受生物启发的广义梯形缝合界面设计，用于提升应变硬化水泥基复合材料接头的机械性能

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Bio-inspired generalized trapezoidal suture interfaces for enhanced mechanical performance in Strain-Hardening Cementitious Composites joints

本研究基于藻类生物启发设计，开发了广义梯形缝合接口，通过应变硬化水泥基复合材料（SHCC）试样的弯曲试验，系统揭示了不同缝合几何（三角、梯形、矩形、反梯形）对力学性能的影响规律。实验表明，优化后的广义梯形缝合接口在开裂荷载、峰值荷载及能量吸收率方面分别提升14.8%、13.8%和1.0%，同时实现延展性破坏与均匀应力传递的协同效应，为高性能结构连接提供新策略。

　　

李世平|陈武军|孙燕|于晓牛|查晨成|钱叶

新加坡国立大学土木与环境工程系，117576，新加坡

摘要

自然界采用复杂的几何缝合策略来优化局部界面性能，并在生物材料结构中实现卓越的机械性能。受这些自然设计的启发，本研究探讨了具有广义梯形几何形状的缝合界面的机械行为和失效机制，这些几何形状包括三角形、梯形、矩形和反梯形，以支持创新的工程接头应用。使用3D打印模具制造的具有这些缝合几何形状的应变硬化水泥基复合材料（SHCC）试样进行了弯曲测试，以系统地检验其机械性能。研究结果表明，优化缝合几何形状可以有效调整机械属性，如强度、延展性、失效模式和弯曲韧性。值得注意的是，三角形缝合界面有助于均匀应力传递，从而实现更优雅的延性失效，而反梯形界面则在齿根处引起应力集中，导致灾难性的脆性失效。优化后的广义梯形缝合（GTS）在强度和延展性之间取得了良好的平衡，与未接头的铸件相比，其抗裂载荷提高了14.8%，峰值载荷提高了13.8%，能量吸收提高了1.0%，这表明在所研究的参数范围和测试条件下，界面几何形状可以用来将接头从一个潜在的薄弱环节转变为一个性能可调、耐损伤的连接。本研究结合了受藻类启发的缝合界面和SHCC的应变硬化行为，建立了实验验证的设计原则，并提出了一种用于高性能结构应用的创新连接策略。

引言

现代技术的快速发展对工程材料提出了越来越严格的要求，需要结合刚性、强度、韧性、延展性和耐损伤等性能[1]、[2]、[3]、[4]。然而，这些性能之间往往存在相互制约，尤其是众所周知的强度和延展性之间的冲突。因此，在结构设计中不可避免地需要做出妥协[5]。传统建筑材料的延展性有限，这会降低能量吸收，增加裂纹扩展，并可能导致突然的灾难性失效[6]、[7]、[8]。值得注意的是，结构接头经常成为工程系统中最薄弱的环节，特别是在极端载荷条件下。不适当的接头设计会显著降低结构元素的延展性，并导致不可预测的失效模式[9]。地震后的调查发现，梁-柱接头是混凝土结构中最脆弱的区域[10]、[11]。由于传统混凝土本质上的脆性，其应变能力通常限制在约0.01%，这在很大程度上导致了其脆性失效[12]。近几十年来，各种水泥基复合材料被广泛应用于建筑结构中，以提高延展性和能量吸收，从而降低地震和爆炸等极端事件下的倒塌风险[13]、[14]、[15]。

工程水泥基复合材料（ECC），也称为应变硬化水泥基复合材料（SHCC），是一种先进的水泥基材料，具有应变硬化行为和多个饱和微裂纹[16]、[17]、[18]。在单轴拉伸下，ECC表现出应变硬化，其拉伸应变能力为3%至12%，拉伸强度超过3 MPa[19]、[20]。因此，ECC表现出优异的延展性和韧性，具有稳健的滞后行为，从而实现了出色的抗震性能[21]、[22]。微观力学和断裂力学研究表明，ECC在初次开裂后形成了一个密集的微裂纹网络，裂纹间距通常小于2毫米，在严格条件下甚至小于60微米[23]。这种狭窄的裂纹被认为是无害的，并满足长期结构完整性的耐久性要求[24]、[25]。此外，由于其水泥基组成，ECC具有良好的致密微观结构和强大的裂纹控制能力，减轻了氯离子侵入、碱-硅反应和化学腐蚀等问题，从而延长了使用寿命[26]、[27]、[28]。其优异的机械性能——特别是高拉伸强度和延展性——使ECC成为满足结构接头性能要求的有希望的材料[29]、[30]、[31]。最近的研究进一步巩固了ECC/SHCC作为应变硬化、裂纹宽度可控的水泥基平台的地位，并扩展了当前关于可持续性导向的混合设计和工程转化的讨论[32]、[33]。特别是，最近的进展进一步细化了组成-机制-性能关系的理解，并扩展了ECC/SHCC系统的应用导向证据基础[34]、[35]。

然而，仅通过ECC混合物设计来实现接头强度和延展性之间的最佳平衡仍然是一个重大挑战。为了解决这个问题，研究人员从在严苛环境条件下表现出优异机械性能的生物系统的进化适应中获得了灵感。这些适应涉及对局部结构性能的战略调节，以优化整体机械性能[36]、[37]。在结构接头的背景下，这一原则强调了调整局部性能（如强度、韧性和失效模式）以增强整体机械性能的重要性[38]、[39]。典型的例子包括可变形的骨骼、甲虫的鞘翅、鱼鳞、龙虾爪和软体动物的壳[40]、[41]，以及基于植物的结构，如木材、竹子、椰子、澳洲坚果和榴莲壳[42]、[43]，以及它们相应的工程应用，如图1所示。这些生物系统表现出协同效应，其性能超过了单个组件的能力，通常优于人造材料[44]、[45]、[46]、[47]。通过局部调节材料特性，这些生物体实现了特定的功能结果——例如抗断裂或适应动态载荷——从而满足其自然环境的需求[48]、[49]。因此，本研究旨在将这些生物启发原理扩展到满足目标功能要求的高性能结构连接的设计中，例如抗震韧性和长期耐久性。

沿着这一策略，各种生物结构中观察到的缝合界面——以其高效的载荷传递和耐损伤特性而著称——为接头设计提供了宝贵的见解[51]、[52]、[53]。许多动物和植物使用多尺度缝合嵌入结构，通过灵活的缝合界面连接刚性组件，形成天然装甲系统。这些灵活的缝合界面有效地分配应力并促进应力均匀分散，从而增强生物接头的强度和稳定性[54]、[55]、[56]。典型的例子包括三刺鱼刺的三角形波形[57]、矢状颅缝和龟壳缝合[58]、[59]、[60]、[61]，如图2(a–c)所示。这些生物缝合几何形状不仅具有功能作用，还揭示了重要的结构-性能关系。实证研究证实，缝合几何形状显著影响机械行为，特别是互锁效应已被证明可以提高抗疲劳性、增强耐久性并延长缝合接头的使用寿命[62]。值得注意的是，不同的生物缝合具有不同的功能（例如，柔性的颅缝与强互锁的壳缝）。在藻类生物中发现了广义梯形缝合（GTS）[63]，表现出多种几何形状，包括三角形、梯形、矩形和反梯形[63]。从性能设计的角度来看，这种几何多样性提供了更广泛的调节空间，以平衡载荷传递和耐损伤性，使得源自藻类的GTS成为一种有吸引力的生物启发接头原型。与更单一形态的缝合（例如，主要是三角形波形界面）相比，多变的GTS几何形状能够更好地调节刚性、强度和弯曲韧性。这种几何多样性支撑了广泛的机械谱，并激发了将其系统转化为工程界面的动力。然而，自然GTS界面缺乏明确定义的几何尺寸，限制了它们在工程接头中的直接应用，突显了系统研究将生物启发缝合设计转化为高性能结构界面的必要性。

为了有效应用这一策略并展示结构化缝合作为灵活界面的潜力，以增强整体机械特性，研究GTS界面的机械属性对于推进生物启发接头和连接方法的发展至关重要。在这项研究中，使用3D打印模具制造了具有广义梯形几何形状的SHCC试样，将SHCC混合物的应变硬化性能与生物启发的柔性缝合界面设计相结合。对SHCC试样进行了弯曲测试，以研究缝合接头独特机械行为背后的机制。研究了具有广义梯形几何形状的缝合界面对SHCC试件机械性能的影响，包括强度、失效模式、延展性、能量吸收和弯曲韧性，以明确缝合几何形状的作用，并促进对变形和失效机制的全面评估。这项研究可能为工程接头引入一种有前景的创新连接技术，并为工程领域的研究创新接头提供有价值的工具。

部分片段

GTS设计

总共制造了30个用于实验的试样，每个试样的截面尺寸为360毫米×90毫米×60毫米。每种缝合界面类型分配了3个试样，以确保测试结果的均匀性和可靠性。试样被分为实验组和对照组。对照组包括具有线性缝合的试样和没有缝合界面的铸件试样，分别标记为G-L和C。

具有单齿GTS界面的SHCC试样的机械性能

图5(a)展示了具有单齿GTS界面的试样的载荷-位移曲线。随着载荷的增加，缝合界面的下边缘出现初始裂纹；随后，具有不同缝合几何形状的试样表现出不同的弯曲行为。在试样S_β-1W_1.0中，裂纹沿缝合线扩展，直到试样最终失效。由于齿角相对较大且齿单元之间缺乏互锁效应，这些单元

裂纹和峰值载荷的比较分析

最佳的缝合几何形状可以促进更紧密的结构嵌入，从而增强结构化缝合界面的机械性能。图7展示了具有不同缝合界面的SHCC试样的裂纹载荷和峰值载荷。在单齿缝合界面中，形状因子的减小使得齿单元逐渐发展出明显的互锁效应，从而提高了裂纹载荷和峰值载荷。值得注意的是，与试样S_β-1W_1.0相比，

应用 p前景和 l模仿

GTS界面可以灵活地应用于各种代表性的混凝土结构连接中，包括梁-柱接头、梁-梁接头和板-板连接（图11）。由于它们的生物启发缝合界面，这些界面能够实现高效的载荷传递和应力均匀化，有效缓解了传统刚性或平面界面在弯曲和剪切作用下常见的应力集中问题。

结论

该系统地表征了一系列GTS界面的机械响应，并提出了一种受生物结构原理启发的创新接头连接策略。所提出的接头设计策略在指导和应用缝合界面方面发挥了关键作用。主要结论总结如下：

• 1)
  具有各种GTS几何形状的SHCC试样表现出不同的失效行为。过度的互锁可能导致过早失效

作者贡献声明

陈武军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，资金获取，概念化。李世平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，资源，方法论，调查，正式分析，概念化。孙燕：方法论，调查。查晨成：数据管理，概念化。于晓牛：调查，正式分析。钱叶：资金获取

利益冲突声明

作者声明与本研究、作者身份和/或文章的发表没有潜在的利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究发现的数据可向相应作者请求获得；由于正在进行的相关研究，完整数据目前尚未公开。参考文献[65]中报告的对照组基线结果仅用于比较目的。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的潜在利益冲突或个人关系可能会影响本文的工作。

致谢

作者感谢香港研究资助委员会（项目编号27209020和17204322）提供的财务支持。