《Developments in the Built Environment》：3D-Printed Polymeric Shells as Permanent Formworks: Unlocking Strength and Energy Absorption in Auxetic Cementitious Composites
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专业摘要翻译：
拉胀水泥基多孔复合材料（Auxetic cementitious cellular composites, ACCCs）表现出高变形能力和能量吸收能力。然而，传统的基于模具的制备工艺限制了其潜在的工程应用。本研究通过使用3D打印聚合物壳作为纤维
专业摘要翻译：
拉胀水泥基多孔复合材料（Auxetic cementitious cellular composites, ACCCs）表现出高变形能力和能量吸收能力。然而，传统的基于模具的制备工艺限制了其潜在的工程应用。本研究通过使用3D打印聚合物壳作为纤维增强水泥基砂浆的永久模板，制备了拉胀水泥基-聚合物复合材料（Auxetic cementitious-polymeric composites, ACPCs）。研究人员对一种椭圆形单元胞（A1）、两种花生形单元胞（P1和P2）以及一种四胞阵列（P1M）进行了单轴压缩试验，并采用有限元建模进行了数值模拟。实验结果与数值结果吻合良好。与研究人员先前发表的文献中报道的无壳对应试样相比，P1和P2的抗压强度分别提高了48%和36%，比能量吸收（specific energy absorption, SEA）分别提高了167%和94%。数字图像相关（Digital image correlation, DIC）和模拟结果表明，聚合物壳促进了裂纹桥接（crack-bridging），并维持了稳定的应力传递。在所测试的应变范围内，P1M表现出与单元胞P1相似的行为。这项工作为无脱模施工制备水泥基多孔复合材料提供了一条可行途径，同时保留了其特征拉胀行为，具有潜在的工程应用价值。
论文解读
一、研究背景与意义
拉胀材料（Auxetic materials）以其负泊松比（negative Poisson's ratio）为特征，即在压缩时横向收缩、拉伸时横向膨胀。凭借这种特殊的变形模式，拉胀多孔材料能够实现优于传统材料的力学性能，尤其是高变形能力和高能量吸收能力。对于水泥基材料而言，该概念尤为具有吸引力，因为传统砂浆和混凝土固有的脆性限制了其抗损伤和抗开裂能力，导致其变形能力和能量吸收能力较低。
近年来，将拉胀结构引入水泥基材料的研究日益受到关注。通过将特殊设计的胞元几何结构与纤维增强水泥基砂浆相结合，研究人员已成功制备出具有负泊松比的拉胀水泥基多孔复合材料（ACCCs），并观察到典型的多阶段压缩响应，这确保了拉胀材料具有高压缩变形能力和能量吸收能力。已有研究表明，不同种类的纤维增强水泥基砂浆被用作组成材料来制备此类ACCCs，且组成材料的局部裂纹桥接能力在很大程度上决定了ACCCs的整体力学性能。此外，近期研究进一步探讨了拉胀几何参数对ACCCs力学行为的影响，揭示了几何控制的损伤机制和变形行为，但其力学响应仍强烈受到节点开裂、局部接触、胞元闭合以及组成材料开裂后传递和维持荷载能力的影响。
由于拉胀结构的几何复杂性，大多数ACCCs是通过将水泥基材料浇筑到借助3D打印制造的模具中制备的。对于潜在的大规模应用而言，这种制备工艺颇具挑战性，不利于面向实际施工的制造。因此，探索ACCCs的可扩展制备方法已十分必要。虽然已有研究证明了利用3D混凝土打印直接制备ACCCs的可能性，但由于纤维增强混合物是组成材料的必要条件，如何在增加纤维用量以改善裂纹桥接与减少纤维用量以保证可打印性之间取得平衡，成为一个难题。在此条件下，ACCCs的几何和材料设计空间也可能因满足打印工艺要求而受到限制。
在混凝土数字化建造领域，3D打印永久模板已被提出作为一种创建复杂几何形状的方法。受此启发，研究人员提出了一种概念性方案：打印的聚合物拉胀壳可能发挥类似作用。一方面，3D打印聚合物壳在浇筑过程中限定了胞元几何形状，并在养护后作为永久相保留；另一方面，与水泥基材料相比，聚合物材料的高抗拉开裂性能可为ACCCs的组成材料提供潜在的裂纹桥接作用。基于此，本研究旨在探究利用3D打印聚合物作为永久模板制备拉胀水泥基多孔复合材料的可行性，并识别聚合物壳和拉胀几何对力学性能的影响。
二、研究内容与主要结论
本研究通过将纤维增强水泥基砂浆直接浇筑到3D打印的ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）拉胀壳中，制备了拉胀水泥基-聚合物复合材料（ACPCs）。研究人员设计了椭圆形参考胞元（A1）、两种花生形单元胞（P1和P2）以及一种多胞P1构型（P1M），并对其进行了准静态压缩试验和数值模拟，以评估所开发ACPCs的力学性能。
研究结果表明，聚合物壳显著提高了ACPCs的抗压强度，且这种效应具有强烈的几何依赖性。花生形单元胞P1和P2的平均抗压强度分别达到6.95 MPa和9.64 MPa，均高于椭圆形参考胞元A1的5.08 MPa。与先前报道的无壳花生形拉胀复合材料相比，P1和P2的强度分别提高了约48%和36%，而A1的改善有限。多胞P1M试样在测试应变达0.30的范围内保持了P1单元胞的力学行为。在能量吸收方面，与无壳拉胀复合材料相比，花生形ACPCs（P1和P2）在峰值应变处的比能量吸收（SEA）分别提高了约167%和94%。P2在峰值应变前总能量吸收达61.78 J，显著高于A1（29.75 J）和P1（33.56 J），尽管其在较低应变处即达到峰值应力。数字图像相关（DIC）观测和有限元模拟进一步揭示，ABS壳延缓了水泥基砂浆中的裂纹萌生，并提供了额外的裂纹桥接能力。这种效应在花生形ACPCs（P1和P2）上更为有效，这归因于P1和P2中稳定的荷载传递机制，表现为沿壳-砂浆界面发展出更高且广泛分布的接触法向应力和剪应力。
三、主要技术方法
研究人员采用的主要关键技术方法包括：一是利用商用3D打印机（Ultimaker 2+）以ABS为打印材料制备拉胀聚合物壳，打印参数包括0.6 mm喷嘴直径、250°C打印温度、0.15 mm层高、0.8 mm线宽和40 mm/s打印速度；二是采用与先前研究相同的纤维增强水泥基砂浆配合比（以CEM I 42.5水泥、粉煤灰、细砂、水、超塑化剂、粘度调节剂（VA）和聚乙烯醇（PVA）纤维为组分），将新鲜砂浆浇筑入3D打印拉胀壳中并振动30秒，随后在标准养护条件下养护至28天龄期；三是利用万能试验机进行单轴压缩试验，采用位移控制，加载速率为0.01 mm/s，并通过数字图像相关（DIC）技术分析试样表面应变场；四是采用ABAQUS/Explicit商业有限元软件进行数值模拟，其中纤维增强水泥基砂浆采用混凝土损伤塑性（CDP）模型，3D打印聚合物壳采用塑性材料模型，通过校准分析确定材料本构输入参数。
四、研究结果
4.1 应力-应变行为
实验和数值模拟获得的应力-应变曲线总体吻合良好。所有ACPCs均表现出多阶段压缩响应。第一阶段中，裂纹在拉胀结构的节点区域迅速萌生，由于初始开裂主要由水泥基混合料的抗拉开裂能力决定，所有测试ACPCs的第一峰值强度均未超过0.5 MPa。随后，压缩应力更快速地增加，出现明显的压缩应变硬化行为直至达到峰值应力，该峰值被视为ACPCs的抗压强度。花生形ACPCs（P1、P2）的抗压强度显著高于椭圆形ACPC A1。P1和P2分别达到6.95 MPa和9.64 MPa，而A1为5.08 MPa。与无壳试样相比，P1和P2的强度分别提高48%和36%，而A1约降低7%。在峰值应变方面，A1和P1在约0.40的较大应变处达到峰值应力，而P2在0.28的较低应变处达到峰值应力，表明P2具有更强的压缩刚硬响应，而A1和P1具有更好的变形能力。P1M在ε=0.3前表现出与P1相似的压缩行为，表明ACPCs的力学行为在早期压缩阶段主要由拉胀几何控制，而非多胞相互作用。摩擦系数敏感性分析表明，早期响应对方假定摩擦相对不敏感，而峰值和峰后响应更依赖摩擦。
4.2 变形与损伤模式
DIC结果和数值模拟变形及损伤模式总体高度一致。高应变区域首先出现在拉胀胞元的窄韧带（节点）处。随着压缩从ε=0.1增加到ε=0.2，每个拉胀胞元的四个区段发生旋转，伴随花生形状逐渐闭合直至节点接触。此后，裂纹不仅局限于节点，还开始在区段处萌生。A1的高应变区域主要与节点区域相关，而P1和P2表现出更广泛的材料参与和更分布的高应变，这与P1和P2具有更高的峰值抗压强度一致。多胞P1M在早期保持了P1单元胞的特征局部变形模式，但随着应变增加，局部高应变区域在胞元阵列中变得空间不均匀，表明重复P1胞元保留了单元胞变形机制，但也引入了胞元间相互作用和变形重新分布。在泊松比方面，所有试样均实现了拉胀行为，且响应依赖于几何形状。A1仅在早期变形阶段表现出负有效泊松比，随后迅速转变为正值；而P1、P2和P1M的负泊松比在显著更长的应变范围内得以保持。P2在约0.1应变前保持负泊松比，P1和P1M在测量应变范围至0.30内保持负值。
4.3 应力分布与荷载传递
数值模拟提供了更深入的信息。在弹性阶段（ε=4×10??），相同P1结构的ACPCs的主应力明显低于无聚合物壳的拉胀胞元，表明聚合物壳改善了拉胀复合材料的早期变形抗力并延缓了水泥基砂浆中裂纹的萌生。随着压缩继续，裂纹在节点处萌生，聚合物壳也开始承受和传递荷载。在相同应变水平下，花生形拉胀（P1和P2）壳上的应力明显低于A1，表明在壳材料自身出现损伤前，聚合物壳能为组成砂浆提供更强的补充裂纹桥接作用。此外，P1和P2上从壳到砂浆的荷载传递也比A1更高效，表现为P1和P2在峰值应变处发展了更多接触区域、更高的接触法向压力和剪应力，形成了更稳定和分布的荷载传递路径，使更多材料能够承受压缩荷载并耗散能量。然而，随着压缩继续，聚合物壳从水泥基砂浆上脱离，表明聚合物壳可能无法独立提供足够的裂纹桥接能力来实现拉胀行为，纤维仍然是确保足够裂纹桥接能力所必需的。
4.4 能量吸收
能量吸收效率曲线显示所有试样均呈现非单调演化，反映了从初始胞元闭合到快速应力发展再到拉胀结构压实的转变。第一峰值应变标志着阶段I的终止，此时裂纹萌生且拉胀胞元旋转直至节点接触。花生形ACPCs（P1、P2和P1M）的阶段I应变（εI）低于A1，与花生形ACPCs更早的节点接触一致。阶段I之后，P1、P2和P1M的能量效率在短暂下降后继续增加并形成第二峰值，而A1在0.4应变前未出现明显第二峰值。在总能量吸收方面，A1、P1和P2在峰值应变处的实验总能量吸收分别为29.75 J、33.56 J和61.78 J。P2显著优于其他两种试样，尽管其测试在较低应变处终止。P1和P2的比能量吸收（SEA）非常相似，表明P2较高的材料体积确保了其较高的总能量。P2表现出更早和更有效的荷载传递，使其能够维持较高的承载能力，并通过随后水泥基砂浆的压碎耗散更多能量。在SEA曲线方面，P2最早且最陡峭地增加，在峰值应变处达到高于1.2 MJ/m3，在0.3应变处约1.5 MJ/m3；而A1和P1在中小应变范围内保持相对较低，仅在约0.30应变后才显著增加。P1在峰值应变处的SEA也达到1.2 MJ/m3。P1M几乎重现了P1在实验可达到的最高应变范围内的行为。
五、讨论与结论
讨论部分指出，聚合物壳对抗压强度的改善具有强烈的几何依赖性，花生形设计（P1和P2）比椭圆形设计（A1）获得了更显著的增强效果。这归因于花生形结构中更稳定的荷载传递机制，表现为更高且广泛分布的接触法向应力和剪应力。同时，聚合物壳提供的裂纹桥接能力补充了纤维的作用，但壳在压缩后期与砂浆的脱离表明纤维仍不可或缺。研究还指出，本研究属于实验室规模的概念验证，而非施工规模适用性的演示。实际因素包括打印时间、制造成本、施工规模可扩展性以及承受新鲜材料压力所需的壳厚度仍需系统研究。此外，永久嵌入ABS壳的长期耐久性、防火性能、聚合物劣化、环境影响和寿命终结处理也需进一步评估。壳的逐层制造引入的各向异性行为及其对荷载分担和裂纹桥接贡献的影响也需进一步研究。
结论部分翻译如下：本研究通过将纤维增强水泥基砂浆浇筑到3D打印ABS拉胀壳中，开发了拉胀水泥基-聚合物复合材料（ACPCs）。该策略避免了负模具的需求，同时保留了拉胀水泥基多孔复合材料的力学特性。实验和数值模拟被用于研究ACPCs的力学响应。根据所得结果，得出以下结论：聚合物壳提高了ACPCs的抗压强度，且该效应强烈依赖于几何形状。花生形单元胞P1和P2分别达到6.95 MPa和9.64 MPa的平均抗压强度，均高于椭圆形参考A1。与先前报道的无壳花生形拉胀复合材料相比，P1和P2的强度分别提高了约48%和36%，而A1的改善有限。多胞P1M试样在测试应变达0.30的范围内保持了P1单元胞的力学行为。与无壳拉胀复合材料相比，花生形ACPCs（P1和P2）在峰值应变处的比能量吸收分别提高了约167%和94%，表明聚合物壳改善了拉胀复合材料的能量吸收性能。P2在峰值应变前总能量吸收达61.78 J，显著高于A1（29.75 J）和P1（33.56 J），尽管其在较低应变处达到峰值应力。DIC观测和有限元模拟进一步揭示，ABS壳延缓了水泥基砂浆中的裂纹萌生，并提供了额外的裂纹桥接能力。该效应在花生形ACPCs（P1和P2）上更为有效，这归因于P1和P2中稳定的荷载传递机制，表现为沿壳-砂浆界面发展出更高且广泛分布的接触法向应力和剪应力。总体而言，结果表明3D打印聚合物壳不仅可以作为拉胀水泥基多孔复合材料的制备辅助手段，还能提高其强度和能量吸收性能。与仅使用硅胶模具制备拉胀水泥基多孔复合材料相比，这项工作展示了ACCCs在工程实践中应用的潜在解决方案。
