袁佳琦

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

混凝土材料因其抗壓強(qiáng)度高、材料方便、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為民用建筑和軍事工程設(shè)施中應(yīng)用最廣泛的建筑材料。但由于混凝土抗拉強(qiáng)度低、抗沖擊性差、脆性斷裂，在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。纖維增強(qiáng)混凝土的出現(xiàn)成為解決這個(gè)問題的有效途徑[1-2]。學(xué)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(lǐng)域內(nèi)的研究與應(yīng)用日益增多，眾多學(xué)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(yàn)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(qiáng)度較對(duì)照組相比分別提高2.4%和51%。Aslani 等[9]通過靜態(tài)和循環(huán)彎曲試驗(yàn)對(duì)NiTi 纖維、聚丙烯纖維以及鋼纖維自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度和韌性進(jìn)行評(píng)估，試驗(yàn)對(duì)試件的殘余變形和跨中撓度恢復(fù)進(jìn)行測試，試驗(yàn)證明SMA 纖維可以延緩裂縫的擴(kuò)展和傳播。Ali 等[10-11]對(duì)SMA 纖維高延性水泥基材料的黏結(jié)、沖擊及受彎性能進(jìn)行測試，SMA 纖維提升了高延性水泥基材料各項(xiàng)性能并提供了自修復(fù)性能。本文將SMA 纖維應(yīng)用于混凝土中，設(shè)計(jì)了形狀記憶合金纖維增強(qiáng)混凝土（SMAFRC），纖維體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.3%、0.6%、0.9%，對(duì)所設(shè)計(jì)的SMAFRC 進(jìn)行立方體抗壓、劈裂抗拉以及抗折試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用蒙西牌普通硅酸鹽水泥P·O42.5，細(xì)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(xù)級(jí)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(jí)粉煤灰；混凝土拌合用水為自來水。

混凝土配比參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，水膠比為0.55，砂率為38%，基準(zhǔn)混凝土配合比見表1。

表1 基準(zhǔn)混凝土配合比kg·m-3

1.2 試件制備

本次試驗(yàn)依據(jù)JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，以不同體積分?jǐn)?shù)（0%、0.3%、0.6%和0.9%）加入基準(zhǔn)混凝土中，配制形狀記憶合金增強(qiáng)混凝土（以下記為SMA-FRC）試件，SMA-FRC 各體積分?jǐn)?shù)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(duì)濕度95%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行測試。

1.3 試驗(yàn)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(diǎn)彎曲法測試混凝土試件的抗彎強(qiáng)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

由圖1 可知，在2 種溫度條件下，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不同增長趨勢。在20 ℃時(shí)，SMA-FRC 試件立方體抗壓強(qiáng)度隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大呈階梯式增長。在100 ℃時(shí)，纖維體積分?jǐn)?shù)的增大并沒有給混凝土立方體抗壓強(qiáng)度帶來持續(xù)增強(qiáng)，改變了混凝土在室溫下抗壓強(qiáng)度的增長趨勢。立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的增長趨勢。在20 ℃時(shí)，S-0 試件立方體抗壓強(qiáng)度為34.9 MPa，S-0.9 試件立方體抗壓強(qiáng)度最大為39.1 MPa 較S-0 抗壓強(qiáng)度相比增幅達(dá)12.0%。S-0.3、S-0.6 試件抗壓強(qiáng)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(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度較20 ℃時(shí)均出現(xiàn)不同程度的下降，但任何體積分?jǐn)?shù)下的SMAFRC 試件立方體抗壓強(qiáng)度仍高于S-0 試件。S-0.6 試件抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(nèi)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(nèi)部微裂縫的生成，有效延緩微裂縫的擴(kuò)展，降低混凝土內(nèi)部孔隙率提高混凝土密實(shí)度，從而提高混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。SMA 纖維體積分?jǐn)?shù)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(xiàn)更高強(qiáng)度。在100 ℃時(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降低，是由于溫度升高SMA 內(nèi)部馬氏體逆向變的形狀恢復(fù)，使原本處于約束態(tài)的SMA 纖維對(duì)裹握纖維水泥基體造成一定影響。此外，試驗(yàn)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(qiáng)度，包裹纖維的水泥基體發(fā)生破壞，纖維產(chǎn)生滑移，纖維中產(chǎn)生的應(yīng)力沒有達(dá)到較高的應(yīng)力水平。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

試件的劈裂抗拉強(qiáng)度如圖2 所示。在2 種溫度時(shí)，SMAFRC 劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維體積分?jǐn)?shù)增加而持續(xù)增長。S-0.9 試件在2 種溫度時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.30 MPa 和3.14 MPa，對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)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(shí)劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度

在20 ℃時(shí)，SMA 纖維的加入改變了普通混凝土劈成兩半的破壞形態(tài)，SMA 纖維在混凝土中處于約束態(tài)，起橋接作用，裂縫擴(kuò)展至纖維處可分擔(dān)部分荷載且裂縫擴(kuò)展受SMA 纖維約束，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加微裂縫增多，劈裂抗拉強(qiáng)持續(xù)提高，試件完整性逐步提升。當(dāng)溫度提高到100 ℃，SMAFRC 試件隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增多，SMA 纖維通過溫度激勵(lì)發(fā)揮了形狀記憶效應(yīng)提供了更多驅(qū)動(dòng)力，阻滯內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和延伸，同時(shí)對(duì)裂縫有一定的自修復(fù)作用，使試件表面微裂縫數(shù)量逐漸增多，試件裂縫寬度變窄。

2.3 抗彎強(qiáng)度

混凝土抗彎強(qiáng)度是混凝土抵抗彎曲荷載的重要依據(jù)，為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。由圖3 可知，在20 ℃時(shí)，S-0、S-0.3、S-0.6 和S-0.9 試件抗彎強(qiáng)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(qiáng)度分別提升7.7%、23.8%、33.2%。在100 ℃時(shí)，S-0.6 試件抗彎強(qiáng)度為5.25 MPa，較S-0試件抗彎強(qiáng)度3.94 MPa 提升33.2%。

圖3 SMAFRC 抗彎強(qiáng)度

在20 ℃時(shí)，普通混凝土試件在抗彎試驗(yàn)中表現(xiàn)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(dá)到極限荷載后發(fā)出較大的破壞聲，突然斷成2 段。SMAFRC 試件表現(xiàn)為延性破壞，在達(dá)到開裂荷載后，試件跨中出現(xiàn)一條主裂縫。隨著荷載繼續(xù)增加，混凝土表面微裂縫向梁頂延伸，在達(dá)到極限荷載后，試件出現(xiàn)一定撓度但試件并沒有斷裂，纖維體積分?jǐn)?shù)會(huì)影響SMA-FRC 試件的裂縫寬度，呈現(xiàn)出裂而不斷的破壞形態(tài)。在100 ℃時(shí)，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，裂縫寬度隨之減小，表明SMA 在阻滯裂縫擴(kuò)展方面具有良好性能。同時(shí)SMAFRC 試件表現(xiàn)出延性破壞，雖然在抗彎強(qiáng)度上有所下降，但達(dá)到開裂荷載后仍能繼續(xù)承載?；炷恋撞渴芾瓍^(qū)混凝土開裂后，SMA 纖維在各種微小裂縫間起橋接作用，此時(shí)試件所受拉力基本由纖維承擔(dān)，光圓型直纖維與基體較差的黏結(jié)強(qiáng)度影響了SMA 纖維應(yīng)力的傳遞水平。

3 結(jié)論

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

2）SMAFRC 試件在2 種溫度時(shí)，隨著SMA 體積分?jǐn)?shù)的增加體現(xiàn)了更好的整體性，相較于S-0 試件的脆性破壞，SMAFRC 試件呈現(xiàn)“裂而不碎”的破壞形態(tài)。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?jǐn)?shù)越高，SMAFRC 試件裂縫越窄。