朱 虹 劉子卿 董志強, 2 吳 剛 文玉華

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，南京 211189)(2東南大學(xué)智慧建造與運維國家地方聯(lián)合工程研究中心，南京 211189)(3四川大學(xué)機械工程學(xué)院，成都 610065)

形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)是由馬氏體和奧氏體2種晶體結(jié)構(gòu)組成的一種特殊合金材料.這2種晶體結(jié)構(gòu)在特定情況下可以實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)變，宏觀上表現(xiàn)為SMA形狀發(fā)生改變.處于母狀態(tài)下的SMA由奧氏體晶體結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)達(dá)到某一特定溫度時，奧氏體晶體結(jié)構(gòu)會通過原子位置變化轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體晶體結(jié)構(gòu)，此過程稱為馬氏體相變.除溫度誘導(dǎo)外，施加外荷載使SMA產(chǎn)生一定的預(yù)變形也可以誘導(dǎo)馬氏體相變.預(yù)變形后的SMA經(jīng)歷高溫時，由馬氏體相變所產(chǎn)生的馬氏體會重新轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，宏觀上即為SMA變形得到了恢復(fù)，此過程稱為馬氏體逆相變或奧氏體相變.上述由晶體結(jié)構(gòu)相變所產(chǎn)生的形狀恢復(fù)現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect，SME)，是SMA最主要的特點之一.此外，SMA還具有超彈性、彈性模量可變、高阻尼以及電阻可變等特點.

形狀記憶合金按其組成材料可分為鎳鈦基形狀記憶合金(Ni-Ti SMA)、銅基形狀記憶合金(Cu-SMA)和鐵基形狀記憶合金(Fe-SMA).Ni-Ti SMA是目前最為常見的一類SMA，常作為阻尼器、傳感器等裝置應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、機械以及航空航天等領(lǐng)域[1].基于Ni-Ti SMA超彈性和形狀記憶效應(yīng)的特性[2-4]，研究者們對其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用開展了系列研究[5-13].然而，Ni-Ti SMA價格極為昂貴，大大限制了其在土木工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用.低成本的Cu-SMA和Fe-SMA研究日益成熟[14-15].相比于Cu-SMA，F(xiàn)e-SMA具有更高的彈性模量并且可在相對較低的溫度下發(fā)生相變[16]，這使Fe-SMA在土木工程領(lǐng)域推廣中更具優(yōu)勢.

Fe-SMA于20世紀(jì)80年代研制成功[17-18]，早期研發(fā)的Fe-SMA往往需要進(jìn)行額外的機械訓(xùn)練才能獲得較好的形狀記憶效應(yīng)，這在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用[19].隨著冶煉工藝的不斷改進(jìn)，無需機械訓(xùn)練的Fe-SMA[20]于2001年研制成功，使得Fe-SMA的生產(chǎn)成本大幅降低.然而，由于其較高的相變溫度，F(xiàn)e-SMA在土木工程中的推廣應(yīng)用仍然較為緩慢.瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室(EMPA)自20世紀(jì)初便在SMA方面進(jìn)行了大量研究，并于2009年由Dong等[21]研究出一種新型鐵基形狀記憶合金，其相變溫度為160～240 ℃，且擁有較高的回復(fù)應(yīng)力，該項研究成果為Fe-SMA在土木工程領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了基礎(chǔ).自2012年起，瑞士、韓國、西班牙和加拿大等國學(xué)者陸續(xù)對Fe-SMA開展了系列研究，研究涉及Fe-SMA的回復(fù)應(yīng)力和耐腐蝕性能等基本材料屬性方面以及應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)修復(fù)時的關(guān)鍵技術(shù).近年來，EMPA與Re-fer公司合作研發(fā)了多種形式的Fe-SMA產(chǎn)品，包括Fe-SMA條帶、Fe-SMA帶肋筋和光圓筋等，其極限抗拉強度接近1 GPa，極限應(yīng)變最高可達(dá)40%.針對不同工程需求，F(xiàn)e-SMA產(chǎn)品可應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的抗彎抗剪性能提升和疲勞加固等，截至目前基于Fe-SMA的試點應(yīng)用已超20余項[22].

Fe-SMA在土木工程領(lǐng)域的研究主要集中在國外，國內(nèi)研究較少.因此，本文首先對Fe-SMA的基本特性(如形狀記憶效應(yīng)、回復(fù)應(yīng)力、耐腐蝕性、可焊性)和工程應(yīng)用(加固效果、關(guān)鍵工藝工法和長期性能等)最新研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)梳理.其次，介紹了課題組自主研發(fā)的新型大直徑通用型Fe-SMA絞線產(chǎn)品(直徑15.2 mm)，該絞線可以完美匹配現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力鋼絞線的錨夾具，降低應(yīng)用成本.最后，展望了未來Fe-SMA在土木工程中的若干應(yīng)用前景，并基于Fe-SMA可快速、便捷施加預(yù)應(yīng)力的技術(shù)特點，構(gòu)思了面向基礎(chǔ)設(shè)施智慧運維的技術(shù)路徑.本文工作有助于國內(nèi)學(xué)者快速了解Fe-SMA在土木工程領(lǐng)域的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，推動Fe-SMA的進(jìn)一步應(yīng)用.

1 Fe-SMA的基本特性

1.1 形狀記憶效應(yīng)

Fe-SMA的形狀記憶效應(yīng)是由材料內(nèi)部馬氏體和奧氏體之間的相變所引起的.相變過程是一種無擴散的固態(tài)轉(zhuǎn)變，原子間以一種有組織的方式移動.在溫度誘導(dǎo)相變的過程中存在Mf、Ms、Af、As四個關(guān)鍵的相變溫度點，即馬氏體相變的結(jié)束溫度和起始溫度、奧氏體相變的結(jié)束溫度和起始溫度.如圖1(a)所示，在路徑①中，溫度誘導(dǎo)Fe-SMA奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度低于Ms時相變開始，溫度達(dá)到Mf時相變結(jié)束.此外，還可以采用應(yīng)力誘導(dǎo)的方式進(jìn)行Fe-SMA馬氏體相變(見圖1(a)和(b)中的路徑②).相比圖1(a)中低于Mf的應(yīng)力誘導(dǎo)方法，圖1(b)中介于Ms～Af的應(yīng)力誘導(dǎo)方法更適合于在實際工程中應(yīng)用.需要注意的是，在應(yīng)力誘導(dǎo)過程中，會伴隨塑性變形以及α-馬氏體(無法相變的馬氏體)的形成，兩者會導(dǎo)致Fe-SMA產(chǎn)生不完全的形狀記憶效應(yīng).在較低溫度環(huán)境下，F(xiàn)e-SMA首先發(fā)生馬氏體相變，然后是塑性變形；而在較高溫度下，應(yīng)力誘導(dǎo)更容易導(dǎo)致塑性變形和α-馬氏體的產(chǎn)生[23].因此，應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變的溫度應(yīng)更接近Ms.路徑④為馬氏體逆相變的過程，這一過程中馬氏體重新轉(zhuǎn)化為奧氏體，F(xiàn)e-SMA形狀得到恢復(fù).馬氏體逆相變的溫度誘導(dǎo)方式多種多樣，例如火焰、電阻加熱以及環(huán)境升溫等.不同的溫度誘導(dǎo)方式意味著溫度到達(dá)As～Af的時間也是不同的.研究表明，升溫時間對形狀記憶效應(yīng)沒有明顯影響[24].因此，可根據(jù)實際工程情況的不同，選擇最佳的溫度誘導(dǎo)方式.

(a)熱馬氏體的形成

1.2 回復(fù)應(yīng)力

形狀記憶效應(yīng)發(fā)生時，若約束Fe-SMA的變形，晶體結(jié)構(gòu)改變所產(chǎn)生的能量會以應(yīng)力的形式存在，該應(yīng)力稱為回復(fù)應(yīng)力.回復(fù)應(yīng)力的大小是衡量Fe-SMA性能的重要指標(biāo)之一.Fe-SMA在形狀記憶效應(yīng)過程中的應(yīng)力-應(yīng)變和回復(fù)應(yīng)力-溫度行為見圖2.Fe-SMA進(jìn)行應(yīng)力誘導(dǎo)(預(yù)拉伸)，產(chǎn)生相應(yīng)預(yù)應(yīng)變εpe(見圖2(a)中路徑①).隨后，在卸載階段(見圖2(a)中路徑②)，曲線呈非線性下降，該下降段與普通鋼材有所不同.這是因為除去Fe-SMA的彈性應(yīng)變(線性應(yīng)變ε1)，還存在一部分的偽彈性應(yīng)變(非線性應(yīng)變ε2)，這類應(yīng)變產(chǎn)生的原因在于應(yīng)力誘導(dǎo)所產(chǎn)生的馬氏體并不穩(wěn)定，隨著卸載的進(jìn)行，部分馬氏體又重新相變?yōu)閵W氏體.路徑②最終對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣舝，包含馬氏體相變所產(chǎn)生的應(yīng)變和塑性應(yīng)變.在變形被約束的情況下，對Fe-SMA進(jìn)行升溫激勵，F(xiàn)e-SMA將產(chǎn)生相應(yīng)的回復(fù)應(yīng)力(見圖2(a)中路徑③).由圖2(b)可知，在加熱過程早期，F(xiàn)e-SMA應(yīng)力逐漸降低并為負(fù)值；這是因為熱膨脹效應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)力在初期大于形狀記憶效應(yīng)所產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力.隨著溫度的進(jìn)一步升高，馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變速度加快，回復(fù)應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，曲線逐漸上升.在升溫過程中(見圖2(b)中路徑③)，熱膨脹效應(yīng)的存在降低了SMA所產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力，而在冷卻階段中(見圖2(b)中路徑④)，受冷縮影響，F(xiàn)e-SMA的回復(fù)應(yīng)力進(jìn)一步增加.此外，在冷卻過程中，當(dāng)回復(fù)應(yīng)力超過馬氏體正向轉(zhuǎn)變的臨界應(yīng)力時，應(yīng)力-溫度圖呈現(xiàn)非線性行為，新馬氏體的形成以及較大應(yīng)力水平下的松弛會導(dǎo)致最終所產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力σr略低于初始應(yīng)力.

(a)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 (b)回復(fù)應(yīng)力-溫度關(guān)系

Fe-SMA的最終性能與其組成成分、組織特征(晶粒尺寸、第二相顆粒的存在、大小和分布等)以及鍛造工藝[27-30]等因素密切相關(guān).表1給出了不同參數(shù)影響下Fe-SMA的回復(fù)應(yīng)力和激勵溫度.可以看出，早期的Fe-SMA需要通過熱循環(huán)機械處理(即機械訓(xùn)練)[19]，才能夠獲得一定的回復(fù)應(yīng)力，這會導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，市場競爭力下降.2001年，Kajiwara等[20]發(fā)現(xiàn)將NbC(碳化鈮)沉淀到Fe-SMA微結(jié)構(gòu)中，無需額外訓(xùn)練便可明顯改善合金的回復(fù)應(yīng)力，并且預(yù)軋制的鍛造工藝也能對回復(fù)應(yīng)力起到一定的提高效果[20, 31].隨后研究中，將新的沉淀物，如少量VN(氮化釩)或VC(碳化釩)添加到Fe-SMA中，其回復(fù)應(yīng)力能提升至580 和500 MPa[16, 21, 32].此外，Zhang等[33-34]通過等通道角擠壓及隨后的冷軋和淬火工藝，使改善后的Fe-SMA回復(fù)應(yīng)力也可達(dá)到460～565 MPa.從表1中還可以發(fā)現(xiàn)，前期研究的Fe-SMA激勵溫度較高[19-20, 31, 33-34]，使得Fe-SMA的應(yīng)用受到一定的限制.2009年Dong等[21]研發(fā)出一種新型鐵基形狀記憶合金Fe-16Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V, N)，其激勵溫度降低至160 ℃左右，且回復(fù)應(yīng)力保持在330 MPa.隨后Li等[32]于2013年對Fe-SMA進(jìn)一步改進(jìn)，研制的Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V, C)在相變溫度(160 ℃)保持不變的前提下，回復(fù)應(yīng)力可達(dá)到440 MPa，提升幅度為33.3%.

表1 不同參數(shù)下的Fe-SMA回復(fù)應(yīng)力和相變溫度

除Fe-SMA自身組成成分和鍛造工藝等前期因素外，F(xiàn)e-SMA后期預(yù)應(yīng)變大小和激勵方式同樣對其回復(fù)應(yīng)力具有重要影響.如圖3所示，隨著預(yù)應(yīng)變的增大，F(xiàn)e-SMA的最大激勵溫度(即升溫過程中因熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致回復(fù)應(yīng)力為0時的溫度)逐漸增大[35].最大激勵溫度的升高使得Fe-SMA產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力增大.例如，預(yù)應(yīng)變?yōu)?%的Fe-SMA的最大激勵溫度為248 ℃，該激勵溫度下Fe-SMA可產(chǎn)生348 MPa的回復(fù)應(yīng)力，而預(yù)應(yīng)變?yōu)?%的Fe-SMA在最大激勵溫度455 ℃下可產(chǎn)生448 MPa的回復(fù)應(yīng)力.相同預(yù)應(yīng)變下，回復(fù)應(yīng)力隨著激勵溫度的升高先增大后基本保持不變.如圖4所示，相同激勵溫度下，預(yù)應(yīng)變大小與所能產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力大小并不成正比關(guān)系[24]，預(yù)應(yīng)變2.0%的Fe-SMA在激勵溫度160 ℃下獲得的回復(fù)應(yīng)力最大.此外，F(xiàn)e-SMA的回復(fù)應(yīng)力不會受激勵速率影響.例如，環(huán)境溫度激勵(幾十分鐘至幾個小時)和通電激勵(幾十秒至幾分鐘)下Fe-SMA產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力基本相同.這一結(jié)論在2018年Shahverdi等[24]的Fe-SMA條帶測試中被證明.

圖3 不同預(yù)應(yīng)變和激勵溫度下的回復(fù)應(yīng)力對比[35]

圖4 1.5 mm厚Fe-SMA條帶在不同預(yù)應(yīng)變下的回復(fù)應(yīng)力-溫度關(guān)系[24]

1.3 耐腐蝕性能

近年來，學(xué)者們對Fe-SMA的耐腐蝕性能進(jìn)行了大量研究[36-41].提高Fe-SMA耐腐蝕性能的方法主要為調(diào)整材料成分比例.高含量的Cr[36]、Ni[36]、Si[37]元素有利于提高Fe-SMA在酸性溶液中的耐腐蝕性能，N[36]、Cu[38-39]、Ce[40]、Co[41]等元素的添加也會對耐腐蝕性能起到積極作用.作為Fe-SMA組成元素之一的Mn[36]，雖然其對回復(fù)性能起到一定的促進(jìn)作用，但是高含量的Mn會導(dǎo)致含錳氧化物包裹體(包括硫化錳)的形成，降低Fe-SMA的耐腐蝕性能.文獻(xiàn)[42]指出較小的預(yù)應(yīng)變值有利于提高Fe-SMA的耐腐蝕性能，但預(yù)應(yīng)變值過高將會產(chǎn)生反作用.這是因為施加預(yù)應(yīng)變會使部分奧氏體晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Σ灰妆桓g的馬氏體晶體結(jié)構(gòu)，而預(yù)應(yīng)變進(jìn)一步增大時，除產(chǎn)生馬氏體外還會伴隨產(chǎn)生更多的不可逆塑性變形，由此引起的原子錯位和其他微缺陷會導(dǎo)致耐腐蝕性能降低.

為了更好地將Fe-SMA推廣應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，學(xué)者們對其在混凝土堿性環(huán)境下的耐腐蝕性能進(jìn)行了相關(guān)研究.Lee等[42]分析了元素組成為Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V, C)的SMA在不同pH值環(huán)境下的耐腐蝕性能.研究發(fā)現(xiàn)，在pH=13的混凝土堿性環(huán)境下，F(xiàn)e-SMA與S500鋼表面均形成鈍化膜，有效防止了材料進(jìn)一步腐蝕，二者均保持良好的耐腐蝕性能.在pH=8.4，4.5的環(huán)境(分別對應(yīng)碳化后混凝土環(huán)境和酸性空氣環(huán)境)下，F(xiàn)e-SMA的腐蝕速率相比于S500鋼大幅度降低，分別僅為后者的20.5%和0.77%.此外，觀察發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)作用下Fe-SMA的腐蝕程度明顯低于普通鋼筋[43].因此，F(xiàn)e-SMA良好的耐腐蝕性能有利于降低其在土木工程中應(yīng)用時所需的防腐成本.

1.4 可焊性能

作為金屬材料最常見的連接工藝之一，研究者們對Fe-SMA的可焊性能進(jìn)行了大量研究.文獻(xiàn)[44]指出，受焊接過程中焊接區(qū)形成的枝晶組織和產(chǎn)生的焊接應(yīng)力影響，F(xiàn)e-SMA焊接區(qū)易發(fā)生斷裂.相比強度相近的Q690鋼材(極限強度為832 MPa)，其焊接區(qū)強度(751 MPa)要大于Fe-SMA焊接區(qū)強度(650 MPa)[45].Dong等[46]對焊接后Fe-SMA的回復(fù)性能進(jìn)行了試驗研究，焊接方法選用激光焊接(LBW)、電子束焊接(EBW)和鎢極氬弧焊(TIGW).結(jié)果表明，焊接方法對焊接區(qū)所產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力并無明顯影響，相比非焊接區(qū)產(chǎn)生的300～330 MPa回復(fù)應(yīng)力，焊接區(qū)回復(fù)應(yīng)力仍保持在250 MPa左右.因此，可以根據(jù)不同的工況條件選擇Fe-SMA焊接方法，且焊接區(qū)仍能保持較高的回復(fù)應(yīng)力水平，但如何改善Fe-SMA焊接區(qū)強度仍是后續(xù)研究需要考慮的問題.

2 Fe-SMA自預(yù)應(yīng)力技術(shù)及應(yīng)用

SMA在馬氏體逆相變過程中產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力可作為預(yù)應(yīng)力施加于工程結(jié)構(gòu)中，該預(yù)應(yīng)力是由SMA自身晶體結(jié)構(gòu)相變所導(dǎo)致的，無需在施工現(xiàn)場借助張拉設(shè)備施加預(yù)應(yīng)力，大大簡化了施工工藝.實際上，自21世紀(jì)初以來，國內(nèi)外學(xué)者便對SMA在預(yù)應(yīng)力方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量的探索研究[47-54].但該類研究局限于Ni-Ti SMA，受其高昂價格和低熱滯性[55]的限制，研究往往停留在實驗室階段，無法在工程結(jié)構(gòu)中大范圍推廣.新型Fe-SMA相比于Ni-Ti SMA具有價格低廉、回復(fù)應(yīng)力穩(wěn)定等優(yōu)勢，可以在160 ℃左右的溫度下被激勵，避免因溫度過高對建筑結(jié)構(gòu)造成額外的損傷[56-57].此外，F(xiàn)e-SMA可以在大氣條件下進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，不需要昂貴的真空處理技術(shù)[58].2012年底，EMPA實驗室與Re-fer公司合作，開展規(guī)?；疐e-SMA產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售[22].圖5為Re-fer公司現(xiàn)階段可制備的Fe-SMA產(chǎn)品照片，包括Fe-SMA筋材和Fe-SMA條帶等.目前，Re-fer公司已在瑞士和法國多次采用Fe-SMA對工程結(jié)構(gòu)開展了加固修復(fù)[22].上述Fe-SMA在預(yù)應(yīng)力方面的技術(shù)稱為Fe-SMA自預(yù)應(yīng)力技術(shù)(見圖6).本文對近年來Fe-SMA自預(yù)應(yīng)力技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)加固修復(fù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，按結(jié)構(gòu)形式的不同，分為混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用.

圖5 Fe-SMA筋材和條帶[22]

(a)Fe-SMA激勵前

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析

2.1.1 抗彎抗剪加固

現(xiàn)階段Fe-SMA加固混凝土結(jié)構(gòu)主要為抗彎加固和抗剪加固2種形式(見圖7).根據(jù)材料形式可分為Fe-SMA條帶加固和Fe-SMA筋加固；根據(jù)加固方法可分為嵌入式加固和外貼式加固.Fe-SMA加固混凝土結(jié)構(gòu)形式及效果匯總于表2.表中，F(xiàn)c、Fcp、Fca分別為未加固試件、未激勵和激勵后Fe-SMA加固試件的開裂荷載；Fu、Fup、Fua分別為未加固試件、未激勵和激勵后Fe-SMA加固試件的極限荷載.由表可知，相比未加固試件，F(xiàn)e-SMA加固試件的開裂荷載和極限荷載均有不同程度的提高.然而，同一試件開裂荷載的提升幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極限荷載的提升幅度，這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力結(jié)論相同.對于相同F(xiàn)e-SMA數(shù)量下的加固試件，是否激勵Fe-SMA產(chǎn)生回復(fù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的極限荷載提升效果有限，但開裂荷載卻相差明顯，增長幅度至少為極限荷載增長幅度的5倍以上.此外，采用Fe-SMA加固，結(jié)構(gòu)的裂縫寬度和數(shù)量也得到了明顯改善.Czaderski等[59]發(fā)現(xiàn)Fe-SMA未激勵試件的平均裂縫寬度為0.092 mm，F(xiàn)e-SMA激勵試件的平均裂縫寬度為0.059 mm，下降幅度接近50%.因此，使用Fe-SMA加固將大幅度改善建筑物在服役期間的開裂程度，降低周圍環(huán)境通過裂縫對結(jié)構(gòu)性能的影響，提高建筑物的耐久性.

表2 Fe-SMA加固混凝土結(jié)構(gòu)形式及效果 %

(a)Fe-SMA條帶

Fe-SMA加固不僅可以提高抗裂能力和承載能力，還能增強結(jié)構(gòu)的延性.究其原因在于，F(xiàn)e-SMA是一種高延性材料，其斷裂延伸率可達(dá)40%以上[22].Rojob等[60]發(fā)現(xiàn)Fe-SMA加固梁的延性系數(shù)相比未加固梁提高33%～41%，耗能能力提高146%～158%.文獻(xiàn)[61]對相同尺寸和預(yù)應(yīng)力水平下的Fe-SMA和CFRP加固梁開展了對比研究，發(fā)現(xiàn)CFRP加固梁表現(xiàn)出了較好的承載性能，開裂荷載、屈服荷載和極限荷載均比Fe-SMA加固梁高11%～15%，但與未加固梁相比，CFRP加固梁的耗能能力和延性系數(shù)分別降低了6%和8%，而Fe-SMA加固梁的耗能能力和延性系數(shù)卻分別提高了70%和41%.由此表明，與CFRP加固梁相比，在極限荷載等幾乎不受影響的情況下，F(xiàn)e-SMA加固梁的延性得到了顯著提升.

2.1.2 關(guān)鍵工藝

基于Fe-SMA的自預(yù)應(yīng)力技術(shù)雖無需進(jìn)行現(xiàn)場張拉施工，但需要通過外加激勵誘導(dǎo)Fe-SMA發(fā)生相變.現(xiàn)階段Fe-SMA激勵方式可分為通電激勵、環(huán)境溫度激勵和火焰激勵3種.

通電激勵是指通過電流使Fe-SMA自身升溫至激勵溫度的方式.如圖8所示，通過銅質(zhì)夾頭和電流導(dǎo)線連接Fe-SMA條帶/筋材和電源，利用電阻發(fā)熱誘發(fā)相變.通電激勵多采用高額電流(9 A/mm2)以達(dá)到瞬時激勵(37 s)的效果[62].因此，具有快速、高效特點的通電激勵是現(xiàn)階段Fe-SMA最常用的激勵方式.

(a)Fe-SMA條帶[61]

環(huán)境溫度激勵是指通過提高Fe-SMA周圍環(huán)境溫度，利用熱傳導(dǎo)使Fe-SMA達(dá)到激勵溫度的方式.該方式所采用的裝置按照應(yīng)用場景可分為電加熱爐[34]和電陶瓷墊[67]，前者適用于實驗室階段，后者適用于實際工程中(見圖9).環(huán)境溫度激勵過程中，密閉空間使得溫度升高不會影響結(jié)構(gòu)的其他部分，但整個激勵過程所需要時間較長(1 h以上).

(a)電加熱爐升溫[34]

火焰激勵是指通過噴火槍快速掃過Fe-SMA完成激勵的方式.該方式最大程度地簡化了Fe-SMA激勵所需的條件和設(shè)備，常與噴射混凝土結(jié)合使用，可應(yīng)用于工程搶修加固.圖10為Re-fer公司在瑞士Mellingen購物中心采用Fe-SMA筋(火焰激勵)對墻體實施快速加固的照片[22].相比于其他2種激勵方式，火焰激勵受火焰大小和人工操作等客觀因素的影響，所能獲得的具體回復(fù)應(yīng)力具有不確定性.

圖10 Fe-SMA火焰激勵[22]

有效約束Fe-SMA在相變過程中的變形，是保證回復(fù)應(yīng)力產(chǎn)生的關(guān)鍵.根據(jù)Fe-SMA制品形式的不同，對文獻(xiàn)中的錨固方式進(jìn)行了梳理，歸納為有、無端部附加機械錨固2類(見表3).無端部附加機械錨固主要依靠砂漿或混凝土與Fe-SMA之間的黏結(jié)力約束變形；有端部附加機械錨固根據(jù)錨固形式的不同，分為錨釘錨固、彎鉤/預(yù)壓鋼板錨固和螺母錨固等.

表3 Fe-SMA加固混凝土結(jié)構(gòu)約束方式及步驟

無端部附加機械錨固主要用于Fe-SMA條帶嵌入式加固和Fe-SMA筋材(螺紋筋)體外加固.如圖11(a)所示，砂漿作為嵌縫填充材料應(yīng)用于嵌入式加固，與Fe-SMA條帶結(jié)合產(chǎn)生黏結(jié)力.凹槽開口尺寸明顯小于常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨具所需尺寸，相比傳統(tǒng)嵌入式預(yù)應(yīng)力加固方法更節(jié)省空間.Fe-SMA螺紋筋依靠其表面螺紋可與混凝土形成良好的黏結(jié)力，提供約束，常與噴射混凝土技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體外加固(見圖11(b)).

(a)砂漿嵌縫[61]

經(jīng)歷高溫相變的同時，能否提供足夠的黏結(jié)力約束Fe-SMA變形，是無端部附加機械錨固的核心問題.Czaderski等[56]研究發(fā)現(xiàn)Fe-SMA條帶通電激勵后黏結(jié)應(yīng)力(4.0 MPa)大于回復(fù)應(yīng)力產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力(3.7 MPa)，黏結(jié)力能夠達(dá)到約束Fe-SMA變形的作用.因此，高溫相變對黏結(jié)力的損失影響可忽略不，而且可以通過增加混凝土層厚度和強度來進(jìn)一步提高黏結(jié)力[69].

有端部附加機械錨固包括Fe-SMA條帶體外加固、Fe-SMA筋材(光圓筋)嵌入式加固和體外加固.由圖12(a)可知，F(xiàn)e-SMA條帶錨釘位置接近板邊緣，無需預(yù)留額外的張拉錨固空間，便可實現(xiàn)施加的預(yù)應(yīng)力在整個板長方向上均勻分布.Fe-SMA光圓筋具有光滑表面，應(yīng)用于嵌入式加固時筋材無法與混凝土形成足夠的黏結(jié)力，因此需要端部機械錨固來約束Fe-SMA變形.文獻(xiàn)[59,68]提出了2種不同的錨固方式：彎鉤錨固和預(yù)壓鋼板錨固(見圖12(b)和(c)).圖12(d)給出了Re-fer公司針對Fe-SMA光圓筋應(yīng)用于體外加固所采用的錨固方式——螺母錨固.該方式通過筋材兩端后期加工的螺紋與端部螺母形成機械咬合力，約束Fe-SMA變形.

(a)錨釘錨固[65]

2.1.3 長期性能

Fe-SMA憑借形狀記憶效應(yīng)可以快速完成預(yù)應(yīng)力加固，但回復(fù)應(yīng)力的穩(wěn)定性是決定Fe-SMA能否在結(jié)構(gòu)服役過程中提供有效預(yù)應(yīng)力的關(guān)鍵因素.Hosseini等[70]對Fe-SMA回復(fù)應(yīng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.Fe-SMA條帶首先在160 ℃下被激勵，然后在循環(huán)應(yīng)變?yōu)?.035%、0.070%和0.105%的情況下進(jìn)行2×106次循環(huán)加載.結(jié)果表明，加載前期Fe-SMA的回復(fù)應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降.循環(huán)次數(shù)超過1×105后，回復(fù)應(yīng)力基本保持不變.當(dāng)循環(huán)次數(shù)為2×106時，回復(fù)應(yīng)力下降幅度為12%～20%.另外，Gu等[35]在循環(huán)應(yīng)變?yōu)?.035%的條件下，對激勵溫度為150、250、350 ℃的Fe-SMA條帶進(jìn)行了循環(huán)加載試驗，結(jié)果表明，溫度的改變并不會影響循環(huán)荷載下回復(fù)應(yīng)力的下降幅度.

Hosseini等[70]對應(yīng)力損失后的Fe-SMA進(jìn)行二次激勵(激勵溫度相同)后發(fā)現(xiàn)，損失的回復(fù)應(yīng)力大部分得到恢復(fù)(見圖13).這一現(xiàn)象證明回復(fù)應(yīng)力的下降主要是由馬氏體相變導(dǎo)致的，可以通過二次激勵使Fe-SMA實現(xiàn)回復(fù)應(yīng)力補充.由此可知，采用Fe-SMA加固建筑物時，產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力可以進(jìn)行二次補充，這是傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力加固材料所不具備的特性.另外，二次激勵后的Fe-SMA與一次激勵后的Fe-SMA在循環(huán)加載下的應(yīng)力松弛行為基本相同.

圖13 一次和二次激勵時的回復(fù)應(yīng)力-溫度關(guān)系比較[70]

目前，針對Fe-SMA應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中的長期性能研究較少.僅Rojob等[43]在2018年對長期處于凍融循環(huán)和持續(xù)荷載作用下的Fe-SMA加固鋼筋混凝土梁的耐久性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明，在經(jīng)受長達(dá)7個月650次的凍融循環(huán)后，位于梁試件底部的混凝土脫落嚴(yán)重，外露的Fe-SMA腐蝕程度要明顯低于同環(huán)境下鋼筋的腐蝕程度.相比于室溫環(huán)境下的Fe-SMA加固試件，凍融環(huán)境下Fe-SMA加固試件的極限承載力仍能保持較高水平，下降幅度僅為12.1%.

2.2 鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析

Izadi等[71]于2017年提出了將Fe-SMA作為預(yù)應(yīng)力材料加固鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)想，隨后學(xué)者們對Fe-SMA應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域進(jìn)行了初步探索.目前，該類研究主要采用Fe-SMA條帶，根據(jù)錨固方式的不同，可以分為螺栓錨固、錨釘錨固和黏結(jié)錨固3種(見圖14).

圖14 Fe-SMA條帶加固鋼結(jié)構(gòu)及其錨固方式

2.2.1 螺栓錨固

Izadi等[72]于2018年研發(fā)了Fe-SMA加固鋼結(jié)構(gòu)的錨固方式——螺栓錨固(見圖15).采用該方式約束Fe-SMA變形，激勵后鋼板應(yīng)力下降幅度可達(dá)74 MPa.此外，Izadi等[73]在Fe-SMA條帶加固裂紋鋼板的疲勞試驗(循環(huán)應(yīng)力為75 MPa)中發(fā)現(xiàn)，采用Fe-SMA加固后，鋼板疲勞次數(shù)增加了280%.將Fe-SMA寬度擴大一倍后，加固試件在75 MPa循環(huán)加載下裂紋不再擴展，疲勞次數(shù)近似達(dá)到無限.應(yīng)力幅值擴大至105 MPa(增加近40%)后，疲勞次數(shù)仍比未加固試件增加300%.

圖15 Fe-SMA條帶螺栓錨固[72-73]

除了Fe-SMA加固鋼板外，Izadi等[74]于2019年采用螺栓錨固的方法對鋼梁進(jìn)行了抗彎加固.在100、160、260 ℃下激勵Fe-SMA條帶，回復(fù)應(yīng)力分別為161、328、431 MPa，鋼梁撓度分別減小0.7、1.7、2.2 mm.經(jīng)歷2×106次循環(huán)加載后，錨固裝置沒有明顯滑移，回復(fù)應(yīng)力沒有額外損失，進(jìn)一步證明了該錨固的可靠性.

2.2.2 錨釘錨固

為進(jìn)一步簡化Fe-SMA的錨固方式，參照Fe-SMA條帶體外加固混凝土結(jié)構(gòu)的錨釘錨固方法，F(xiàn)ritsch等[75]于2019年開展了錨釘錨固Fe-SMA條帶加固鋼結(jié)構(gòu)的研究.通過剪切試驗，從承載力、滑移和錨固面積等方面考察了5種錨釘方式的效率，結(jié)果見圖16.圖中，Si-jpk為錨固方式編號.其中，Si為試件編號；j為單列錨釘數(shù)量；k為總釘數(shù).由圖可知，除S5-4p8發(fā)生錨釘被剪斷外，其余錨固方式破壞形式均為Fe-SMA條帶被拉斷.采用S3-2p12錨固方式的極限荷載和相應(yīng)滑移量最佳，但考慮錨固面積的影響，建議選用S1-4p12錨釘方式.選取與文獻(xiàn)[74]相同的疲勞試驗制度對錨釘錨固進(jìn)行疲勞測試，結(jié)果顯示并未發(fā)生明顯的預(yù)應(yīng)力損失和錨具滑移.

(a)荷載-滑移關(guān)系

2.2.3 黏結(jié)錨固

2021年Wang等[76]探索了直接將Fe-SMA通過化學(xué)膠粘貼在鋼材表面進(jìn)行加固的可能性.采用3種不同膠黏劑(聚氨酯密封膠Sika 1277、環(huán)氧樹脂膠3M EC9323和Hysol EA9394)對Fe-SMA條帶進(jìn)行粘貼，研究Fe-SMA條帶與鋼板的界面行為.結(jié)果表明，最佳膠黏劑Sika 1277所產(chǎn)生的黏結(jié)強度高達(dá)Fe-SMA條帶極限強度的76%，為Fe-SMA回復(fù)應(yīng)力的2倍以上.Fe-SMA溫度升至160 ℃時，膠黏劑溫度處于40～60 ℃范圍內(nèi).因此，膠黏劑不會發(fā)生軟化，仍能保持良好的黏結(jié)效果.隨后，Wang 等[77]對黏結(jié)錨固下Fe-SMA條帶加固鋼板的疲勞性能進(jìn)行了研究，并與CFRP加固鋼板比對，結(jié)果見表4.由表可知，采用Fe-SMA比CFRP的效果更好，疲勞次數(shù)最高可達(dá)3.30×106.

表4 不同加固方法的疲勞次數(shù)與壽命提升比[77]

2.2.4 經(jīng)濟性比較

Hosseini等[78]對采用Fe-SMA和CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的成本進(jìn)行了比較分析，結(jié)果見表5.表中，CFRP和Fe-SMA尺寸均為50 mm×1.4 mm×4 240 mm.各類成本均參考瑞士當(dāng)?shù)貎r格，其中CFRP和Fe-SMA價格受生產(chǎn)量影響會出現(xiàn)一定程度的浮動.綜合考慮原材料、錨具、防腐以及人工成本等眾多因素的影響，CFRP加固6.4 m工字鋼梁成本為22 800元，F(xiàn)e-SMA相應(yīng)加固成本為7 980元，僅為CFRP成本的1/3.在預(yù)應(yīng)力水平方面，CFRP最大預(yù)應(yīng)力值為名義抗拉強度的0.65倍[79]，名義抗拉強度取2 GPa，最大預(yù)應(yīng)力值為1.3 GPa.Fe-SMA條帶可以提供400 MPa的預(yù)應(yīng)力，接近于CFRP最大預(yù)應(yīng)力值的1/3.由此可知，2種加固方式基本等價，但CFRP加固試件由于自身脆性特點需要進(jìn)行額外措施來保證安全，F(xiàn)e-SMA加固試件則具有良好的延性和耗能能力.隨著結(jié)構(gòu)加固時間的增加，預(yù)應(yīng)力會出現(xiàn)不同程度損失，利用Fe-SMA二次激勵的特性可重新補充預(yù)應(yīng)力.因此，采用Fe-SMA加固在長遠(yuǎn)效果上更具優(yōu)勢.

表5 2種方式加固6.4 m工字鋼梁的成本比較[78]

3 新型大直徑Fe-SMA絞線的研發(fā)與測試

現(xiàn)階段Fe-SMA主要產(chǎn)品形式為筋材、條帶以及用于實驗室研究的小直徑單絲.為匹配現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力絞線錨具、節(jié)約應(yīng)用成本，研發(fā)通用型的大直徑絞線以更適用于Fe-SMA的推廣.目前，本課題組已在Fe-SMA絞線研發(fā)和回復(fù)應(yīng)力測試方面進(jìn)行了初步探索性工作.

本課題組自主研發(fā)了可制備不同直徑Fe-SMA絞線的生產(chǎn)裝置，同步實現(xiàn)了Fe-SMA絞線捻拉和熱處理工藝.現(xiàn)階段，已成功研制出直徑為15.2 mm的Fe-SMA絞線(見圖17).Fe-SMA絞線除色澤偏黑外，與普通鋼絞線在外觀和形狀方面并無差異.在研發(fā)Fe-SMA絞線的同時，本課題組還自主研發(fā)了高電流瞬時激勵裝置和回復(fù)應(yīng)力測試裝置，并配套紅外熱成像儀和采集裝置，組成完善的回復(fù)應(yīng)力測試系統(tǒng)(見圖18)，為后續(xù)Fe-SMA絞線研究提供技術(shù)儲備.

圖17 Fe-SMA絞線

圖18 Fe-SMA回復(fù)應(yīng)力測試系統(tǒng)

目前，本課題組已對組成絞線的直徑5 mm、長度300 mm 的Fe-SMA原絲進(jìn)行了回復(fù)應(yīng)力測試.Fe-SMA由四川大學(xué)機械學(xué)院提供，化學(xué)成分為Fe-15Mn-4Si-8Cr-4Ni-0.18C.圖19(a)為Fe-SMA達(dá)到最高溫度時的紅外熱成像圖，激勵電流高達(dá)4 A/mm2，升溫過程僅需60 s.為了避免升溫過程中因熱膨脹效應(yīng)所引起的反向應(yīng)力影響測試結(jié)果[24]，通過預(yù)緊高強螺帽施加80 MPa的預(yù)壓應(yīng)力.圖19(b)為Fe-SMA的回復(fù)應(yīng)力-溫度關(guān)系曲線.由圖可知，升溫階段回復(fù)應(yīng)力呈先下降后上升又下降的變化趨勢，說明熱膨脹效應(yīng)、形狀記憶效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)依次在升溫過程中占據(jù)主要地位.進(jìn)入冷卻階段，形狀記憶效應(yīng)和冷縮效應(yīng)使回復(fù)應(yīng)力迅速增長，峰值可達(dá)到357 MPa，最終保持在327 MPa.

(a)紅外熱成像圖

4 展望

4.1 結(jié)構(gòu)防火性能提升方面的應(yīng)用

高密度和低孔隙率建筑材料，如超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)，在高溫環(huán)境下由于內(nèi)部孔隙水蒸發(fā)受阻易發(fā)生爆裂現(xiàn)象.SMA纖維可以作為一種抑制高溫爆裂的材料，添加進(jìn)UHPC中，在高溫環(huán)境下發(fā)生馬氏體逆相變，對周圍基體產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，從而達(dá)到抑制高溫爆裂的作用.Orvis[80]研究并驗證了通過Ni-Ti SMA纖維施加預(yù)應(yīng)力的可行性.然而，Ni-Ti SMA纖維提供預(yù)應(yīng)力水平穩(wěn)定性差且材料成本較高，使其應(yīng)用發(fā)展受到限制[79].Fe-SMA具有較低成本和穩(wěn)定的回復(fù)應(yīng)力，抑制高溫爆裂的Fe-SMA纖維可以作為今后Fe-SMA應(yīng)用的產(chǎn)品之一.

4.2 基礎(chǔ)設(shè)施智慧運維方面的應(yīng)用

相比日趨智慧化的結(jié)構(gòu)檢/監(jiān)測和評估方式，結(jié)構(gòu)加固修復(fù)的方式仍然較為傳統(tǒng).例如，采用鋼絞線、FRP等材料進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固.傳統(tǒng)加固修復(fù)方式不僅存在施工繁瑣、工期長、造價高、對既有結(jié)構(gòu)干預(yù)度高等弊端，而且往往會出現(xiàn)加固不及時的現(xiàn)象.待加固結(jié)構(gòu)長期處于“亞健康”工作狀態(tài)，損傷累積到不得不加固修復(fù)時才能得到一次“醫(yī)治”，存在所謂的“大病大治”問題.

結(jié)合研發(fā)的大直徑通用型Fe-SMA絞線具有相對廉價和快速提供預(yù)應(yīng)力的技術(shù)特點，進(jìn)一步可構(gòu)建以Fe-SMA為末端修復(fù)技術(shù)的工程結(jié)構(gòu)智慧運維體系.在建設(shè)之初，將一定數(shù)量的Fe-SMA絞線與普通鋼絞線一起預(yù)埋在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中.在前期服役階段，F(xiàn)e-SMA絞線作為普通受力絞線使用.當(dāng)預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)損失時，對Fe-SMA絞線通電激勵，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力快速自補充.將基于Fe-SMA絞線的預(yù)應(yīng)力快速自補充技術(shù)與結(jié)構(gòu)檢/監(jiān)測和評估技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)從監(jiān)測到評估再到加固修復(fù)的全鏈條自動化，實時修復(fù)結(jié)構(gòu)損傷，避免結(jié)構(gòu)長期處于“亞健康”工作狀態(tài)，將工程結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的“大病大治”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶〔〕Ｖ巍蹦Ｊ?，全面提升工程結(jié)構(gòu)的服役性能和使用壽命.

5 結(jié)論

1)鐵基形狀記憶合金因其獨特的形狀記憶效應(yīng)以及較低成本、性能穩(wěn)定等特點在土木工程領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力.與20世紀(jì)80年代開發(fā)的第1批Fe-SMA相比，F(xiàn)e-SMA在過去20年中不斷被改進(jìn)和提高.隨著具有低激勵溫度和高回復(fù)應(yīng)力特點的Fe-SMA的出現(xiàn)，近年來，F(xiàn)e-SMA在土木工程結(jié)構(gòu)加固修復(fù)方面取得了突破性進(jìn)展.

2)現(xiàn)階段Fe-SMA可在160 ℃下完成馬氏體逆相變，并產(chǎn)生440 MPa左右的回復(fù)應(yīng)力.回復(fù)應(yīng)力不僅受材料成分、組織特征和鍛造工藝等前期制備因素的影響，后期所施加預(yù)應(yīng)變大小以及激勵方式同樣也會對其產(chǎn)生影響.

3)基于Fe-SMA獨特的形狀記憶效應(yīng)，其產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力能夠以預(yù)應(yīng)力的形式施加到結(jié)構(gòu)中.采用Fe-SMA加固混凝土結(jié)構(gòu)，其開裂荷載、極限荷載和延性都得到不同程度的提高.Fe-SMA加固鋼結(jié)構(gòu)時，能夠降低鋼構(gòu)件應(yīng)力，改善疲勞性能.另外，F(xiàn)e-SMA應(yīng)用現(xiàn)場不需要復(fù)雜的錨具和張拉裝置，可以很好地解決空間不足問題，這使得Fe-SMA相比傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，現(xiàn)階段已應(yīng)用于多處實際工程中.

4)本課題組研發(fā)了通用型大直徑Fe-SMA絞線，配置了高電流瞬時激勵裝置，并構(gòu)建了完善的回復(fù)應(yīng)力測試系統(tǒng).Fe-SMA單絲可提供300 MPa以上的回復(fù)應(yīng)力，為后續(xù)Fe-SMA絞線測試提供了技術(shù)儲備.

5)Fe-SMA在結(jié)構(gòu)防火性能和基礎(chǔ)設(shè)施智慧運維領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是基礎(chǔ)設(shè)施智慧運維領(lǐng)域.將Fe-SMA自預(yù)應(yīng)力技術(shù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評估等技術(shù)相結(jié)合，可以形成一種工程結(jié)構(gòu)全鏈條智慧運維理念.