SMA丝增强SHCC拉伸时的变形和裂纹自回复性能研究

2020-07-15孙明清刘记立王应军

硅酸盐通报 2020年6期

王钢，孙明清，刘记立，王应军

(武汉理工大学新材料力学理论与应用湖北省重点实验室，武汉 430070)

0 引言

形状记忆合金(SMA)是一种具有形状记忆效应和超弹性的智能材料。形状记忆效应是指SMA在环境温度低于其相变温度时，对其加载并卸载，卸载后存在残余应变，此时对SMA加热，残余应变消失，SMA回复到加载前的形状。超弹性是由应力诱导马氏体相变产生的，卸载时可从非弹性变形回复到变形前的初始形状。将SMA线材或棒材置于混凝土梁柱结构中，利用超弹性使之具有良好的抗震吸能能力[1-2]。利用形状记忆效应给混凝土结构施加预应力，通过加热驱动可减小残余挠度和裂缝宽度，并提高结构的承载能力[3-6]。为解决SMA与混凝土变形不协调，Kim等[7-9]通过冷拉工艺降低SMA丝的延性并提高其强度和弹性模量，研究了具有不同端部形状的SMA丝在水泥砂浆中的拔出性能。应变硬化水泥基复合材料(SHCC)是一种高性能纤维增强水泥基复合材料，呈现多裂纹开裂机制，具有较高的延性，极限拉伸应变达3%以上，在道路工程、桥梁和高层建筑中都有应用[10]。国内外学者研究了SHCC拉伸时裂纹宽度、裂纹间距和材料耐久性的关系，表明SHCC产生的多条细裂纹影响该材料的长期使用性能[11-13]。而且，SHCC在卸载后由于裂纹不能完全闭合，也存在较大的残余应变。Li等[14]将SMA绞线埋入SHCC梁中，使之具有较好的能量耗散和裂纹控制能力。但有关SMA丝增强SHCC的变形和裂纹回复性方面的研究还较少。

本文将单根SMA丝埋入到SHCC中，凭借SMA的形状记忆效应提高SHCC的裂纹和变形回复性能，采用循环拉伸试验研究了SMA丝的预拉伸变形量对SHCC拉伸应力-应变关系、SHCC的残余应变回复率、裂纹平均宽度、裂纹回复性等的影响，为SMA丝在SHCC中的应用提供思路。

1 实验

1.1 试样制备

SMA丝为直径2 mm的NiTi合金丝，采用差热分析(DSC)法测得其相变温度如表1所示。表1中，As为奥氏体相变开始温度，Af为奥氏体相变完成温度，Ms为马氏体相变开始温度，Mf为马氏体相变完成温度。可见，选用的材料在室温下为马氏体相，具有形状记忆效应。其拉伸应力-应变曲线如图1所示，经过弹性、屈服和强化3个阶段。由图1可得该材料的力学指标如下：弹性模量EM为18.2 GPa，相变开始临界应力σms为263 MPa，相变结束临界应力σmf为276 MPa，拉伸至相变结束后卸载，卸载后的残余应变即最大相变应变εmax为5.5%。

表1 NiTi合金丝的相变温度Table 1 Phase transition temperature of NiTi alloy wire /℃

图1 SMA丝的拉伸应力-应变曲线Fig.1 Tensile stress-strain curve of SMA wire

为增强SMA丝与基体的锚固作用，先将丝的端部弯成钩状，再进行时效处理。即把SMA丝置于冷水中且露出弯钩部分，采用热风枪加热弯钩，温度为600 ℃，加热90 s后淬火。然后，预拉伸SMA丝，使卸载后的残余应变分别为2%、4%和5.5%。根据残余应变的大小将SMA丝增强的SHCC试样分别记为S0、S2、S4和S5.5，代号后面的数字表示预拉伸后的残余应变，0指SMA丝未经预拉伸。每种试样3个。

配制SHCC的原材料包括42.5普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰、最大粒径为0.3 mm的细砂、减水剂、PVA纤维(纤维长度12 mm，直径39 μm)。质量配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶减水剂=1∶2∶1.35∶0.93∶0.012，PVA纤维体积掺量为2%。先将水泥、粉煤灰和砂干拌1 min，然后将80%的减水剂和水加入，低速搅拌2 min，再边搅拌边加入PVA纤维，历时约3 min。最后高速搅拌1 min，并加入剩下的减水剂。拉伸试样尺寸按照日本土木工程师协会推荐规范确定[15]，如图2所示。浇注至模具厚度一半时振动30 s使其密实，再将一根SMA丝埋入，最后浇注另一半。试样在室温下静置24 h后脱模，然后将试样置于标准养护箱中养护28 d。

1.2 试验方法

测试系统如图3所示。加载设备为Instron5882的材料试验机，试样固定在拉伸夹具上，采用三维非接触变形测量系统(VIC-3D系统)测量拉伸变形和裂纹。该系统包括图像采集装置和数据处理软件，先在被测试样表面制作散斑，再通过双相机捕捉散斑特征在像素级别的位移，采用优化的数字图像相关性(DIC)法则进行图像分析，得出位移场和应变场。根据拍摄的图像，统计不同拉伸应变时的裂纹条数和每条裂纹的宽度，计算裂纹平均宽度。每个拉伸循环过程包括加载-卸载-加热SMA丝-再次卸载-冷却至室温5个阶段。循环时拉伸变形幅值约按极限应变的25%递增。如在第1个拉伸循环中，拉伸至极限应变的25%时，卸载至20 N，加载和卸载速率为0.4 mm/min，然后采用热风枪加热(温度为200 ℃，流量500 L/min)试样10 min，SMA丝发生逆马氏体相变产生回复力，再将回复力卸载，最后自然冷却至室温，之后开始下一循环。在循环拉伸的各个阶段均测试试样的变形和裂纹，测试区域为30 mm×80 mm。试验时环境温度为25 ℃，相对湿度75%。

图2 拉伸试样
Fig.2 Tensile specimen

图3 测试系统
Fig.3 Test system

2 结果与讨论

2.1 SMA丝增强SHCC循环拉伸时的力学性能

循环拉伸下几种试样的应力-应变曲线如图4所示。应力为试样横截面的平均拉应力(包括SMA丝)，应变为测试区域轴向平均拉应变。在加载起始段，应力-应变曲线线性关系较好，为弹性阶段。基体初裂后进入应变硬化阶段，即随着应变的增加，应力呈现波动上升的趋势，曲线的波动与细裂纹的产生有关。卸载时，由于多条细裂纹的产生，卸载后有残余应变产生。采用热风枪对试样加热，当达到奥氏体转变温度时，SMA丝发生马氏体逆相变(非孪晶马氏体向奥氏体转变)，SMA丝发生变形回复。但由于试验机横梁保持固定，SMA丝回复受到横梁约束，使得试样承受拉应力，也称为回复力[16]。因此，在图4中可见，加热试样时有回复力产生，而应变略有减小。在随后的回复力卸载阶段，在回复力作用下SHCC产生较大的应变回复，残余应变也随之减小。最后，冷却至室温过程中应变变化不大(热膨冷缩引起的变形可忽略不计[17])。

进入下一个加载循环时，上一加载循环所产生的裂纹张开，导致应力-应变曲线线性段的斜率比前次循环时减小。当线性段的峰值超过或接近前一次卸载时的荷载值时，产生新的细裂纹，试样进入应变硬化阶段。由于细裂纹条数增加，卸载后的残余应变随循环次数增加而增加。在最后一个拉伸循环，基体中某处细裂纹扩展为主裂纹，但SMA丝未发生断裂(SMA丝的延性高于SHCC)，荷载并未突然下降，卸载后加热SMA丝，残余应变仍明显减小。

由应力-应变曲线可得SMA丝增强SHCC的初裂强度、初裂应变、极限(拉伸)强度和极限(拉伸)应变，结果如表2所示。此处取第1个循环应力-应变曲线线性段的最大应力为初裂强度，此时对应的应变为初裂应变，取应力-应变曲线的最高点为极限强度，对应的应变为极限应变。表2中SHCC指未埋SMA丝的SHCC试样，限于篇幅，未给出这种试样的应力-应变曲线。由表2可见，埋入SMA丝后SHCC的强度提高幅度较大，试样S5.5的极限强度最高，约为SHCC的2倍。埋入SMA丝后SHCC的极限应变也比SHCC的高，试样S4和S5.5的极限应变高于试样S2和S0。说明SMA丝能与PVA纤维共同承担拉伸荷载，阻止PVA纤维的过早拉断或拔出，控制局部细裂纹的张开，提高延性。

图4 循环拉伸下的SMA丝增强SHCC的应力-应变曲线
Fig.4 Stress-strain curves of SMA wire reinforced SHCC under cyclic stretching

表2 SMA丝增强SHCC的拉伸力学性能
Table 2 Tensile mechanical properties of SMA wire reinforced SHCC

SampleFirst crack stress/MPaFirst crack strain/%Ultimate tensile stress/MPaUltimate tensile strain/%S06.02±0.340.028±0.0108.10±0.393.88±0.48S26.31±0.470.027±0.0068.56±0.393.53±0.37S46.22±1.380.031±0.0098.60±0.564.21±0.24S5.56.54±0.590.027±0.00110.68±0.474.18±0.29SHCC4.21±0.540.024±0.0035.54±0.283.26±0.26

2.2 SMA丝驱动下SHCC变形自回复性能

图5 循环拉伸下SMA丝增强SHCC的简化应力-应变曲线Fig.5 Simplified stress-strain curves of SMA wire reinforced SHCC under cyclic stretching

为描述SMA丝增强SHCC的变形回复性能，定义变形回复率这一概念。将图4所示的应力-应变曲线简化为图5，图中O→A→B→C→D为第1个循环，D→E→F→G→H表示第2个循环，依次类推。以第2个循环为例，定义图5中HG/DG为变形回复率，即SMA丝驱动引起的残余应变减小量与卸载时的残余应变(不包括上一循环加热后的残余应变)之比值。

4种试样的变形回复率如图6所示。可见，试样S0的变形回复率为20%～42%，而试样S2、S4和S5.5的变形回复率为60%～90%。因此，SMA丝未预拉伸时的变形回复率明显低于经过预拉伸处理的SMA丝。试样S2、S4和S5.5的变形回复率相差不大，前3次循环随残余应变增加，变形回复率也增加。在第4次循环时，回复率减小，这与主裂纹的形成有关，SMA丝在主裂纹处的应变可能超过其最大相变应变。试样S0的变形回复率随循环次数增加而增加，这是由于其回复力随循环次数增加而增加(见图7)。图7中SMA丝的回复力采用试样升温时产生的拉力除以SMA丝的横截面积得到。由图7可见，试样S0中SMA丝的回复力增加幅度较大，而预拉伸SMA丝的回复力比较稳定，在350 MPa左右。

图6 SMA丝增强SHCC的变形回复率
Fig.6 Deformation recovery rate of SMA wire reinforced SHCC

图7 SMA丝驱动时产生的回复应力
Fig.7 Recovery stress of SMA wire during heating

2.3 SMA丝驱动下SHCC裂纹自回复性能

采用VIC-3D获取的试样表面裂纹分布图像如图8所示。图8仅列举了这4种试样在第3个加载循环时SMA丝驱动前(拉伸载荷完全卸载时)和驱动后(试样冷却至室温时)的裂纹图像，在其它3个加载循环中也有类似的裂纹图像。由图8可知，SMA丝驱动前试样表面都分布有多条几乎平行的细裂纹。比较SMA丝驱动后的图像发现，试样S0在SMA丝驱动下的裂纹闭合不如试样S2、S4和S5.5明显，这是由于SMA丝经过预拉伸后的回复应力高于未经预拉伸的SMA丝(见图7)。

图8 SMA丝驱动前、后试样表面裂纹分布图像(第3个加载循环)
Fig.8 Surface crack distribution images of the SMA wire before and after heating (the third loading cycle)

统计裂纹条数和每条裂纹的宽度,得出不同应变时的裂纹平均宽度如图9所示。可见，除第4个循环由于产生较宽的主裂纹外，4种试样在前3次循环拉伸的加载阶段，随应变增加，裂纹平均宽度增加，裂纹平均宽度不超过100 μm，而且试样S5.5的裂纹平均宽度最小，约在60 μm以下。结合试样S5.5的极限强度最高来分析(见表2)，当SMA丝的预拉伸残余应变为5.5%时，SMA丝的应力-应变曲线将进入到图1所示的强化阶段，将能承担更大的拉伸荷载，阻裂的能力增强。

图9中的虚线小方框和实线小圆框分别表示SMA丝驱动前、驱动后的裂纹平均宽度。可见，这4种试样在SMA驱动后的裂纹平均宽度有较大的不同，试样S0在SMA驱动后的裂纹平均宽度在50 μm左右，试样S2和S4在SMA驱动后的裂纹平均宽度在25 μm左右，而试样S5.5在SMA驱动后的裂纹平均宽度在10 μm左右。表明SMA丝预拉伸残余应变较大时，裂纹的回复性较好。在SHCC材料的工程应用中，较细的裂纹宽度有利于降低材料的渗水性和氯离子渗透率，提高其耐久性[11-13]。同时，较细的裂纹宽度也为裂纹自愈合创造了有利的条件。