摘 要

Cu-Al-Mn形状记忆合金相对于常见的Ni-Ti合金具有具有价格低廉、导热和导电的性能良好、相变温度可调范围宽的优点。前期基于组织设计的思路制备了柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金，其形状记忆性能达到或超过Ni-Ti合金的性能水平，具有很大的应用潜力。

本文致力于利用合金具有高的超弹性特征产生的高应变恢复能力和阻尼吸能能力，用于土木建筑中的混凝土设计和制作中，以期实现混凝土的自愈合能力、承载能力和减震能力等综合性能的提高。通过对柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金组织分析和力学性能测试，采用将合金棒替代部分钢筋，设计了Cu-Al-Mn形状记忆合金增强混凝土结构，制备并测试了Cu-Al-Mn形状记忆合金增强混凝土梁结构在弯曲变形中的自愈合能力。结果表明：

（1）采用定向凝固技术制备的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金在沿凝固方向，具有平直的纵向晶界，基本上不含横向晶界和三叉晶界，超弹性应变可达到10.9%，超过了Ni-Ti形状记忆合金，室温断裂应变达到36%以上，具有良好的工作性能，可用于自愈合混凝土结构的设计。

（2）在极限荷载范围内，柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金增强混凝土梁裂缝的宽度随荷载增加而增大，卸载后，裂纹明显愈合；当达到极限承载力时，普通钢筋混凝土梁发生脆性剪切破坏，而柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金增强混凝土梁中的形状记忆合金发生屈服，还有一定的承载能力，这些现象说明了柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的超弹性恢复延缓了混凝土的破坏。

关键词:Cu-Al-Mn；形状记忆合金；自愈合混凝土；超弹性；梁结构

Abstract

Compared with common Ni-Ti alloy, Cu-Al-Mn shape memory alloy has the advantages of low cost, high electrical and good thermal and conductive properties, and wide range of phase transition temperature. Based on the idea of structure design, the columnar-grained Cu-Al-Mn shape memory alloy has been prepared. Its shape memory property has reached or exceeded the performance level of Ni-Ti alloy, and has great potential for application.

This paper is devoted to the use of high resilience and high damping capacity for the alloy with high super-elastic properties ，used for the design and production of concrete in civil construction, in order to achieve the self-healing ability, bearing capacity and damping capacity of concrete and increase comprehensive performance. By analyzing the microstructure and mechanical properties of Cu-Al-Mn shape memory alloy, adopting the alloy rod to replace part of steel, designing Cu-Al-Mn shape memory alloy reinforced concrete structure, prepared and tested self-healing of Cu-Al-Mn shape memory alloy reinforced concrete beam in bending deformation in photosynthetic ability. The result shows:

(1) prepared by directional solidification technology, the columnar-grained Cu-Al-Mn shape memory alloy in the solidification direction, longitudinal grain boundary with flat, basically without transverse grain boundaries and the trigeminal grain boundary, superelastic strain can reach 10.9%, exceeded Ni-Ti shape memory alloy.the fracture strain can reach more than 36% at room temperature, with good working performance,it can be used in the design of self-healing concrete structure.

(2) Within the ultimate load range, the columnar grain structure of Cu-Al-Mn shape memory alloy reinforced concrete beam crack width increases with the increase of loading. After unloading, the crack was healing clearly; when reaching the ultimate bearing capacity of reinforced concrete beams,ordinary reinforced concrete occurs brittle shear failure, and the shape memory alloy in the columnar-grained Cu-Al-Mn shape memory alloy reinforced concrete beam yielded and remains certain carrying capacity, these phenomenon show that the columnar structure of Cu-Al-Mn shape memory alloy superelasticity recovery delay the concrete destruction.

Key Words: Cu-Al-Mn; shape memory alloy; self-healing concrete; superelasticity；Beam structure

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和目的意义 1

1.2 形状记忆合金基本的特性 2

1.3 土木建筑地震防护的研究现状 4

1.4 形状记忆合金增强混凝土结构的应用现状 6

1.5 研究内容和技术路线 7

1.5.1 研究内容 7

1.5.2 技术路线 8

第2章 合金的制备和组织性能研究 9

2.1 柱状晶Cu-Al-Mn合金的制备 9

2.2 柱状晶Cu-Al-Mn合金的组织分析 10

2.3 柱状晶Cu-Al-Mn合金的力学性能分析 11

2.3.1 实验材料和方法 11

2.3.2 超弹性性能分析 12

2.4 本章小结 17

第3章 合金增强混凝土结构设计和制作 18

3.1 合金增强混凝土梁结构的设计 18

3.2 合金增强混凝土柱结构的设计 20

3.3 Cu-Al-Mn 形状记忆合金增强混凝土梁的制作 20

第4章 合金增强混凝土梁的性能研究 24

4.1 Cu-Al-Mn 形状记忆合金增强混凝土梁的性能测试 24

4.2 Cu-Al-Mn 形状记忆合金增强混凝土梁的性能分析 29

4.3 本章小结 30

第五章 结论与展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 31

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景和目的意义

混凝土结构是当前建筑发展中使用最为广泛的结构形式，并随着混凝土技术的发展，以及对建筑物安全性，舒适性的要求，混凝土已经向高强度、高智能、多功能目标发展^[1]。混凝土结构的优势十分明显，易于就地取材，受力性能好，经济性好，但缺点也较为突出，比如自重大，刚度大，延性和变形性能差等[2]，一旦结构中的混凝土构件因受地震、海啸等自然灾害的作用而使外部荷载急剧增大，容易在达到极限承载力的情况下发生脆性断裂，使结构整体的安全性和可靠性受到威胁甚至发生倒塌等严重的破坏，给人们的生命财产带来了巨大的损失。例如2008年5月12日爆发在四川汶川的8.0级大地震，给人们的生命财产带来了巨大的损失，其中灾地的建筑物受损十分严重。其中结构性损害十分严重，如建筑的倒塌、局部垮塌、框架底层破坏、柱子破坏（柱底、柱中、柱顶）。如图1.1所示，有楼板框架结构的底层柱全部出现了塑性铰，并达到破坏极限^[3]。因此，对混凝土结构进行增强是有必要的。目前，随着新材料及新工艺的研究和发展，混凝土结构的增强技术方法的研究有了突破性进展，对混凝土构件承载能力的提高取得了丰富的成果，为后续的研究、应用奠定了良好的基础^[4]。

图1.1 5·12汶川地震倒塌框架示例