SMAF 在高延性水泥基復合材料中的黏結性能試驗研究

侯旭林 錢曉倉 李朋飛

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.河南興業環保科技有限公司，河南 鄭州 450006；3.河南重泰建材有限責任公司，河南 漯河 462300）

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1 SMAF

選擇具有超強彈性的記憶合金線材，其直徑分別為1.0mm、1.2mm 和1.5mm。線材的主要化學成分是55.86%的Ni 和44.14%的Ti。經過差式掃描熱量法的檢測，發現形狀記憶合金絲的奧氏體相變從-34.60℃開始到-18.19℃完成。在這個過程中，SMAF 會逐步轉化為奧氏體，同時，展示出其極高的彈性。采取100mm 的標準間隔，利用位移調節負荷，速率為2mm/min，對采用的形狀記憶合金絲實施了直接拉拔和循環拉拔試驗，試驗結果如圖1 所示。

圖1 形狀記憶合金直接拉伸應力－應變曲線

1.1.2 試驗原材料及高延性水泥基復合材料配合比

①試驗原材料：水泥為P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級高品質粉煤灰具有43μm 的微小粒徑，密度為2.4g/cm3，含水率為0.5%；白色晶體石英砂細度范圍在100～200 目之間；纖維采用高強高模量聚乙烯醇（PVA），纖維長度為9mm、直徑為31μm，抗拉強度為1 500MPa，彈性模量為42GPa，伸展速率為6%；減水劑為聚羧酸高性能減水劑。

②高延性水泥基復合材料配合比：高延性水泥基復合材料配合比見表1，根據流動性能適當地調節減水劑的使用量。薄板拉伸試驗結果表明，高延性水泥基復合材料的最大拉伸應力可高達3%，并且存在許多裂縫；試驗使用的SMAF 展現出了超強的彈性。當高延性水泥基材料的最高拉伸應力值高于3%時，直徑為1mm 和1.2mm的SMAF 在進行循環拉伸試驗時，其恢復效果超過了95%，而直徑為1.5mm 的SMAF 恢復效果則高于85%。假設SMAF 和高延性水泥基復合材料此刻擁有良好的黏合性，在拉伸恢復后，高延性水泥材料將使SMAF 更加穩定，從而使SMAF 展示出其超強的彈性特性，封堵微小且均勻的裂縫。

表1 高延性水泥基復合材料配合比

1.2 SMAF 直徑和端部形態對黏結力性能影響試驗方法

制作了4 組試件，探討直徑和端部形態對SMAF 與高延性水泥基礎材料黏結力的作用。試件分組數據見表2。

表2 試件分組數據

試件為狗骨形，在測量SMAF 和高延性水泥基復合材料的黏結長度時，不考慮彎曲和打結部位的長度。在試件制作過程中，將脫模劑均勻地涂抹到模具中，并將一塊1mm 厚的塑料板放在試件尾部進行更好地脫模。在預先準備好的塑料板中，根據試件要求將SMAF 插入預設深度，并放在試件前端。依據試驗設定的高延性水泥基復合材料的配比提取其中的成分，然后依次進行混合。獲得最終的混合物后，在SMAF 底部施加一層，然后用振搗棒對其進行振搗，將剩余的混合物倒入模具進行二次振搗。在全程操作中，要盡量維持SMAF 的自由端穩定，保證SMAF 處于試樣的核心位置，同時，減少埋設深度的偏差。使用刮板使試件外表平整，從而保證試件尺寸均勻。試件制備完成后，將其置于標準養護箱內進行24h脫模處理，并對其進行編號后放入水箱中，持續進行28d 的標準養護，再進行下一步試驗。

2 試驗結果分析

2.1 直接拉拔試驗

通過直接拉拔測試，獲取每一組試件拉伸應力-位移曲線，試驗曲線在3 種不同直徑的連接式接口部分呈現類似于直線的特性，并且傾角大致相同。在平臺過程中，1.0mm 試件壓強維持時間最長，但其壓強值最低；1.2mm 試件壓強最大，但壓強維持時間最短；1.5mm 試件的壓強以及維持時間位于二者之間。當進入提升階段時，1.0mm試件在承受1 050MPa 的壓力后破裂；1.2mm 試件在受到1 100MPa 的壓力影響下提升速率放緩，一段時間后，纖維開始破裂；雖然1.5mm 直徑的試件最高拉伸強度略高于1.2mm 直徑的試件，但其纖維破損速度更快。每一種直徑的連接式末端纖維均擁有強大的黏結能力，尤其是1.0mm 的纖維在承受拉伸壓力時展示出相對的平穩性，雖然1.5mm 的纖維在承受拉伸壓力時展示出了優秀特質，但破損風險更大。所以，相對來說，1.2mm的纖維總體效果更好。

2.2 循環拉拔試驗

經過多輪拉伸試驗，獲得各類試件的拉伸應力-位移曲線。對于不同直徑的直形端頭的通長埋深試件，可以觀察到其在循環拉伸試驗中的拉伸應力-位移曲線。具體來說，1.2mm 和1.5mm試樣展示出鮮明的斷裂特征，而在第二輪的循環期間，1.2mm 試件的應力明顯減少。隨著后續的每一輪循環，最高拉伸壓力會逐步降低，然而其斜度會逐步增加，直到位移量達到9mm，壓力完全消失。1.5mm 的試件在第一輪負荷作用下壓力明顯下降，隨后的下滑路徑與1.2mm 的試件類似，大約到7mm 厚度時，壓力下滑至0。在先前兩輪的提高階段后期，1.0mm 直徑試件的試驗曲線與其他兩種試件相比，提高速率有所降低，在第三輪循環中壓力逐步降低，在下行階段曲線的前半段的提升速度相對于后兩個試件較慢，同時，曲線呈現出明顯的上下波動，當轉移到大約8mm 時，壓力降至0。

由于SMAF 的屈服點壓力并沒有達到所有直徑的直型纖維的最大拉伸壓力，導致不能充分發揮其超彈性屬性。1.2mm 試件的黏結力達到330MPa，1.0mm 試件的峰值應力與1.5mm 的試件相比沒有明顯區別，但最大偏移量超出1.5mm 的試件。在對比后觀察到，直形SMAF 的黏合效果欠佳，而且由于黏合距離低于普通試件，所以，在應變率達到4%的情況下，纖維將無法承受壓力。在初始的3 個循環中，彎鉤形的端部具備一些穩定性，SMAF 可以修正部分變形。但是，由于纖維在彎鉤部位會產生壓力集中導致彎鉤部位的結構發生扭曲，后續纖維將無法持續修復變形，而且當應變值大約為20%時，將停止承受壓力；打結式端頭在提升纖維與基礎的黏結力方面具有重要影響，其最大拉伸應力是直線端頭的7 倍，也是彎鉤形端頭的2.7 倍，為纖維帶來了足夠的錨固力，從而讓SMAF 展現出超強的彈性特性。

2.3 各因素對黏結性能的影響

為更深入地分析SMAF 在各拉拔試件中的黏結性能和使用狀態，使用以下參數評估試樣表現：

纖維的最大黏結應力τmax的表達式見式（1）。

纖維的最大拉拔應力σf，max的表達式見式（2）。

纖維利用系數μf，其表達式見式（3）。當μf大于100%時，表示纖維斷裂。各參數采用試件特征值的平均值計算，具體參數值見表3。

表3 評估參數特征數值

式中：Fmax為最大拉拔荷載；df為SMAF 的直徑；ιe為SMAF 與基體黏結長度；fy為SMAF的抗拉強度。

3 結語

本文在探討SMAF 和高延性水泥基復合材料的黏結性時進行了直接拉拔測試和循環拉拔測試，并得到了各試件的壓縮—位移曲線。通過對關鍵參數的對照，可以對各試件的黏結性進行評價，未來可以深入研究高延性水泥基復合材料的基體強度如何影響其黏結性能。雖然SMAF 的固定可以通過打結型端頭實現，但制造流程相當煩瑣，并且無法準確地調整端頭的大小。因此，未來應該研究其他更易于生產和管理的端部形態。