应力可调的复合材料板材及其制备方法

本发明涉及建筑施工，具体涉及一种应力可调的复合材料板材及其制备方法。

背景技术：

1、fe-sma(铁基形状记忆合金)因其独特的形状记忆效应和优异的力学性能，近年来在土木工程结构加固中得到了广泛应用。fe-sma的形状记忆效应使其能够在加热至一定温度后恢复到预设的形状，并在此过程中引入预应力，从而显著提高被加固结构的承载能力和耐久性。fe-sma材料通过加热激活后，在冷却至室温的过程中能够保持预设的形状，并且在外部荷载作用下仍能维持预应力。这一特点使得fe-sma在长期加固中表现出色。例如，soroushian等人在密歇根州的一座桥梁修复项目中，成功地应用了fe-sma板层来控制桥梁剪切裂缝的扩展。通过锚杆锚固装置固定fe-sma板层，并结合加热激活，fe-sma有效地引入了预应力，显著延长了桥梁的使用寿命。这种加固效果不仅在短期内稳定，还具有长期耐久性，尤其适用于承受动态荷载的桥梁、隧道等基础设施。

2、与传统材料相比，fe-sma材料能够在特定温度下激活并恢复其预设形状，这为结构加固带来了灵活性。通过对fe-sma材料进行局部加热，可以在特定位置引入预应力，从而实现结构的局部加强和整体性能优化。此外，fe-sma材料的高温稳定性和抗疲劳性能使其在需要长期承载和抗疲劳的工程结构中表现出明显优势。wu等人的研究表明，fe-sma板层在钢结构加固中表现出了优异的疲劳寿命，在长期荷载下依然能够保持预应力，有效提高了结构的耐久性。

3、fe-sma材料在土木工程结构加固中具有独特的形状记忆效应，能够通过加热激活引入预应力，从而大幅提升结构的承载能力和耐久性。其温度响应性和高温稳定性使其在动态荷载条件下表现出色，尤其适用于桥梁、隧道等需要长期稳定性的基础设施加固。然而，在与其他材料如ecc结合使用时，fe-sma的加热激活过程可能会对其结合界面产生影响，这需要进一步的设计优化来解决。

4、ecc(工程水泥基复合材料)是一种高性能水泥基材料，以其优异的抗裂性能和延展性而著称。ecc通过在水泥基体中引入少量的短切纤维(如pva纤维)，显著提高了材料的抗拉强度和韧性，使其在土木工程结构加固和修复中得到了广泛应用。ecc材料的突出特点是其在承受荷载时能够形成多道微裂缝，而不是像传统混凝土那样产生少量的大裂缝。这种多裂缝行为有效限制了裂缝的宽度，显著提高了材料的延展性和抗裂性能。康莉萍的研究显示，ecc与frp结合用于加固钢筋混凝土梁，不仅提升了梁的承载力，还有效控制了裂缝的发展，延长了结构的使用寿命。这一特性使得ecc在承受反复荷载或地震作用的结构中，能够提供更好的抗裂保护，减少裂缝扩展的风险。

5、ecc材料的高延展性使其在极端荷载条件下仍能保持良好的整体性，避免了传统混凝土在破坏时的脆性失效。此外，ecc材料还具有一定的自愈合能力，在适当条件下能够修复自身的微裂缝，从而恢复部分力学性能。这种自愈性在长期使用中尤为重要，有助于延缓材料性能的退化。杨珊的研究表明，ecc材料在高温下虽然表现出一定的力学性能下降，但其在常温下的自愈合能力有助于在一定程度上恢复其抗裂性和强度。ecc不仅具有优异的抗裂和延展性能，还能够根据具体的工程需求进行配方调整，以适应不同的环境条件和功能需求。例如，ecc材料可以通过调整纤维类型和比例来优化其抗拉强度、抗弯性能和耐久性，使其适用于桥梁、隧道、地震区的建筑物等多种场景。康莉萍的研究中，ecc与frp筋结合形成的复合结构在高温环境下表现出较好的承载力和抗裂性，这种组合在抗震性能和高温环境下的应用前景广阔。

6、尽管fe-sma和ecc各自在结构加固与修复中展现出显著优势，但两者在实际应用中的结合存在技术挑战。fe-sma在加热激活过程中可能引发界面处的应力集中，特别是在与ecc结合时，由于ecc对高温的敏感性，可能导致其力学性能下降，从而影响复合材料的整体性能。如何在fe-sma加热激活的过程中保护ecc材料，减少热传导对ecc性能的不利影响，同时确保两者之间的结合强度和长期稳定性，是本发明所要解决的核心问题。

技术实现思路

1、为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种应力可调的复合材料板材及其制备方法，以解决针对fe-sma与ecc结合的复合材料，在加热激活fe-sma过程中，由于ecc对高温的敏感性，可能导致其力学性能下降，从而影响复合材料的整体性能的问题。

2、为实现上述目的，提供一种应力可调的复合材料板材，包括：

3、ecc板层，所述ecc板层具有一正面和一背面；

4、铺设于所述ecc板层的背面的夹心板，所述夹心板包括cfrp板层和fe-sma板层，所述fe-sma板层的相对两侧分别粘接有所述cfrp板层，所述fe-sma板层的中部设置有加强区段，所述fe-sma板层的相对两端设置有锚固区段，所述加强区段与所述锚固区段之间形成加热激活区段，所述cfrp板层包括粘接于所述加强区段的加强板段和粘接于所述锚固区段的锚固板段，所述锚固板段通过锚固件固定安装于所述背面；

5、耐火隔离层，垫设于所述加热激活区段和所述背面之间。

6、进一步的，所述夹心板设置于所述背面的中部。

7、进一步的，所述锚固区段和所述锚固板段分别开设有穿孔，所述锚固件穿设于所述锚固区段和所述锚固板段的穿孔中且锚固于所述ecc板层。

8、进一步的，所述穿孔的数量为多个，多个所述穿孔呈矩阵式排布。

9、进一步的，所述cfrp板层通过粘接剂粘接于所述fe-sma板层。

10、进一步的，所述耐火隔离层通过高温耐火粘接剂粘接于所述背面。

11、进一步的，所述耐火隔离层为陶瓷纤维布层、高温硅胶层、或石墨片层。

12、本发明提供一种应力可调的复合材料板材的制备方法，包括以下步骤：

13、于ecc板层的相对两端铺设耐火隔离层；

14、于fe-sma板层的相对两侧分别粘接cfrp板层以形成夹心板，使得所述cfrp板层的加强板段粘接于所述fe-sma板层的加强区段、所述cfrp板层的锚固板段粘接于所述fe-sma板层的锚固区段；

15、将所述夹心板铺设于所述ecc板层的背面，使得所述耐火隔离层垫设于所述加热激活区段和所述背面之间；

16、对所述fe-sma板层的加热激活区段进行扫描式加热，使得所述fe-sma板层的加热激活区段均匀激活。

17、进一步的，所述加热激活区段的加热温度为200℃。

18、本发明的有益效果在于，本发明的应力可调的复合材料板材，通过在fe-sma与ecc之间引入隔热层或frp材料，并采用粘结与机械锚固相结合的方式，确保复合材料在高温环境下依然具备优异的力学性能和长期耐久性。本发明的应力可调的复合材料板材，不仅能够充分发挥fe-sma的形状记忆效应，实现结构内部的应力调节，还能在高温环境下保护ecc材料，提升整体结构的使用寿命和安全性。

技术特征：

1.一种应力可调的复合材料板材，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的应力可调的复合材料板材，其特征在于，所述夹心板设置于所述背面的中部。

3.根据权利要求2所述的应力可调的复合材料板材，其特征在于，所述锚固区段和所述锚固板段分别开设有穿孔，所述锚固件穿设于所述锚固区段和所述锚固板段的穿孔中且锚固于所述ecc板层。

4.根据权利要求3所述的应力可调的复合材料板材，其特征在于，所述穿孔的数量为多个，多个所述穿孔呈矩阵式排布。

5.根据权利要求1所述的应力可调的复合材料板材，其特征在于，所述cfrp板层通过粘接剂粘接于所述fe-sma板层。

6.根据权利要求1所述的应力可调的复合材料板材，其特征在于，所述耐火隔离层通过高温耐火粘接剂粘接于所述背面。

7.根据权利要求6所述的应力可调的复合材料板材，其特征在于，所述耐火隔离层为陶瓷纤维布层、高温硅胶层、或石墨片层。

8.一种如权利要求1～7中任意一项所述的应力可调的复合材料板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述加热激活区段的加热温度为200℃。

技术总结
本申请公开了一种应力可调的复合材料板材及其制备方法，包括：ECC板层；铺设于ECC板层的背面的夹心板，夹心板的Fe‑SMA板层的相对两侧分别粘接有夹心板的CFRP板层，Fe‑SMA板层的中部设置有加强区段，Fe‑SMA板层的相对两端设置有锚固区段，加强区段与锚固区段之间形成加热激活区段，CFRP板层包括粘接于加强区段的加强板段和粘接于锚固区段的锚固板段，锚固板段通过锚固件固定安装于背面；耐火隔离层，垫设于加热激活区段和背面之间。本发明解决了针对Fe‑SMA与ECC结合的复合材料，在加热激活Fe‑SMA过程中，由于ECC对高温的敏感性，可能导致其力学性能下降，从而影响复合材料的整体性能的问题。

技术研发人员：张普,李昊翔,鲁鑫东,刘烨,董志强,朱虹
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/19