采用3D打印技术制造的TPMS（Thermo-Plastic Memory System）结构增强的水泥基复合材料梁的弯曲性能

《Engineering Structures》：Bending behaviour of cementitious composite beams reinforced with 3D-printed TPMS geometries

　　

摘要

本研究探讨了采用3D打印的三周期极小表面（TPMS）支架增强的生物启发型水泥基复合梁的力学性能和环境性能。研究制备了包含工程水泥基复合材料（ECC）和工程土聚合物复合材料（EGC）的双相梁，这些复合材料采用了Primitive和Gyroid TPMS几何结构（体积分数为10%），同时也制备了单相参考梁（R-ECC和R-EGC）。通过三点弯曲试验评估了力学行为，并结合简化的有限元框架和基于扩展有限元方法（XFEM）的裂纹扩展模拟进行了分析；可持续性则通过生命周期评估（LCA）进行评价。结果表明，R-ECC梁的弯曲强度最高（17.4 MPa）和韧性最高（193 J），而TPMS增强的P-ECGC梁则表现出更好的裂纹控制能力和稳定的峰值后行为，其弯曲强度约为15.4 MPa，韧性约为169.2 J。TPMS支架有助于应力重分布、裂纹偏转和约束，其中Primitive拓扑结构由于具有更连续的载荷传递路径而优于Gyroid结构。从环境角度来看，与参考系统相比，混合TPMS梁的全球变暖潜力降低了25-30%（按体积计算），当按强度标准化时，这一降幅可高达50%。本研究证明，TPMS支持的混合技术为设计高效、低碳的水泥基复合材料提供了有前景的途径，这些复合材料在数字化制造的功能性分级结构部件中具有潜在应用价值。

引言

减少混凝土中嵌入碳的需求推动了替代粘合剂和辅助水泥材料（SCMs）的广泛应用，包括粉煤灰、矿渣和煅烧粘土[1]、[2]、[3]，以及石灰石-煅烧粘土系统（LC3）[4]，这些材料可以在保持良好力学性能的同时大幅降低熟料需求和二氧化碳排放。最近的综述强调，通过优化颗粒堆积、外加剂策略和合理的纤维增强方式，结合使用SCMs可以生产出低碳混凝土，而不牺牲耐久性或延展性，尤其是在与循环经济原料和再生骨料结合使用时[5]、[6]、[7]。材料和结构或拓扑优化的进展（利用拓扑优化的蜂窝结构去除多余材料同时保持刚度和强度）为减少结构组件的材料使用和生命周期影响提供了更多机会[8]、[9]、[10]。此外，现在的工程路径将材料层面的脱碳（例如LC3、碱激活粘合剂）与组件层面的设计（轻量化、功能性分级截面）相结合，以实现环境负担的协同减少[11]、[12]、[13]。这些综合策略为可持续的水泥基设计奠定了基础，并激发了对新型粘合剂、再生材料以及拓扑感知组件设计的研究[14]、[15]、[16]。

数字化混凝土制造为在组件层面实施这些低碳策略打开了新的可能性[17]、[18]、[19]。3D打印的聚合物模板技术使得复杂、薄壁和功能性分级的混凝土几何形状成为可能，而这些在传统模板方法下是不现实的[20]、[21]、[22]。此外，最近的调查显示，工业界和学术界越来越多地采用基于聚合物的可重复使用或可回收模板（包括聚乳酸（PLA）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）等）用于可持续建筑[23]、[24]、[25]。同时，建筑师和工程师开始使用三周期极小表面（TPMS）网格作为内部支架或增强模板[26]、[27]。实际上，当TPMS几何结构嵌入水泥基矩阵中时，能够提供高比刚度、连续的载荷传递路径以及有利的渗透/浸渍性能[28]、[29]、[30]。3D打印的塑料TPMS增强剂可以显著改变砂浆和混凝土构件的裂纹模式和弯曲响应[31]、[32]、[33]。此外，3D打印的TPMS支架还具有使用常见热塑性塑料打印复杂拓扑结构的实际优势[34]、[35]。数字模板、再生聚合物和TPMS拓扑结构之间的这些协同作用为创建功能分级、材料高效的结构组件提供了可扩展的途径。

在材料层面，两种低碳水泥基材料特别受到关注：工程水泥基复合材料（ECC）[36]、[37]和工程土聚合物复合材料（EGC）[38]。前者通过微观力学设计矩阵、界面和纤维桥接实现了显著的拉伸应变能力及多重裂纹控制，使其非常适合需要抗拉的区域和关键延展性的应用[39]、[40]、[41]。土聚合物和其他碱激活粘合剂提供了另一种低碳粘合剂化学成分，它们具有内在的高化学抗性，并且在许多配比中表现出优异的抗压强度[42]、[43]、[44]。然而，与基于波特兰水泥的系统相比，土聚合物基体通常具有有限的拉伸延展性和不同的收缩/固化敏感性[45]、[46]、[47]。将ECC和土聚合物技术结合到混合多相组件中，可以在需要时利用ECC的拉伸延展性，同时利用土聚合物在压缩主导区域的环境和耐久性优势。这一概念支持功能性分级和性能优化的结构元件设计。然而，ECC和EGC的不同化学性质、界面行为和固化要求使得铸造、界面工程和结构预测变得复杂，从而推动了综合实验-数值研究的发展[14]、[15]、[16]。

尽管在低碳水泥基材料和工程增强系统方面取得了最新进展，但在理解TPMS增强双相水泥基复合材料的综合力学和环境性能方面仍存在关键知识缺口，尤其是在不同TPMS拓扑结构下。因此，本研究旨在系统地探讨TPMS几何形状（Primitive与Gyroid）对混合ECC/EGC复合梁的弯曲行为、裂纹扩展机制和可持续性能的影响。主要目标是找到一种平衡结构效率、延展性和降低环境影响的最佳设计策略，从而推进生物启发式架构在可持续建筑中的应用。

为了实现这些目标，开发了一个结合实验测试、多尺度数值建模和生命周期评估（LCA）的综合框架。第2节描述了四种梁配置的设计、制造和测试过程，包括两种整体参考梁和两种TPMS增强的混合梁。第3节提出了一个简化的建模框架，其中将从微观力学分析得出的均匀化材料属性应用于结构尺度的XFEM模拟中，以捕捉复合梁的整体弯曲响应和主导裂纹扩展行为。第4节重点讨论了不同类型复合梁的弯曲性能，并进行了LCA分析。结论部分总结了关键发现和未来的研究方向。通过这种综合方法，本研究为TPMS支架作为增强体和内部相分离器的角色提供了新的见解。这为设计延展性高的低碳水泥基复合材料提供了新的途径。需要注意的是，本研究的主要重点是TPMS增强混合水泥基梁的实验验证和比较评估，而不是为ECC/EGC材料开发严格的断裂力学框架。因此，数值建模部分旨在提供对观察到的梁行为和裂纹扩展趋势的结构尺度解释，而详细的断裂能量演化、纤维桥接本构建模以及裂纹开裂依赖的粘聚行为仍然是未来研究的课题。

章节摘录

采用TPMS支架的梁设计

• a)
  TPMS几何形状

在本研究中，TPMS几何形状被用作复合梁内部的增强体和相分离器。选择TPMS结构的原因是它们具有连续光滑的表面、高的比刚度，并且文献中证明了它们能够有效改善水泥基矩阵中的应力分布、裂纹控制和载荷传递效率[20]、[22]、[28]。这些数学上定义而非离散化的表面使得创建轻质且

简化的结构建模框架

为了补充实验研究，建立了一个简化的结构建模框架，以捕捉复合梁的微观结构特征与宏观行为之间的联系。该均匀化辅助的结构建模框架的主要目的是在材料属性和结构响应之间提供一致的联系，而不是在所有尺度上明确解析断裂机制或进行参数优化。

结果与讨论

本节主要关注将实验观察到的结构行为与数值应力分布和裂纹扩展模式相关联。虽然讨论了诸如应力重分布、裂纹偏转和约束效应等机械解释来解释观察到的趋势，但本研究并不试图建立ECC/EGC行为的严格断裂力学描述。相反，这些分析旨在提供比较性的结构分析

结论

本文介绍了TPMS增强双相水泥基梁的设计、制造、实验表征、数值建模和环境评估。回收的PLA TPMS壳（Primitive和Gyroid）被3D打印并嵌入作为10%体积的支架，用于分割和增强由ECC和EGC阶段（体积占比45/45%）浇筑的梁。机械表征包括直接拉伸、压缩以及使用应变仪和LVDT进行的仪器化三点弯曲测试：

CRediT作者贡献声明

Nabodyuti Das：写作 - 审稿与编辑、可视化、验证、调查、形式分析、数据整理。Bao-Loi Dang：写作 - 审稿与编辑、可视化。Y.X. Zhang：写作 - 审稿与编辑、可视化。Meiling Dai：写作 - 审稿与编辑、可视化。Vuong Nguyen-Van：写作 - 原始草稿、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据整理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢南洋理工大学土木与环境工程学院的建筑技术实验室的工作人员，感谢他们的帮助和提供的有利条件，使作者能够顺利完成本研究实验。这项研究还得到了英国文化协会通过国际科学合作伙伴基金（ISPF，申请编号1649）的支持。第一作者非常感谢这一支持：

Vuong Nguyen-Van|S. Sankeeth|Nabodyuti Das|Bao-Loi Dang|Y.X. Zhang|Meiling Dai新加坡国立大学土木与环境工程学院，117576，新加坡