SMA絲增強SHCC拉伸時的變形和裂紋自回復性能研究

王 鋼，孫明清，劉記立，王應軍

(武漢理工大學新材料力學理論與應用湖北省重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

形狀記憶合金(SMA)是一種具有形狀記憶效應和超彈性的智能材料。形狀記憶效應是指SMA在環境溫度低于其相變溫度時，對其加載并卸載，卸載后存在殘余應變，此時對SMA加熱，殘余應變消失，SMA回復到加載前的形狀。超彈性是由應力誘導馬氏體相變產生的，卸載時可從非彈性變形回復到變形前的初始形狀。將SMA線材或棒材置于混凝土梁柱結構中，利用超彈性使之具有良好的抗震吸能能力[1-2]。利用形狀記憶效應給混凝土結構施加預應力，通過加熱驅動可減小殘余撓度和裂縫寬度，并提高結構的承載能力[3-6]。為解決SMA與混凝土變形不協調，Kim等[7-9]通過冷拉工藝降低SMA絲的延性并提高其強度和彈性模量，研究了具有不同端部形狀的SMA絲在水泥砂漿中的拔出性能。應變硬化水泥基復合材料(SHCC)是一種高性能纖維增強水泥基復合材料，呈現多裂紋開裂機制，具有較高的延性，極限拉伸應變達3%以上，在道路工程、橋梁和高層建筑中都有應用[10]。國內外學者研究了SHCC拉伸時裂紋寬度、裂紋間距和材料耐久性的關系，表明SHCC產生的多條細裂紋影響該材料的長期使用性能[11-13]。而且，SHCC在卸載后由于裂紋不能完全閉合，也存在較大的殘余應變。Li等[14]將SMA絞線埋入SHCC梁中，使之具有較好的能量耗散和裂紋控制能力。但有關SMA絲增強SHCC的變形和裂紋回復性方面的研究還較少。

本文將單根SMA絲埋入到SHCC中，憑借SMA的形狀記憶效應提高SHCC的裂紋和變形回復性能，采用循環拉伸試驗研究了SMA絲的預拉伸變形量對SHCC拉伸應力-應變關系、SHCC的殘余應變回復率、裂紋平均寬度、裂紋回復性等的影響，為SMA絲在SHCC中的應用提供思路。

1 實 驗

1.1 試樣制備

SMA絲為直徑2 mm的NiTi合金絲，采用差熱分析(DSC)法測得其相變溫度如表1所示。表1中，As為奧氏體相變開始溫度，Af為奧氏體相變完成溫度，Ms為馬氏體相變開始溫度，Mf為馬氏體相變完成溫度。可見，選用的材料在室溫下為馬氏體相，具有形狀記憶效應。其拉伸應力-應變曲線如圖1所示，經過彈性、屈服和強化3個階段。由圖1可得該材料的力學指標如下：彈性模量EM為18.2 GPa，相變開始臨界應力σms為263 MPa，相變結束臨界應力σmf為276 MPa，拉伸至相變結束后卸載，卸載后的殘余應變即最大相變應變εmax為5.5%。

表1 NiTi合金絲的相變溫度Table 1 Phase transition temperature of NiTi alloy wire /℃

圖1 SMA絲的拉伸應力-應變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curve of SMA wire

為增強SMA絲與基體的錨固作用，先將絲的端部彎成鉤狀，再進行時效處理。即把SMA絲置于冷水中且露出彎鉤部分，采用熱風槍加熱彎鉤，溫度為600 ℃，加熱90 s后淬火。然后，預拉伸SMA絲，使卸載后的殘余應變分別為2%、4%和5.5%。根據殘余應變的大小將SMA絲增強的SHCC試樣分別記為S0、S2、S4和S5.5，代號后面的數字表示預拉伸后的殘余應變，0指SMA絲未經預拉伸。每種試樣3個。

配制SHCC的原材料包括42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰、最大粒徑為0.3 mm的細砂、減水劑、PVA纖維(纖維長度12 mm，直徑39 μm)。質量配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶減水劑=1∶2∶1.35∶0.93∶0.012，PVA纖維體積摻量為2%。先將水泥、粉煤灰和砂干拌1 min，然后將80%的減水劑和水加入，低速攪拌2 min，再邊攪拌邊加入PVA纖維，歷時約3 min。最后高速攪拌1 min，并加入剩下的減水劑。拉伸試樣尺寸按照日本土木工程師協會推薦規范確定[15]，如圖2所示。澆注至模具厚度一半時振動30 s使其密實，再將一根SMA絲埋入，最后澆注另一半。試樣在室溫下靜置24 h后脫模，然后將試樣置于標準養護箱中養護28 d。

1.2 試驗方法

測試系統如圖3所示。加載設備為Instron5882的材料試驗機，試樣固定在拉伸夾具上，采用三維非接觸變形測量系統(VIC-3D系統)測量拉伸變形和裂紋。該系統包括圖像采集裝置和數據處理軟件，先在被測試樣表面制作散斑，再通過雙相機捕捉散斑特征在像素級別的位移，采用優化的數字圖像相關性(DIC)法則進行圖像分析，得出位移場和應變場。根據拍攝的圖像，統計不同拉伸應變時的裂紋條數和每條裂紋的寬度，計算裂紋平均寬度。每個拉伸循環過程包括加載-卸載-加熱SMA絲-再次卸載-冷卻至室溫5個階段。循環時拉伸變形幅值約按極限應變的25%遞增。如在第1個拉伸循環中，拉伸至極限應變的25%時，卸載至20 N，加載和卸載速率為0.4 mm/min，然后采用熱風槍加熱(溫度為200 ℃，流量500 L/min)試樣10 min，SMA絲發生逆馬氏體相變產生回復力，再將回復力卸載，最后自然冷卻至室溫，之后開始下一循環。在循環拉伸的各個階段均測試試樣的變形和裂紋，測試區域為30 mm×80 mm。試驗時環境溫度為25 ℃，相對濕度75%。

圖2 拉伸試樣
Fig.2 Tensile specimen

圖3 測試系統
Fig.3 Test system

2 結果與討論

2.1 SMA絲增強SHCC循環拉伸時的力學性能

循環拉伸下幾種試樣的應力-應變曲線如圖4所示。應力為試樣橫截面的平均拉應力(包括SMA絲)，應變為測試區域軸向平均拉應變。在加載起始段，應力-應變曲線線性關系較好，為彈性階段。基體初裂后進入應變硬化階段，即隨著應變的增加，應力呈現波動上升的趨勢，曲線的波動與細裂紋的產生有關。卸載時，由于多條細裂紋的產生，卸載后有殘余應變產生。采用熱風槍對試樣加熱，當達到奧氏體轉變溫度時，SMA絲發生馬氏體逆相變(非孿晶馬氏體向奧氏體轉變)，SMA絲發生變形回復。但由于試驗機橫梁保持固定，SMA絲回復受到橫梁約束，使得試樣承受拉應力，也稱為回復力[16]。因此，在圖4中可見，加熱試樣時有回復力產生，而應變略有減小。在隨后的回復力卸載階段，在回復力作用下SHCC產生較大的應變回復，殘余應變也隨之減小。最后，冷卻至室溫過程中應變變化不大(熱膨冷縮引起的變形可忽略不計[17])。

進入下一個加載循環時，上一加載循環所產生的裂紋張開，導致應力-應變曲線線性段的斜率比前次循環時減小。當線性段的峰值超過或接近前一次卸載時的荷載值時，產生新的細裂紋，試樣進入應變硬化階段。由于細裂紋條數增加，卸載后的殘余應變隨循環次數增加而增加。在最后一個拉伸循環，基體中某處細裂紋擴展為主裂紋，但SMA絲未發生斷裂(SMA絲的延性高于SHCC)，荷載并未突然下降，卸載后加熱SMA絲，殘余應變仍明顯減小。

由應力-應變曲線可得SMA絲增強SHCC的初裂強度、初裂應變、極限(拉伸)強度和極限(拉伸)應變，結果如表2所示。此處取第1個循環應力-應變曲線線性段的最大應力為初裂強度，此時對應的應變為初裂應變，取應力-應變曲線的最高點為極限強度，對應的應變為極限應變。表2中SHCC指未埋SMA絲的SHCC試樣，限于篇幅，未給出這種試樣的應力-應變曲線。由表2可見，埋入SMA絲后SHCC的強度提高幅度較大，試樣S5.5的極限強度最高，約為SHCC的2倍。埋入SMA絲后SHCC的極限應變也比SHCC的高，試樣S4和S5.5的極限應變高于試樣S2和S0。說明SMA絲能與PVA纖維共同承擔拉伸荷載，阻止PVA纖維的過早拉斷或拔出，控制局部細裂紋的張開，提高延性。

圖4 循環拉伸下的SMA絲增強SHCC的應力-應變曲線
Fig.4 Stress-strain curves of SMA wire reinforced SHCC under cyclic stretching

表2 SMA絲增強SHCC的拉伸力學性能
Table 2 Tensile mechanical properties of SMA wire reinforced SHCC

SampleFirst crack stress/MPaFirst crack strain/%Ultimate tensile stress/MPaUltimate tensile strain/%S06.02±0.340.028±0.0108.10±0.393.88±0.48S26.31±0.470.027±0.0068.56±0.393.53±0.37S46.22±1.380.031±0.0098.60±0.564.21±0.24S5.56.54±0.590.027±0.00110.68±0.474.18±0.29SHCC4.21±0.540.024±0.0035.54±0.283.26±0.26

2.2 SMA絲驅動下SHCC變形自回復性能

圖5 循環拉伸下SMA絲增強SHCC的簡化應力-應變曲線Fig.5 Simplified stress-strain curves of SMA wire reinforced SHCC under cyclic stretching

為描述SMA絲增強SHCC的變形回復性能，定義變形回復率這一概念。將圖4所示的應力-應變曲線簡化為圖5，圖中O→A→B→C→D為第1個循環，D→E→F→G→H表示第2個循環，依次類推。以第2個循環為例，定義圖5中HG/DG為變形回復率，即SMA絲驅動引起的殘余應變減小量與卸載時的殘余應變(不包括上一循環加熱后的殘余應變)之比值。

4種試樣的變形回復率如圖6所示。可見，試樣S0的變形回復率為20%～42%，而試樣S2、S4和S5.5的變形回復率為60%～90%。因此，SMA絲未預拉伸時的變形回復率明顯低于經過預拉伸處理的SMA絲。試樣S2、S4和S5.5的變形回復率相差不大，前3次循環隨殘余應變增加，變形回復率也增加。在第4次循環時，回復率減小，這與主裂紋的形成有關，SMA絲在主裂紋處的應變可能超過其最大相變應變。試樣S0的變形回復率隨循環次數增加而增加，這是由于其回復力隨循環次數增加而增加(見圖7)。圖7中SMA絲的回復力采用試樣升溫時產生的拉力除以SMA絲的橫截面積得到。由圖7可見，試樣S0中SMA絲的回復力增加幅度較大，而預拉伸SMA絲的回復力比較穩定，在350 MPa左右。

圖6 SMA絲增強SHCC的變形回復率
Fig.6 Deformation recovery rate of SMA wire reinforced SHCC

圖7 SMA絲驅動時產生的回復應力
Fig.7 Recovery stress of SMA wire during heating

2.3 SMA絲驅動下SHCC裂紋自回復性能

采用VIC-3D獲取的試樣表面裂紋分布圖像如圖8所示。圖8僅列舉了這4種試樣在第3個加載循環時SMA絲驅動前(拉伸載荷完全卸載時)和驅動后(試樣冷卻至室溫時)的裂紋圖像，在其它3個加載循環中也有類似的裂紋圖像。由圖8可知，SMA絲驅動前試樣表面都分布有多條幾乎平行的細裂紋。比較SMA絲驅動后的圖像發現，試樣S0在SMA絲驅動下的裂紋閉合不如試樣S2、S4和S5.5明顯，這是由于SMA絲經過預拉伸后的回復應力高于未經預拉伸的SMA絲(見圖7)。

圖8 SMA絲驅動前、后試樣表面裂紋分布圖像(第3個加載循環)
Fig.8 Surface crack distribution images of the SMA wire before and after heating (the third loading cycle)

統計裂紋條數和每條裂紋的寬度,得出不同應變時的裂紋平均寬度如圖9所示。可見，除第4個循環由于產生較寬的主裂紋外，4種試樣在前3次循環拉伸的加載階段，隨應變增加，裂紋平均寬度增加，裂紋平均寬度不超過100 μm，而且試樣S5.5的裂紋平均寬度最小，約在60 μm以下。結合試樣S5.5的極限強度最高來分析(見表2)，當SMA絲的預拉伸殘余應變為5.5%時，SMA絲的應力-應變曲線將進入到圖1所示的強化階段，將能承擔更大的拉伸荷載，阻裂的能力增強。

圖9中的虛線小方框和實線小圓框分別表示SMA絲驅動前、驅動后的裂紋平均寬度。可見，這4種試樣在SMA驅動后的裂紋平均寬度有較大的不同，試樣S0在SMA驅動后的裂紋平均寬度在50 μm左右，試樣S2和S4在SMA驅動后的裂紋平均寬度在25 μm左右，而試樣S5.5在SMA驅動后的裂紋平均寬度在10 μm左右。表明SMA絲預拉伸殘余應變較大時，裂紋的回復性較好。在SHCC材料的工程應用中，較細的裂紋寬度有利于降低材料的滲水性和氯離子滲透率，提高其耐久性[11-13]。同時，較細的裂紋寬度也為裂紋自愈合創造了有利的條件。

圖9 SMA絲增強SHCC循環拉伸時的裂紋平均寬度變化
Fig.9 Variation of average crack width of SMA wire reinforced SHCC during cyclic stretching

3 結 論

(1)SMA絲提高了SHCC的初裂強度、極限強度和極限應變。埋入預拉伸應變為5.5%的SMA絲時SHCC的極限強度約為普通SHCC的2倍，SMA絲的預拉伸應變較大時，SMA增強SHCC的延性較好。循環拉伸加載過程中，在主裂紋出現前，SMA增強SHCC的裂紋平均寬度不超過100 μm。

(2)采用加熱方法驅動SMA絲變形回復，可使SHCC的殘余應變減小。對于埋未經預拉伸的SMA絲的試樣，其變形回復率為20%～42%，而埋經預拉伸的SMA絲的試樣，變形回復率達到60%～90%。

(3)隨著SMA絲預拉伸應變的增加，SMA絲驅動后SHCC中裂紋的平均寬度變小。驅動預拉伸應變為5.5%的SMA絲時，SMA增強SHCC的裂紋平均寬度約為10 μm。