SMA丝对SHCC的拉伸性能及裂纹自愈合的影响研究毕业论文
2020-02-18 10:05:29
摘 要
应变硬化水泥基复合材料（SHCC）是一种呈现多裂纹开裂机制与高延性的纤维增强水泥基复合材料，它通过纤维桥联作用和纤维拔出强化控制裂纹的局部化，使之在拉伸或弯曲时形成多条细密的裂纹，避免材料的局部破坏，以提高水泥基材料的拉伸强度和延性。形状记忆合金（SMA）是一种具有感知和驱动功能的智能材料，形状记忆效应和超弹性是其最显著的特性。本文将SMA与SHCC结合起来，采用SMA丝实现SHCC细裂纹的部分自愈合，以期提高材料的耐久性。
本文采用SMA中最常用的高性能Ni-Ti形状记忆合金，设计并制备出预拉伸处理至0%、2%、4%、6%的SMA-SHCC试样，通过累加循环加载的单轴直接拉伸试验，研究SMA-SHCC的拉伸性能，分析并对比了若干荷载点处的裂纹宽度、裂纹条数、裂纹宽度回复率、残余应变回复率等，得到了以下的结论：
（1）SMA丝经过预处理的试样具有较高的变形回复率，变形回复率达70%左右，可以显著地控制卸载后的平均裂纹宽度约为20μm。
（2）SHCC循环拉伸可使SMA丝保持一定的预拉伸变形，再通过外部加热后，使得SMA丝变形恢复，减少SHCC的残余变形。
（3）SMA丝预处理2%~6%的拉伸试样，在变形回复率上无明显影响，但经过4%和6%预拉伸处理的SMA丝可控制SHCC在拉伸至应变为3%~4%时，裂纹平均宽度在100μm以下。
（4）SMA的电阻随拉伸应变增加而增加，灵敏度比较稳定，可通过电阻变化来监测SMA-SHCC试样中的SMA应变。
关键词:形状记忆合金；SHCC；裂纹自愈合；变形回复
Abstract
Strain hardening cement-based composites (SHCC) is a kind of fiber reinforced cement-based composites with multiple cracking and high ductility. SHCC controls the crack localization through fiber bridging and fiber pull-out hardening, so as to form many fine cracks, avoid the local damage in materials during tension, and improve the tensile strength and ductility of cement-based materials. Shape memory alloy (SMA) is a kind of smart material with self-sensing and self-actuating functions. Shape memory effect and super-elasticity are its most remarkable characteristics. In this paper, SMA and SHCC are combined to achieve partial self-healing of SHCC microcracks by shape memory alloy wire to improve the durability of the material.
In this experiment, SMA-SHCC specimens with pre-tension treatment of 0%, 2%, 4% and 6% were designed and fabricated using Ni-Ti shape memory alloy, which is the most commonly used high performance shape memory alloy at present. The tensile properties of SMA-SHCC were studied by uniaxial direct tension test under cumulative cyclic loading. The width of cracks, number of cracks, recovery rate of crack width and residual strain recovery rate were analyzed and compared. The following conclusions are drawn:
（1）The sample pretreated with SMA wire has a high deformation recovery rate （about 70%） and can significantly control the average crack width after heating, which is about 20μm.
（2）SHCC cyclic stretching can maintain a certain pre-stretching deformation of SMA filament, and then through external heating, the deformation of SMA filament can be restored and the residual deformation of SHCC can be reduced.
（3）There is no obvious difference in deformation recovery rate between 2% and 6% SMA wire pretreated tensile specimens. However, 4% and 6% SMA wire pretreatment can obviously control the average crack width of SHCC strain within 3%~4% below 100 μm.
（4）Resistance of SMA wire increases with an increase of tensile strain of SHCC specimens. The SMA strain in SMA-SHCC samples can be monitored by the change of resistance, and the self-detection of SMA-SHCC samples can be realized by monitoring the change of resistance.
Keywords: Shape Memory Alloy; SHCC; Crack Self-healing; Deformation recovery
目 录
第1章 绪论 4
1.1 研究背景和目的意义 4
1.2 形状记忆合金的基本特性 5
1.2.1 形状记忆效应 5
1.2.2 超弹性 6
1.2.3 高阻尼性 7
1.2.4 电阻特性 7
1.3 形状记忆合金增强混凝土结构的应用现状 7
1.4 研究内容和技术路线 8
1.4.1 研究内容 8
1.4.2 技术路线 8
第2章 SMA-SHCC拉伸实验设计和试样制作 10
2.1 SMA-SHCC拉伸实验设计 10
2.2 SMA-SHCC试样的制作 11
2.2.1 SMA和SHCC的性能指标 11
2.2.2 SMA-SHCC试样的具体制备过程 12
第3章 SMA-SHCC的拉伸性能和裂纹回复性 15
3.1 SMA-SHCC试样的直接拉伸试验 15
3.2 SMA-SHCC拉伸实验结果分析 17
3.2.1循环拉伸下SMA-SHCC的变形回复性研究 19
3.2.2 SMA驱动引起的SHCC裂纹平均宽度的变化 23
3.2.3 SHCC循环拉伸时SMA丝的电阻变化 26
3.3 本章小结 28
第4章 结论与展望 29
4.1 结论 29
4.2 展望 29
参考文献 31
致谢 32
第1章 绪论
1.1 研究背景和目的意义
混凝土是目前应用最为广泛的建筑材料。混凝土具有易于就地取材、抗压性能好、价格低廉、整体性好等优点，但也存在自重大、脆性大、抗拉强度较低、易开裂等缺点。裂缝的产生对结构的耐久性和力学性能等产生许多负面影响，从而导致许多混凝土结构的使用寿命往往不足。作为一种脆性材料，混凝土其自身抗拉强度低，在较小的拉应变下很容易发生开裂，由于裂缝的产生而允许水、溶解的氯化物和其他侵蚀性离子进入材料内部并导致一系列恶化过程，从而导致材料的耐久性降低[1]。随着社会的发展，人们对混凝土的要求越来越高，普通的混凝土材料已经无法满足人们的需求，因此混凝土正朝着高强度、高智能、多功能目标发展[2]。如何控制混凝土裂缝的产生和扩展是解决混凝土结构耐久性问题的关键之一[3]。纤维的添加可以有效地控制混凝土裂缝的产生及扩展，在很大程度上可以解决混凝土的开裂问题。然而，普通的高性能纤维混凝土的裂缝控制宽度通常在几百微米左右，尤其当应变超过1.5%时基本上难以再控制裂缝宽度[3]。为了更好地控制裂缝宽度，人们研究出应变硬化水泥基复合材料。
应变硬化水泥基复合材料（Strain hardening cement-based composites，简称SHCC）是一种呈现多裂纹开裂机制与高延性的纤维增强水泥基复合材料，其单轴极限拉应变可达3%-7%[4]。它通过纤维桥联作用和纤维拔出强化控制裂纹的局部化，使之在拉伸或弯曲时形成多条细密的裂纹，避免材料的局部破坏，以提高水泥基材料的拉伸强度和延性。应变硬化水泥基复合材料（SHCC）的理论研究始于1992年，早期的英文名称为“Engineered Cementitious Composite（缩写为ECC）”。Li教授和Leung教授采用微观力学和粘聚裂纹力学的基本原理，提出了纤维增强脆性基复合材料的基本设计理念[5]。他们试图用聚乙烯纤维（polyethylene，简称PE）来增强和增韧水泥基复合材料。1997年Li V C和Kanda等人在ECC中添加聚乙烯醇纤维（polyvinyl achohol，简称PVA）制成PVA纤维增强水泥基复合材料[6]。早期的ECC采用聚乙烯（PE）纤维作为增强材料，由于成本问题，后来采用聚乙烯醇（PVA）纤维来代替。随着对新材料及新工艺的研究，人们通过对原材料、配合比、制造工艺、浇捣方法和养护工艺等方面的改造来提高混凝土的耐久性能，以减少裂纹的宽度。
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种具有感知和驱动功能的智能型金属功能材料，其机制是在温度变化和应力诱导等作用下可产生可逆的马氏体相变而自动恢复变形前的形状。SMA具有形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）、超弹性（Super elasticity，简称SE）、高阻尼性（High-damping，简称HD）、抗疲劳能力、耐腐蚀性、生物相容性、稳定的工作温度区间等优势，这些优势使其在工程应用中获得优异的综合力学性能。由于形状记忆合金具有的优良特性，已经广泛应用于生物医疗、国防军工、土木工程、汽车工业、石油工程、日常生活等领域。形状记忆合金作为一种新型的功能材料，其有着许多其他材料无法比拟的优势，相比一般的钢材，其具有超过弹性变形的可恢复超弹性（超弹性应变可达到5%以上）特性，使得其在变形循环中不易出现永久的变形，这是普通钢筋材料所无法达到的。近些年来，形状记忆合金在土木工程领域得到了越来越广泛的应用，尤其对形状记忆合金在混凝土裂缝自修复系统的研究方面，展开了许多工作[10-14]。
本文采用目前SMA中最常用的高性能Ni-Ti形状记忆合金，为了更好的控制混凝土在各种荷载和变形下的裂缝宽度，将形状记忆合金丝与应变硬化水泥基复合材料结合起来，采用SMA丝实现SHCC细裂纹的部分自愈合，以期提高材料的耐久性。SMA的形状记忆效应有助于SHCC材料中裂缝宽度的控制及自愈合。本研究通过SMA-SHCC的单轴直接拉伸试验，研究SMA丝对SHCC拉伸性能及裂纹自愈合的影响，对于增强混凝土材料的耐久性和裂纹自愈合的效果很有必要，作为一种自修复材料有助于大大降低建筑材料在投入使用后的维修成本。
1.2 形状记忆合金的基本特性
1.2.1 形状记忆效应
形状记忆效应是指具有一定形状的SMA在低温状态外力作用下使其发生塑性变形，当加热到一定温度后，合金会恢复到变形前的初始形状。形状记忆效应源自材料中的马氏体相变。在高低温转变阶段，SMA先由奥氏体相转变为马氏体相，再由马氏体相逆相变为奥氏体相[7]。形状记忆效应根据合金的成分、热处理工艺和机械训练等因素不同，又可分为：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应、全程形状记忆效应。三种形状记忆效应的具体表征如表1.1所示。
单程记忆效应是将奥氏体相的形状记忆合金在高温下制成某种形状，再冷却使其产生马氏体相变，在低于Mf温度以下对其施加外力产生塑性变形，当温度加热至Af点时，马氏体完全消失，材料恢复奥氏体相，重新冷却后不能恢复至低温相的形状。单程形状记忆效应只能记忆高温相的形状。
双程形状记忆效应是指形状记忆合金经过适当的“训练”后，可以在加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状的现象。双程形状记忆效应既可以记忆奥氏体相的形状，还能记忆马氏体变形后的形状。双程形状记忆效应可以通过控制温度的升降在无外力影响下可以自发可逆地反复恢复高低温相的形状。
全程形状记忆效应是指形状记忆合金在加热后恢复高温相的形状，冷却后恢复为低温相的形状，再进一步冷却后变为高温相的形状，但方向相反的现象。
表1.1 形状记忆合金的三种形状记忆效应的具体表征 | ||||
类型 | 初始形状 | 低温变形 | 加热后形状 | 冷却后形状 |
单程形状记忆效应 | ∪ | ─ | ∪ | ∪ |
双程形状记忆效应 | ∪ | ─ | ∪ | ─ |
全程形状记忆效应 | ∪ | ─ | ∪ | ∩ |
1.2.2 超弹性
对处于母相（奥氏体相）的形状记忆合金在Af温度以上施加外力，随着外力的增加，形状记忆合金会先发生遵循胡克（Hook）定律的弹性变形，当应力超出弹性极限时，应变显著增加，引起马氏体相变。当应力卸载后，马氏体相变引起的应变会完全消失，如同弹性应变，这一阶段不遵循胡克定律，其回复应变量是普通金属弹性应变的10~20倍，这种现象称为超弹性。
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图1.1 SMA的拉伸应力-应变曲线 |
如图1.1所示的超弹性的应力-应变曲线图。图中AB段为纯弹性变形，B点表示马氏体开始相变的点，C点表示马氏体相变完成，BC段为马氏体相变引起的大变形。在D点进行应力卸载，DE段为马氏体弹性变形恢复阶段，E点表示马氏体逆相变开始的点，F点表示全部变回奥氏体相，EF段为马氏体逆相变引起的大变形恢复阶段，FG段为奥氏体相弹性变形恢复阶段。SMA上由于内部相变而引起部分的不可逆变形，即AG段为卸载后的残余应变。除去马氏体弹性变形恢复以外的超弹性应变恢复对应于图中的GH段。
1.2.3 高阻尼性
材料的阻尼性能是指组织物体的相对运动，并把固体机械振动的能量转变成热能而耗散的能力。形状记忆合金的马氏体相变过程中，形状记忆合金拥有比普通金属材料大得多的阻尼性能。这种阻尼性能可用于减震结构中，用于耗散地震震动的能量，从而保证土木工程建设的稳定性[8]。
1.2.4 电阻特性
SMA的电阻效应主要是取决于材料的相变，而拉伸和温度都会引起材料的相变。形状记忆合金的电阻率比普通金属大得多，而且SMA的电阻率会随着应变的变化而变化。通过电阻变化可以监测试样中的SMA变形，实现对SMA结构的自检测。
1.3 形状记忆合金增强混凝土结构的应用现状
由于形状记忆合金的形状记忆效应、超弹性、高阻尼性和电阻特性等优良力学性能，SMA在智能混凝土结构上具有广阔的应用前景。近些年来，国内外研究人员在SMA混凝土裂缝自修复系统的开发研究方面，展开了许多工作，并取得了一些效果。
刘兵飞等人将短切的形状记忆合金（SMA）纤维掺入到混凝土材料中，通过对不同掺量的混凝土材料进行力学试验，研究了不同掺量的SMA纤维对其力学性能的影响[9]。
Song等人将NiTi形状记忆合金钢丝埋入混凝土梁中,当施加的载荷达到一定程度时混凝土开始产生裂缝, 卸去外荷载并加热SMA钢丝后, 裂缝即自动愈合[10]。
匡亚川等人将形状记忆合金和内含修复胶粘剂的修复纤维管预埋在混凝土梁的受拉区和易于产生裂缝的位置。一旦外力消失，在形状记忆合金超弹性效应的驱动下，梁的挠度迅速恢复，裂缝闭合，再结合修复胶粘剂的填充、粘结特性，实现对结构构件变形、挠度、裂缝等的控制[11]。
孙丽等人将SMA丝外部安装在混凝土梁的裂缝处，采用三点弯曲试验对混凝土梁进行力学测试及修复，发现SMA丝可以提供持续的应力来进行裂缝的修复，且修复效果显著，SMA丝还可重复利用，降低修复成本[12]。
Kim等人将SMA与FRCC（Fiber-reinforced Cement Composites，纤维增强水泥基复合材料）结合起来，发现短时间的热处理使SMA-FRCC显示出预应力效应，并增强了SMA-FRCC的杨氏模量[13]。
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