研究人员针对多尺度纤维增强工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites, ECC)在静动态拉伸荷载下的疲劳损伤演化及多因素耦合机制认识不足的问题，采用响应面法(Response Surface Methodology, RSM)研究了聚乙烯(Polyethylene, PE)纤维与碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)协同增强的ECC（简称MSF-ECC）。通过开展单轴拉伸试验与拉伸疲劳试验，量化了PE纤维体积掺量(1–2%)、CNTs质量掺量(0.1–0.2%)及疲劳循环次数(20,000–50,000)对抗拉强度、峰值拉伸应变及损伤累积的影响。结果表明，PE纤维与CNTs的协同作用显著提升拉伸性能，在最优配比(PE 1.5%、CNTs 0.15%)下，抗拉强度与峰值拉伸应变较单一纤维体系分别提高73.42%和238.74%。RSM模型揭示，疲劳循环次数(C)与PE纤维掺量(A)对性能退化的主导作用显著(C≈A>B)，交互作用强度排序为A-C>A-B>B-C。研究证实，多尺度纤维通过“纳米-宏观”层级桥接效应抑制裂缝扩展，并验证了RSM在多尺度纤维配比优化中的有效性。该研究提供了全面的静动态拉伸试验数据集及基于RSM的优化框架，提出的多尺度纤维设计策略可显著提升ECC的疲劳抗力，对循环荷载作用下耐久土木工程基础设施的设计具有重要参考价值，为动态荷载条件下ECC的精准设计提供了关键依据。
研究背景与意义
在工程结构全生命周期中，除长期静载外，交通振动、波浪作用、风致振荡及地铁列车振动等循环动荷载会引发内部应力场动态重分布，导致微裂纹萌生、扩展与贯通，当应力强度因子超过临界阈值时，微裂纹扩展呈指数加速，造成力学性能渐进劣化与承载力不可逆下降。传统混凝土因脆性破坏特征，在疲劳荷载下易发生突发断裂，导致维护成本上升与服役寿命缩短。工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites, ECC)基于细观力学设计，具备拉伸应变硬化特性与多重微开裂行为，可实现3–5%的超强延性，随机分布的短纤维桥接裂缝表面，延缓宏观裂缝形成，且具有自愈合能力、优异耐久性及低碳排放优势，在动荷载工程场景中具有广阔应用前景。然而，现有研究多聚焦于静态力学性能，对疲劳损伤演化及多因素耦合效应的认识不足，制约了其在复杂服役环境下的精准设计。传统ECC多采用聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)纤维，虽静态桥接稳定，但存在成本高、依赖进口及界面粘结过强导致纤维断裂而非拔出、疲劳抗力降低等问题。高性能聚乙烯(Polyethylene, PE)纤维因更高弹性模量与成本效益成为理想替代，但单一尺度的PE纤维(直径20–50 μm)难以约束纳米/微米级缺陷演化，需引入碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)等纳米材料构建多尺度增强体系。CNTs凭借高长径比与管状结构，可填充基体孔隙、提升密实度并在裂缝尖端产生纳米级桥接效应，其疲劳增强作用已在多种复合材料中得到验证。尽管响应面法(Response Surface Methodology, RSM)已成功用于优化超高性能混凝土及预测纤维增强混凝土抗冲击性能，但在ECC疲劳性能评估中的应用尚属空白。为此，研究人员系统开展了多尺度纤维增强ECC(MSF-ECC)的准静态与动态拉伸性能研究，旨在填补该领域空白。本研究发表于《Results in Engineering》。
主要技术方法
研究人员设计了三组关键技术路线：(1) 基于3×3全因子试验设计制备单一纤维增强ECC(SF-ECC，PE纤维1 vol%)与多尺度纤维增强ECC(MSF-ECC，PE纤维1%、1.5%、2%体积掺量与CNTs 0.1%、0.15%、0.2%质量掺量的9种组合)；(2) 开展哑铃型试件单轴拉伸试验，表征应变硬化行为与裂缝演化规律；(3) 结合Box-Behnken设计实施拉伸疲劳试验，建立抗拉强度指数(St)与峰值拉伸应变指数(Spt)的RSM模型，量化PE纤维掺量(A)、CNTs掺量(B)与疲劳循环次数(C)的交互效应，并通过方差分析与残差诊断验证模型可靠性。所有试件采用相同配合比参数(水胶比0.2、砂胶比0.26)，经行星搅拌机分步投料与超声分散工艺制备，标准养护28天后进行测试。
研究结果
3.1 静态拉伸试验结果
3.1.1 抗拉强度与峰值拉伸应变：多尺度纤维体系表现出显著协同增强效应，最优配比(PE 1.5 vol%、CNTs 0.15 wt%)下抗拉强度达4.11 MPa，峰值拉伸应变达7.52%，较单一纤维体系分别提升73.42%与238.74%。当PE纤维固定为1 vol%时，CNTs掺量在0–0.15 wt%范围内提升抗拉强度18.99%、峰值拉伸应变31.98%，超过0.15 wt%后因团聚导致性能下降；在CNTs 0.15 wt%下，PE纤维从1 vol%增至1.5 vol%时，抗拉强度提升45.74%、峰值拉伸应变提升156.66%，继续增至2 vol%时增幅降至39.36%与131.06%，表明PE纤维最优掺量为1.5 vol%。PE纤维通过宏观桥接延缓裂缝扩展，CNTs通过填充微孔隙与纳米桥接抑制微裂纹萌生，二者协同实现从纳米缺陷到宏观裂缝的全尺度应力传递，但过量纤维(PE>1.5 vol%或CNTs>0.15 wt%)会因界面应力集中或团聚削弱增强效率。
3.1.2 拉伸应力-应变曲线：ECC拉伸行为分为三个阶段——弹性阶段(应力由基体承担，近似线性关系)、应变硬化阶段(微裂纹持续萌生，纤维桥接效应主导应力传递，应力波动上升)、应变软化阶段(主裂缝局部化扩展，纤维拔出导致应力平缓下降)。多尺度纤维体系较单一纤维体系显著延长应变硬化阶段，PE纤维1.5–2 vol%时峰值拉伸应变超5%，且应力波动频率更高，表明微裂纹分布更密集；最优组(P1.5C0.15)因CNTs提升基体密实度与PE纤维维持宏观应力传递，形成多尺度裂缝系统，而过掺纤维则因界面完整性受损导致性能劣化。
3.2 疲劳加载后残余拉伸性能
3.2.1 抗拉强度与峰值拉伸应变：疲劳循环显著劣化MSF-ECC性能，随循环次数增加，抗拉强度与峰值拉伸应变呈单调下降趋势。2万次循环后，P1C0.15、P1.5C0.1、P2C0.15组残余强度分别为静态值的91.30%、87.79%、95.07%；5万次循环后分别降至85.29%、76.52%、83.29%，峰值拉伸应变降幅更显著(最高达32.63个百分点)。性能退化源于循环荷载下PE纤维-基体界面粘结渐进劣化与多尺度纤维协同桥接效应减弱，当裂缝宽度超过临界阈值时，多开裂机制被抑制，转为应变局部化失效。
3.2.2 拉伸应力-应变曲线：疲劳加载后试件仍保留应变硬化特征，但硬化阶段显著退化——初始开裂应力升高(预损伤导致微裂纹优先扩展)，应变硬化段波动幅度与频率随循环次数增加而降低，多裂纹发展能力减弱。P1.5C0.1组经5万次循环后裂纹密度大幅降低，归因于疲劳损伤累积扩大裂缝间距，削弱应力重分布效率，同时多尺度纤维协同桥接因界面滑移加剧而受损。
5. 基于RSM的多因素耦合效应分析
5.1 对抗拉强度指数(St)的影响：RSM模型显示，各因素影响强度排序为疲劳循环次数(C)>PE纤维掺量(A)>CNTs掺量(B)，疲劳循环导致的强度退化约为内部纤维因素的1.5倍，St随循环次数增加呈指数衰减。PE纤维与St正相关，CNTs则呈“先升后降”双相特征(临界阈值0.15 wt%)。交互作用方面，A-B与A-C组合呈显著交互效应(椭圆等高线)，B-C组合交互微弱(近圆形等高线)；增加PE纤维可有效缓解疲劳循环引起的界面粘结强度退化，多尺度纤维网络通过协同效应抑制疲劳损伤。
5.2 对峰值拉伸应变指数(Spt)的影响：各因素影响强度排序为疲劳循环次数(C)≈PE纤维掺量(A)>CNTs掺量(B)，PE纤维通过提升跨裂缝应力传递效率显著改善拉伸应变水平，而CNTs对Spt的提升作用相对有限。交互作用强度排序为A-C>A-B>B-C，疲劳加载下纤维桥接能力渐进退化，但PE纤维掺量增加可通过数量优势补偿桥接损失，产生显著协同效应。值得注意的是，静态加载下最优的PE纤维1.4%–1.6%+CNTs 0.12%–0.18%区间在疲劳加载下表现出明显损伤，源于动静荷载开裂机制差异——静态下满足稳态开裂准则，而疲劳下裂缝宽度持续扩展抑制多裂纹形成。
6. RSM模型验证
抗拉强度指数(St)与峰值拉伸应变指数(Spt)的二次回归模型均通过方差分析(p<0.0001)与失拟项检验(p>0.05)，决定系数(R2)分别达0.9954与0.9959，调整R2分别为0.9894与0.9907，残差符合正态性、独立性与同方差性假设，预测值与实测值高度吻合，证实模型可有效预测实验范围内任意纤维配比与疲劳循环下的性能响应，为MSF-ECC的疲劳抗力优化设计提供实用工具。
结论与讨论
研究人员通过试验与统计分析得出：(1) PE纤维与CNTs的多尺度协同效应显著提升ECC拉伸性能，最优配比下抗拉强度与峰值拉伸应变较单一纤维体系分别提升73.42%与238.74%；(2) 疲劳循环通过弱化纤维-基体界面粘结与桥接应力主导性能退化，适量增加PE纤维可部分缓解疲劳损伤，但过量(>1.5 vol%)会因纤维间距减小加剧应力集中；(3) RSM模型揭示交互作用强度排序为A-C>A-B>B-C，PE纤维掺量与疲劳循环的耦合效应对应变能力影响最显著，CNTs在优化掺量(≤0.15 wt%)内可有效抑制疲劳损伤；(4) 响应面法为多尺度纤维配比优化提供了高效工具，多尺度纤维设计是突破传统ECC疲劳性能瓶颈的有效途径。该研究提供的试验数据集与RSM优化框架，为动态荷载条件下ECC的精准设计提供了关键参考，对提升循环荷载下土木工程基础设施的耐久性具有重要意义。
