形狀記憶合金纖維對混凝土力學性能的影響

袁佳琦

（內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010）

混凝土材料因其抗壓強度高、材料方便、施工方便等優點，已成為民用建筑和軍事工程設施中應用最廣泛的建筑材料。但由于混凝土抗拉強度低、抗沖擊性差、脆性斷裂，在實際應用中受到了限制。纖維增強混凝土的出現成為解決這個問題的有效途徑[1-2]。學者通過單一或混合摻入鋼纖維[3]、聚丙烯纖維[4]、碳纖維[5]、玻璃纖維[6]和玄武巖纖維[7]等來改善混凝土性能。隨著SMA 在土木工程領域內的研究與應用日益增多，眾多學者將目光投向建筑材料，將SMA 纖維加入水泥基材料中，宋夢凡[8]則通過正交試驗確定SHCC 最佳配合比，水膠比為0.32，PVA 纖維、NiTi 纖維摻量、碳酸鈣晶須摻量分別為1.2%、0.9%、1.5%，28 d 抗壓和抗彎強度較對照組相比分別提高2.4%和51%。Aslani 等[9]通過靜態和循環彎曲試驗對NiTi 纖維、聚丙烯纖維以及鋼纖維自密實混凝土的強度和韌性進行評估，試驗對試件的殘余變形和跨中撓度恢復進行測試，試驗證明SMA 纖維可以延緩裂縫的擴展和傳播。Ali 等[10-11]對SMA 纖維高延性水泥基材料的黏結、沖擊及受彎性能進行測試，SMA 纖維提升了高延性水泥基材料各項性能并提供了自修復性能。本文將SMA 纖維應用于混凝土中，設計了形狀記憶合金纖維增強混凝土（SMAFRC），纖維體積分數分別為0、0.3%、0.6%、0.9%，對所設計的SMAFRC 進行立方體抗壓、劈裂抗拉以及抗折試驗。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比設計

試驗采用蒙西牌普通硅酸鹽水泥P·O42.5，細骨料為中砂，含泥量為1.9%，表觀密度為2 619 kg/m3，堆積密度1 499 kg/m3；采用粒徑5~20 mm 連續級配的石子作為粗骨料；減水劑采用聚羧基高效減水劑，減水率為20%；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；混凝土拌合用水為自來水。

混凝土配比參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行設計。試驗設計混凝土強度等級為C30，水膠比為0.55，砂率為38%，基準混凝土配合比見表1。

表1 基準混凝土配合比kg·m-3

1.2 試件制備

本次試驗依據JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應用技術規程》，以不同體積分數（0%、0.3%、0.6%和0.9%）加入基準混凝土中，配制形狀記憶合金增強混凝土（以下記為SMA-FRC）試件，SMA-FRC 各體積分數試件分別用S-0（普通混凝土）、S-0.3、S-0.6 和S-0.9 表示。放入20±2 ℃，相對濕度95%的環境中養護28 d 后進行測試。

1.3 試驗方法

立方體抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，加載速度為0.5 MPa/s。劈裂抗拉試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，加載速度為0.05 MPa/s。采用四點彎曲法測試混凝土試件的抗彎強度，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件凈跨度為300 mm，加載速度為0.05 MPa/s。

2 試驗結果及分析

2.1 立方體抗壓強度

由圖1 可知，在2 種溫度條件下，混凝土立方體抗壓強度呈現不同增長趨勢。在20 ℃時，SMA-FRC 試件立方體抗壓強度隨纖維體積分數的增大呈階梯式增長。在100 ℃時，纖維體積分數的增大并沒有給混凝土立方體抗壓強度帶來持續增強，改變了混凝土在室溫下抗壓強度的增長趨勢。立方體抗壓強度呈現先增大后減小的增長趨勢。在20 ℃時，S-0 試件立方體抗壓強度為34.9 MPa，S-0.9 試件立方體抗壓強度最大為39.1 MPa 較S-0 抗壓強度相比增幅達12.0%。S-0.3、S-0.6 試件抗壓強度分別為36.4 MPa 和38.0 MPa 較S-0 試件提升約4.3%和8.9%。在100 ℃時，混凝土立方體抗壓強度較20 ℃時均出現不同程度的下降，但任何體積分數下的SMAFRC 試件立方體抗壓強度仍高于S-0 試件。S-0.6 試件抗壓強度最大為36.2 MPa 較S-0試件33.8 MPa 提升約7.1%。

圖1 SMAFRC 立方體抗壓強度

SMA 纖維作為高延性合金纖維被水泥漿體包裹在混凝土內部亂向分布，填充在骨料與水泥漿體之間，不僅在骨料與水泥之間起橋接作用，還減少混凝土內部微裂縫的生成，有效延緩微裂縫的擴展，降低混凝土內部孔隙率提高混凝土密實度，從而提高混凝土立方體抗壓強度。SMA 纖維體積分數最大的S-0.9試件有更多的纖維橋接水泥基體，較其余試件呈現更高強度。在100 ℃時混凝土立方體抗壓強度降低，是由于溫度升高SMA 內部馬氏體逆向變的形狀恢復，使原本處于約束態的SMA 纖維對裹握纖維水泥基體造成一定影響。此外，試驗所用SMA 纖維表面光滑且纖維無勾狀末端與基體間的錨固，在混凝土中不具有足夠的錨固強度，包裹纖維的水泥基體發生破壞，纖維產生滑移，纖維中產生的應力沒有達到較高的應力水平。

2.2 劈裂抗拉強度

試件的劈裂抗拉強度如圖2 所示。在2 種溫度時，SMAFRC 劈裂抗拉強度隨纖維體積分數增加而持續增長。S-0.9 試件在2 種溫度時劈裂抗拉強度分別為3.30 MPa 和3.14 MPa，對混凝土劈裂抗拉強度提升最大，較S-0 試件2.49 MPa 和2.39 MPa 分別提升32.5%和31.4%。S-0.3 試件在2 種溫度時劈裂抗拉強度分別為2.78 MPa 和2.50 MPa，較S-0 試件提升較小，分別為11.6%和4.6%。

圖2 SMAFRC 劈裂抗拉強度

在20 ℃時，SMA 纖維的加入改變了普通混凝土劈成兩半的破壞形態，SMA 纖維在混凝土中處于約束態，起橋接作用，裂縫擴展至纖維處可分擔部分荷載且裂縫擴展受SMA 纖維約束，隨著纖維體積分數的增加微裂縫增多，劈裂抗拉強持續提高，試件完整性逐步提升。當溫度提高到100 ℃，SMAFRC 試件隨纖維體積分數的增多，SMA 纖維通過溫度激勵發揮了形狀記憶效應提供了更多驅動力，阻滯內部微裂縫的產生和延伸，同時對裂縫有一定的自修復作用，使試件表面微裂縫數量逐漸增多，試件裂縫寬度變窄。

2.3 抗彎強度

混凝土抗彎強度是混凝土抵抗彎曲荷載的重要依據，為混凝土結構設計提供數據支持。由圖3 可知，在20 ℃時，S-0、S-0.3、S-0.6 和S-0.9 試件抗彎強度分別為4.41、4.75、5.46、5.87 MPa。S-0.3、S-0.6 和S-0.9 試件較S-0 試件抗彎強度分別提升7.7%、23.8%、33.2%。在100 ℃時，S-0.6 試件抗彎強度為5.25 MPa，較S-0試件抗彎強度3.94 MPa 提升33.2%。

圖3 SMAFRC 抗彎強度

在20 ℃時，普通混凝土試件在抗彎試驗中表現出典型的脆性破壞，試件在開裂后，裂縫迅速延伸貫穿試件表面，在達到極限荷載后發出較大的破壞聲，突然斷成2 段。SMAFRC 試件表現為延性破壞，在達到開裂荷載后，試件跨中出現一條主裂縫。隨著荷載繼續增加，混凝土表面微裂縫向梁頂延伸，在達到極限荷載后，試件出現一定撓度但試件并沒有斷裂，纖維體積分數會影響SMA-FRC 試件的裂縫寬度，呈現出裂而不斷的破壞形態。在100 ℃時，隨著纖維體積分數的增加，裂縫寬度隨之減小，表明SMA 在阻滯裂縫擴展方面具有良好性能。同時SMAFRC 試件表現出延性破壞，雖然在抗彎強度上有所下降，但達到開裂荷載后仍能繼續承載。混凝土底部受拉區混凝土開裂后，SMA 纖維在各種微小裂縫間起橋接作用，此時試件所受拉力基本由纖維承擔，光圓型直纖維與基體較差的黏結強度影響了SMA 纖維應力的傳遞水平。

3 結論

1）SMA 纖維能顯著提高普通混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗彎強度。在20 ℃下，S-0.9 試件性能最為優異，S-0.9 試件較S-0 試件對立方體抗壓、劈裂抗拉以及抗彎強度提升最大，分別提升12.0%、32.5%、33.2%。在100 ℃時，S-0.6 試件對立方體抗壓及抗彎強度較S-0 試件分別增幅7.1%、33.2%

2）SMAFRC 試件在2 種溫度時，隨著SMA 體積分數的增加體現了更好的整體性，相較于S-0 試件的脆性破壞，SMAFRC 試件呈現“裂而不碎”的破壞形態。SMAFRC 試件在SMA 纖維的作用下，試件裂縫逐漸收縮，SMA 纖維體積分數越高，SMAFRC 試件裂縫越窄。