SMAF 在高延性水泥基復(fù)合材料中的黏結(jié)性能試驗(yàn)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(yè)環(huán)保科技有限公司，河南 鄭州 450006；3.河南重泰建材有限責(zé)任公司，河南 漯河 462300）

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 SMAF

選擇具有超強(qiáng)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(xué)成分是55.86%的Ni 和44.14%的Ti。經(jīng)過差式掃描熱量法的檢測，發(fā)現(xiàn)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(gè)過程中，SMAF 會逐步轉(zhuǎn)化為奧氏體，同時(shí)，展示出其極高的彈性。采取100mm 的標(biāo)準(zhǔn)間隔，利用位移調(diào)節(jié)負(fù)荷，速率為2mm/min，對采用的形狀記憶合金絲實(shí)施了直接拉拔和循環(huán)拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 形狀記憶合金直接拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線

1.1.2 試驗(yàn)原材料及高延性水泥基復(fù)合材料配合比

①試驗(yàn)原材料：水泥為P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級高品質(zhì)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(xì)度范圍在100～200 目之間；纖維采用高強(qiáng)高模量聚乙烯醇（PVA），纖維長度為9mm、直徑為31μm，抗拉強(qiáng)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(fù)合材料配合比：高延性水泥基復(fù)合材料配合比見表1，根據(jù)流動性能適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)減水劑的使用量。薄板拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，高延性水泥基復(fù)合材料的最大拉伸應(yīng)力可高達(dá)3%，并且存在許多裂縫；試驗(yàn)使用的SMAF 展現(xiàn)出了超強(qiáng)的彈性。當(dāng)高延性水泥基材料的最高拉伸應(yīng)力值高于3%時(shí)，直徑為1mm 和1.2mm的SMAF 在進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)時(shí)，其恢復(fù)效果超過了95%，而直徑為1.5mm 的SMAF 恢復(fù)效果則高于85%。假設(shè)SMAF 和高延性水泥基復(fù)合材料此刻擁有良好的黏合性，在拉伸恢復(fù)后，高延性水泥材料將使SMAF 更加穩(wěn)定，從而使SMAF 展示出其超強(qiáng)的彈性特性，封堵微小且均勻的裂縫。

表1 高延性水泥基復(fù)合材料配合比

1.2 SMAF 直徑和端部形態(tài)對黏結(jié)力性能影響試驗(yàn)方法

制作了4 組試件，探討直徑和端部形態(tài)對SMAF 與高延性水泥基礎(chǔ)材料黏結(jié)力的作用。試件分組數(shù)據(jù)見表2。

表2 試件分組數(shù)據(jù)

試件為狗骨形，在測量SMAF 和高延性水泥基復(fù)合材料的黏結(jié)長度時(shí)，不考慮彎曲和打結(jié)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(jìn)行更好地脫模。在預(yù)先準(zhǔn)備好的塑料板中，根據(jù)試件要求將SMAF 插入預(yù)設(shè)深度，并放在試件前端。依據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的高延性水泥基復(fù)合材料的配比提取其中的成分，然后依次進(jìn)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(jìn)行振搗，將剩余的混合物倒入模具進(jìn)行二次振搗。在全程操作中，要盡量維持SMAF 的自由端穩(wěn)定，保證SMAF 處于試樣的核心位置，同時(shí)，減少埋設(shè)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行24h脫模處理，并對其進(jìn)行編號后放入水箱中，持續(xù)進(jìn)行28d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，再進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直接拉拔試驗(yàn)

通過直接拉拔測試，獲取每一組試件拉伸應(yīng)力-位移曲線，試驗(yàn)曲線在3 種不同直徑的連接式接口部分呈現(xiàn)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(qiáng)維持時(shí)間最長，但其壓強(qiáng)值最低；1.2mm 試件壓強(qiáng)最大，但壓強(qiáng)維持時(shí)間最短；1.5mm 試件的壓強(qiáng)以及維持時(shí)間位于二者之間。當(dāng)進(jìn)入提升階段時(shí)，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(shí)間后，纖維開始破裂；雖然1.5mm 直徑的試件最高拉伸強(qiáng)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(qiáng)大的黏結(jié)能力，尤其是1.0mm 的纖維在承受拉伸壓力時(shí)展示出相對的平穩(wěn)性，雖然1.5mm 的纖維在承受拉伸壓力時(shí)展示出了優(yōu)秀特質(zhì)，但破損風(fēng)險(xiǎn)更大。所以，相對來說，1.2mm的纖維總體效果更好。

2.2 循環(huán)拉拔試驗(yàn)

經(jīng)過多輪拉伸試驗(yàn)，獲得各類試件的拉伸應(yīng)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(huán)拉伸試驗(yàn)中的拉伸應(yīng)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(huán)期間，1.2mm 試件的應(yīng)力明顯減少。隨著后續(xù)的每一輪循環(huán)，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(dá)到9mm，壓力完全消失。1.5mm 的試件在第一輪負(fù)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(shí)，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(yàn)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(huán)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(gè)試件較慢，同時(shí)，曲線呈現(xiàn)出明顯的上下波動，當(dāng)轉(zhuǎn)移到大約8mm 時(shí)，壓力降至0。

由于SMAF 的屈服點(diǎn)壓力并沒有達(dá)到所有直徑的直型纖維的最大拉伸壓力，導(dǎo)致不能充分發(fā)揮其超彈性屬性。1.2mm 試件的黏結(jié)力達(dá)到330MPa，1.0mm 試件的峰值應(yīng)力與1.5mm 的試件相比沒有明顯區(qū)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(yīng)變率達(dá)到4%的情況下，纖維將無法承受壓力。在初始的3 個(gè)循環(huán)中，彎鉤形的端部具備一些穩(wěn)定性，SMAF 可以修正部分變形。但是，由于纖維在彎鉤部位會產(chǎn)生壓力集中導(dǎo)致彎鉤部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，后續(xù)纖維將無法持續(xù)修復(fù)變形，而且當(dāng)應(yīng)變值大約為20%時(shí)，將停止承受壓力；打結(jié)式端頭在提升纖維與基礎(chǔ)的黏結(jié)力方面具有重要影響，其最大拉伸應(yīng)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(xiàn)出超強(qiáng)的彈性特性。

2.3 各因素對黏結(jié)性能的影響

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

纖維的最大黏結(jié)應(yīng)力τmax的表達(dá)式見式（1）。

纖維的最大拉拔應(yīng)力σf，max的表達(dá)式見式（2）。

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

表3 評估參數(shù)特征數(shù)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(jié)長度；fy為SMAF的抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié)語

本文在探討SMAF 和高延性水泥基復(fù)合材料的黏結(jié)性時(shí)進(jìn)行了直接拉拔測試和循環(huán)拉拔測試，并得到了各試件的壓縮—位移曲線。通過對關(guān)鍵參數(shù)的對照，可以對各試件的黏結(jié)性進(jìn)行評價(jià)，未來可以深入研究高延性水泥基復(fù)合材料的基體強(qiáng)度如何影響其黏結(jié)性能。雖然SMAF 的固定可以通過打結(jié)型端頭實(shí)現(xiàn)，但制造流程相當(dāng)煩瑣，并且無法準(zhǔn)確地調(diào)整端頭的大小。因此，未來應(yīng)該研究其他更易于生產(chǎn)和管理的端部形態(tài)。