形状记忆纤维在纤维增强水泥基材料中的应用

房财福

山东中医药大学附属医院 山东 济南 250011

引言

混凝土材料在土木工程中的应用越来越多，但其抗拉强度相对降低，导致混凝土结构容易发生脆性破坏，严重影响结构的在使用过程中的耐久性。

20世纪90年代，V-C Li等[1]研究人员开发了纤维增强水泥基材料（Fiber Reinforced Cementitious Composite，简称 FRCC），FRCC是将增强纤维掺入到胶凝材料中来提高材料的强度和韧性；增强纤维不仅可以提高抗拉强度，而且能提供桥接裂缝的作用，使得结构发生多条微裂纹的延性破坏模式。

形状记忆合金（Shape memory alloy，简称SMA）是一种新型智能材料，具有超弹性（Superelasticity，简称SE）、形状记忆效应（Shape memory effect，简称SME）和高阻尼特性[2-3]。超弹性是指SMA加载时发生变形，卸载后可以自动的恢复到变形之前的形状；形状记忆效应是指SMA在加载-卸载后会存在一定的残余变形，在热激励的作用下，SMA会恢复到变形之前的形状。SE和SME会产生恢复应力，可用于土木工程结构裂缝自恢复。

虽然FRCC因其较高的抗拉强度和微裂纹延性破坏模式可提高土木工程结构的耐久性，但FRCC材料的塑性变形不利于结构裂缝的自恢复，而SMA产生一定的恢复应力，能够很好地弥补这种缺陷。因此将SMA应用到FRCC中构成SMA-FRCC复合材料既可以发挥FRCC裂缝小、抗拉强度高等特点，又能发挥SMA的自恢复特性，在土木工程结构中有很好的应用前景。

进入21世纪，许多国内外学者将形状记忆合金纤维(Shape memory effect fribe，简称SMAF）应用到胶凝材料中。Eunsoo Cho等[4]通过抗弯实验发现冷拉后的SMAF经过加热产生形状记忆效应，起到了明显的预应力效果。M.A.E.M. Ali团队[5]研发了一种具有裂缝愈合能力的新型混杂工程水泥基复合材料，与单独使用PVA纤维的ECC相比，PVA和SMAF复合后ECC的拉伸和弯曲性能分别提高了59%和97%，且由于SMAF形状记忆效应，开裂的SMAF-ECC试样在加热后能够自愈。上述研究表明，将SMAF加入到FRCC中，可显著提高FRCC的拉伸性能和弯曲性能，且由于SMAF的SME，SMAF可以有效闭合水泥基材料的裂缝，提高构件的耐久性。

基于国内外学者的研究，本论文主要研究SMAF在纤维增强水泥基构件中的功能性和可用性。SMAF仅分布在FRCC的底部，因为梁的底部最容易受拉而开裂。然后对试件进行三点弯曲实验，来探究不同养护龄期下SMAF对纤维增强水泥基梁开裂强度、抗弯强度、裂缝恢复率的影响。

1 实验方案

1.1 SMAF的拉伸性能

图1 SMAF应力-应变曲线

本实验采用的是某材料公司生产的直径为1.0mm NiTi SMA丝材，其主要原子成分含量为44.16%Ti和55.84%Ni。将NiTi SMA丝材切割为20mm长的SMA短纤维，然后对其进行单轴拉伸实验。实验采用位移控制的加载方式，加载速率为1.5mm/min。图1为形状记忆合金纤维的拉伸应力-应变曲线，在实验加载初期，形状记忆合金纤维处在奥氏体相，在外荷载的作用下，SMAF发生奥氏体相弹性变形；继续加载，SMAF开始发生马氏体相变，并出现相变屈服平台，此时奥氏体逐渐开始转变为马氏体，马氏体相变开始应力（）为549.9MPa，而马氏体相变结束应力（）为659.19MPa；在后续加载阶段，应力-应变曲线出现了应变硬化现象，此阶段为马氏体弹性变形阶段，奥氏体已经完全转变为马氏体，应力随着应变呈线性增长；当应变为15.65%时，SMAF达到极限抗拉强度，其极限抗拉强度为1177.50MPa，然后SMAF在荷载的作用下发生断裂。

1.2 DSC实验

由于形状记忆效应是由SMA内部相变转化产生的，加热状态下SMA会出现吸热或放热反应，而差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，简称DSC）可以测出材料在相变过程中的温度变化，获得关键的相变温度。SMAF的马氏体相变开始温度（Ms）、马氏体相变结束温度（Mf）、奥氏体相变开始温度（As）和奥氏体相变结束温度（Af）分别为-8.5、-37.0、36.6、62.0℃；因此，SMAF在室温下表现出超弹性特性，对SMAF在105℃下进行加热可使其完成马氏体逆向变，发生形状记忆效应，从而产生恢复应力来闭合裂缝。

1.3 SMAF-FRCC试件的制备

本实验将SMAF加入到纤维增强水泥基材料中，设计了具有开口的SMAF-FRCC梁试件，试件的尺寸为40×40×160mm。对于含SMAF的加固梁，在每根梁的底部中心用1mm厚的PVA板制作宽为1mm、高15mm的缺口来引导SMAF加固梁的开裂。第一根纤维放置在距离侧面5mm处，每根SMAF之间的距离为9mm。图2给出了SMAF-FRCC梁详细的尺寸以及FRCC梁中的纤维埋置长度。

图2 SMAF-FRCC开口梁试件的尺寸图

本实验采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥；采用细度为38um的Ⅰ级粉煤灰；采用粒径不超过0.6mm细河砂；制备FRCC选用的是日本可乐丽公司生产的PVA纤维，纤维长度为12.0mm，弹性模量为42.8GPa，拉伸强度为1620MPa，极限延伸率为7%；为了能够保持复合材料有较好的流动性，搅拌过程中加入适量的减水剂，复合材料的配合比如表1所示。将具有合适可加工性的FRCC混合材料倒入模具中，试件24h脱模，然后放入标准养护室分别养护3、7、28d。

表1 纤维增强水泥基复合材料配合比

1.4 三点弯曲实验

为了诱发SMAF-FRCC梁试样的开裂并获得梁的载荷-位移曲线，对养护完成的试件使用万能实验机进行三点弯曲实验，实验中两个支座间距120.0mm，制动器将载荷施加到每个试件顶面中点处。实验采用位移控制进行加载，加载速率为0.5mm/min。作为参考，特意浇筑了只还有2%PVA纤维的FRCC梁，试件分组如表2所示。

表2 实验加载工况

2 实验结果

为了更好地评价梁的开裂行为，引入了开裂强度、最大抗弯强度，及裂缝恢复率这三个参数。在开口梁简单的三点弯曲试验中，梁的抗弯强度及裂缝闭合率可用下式计算：

抗弯强度：

裂缝恢复率：

2.1 荷载-位移曲线

图3分别显示了养护龄期为3、7、28d时开口梁试件的荷载-位移曲线。图3（a）中，加载初期，FRCC-3d和SMAF-FRCC-3d试件荷载曲线呈线性增加；当位移约为1.0mm时，荷载曲线出现突然下降的现象，此时说明试件开始出现裂缝，FRCC-3d和SMAF-FRCC-3d试件的开裂荷载分别为1.19KN和1.31KN；在后续加载阶段，由于FRCC中SMAF的桥接裂缝的作用，荷载曲线出现硬化现象，当位移量大约为2.20mm时，SMAF-FRCC-3d达到最大荷载，为1.44KN；而FRCC-3d试件，在后续加载过程中荷载并未超过其开裂荷载，荷载位移曲线呈应变软化现象；达到最大荷载后阶段，两种试件均出现荷载随着位移增加而下降的现象，直至加载结束。在加载过程中，FRCC-3d和SMAF-FRCC-3d试件均呈现延性破坏方式，但由于SMAF的存在，SMAF-FRCC-3d试件出现应变硬化现象（即＜），且有更大的抗弯强度（见表3）。而在图3（b）和图3（c）中，荷载-位移曲线也表现出类似的现象，但与FRCC-3d试件不同的是，FRCC-7d和FRCC-28d试件的荷载位移曲线呈现出应变硬化现象。

图3 试件的荷载-位移图像

2.2 开裂强度及抗弯强度

图4和表3显示了所有试件的开裂强度和抗弯强度，无论是FRCC试件还是SMAF-FRCC试件，随着养护龄期的增加，试件的开裂强度和抗弯强度均有提高，试件的开裂强度和抗弯强度在3~7d的提高相对较小，而在8~28d范围内则有较为明显的提高，开裂强度和抗弯强度发展的时间效应更显著。与FRCC试件下相比，SMAF-FRCC试件在养护龄期为3d、7d、28d时，开裂强度和抗弯强度都有一定提高，说明了SMAF在FRCC开裂后可起到承担荷载的作用；相比于SMAF-FRCC-3d和SMAF-FRCC-7d试件，SMAF-FRCC-28d试件具有最大开裂强度和抗弯强度，说明当养护龄期为28d时，SMAF与FRCC复合材料可以有较好的黏结来充分发挥SMAF与FRCC的协同作用。

表3 试件的荷载、强度及裂缝宽度

图4 试件的开裂强度和最大抗弯强度

2.3 裂缝恢复能力

抗弯实验结束后，采用塞尺测量试件底部的最大裂缝，记为；然后将加试件放到105℃的加热箱中加热24h，再次使用塞尺对加热后试件的裂缝进行测量，表3列出了试件的裂缝恢复率。如图4所示，SMAF的加入可明显提高裂缝恢复率；FRCC-3d试件的裂缝恢复率（CRR）为1.5%，而SMAF-FRCC-3d试件的CRR为4.1%，CRR提高了2.6%。同理，FRCC-7d试件的CRR为3.5%，而SMAF-FRCC-7d试件的CRR为7.3%，CRR提高了3.8%；FRCC-28d试件的CRR为6.1%，而SMAF-FRCC-28d试件的CRR为12.6%，CRR提高了6.5%。此外，随着养护龄期的增加，裂缝恢复率逐渐增加，养护龄期越长，裂缝恢复率越大，养护龄期为28d时，SMAF与FRCC复合材料之间的黏结强度可以使SMAF的形状记忆效应产生良好的恢复应力来闭合试件的裂缝。

图5 试件的裂缝恢复率

3 结束语

本文通过三点弯曲实验研究了SMAF及养护龄期对FRCC开口梁试件抗弯强度和裂缝恢复率的影响，可以得到以下结论：

纤维增强水泥基材料与SMAF有良好的协同作用，在纤维增量水泥基材料试件底部布置SMAF可以显著提高试件的开裂强度及抗弯强度，与为FRCC试件相比，在养护龄期分别为3d、7d、28d时，SMAF-FRCC试件开裂强度分别提高了0.34 MPa、0.50MPa、0.54MPa，SMAF-FRCC试件的抗弯强度则分别提高了0.71 MPa、0.57MPa、1.18MPa。

无论是FRCC试件还是SMAF-FRCC试件，开裂强度和抗弯强度都随着养护龄期的增加而增加；3-7d时开裂强度和抗弯强度的提高幅度较小，8-28d时开裂强度和抗弯强度的提高幅度则较大。

SMAF与FRCC复合材料共同作用可以起到提高裂缝恢复率的作用。相比于FRCC试件，SMAF-FRCC试件在养护龄期分别为3d、7d、28d时，试件的裂缝恢复率逐渐提高，养护龄期越长，试件的裂缝恢复率越高。