传统混凝土因收缩效应易产生裂缝，严重影响结构耐久性。工程水泥基复合材料（ECC）通过掺入纤维显著提升抗裂性能，其拉伸延展性超过2%，裂缝宽度可控制在100微米以内。然而，纤维类型、体积率及空间分布等参数如何定量影响收缩性能，长期缺乏系统研究，制约了高性能材料的优化设计。
近日，清华大学深圳国际研究生院阿维克·库马尔·达斯（Avik Kumar DAS）团队构建了细观有限元模型ECCSrm，通过耦合湿度扩散应力场与自主开发的(n+1)D纤维生成算法（FGA），首次实现多维纤维特征（长度6-18mm、体积率0-2%、三维坐标、取向角度0°-90°）的精准建模。模型经实验验证，干燥收缩应变预测误差小于1%。研究系统分析了纤维参数的影响规律。
图形摘要
纤维影响ECC干燥收缩的机理
纤维生成算法(FGA): a)流程图和b)纤维生成示意图
边界条件和相互作用关系
ECC收缩应变场云图
核心研究发现纤维体积率：体积率从0%增至2%时，收缩应变降低12.64%，但增幅呈递减趋势，体积率每提升0.5%，收缩应变降幅由3.21%降至1.03%。纤维类型差异：弹性模量决定抗收缩效能。PE纤维收缩应变较无纤维ECC降低26.39%，优于PVA纤维的14.72%。
纤维取向影响：纤维与试件轴向平行时收缩应变降低16.65%，垂直时增加22.54%；取向分布分散后，角度影响减弱。空间分布效应：纤维集中分布于试件边缘较中心区域，收缩应变差异为3.13%；X/Y轴分布模式差异影响小于3%。纤维长度作用：6-18mm范围内长度变化引起1.56%收缩变化，表明长度参数贡献有限。
相关成果以“ECCSrm：一种基于细观尺度的新型有限元模型，用于模拟含纤维特征工程水泥基复合材料（ECCs）的收缩行为”（ECCSrm: A novel meso-scale finite element model to simulate shrinkage of engineered cementitious composites (ECCs) incorporaring fiber characteristics）为题发表在国际期刊《建筑和建筑材料》（Construction and Building Materials）上。
论文通讯作者与第一作者为阿维克·库马尔·达斯（Avik Kumar DAS），其他合作者包括香港科技大学梁坚凝（Christopher K Y Leung）教授、清华大学深圳国际研究生院2024级博士生蒋金成。该研究得到国家自然科学基金委员会等单位和项目基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.139753
文：蒋金成
编辑：叶思佳
审核：聂晓梅
