Stålfiberarmert betong (SFRC) for tunnelforing
Fiberuttrekksadferden studeres eksperimentelt, med tanke på faktorer som fiberform, størrelse og helningsvinkel. Videre presenterer de følgende avsnittene eksperimentene og tilsvarende numeriske modeller etablert for å fullstendig beskrive stålfiberbetongforingen.
1. Fibertrekkatferd
For å analysere, designe og optimalisere skadebestandige tunnelforinger laget av SFRC, er det først nødvendig å forstå den mekaniske oppførselen til materialet på det strukturelle nivået. Det er velkjent at de mekaniske egenskapene til SFRC er relatert til broeffekten over sprekkåpningen. Broeffekten bestemmes av det totale bidraget fra alle oppsprukkede fibre. Siden brodannelseseffektiviteten til hver enkelt fiber sterkt avhenger av fiber-betongmatrisebindingsegenskapene, ble uttrekksadferden til individuelle stålfibre innebygd i en betongmatrise systematisk studert gjennom laboratorieeksperimenter og analytiske modeller. Forskningsresultatene gir grunnlag for numerisk simulering av den mekaniske prosessen til SFRC. På den annen side gir de også grunnlag for videre forskning på anvendelse av SFRC i foringssegmenter, for eksempel ytelsesforskning under lokal regional belastning.
(1) Enkelt stålfibertrekkeksperiment
Bindingsmekanismen til stålfibre i betongmatrisen ble studert ved å utføre uttrekkstester på enkeltstålfibre. Det eksperimentelle programmet analyserer påvirkningen av parametere som fiberform, størrelse, strekkstyrke, tiltvinkel og betongstyrke ved å endre de relevante parameterne som påvirker uttrekksadferden.
For å gjennomføre uttrekksprøver ble det utarbeidet sylindriske prøver med dimensjoner på 60 mmx60 mm, med stålfibre festet og innstøpt i betong.
Analysen av uttrekksadferd fokuserte på korrelasjonen mellom uttrekkskraft og fiberforskyvning. Videre ble feilmodusene til fibrene og betongmatrisen vurdert.
(2) Fiberform og størrelse
Effekten av forskjellige fiberformer (rett, korrugert, krokende, dobbeltkonisk) på uttrekksresponsen til fibre med innebygd lengde=20 mm og tiltvinkel=0 i en betongmatrise med høy styrke (=84 MPa). Som vist til venstre er uttrekksresponsen betydelig forskjellig mellom fibre med forskjellige former. For rettkornede fibre tilveiebringes bindingen mellom fibrene og matrisen kun ved grensesnittfriksjon. Ved nesten svært lave uttrekksbelastninger oppstår derfor fullstendig avbinding, ledsaget av et plutselig fall i belastningen. I motsetning til dette fortsatte uttrekksbelastningen å øke etter avskalling på grunn av de mekanisk forankrede deformerte fibrene. Derfor gir teksturerte fibre betydelig høyere uttrekksmotstand i forhold til rettkornede fibre. På grunn av deres sterke forankring i den høyfaste betongmatrisen, svikter korrugerte og bi-koniske fibre ved brudd kort tid etter at de har overskredet sin endelige belastning. For å oppnå duktilt materiale bør imidlertid fiberbrudd ved små uttrekksforskyvninger unngås. Fordelaktig uttrekksadferd ble observert for krokendefibre, for hvilke krokendene hadde en tendens til gradvis å forskyve seg og rette seg ut, noe som resulterte i en reduksjon i uttrekkskraft og en ytterligere økning i uttrekksforskyvning.
Ved å sammenligne effekten av krokende fibre på 60/0,75 (mm/mm) og 35/0,55 (mm/mm) på fiberstørrelse under samme testforhold. Det kan sees at last-forskyvningskurvene til begge fibrene er like og nesten parallelle. Imidlertid viste fibre med større dimensjoner betydelig høyere endelige uttrekksbelastninger (+77%). Når diameteren og krokstørrelsen øker, øker bøyestivheten til fiberen og kontaktflaten med matrisen, noe som resulterer i en økning i energien som kreves for den plastiske deformasjonen av kroken. Men ved å sammenligne forholdet mellom den endelige uttrekksbelastningen til de to fibrene og fiberstyrken, viste resultatene at effektiviteten til de to fibrene var liten (60,1 % og 61,0 %).
I betong med samme fiberinnhold er antallet korte/fine fibre flere ganger det for lange/grove fibre, og følgelig er antallet fibre som fanger opp potensielle sprekker relativt høyere for mindre/fine fibre. Så selv om resultatene viser at lange/grove fibre har høyere uttrekksmotstand sammenlignet med mindre/tynne fibre, bør det generelt ikke antas at mindre/tynne fibre har dårligere bærende oppførsel, tvert imot kan det konkluderes ut fra resultatene Positiv synergi. I fiberblandinger er det mulig å kombinere fordelene ved å bruke fibre med forskjellige størrelser (lengre/tykkere og kortere/tynnere fibre). Spesielt kan bruken av slike fiberblandinger i kantområdene til rørsegmenter ha en positiv effekt på å hindre oppsprekking og avskalling.
(3) Styrke av fiber og betong
Påvirkningen av fiberstyrke (ft=1225 MPa, 2600 MPa) og betongstyrke (fc=44 MPa, 84 MPa). For begge betongfasthetene var uttrekksmotstanden til høyfaste fibre før friksjon-slipfasen nesten dobbelt så stor som for normalfaste fibre. Som forventet hadde fibre innstøpt i høyfast betong høyere uttrekksmotstand enn fibre innstøpt i normalfast betong. Imidlertid er denne effekten mer uttalt for høyfaste fibre.
Selv om det er betydelige forskjeller i last-forskyvningskurvene til de høyfaste fibrene i de to betongene, er last-forskyvningsoppførselen til de normalfaste fibrene lik uavhengig av betongstyrken. Kurvene for høyfaste fibre testet i normalfast betong avtar relativt sakte etter å ha nådd den ultimate uttrekksbelastningen. Dette viser at på grunn av betongens lave styrke, utøves ikke krokens (krokendens) mekaniske forankringseffekt effektivt. Derfor var effektiviteten til høyfaste fibre testet i normalfast betong relativt lav (42,7 %). Det er imidlertid viktig å merke seg at disse fibrene er betydelig mer effektive (61,6 %) i høyfast betong. Derfor, for å oppnå optimal fibereffektivitet, bør strekkfastheten til stålfibre justeres til styrken til betongen.
(4) Fibervippevinkel
Uttrekkstester av normale og høyfaste krokendefibre innebygd i høyfast betong ved forskjellige tiltvinkler (0 grader , 15 grader , 30 grader , 45 grader og 60 grader ). Som forventet er den ultimate uttrekksbelastningen for høyfaste fibre betydelig høyere enn for normalstyrkefibre for alle betraktede helningsvinkler. Når vanlige styrkefibre trekkes ut uten svikt, er de ultimate uttrekksbelastningene svært like uavhengig av tiltvinkelen. Derimot viste høyfaste fibre en betydelig økning i den endelige uttrekksbelastningen mellom tiltvinkler på 30 grader og 45 grader.
Generelt sett, ettersom helningsvinkelen øker, øker uttrekksforskyvningen under maksimal belastning og helningen til den fremre toppgrenen avtar, spesielt for helningsvinkler større enn 30 grader. En økning i matriksknusing og avskalling ved fiberutgangen ble også observert med økende tiltvinkel. Dette fenomenet er mer åpenbart når det gjelder høyfaste fibre. Videre, ettersom vippevinkelen øker, oppstår fiberbrudd oftere, spesielt for fibre med vanlig styrke.
