配置形状记忆合金丝的UHTCC板自修复性能研究

周航凯 李政达 王振宇

(1.浙江大学 建筑工程学院,杭州 310058；2.华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)

0 引 言

形状记忆合金(shape memory alloy,简写SMA)作为一种优秀的功能材料,具有形状记忆效应和超弹性的特点.形状记忆合金在产生塑性变形后,加热到某一温度以上时,能够恢复到变形前的形状,即具有形状记忆效应[1].这是因为当温度未达到材料的相变温度时,随着荷载的增加,材料会产生相应的非弹性变形,当卸载后非弹性变形不会消失；当材料达到相变温度时,材料卸载后外力引起的非弹性变形就会完全消失.图1(a)为常温下将平直合金丝加载至弯曲,图1(b)为合金丝热处理后恢复至常温下的平直状态.在不同温度下材料的受力特点如图2所示,其中εr为残余应变,σt、εt为加载幅值应力、应变.此外,形状记忆合金还具有超弹性[2],表现为在外力作用下,形状记忆合金具有远大于一般金属材料的变形恢复能力,在加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复,如果材料在恢复过程中受到了限制,材料将会产生较大的恢复应力,在应力恒定的情况下也能产生较大的应变.

图1 热处理前、后的形状记忆合金丝

图2 形状记忆合金的应力应变关系

形状记忆合金具有记忆功能、超弹性和受限制恢复时产生驱动力的特性,恢复应变可达8%以上[3-4],且抗疲劳性能强,易于同混凝土、钢材等材料结合.将其埋入结构构件中代替钢筋,利用形状记忆合金在高温下产生的恢复力改变结构内部的应力状态,能够阻止构件裂纹和损伤的发展[5].邓宗才,李庆斌[5]研究了合金配置量及截面尺寸对混凝土梁变形性能的影响,试验结果表明,合金在发生形状记忆效应时能对混凝土梁产生较大的恢复力.阎石,孙静,王伟[6]在混凝土受拉区设置SMA,对产生塑性变形的混凝土梁进行通电加热处理后,混凝土梁的挠度从3.7 mm 下降至2.2 mm,裂缝宽度也有所减小.王兆芃[7]采用有限元方法分析了带裂纹的混凝土梁经过形状记忆合金加固后的开裂变化规律,结果表明,设置有SMA的梁跨中挠度为11.68 mm,比无SMA 的梁小2 mm左右,且数值模拟结果与试验结果较为一致.Jong-Han Lee[8]研究了在砂浆构件中加入形状记忆合金纤维后构件的受弯性能和裂缝开展情况,试验结果表明,随机分布的合金纤维能够提高材料受弯性能,随着纤维掺量的提高,试件开裂后裂缝的平均宽度有所减小.

以往形状记忆合金主要用于普通混凝土构件的自修复和智能控制研究,由于普通混凝土的允许拉应变很小,所能实现的自修复效果受到限制.超高韧性水泥基材料(ultra-high toughness cement-based material,UHTCC)大大提高了混凝土结构的极限拉应变和韧性,因此将形状记忆合金配置在UHTCC构件中,用来提高混凝土的承载力和延性性能具有重要意义.本文基于形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性以及UHTCC 的超高韧性和裂缝控制能力,采用形状记忆合金代替普通钢筋制作板构件,研究合金量、合金放置方式对于复合结构的受力性能、裂缝控制能力和变形自修复能力的影响.

1 试验方法

为研究形状记忆合金/UHTCC 结构的受力性能,开展配置形状记忆合金的UHTCC 薄板四点弯曲试验.UHTCC 薄板试件的尺寸为400 mm×100 mm×15 mm,共设计6组试件进行试验.试验用形状记忆合金纤维如图3所示,性能参数见表1,形状记忆合金丝的性能参数见表2,各组试件的配筋方式见表3.

图3 形状记忆合金纤维

表1 形状记忆合金纤维性能参数

表2 形状记忆合金丝性能参数

表3 各组试件配筋方式

对合金丝施加预拉应变具体做法为在UHTCC薄板内预留孔道,完成布置合金丝后浇筑UHTCC,待试件成型之后对合金丝进行张拉施加预应变,合金丝两端采用锚具进行锚固.各组试件待制备成型后,在标准养护室养护28 d.

采用万能材料试验机对形状记忆合金丝进行拉伸试验,如图4所示,获得材料的拉伸应力-应变关系曲线.在试验前,将形状记忆合金丝分别放置在冷水和沸水中,循环若干次最后冷却到室温条件下,保证合金丝的形状恢复到原状.试件的合金丝布置及锚具如图5所示.采用四点弯曲试验方法研究形状记忆合金/UHTCC 试件的抗弯性能,薄板的跨度为300 mm,加载点距离支座100 mm,加载速率为0.5 mm/min,在加载过程中记录薄板跨中处挠度、施加荷载以及裂缝宽度.

图4 形状记忆合金丝拉伸试验

图5 薄板的合金丝布置及锚具

为了研究温度变化对于形状记忆合金/UHTCC试件的影响,试验中将在外部荷载作用下发生一定变形的试件卸载,并静置一段时间,待试件的弹性变形完全恢复之后进行热处理.由于试验中采用的形状记忆合金的相变温度在45℃左右,采用沸水浸泡的方法对试件进行热处理.

2 试验结果及分析

2.1 承载力试验结果

图6为各组试件受弯试验得到的荷载与跨中挠度曲线.对比第1、2组试验结果可知,在加入形状记忆合金纤维后,材料的受弯承载力没有明显改变,变形能力略有下降,说明采用形状记忆合金纤维对于UHTCC的受拉性能未能起到明显的提升作用.对比第1、3、4、6组试验结果可知,当不设置记忆合金时试件的承载力为220 N,第3、4、6组试件受弯承载力分别为524 N、610 N、543 N,相较于对照组分别提升了138%、177%、147%,说明 在 UHTCC 薄 板 内 设 置 形状记忆合金丝能够明显提升试件的受弯承载力,形状记忆合金能够起到类似钢筋的加固作用,形状记忆合金丝数量增多对于提升承载力的作用越明显.在加入形状记忆合金丝之后,UHTCC薄板仍能够保持多缝开裂的特征,且试件仍然具有较强的受弯变形能力,未出现形状记忆合金丝拉断或与UHTCC 粘结脱离的情况,试件的受弯变形图如图7所示.

图6 各组试件跨中荷载位移曲线

图7 试件受弯变形

2.2 挠度试验结果

各组试件在加载过程中(挠度最大值)、卸载后、热处理后各阶段的跨中位移测量值如图8所示.

图8 薄板跨中挠度变化情况

从试验结果可知,配置形状记忆合金丝的UHTCC试件变形恢复分为两个阶段,第一阶段为卸载后的变形恢复,主要由UHTCC 自身的弹性变形和内部合金的可恢复变形共同驱动.第二阶段为加热后的变形恢复,主要由记忆合金受热发生相变后产生的驱动力所引起.在本次试验中,将试件放置在热水中10 min,变形恢复在最初的数秒内迅速完成,此后试件基本上无变化.在加入形状记忆合金纤维情况下,已产生变形的UHTCC 薄板在加热后发生了较小的恢复变形.当设置有形状记忆合金丝,UHTCC薄板能够发生较大的恢复变形,加入2、4根形状记忆合金丝时加热前后试件的变形分别如图9、图10所示,给合金丝施加预应力试件的热处理前后变形如图11所示.第3、4、5、6组加热后的跨中挠度分别为加热前的52.9%、48.0%、46.3%、43.0%,说明加入记忆合金的数量越多,形状记忆合金所产生的变形恢复驱动力越大,构件的恢复变形能力越强.从第6组的试验结果可知,给合金丝施加一定预应变有利于合金发挥恢复驱动效果.

图9 第3组试件热处理前后挠度

图10 第4组试件热处理前后挠度

图11 第6组试件热处理前后挠度

2.3 裂缝宽度试验结果

采用裂缝宽度测量仪分别测量各阶段裂缝宽度,选取相同局部区域内较宽裂缝并测量其宽度.结合《混凝土结构设计规范》[9],认为宽度不超过0.1 mm的裂缝为对结构无危害的裂缝.当试件内不设置形状记忆合金时,经过热处理后,裂缝的数量和宽度基本保持不变.图12为加入记忆合金纤维时试件的开裂情况,在试件加载过程中,裂缝的最大宽度达到0.5 mm,卸载后薄板纯弯段底部的裂缝宽度减小,在试件经过加热处理之后,裂缝宽度仍然超过0.1 mm,说明记忆合金纤维所产生的恢复力有限.图13～图16分别为裂缝测宽仪测得的第3～6组试件中各阶段典型裂缝图.在试验过程中,设置有形状记忆合金的各组试件的大部分裂缝的宽度均小于100μm,可视为细小微裂缝；当试件经过热处理之后,试件的平均裂缝宽度较热处理之前的宽度有所减小,大部分裂缝的宽度小于50μm,且热处理中变形恢复迅速,表明利用形状记忆合金的记忆效应可以控制裂缝宽度,使构件具有自修复性能.

图12 第2组试件各阶段裂缝宽度

图13 第3组试件各阶段裂缝宽度

图14 第4组试件各阶段裂缝宽度

图15 第5组试件各阶段裂缝宽度

图16 第6组试件各阶段裂缝宽度

3 结 论

本文针对配置形状记忆合金的UHTCC 构件的自修复性能进行研究,通过四点弯曲试验研究构件在受弯作用下的承载性能、挠度变化和裂缝开展情况,得到如下结论：

1)本次试验在UHTCC 内放置形状记忆合金纤维对于UHTCC的受拉性能改善不明显.在UHTCC构件中设置形状记忆合金丝能够提升承载力,且承载力提升与合金量正相关.

2)在加入形状记忆合金丝后,开裂的UHTCC构件在经过加热处理后变形挠度发生一定的恢复,在加入形状记忆合金纤维后变形恢复量相对较小；增大合金丝含量对合金丝施加预应变等措施能够使构件变形恢复效果显著.

3)配置形状记忆合金丝的UHTCC 构件具有多缝开裂特征,在经过热处理后,利用形状记忆合金丝的记忆效应可以使裂缝愈合,裂缝宽度进一步减小,可以将裂缝宽度控制在对结构耐久性无害的限值以内,构件具有自修复的性能.