随着混凝土工程结构向着大跨度、高层与超高层方向的发展,对混凝土的性能也提出了更高的要求,而高强度已经成为混凝土的发展方向。由于强度较普通混凝土更高,高强混凝土结构能够有效减少结构截面,并降低结构自重,由于低水胶比与高掺量掺合料带来的火山灰反应,高强混凝土微观结构较普通混凝土更为密实,从而具有更加优异的耐久性能。然而,混凝土强度增高的同时也会导致韧性的降低,高强混凝土与一般混凝土相比脆性增大,使得高强混凝土在实际工程中不能被充分利用。例如,在桥梁结构中,许多工程实例均表明单一的提高混凝土的强度并不能满足桥梁抗裂与耐久性要求。高强与高韧化是土木建筑及交通领域对水泥基材料性能要求的发展趋势。本研究借鉴活性粉末混凝土(RPC)与渗浇钢纤维混凝土(SIFCON)制备原理,利用高掺量的钢纤维与碳酸钙晶须对高强度水泥基材料进行双尺度增韧,制备同时具有超高强度与超高韧性的水泥基材料,并对其物理力学性能进行研究,主要得到以下结论:(1)高掺量钢纤维RPC试件基本力学性能随钢纤维掺量的增加而增加,但钢纤维掺量超过5%后,由于钢纤维团聚无法均匀分散,不仅不能进一步提高RPC的力学性能,甚至还会导致其性能下降。而采用渗浇钢纤维制备超高韧性水泥基材料时,钢纤维掺量能够达到12.2%。渗浇钢纤维水泥基试件28d抗折强度最高可达53.1MPa,并且在进行试件抗压强度测试时,会产生类似金属材料所具有的“塑性”而无法压出强度的现象。(2)渗浇钢纤维水泥基材料受压应力应变曲线在经过裂缝稳定扩展阶段后未出现峰值点,而是近似呈直线继续增长,在此阶段,纤维之间彼此交联具有较强的机械咬合力,并与基体有较强的滑移阻力,使得试件承载力继续升高,试件最终的极限应变超高0.08,具有超高的延性。(3)高掺量钢纤维RPC在经过抗压强度测试之后,试件并不会完全破坏并且仍具有一定的承载能力和较好的外观质量,试件抗压破坏后的外观质量随钢纤维掺量的提高而提高,通过二次抗压强度测试可以发现,各种纤维掺量的高掺量钢纤维RPC的两次抗压强度的强度比基本能达到0.80以上,具有较好的二次承载能力。(4)高掺量钢纤维RPC的弯曲韧性随钢纤维掺量的增大而提高,钢纤维掺量达到4%后,高掺量钢纤维RPC的弯曲荷载位移曲线开始出现假应变硬化现象。渗浇钢纤维水泥基材料相比基准组弯曲韧性大幅提升,并有明显的假应变硬化现象,峰值位移超过5.5mm。增大水胶比会降低渗浇钢纤维水泥基材料的抗弯强度,但会增加其弯曲变形能力,增加峰值位移。但高掺量钢纤维RPC与渗浇钢纤维水泥基材料单轴拉伸均未能出现假应变硬化现象。(5)高掺量钢纤维RPC抵抗冲击荷载的能力随着钢纤维掺量的提高而提高,5%钢纤维掺量的试件冲击吸收功达到6.42J。低水胶比有利于提高试件抵抗冲击荷载的能力,0.16水胶比渗浇钢纤维水泥基材料具有最高的冲击吸收功7.02J。骨料的加入同样能提高水泥基材料的抗冲击能力。(6)在本次研究中,碳酸钙晶须的最优掺量为1%,适量的碳酸钙晶须与钢纤维双尺度增强增韧较单一的钢纤维增韧效果更好,加入碳酸钙晶须后,试件的基本力学性能、弯曲性能、直接拉伸性能与抗冲击性能均有一定程度的提高,但碳酸钙晶须掺量过高后,由于难以均匀分散,会降低试件的力学性能。本次研究利用渗浇钢纤维技术同时采用碳酸钙晶须增韧制备出的超高韧性水泥基材料单轴拉伸强度可达20MPa以上,极限拉伸应变超过1.3%,同时具有优异的弯曲性能、抗冲击性能以及压缩变形能力,在地下工程、抗震结构、大变形结构、抗冲击结构等工程结构中具有广阔的应用前景,甚至有望替代某些金属材料作为机械工程材料,扩展水泥基材料的应用领域。