形狀記憶纖維在纖維增強水泥基材料中的應用

房財福

山東中醫藥大學附屬醫院 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，導致混凝土結構容易發生脆性破壞，嚴重影響結構的在使用過程中的耐久性。

20世紀90年代，V-C Li等[1]研究人員開發了纖維增強水泥基材料（Fiber Reinforced Cementitious Composite，簡稱 FRCC），FRCC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，使得結構發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會產生恢復應力，可用于土木工程結構裂縫自恢復。

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構的耐久性，但FRCC材料的塑性變形不利于結構裂縫的自恢復，而SMA產生一定的恢復應力，能夠很好地彌補這種缺陷。因此將SMA應用到FRCC中構成SMA-FRCC復合材料既可以發揮FRCC裂縫小、抗拉強度高等特點，又能發揮SMA的自恢復特性，在土木工程結構中有很好的應用前景。

進入21世紀，許多國內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]通過抗彎實驗發現冷拉后的SMAF經過加熱產生形狀記憶效應，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，提高構件的耐久性。

基于國內外學者的研究，本論文主要研究SMAF在纖維增強水泥基構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發生奧氏體相彈性變形；繼續加載，SMAF開始發生馬氏體相變，并出現相變屈服平臺，此時奧氏體逐漸開始轉變為馬氏體，馬氏體相變開始應力（）為549.9MPa，而馬氏體相變結束應力（）為659.19MPa；在后續加載階段，應力-應變曲線出現了應變硬化現象，此階段為馬氏體彈性變形階段，奧氏體已經完全轉變為馬氏體，應力隨著應變呈線性增長；當應變為15.65%時，SMAF達到極限抗拉強度，其極限抗拉強度為1177.50MPa，然后SMAF在荷載的作用下發生斷裂。

1.2 DSC實驗

由于形狀記憶效應是由SMA內部相變轉化產生的，加熱狀態下SMA會出現吸熱或放熱反應，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，獲得關鍵的相變溫度。SMAF的馬氏體相變開始溫度（Ms）、馬氏體相變結束溫度（Mf）、奧氏體相變開始溫度（As）和奧氏體相變結束溫度（Af）分別為-8.5、-37.0、36.6、62.0℃；因此，SMAF在室溫下表現出超彈性特性，對SMAF在105℃下進行加熱可使其完成馬氏體逆向變，發生形狀記憶效應，從而產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，然后放入標準養護室分別養護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SMAF-FRCC梁試樣的開裂并獲得梁的載荷-位移曲線，對養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。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，FRCC-3d和SMAF-FRCC-3d試件荷載曲線呈線性增加；當位移約為1.0mm時，荷載曲線出現突然下降的現象，此時說明試件開始出現裂縫，FRCC-3d和SMAF-FRCC-3d試件的開裂荷載分別為1.19KN和1.31KN；在后續加載階段，由于FRCC中SMAF的橋接裂縫的作用，荷載曲線出現硬化現象，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象；達到最大荷載后階段，兩種試件均出現荷載隨著位移增加而下降的現象，直至加載結束。在加載過程中，FRCC-3d和SMAF-FRCC-3d試件均呈現延性破壞方式，但由于SMAF的存在，SMAF-FRCC-3d試件出現應變硬化現象（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-位移曲線也表現出類似的現象，但與FRCC-3d試件不同的是，FRCC-7d和FRCC-28d試件的荷載位移曲線呈現出應變硬化現象。

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范圍內則有較為明顯的提高，開裂強度和抗彎強度發展的時間效應更顯著。與FRCC試件下相比，SMAF-FRCC試件在養護齡期為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，說明當養護齡期為28d時，SMAF與FRCC復合材料可以有較好的黏結來充分發揮SMAF與FRCC的協同作用。

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，FRCC-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，隨著養護齡期的增加，裂縫恢復率逐漸增加，養護齡期越長，裂縫恢復率越大，養護齡期為28d時，SMAF與FRCC復合材料之間的黏結強度可以使SMAF的形狀記憶效應產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 結束語

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

纖維增強水泥基材料與SMAF有良好的協同作用，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試件在養護齡期分別為3d、7d、28d時，試件的裂縫恢復率逐漸提高，養護齡期越長，試件的裂縫恢復率越高。