周航凱 李政達(dá) 王振宇

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,杭州 310058；2.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311122)

0 引 言

形狀記憶合金(shape memory alloy,簡(jiǎn)寫(xiě)SMA)作為一種優(yōu)秀的功能材料,具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性的特點(diǎn).形狀記憶合金在產(chǎn)生塑性變形后,加熱到某一溫度以上時(shí),能夠恢復(fù)到變形前的形狀,即具有形狀記憶效應(yīng)[1].這是因?yàn)楫?dāng)溫度未達(dá)到材料的相變溫度時(shí),隨著荷載的增加,材料會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的非彈性變形,當(dāng)卸載后非彈性變形不會(huì)消失；當(dāng)材料達(dá)到相變溫度時(shí),材料卸載后外力引起的非彈性變形就會(huì)完全消失.圖1(a)為常溫下將平直合金絲加載至彎曲,圖1(b)為合金絲熱處理后恢復(fù)至常溫下的平直狀態(tài).在不同溫度下材料的受力特點(diǎn)如圖2所示,其中εr為殘余應(yīng)變,σt、εt為加載幅值應(yīng)力、應(yīng)變.此外,形狀記憶合金還具有超彈性[2],表現(xiàn)為在外力作用下,形狀記憶合金具有遠(yuǎn)大于一般金屬材料的變形恢復(fù)能力,在加載過(guò)程中產(chǎn)生的大應(yīng)變會(huì)隨著卸載而恢復(fù),如果材料在恢復(fù)過(guò)程中受到了限制,材料將會(huì)產(chǎn)生較大的恢復(fù)應(yīng)力,在應(yīng)力恒定的情況下也能產(chǎn)生較大的應(yīng)變.

圖1 熱處理前、后的形狀記憶合金絲

圖2 形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

形狀記憶合金具有記憶功能、超彈性和受限制恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的特性,恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)8%以上[3-4],且抗疲勞性能強(qiáng),易于同混凝土、鋼材等材料結(jié)合.將其埋入結(jié)構(gòu)構(gòu)件中代替鋼筋,利用形狀記憶合金在高溫下產(chǎn)生的恢復(fù)力改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài),能夠阻止構(gòu)件裂紋和損傷的發(fā)展[5].鄧宗才,李慶斌[5]研究了合金配置量及截面尺寸對(duì)混凝土梁變形性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,合金在發(fā)生形狀記憶效應(yīng)時(shí)能對(duì)混凝土梁產(chǎn)生較大的恢復(fù)力.閻石,孫靜,王偉[6]在混凝土受拉區(qū)設(shè)置SMA,對(duì)產(chǎn)生塑性變形的混凝土梁進(jìn)行通電加熱處理后,混凝土梁的撓度從3.7 mm 下降至2.2 mm,裂縫寬度也有所減小.王兆芃[7]采用有限元方法分析了帶裂紋的混凝土梁經(jīng)過(guò)形狀記憶合金加固后的開(kāi)裂變化規(guī)律,結(jié)果表明,設(shè)置有SMA的梁跨中撓度為11.68 mm,比無(wú)SMA 的梁小2 mm左右,且數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為一致.Jong-Han Lee[8]研究了在砂漿構(gòu)件中加入形狀記憶合金纖維后構(gòu)件的受彎性能和裂縫開(kāi)展情況,試驗(yàn)結(jié)果表明,隨機(jī)分布的合金纖維能夠提高材料受彎性能,隨著纖維摻量的提高,試件開(kāi)裂后裂縫的平均寬度有所減小.

以往形狀記憶合金主要用于普通混凝土構(gòu)件的自修復(fù)和智能控制研究,由于普通混凝土的允許拉應(yīng)變很小,所能實(shí)現(xiàn)的自修復(fù)效果受到限制.超高韌性水泥基材料(ultra-high toughness cement-based material,UHTCC)大大提高了混凝土結(jié)構(gòu)的極限拉應(yīng)變和韌性,因此將形狀記憶合金配置在UHTCC構(gòu)件中,用來(lái)提高混凝土的承載力和延性性能具有重要意義.本文基于形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性以及UHTCC 的超高韌性和裂縫控制能力,采用形狀記憶合金代替普通鋼筋制作板構(gòu)件,研究合金量、合金放置方式對(duì)于復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力性能、裂縫控制能力和變形自修復(fù)能力的影響.

1 試驗(yàn)方法

為研究形狀記憶合金/UHTCC 結(jié)構(gòu)的受力性能,開(kāi)展配置形狀記憶合金的UHTCC 薄板四點(diǎn)彎曲試驗(yàn).UHTCC 薄板試件的尺寸為400 mm×100 mm×15 mm,共設(shè)計(jì)6組試件進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)用形狀記憶合金纖維如圖3所示,性能參數(shù)見(jiàn)表1,形狀記憶合金絲的性能參數(shù)見(jiàn)表2,各組試件的配筋方式見(jiàn)表3.

圖3 形狀記憶合金纖維

表1 形狀記憶合金纖維性能參數(shù)

表2 形狀記憶合金絲性能參數(shù)

表3 各組試件配筋方式

對(duì)合金絲施加預(yù)拉應(yīng)變具體做法為在UHTCC薄板內(nèi)預(yù)留孔道,完成布置合金絲后澆筑UHTCC,待試件成型之后對(duì)合金絲進(jìn)行張拉施加預(yù)應(yīng)變,合金絲兩端采用錨具進(jìn)行錨固.各組試件待制備成型后,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d.

采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)形狀記憶合金絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn),如圖4所示,獲得材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.在試驗(yàn)前,將形狀記憶合金絲分別放置在冷水和沸水中,循環(huán)若干次最后冷卻到室溫條件下,保證合金絲的形狀恢復(fù)到原狀.試件的合金絲布置及錨具如圖5所示.采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法研究形狀記憶合金/UHTCC 試件的抗彎性能,薄板的跨度為300 mm,加載點(diǎn)距離支座100 mm,加載速率為0.5 mm/min,在加載過(guò)程中記錄薄板跨中處撓度、施加荷載以及裂縫寬度.

圖4 形狀記憶合金絲拉伸試驗(yàn)

圖5 薄板的合金絲布置及錨具

為了研究溫度變化對(duì)于形狀記憶合金/UHTCC試件的影響,試驗(yàn)中將在外部荷載作用下發(fā)生一定變形的試件卸載,并靜置一段時(shí)間,待試件的彈性變形完全恢復(fù)之后進(jìn)行熱處理.由于試驗(yàn)中采用的形狀記憶合金的相變溫度在45℃左右,采用沸水浸泡的方法對(duì)試件進(jìn)行熱處理.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 承載力試驗(yàn)結(jié)果

圖6為各組試件受彎試驗(yàn)得到的荷載與跨中撓度曲線.對(duì)比第1、2組試驗(yàn)結(jié)果可知,在加入形狀記憶合金纖維后,材料的受彎承載力沒(méi)有明顯改變,變形能力略有下降,說(shuō)明采用形狀記憶合金纖維對(duì)于UHTCC的受拉性能未能起到明顯的提升作用.對(duì)比第1、3、4、6組試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)不設(shè)置記憶合金時(shí)試件的承載力為220 N,第3、4、6組試件受彎承載力分別為524 N、610 N、543 N,相較于對(duì)照組分別提升了138%、177%、147%,說(shuō)明 在 UHTCC 薄 板 內(nèi) 設(shè) 置 形狀記憶合金絲能夠明顯提升試件的受彎承載力,形狀記憶合金能夠起到類似鋼筋的加固作用,形狀記憶合金絲數(shù)量增多對(duì)于提升承載力的作用越明顯.在加入形狀記憶合金絲之后,UHTCC薄板仍能夠保持多縫開(kāi)裂的特征,且試件仍然具有較強(qiáng)的受彎變形能力,未出現(xiàn)形狀記憶合金絲拉斷或與UHTCC 粘結(jié)脫離的情況,試件的受彎變形圖如圖7所示.

圖6 各組試件跨中荷載位移曲線

圖7 試件受彎變形

2.2 撓度試驗(yàn)結(jié)果

各組試件在加載過(guò)程中(撓度最大值)、卸載后、熱處理后各階段的跨中位移測(cè)量值如圖8所示.

圖8 薄板跨中撓度變化情況

從試驗(yàn)結(jié)果可知,配置形狀記憶合金絲的UHTCC試件變形恢復(fù)分為兩個(gè)階段,第一階段為卸載后的變形恢復(fù),主要由UHTCC 自身的彈性變形和內(nèi)部合金的可恢復(fù)變形共同驅(qū)動(dòng).第二階段為加熱后的變形恢復(fù),主要由記憶合金受熱發(fā)生相變后產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力所引起.在本次試驗(yàn)中,將試件放置在熱水中10 min,變形恢復(fù)在最初的數(shù)秒內(nèi)迅速完成,此后試件基本上無(wú)變化.在加入形狀記憶合金纖維情況下,已產(chǎn)生變形的UHTCC 薄板在加熱后發(fā)生了較小的恢復(fù)變形.當(dāng)設(shè)置有形狀記憶合金絲,UHTCC薄板能夠發(fā)生較大的恢復(fù)變形,加入2、4根形狀記憶合金絲時(shí)加熱前后試件的變形分別如圖9、圖10所示,給合金絲施加預(yù)應(yīng)力試件的熱處理前后變形如圖11所示.第3、4、5、6組加熱后的跨中撓度分別為加熱前的52.9%、48.0%、46.3%、43.0%,說(shuō)明加入記憶合金的數(shù)量越多,形狀記憶合金所產(chǎn)生的變形恢復(fù)驅(qū)動(dòng)力越大,構(gòu)件的恢復(fù)變形能力越強(qiáng).從第6組的試驗(yàn)結(jié)果可知,給合金絲施加一定預(yù)應(yīng)變有利于合金發(fā)揮恢復(fù)驅(qū)動(dòng)效果.

圖9 第3組試件熱處理前后撓度

圖10 第4組試件熱處理前后撓度

圖11 第6組試件熱處理前后撓度

2.3 裂縫寬度試驗(yàn)結(jié)果

采用裂縫寬度測(cè)量?jī)x分別測(cè)量各階段裂縫寬度,選取相同局部區(qū)域內(nèi)較寬裂縫并測(cè)量其寬度.結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9],認(rèn)為寬度不超過(guò)0.1 mm的裂縫為對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)危害的裂縫.當(dāng)試件內(nèi)不設(shè)置形狀記憶合金時(shí),經(jīng)過(guò)熱處理后,裂縫的數(shù)量和寬度基本保持不變.圖12為加入記憶合金纖維時(shí)試件的開(kāi)裂情況,在試件加載過(guò)程中,裂縫的最大寬度達(dá)到0.5 mm,卸載后薄板純彎段底部的裂縫寬度減小,在試件經(jīng)過(guò)加熱處理之后,裂縫寬度仍然超過(guò)0.1 mm,說(shuō)明記憶合金纖維所產(chǎn)生的恢復(fù)力有限.圖13～圖16分別為裂縫測(cè)寬儀測(cè)得的第3～6組試件中各階段典型裂縫圖.在試驗(yàn)過(guò)程中,設(shè)置有形狀記憶合金的各組試件的大部分裂縫的寬度均小于100μm,可視為細(xì)小微裂縫；當(dāng)試件經(jīng)過(guò)熱處理之后,試件的平均裂縫寬度較熱處理之前的寬度有所減小,大部分裂縫的寬度小于50μm,且熱處理中變形恢復(fù)迅速,表明利用形狀記憶合金的記憶效應(yīng)可以控制裂縫寬度,使構(gòu)件具有自修復(fù)性能.

圖12 第2組試件各階段裂縫寬度

圖13 第3組試件各階段裂縫寬度

圖14 第4組試件各階段裂縫寬度

圖15 第5組試件各階段裂縫寬度

圖16 第6組試件各階段裂縫寬度

3 結(jié) 論

本文針對(duì)配置形狀記憶合金的UHTCC 構(gòu)件的自修復(fù)性能進(jìn)行研究,通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究構(gòu)件在受彎作用下的承載性能、撓度變化和裂縫開(kāi)展情況,得到如下結(jié)論：

1)本次試驗(yàn)在UHTCC 內(nèi)放置形狀記憶合金纖維對(duì)于UHTCC的受拉性能改善不明顯.在UHTCC構(gòu)件中設(shè)置形狀記憶合金絲能夠提升承載力,且承載力提升與合金量正相關(guān).

2)在加入形狀記憶合金絲后,開(kāi)裂的UHTCC構(gòu)件在經(jīng)過(guò)加熱處理后變形撓度發(fā)生一定的恢復(fù),在加入形狀記憶合金纖維后變形恢復(fù)量相對(duì)較小；增大合金絲含量對(duì)合金絲施加預(yù)應(yīng)變等措施能夠使構(gòu)件變形恢復(fù)效果顯著.

3)配置形狀記憶合金絲的UHTCC 構(gòu)件具有多縫開(kāi)裂特征,在經(jīng)過(guò)熱處理后,利用形狀記憶合金絲的記憶效應(yīng)可以使裂縫愈合,裂縫寬度進(jìn)一步減小,可以將裂縫寬度控制在對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性無(wú)害的限值以內(nèi),構(gòu)件具有自修復(fù)的性能.