SMAF 在高延性水泥基复合材料中的黏结性能试验研究

侯旭林 钱晓仓 李朋飞

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 210000；2.河南兴业环保科技有限公司，河南 郑州 450006；3.河南重泰建材有限责任公司，河南 漯河 462300）

1 试验概况

1.1 试验材料

1.1.1 SMAF

选择具有超强弹性的记忆合金线材，其直径分别为1.0mm、1.2mm 和1.5mm。线材的主要化学成分是55.86%的Ni 和44.14%的Ti。经过差式扫描热量法的检测，发现形状记忆合金丝的奥氏体相变从-34.60℃开始到-18.19℃完成。在这个过程中，SMAF 会逐步转化为奥氏体，同时，展示出其极高的弹性。采取100mm 的标准间隔，利用位移调节负荷，速率为2mm/min，对采用的形状记忆合金丝实施了直接拉拔和循环拉拔试验，试验结果如图1 所示。

图1 形状记忆合金直接拉伸应力－应变曲线

1.1.2 试验原材料及高延性水泥基复合材料配合比

①试验原材料：水泥为P·O42.5 普通硅酸盐水泥；Ⅱ级高品质粉煤灰具有43μm 的微小粒径，密度为2.4g/cm3，含水率为0.5%；白色晶体石英砂细度范围在100～200 目之间；纤维采用高强高模量聚乙烯醇（PVA），纤维长度为9mm、直径为31μm，抗拉强度为1 500MPa，弹性模量为42GPa，伸展速率为6%；减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

②高延性水泥基复合材料配合比：高延性水泥基复合材料配合比见表1，根据流动性能适当地调节减水剂的使用量。薄板拉伸试验结果表明，高延性水泥基复合材料的最大拉伸应力可高达3%，并且存在许多裂缝；试验使用的SMAF 展现出了超强的弹性。当高延性水泥基材料的最高拉伸应力值高于3%时，直径为1mm 和1.2mm的SMAF 在进行循环拉伸试验时，其恢复效果超过了95%，而直径为1.5mm 的SMAF 恢复效果则高于85%。假设SMAF 和高延性水泥基复合材料此刻拥有良好的黏合性，在拉伸恢复后，高延性水泥材料将使SMAF 更加稳定，从而使SMAF 展示出其超强的弹性特性，封堵微小且均匀的裂缝。

表1 高延性水泥基复合材料配合比

1.2 SMAF 直径和端部形态对黏结力性能影响试验方法

制作了4 组试件，探讨直径和端部形态对SMAF 与高延性水泥基础材料黏结力的作用。试件分组数据见表2。

表2 试件分组数据

试件为狗骨形，在测量SMAF 和高延性水泥基复合材料的黏结长度时，不考虑弯曲和打结部位的长度。在试件制作过程中，将脱模剂均匀地涂抹到模具中，并将一块1mm 厚的塑料板放在试件尾部进行更好地脱模。在预先准备好的塑料板中，根据试件要求将SMAF 插入预设深度，并放在试件前端。依据试验设定的高延性水泥基复合材料的配比提取其中的成分，然后依次进行混合。获得最终的混合物后，在SMAF 底部施加一层，然后用振捣棒对其进行振捣，将剩余的混合物倒入模具进行二次振捣。在全程操作中，要尽量维持SMAF 的自由端稳定，保证SMAF 处于试样的核心位置，同时，减少埋设深度的偏差。使用刮板使试件外表平整，从而保证试件尺寸均匀。试件制备完成后，将其置于标准养护箱内进行24h脱模处理，并对其进行编号后放入水箱中，持续进行28d 的标准养护，再进行下一步试验。

2 试验结果分析

2.1 直接拉拔试验

通过直接拉拔测试，获取每一组试件拉伸应力-位移曲线，试验曲线在3 种不同直径的连接式接口部分呈现类似于直线的特性，并且倾角大致相同。在平台过程中，1.0mm 试件压强维持时间最长，但其压强值最低；1.2mm 试件压强最大，但压强维持时间最短；1.5mm 试件的压强以及维持时间位于二者之间。当进入提升阶段时，1.0mm试件在承受1 050MPa 的压力后破裂；1.2mm 试件在受到1 100MPa 的压力影响下提升速率放缓，一段时间后，纤维开始破裂；虽然1.5mm 直径的试件最高拉伸强度略高于1.2mm 直径的试件，但其纤维破损速度更快。每一种直径的连接式末端纤维均拥有强大的黏结能力，尤其是1.0mm 的纤维在承受拉伸压力时展示出相对的平稳性，虽然1.5mm 的纤维在承受拉伸压力时展示出了优秀特质，但破损风险更大。所以，相对来说，1.2mm的纤维总体效果更好。

2.2 循环拉拔试验

经过多轮拉伸试验，获得各类试件的拉伸应力-位移曲线。对于不同直径的直形端头的通长埋深试件，可以观察到其在循环拉伸试验中的拉伸应力-位移曲线。具体来说，1.2mm 和1.5mm试样展示出鲜明的断裂特征，而在第二轮的循环期间，1.2mm 试件的应力明显减少。随着后续的每一轮循环，最高拉伸压力会逐步降低，然而其斜度会逐步增加，直到位移量达到9mm，压力完全消失。1.5mm 的试件在第一轮负荷作用下压力明显下降，随后的下滑路径与1.2mm 的试件类似，大约到7mm 厚度时，压力下滑至0。在先前两轮的提高阶段后期，1.0mm 直径试件的试验曲线与其他两种试件相比，提高速率有所降低，在第三轮循环中压力逐步降低，在下行阶段曲线的前半段的提升速度相对于后两个试件较慢，同时，曲线呈现出明显的上下波动，当转移到大约8mm 时，压力降至0。

由于SMAF 的屈服点压力并没有达到所有直径的直型纤维的最大拉伸压力，导致不能充分发挥其超弹性属性。1.2mm 试件的黏结力达到330MPa，1.0mm 试件的峰值应力与1.5mm 的试件相比没有明显区别，但最大偏移量超出1.5mm 的试件。在对比后观察到，直形SMAF 的黏合效果欠佳，而且由于黏合距离低于普通试件，所以，在应变率达到4%的情况下，纤维将无法承受压力。在初始的3 个循环中，弯钩形的端部具备一些稳定性，SMAF 可以修正部分变形。但是，由于纤维在弯钩部位会产生压力集中导致弯钩部位的结构发生扭曲，后续纤维将无法持续修复变形，而且当应变值大约为20%时，将停止承受压力；打结式端头在提升纤维与基础的黏结力方面具有重要影响，其最大拉伸应力是直线端头的7 倍，也是弯钩形端头的2.7 倍，为纤维带来了足够的锚固力，从而让SMAF 展现出超强的弹性特性。

2.3 各因素对黏结性能的影响

为更深入地分析SMAF 在各拉拔试件中的黏结性能和使用状态，使用以下参数评估试样表现：

纤维的最大黏结应力τmax的表达式见式（1）。

纤维的最大拉拔应力σf，max的表达式见式（2）。

纤维利用系数μf，其表达式见式（3）。当μf大于100%时，表示纤维断裂。各参数采用试件特征值的平均值计算，具体参数值见表3。

表3 评估参数特征数值

式中：Fmax为最大拉拔荷载；df为SMAF 的直径；ιe为SMAF 与基体黏结长度；fy为SMAF的抗拉强度。

3 结语

本文在探讨SMAF 和高延性水泥基复合材料的黏结性时进行了直接拉拔测试和循环拉拔测试，并得到了各试件的压缩—位移曲线。通过对关键参数的对照，可以对各试件的黏结性进行评价，未来可以深入研究高延性水泥基复合材料的基体强度如何影响其黏结性能。虽然SMAF 的固定可以通过打结型端头实现，但制造流程相当烦琐，并且无法准确地调整端头的大小。因此，未来应该研究其他更易于生产和管理的端部形态。