形狀記憶纖維在纖維增強水泥基材料中的應用

房財福

山東中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院 山東 濟南 250011

引言

混凝土材料在土木工程中的應用越來越多，但其抗拉強度相對降低，導致混凝土結(jié)構(gòu)容易發(fā)生脆性破壞，嚴重影響結(jié)構(gòu)的在使用過程中的耐久性。

20世紀90年代，V-C Li等[1]研究人員開發(fā)了纖維增強水泥基材料（Fiber Reinforced Cementitious Composite，簡稱 FRCC），F(xiàn)RCC是將增強纖維摻入到膠凝材料中來提高材料的強度和韌性；增強纖維不僅可以提高抗拉強度，而且能提供橋接裂縫的作用，使得結(jié)構(gòu)發(fā)生多條微裂紋的延性破壞模式。

形狀記憶合金（Shape memory alloy，簡稱SMA）是一種新型智能材料，具有超彈性（Superelasticity，簡稱SE）、形狀記憶效應（Shape memory effect，簡稱SME）和高阻尼特性[2-3]。超彈性是指SMA加載時發(fā)生變形，卸載后可以自動的恢復到變形之前的形狀；形狀記憶效應是指SMA在加載-卸載后會存在一定的殘余變形，在熱激勵的作用下，SMA會恢復到變形之前的形狀。SE和SME會產(chǎn)生恢復應力，可用于土木工程結(jié)構(gòu)裂縫自恢復。

雖然FRCC因其較高的抗拉強度和微裂紋延性破壞模式可提高土木工程結(jié)構(gòu)的耐久性，但FRCC材料的塑性變形不利于結(jié)構(gòu)裂縫的自恢復，而SMA產(chǎn)生一定的恢復應力，能夠很好地彌補這種缺陷。因此將SMA應用到FRCC中構(gòu)成SMA-FRCC復合材料既可以發(fā)揮FRCC裂縫小、抗拉強度高等特點，又能發(fā)揮SMA的自恢復特性，在土木工程結(jié)構(gòu)中有很好的應用前景。

進入21世紀，許多國內(nèi)外學者將形狀記憶合金纖維(Shape memory effect fribe，簡稱SMAF）應用到膠凝材料中。Eunsoo Cho等[4]通過抗彎實驗發(fā)現(xiàn)冷拉后的SMAF經(jīng)過加熱產(chǎn)生形狀記憶效應，起到了明顯的預應力效果。M.A.E.M. Ali團隊[5]研發(fā)了一種具有裂縫愈合能力的新型混雜工程水泥基復合材料，與單獨使用PVA纖維的ECC相比，PVA和SMAF復合后ECC的拉伸和彎曲性能分別提高了59%和97%，且由于SMAF形狀記憶效應，開裂的SMAF-ECC試樣在加熱后能夠自愈。上述研究表明，將SMAF加入到FRCC中，可顯著提高FRCC的拉伸性能和彎曲性能，且由于SMAF的SME，SMAF可以有效閉合水泥基材料的裂縫，提高構(gòu)件的耐久性。

基于國內(nèi)外學者的研究，本論文主要研究SMAF在纖維增強水泥基構(gòu)件中的功能性和可用性。SMAF僅分布在FRCC的底部，因為梁的底部最容易受拉而開裂。然后對試件進行三點彎曲實驗，來探究不同養(yǎng)護齡期下SMAF對纖維增強水泥基梁開裂強度、抗彎強度、裂縫恢復率的影響。

1 實驗方案

1.1 SMAF的拉伸性能

圖1 SMAF應力-應變曲線

本實驗采用的是某材料公司生產(chǎn)的直徑為1.0mm NiTi SMA絲材，其主要原子成分含量為44.16%Ti和55.84%Ni。將NiTi SMA絲材切割為20mm長的SMA短纖維，然后對其進行單軸拉伸實驗。實驗采用位移控制的加載方式，加載速率為1.5mm/min。圖1為形狀記憶合金纖維的拉伸應力-應變曲線，在實驗加載初期，形狀記憶合金纖維處在奧氏體相，在外荷載的作用下，SMAF發(fā)生奧氏體相彈性變形；繼續(xù)加載，SMAF開始發(fā)生馬氏體相變，并出現(xiàn)相變屈服平臺，此時奧氏體逐漸開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體相變開始應力（）為549.9MPa，而馬氏體相變結(jié)束應力（）為659.19MPa；在后續(xù)加載階段，應力-應變曲線出現(xiàn)了應變硬化現(xiàn)象，此階段為馬氏體彈性變形階段，奧氏體已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，應力隨著應變呈線性增長；當應變?yōu)?5.65%時，SMAF達到極限抗拉強度，其極限抗拉強度為1177.50MPa，然后SMAF在荷載的作用下發(fā)生斷裂。

1.2 DSC實驗

由于形狀記憶效應是由SMA內(nèi)部相變轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的，加熱狀態(tài)下SMA會出現(xiàn)吸熱或放熱反應，而差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，簡稱DSC）可以測出材料在相變過程中的溫度變化，獲得關(guān)鍵的相變溫度。SMAF的馬氏體相變開始溫度（Ms）、馬氏體相變結(jié)束溫度（Mf）、奧氏體相變開始溫度（As）和奧氏體相變結(jié)束溫度（Af）分別為-8.5、-37.0、36.6、62.0℃；因此，SMAF在室溫下表現(xiàn)出超彈性特性，對SMAF在105℃下進行加熱可使其完成馬氏體逆向變，發(fā)生形狀記憶效應，從而產(chǎn)生恢復應力來閉合裂縫。

1.3 SMAF-FRCC試件的制備

本實驗將SMAF加入到纖維增強水泥基材料中，設計了具有開口的SMAF-FRCC梁試件，試件的尺寸為40×40×160mm。對于含SMAF的加固梁，在每根梁的底部中心用1mm厚的PVA板制作寬為1mm、高15mm的缺口來引導SMAF加固梁的開裂。第一根纖維放置在距離側(cè)面5mm處，每根SMAF之間的距離為9mm。圖2給出了SMAF-FRCC梁詳細的尺寸以及FRCC梁中的纖維埋置長度。

圖2 SMAF-FRCC開口梁試件的尺寸圖

本實驗采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；采用細度為38um的Ⅰ級粉煤灰；采用粒徑不超過0.6mm細河砂；制備FRCC選用的是日本可樂麗公司生產(chǎn)的PVA纖維，纖維長度為12.0mm，彈性模量為42.8GPa，拉伸強度為1620MPa，極限延伸率為7%；為了能夠保持復合材料有較好的流動性，攪拌過程中加入適量的減水劑，復合材料的配合比如表1所示。將具有合適可加工性的FRCC混合材料倒入模具中，試件24h脫模，然后放入標準養(yǎng)護室分別養(yǎng)護3、7、28d。

表1 纖維增強水泥基復合材料配合比

1.4 三點彎曲實驗

為了誘發(fā)SMAF-FRCC梁試樣的開裂并獲得梁的載荷-位移曲線，對養(yǎng)護完成的試件使用萬能實驗機進行三點彎曲實驗，實驗中兩個支座間距120.0mm，制動器將載荷施加到每個試件頂面中點處。實驗采用位移控制進行加載，加載速率為0.5mm/min。作為參考，特意澆筑了只還有2%PVA纖維的FRCC梁，試件分組如表2所示。

表2 實驗加載工況

2 實驗結(jié)果

為了更好地評價梁的開裂行為，引入了開裂強度、最大抗彎強度，及裂縫恢復率這三個參數(shù)。在開口梁簡單的三點彎曲試驗中，梁的抗彎強度及裂縫閉合率可用下式計算：

抗彎強度：

裂縫恢復率：

2.1 荷載-位移曲線

圖3分別顯示了養(yǎng)護齡期為3、7、28d時開口梁試件的荷載-位移曲線。圖3（a）中，加載初期，F(xiàn)RCC-3d和SMAF-FRCC-3d試件荷載曲線呈線性增加；當位移約為1.0mm時，荷載曲線出現(xiàn)突然下降的現(xiàn)象，此時說明試件開始出現(xiàn)裂縫，F(xiàn)RCC-3d和SMAF-FRCC-3d試件的開裂荷載分別為1.19KN和1.31KN；在后續(xù)加載階段，由于FRCC中SMAF的橋接裂縫的作用，荷載曲線出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，當位移量大約為2.20mm時，SMAF-FRCC-3d達到最大荷載，為1.44KN；而FRCC-3d試件，在后續(xù)加載過程中荷載并未超過其開裂荷載，荷載位移曲線呈應變軟化現(xiàn)象；達到最大荷載后階段，兩種試件均出現(xiàn)荷載隨著位移增加而下降的現(xiàn)象，直至加載結(jié)束。在加載過程中，F(xiàn)RCC-3d和SMAF-FRCC-3d試件均呈現(xiàn)延性破壞方式，但由于SMAF的存在，SMAF-FRCC-3d試件出現(xiàn)應變硬化現(xiàn)象（即＜），且有更大的抗彎強度（見表3）。而在圖3（b）和圖3（c）中，荷載-位移曲線也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象，但與FRCC-3d試件不同的是，F(xiàn)RCC-7d和FRCC-28d試件的荷載位移曲線呈現(xiàn)出應變硬化現(xiàn)象。

圖3 試件的荷載-位移圖像

2.2 開裂強度及抗彎強度

圖4和表3顯示了所有試件的開裂強度和抗彎強度，無論是FRCC試件還是SMAF-FRCC試件，隨著養(yǎng)護齡期的增加，試件的開裂強度和抗彎強度均有提高，試件的開裂強度和抗彎強度在3~7d的提高相對較小，而在8~28d范圍內(nèi)則有較為明顯的提高，開裂強度和抗彎強度發(fā)展的時間效應更顯著。與FRCC試件下相比，SMAF-FRCC試件在養(yǎng)護齡期為3d、7d、28d時，開裂強度和抗彎強度都有一定提高，說明了SMAF在FRCC開裂后可起到承擔荷載的作用；相比于SMAF-FRCC-3d和SMAF-FRCC-7d試件，SMAF-FRCC-28d試件具有最大開裂強度和抗彎強度，說明當養(yǎng)護齡期為28d時，SMAF與FRCC復合材料可以有較好的黏結(jié)來充分發(fā)揮SMAF與FRCC的協(xié)同作用。

表3 試件的荷載、強度及裂縫寬度

圖4 試件的開裂強度和最大抗彎強度

2.3 裂縫恢復能力

抗彎實驗結(jié)束后，采用塞尺測量試件底部的最大裂縫，記為；然后將加試件放到105℃的加熱箱中加熱24h，再次使用塞尺對加熱后試件的裂縫進行測量，表3列出了試件的裂縫恢復率。如圖4所示，SMAF的加入可明顯提高裂縫恢復率；FRCC-3d試件的裂縫恢復率（CRR）為1.5%，而SMAF-FRCC-3d試件的CRR為4.1%，CRR提高了2.6%。同理，F(xiàn)RCC-7d試件的CRR為3.5%，而SMAF-FRCC-7d試件的CRR為7.3%，CRR提高了3.8%；FRCC-28d試件的CRR為6.1%，而SMAF-FRCC-28d試件的CRR為12.6%，CRR提高了6.5%。此外，隨著養(yǎng)護齡期的增加，裂縫恢復率逐漸增加，養(yǎng)護齡期越長，裂縫恢復率越大，養(yǎng)護齡期為28d時，SMAF與FRCC復合材料之間的黏結(jié)強度可以使SMAF的形狀記憶效應產(chǎn)生良好的恢復應力來閉合試件的裂縫。

圖5 試件的裂縫恢復率

3 結(jié)束語

本文通過三點彎曲實驗研究了SMAF及養(yǎng)護齡期對FRCC開口梁試件抗彎強度和裂縫恢復率的影響，可以得到以下結(jié)論：

纖維增強水泥基材料與SMAF有良好的協(xié)同作用，在纖維增量水泥基材料試件底部布置SMAF可以顯著提高試件的開裂強度及抗彎強度，與為FRCC試件相比，在養(yǎng)護齡期分別為3d、7d、28d時，SMAF-FRCC試件開裂強度分別提高了0.34 MPa、0.50MPa、0.54MPa，SMAF-FRCC試件的抗彎強度則分別提高了0.71 MPa、0.57MPa、1.18MPa。

無論是FRCC試件還是SMAF-FRCC試件，開裂強度和抗彎強度都隨著養(yǎng)護齡期的增加而增加；3-7d時開裂強度和抗彎強度的提高幅度較小，8-28d時開裂強度和抗彎強度的提高幅度則較大。

SMAF與FRCC復合材料共同作用可以起到提高裂縫恢復率的作用。相比于FRCC試件，SMAF-FRCC試件在養(yǎng)護齡期分別為3d、7d、28d時，試件的裂縫恢復率逐漸提高，養(yǎng)護齡期越長，試件的裂縫恢復率越高。