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.
2. Stålfiberbetong under lokal belastning
Som nevnt innledningsvis utsettes foringssegmenter for høykonsentrerte belastninger (dvs. lokalbelastninger) under konstruksjon og sluttfase. De resulterende sprekkestrekkspenningene er ofte en avgjørende faktor i utformingen og må motstås med passende armering. Bruk av stålfiberarmert betong kan øke bæreevnen og positivt påvirke bruddatferden under slike konsentrerte belastningssituasjoner. For å realisere optimal anvendelse av stålfiberbetong, spesielt i foringssegmenter, ble det utført en systematisk eksperimentell og numerisk studie på bærende og bruddoppførsel av stålfiberbetong under partiell sonebelastning.
(1) Eksperimentell forskning på SFRC under lokal belastning
For å karakterisere den bærende og bruddatferden til SFRC under lokalisert regional belastning, ble et fullskala eksperiment som inneholdt ikke-fiberrelaterte og fiberrelaterte varierende parametere utført. Ikke-fiberrelaterte variabler inkluderer betongstyrke, prøvestørrelse, arealforhold og belastningseksentrisitet. Videre vurderes lokale overflatelaster fordelt romlig (dvs. punktlaster) og areale (dvs. stripelaster), tatt i betraktning to relevante konsentrerte lastsituasjoner som oppstår i periferiske og langsgående skjøter av foringssegmenter. Fiberrelaterte faktorer inkluderer fiberegenskaper (f.eks. styrke, størrelse, geometri og sideforhold), fiberinnhold og orientering, og kombinasjoner av forskjellige fibertyper (dvs. fiberblandinger).
Utformingen av betongbaseblandingen som er studert er den samme som vanligvis brukes i foringssegmenter.
Ved å ta en prøve på 150 mm x 150 mm x 300 mm som eksempel, demonstreres testanordningen for lokal belastning.
Påvirkningen av ulike parametere på bærende og bruddatferd ble undersøkt ved å analysere den endelige lokale trykkspenningen (dvs. endelig bæreevne), spennings-forskyvningsrespons og brudd- og sprekkegenskaper. Deretter presenteres noen hovedresultater og nøkkelfunn.
(2) Arealforhold og fibertilsetningsmengde
Under påvirkning av lokal belastning i konsentrisk rom, arealforholdet (= /=2.25, 4, 9 og 16) og fibertilsetning (60 kg/m3 krokende stålfiber) har ulike effekter på den lokale trykkspenningen og lengdeforholdet til høyfast betong (=84.5 MPa). Effekt av forskyvningsrespons. Merk at i de følgende studiene er lokal trykkspenning definert som påført last dividert med belastet areal.
Det kan sees fra spennings-forskyvningskurven at tilsetning av stålfibre kan øke den endelige lokale trykkspenningen til betong betydelig (opptil 47%). Sammenlignet med vanlig betong kan man se at stålfibrenes påvirkning på bæreevnen er større ved høyere arealforhold.
Som forventet øker også den ultimate lokale trykkspenningen til vanlig betong og stålfiberbetong betydelig med økende arealforhold, noe som skyldes inneslutningseffekten til den omkringliggende betongen. Ved lokale arealbelastninger i rommet kan det proporsjonale forholdet mellom den endelige lokale trykkspenningen og kvadratroten av arealforholdet tydelig bestemmes. Siden tilbakeholdingseffekten er ufullstendig i tilfellet med planbelastning lokalt områdebelastning, er økningen i endelig lokal trykkspenning relativt lav. I dette tilfellet er det funnet å være proporsjonalt med terningroten av arealforholdet. Disse korrelasjonene gir grunnlag for å beregne de lokale påkjenningene som høyfast SFRC tåler.
Kort tid etter å ha nådd maksimal spenning, viste stress-forskyvningskurven til PC en kraftig nedgang, noe som indikerte at prøven plutselig ble skadet under testen. I motsetning til dette viser SFRC karakteristikken av gradvis avtagende stress med økende forskyvning, tilsvarende duktil sviktoppførsel. Ved planfordeling av partiell arealbelastning er denne effekten mindre åpenbar fordi den ikke er fullstendig begrenset.
Typiske bruddmoduser for PC- og SFRC-prøver med høy styrke, med samsvarende spennings-forskyvningskurver. Totalt sett ble det ikke observert synlige sprekker eller avskalling for PC og SFRC før nær den endelige belastningen. Like etter sviktet alle PC-prøver under mer eller mindre fragmenterte forhold, spesielt når det gjelder høyfast betong, med en kraftig nedgang i last-forskyvningskurven. For store arealforhold utviklet det seg en enkelt stor splittende sprekk gjennom hele testen og penetrerte sideoverflaten til bunnen, mens ved små arealforhold kollapset PC-prøven fullstendig. Derimot opprettholdt alle SFRC-prøver sin integritet til slutten av testen og viste flere sprekkmønstre. Under et stort arealforhold oppstod sprekker sammen med en liten mengde betongavskalling hovedsakelig i den øvre delen av SFRC-prøven. Etter hvert som arealforholdet avtar, har sprekker og avskalling en tendens til å utvikle seg mer og mer også i nedre halvdel.
(3) Fibertype og blanding
Fra studiet av uttrekksadferden til stålfibre, kan det utledes at egenskapene til fibrene også har en betydelig innvirkning på den bærende og bruddatferden til SFRC under lokal belastning. Den endelige lokale trykkspenningen av høyfast SFRC fremstilt ved bruk av forskjellige typer stålfibre med et fiberinnhold på 60 kg/m3 (romlig lastfordeling, δ=9) er vist. Sammenlignet med PC varierer den økte frekvensen av endelig lokal trykkspenning fra 28 % til 51 %. Som forventet så høystyrke fibre i stor størrelse med krokende (Lh60) ut til å være mest effektive for å øke den ultimate bæreevnen. Testen fant imidlertid at SFRC fremstilt ved bruk av fibre i stor størrelse med høy styrke, bare økte den ultimate bæreevnen med 15 % sammenlignet med SFRC som ble fremstilt med fibre av normal styrke i stor størrelse (L60), selv om resultatene av uttrekkstest viste at den ultimate bæreevnen til den høyfaste fiberen. Uttrekksbelastningen er nesten dobbelt så stor som for fibre med normal styrke.
For SFRC prepared using fiber blends, positive synergistic effects can be observed for certain combinations of fiber types. In high-strength concrete, however, this effect is only evident at relatively high fiber contents (>80-100 kg/m3). Studier av forskjellige fiberblandinger viste at kombinasjonen av krokende mikrofibre og rette fibre viste seg å være den mest fordelaktige under slike belastningsforhold. Selv om den endelige lokale trykkspenningen til de to fiberblandingene som sammenlignes er nesten den samme, kan det sees at SFRC med 50 % store fibre og 50 % mikrofibre (SFRC L60+S60) har en mer duktil oppførsel i post-crack-stadiet (sammenlignet med SFRC L40+M40+S40). På grunn av fiberblandingens forsterkende effekt er dens positive påvirkning på bæreevnen og bruddoppførselen spesielt tydelig for lokal eksentrisk belastning.
(4) Fiberorientering
Det er velkjent at fibre rettet langs strekkspenningsretningen har den beste sprekkoverbyggende evnen. Ved lokal belastning begrenser sprekkestrekkspenningen vinkelrett på belastningsretningen vanligvis den tolerable lokale trykkspenningen og dominerer bruddmodusen. Derfor kan fiberorientering forventes å ha en betydelig innvirkning på den bærende og bruddadferden til SFRC under lokalisert belastning. For å studere denne effekten ble fiberorientering kontrollert ved å produsere prøver i vertikal og horisontal forskaling, og lokale belastningstester ble utført på SFRC.
Prosentandelen av stålfibre (60 kg/m3 store fibre med krokende) i tre romlige retninger (x, y, z) i forhold til belastningsretningen ble målt med elektromagnetisk utstyr, og SFRC-prøvene fremstilt av vertikale og horisontale former ble sammenlignet. (150 mm x 150 mm x 300 mm). I den horisontale formprøven var omtrent 46 % av fibrene orientert i belastningsretningen. Derfor, sammenlignet med de stående prøvene, er færre fibre orientert langs to retninger vinkelrett på belastningsretningen, som tilsvarer hovedstrekkspenningsretningene til den lokale lastfordelingen. Resultatene viser at den endelige lokale trykkspenningsverdien til prøven forberedt i den horisontale formen er betydelig redusert (opptil 23%). Videre, etter å ha nådd den endelige lokale trykkspenningen, er spennings-forskyvningskurven preget av et kraftig fall i spenningen, som viser en mindre duktil sviktoppførsel. Denne effekten ble også demonstrert i det eksperimentelle tilfellet med uavhengige arealforhold.
Ved lokal belastning er påvirkningen på den dominerende orienteringen av fibrene avhengig av helleretningen (vertikal/horisontal forskaling) mer signifikant, siden i dette tilfellet virker hovedstrekkspenningene primært i tverrretning (vinkelrett på lasteretning).
• Fiberstørrelse:
På de individuelle fiber- og matrisenivåene styres uttrekksadferden til individuelle fibre av grensesnittforholdene, fiberformen og fiberhellingsvinkelen i forhold til sprekken. En semi-analytisk modell ble utviklet som forutsier uttrekkskraft-forskyvningsforholdet til en enkelt fiber, som avhenger av posisjonen til fiberens tyngdepunkt, og helningsvinkelen i forhold til sprekkplanet. Modellen er i stand til å fange opp hovedmekanismene som aktiveres under uttrekksprosessen av en enkelt stålfiber innebygd i en betongmatrise (krokendeutretting, betongskalling og fiberbrudd), og tar hensyn til ulike konfigurasjoner av fibertype og styrke, betongstyrke, fiberhellingsvinkel og innstøpingslengde.
• Sprekkstørrelse:
På nivået med sprekker i den fiberarmerte betongkompositten, aktiveres fibre som passerer gjennom sprekkene og gir en gjenværende ettersprekkestyrke som er avhengig av fiberinnhold og fiberorientering. I multilevel SFRC-modellen blir responsen etter sprekk tilnærmet ved en strekk-separasjonsmetode som tar hensyn til fiberanisotropi-retninger ved å integrere uttrekkskraft-forskyvningsforholdet til alle individuelle fibre som passerer gjennom sprekken.
• Strukturelle dimensjoner:
I strukturell skala fanges oppførsel etter brudd gjennom en diskret sprekkmodell basert på kondenserte grensesnittelementer. Grensesnittelementer settes inn mellom vanlige endelige elementer (volumelementer), som gjør at bruddene kan kartlegges diskret og gir direkte informasjon om sprekkvidde. Oppførselen til grensesnittelementene styres av strekk-separasjonsregler avledet fra multi-level SFRC-modeller i crack-skalaen. For å redegjøre for tilstedeværelsen av stålstenger, ble det også utviklet en mesh-uavhengig kontaktbasert representasjon av diskrete stålstenger. Stålstengene er modellert som fagverkselementer og koblet til betongmatrisen via begrensninger plassert mellom kontrollpunkter på stålstangelementene og deres projeksjonspunkter i de innebygde volumelementene. Bond-slip-mekanismen er gitt i begrensningene, og elastisk-plast v.Mises flyteoverflate og lineær herding av stålet er vurdert.
