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文献精读 Cement Concrete Comp. ：  背景介绍 在脆性水泥基体中加入纤维可以提高其拉伸和弯曲韧性、冲击强度和延性。目前，合成纤维、有机纤维、碳纤维、玻璃纤维、钢纤维等已经被用于水泥基材料中。目前，研究人员已经探索了形状记忆合金（SMA）等智能材料在智能建筑中的应用。SMA可以通过诱导应力来恢复其原始形状，而SMA纤维可以对周围的砂浆施加高达7 MPa左右的预应力。另外，碳纤维有助于增强胶凝复合材料的力学性能和导电性能。将短碳纤维掺入混凝土可显著提高混凝土的弯曲性能、韧性和抗拉强度；而混凝土中存在碳纤维可大大提高其抗冲击强度和抗裂扩展性、降低混凝土的电阻率。 研究出发点 与其他类型的纤维相比，SMA材料具有优异的抗疲劳和抗腐蚀性能以及独特的应变恢复能力，在混凝土结构中具有广阔的应用前景。但是，关于随机分布的超弹性SMA纤维增强自密实水泥基复合材料的力学和导电性能，目前还没有系统的研究。 全文速览 澳大利亚西澳大学（The University of Western Australia）的Ayoub Dehghani课题组系统研究了形状记忆合金（SMA）、钢纤维和碳纤维水泥基复合材料的新拌性能、力学性能和导电性能。将三类纤维加入到由水泥、粉煤灰、磨细高炉矿渣和硅灰组成的自密实水泥基复合材料中，随后对其坍落度试验、四点弯曲试验、直接拉伸试验、弯曲韧性和拉伸韧性、立方体抗压强度和圆柱体抗压强度、导电率等进行了测试。相关论文以“The effect of shape memory alloy, steel, and carbon fibres on fresh, mechanical, and electrical properties of self-compacting cementitious composites”为题，于2020年发表在Cement and Concrete Composites上。 图文解析 （1）配合比设计与工作性能 表1 水泥基复合材料配合比  SMA和钢纤维的加入（纤维体积分数为1.25%）略微降低了相对坍落度。当纤维体积分数远低于水泥基材料时，刚性纤维对水泥基材料流变性能的影响很小。添加碳纤维导致混合物的流动性显著降低。添加0.1%的碳纤维后，坍落度直径也减少了43%。大量碳纤维的存在会限制骨料的运动，较差的流动度。由于流动性问题，碳纤维含量较高的混合物的纤维分散性较弱。 （2）抗折强度 如图1所示，三类纤维的加入均能提高水泥基复合材料的峰后应变软化性能。随着钢纤维和SMA纤维含量的增加，抗折应力略有增加，提高了复合材料的抗折韧性。加入碳纤维的水泥基复合材料即使在纤维含量很小（例如0.2%）的情况下也能优化峰后应变软化性能，但不能在开裂后将抗折载荷保持在恒定水平。在中跨挠度约为0.5 mm时，所有碳纤维含量的水泥基复合材料抗折强度均逐渐降低，直至断裂。此外，在混合物中添加纤维可将抗折强度提高20%。添加更多SMA或钢纤维，水泥基复合材料的抗折强度通常会提高。  图1 含SMA、钢纤维、碳纤维的水泥基复合材料的抗折强度 （3）抗压强度 如图2所示，随着纤维掺量的增加，抗压强度先降低后提高。这是由于纤维（SMA和钢纤维）与基体之间的界面过渡区（ITZ）的存在而引起的。纤维含量的增加可以增加复合材料中纤维的总表面积，导致ITZ重叠，ITZ和基体中的孔隙百分比也有所增加。这些问题导致水泥基复合材料的抗压强度降低，尤其是在钢纤维团聚时。但是，对于SMA和钢纤维含量超过1%的水泥基复合材料，纤维的抗裂性能增强，裂纹的桥接可能克服ITZ和孔隙率的负效应。含碳纤维水泥基复合材料的抗压强度总体呈下降趋势，抗压强度的降低归因于碳纤维的分散性差。在试样搅拌过程中，碳纤维容易在水泥基复合材料中引入大量气泡（图3）。  图2 抗压试验结果：（a）抗压强度与纤维含量的关系；（b）圆柱体试样的抗压强度与纤维含量的关系  图3 SEM图：钢纤维周围的多孔区域聚集 （4）拉伸行为 与对照组相比，添加SMA和钢纤维的水泥基复合材料的抗拉强度提高了25%。随着纤维含量的增加，SMA纤维增强自密实混凝土（SMA-FRSCC）和钢纤维增强自密实混凝土（SFRSCC）的抗拉强度基本保持不变。碳纤维体积分数的增加使碳纤维增强混凝土（CFRCCs）的抗拉强度提高更为明显，与对照试样相比，含0.6%碳纤维的水泥基复合材料（Carbon60）的抗拉强度提高了37%。大量碳纤维的存在，在复合材料内部形成了一个增强网络，为复合材料提供了一个新的承载系统，可以承载通过纤维-基体界面传递到网络的内应力。在水泥基复合材料中加入纤维的主要优点是改善了复合材料在拉伸载荷下的峰后力学性能。添加0.75%的SMA和钢纤维以及0.3%的碳纤维后，观察到峰后应变软化行为。但是，与其它复合材料相比，含0.6%碳纤维的水泥基复合材料具有更好的承受峰后拉应力的能力。此外，通过增加三类纤维的纤维体积分数，复合材料的峰后力学性能得到了较大的改善。  图4 含SMA、钢纤维、碳纤维的水泥基复合材料的拉伸性能 （5）导电性能 SMA和钢纤维含量增加到1.5%并不能显著提高SMA-FRSCC或SFRSCC的导电性。可以解释为，本研究中使用的短SMA和钢纤维不能在水泥基复合材料内形成导电通路，因此，在所研究的纤维含量范围内，这些纤维不能显著提高复合材料的导电性。然而，即使在碳纤维含量为0.1%的情况下，也可以显著增加导电性，这表明使用微量碳纤维可以创建导电通路。在非常低的含量下，碳纤维均匀地分布在非导电基体中。添加更多的碳纤维后，形成纤维团聚体和纤维簇，提高了复合材料的导电性。碳纤维含量的进一步增加不会引起导电性的显著变化，因为导电路径已经形成。本研究中的渗滤过渡区的上限为0.3%。另外，位于阈值后区域的复合材料导电性的轻微降低归因于混合物中截留空气含量的增加。  图5 纤维含量对水泥基复合材料电导率的影响 总结 （1）形状记忆合金（SMA）与钢纤维的加入略微降低了水泥基复合材料的相对坍落度。而由于碳纤维之间的相互作用以及碳纤维对骨料运动的限制，在仅加入0.1%时，水泥基复合材料的坍落度减小43%。 （2）添加1%的SMA纤维、0.5%的钢纤维或0.1%的碳纤维后，峰后抗折性能有所增强。但含碳纤维的水泥基复合材料在断裂后抗折强度逐渐下降。 （3）抗压强度随着纤维含量的增加而降低。这是由于界面过渡区（ITZ）重叠以及ITZ和基体中孔隙较多造成的，碳纤维的分散性较弱以及混合物中夹带大量气泡也导致了强度下降。SMA和钢纤维的加入量分别达到0.75%和0.5%时，弹性模量降低，而纤维含量的进一步增加则能提高弹性模量。 （4）在所研究的范围内，增加SMA和钢纤维的含量，抗拉强度基本保持不变（在2.75-3 MPa之间）。但含碳纤维的水泥基复合材料的抗拉强度随纤维含量的增加而提高。与对照组相比，含0.6%碳纤维的复合材料的抗拉强度提高了37%。增加纤维含量可以改善峰后行为。当拉伸应变为0.01时，含1.5%SMA的水泥基复合材料和含1.5%钢纤维的水泥基复合材料的拉伸韧性分别是含1%纤维的水泥基复合材料的1.7倍和1.3倍。 （5）即使在含量为0.1%的情况下，使用碳纤维也能显著提高水泥基复合材料的导电性。就导电性而言，检测到的渗滤过渡区显示最佳碳纤维用量为0.3%。SMA和钢纤维含量即使增加到1.5%也不能显著提高复合材料的导电性，这是因为在所研究的纤维含量范围内，它们不能形成导电通路。 （6）当水泥基复合材料开裂、SMA纤维被拔出时，其力学性能与含钢纤维的复合材料几乎相同。因此，SMA纤维与水泥基体之间需要更牢固的粘结，才能有效地利用SMA纤维独特的超弹性性能。 文献链接：https:///10.1016/j.cemconcomp.2020.103659 |
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