸盐通报, 2023, 42(2): 541-553. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1625.2023.2.gsytb202302018 CHEN Xiao, ZHANG Haoyu, XUE Xin, et al. Review on application of solid wastes in autoclaved aerated concrete[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2023, 42(2): 541-553(in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1001-1625.2023.2.gsytb202302018
[3] PEHLIVANLI Z O, IBRAHIM U. Effect of polypropylene fiber length on mechanical and thermal properties of autoclaved aerated concrete[J]. Construction and Building Materials, 2022, 322: 126506. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.126506
[4] 黄炜, 张敏, 江永涛, 等. 装配式混凝土墙抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(10): 88-95. HUANG Wei, ZHANG Min, JIANG Yongtao, et al. Experimental study on seismic behavior of precast concrete walls[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(10): 88-95(in Chinese).
[5] MIAO X W, HUANG W, FAN Z H, et al. Mechanical property test and numerical analysis of a novel precast shear wall[J]. Engineering Structures, 2024, 300: 117236. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.117236
[6] HUANG W, AN Y J N, MIAO X W, et al. Research on seismic behavior and shear strength of precast composite walls with different reinforced concrete braces[J]. Structures, 2024, 61: 106067. DOI: 10.1016/j.istruc.2024.106067
[7] 陈国新, 黄炜, 张荫. 内填不同材料填充砌块生态复合墙体抗震性能对比[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(11): 4491-4500. CHEN Guoxin, HUANG Wei, ZHANG Yin. Comparison on seismic behavior of ecological composite walls filled with different materials block[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(11): 4491-4500(in Chinese).
[8] BONAKDAR A, BABBITT F, MOBASHER B. Physical and mechanical characterization of fiber-reinforced aerated concrete (FRAC)[J]. Cement and Concrete Composites, 2013, 38: 82-91.
[9] LAUKAITIS A, KERIENE J, MIKULSKIS D, et al. Influence of fibrous additives on properties of aerated autoclaved concrete forming mixtures and strength characteristics of products[J]. Construction & Building Materials, 2009, 23(9): 3034-3042.
[10] QUAN W L, HUANG W, AN Y J N, et al. The effect of natural bamboo fiber and basalt fiber on the properties of autoclaved aerated concrete[J]. Construction and Building Materials, 2023, 377: 131153. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131153
[11] XU R S, HE T S, DA Y Q, et al. Utilizing wood fiber produced with wood waste to reinforce autoclaved aerated concrete[J]. Construction and Building Materials, 2019, 208: 242-249. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.030
[12] 张杰, 黄斐, 刘文地, 等. 改性竹纤维加气混凝土的制备与界面特性[J]. 建筑材料学报, 2022, 25(7): 686-692. DOI: 10.3969/j.issn.1007-9629.2022.07.005 ZHANG Jie, HUANG Fei, LIU Wendi, et al. Preparation and interfacial characteristics of modified bamboo fibers reinforced autoclaved aerated concrete[J]. Journal of Building Materials, 2022, 25(7): 686-692(in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1007-9629.2022.07.005
[13] HUANG F, ZHANG J, ZHENG X Y, et al. Preparation and performance of autoclaved aerated concrete reinforced by dopamine-modified polyethylene terephthalate waste fibers[J]. Construction and Building Materials, 2022, 348: 128649. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128649
[14] 彭军芝, 彭小芹, 桂苗苗, 等. 蒸压加气混凝土孔结构表征的图像分析方法[J]. 材料导报, 2011, 25(2): 125-129. PENG Junzhi, PENG Xiaoqin, GUI Miaomiao, et al. Pore structure characterization of autoclaved aerated concrete using image analysis method[J]. Materials Reports, 2011, 25(2): 125-129(in Chinese).
[15] CHEN G L, LI F L, GENG J Y, et al. Identification, generation of autoclaved aerated concrete pore structure and simulation of its influence on thermal conductivity[J]. Construction and Building Materials, 2021, 294: 123572. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123572
[16] 孟宏睿. 生态轻质水泥基墙体材料性能及密肋复合墙体弹塑性分析模型研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2007. MENG Hongrui. Research on performance of ecological lightweight cement-based wall materials & elasto-plastic analysis model of multi-ribbed wall[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture & Technology, 2007(in Chinese).
[17] 熊耀清, 姚谦峰. 轻质多孔混凝土受压应力-应变全曲线试验研究[J]. 四川建筑科学研究, 2010, 36(2): 228-232. DOI: 10.3969/j.issn.1008-1933.2010.02.059 XIONG Yaoqing, YAO Qianfeng. Experimental study on the total stress-strain curve of porous lightweight concrete[J]. Sichuan Building Science, 2010, 36(2): 228-232(in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1008-1933.2010.02.059
[18] 陈国新. 内填不同材料生态复合墙体基于统一强度理论的非线性损伤分析[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2010. CHEN Guoxin. Analysis on nonlinear damage of ecological composite walls filled with different materials based on the twin shear unified strength theory[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture & Technology, 2010(in Chinese).
[19] 中国国家标准化管理委员会. 蒸压加气混凝土性能试验方法: GB/T 11969—2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020. Standardization Administration of the People's Republic of China. Test method for performance of autoclaved aerated concrete: GB/T 11969—2020[S]. Beijing: Standards Press of China, 2020(in Chinese).
[20] 陈宇良, 李浩, 叶培欢, 等. 循环荷载作用下钢纤维再生混凝土力学性能试验[J]. 复合材料学报, 2022, 39(11): 5574-5585. CHEN Yuliang, LI Hao, YE Peihuan, et al. Experimental study on mechanical behavior of steel fiber recycled concrete under cyclic compression[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2022, 39(11): 5574-5585(in Chinese).
[21] 徐礼华, 黄彪, 李彪, 等. 循环荷载作用下聚丙烯纤维混凝土受压应力-应变关系研究[J]. 土木工程学报, 2019, 52(4): 1-12. XU Lihua, HUANG Biao, LI Biao, et al. Study on the stress-strain relation of polypropylene fiber reinforced concrete under cyclic compression[J]. China Civil Engineering Journal, 2019, 52(4): 1-12(in Chinese).
[22] 徐礼华, 李长宁, 李彪, 等. 循环受压状态下钢纤维混凝土一维弹塑性损伤本构模型研究[J]. 土木工程学报, 2018, 51(11): 77-87. XU Lihua, LI Changning, LI Biao, et al. Investigation on 1D elasto-plastic constitutive model of steel fiber reinforced concrete under uniaxial cyclic compression[J]. China Civil Engineering Journal, 2018, 51(11): 77-87(in Chinese).
[23] 陈宗平, 覃钦泉, 梁莹, 等. 聚丙烯纤维珊瑚海水混凝土循环受压试验及应力-应变本构关系[J]. 复合材料学报, 2024, 41(8): 4259-4271. CHEN Zongping, QIN Qinquan, LIANG Ying, et al. Cyclic compression test and stress-strain constitutive relationship of polypropylene fiber coral seawater concrete[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2024, 41(8): 4259-4271(in Chinese).
[24] 过镇海, 张秀琴, 张达成, 等. 混凝土应力-应变全曲线的试验研究[J]. 建筑结构学报, 1982, 3(1): 1-12. GUO Zhenhai, ZHANG Xiuqin, ZHANG Dacheng, et al. Experimental investigation of the complete stress-strain curve of concrete[J]. Journal of Building Structures, 1982, 3(1): 1-12(in Chinese).
[25] 徐子豪, 胡晓斌, 张文良, 等. 重复加载下再生混凝土单轴受压应力应变关系[J]. 工业建筑, 2018, 48(7): 115-1211. XU Zihao, HU Xiaobin, ZHANG Wenliang, et al. The uniaxial compressive stress-strain relation of recycled concrete under cyclic loading[J]. Industrial Construction, 2018, 48(7): 115-121(in Chinese).
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目的
近年来，随着装配式建筑的发展，蒸压加气混凝土(AAC)被广泛应用于建筑内隔墙、屋面板等非结构部位及装配式复合结构体系中的内填块材等结构部位。然而，实际工程结构常常遭受地震等循环荷载作用，为改善AAC的力学性能并使其更好地应用于实际工程结构中，本文在AAC基体中掺入纤维增强材料，通过循环受压试验探究纤维增强蒸压加气混凝土(FAAC)的循环受压力学行为。
方法以纤维种类(玄武岩纤维(BF)；碳纤维(CF))和纤维掺量(0.1wt%, 0.2wt%, 0.3wt%, 0.4wt%, 0.5wt%)为变量，共设计11组棱柱体(100mm×100mm×300mm)试件进行单轴单调受压试验和单轴循环受压试验，分析FAAC破坏形态、应力-应变全曲线特征、塑性应变、刚度退化率、应力退化率等力学性能指标，进而建立循环荷载作用下FAAC的应力-应变曲线计算方程。
结果(1)试验现象：单调及循环荷载作用下各试件破坏过程相似；随着纤维掺量的增加，FAAC最终破坏模式由斜向剪切破坏向竖向劈裂破坏转变。(2)应力-应变曲线特征：①单调及循环荷载作用下各试件应力-应变曲线的外包络线相近，均包含上升段、下降段和稳定阶段。②随着纤维掺量增加，玄武岩增强蒸压加气混凝土(BF/AAC)和碳纤维增强蒸压加气混凝土(CF/AAC)的峰值应力均呈先增加后减小的趋势，峰值应变则呈波动上升趋势；纤维掺量为0.4%时，BF/AAC和CF/AAC试件的峰值应力均达到最大值，BF/AAC试件单调及循环应力-应变曲线的峰值应力分别增加了24.29%和29.16%，CF/AAC试件则分别增加了31.45%和37.81%；纤维掺量为0.5%时，BF/AAC和CF/AAC试件的峰值应变均达到最大值，BF/AAC试件单调及循环应力-应变曲线的峰值应变分别增加了28.12%和28.77%，CF/AAC试件则分别增加了37.17%和41.50%。(3)力学性能指标：①随着纤维掺量越大，BF/AAC和CF/AAC试件的塑性应变均呈小幅度增加趋势。②FAAC的刚度退化过程可分为上升阶段、下降阶段和稳定阶段。③随荷载增加，各组试件的应力退化率先缓慢下降，随后上升，最后进入稳定阶段。(4)应力-应变曲线计算方程：①采用幂函数对FAAC标准化塑性应变与卸载点之间的关系进行拟合。②提出了应力退化率及加、卸载曲线双折线简化模型。③采用过镇海本构模型建立了FAAC单调受压本构模型；基于①和②，建立了循环荷载作用下FAAC的应力-应变曲线计算方程。
结论随纤维掺量增加，FAAC的破坏模式由斜向剪切破坏转向竖向劈裂破坏；随纤维掺量增加，BF/AAC和CF/AC的峰值应力均呈先增加后减小的趋势，峰值应变则呈波动上升趋势，在纤维掺量为0.4%时，BF/AAC和CF/AAC试件的峰值应力均达到最大值。相同纤维掺量条件下，CF对AAC的增强效果优于BF。纤维的掺入会小幅度增加AAC的塑性应变，但纤维掺量对卸载刚度及应力退化率的影响规律不明显。基于试验结果，提出了应力退化率及加、卸载曲线双折线简化模型，建立的FAAC单轴循环受压应力-应变曲线计算方程具有较好的精度。
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蒸压加气混凝土(AAC)是以硅砂、水泥、石灰为主要原材料并经静停、搅拌、浇筑、蒸养等工艺形成的多孔硅酸盐材料。AAC具有轻质、保温、节能、耐火等优点，但材料自身强度低，脆性大，延性及韧性不足。因此，目前AAC主要被应用于建筑非结构部位；对其研究也多见于配合比、蒸压养护条件等工艺参数优化以及材料干密度、孔结构、导热系数等物理性质指标方面。
前期，课题组提出了以AAC等轻质材料为内填砌块的装配式复合墙体结构，拓宽了AAC的应用途径。课题组前期研究表明，内填砌块材料的物理力学性能对装配式复合墙体的抗震力学性能指标有较大影响。但目前缺乏循环荷载作用下AAC力学行为及其本构模型的研究，这亦是装配式复合墙体非线性分析的前提。
本文在基体材料中掺入玄武岩纤维(BF)、碳纤维(CF)增强材料以改善AAC的承载力、延性及韧性，通过单调加载及循环加载试验得到了纤维增强蒸压加气混凝土(FAAC)的应力-应变曲线，并获取了其峰值应力、峰值应变、累积塑性应变、刚度退化、应力退化率等力学性能指标；基于试验分析结果建立了循环荷载作用下FAAC的应力-应变曲线计算方程。
循环荷载作用下BF/AAC部分力学性能指标 (a)BF-AAC塑性应变 (b)计算模型验证
计量
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