形状记忆合金纤维对混凝土力学性能的影响

袁佳琦

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010）

混凝土材料因其抗压强度高、材料方便、施工方便等优点，已成为民用建筑和军事工程设施中应用最广泛的建筑材料。但由于混凝土抗拉强度低、抗冲击性差、脆性断裂，在实际应用中受到了限制。纤维增强混凝土的出现成为解决这个问题的有效途径[1-2]。学者通过单一或混合掺入钢纤维[3]、聚丙烯纤维[4]、碳纤维[5]、玻璃纤维[6]和玄武岩纤维[7]等来改善混凝土性能。随着SMA 在土木工程领域内的研究与应用日益增多，众多学者将目光投向建筑材料，将SMA 纤维加入水泥基材料中，宋梦凡[8]则通过正交试验确定SHCC 最佳配合比，水胶比为0.32，PVA 纤维、NiTi 纤维掺量、碳酸钙晶须掺量分别为1.2%、0.9%、1.5%，28 d 抗压和抗弯强度较对照组相比分别提高2.4%和51%。Aslani 等[9]通过静态和循环弯曲试验对NiTi 纤维、聚丙烯纤维以及钢纤维自密实混凝土的强度和韧性进行评估，试验对试件的残余变形和跨中挠度恢复进行测试，试验证明SMA 纤维可以延缓裂缝的扩展和传播。Ali 等[10-11]对SMA 纤维高延性水泥基材料的黏结、冲击及受弯性能进行测试，SMA 纤维提升了高延性水泥基材料各项性能并提供了自修复性能。本文将SMA 纤维应用于混凝土中，设计了形状记忆合金纤维增强混凝土（SMAFRC），纤维体积分数分别为0、0.3%、0.6%、0.9%，对所设计的SMAFRC 进行立方体抗压、劈裂抗拉以及抗折试验。

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比设计

试验采用蒙西牌普通硅酸盐水泥P·O42.5，细骨料为中砂，含泥量为1.9%，表观密度为2 619 kg/m3，堆积密度1 499 kg/m3；采用粒径5~20 mm 连续级配的石子作为粗骨料；减水剂采用聚羧基高效减水剂，减水率为20%；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；混凝土拌合用水为自来水。

混凝土配比参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行设计。试验设计混凝土强度等级为C30，水胶比为0.55，砂率为38%，基准混凝土配合比见表1。

表1 基准混凝土配合比kg·m-3

1.2 试件制备

本次试验依据JGJ/T 221—2010《纤维混凝土应用技术规程》，以不同体积分数（0%、0.3%、0.6%和0.9%）加入基准混凝土中，配制形状记忆合金增强混凝土（以下记为SMA-FRC）试件，SMA-FRC 各体积分数试件分别用S-0（普通混凝土）、S-0.3、S-0.6 和S-0.9 表示。放入20±2 ℃，相对湿度95%的环境中养护28 d 后进行测试。

1.3 试验方法

立方体抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，加载速度为0.5 MPa/s。劈裂抗拉试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，加载速度为0.05 MPa/s。采用四点弯曲法测试混凝土试件的抗弯强度，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试件净跨度为300 mm，加载速度为0.05 MPa/s。

2 试验结果及分析

2.1 立方体抗压强度

由图1 可知，在2 种温度条件下，混凝土立方体抗压强度呈现不同增长趋势。在20 ℃时，SMA-FRC 试件立方体抗压强度随纤维体积分数的增大呈阶梯式增长。在100 ℃时，纤维体积分数的增大并没有给混凝土立方体抗压强度带来持续增强，改变了混凝土在室温下抗压强度的增长趋势。立方体抗压强度呈现先增大后减小的增长趋势。在20 ℃时，S-0 试件立方体抗压强度为34.9 MPa，S-0.9 试件立方体抗压强度最大为39.1 MPa 较S-0 抗压强度相比增幅达12.0%。S-0.3、S-0.6 试件抗压强度分别为36.4 MPa 和38.0 MPa 较S-0 试件提升约4.3%和8.9%。在100 ℃时，混凝土立方体抗压强度较20 ℃时均出现不同程度的下降，但任何体积分数下的SMAFRC 试件立方体抗压强度仍高于S-0 试件。S-0.6 试件抗压强度最大为36.2 MPa 较S-0试件33.8 MPa 提升约7.1%。

图1 SMAFRC 立方体抗压强度

SMA 纤维作为高延性合金纤维被水泥浆体包裹在混凝土内部乱向分布，填充在骨料与水泥浆体之间，不仅在骨料与水泥之间起桥接作用，还减少混凝土内部微裂缝的生成，有效延缓微裂缝的扩展，降低混凝土内部孔隙率提高混凝土密实度，从而提高混凝土立方体抗压强度。SMA 纤维体积分数最大的S-0.9试件有更多的纤维桥接水泥基体，较其余试件呈现更高强度。在100 ℃时混凝土立方体抗压强度降低，是由于温度升高SMA 内部马氏体逆向变的形状恢复，使原本处于约束态的SMA 纤维对裹握纤维水泥基体造成一定影响。此外，试验所用SMA 纤维表面光滑且纤维无勾状末端与基体间的锚固，在混凝土中不具有足够的锚固强度，包裹纤维的水泥基体发生破坏，纤维产生滑移，纤维中产生的应力没有达到较高的应力水平。

2.2 劈裂抗拉强度

试件的劈裂抗拉强度如图2 所示。在2 种温度时，SMAFRC 劈裂抗拉强度随纤维体积分数增加而持续增长。S-0.9 试件在2 种温度时劈裂抗拉强度分别为3.30 MPa 和3.14 MPa，对混凝土劈裂抗拉强度提升最大，较S-0 试件2.49 MPa 和2.39 MPa 分别提升32.5%和31.4%。S-0.3 试件在2 种温度时劈裂抗拉强度分别为2.78 MPa 和2.50 MPa，较S-0 试件提升较小，分别为11.6%和4.6%。

图2 SMAFRC 劈裂抗拉强度

在20 ℃时，SMA 纤维的加入改变了普通混凝土劈成两半的破坏形态，SMA 纤维在混凝土中处于约束态，起桥接作用，裂缝扩展至纤维处可分担部分荷载且裂缝扩展受SMA 纤维约束，随着纤维体积分数的增加微裂缝增多，劈裂抗拉强持续提高，试件完整性逐步提升。当温度提高到100 ℃，SMAFRC 试件随纤维体积分数的增多，SMA 纤维通过温度激励发挥了形状记忆效应提供了更多驱动力，阻滞内部微裂缝的产生和延伸，同时对裂缝有一定的自修复作用，使试件表面微裂缝数量逐渐增多，试件裂缝宽度变窄。

2.3 抗弯强度

混凝土抗弯强度是混凝土抵抗弯曲荷载的重要依据，为混凝土结构设计提供数据支持。由图3 可知，在20 ℃时，S-0、S-0.3、S-0.6 和S-0.9 试件抗弯强度分别为4.41、4.75、5.46、5.87 MPa。S-0.3、S-0.6 和S-0.9 试件较S-0 试件抗弯强度分别提升7.7%、23.8%、33.2%。在100 ℃时，S-0.6 试件抗弯强度为5.25 MPa，较S-0试件抗弯强度3.94 MPa 提升33.2%。

图3 SMAFRC 抗弯强度

在20 ℃时，普通混凝土试件在抗弯试验中表现出典型的脆性破坏，试件在开裂后，裂缝迅速延伸贯穿试件表面，在达到极限荷载后发出较大的破坏声，突然断成2 段。SMAFRC 试件表现为延性破坏，在达到开裂荷载后，试件跨中出现一条主裂缝。随着荷载继续增加，混凝土表面微裂缝向梁顶延伸，在达到极限荷载后，试件出现一定挠度但试件并没有断裂，纤维体积分数会影响SMA-FRC 试件的裂缝宽度，呈现出裂而不断的破坏形态。在100 ℃时，随着纤维体积分数的增加，裂缝宽度随之减小，表明SMA 在阻滞裂缝扩展方面具有良好性能。同时SMAFRC 试件表现出延性破坏，虽然在抗弯强度上有所下降，但达到开裂荷载后仍能继续承载。混凝土底部受拉区混凝土开裂后，SMA 纤维在各种微小裂缝间起桥接作用，此时试件所受拉力基本由纤维承担，光圆型直纤维与基体较差的黏结强度影响了SMA 纤维应力的传递水平。

3 结论

1）SMA 纤维能显著提高普通混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度。在20 ℃下，S-0.9 试件性能最为优异，S-0.9 试件较S-0 试件对立方体抗压、劈裂抗拉以及抗弯强度提升最大，分别提升12.0%、32.5%、33.2%。在100 ℃时，S-0.6 试件对立方体抗压及抗弯强度较S-0 试件分别增幅7.1%、33.2%

2）SMAFRC 试件在2 种温度时，随着SMA 体积分数的增加体现了更好的整体性，相较于S-0 试件的脆性破坏，SMAFRC 试件呈现“裂而不碎”的破坏形态。SMAFRC 试件在SMA 纤维的作用下，试件裂缝逐渐收缩，SMA 纤维体积分数越高，SMAFRC 试件裂缝越窄。