《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Flexural performance of ECC thin-plate reinforced with shape memory alloy fibre fabricated by extrusion-based 3D-printing
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本研究开发形状记忆合金纤维增强工程水泥基复合材料（SMAF-ECC），通过传统铸造和3D打印制备薄板，进行单调与循环四点弯曲试验。利用数字图像相关（DIC）和有限元（CDP模型）分析表明，传统铸造最佳SMA纤维含量为1.0%，3D打印为0.7%；32mm纤维更优，初始裂缝强度提升41.5%，残余变形减少，循环荷载下恢复率达0.85，等效粘滞阻尼系数提升5-12%。成果为地震-resistant桥梁、防护板等模块化基础设施提供新型自修复打印材料。
穆罕默德·法伊赞·阿里 | 惠倩 | 穆罕默德·乌马尔 | 普汗·王 | 李宗高 | 西德·巴西特·阿里
郑州大学土木工程学院，中国河南省郑州市450001
摘要
本研究开发了一种混合形状记忆合金纤维增强工程水泥基复合材料（SMAF-ECC），以提高其抗弯强度、自中心能力和循环韧性。通过传统铸造和3D打印方法制备了薄板，并对其进行了单调和循环四点弯曲试验。利用数字图像相关（DIC）技术和基于混凝土损伤塑性（CDP）模型的有限元（FE）模拟，评估了SMA纤维含量（0-1.0%）和长度（26毫米、32毫米）对裂纹愈合、刚度衰减和裂纹闭合性能的影响。结果表明，对于铸造样品，1.0%的SMA纤维含量可实现最佳性能；对于打印样品，0.7%的SMA纤维含量即可达到最佳效果。与普通ECC相比，其初始裂纹强度和极限挠度分别提高了41.5%和36.3%，而残余挠度显著降低。含有32毫米SMA纤维的样品表现出更好的裂纹桥接能力、更高的抗弯韧性以及更优的应力传递性能。在循环载荷下，SMAF-ECC表现出稳定的滞回环、较高的能量耗散能力以及明显的自中心效应，恢复系数为0.85，等效粘性阻尼系数（ξ）提高了5-12%。FE模型与实验结果高度吻合，验证了观察到的恢复和能量吸收机制。所提出的3D打印SMAF-ECC为制造轻质、耐损伤和自恢复的结构元件提供了一种可行且可扩展的方法，适用于抗震桥梁、防护面板和恶劣环境下的模块化基础设施。
引言
ECC是一种高性能的水泥基材料，具有良好的应变硬化行为、多个微裂纹以及优于传统混凝土的延展性[1]。尽管ECC具备裂纹控制和自修复能力，但在循环或极端载荷条件下的性能仍有提升空间。向ECC中加入纤维可以有效改善其抗拉、抗压和抗弯性能[2][3]。已使用聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、玄武岩纤维、钢纤维和碳纤维进行实验，但效果各不相同[4][5][6]。特别是钢纤维能够提高抗拉强度、裂纹强度和抗弯强度，而混合纤维系统则在牺牲延展性的同时提供了平衡的性能[7][8]。最近的研究发现了一些新型智能纤维，这些纤维不仅能增强强度，还具有裂纹修复功能。
形状记忆合金（SMA）纤维（通常为镍钛合金NiTi）具有优异的超弹性（SE），如图1所示，能够在水泥基材料中实现自中心和裂纹闭合[9][10][11]。研究[12][13]表明，将SMA纤维集成到ECC中后，其强度、延展性和韧性均有显著提升。例如，SMA增强复合材料表现出更小的裂纹宽度、更高的抗弯强度和更强的能量耗散能力[14]。此外，纤维的几何形状、含量和长宽比对性能有显著影响，带钩或打结的纤维能够提供更好的韧性和裂纹修复效果[15][16][17][18][19]。尽管取得了这些进展，但SMA纤维的应用目前仍主要限于传统模制的复合材料，其在数字制造或3D打印水泥基材料中的应用潜力尚未得到充分探索。
基于这些材料创新，3D混凝土打印（3DCP）作为一种颠覆性的数字建造方法应运而生。通过自动化逐层沉积混凝土成分，3DCP消除了对人工的需求，缩短了施工时间，并允许实现复杂几何形状[20][21][22]。这些优势提高了生产效率，减少了环境影响，解决了劳动力短缺和废物管理等紧迫问题[23][24]。此外，还发现了自修复可打印材料和自清洁等多功能特性。
尽管3DCP具有诸多优势，但增强材料仍是其面临的主要挑战之一。传统钢纤维难以在打印过程中实现有效嵌入，因为挤出方法不允许放置增强材料[25]。尽管尝试了内部钢丝、网格或连续钢丝等多种方法，但这些方法增加了复杂性并降低了生产效率[25][26]。因此，纤维增强是一种合适的替代方案，因为它可以直接将纤维集成到打印基体中，而不会干扰打印过程[27]。由于ECC具有较高的抗拉应变能力（3-6%）和应变硬化行为[28][29][30][31]，它在3D打印领域具有巨大潜力。研究表明，ECC结构具有出色的抗震性能，适用于需要高延展性和能量吸收的应用[32]。然而，由于其高纤维含量和长宽比，可打印的ECC在泵送性和施工性方面存在挑战[28]。一些研究显示，挤出过程中纤维排列有序可改善抗拉性能，而另一些研究则发现纤维组成和打印条件会影响性能[29][33][34]。此外，层间界面表现出各向异性行为，其性能会因打印方向、时间间隔和表面条件而变化[35][36]。
近期关于3D打印纤维增强混凝土的研究探索了使用合成纤维和金属纤维来提高抗弯强度、耐久性和抗裂性能。例如，Pham等人[37]报道，添加短钢纤维的3D打印高强度混凝土的抗压强度提高了24-26%；Yang等人[38]发现，镀铜的短钢纤维比长纤维更能有效提高抗弯强度。纤维形状也会影响性能：带钩或波纹状的纤维在抗弯强度和韧性方面表现更优[38][39]。然而，纤维的加入会显著改变材料的流变行为，从而降低流动性并影响挤出稳定性。因此，优化纤维的方向、尺寸和几何形状对于改善打印和机械性能至关重要。虽然SMA-ECC复合材料和纤维增强ECC已经分别实现了3D打印，但将SMA纤维集成到3D打印ECC中的研究尚未开展。这两种新型材料的结合将带来新一代智能、强韧且自恢复的可打印材料。SMA纤维的超弹性和形状记忆特性可以减少层间断裂，促进裂纹闭合，提高抗弯灵活性，从而克服3D打印混凝土结构的某些局限性。这类复合材料在地震或循环载荷下特别有用，因为在这种条件下稳定性和损伤后的恢复对于保持结构完整性至关重要。
本研究探讨了添加SMA纤维的3D打印ECC薄板的抗弯性能，代表了将SMA增强材料引入数字制造水泥基系统的初步尝试。研究评估了材料在单调和循环弯曲下的承载能力、延展性、能量耗散和自中心能力。采用先进的数字图像相关（DIC）技术测量裂纹宽度的变化和闭合性能，同时通过韧性指标、循环刚度衰减和等效粘性阻尼系数来评估能量吸收和恢复机制。通过ABAQUS进行的有限元分析深入了解了3D打印SMA-ECC系统的应力传递、应力分布和滞回响应。这项研究架起了智能材料与数字建造之间的桥梁，为下一代坚固、灵活、有韧性和自恢复的可打印结构提供了新的途径。
原材料和性能
本研究使用的组合包括四种主要成分：粘结剂材料、细骨料、化学外加剂和增强纤维，如图5所示。粘结剂系统采用了普通波特兰水泥（OPC）I型42.5级、粉煤灰（FA）II级和石英砂（QS）作为填充剂。这些材料的化学成分见表1。作为细骨料的QS是一种白色结晶材料，粒径范围为40微米
实验观察
在C系列和P系列薄板的四点单调弯曲试验（图10（a-b）中，由于试验装置的限制，无法直接观察试样底部的裂纹起始情况。因此，裂纹的演变是通过载荷-挠度响应和试验后的裂纹形态推断出来的。在初始加载阶段，载荷-挠度曲线呈现线性关系，反映了材料的弹性行为；卸载过程中变形消失，刚度保持不变
本研究的相关性和意义
先前的研究表明，NiTi纤维具有优异的自恢复和自中心能力（见表7）。Yang等人[44]实现了84%的挠度恢复和77-84%的裂纹宽度减小；Chen等人[45][46]在0.9%的SMA含量下报告了29-37%的强度恢复和190%的模量恢复。带钩的SMA纤维进一步提高了61%的能量耗散能力，证实了SMA在恢复变形和韧性方面的有效性[16]。相反，
有限元建模方法
在纤维增强复合材料的数值模拟中，材料通常被表示为多相系统。虽然三相模型（基体、纤维和界面过渡区）能够提供高精度，但显式模拟数千根离散纤维会导致过高的计算成本。为了平衡精度和效率，采用了两相建模方法。在这种方法中，纤维与基体之间的粘结-滑移行为被直接纳入本构模型中
结论
本研究系统地研究了通过铸造和3D打印制造的SMAF-ECC薄板的抗弯和循环性能，研究了SMA纤维含量（0-1.0%）和长度（26毫米、32毫米）对裂纹行为、能量耗散、自中心能力和等效粘性阻尼的影响。利用数字图像相关（DIC）技术和定量指标进行了分析。主要发现如下：
1.在单调和循环四点弯曲条件下局限性和未来研究建议
尽管本研究展示了SMA增强3D打印ECC薄板在抗弯性能、裂纹控制和变形恢复方面的改进，但仍存在一些局限性。SMA的形状记忆效应依赖于温度，而当前实验仅在室温条件下评估了其超弹性行为，未进行热激活处理。此外，研究仅限于短期机械性能，长期耐久性方面尚未探讨
作者贡献声明
普汗·王：撰写、审稿与编辑、可视化、数据分析。惠倩：指导、方法论设计、概念构思。西德·巴西特·阿里：撰写、审稿与编辑、验证、软件应用。李宗高：撰写、审稿与编辑、可视化、数据分析。穆罕默德·乌马尔：撰写、审稿与编辑、实验研究、数据分析。穆罕默德·法伊赞·阿里：撰写初稿、验证、实验研究、数据整理、概念构思
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。人工智能工具仅用于语言编辑。作者确认未使用生成式AI进行数据生成、分析或结论推断。
数据可用性
数据可应要求提供。
资助
作者感谢国家自然科学基金（编号：52478320）和河南省的科技创新团队支持计划（编号：23IRTSTHN006）提供的财政支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
