探讨土木工程中新型功能材料的应用进展

探讨土木工程中新型功能材料的应用进展

形状记忆合金是近年来一种受到广泛关注的新型功能材料，是一种集执行、驱动、传感于一体的特殊材料，由于其优良的稳定性、阻尼性能、超弹性、特有的形状记忆效应、耐腐蚀性和抗疲劳性，使其在土木工程中得到越来越多的应用。

标签形状记忆合金；应用；研究；性能

1 形状记忆合金的特点

形状记忆效应（Shape memory effect，SME）的产生主要来自于马氏体相变。所谓马氏体相变（Stress induced Martensitic trans formation，SIM）就是指具有热弹性（半热弹性）或应力的形状记忆合金（Shape memory alloys，SMAs）在马氏体状态下进行一定限度的塑性变形。当不断给材料加热温度上升，并超过了马氏体相变的温度时，材料的塑性变形就会消失，恢复到未发生变形时的形状和体积。形状记忆效应主要分为两种，分别是单程形状记忆效应（One ways shape mem ory effect：OWSME）和双程形状记忆效应（Two way shape memory effect：SME）。目前应用比较广泛的主要有Fe基、Cu基及Ti-Ni基的三种形状记忆合金。Fe基的形状记忆合金属于半热弹性的形状记忆合金，而后两种则是热弹性的形状记忆合金。在建筑工程中应用得较多的是Ti-Ni基的形状记忆合金。形状记忆合金的应用越来越广泛，是由其独特的力学性能和物理性能决定的，形状记忆合金的阻尼性能、超弹性和形状记忆效应使其应用在建筑工程中，能发挥独特的效用。

1.1 超弹性

形状记忆效应的一个重要表现形式是形状记忆合金一般具有超弹性。超弹性是指马氏体温度达到相变温度（Ms）时，如果被继续加热，并施加一定的应力，那么此时马氏体表现出的相变就是其超弹性的呈现。另外，如果马氏体的逆向变温度为（As）时，继续给马氏体加热，并且施加一定的外力，那么马氏体母相的自由能就会增加，马氏体会发生相变，与此同时，马氏体还会产生宏观“塑性”变形。之所以说宏观，是因为这种变形是肉眼可以辨识到了，而“塑性”形变并不是由滑移引起的，而是由相变引起的。之后发生的是卸载过程，在这个过程中，马氏体的温度逐渐降低，自由能也逐渐降低，马氏体逐渐向最初的形状和体积变化，重新转变成母相，回到未变形前的状态。一般材料都会发生弹性形变，而应力诱发的马氏体产生的形变，被成为超弹性形变，这是因为这种形变是普通材料形变的20倍以上。

1.2 阻尼性能

材料一般都会具备阻尼性能，也称之为内耗，指材料在受到外力，内部经受振动变形的时候，会产生与外力相抵抗的力，从而消耗振动能力，这种材料自身损耗振动能量的能力就是材料的阻尼性能。马氏体的相变有时候是在外力的驱使

下发生的，而发生相变的过程，具体自协调性，会产生生长和成核过程，并且会形成各种界面，这些界面也会发生一定的运动，正是由于马氏体在发生相变过程中的这些规律，使得形状记忆合金具有很好的阻尼性能。与一般材料的阻尼性能相比，形状记忆合金的阻尼性能要大得多，其内耗值能够达到10-1数量级，是普通金属的100倍。我们比较常见的阻尼性能较好的材料有阻尼塑料和阻尼橡胶等，而形状记忆合金的阻尼性能比它们都好，强度也更好。形状记忆合金还有一个优点就是，能够消除由于时间的推移而带来的可靠性发生变化以及材料老化等引起的类似问题。

1.3 弹性模量温度变化特性

形状记忆合金受温度变化的影响比较明显。在高温下的马氏体与在低温下的相比，高温下的弹性模量是低温下的3倍以上。正是由于形状记忆合金具有这样的特性，将这样的材料预埋到结构中时，需要改变结构的局部刚度或整体刚度，都可以通过给形状记忆合金加热或冷却来完成。因为加热和冷却形状记忆合金，都可以改变它的组织，进而控制其弹性模量的变化，并且控制其刚度，达到避开共振的目的。

2 形状记忆合金在土木工程中的应用

形状记忆合金由于这些独特性能，使其在土木工程中大受欢迎，在结构防震隔震、智能混凝土等工程上都有比较好的应用。

2.1在减震抗震上的应用

在现在这个时代，自然灾害频繁发生，建筑物的抗震减震能力成为评定建筑物的一个重要指标，建设具有抗震减震能力的建筑物是非常必要的。地震发生时，如果建筑结构的固有频率与地震载荷的输入频率相一致时，建筑物就会发生共振，内部各个部分之间的位移速度都会加快，就会给建筑物带来毁灭性的破坏。在建筑工程中，防震减震一直是一个重要的课题。形状记忆合金的出现，给建筑物的防震减震研究带来了福音。早在20世纪末，形状记忆合金就在建筑工程得到应用，那时意大利的能工巧匠发现形状记忆合金具有较好的阻尼性能和超弹性，就在有历史意义的古建筑上使用形状记忆合金，目的是为了加固建筑物。后来发现，这些经过形状记忆合金加固的建筑物，在相同级别的地震中岿然不动，屹立不倒。近年来，人们对形状记忆合金在抗震减震上的关注度得到提高，研究和探索也更加深入。

曾经有科学家使用商用的Ti-Ni丝来做试验，用其作为阻尼器，在地震发生器上进行试验，然后采集数据。最后的结果是，加了Ti-Ni丝的那一组，其振幅比没加的那一组要小89.5%。然后展开加速度响应试验，发现加了Ti-Ni丝的那一组，其振动加速度要比没加的那一组减少了53.9%。

研究形状记忆合金在结构隔震、减震上的效果，是我国专家、学者共同关注的问题。我国科学家王社良设计了一种形状记忆合金自复位隔振器，如图3所示。

试验证明，这种装置应用在建筑结构中时，使得地震发生时，结构的位移主要集中在隔震层。在建筑物的上部发生的位移会比较小，也就是说，可以使得上部结构在强震中仍然是处于弹性状态，不会发生刚性形变。而且对每一层结构的加速度峰值进行测试，会发现这一值远远比非隔震结构要小，能够增大结构的安全储备。

2.2在混凝土裂纹自诊断、自修复上的应用

混凝土裂纹是危害建筑物安全的一个重要因素，由于很多裂纹是在建筑物内部且潜伏期长，会比较难发现且破坏性大，这样增加了确保建筑物安全性的难度。在土木工程中，混凝土是使用最多的一种材料，不可避免的裂纹或者是局部损伤，轻则会导致结构的使用寿命降低，重则导致结构的安全得不到保证。形状记忆合金的电阻率较大，性能稳定，可恢复应变大，对应变敏感。利用形状记忆合金的这些特性，将其应用在混凝土结构中，尤其是在易产生裂纹的部位使用这些合金材料，能够制成自修复、自检测的机敏混凝土。也就是说，当混凝土结构受到外力时，混凝土结构产生变形的同时，形状记忆合金也随之产生变形。而当混凝土结构产生裂纹时，在出现裂纹地方的形状记忆合金的应变就会随之增大，并且导致合金的内部电阻值发生变化。

3 总结

记忆合金材料是新型功能材料的一种，在混凝土裂纹的自检测和建筑结构的防震抗震上都得到了较好的应用，并且取得了很好的效果。相关学者对形状记忆合金的研究和应用一直在进行，相信随着研究的深入，形状记忆合金将会得到更为深入挖掘与应用。

参考文献：

[1]王吉军，初奕，马孝江，等. Ni-ti形状记忆合金振动感知与主动控振研究[J].大连理工大学学报，2008，37（6）：736-741.

[2]吴晓东，王征，吴建生.用于智能材料与结构的Ni-ti丝的电阻特性研究[J].上海交通大学学报，2008，32（2）：80-83