形狀記憶合金纖維與高延性水泥基復(fù)合材料基體的界面粘結(jié)性能的影響

付青石，楊曌，2，熊浩，汪裕章，董舒婭

（1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢科技大學(xué) 高性能工程結(jié)構(gòu)研究院，湖北 武漢 430065）

0 引 言

隨著現(xiàn)代城市的建筑規(guī)模不斷擴大，地震導(dǎo)致的經(jīng)濟損失也越來越大，傳統(tǒng)抗震設(shè)計理念只以生命安全和防坍塌為目標(biāo)，已遠遠不夠，為使結(jié)構(gòu)在震后恢復(fù)使用功能，減少經(jīng)濟損失，可恢復(fù)功能防震結(jié)構(gòu)[1]發(fā)展出搖擺、自復(fù)位、可更換和耗能等多種體系[2-4]，進一步研究這些體系成為了重點。

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）最早應(yīng)用于航空航天、機器人、醫(yī)療等精密尖端領(lǐng)域。隨著材料加工技術(shù)和工業(yè)化生產(chǎn)能力的提高，SMA 在土木工程中的研究與應(yīng)用也有了較快的發(fā)展。SMA 具有良好的超彈性，當(dāng)荷載卸載時會產(chǎn)生回復(fù)力，使結(jié)構(gòu)裂紋閉合，從而恢復(fù)變形[5]。SMA的超彈性被廣泛應(yīng)用于自復(fù)位及耗能體系，如研制用于自復(fù)位阻尼器、耗能支撐、剪力墻以及梁[6-10]等。

高延性水泥基復(fù)合材料（ECC）是多相材料組合而成的復(fù)合材料，具有高強度、高延性和受拉應(yīng)變硬化等特性[11-13]。使用ECC 的結(jié)構(gòu)除了具有抗坍塌能力，還具有高損傷承受能力，遭受地震破壞后的殘余裂縫寬度很小，這樣能大大減少地震后的修補費用[14-15]。

SMA/ECC 復(fù)合材料能夠克服混凝土材料受拉易碎和鋼筋屈服產(chǎn)生較大殘余應(yīng)變的缺點，兼具良好延性、高耗能能力以及自復(fù)位性能的優(yōu)點，目前國內(nèi)外一系列試驗證明其性能的優(yōu)越性[16-17]。而SMA 復(fù)合材料界面間粘結(jié)失效[18-19]，會導(dǎo)致SMA 不能充分發(fā)揮其性能而浪費材料，并且SMA 復(fù)合材料大部分使用的是SMA 筋、棒材和絞線，存在加工繁瑣困難，需定制專門的夾具或者錨具、影響因素多、造價高等問題，不利于其在土木工程領(lǐng)域廣泛使用。而SMA 纖維加工工藝簡單，無需制定專門的錨具，造價低，效果好。目前，部分學(xué)者[20-23]對SMA 界面進行改進，并研究了其粘結(jié)性能，但尚未有研究SMA 纖維與ECC 粘結(jié)性能的相關(guān)成果。因此，本文通過SMA纖維在ECC 基體中的拉拔試驗來研究SMA 纖維不同端部形式、不同直徑以及深徑比對粘結(jié)性能的影響，從試件的應(yīng)力-位移曲線以及纖維利用率參數(shù)進行分析SMA 纖維是否充分發(fā)揮其性能，以此為工程應(yīng)用和設(shè)計結(jié)構(gòu)提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）SMA 纖維

對直徑分別為1.0、1.2、1.5 mm 的鎳鈦超彈性SMA 纖維進行了直接拉伸試驗，標(biāo)距（拉伸測量段長度）為100 mm，獲得SMA 纖維直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1，力學(xué)性能見表1。

表1 SMA 纖維的主要力學(xué)性能

圖1 SMA 纖維直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1 可知，3 種直徑SMA 纖維均出現(xiàn)明顯的馬氏體相變平臺。

由表1 可知，隨著SMA 纖維直徑增大，SMA 纖維馬氏體相變應(yīng)力以及極限抗拉強度提高，而極限拉伸應(yīng)變減少。

為驗證SMA 纖維在常溫下的超彈性，取1.2 mmSMA 纖維進行循環(huán)拉伸試驗，采用位移控制加載，每級加載位移為2 mm，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。

圖2 1.2 mmSMA 纖維循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2 可知，SMA 纖維從第2 個循環(huán)加載開始發(fā)生馬氏體相變，到第6 個循環(huán)卸載結(jié)束，SMA 纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯旗幟形特征，各循環(huán)內(nèi)的變形恢復(fù)率在98%以上；到達第9 個循環(huán)時，纖維進入硬化階段，應(yīng)變達到18%，此循環(huán)內(nèi)的變形恢復(fù)率為77%。上述結(jié)果說明本次試驗所用SMA纖維在常溫下具備良好的超彈性性能。

（2）高延性水泥基復(fù)合材料（ECC）

為提高ECC 材料的變形能力，在參考相關(guān)文獻[24-25]基礎(chǔ)上，通過大量試配，最終確定試驗所用ECC 配合比見表2。依據(jù)表2 制作了3 個相同的ECC 狗骨形試件，采用圖3 所示試驗裝置進行ECC 試件的拉伸試驗，ECC 試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。

表2 ECC 材料配合比 g

圖3 ECC 試件拉伸試驗裝置

圖4 ECC 試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4 可見，ECC 試件的拉伸初始開裂強度為2.59 MPa，彈性模量為9.5 GPa，極限抗拉強度為4.68 MPa，極限拉伸應(yīng)變?yōu)?.50%。與相關(guān)文獻[26-27]的ECC 力學(xué)性能指標(biāo)相近。

1.2 SMA-ECC 拉拔試件設(shè)計

為研究SMA 纖維在ECC 基體中的粘結(jié)性能，開展了SMA 纖維與ECC 基體的直接拉拔試驗，設(shè)計制作了SMA 纖維與ECC 基體的半狗骨形試件，尺寸示意見圖5。其中，Le為SMA 纖維埋入ECC 基體粘結(jié)長度。

圖5 試件尺寸示意

SMA 纖維端部制作成直型（S 型）、曲線型（C 型）和N 型3 種形式；SMA 纖維直徑分別選用1.0、1.2、1.5 mm；SMA 纖維在ECC 基體間粘結(jié)長度設(shè)置為30、33.3、40、50、60 mm（曲線型和N 型端部長度不計入SMA 纖維與ECC 間粘結(jié)長度）；深徑比（粘結(jié)長度/纖維直徑）分別為25.0、33.3、41.7、50.0。共設(shè)計了5 組、17 種拉拔試件，每種3 個試件，共計51 個試件，并以端部形式-深徑比-直徑命名試件。SMA 纖維端部通過高溫氣噴槍加熱軟化制成曲線型和N 型，成型后冷卻硬化。通過拉伸試驗對高溫加熱處理后的SMA 纖維力學(xué)性能進行了分析，結(jié)果表明其與未加熱SMA 纖維的力學(xué)性能無明顯差異，該結(jié)論與其他學(xué)者[28-29]的相關(guān)研究成果基本一致。

拉拔試件制作完成后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中，48 h 后將試件脫模，放入水箱中繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d。

1.3 試驗加載及測量

采用萬能試驗機（UTM）進行位移控制加載，加載速度為1 mm/min，SMA 纖維拉伸段的自由長度為100 mm。利用試驗機的內(nèi)置荷載及位移傳感器分別記錄加載端施加的荷載及產(chǎn)生的位移，通過計算機控制整個試驗過程，并同步采集試驗數(shù)據(jù)。當(dāng)SMA 纖維從基體被拔出、斷裂或試驗機顯示拔出荷載值為負值時，表明試件加載至破壞，停止加載。拉拔試件的ECC 基體部分通過萬能試驗機下方的夾具固定；設(shè)計了一個特制的SMA 纖維夾具，將SMA 纖維穿過鎖扣卡在夾具處，再將此纖維夾具固定在萬能試驗機上方的夾具中，避免SMA 纖維與試驗機夾具間產(chǎn)生滑移。

2 拉拔試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

在試驗過程中，所有試件破壞模式可分為拔出破壞、斷裂破壞以及劈裂破壞。拔出破壞和斷裂破壞ECC 表面均未出現(xiàn)裂縫，基體保持完整，斷裂破壞發(fā)生在SMA 纖維加載端位置；而劈裂破壞，ECC 表面出現(xiàn)較大損壞，嚴重影響了ECC 基體的性能。試件破壞模式見圖6。

圖6 試件破壞模式

2.2 SMA 纖維拉拔應(yīng)力-位移曲線

為了分析直接拉拔試驗中SMA 纖維的受力情況，通過計算機采集的荷載數(shù)據(jù)計算得到，SMA 纖維拉拔應(yīng)力σf按式（1）計算。

式中：df——SMA 纖維的直徑，mm；

P——SMA 纖維加載端的荷載，N。

根據(jù)式（1）所得SMA 纖維拉拔應(yīng)力和試驗機記錄的加載端位移，可得到各試件加載端的SMA 纖維拉拔應(yīng)力-位移關(guān)系曲線，如圖7 所示。

圖7 各組試件SMA 纖維加載端拉拔應(yīng)力-位移曲線

由圖7 可以看出，SMA 纖維拉拔應(yīng)力-位移曲線分為彈性階段、脫粘階段、馬氏體相變階段以及馬氏體硬化階段4 個階段。

（1）彈性階段：各組試件在加載之初，SMA 纖維加載端產(chǎn)生微小位移，拉拔應(yīng)力與位移曲線呈線性增加。試件未出現(xiàn)裂縫、SMA 纖維滑動等現(xiàn)象，這一階段為試件彈性階段。當(dāng)拉拔應(yīng)力達到最大應(yīng)力，出現(xiàn)明顯下降段或拉拔應(yīng)力開始進入一段應(yīng)力平臺時，該階段結(jié)束。

（2）脫粘階段：直型端部SMA 纖維試件中[見圖7（a）、（b）]，拉拔應(yīng)力達到最大應(yīng)力后，隨著位移增大應(yīng)力出現(xiàn)明顯的下降段，直至應(yīng)力為0，這一階段為纖維與基體間界面脫粘階段，而N 型端部形式不存在這樣的階段。

（3）馬氏體相變階段：由圖7（c）、（d）、（e）可以看出，當(dāng)試件經(jīng)過彈性階段后，隨著位移增大，在拉拔應(yīng)力為450 MPa 左右時，曲線型端部試件出現(xiàn)應(yīng)力平臺很快進入脫粘階段，而N型端部試件經(jīng)歷了完整的應(yīng)力平臺。結(jié)合圖1、圖2 可知，當(dāng)SMA 纖維應(yīng)力達到450 MPa 左右時，SMA 材料發(fā)生馬氏體相變，形成明顯的應(yīng)力平臺。隨著拉伸位移增大，當(dāng)SMA 纖維應(yīng)力出現(xiàn)明顯上升時，該階段結(jié)束。

（4）馬氏體硬化階段：由圖7（d）、（e）可以看出，僅N 型試件馬氏體相變階段結(jié)束后，拉拔應(yīng)力隨位移增大迅速上升。

3 粘結(jié)力學(xué)性能指標(biāo)及影響因素

本次試驗中，SMA 纖維與ECC 基體間的粘結(jié)力由界面粘結(jié)力和端部機械咬合力提供。對于直型（直型端部）SMA 纖維，其粘結(jié)力主要為界面粘結(jié)力；對于有端部（曲線型和N 型端部）SMA 纖維，其粘結(jié)力主要為端部機械咬合力。其中，界面粘結(jié)力由膠結(jié)力和摩擦力組成。

3.1 直型SMA 纖維

由于直型SMA 纖維粘結(jié)力主要為界面粘結(jié)力，使用平均粘結(jié)應(yīng)力來評估拉拔試件中直型SMA 纖維與ECC 界面間粘結(jié)力學(xué)性能。采用式（2）計算界面的平均粘結(jié)應(yīng)力，為了更好地分析深徑比和直徑對粘結(jié)應(yīng)力的影響，將式（1）和式（2）結(jié)合得到最大拉拔應(yīng)力σf，max與粘結(jié)應(yīng)力的比值α，α 表達式見式（3）。

Pmax——最大拉拔荷載，N。

試件在極限狀態(tài)時的粘結(jié)力特征值見表3。

表3 直型端部SMA 纖維試件粘結(jié)力特征值

由表3 可以看出：

（1）對于深徑比均為33.3 的直型端部SMA 纖維試件，纖維直徑分別為1.0、1.2、1.5 mm 時，粘結(jié)強度分別為2.3、2.2、2.1 MPa，且均為拔出破壞。表明隨著纖維直徑增大，SMA 纖維與ECC 基體界面間粘結(jié)強度降低。這是由于SMA 纖維橫截面上正應(yīng)力分布不均勻，即“剪切滯后”，使得SMA 纖維直徑越大，實際計算得到的平均粘結(jié)應(yīng)力與SMA 纖維實際粘結(jié)應(yīng)力差值越大。此外，根據(jù)式（3）可知，在深徑比不變的情況下，纖維正應(yīng)力與粘結(jié)應(yīng)力比值α 不變。直型端部SMA 纖維的最大拉拔應(yīng)力隨直徑增大而降低，所以平均粘結(jié)應(yīng)力也隨直徑增大而降低，即界面粘結(jié)強度隨直徑增大而降低。

（2）對于纖維直徑均為1.2 mm 的直型端部SMA 纖維，深徑比分別為25.0、33.3、41.7、50.0 時，粘結(jié)強度分別為2.5、2.2、1.8、1.6 MPa，且均為拔出破壞。表明隨著深徑比的增加，試件界面間粘結(jié)力降低。這是由于試件中應(yīng)力拱作用產(chǎn)生應(yīng)力峰值效應(yīng)所引起的，當(dāng)深徑比增大即SMA 纖維埋置深度增大，應(yīng)力分布不均勻，高應(yīng)力區(qū)相對減短，所以平均粘結(jié)應(yīng)力降低。此外，不同深徑比的直型端部SMA 纖維最大拉拔應(yīng)力隨深徑比增大而增大，但增幅低于深徑比的增幅。根據(jù)式（3）可知，隨著深徑比增加，平均粘結(jié)應(yīng)力會降低，即界面粘結(jié)強度隨深徑比增加而降低。上述結(jié)論與文獻[30]結(jié)論一致。

3.2 有端部SMA 纖維

有端部SMA 纖維粘結(jié)力由端部錨固力和界面間粘結(jié)力共同組成，可近似看成無端頭SMA 纖維粘結(jié)力與纖維端部錨固力之和。為準(zhǔn)確分析SMA 纖維端頭錨固力對粘結(jié)力學(xué)性能的影響，采用SMA 纖維的最大拉拔應(yīng)力σf,max作為指標(biāo)來評估有端頭SMA 纖維的粘結(jié)力學(xué)性能；采用相同條件下N 型端部與直型端部SMA 纖維最大拉拔應(yīng)力差△σf,max計算N 型端頭提供的錨固應(yīng)力。此外，引入纖維利用系數(shù)uf分析SMA纖維的利用率，其表達式見式（4）。

式中：fy——SMA 纖維極限抗拉強度，MPa。

根據(jù)SMA 纖維直接拉伸試驗得到的極限抗拉強度（見表1）、式（1）和式（4）可得到SMA 纖維最大拉拔應(yīng)力、端部錨固應(yīng)力△σf,max、纖維利用率以及端部錨固提高的纖維利用率△uf（相同條件下N 型端頭SMA 纖維相對于直型端頭SMA 纖維提高的纖維利用率），結(jié)果見表4。

表4 評估參數(shù)數(shù)值

由表4 可以看出：

（1）對于深徑比均為33.3、直徑均為1.2 mm、不同端部形式的SMA 纖維試件，直型、曲線型和N 型端部試件最大拉拔應(yīng)力分別為290.5、465.1、875.9 MPa，N 型端部試件最大拉拔應(yīng)力是曲線型端部1.9 倍，是直型3.0 倍。曲線型和N型端部錨固應(yīng)力分別為157.9、547.5 MPa，且直型和曲線型端部破壞模式為拔出破壞，而N 型端部破壞模式為斷裂破壞。這是由于直型端部纖維僅有界面粘結(jié)力抵抗拉拔荷載，曲線型端部在錨固過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致端部形狀更易變形，機械咬合力作用不斷減弱，從而導(dǎo)致錨固失效，由此可知N 型端部錨固力效果要優(yōu)于曲線型端部，端部機械咬合力作用明顯強于界面粘結(jié)力，所以N 型端部SMA 纖維最大拉拔應(yīng)力明顯高于直型和曲線型。

不同端部形式纖維利用率，直型、曲線型和N 型端部試件SMA 纖維利用率分別為30.7%、46.5%和87.5%，N 型端部纖維利用率顯著高于曲線型和直型試件。N 型端部機械咬合作用提高纖維利用率高達56.8%，說明N 型端部錨固力可以有效提高SMA 纖維利用率，上述結(jié)論與文獻[31]結(jié)論一致。

（2）對于深徑比均為33.3、直徑不同的N 型端部SMA 纖維試件，纖維直徑分別為1.0、1.2、1.5 mm 時，最大拉拔應(yīng)力分別為851.1、875.9、905.1 MPa，表明隨著直徑的增大，N 型端部最大拉拔應(yīng)力呈現(xiàn)近似線性增長。通過不同直徑極限拉伸強度可以看出，隨著直徑增大，SMA 纖維極限拉伸強度提高，最大拉拔應(yīng)力提高。而錨固應(yīng)力分別為609.9、547.5、418.7 MPa，且直徑1.0 mm 和1.2 mm 的SMA 纖維破壞模式為斷裂破壞，直徑為1.5 mm 的SMA 纖維破壞模式為劈裂破壞，隨著直徑的增大，端部錨固應(yīng)力不斷的降低。這是由于隨著直徑增大，端部錨固能力更強，ECC 基體達到開裂強度產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致SMA 纖維端部與ECC 錨固界面失效，使得SMA 粘結(jié)力降低，由此可看出N 型端部機械咬合作用效果非常好。

不同直徑N 型端部試件纖維利用率分別為90.4%、87.5%和80.8%，表明隨著直徑增大，SMA 纖維的利用率不斷減小，材料的使用率下降；不同直徑N 型端部錨固應(yīng)力提高纖維利用率分別為64.8%、54.7%和37.4%，隨著直徑的增大，端部錨固力提高纖維利用率也是下降的，尤其是直徑為1.5 mm的SMA 纖維由于發(fā)生劈裂破壞，端部錨固應(yīng)力作用效果僅提高37.4%，說明隨著直徑的增大，端部錨固力提高纖維利用率效果是減弱的，上述結(jié)論與文獻[32]結(jié)論一致。

（3）對于直徑均為1.2 mm、深徑比不同的N 型端部SMA纖維試件，深徑比分別為25.0、33.3、41.7、50.0 時，最大拉拔應(yīng)力分別為782.2、875.9、906.9、963.2 MPa。表明在直徑不變的前提下隨著深徑比的增大，N 型端部最大拉拔應(yīng)力也增大，因此N 型端部試件抗拉拔能力更強。錨固應(yīng)力分別為498.1、547.5、567.6、575.1 MPa，且深徑比為25.0 試件發(fā)生劈裂破壞其余均為斷裂破壞，可知，深徑比由25.0 增加至33.3 端部錨固力作用效果比較明顯提高，而深徑比從33.3 增加至50.0 時錨固力作用趨于穩(wěn)定沒有較大的提升。這是由于深徑比為25.0 的試件，SMA 纖維端部錨固深度僅有30 mm 保護層厚度相對較小，SMA 纖維端部與ECC 錨固界面易失效，而深徑比為33.3、41.7 和50.0 的SMA 纖維錨固深度相對較深，SMA 纖維與ECC 錨固界面不易破壞，所以最大拉拔應(yīng)力有所提高而趨于穩(wěn)定，所以隨著深徑比增加端部錨固力作用有提高而趨于穩(wěn)定。

深徑比分別為25.0、33.3、41.7、50.0 時，N 型端部試件纖維利用率分別為78.1%、87.5%、90.6%和93.5%，表明隨著深徑比的增加，SMA 纖維的利用率不斷增大，材料利用率更充分。這是由于隨著深徑比增大，SMA 纖維與基體間提供的界面粘結(jié)力越大，進而使SMA 纖維最大拉拔應(yīng)力增大，在SMA纖維直徑相同即極限抗拉強度一致時，SMA 纖維利用率也增大。由上述端部錨固應(yīng)力作用對最大拉拔應(yīng)力有所提升趨于穩(wěn)定可知，SMA 纖維利用率也同樣是略有提升趨于穩(wěn)定，上述結(jié)論與文獻[33]結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

（1）光滑的直型端部不能為試件中的SMA 纖維提供足夠界面粘結(jié)力，纖維的最大拉拔應(yīng)力遠低于相變平臺應(yīng)力。與直型端部相比，曲線型可以使SMA 纖維的最大拉拔應(yīng)力達到相變平臺應(yīng)力，但曲線型SMA 纖維在拉拔過程中受應(yīng)力集中作用易由曲變直，發(fā)生粘結(jié)失效，無法充分產(chǎn)生超彈性。

（2）直型端部SMA 纖維隨著深徑比增大，界面間粘結(jié)強度降低；隨著直徑增大，界面間粘結(jié)強度提高。

（3）N 型端部SMA 纖維的端頭錨固應(yīng)力顯著提高SMA纖維與ECC 間的粘結(jié)性能，SMA 纖維的最大拉拔應(yīng)力可達到875.9 MPa，是直型端部SMA 纖維的3.0 倍，曲線型端部SMA纖維的1.9 倍，纖維利用率也在78%以上，可使SMA 纖維應(yīng)力達到馬氏體硬化階段直至纖維斷裂，從而可以為SMA 纖維在ECC 基體中發(fā)揮超彈性提供充分支持。

（4）N 型端部SMA 纖維錨固應(yīng)力深徑比增加，纖維利用率和最大拉拔應(yīng)力均略有提升趨于穩(wěn)定；而隨著纖維直徑的增大端部錨固應(yīng)力能夠提供至試件劈裂破壞所需的最大拉拔應(yīng)力，而隨直徑增大纖維利用率減小。