Stålfiberarmeret beton (SFRC) til tunnelbeklædning
Fiberudtrækningsadfærden studeres eksperimentelt under hensyntagen til faktorer som fiberform, størrelse og hældningsvinkel. Endvidere præsenterer de følgende afsnit eksperimenterne og de tilsvarende numeriske modeller, der er etableret for fuldt ud at beskrive stålfiberbetonforingen.
2. Stålfiberbeton under lokal belastning
Som nævnt i indledningen udsættes foringssegmenter for stærkt koncentrerede belastninger (dvs. lokale belastninger) under konstruktion og slutfaser. De resulterende revnetrækspændinger er ofte en afgørende faktor i designet og skal modstås med passende armering. Brugen af stålfiberarmeret beton kan øge bæreevnen og positivt påvirke brudadfærden under sådanne koncentrerede belastningssituationer. For at realisere den optimale anvendelse af stålfiberbeton, især i foringssegmenter, blev der udført en systematisk eksperimentel og numerisk undersøgelse af stålfiberbetons bærende og brudadfærd under partiel zonebelastning.
(1) Eksperimentel forskning på SFRC under lokal belastning
For at karakterisere den belastningsbærende og brudadfærd af SFRC under lokaliseret regional belastning, blev der udført et fuldskalaforsøg indeholdende ikke-fiber-relaterede og fiber-relaterede varierende parametre. Ikke-fiber-relaterede variabler omfatter betonstyrke, prøvestørrelse, arealforhold og belastningsexcentricitet. Endvidere tages der hensyn til lokale overfladebelastninger fordelt rumligt (dvs. punktbelastninger) og arealer (dvs. båndbelastninger), under hensyntagen til to relevante koncentrerede belastningssituationer, der forekommer i periferiske og langsgående samlinger af foringssegmenter. Fiberrelaterede faktorer omfatter fiberegenskaber (f.eks. styrke, størrelse, geometri og billedformat), fiberindhold og orientering og kombinationer af forskellige fibertyper (dvs. fiberblandinger).
Det undersøgte design af betonbaseblandingen er det samme som det, der almindeligvis anvendes i foringssegmenter.
Ved at tage en prøve på 150 mm x 150 mm x 300 mm som eksempel, demonstreres testanordningen til lokal belastning.
Indflydelsen af forskellige parametre på belastnings- og brudadfærden blev undersøgt ved at analysere den endelige lokale trykspænding (dvs. ultimativ belastningsbærende kapacitet), spændings-forskydningsrespons og svigt- og revneegenskaber. Dernæst præsenteres nogle hovedresultater og nøgleresultater.
(2) Arealforhold og fibertilsætningsmængde
Under påvirkning af lokal belastning i koncentrisk rum, arealforholdet (= /=2.25, 4, 9 og 16) og fibertilsætning (60 kg/m3 krogende stålfiber) har forskellige virkninger på den lokale trykspænding og langsgående sammenhæng af højstyrkebeton (=84,5 MPa). Effekt af forskydningsrespons. Bemærk, at i de følgende undersøgelser er lokal trykspænding defineret som den påførte belastning divideret med det belastede areal.
Det kan ses af spændings-forskydningskurven, at tilsætning af stålfibre kan øge den ultimative lokale trykspænding af beton markant (op til 47%). Sammenlignet med almindelig beton kan det ses, at stålfibrenes indflydelse på bæreevnen er større ved højere arealforhold.
Som forventet stiger den ultimative lokale trykspænding af almindelig beton og stålfiberbeton også markant med stigende arealforhold, hvilket skyldes den omgivende betons indeslutningseffekt. I tilfælde af lokale arealbelastninger i rummet kan det proportionale forhold mellem den ultimative lokale trykspænding og kvadratroden af arealforholdet klart bestemmes. Da tilbageholdelseseffekten er ufuldstændig i tilfælde af flybelastning lokalt områdebelastning, er stigningen i ultimativ lokal trykspænding relativt lav. I dette tilfælde viser det sig, at den er proportional med terningroden af arealforholdet. Disse korrelationer giver grundlag for at beregne de lokale spændinger, som højstyrke SFRC kan modstå.
Kort efter at have nået den maksimale spænding, viste stress-forskydningskurven for PC et kraftigt fald, hvilket indikerer, at prøven pludselig blev beskadiget under testen. I modsætning hertil udviser SFRC karakteristikken af gradvist aftagende stress med stigende forskydning, svarende til duktilt svigtadfærd. I tilfælde af planfordeling af partiel arealbelastning er denne effekt mindre tydelig, fordi den ikke er fuldt begrænset.
Typiske brudtilstande for højstyrke PC- og SFRC-prøver, med tilsvarende spændingsforskydningskurver, der matcher. Samlet set blev der ikke observeret nogen synlig revnedannelse eller afskalning for PC og SFRC indtil tæt på den ultimative belastning. Kort efter fejlede alle PC-prøver under mere eller mindre fragmenterede forhold, især i tilfælde af højstyrkebeton, med et kraftigt fald i last-forskydningskurven. For store arealforhold udviklede der sig en enkelt større spaltningsrevne gennem hele testen og trængte ind i sideoverfladen til bunden, mens PC-prøven ved små arealforhold kollapsede fuldstændigt. I modsætning hertil bevarede alle SFRC-prøver deres integritet indtil slutningen af testen og udviste flere revnemønstre. Under et stort arealforhold forekom revner sammen med en lille mængde betonafskalning hovedsageligt i den øvre del af SFRC-prøven. Efterhånden som arealforholdet falder, har revner og spartling også tendens til at udvikle sig mere og mere i den nederste halvdel.
(3) Fibertype og blanding
Fra undersøgelsen af stålfibres udtrækningsadfærd kan det udledes, at fibrenes egenskaber også har en væsentlig indflydelse på SFRC's bærende og brudadfærd under lokal belastning. Den ultimative lokale trykspænding af højstyrke SFRC fremstillet ved brug af forskellige typer stålfibre ved et fiberindhold på 60 kg/m3 (rumlig belastningsfordeling, δ=9) er vist. Sammenlignet med pc varierer den øgede grad af ultimativ lokal trykspænding fra 28 % til 51 %. Som forventet syntes højstyrke fibre i stor størrelse med krogende (Lh60) at være mest effektive til at øge den ultimative belastningsbæreevne. Testen viste imidlertid, at SFRC'et fremstillet med højstyrke fibre i stor størrelse kun øgede den ultimative belastningsbærende kapacitet med 15 % sammenlignet med SFRC'et fremstillet med normalstyrke fibre i stor størrelse (L60), selvom resultaterne af Udtrækstest viste, at den højstyrkefibers ultimative bæreevne. Udtræksbelastningen er næsten dobbelt så stor som 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). Undersøgelser af forskellige fiberblandinger viste, at kombinationen af krogende mikrofibre og lige fibre viste sig at være den mest fordelagtige under sådanne belastningsforhold. Selvom den ultimative lokale trykspænding af de to sammenlignede fiberblandinger er næsten den samme, kan det ses, at SFRC med 50 % store fibre og 50 % mikrofibre (SFRC L60+S60) har en mere duktil adfærd i post-crack-stadiet (sammenlignet med SFRC L40+M40+S40). På grund af fiberblandingens forstærkende effekt er dens positive indflydelse på belastnings- og brudadfærden særligt tydelig ved lokal excentrisk belastning.
(4) Fiberorientering
Det er velkendt, at fibre, der er rettet langs retningen af trækspænding, har den bedste revneoverbyggende evne. I tilfælde af lokal belastning begrænser revnetrækspændingen vinkelret på belastningsretningen sædvanligvis den tolerable lokale trykspænding og dominerer fejltilstanden. Derfor kan fiberorientering forventes at have en betydelig indflydelse på SFRC's belastningsbærende og brudadfærd under lokaliseret belastning. For at studere denne effekt blev fiberorienteringen kontrolleret ved at producere prøver i lodret og vandret forskalling, og lokale belastningstest blev udført på SFRC.
Procentdelen af stålfibre (60 kg/m3 krogende store fibre) i tre rumlige retninger (x, y, z) i forhold til belastningsretningen blev målt med elektromagnetisk udstyr, og SFRC-prøverne blev fremstillet af lodrette og vandrette forme blev sammenlignet. (150 mm x 150 mm x 300 mm). I den vandrette formprøve var ca. 46% af fibrene orienteret i belastningsretningen. Sammenlignet med de stående prøver er færre fibre derfor orienteret langs to retninger vinkelret på belastningsretningen, hvilket svarer til hovedtrækspændingsretningerne for den lokale belastningsfordeling. Resultaterne viser, at den ultimative lokale trykspændingsværdi for prøven, der er fremstillet i den vandrette form, er væsentligt reduceret (op til 23%). Ydermere, efter at have nået den ultimative lokale trykspænding, er spændings-forskydningskurven kendetegnet ved et kraftigt fald i spændingen, hvilket udviser en mindre duktil svigtadfærd. Denne effekt blev også påvist i det eksperimentelle tilfælde af uafhængige arealforhold.
Ved lokal belastning er indflydelsen på den dominerende orientering af fibrene afhængig af støberetningen (lodret/vandret forskalling) mere signifikant, da hovedtrækspændingerne i dette tilfælde primært virker i en tværgående retning (vinkelret på læsseretning).
• Fiberstørrelse:
På de individuelle fiber- og matrixniveauer styres individuelle fibres udtrækningsadfærd af grænsefladeforholdene, fiberformen og fiberhældningsvinklen i forhold til revnen. En semi-analytisk model blev udviklet, der forudsiger udtrækningskraft-forskydningsforholdet for en enkelt fiber, som afhænger af positionen af fiberens tyngdepunkt og hældningsvinklen i forhold til revneplanet. Modellen er i stand til at fange de vigtigste mekanismer, der aktiveres under udtrækningsprocessen af en enkelt stålfiber indlejret i en betonmatrix (krogeendeudretning, betonafskalning og fiberbrud), under hensyntagen til forskellige konfigurationer af fibertype og styrke, betonstyrke, fiberhældningsvinkel og indstøbningslængde.
• Revnestørrelse:
På niveau med revnerevner i den fiberarmerede betonkomposit aktiveres fibre, der passerer gennem revnerne, og giver en resterende efterrevnestyrke, der er afhængig af fiberindhold og fiberorientering. I multilevel SFRC-modellen er post-revneresponsen tilnærmet ved en stræk-separationsmetode, der tager højde for fiberanisotropi-retninger ved at integrere udtrækningskraft-forskydningsforholdet for alle individuelle fibre, der passerer gennem revnen.
• Strukturelle dimensioner:
På den strukturelle skala fanges adfærd efter brud gennem en diskret revnemodel baseret på kondenserede grænsefladeelementer. Interfaceelementer indsættes mellem regulære finite elementer (volumenelementer), som gør det muligt at kortlægge bruddene diskret og direkte giver information om revnebredde. Grænsefladeelementernes adfærd er styret af stræk-separationsregler afledt af multi-level SFRC-modeller på crack-skalaen. For at tage højde for tilstedeværelsen af stålstænger blev der også udviklet en mesh-uafhængig kontaktbaseret repræsentation af diskrete stålstænger. Stålstængerne er modelleret som spærelementer og koblet til betonmatrixen via begrænsninger placeret mellem kontrolpunkter på stålstangselementerne og deres projektionspunkter i de indlejrede volumenelementer. Bond-slip-mekanismen er tilvejebragt i begrænsningerne, og den elastiske-plastiske v.Mises-flydeflade og lineær hærdning af stålet tages i betragtning.
