复合SMA纤维增韧高性能水泥基材料的抗冲击性能研究--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

复合SMA纤维增韧高性能水泥基材料的抗冲击性能研究

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：赵宇奎

[导读] 摘要：本文以水泥砂浆为基体材料，将短切形状记忆合金纤维和钢纤维掺入到砂浆中制备出复合SMA纤维增韧高性能水泥基材料，通过试验研究了冲击荷载作用下，SMA纤维掺量对水泥基材料的抗冲击性能的影响。

        中色科技股份有限公司苏州分公司江苏苏州 215000
        摘要：本文以水泥砂浆为基体材料，将短切形状记忆合金纤维和钢纤维掺入到砂浆中制备出复合SMA纤维增韧高性能水泥基材料，通过试验研究了冲击荷载作用下，SMA纤维掺量对水泥基材料的抗冲击性能的影响。结果表明：在水泥基材料中掺入SMA纤维可以明显改善试件的破坏形态，显著提高水泥基材料的韧性。当SMA体积掺量达到1.5%时，试件的韧性提高了约5.3倍，其强度也提高了56.5%。因此，在水泥基材料中掺入SMA纤维，能够提高水泥基材料的抗冲击性能。
        关键词：水泥基材料；形状记忆合金纤维；钢纤维；强度；韧性
        引言
        高性能纤维增强水泥基材料一直是土木工程领域内研究的热点问题。通过在水泥基材料中掺入不同的纤维材料，人们已研制出不同品种、多种用途的高性能纤维增强水泥基复合材料，并应用于工程结构中，以提高它们的抗震、抗风和抗冲击性能[1]。目前，掺入到水泥基材料中的纤维主要有钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维等。这些纤维虽然强度较高，但其本身的耗能能力较低，所吸收的振动及冲击能量不理想[2-3]。为了进一步改善纤维增强水泥基材料的耗能能力，提高纤维对水泥基材料增强、增韧与阻裂效应，在通过优化基体组成与结构的基础上，通过扩大纤维品种及类型，获得性能层次和技术水平更为突出的新型高性能纤维水泥基材料的有效途径之一。形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是近年来开发出的一种重要的高阻尼智能材料，它不仅具有形状记忆效应和超弹性效应，还具有高阻尼和高回复力等特性[4]。SMA的超弹性效应使其在6～8％拉应变下不产生残余应变，且其极限拉应变可达到25％左右；此外，在高振幅（ε＝10-4）下，SMA中的马氏体相介质损耗系数可达6％-8％，而在冲击载荷作用下，可达10％以上，因而具有很强的耗能能力[5-6]。因此，将SMA纤维作为一种增韧纤维复合掺入到水泥基材料中，可大大增加其韧性和耗能特性。目前，应用SMA纤维来提高水泥基材料的韧性及阻尼性能的研究还较少，尤其是在冲击荷载作用下材料性能的研究更是少有涉及。基于上述情况，本文将SMA纤维掺入到高性能水泥基材料中，利用霍普金森杆研究在冲击荷载作用下，纤维掺量对水泥基材料的破坏形态、韧性、强度、弹性模量等力学性能的影响规律。
        1 试验概况
        1.1 原材料
        水泥：江南水泥厂生产P•O42.5级硅酸盐水泥；矿渣：江南水泥厂粉磨公司的磨细矿渣，表观密度为2.67 g/cm3；硅灰：上海凯悦特种材料有限公司生产的半聚集态硅微粉，实测密度为2.27 g/cm3，比表面积为20000 cm2/g；骨料：高强石英砂，细度模数2.8；减水剂：江苏建筑科学研究院开发生产的PCA聚羧酸高效减水剂；钢纤维：镀铜微丝钢纤维，最低抗拉强度为3260MPa，纤维长度为13mm，长径比为65；SMA纤维：江苏法尔胜佩尔新材料科技有限公司生产的合金丝加工成短切纤维，奥氏体相变完成温度Af为7 °C，延伸率为10%，纤维长度为13mm，长径比为65。
        1.2 试件制备
        SMA纤维的体积掺量Vfa分别为0%，0.5%，1%，1.5%，钢纤维的体积掺量Vfs均为0.5%，每组各制备6个Φ70mm×35mm和4个100mm×100mm×100mm，分别用于测试复合SMA纤维增韧水泥基材料的动态力学性能与静态力学性能。各试件的配合比如表1所示

        1.3 试验方法
        采用分离式霍普金森压杆装置，如图1所示，其基本原理为：利用液氮气化后产生的高压驱动子弹，子弹撞击入射杆，在入射杆中产生一维应力波，波传播到达试件后发生反射和透射，在入射杆中产生反射波，在透射杆中产生透射波。试件在冲击过程中近似保持一维平面应力状态，动态应变仪记录入射杆和透射杆的应变随时间变化的曲线，通过专业的波形分析程序的处理和转换，可得到试件在冲击过程中的应力应变关系[7-8]。

        图1 分离式霍普金森杆装置示意图
        2 试验结果与分析
        2.1 SMA纤维掺量对破坏形态的影响
        在应变率相同的条件下，随着纤维掺量的增加，试件呈现出不同的破坏形态，如图2所示。Vfa=0%时，试件出现多块碎裂的柱状体，部分柱状体完全相互脱离，同时有少量碎屑；Vfa=0.5%时，出现”X”字型裂缝，但裂缝未贯穿整个试件；Vfa=1%时，试件边缘出现出现3-5条表面裂缝，裂缝深度不足试件高度的1/3，Vfa=1.5%其时，试件基本完好，仅在表面存在微裂缝。
        随着SMA纤维掺量的增加，试件的抗冲击性能不断提高。其破坏机理一方面在于SMA纤维起到了与钢纤维相似的增韧阻裂作用，另一方面可以从应力波的角度进行分析，在冲击荷载作用的过程中，试件的侧面为自由面，经侧面反射的波为拉伸波，虽然此拉伸波得强度较小，但水泥基材料的抗拉强度也很小，因此在不掺入纤维的情况下水泥基材料会过早发生拉伸破坏，而掺入SMA纤维后，试件内部大量无规则分布的SMA纤维形成了纵横交错的网状结构，有效地阻碍了试件的拉伸破坏。

        2.4 SMA纤维掺量对冲击韧性的影响
        与静态力学性能相似，在冲击条件下，纤维对基体最显著的贡献就是增大其韧性。韧性一般可以定义为材料或结构在荷载作用下到破坏或者失效为止吸收能量的性能。通常多用应力-应变曲线或荷载-变形曲线所围面积表示，称为能量法。如图5所示，可以看出，当掺入SMA纤维后，材料的应力-应变曲线均较为丰满。当SMA纤维的掺量达到1.5%时，曲线下的面积提高了约5.3倍，极限应力增加的同时，极限应变也逐渐提高。此时SMA纤维的高阻尼特性充分发挥其作用，吸收耗散了大部分能量，延迟了裂缝的产生和发展。另外由于在冲击荷载作用下SMA材料的马氏体相介质损耗系数是静态荷载作用下的1.5-2倍，故动态荷载作用下，SMA纤维的耗能性能能更好的得到利用。

        图5 不同SMA纤维掺量试件的应力-应变曲线
        3 结论
        通过对复合SMA纤维增韧高性能水泥基材料在冲击荷载作用下力学性能的试验研究：得出下列结论：
        （1）在相同的冲击速率下，SMA纤维的体积掺量越高，试件受冲击后的块体越完好，当SMA纤维掺量达到1.5%时，试件表面只有细微的裂纹。
        （2）随着纤维掺量的增加，纤维水泥基材料在静态荷载和冲击荷载作用下的强度均逐渐提高，但冲击荷载作用下纤维掺量的增加对水泥基材料的改善效果更为显著。
        （3）SMA纤维对水泥基材最显著的贡献就是增大其韧性。在冲击荷载作用下，由于SMA纤维的复合作用，试件极限应力增加的同时，极限应变也逐渐提高，当SMA纤维的掺量达到1.5%时，应力-应变曲线下的面积即材料的韧性提高了约5.3倍，
        参考文献：
        [1]王兆，杨锐. 纤维高强混凝土施工中的应用研究[J]. 重庆建筑，2004，4：47-49.
        [2]邓宗才.高性能合成纤维混凝土[M]. 北京：科学出版社，2003，8.
        [3]Pierre Richard，Marcel Cheyrezy. Composition of reactive powder concretes[J]. Cement and Concretes Research，2007，28（5）：1501-1511.
        [4]徐惠彬.形状记忆合金及其智能化研究[J]. 材料研究学报，1995，9（4）：99-103.
        [5]彭文佚，曾少鹏，章少青. 形状记忆合金在土木工程上的应用发展[J]. 热处理技术与装备，2007，28（5）：1-5.
        [6]董振英. 纤维增强复合材料细观力学若干进展[J]. 力学进展，2001，31（4）：555-582.
        [7]唐志平，王礼立. SHPB试验的电脑化数据处理系统[J]. 爆炸与冲击，2002，42（11）：33-37.
        [8]严少华，李志成，王明洋. 高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究[J]. 爆炸与冲击，2004，34（1）：17-22.
        [9]焦楚杰，孙伟. 钢纤维超高强混凝土动态力学性能[J]. 工程力学，2006，8（23）：86-90.