玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料偏轴拉伸力学行为与本构模型

《Materials》：Mechanical Behavior and Constitutive Model of Basalt-Fiber Textile-Reinforced Engineered Cementitious Composite Under Off-Axis Tension

　　

玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料结合了良好的耐久性、经济性和力学性能，使其成为结构加固的可行选择。尽管轴向行为已有充分记载，但偏轴加载区域通常构成结构薄弱点。为填补这一空白，本研究实验和理论研究了玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料在0°、15°、30°和45°偏轴拉伸角度下的力学响应和失效机制。结果表明：(1) 拉伸应力-应变曲线呈现明显的三线性特征（线弹性、应变硬化和断裂阶段），分布密集的微裂缝宽度控制在30–50 μm。主要失效模式包括编织网断裂、界面脱粘与拔出，以及聚乙烯醇纤维桥接。(2) 随着角度增加，0°、15°、30°和45°下的拉伸强度分别超过普通工程水泥基复合材料84.8%、73.6%、52.9%和54.0%，证实了玄武岩纤维编织网与基体之间有效的协同荷载传递。尽管强度逐渐退化，所有取向下的应变能密度保持相对稳定，表明其具有稳健的能量耗散能力。(3) 基于切线模量法建立了一个现象学本构模型来描述偏轴拉伸响应。该模型与实验数据吻合良好，可作为四个测试角度校准范围内玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料结构分析的参考。

玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料偏轴拉伸行为与本构模型研究解读

1. 研究背景与问题提出

全球水泥工业是高碳排放的主要来源之一，延长既有结构使用寿命以减少新建需求，已成为降低建筑行业全生命周期碳排放的关键策略。在此背景下，编织网增强混凝土因其轻质、高强、耐腐蚀和设计灵活等优势，在结构加固与寿命延长方面展现出巨大潜力。然而，传统编织网增强混凝土中砂浆基体的脆性容易导致纱线与基体间的界面脱粘和滑移，限制了材料的延性和强度利用率。为克服这一局限，研究人员提出采用工程水泥基复合材料替代普通砂浆，形成编织网增强工程水泥基复合材料体系，实现编织网连续增强与聚乙烯醇纤维桥接增韧的协同效应。

现有研究多聚焦于理想轴向加载下的力学性能，即加载方向平行于编织网的纱线取向。然而在实际结构中，梁柱节点等构件常承受多轴应力状态，导致主应力方向与材料主轴发生偏斜，引发偏轴加载。由于编织网增强工程水泥基复合材料的显著正交各向异性，偏轴加载会改变编织网内部及纱线/基体界面的应力状态，使力学响应与轴向加载截然不同。目前对玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料偏轴行为的研究仍十分匮乏。尽管研究人员的团队此前曾探究过玻璃纤维编织网增强工程水泥基复合材料和碳纤维编织网增强工程水泥基复合材料的偏轴力学行为，但这些发现无法直接推广至玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料，因为编织网类型对力学响应和失效模式起决定性作用。因此，有必要系统研究玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料的偏轴力学行为和失效机制，并建立便于工程应用的本构模型。该论文发表于《Materials》。

2. 关键技术方法概述

研究人员采用了以下主要技术方法：制备了四层工程水泥基复合材料与三层环氧树脂浸渍玄武岩纤维编织网交替铺设的层状试件，设置了0°、15°、30°和45°四种偏轴角度进行单轴拉伸试验；利用万能试验机配合引伸计采集应力-应变数据；采用高分辨率数码相机连续拍摄试件表面图像以分析裂缝形态；使用扫描电子显微镜观察特定角度下试件的微观失效形貌；采用修正平均绝对偏差评估数据一致性；基于切线模量法建立分段函数形式的现象学本构模型，并通过拟合确定模型系数。

3. 研究结果与分析

3.1 玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料的应力-应变行为

通过拉伸试验获得了各偏轴角度下的应力-应变曲线。数据显示，所有角度下的曲线均呈明显三线性特征。引入玄武岩纤维编织网后，复合材料拉伸强度较普通工程水泥基复合材料显著提升，0°、15°、30°和45°下的增强率分别为84.8%、73.6%、52.9%和54.0%。随偏轴角度增大，强度呈非线性下降趋势，从0°到15°仅下降6.1%，而从0°到30°和45°则分别下降17.3%和16.6%。极限应变方面，小角度下较低，大角度下较高，这与编织网变形机制由轴向拉伸向剪切变形转变有关。应变能密度在各角度下维持在217–223 kJ/m3的稳定范围，表明材料具有稳健的能量耗散能力。

3.2 失效模式与机制

宏观失效形貌显示，0°加载下主裂纹从试件中部近似对称扩展，而偏轴加载下主裂纹一般从一侧萌生并向对侧延伸，呈现不对称弯曲开裂特征。侧向观察表明，所有角度下工程水泥基复合材料基体与玄武岩纤维编织网层间均保持良好的整体性，未出现层间脱粘或分层现象。裂缝分析结果显示，各角度下估计的平均裂缝开口均控制在30–50 μm范围内，表明玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料具有良好的裂缝控制能力。扫描电子显微镜观察揭示了失效机制：0°轴向拉伸下，纱线逐步达到抗拉强度并逐根断裂，界面出现脱粘损伤；偏轴拉伸下，纱线承受拉伸与弯曲组合荷载，出现滑移和拔出现象。与玻璃纤维编织网增强工程水泥基复合材料和碳纤维编织网增强工程水泥基复合材料相比，玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料未发生分层破坏，保持了良好的变形协调性。

3.3 现象学本构模型

基于切线模量法建立了分段函数形式的现象学本构模型。将力学响应分为线弹性阶段和非线性硬化阶段，其中非线性阶段的切线模量采用三次多项式函数描述，其系数依赖于偏轴角度。模型预测的峰值强度与实验值的相对误差在-6.7%至-3.8%之间，0°和15°下的决定系数高于0.9，30°和45°下的全局修正平均绝对偏差低于10%，表明模型在四个测试角度校准范围内能够有效描述玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料的偏轴拉伸力学行为。

4. 结论总结

(1) 力学性能变化：玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料在各偏轴角度下的拉伸强度均高于普通工程水泥基复合材料，但随角度增大呈非线性降低。与0°方向相比，15°、30°和45°偏轴角度下的拉伸强度分别下降6.1%、17.3%和16.6%。强度降低可能与偏轴加载下编织网承载机制改变有关，此时纤维的抗拉能力不再被充分利用。

(2) 失效模式与裂缝发展：玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料的失效涉及编织网断裂、纱线滑移和拔出以及聚乙烯醇纤维桥接的共同作用，未观察到分层现象。在所有加载情况下，估计的裂缝开口始终保持在30–50 μm范围内，表明在多向加载下具有良好的裂缝控制能力。

(3) 现象学本构模型：基于切线模量法建立的分段本构模型合理描述了材料在不同偏轴角度下的完整力学响应，拟合曲线与实验均值曲线吻合良好。该模型可为四个测试角度校准范围内的工程设计和数值分析提供参考，但其对其他工程水泥基复合材料配比、编织网类型或超出测试范围的中间偏轴角度的适用性尚需进一步实验验证。

(4) 与玻璃纤维编织网增强工程水泥基复合材料和碳纤维编织网增强工程水泥基复合材料的比较：相对于两者，玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料在强度、应变、能量密度和失效模式方面表现出独特趋势，凸显了编织网类型在支配编织网增强工程水泥基复合材料力学行为中的关键作用，并确认玄武岩纤维编织网增强工程水泥基复合材料的行为不能简单地从先前关于玻璃或碳纤维编织网的研究中推断。

(5) 设计启示：对于强度关键型应用，推荐采用0°铺层；对于变形或能量关键型设计，0°铺层仍然是一个可行且均衡的选择，因为尽管0°下的极限应变略低，但其应变能密度在所有角度下几乎保持均匀。