Stålfiberarmerad betong (SFRC) för tunnelbeklädnad
Fiberns utdragningsbeteende studeras experimentellt, med hänsyn till faktorer som fiberform, storlek och lutningsvinkel. Dessutom presenterar följande avsnitt experimenten och motsvarande numeriska modeller som upprättats för att fullständigt beskriva stålfiberbetongbeklädnaden.
2. Stålfiberbetong under lokal belastning
Som nämnts i inledningen utsätts beklädnadssegmenten för högt koncentrerade belastningar (dvs. lokala belastningar) under konstruktions- och slutskedet. De resulterande sprickdragspänningarna är ofta en avgörande faktor i konstruktionen och måste motstås med lämplig förstärkning. Användningen av stålfiberarmerad betong kan öka bärförmågan och positivt påverka brottbeteendet under sådana koncentrerade belastningssituationer. För att förverkliga den optimala tillämpningen av stålfiberbetong, särskilt i fodersegment, genomfördes en systematisk experimentell och numerisk studie av stålfiberbetongs bärande och brottbeteende under partiell zonbelastning.
(1) Experimentell forskning om SFRC under lokal belastning
För att karakterisera SFRC:s bärande och brottbeteende under lokal regional belastning, utfördes ett fullskaligt experiment innehållande icke-fiberrelaterade och fiberrelaterade varierande parametrar. Icke-fiberrelaterade variabler inkluderar betonghållfasthet, provstorlek, areaförhållande och lastexcentricitet. Vidare beaktas lokala ytlaster fördelade spatialt (dvs. punktlaster) och arealer (dvs. bandlaster), med hänsyn tagen till två relevanta koncentrerade lastsituationer som uppstår i omkrets- och längsgående fogar av fodersegment. Fiberrelaterade faktorer inkluderar fiberegenskaper (t.ex. styrka, storlek, geometri och bildförhållande), fiberinnehåll och orientering och kombinationer av olika fibertyper (dvs fiberblandningar).
Den studerade betongbasblandningens design är densamma som vanligen används i fodersegment.
Med ett 150 mm x 150 mm x 300 mm prov som exempel, demonstreras testanordningen för lokal lastning.
Olika parametrars inverkan på belastnings- och brottbeteendet undersöktes genom att analysera den slutliga lokala tryckspänningen (dvs. slutlig belastningskapacitet), spännings-förskjutningssvar och brott- och sprickegenskaper. Därefter presenteras några huvudresultat och nyckelresultat.
(2) Ytförhållande och fibertillsatsmängd
Under påverkan av lokal belastning i koncentriskt utrymme, areaförhållandet (= /=2.25, 4, 9 och 16) och fibertillsats (60 kg/m3 stålfiber med krokände) har olika effekter på den lokala tryckspänningen och longitudinella förhållandet hos höghållfast betong (=84,5 MPa). Effekt av förskjutningssvar. Observera att i följande studier definieras lokal tryckspänning som den pålagda lasten dividerad med den belastade arean.
Det kan ses från spännings-förskjutningskurvan att tillsats av stålfibrer avsevärt kan öka den slutliga lokala tryckspänningen för betong (upp till 47%). Jämfört med vanlig betong kan man se att stålfibrernas inverkan på bärförmågan är mer betydande vid högre ytkvoter.
Som väntat ökar också den slutliga lokala tryckspänningen hos vanlig betong och stålfiberbetong avsevärt med ökande ytförhållande, vilket beror på den omgivande betongens inneslutningseffekt. I fallet med lokala arealaster i rymden kan det proportionella förhållandet mellan den slutliga lokala tryckspänningen och kvadratroten av areaförhållandet tydligt bestämmas. Eftersom begränsningseffekten är ofullständig i fallet med lokal lastning med planbelastning, är ökningen av den slutliga lokala tryckspänningen relativt låg. I detta fall visar sig det vara proportionellt mot kubroten av areaförhållandet. Dessa korrelationer ger underlag för att beräkna de lokala påkänningar som höghållfast SFRC tål.
Kort efter att den maximala spänningen uppnåtts, visade spännings-förskjutningskurvan för PC en kraftig minskning, vilket tyder på att provet plötsligt skadades under testet. Däremot uppvisar SFRC egenskapen att gradvis minska spänningen med ökande förskjutning, vilket motsvarar duktilt brottbeteende. I fallet med planfördelning av partiell belastning är denna effekt mindre uppenbar eftersom den inte är helt begränsad.
Typiska brottlägen för höghållfasta PC- och SFRC-prover, med motsvarande spännings-förskjutningskurvor som matchar. Totalt sett observerades inga synliga sprickor eller sprickor för PC och SFRC förrän nära den slutliga belastningen. Kort därefter gick alla PC-exemplar sönder under mer eller mindre fragmenterade förhållanden, särskilt i fallet med höghållfast betong, med en kraftig minskning av last-förskjutningskurvan. För stora ytförhållanden utvecklades en enda större spricka under hela testet och penetrerade sidoytan till botten, medan vid små ytförhållanden kollapsade PC-provet helt. Däremot bibehöll alla SFRC-prover sin integritet till slutet av testet och uppvisade flera sprickmönster. Under ett stort ytförhållande förekom sprickor tillsammans med en liten mängd betongspjälkning främst i den övre delen av SFRC-exemplaret. När areaförhållandet minskar tenderar sprickor och sprickor att utvecklas mer och mer även i den nedre halvan.
(3) Fibertyp och blandning
Från studien av utdragningsbeteendet hos stålfibrer kan man dra slutsatsen att fibrernas egenskaper också har en betydande inverkan på SFRC:s belastnings- och brottbeteende under lokal belastning. Den slutliga lokala tryckspänningen av höghållfast SFRC framställd med olika typer av stålfibrer med ett fiberinnehåll på 60 kg/m3 (spatial lastfördelning, δ=9) visas. Jämfört med PC varierar den ökade frekvensen av slutlig lokal tryckspänning från 28 % till 51 %. Som väntat verkade höghållfasta fibrer av stor storlek med krokändar (Lh60) vara mest effektiva för att öka den ultimata lastbärande kapaciteten. Testet fann dock att SFRC som framställts med höghållfasta fibrer av stor storlek endast ökade den slutliga lastbärande kapaciteten med 15 % jämfört med SFRC som framställts med normalhållfasta fibrer av stor storlek (L60), även om resultaten av utdragningstest visade att den maximala bärförmågan hos den höghållfasta fibern. Utdragningsbelastningen är nästan dubbelt så stor som normalstyrka fibrer.
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 olika fiberblandningar visade att kombinationen av krokända mikrofibrer och raka fibrer visade sig vara den mest fördelaktiga under sådana belastningsförhållanden. Även om den slutliga lokala tryckspänningen för de två jämförda fiberblandningarna är nästan densamma, kan det ses att SFRC med 50 % stora fibrer och 50 % mikrofibrer (SFRC L60+S60) har ett mer segt beteende i eftersprickningsstadiet (Jämfört med SFRC L40+M40+S40). På grund av fiberblandningens förstärkande effekt är dess positiva inverkan på bärighets- och brottbeteendet särskilt tydlig vid lokal excentrisk belastning.
(4) Fiberorientering
Det är välkänt att fibrer som är inriktade längs dragspänningens riktning har den bästa spricköverbryggande förmågan. I fallet med lokal belastning begränsar sprickbildningsdragspänningen vinkelrätt mot belastningsriktningen vanligtvis den tolererbara lokala tryckspänningen och dominerar brottläget. Därför kan fiberorientering förväntas ha en betydande inverkan på SFRC:s belastningsbärande och brottbeteende under lokal belastning. För att studera denna effekt kontrollerades fiberorienteringen genom att producera prover i vertikala och horisontella formsättningar, och lokala belastningstester utfördes på SFRC.
Procentandelen stålfibrer (60 kg/m3 stora fibrer med krokända) i tre rumsliga riktningar (x, y, z) i förhållande till belastningsriktningen mättes med elektromagnetisk utrustning och SFRC-exemplaren framställda av vertikala och horisontella formar jämfördes. (150 mm x 150 mm x 300 mm). I det horisontella formprovet var ungefär 46 % av fibrerna orienterade i belastningsriktningen. Jämfört med de stående exemplaren är därför färre fibrer orienterade längs två riktningar vinkelräta mot belastningsriktningen, vilket motsvarar de huvudsakliga dragspänningsriktningarna för den lokala lastfördelningen. Resultaten visar att det slutliga lokala tryckspänningsvärdet för provet som framställts i den horisontella formen reduceras avsevärt (upp till 23%). Vidare, efter att ha uppnått den ultimata lokala tryckspänningen, kännetecknas spännings-förskjutningskurvan av en kraftig minskning av spänningen, vilket uppvisar ett mindre duktilt brottbeteende. Denna effekt demonstrerades också i det experimentella fallet med oberoende ytförhållanden.
Vid lokal belastning är påverkan på den dominerande orienteringen av fibrerna beroende på gjutriktningen (vertikal/horisontell formsättning) mer betydande, eftersom de huvudsakliga dragspänningarna i detta fall verkar i första hand i en tvärriktning (vinkelrätt mot lastningsriktning).
• Fiberstorlek:
På de individuella fiber- och matrisnivåerna styrs utdragningsbeteendet för individuella fibrer av gränssnittsförhållandena, fiberformen och fiberlutningsvinkeln i förhållande till sprickan. En semi-analytisk modell utvecklades som förutsäger utdragningskraft-förskjutningsförhållandet för en enskild fiber, vilket beror på läget för fiberns tyngdpunkt och lutningsvinkeln i förhållande till sprickplanet. Modellen kan fånga de huvudsakliga mekanismerna som aktiveras under utdragningsprocessen av en enstaka stålfiber inbäddad i en betongmatris (uträtning av krokändar, betongspjälkning och fiberbrott), med hänsyn till olika konfigurationer av fibertyp och styrka, betonghållfasthet, fiberlutningsvinkel och ingjutningslängd.
• Sprickstorlek:
Vid nivån av spricksprickor i den fiberarmerade betongkompositen aktiveras fibrer som passerar genom sprickorna och ger en kvarvarande eftersprickhållfasthet som är beroende av fiberinnehåll och fiberorientering. I multilevel SFRC-modellen approximeras responsen efter sprickbildning genom en sträckningsseparationsmetod som tar hänsyn till fiberanisotropiriktningar genom att integrera utdragningskraft-förskjutningsförhållandena för alla individuella fibrer som passerar genom sprickan.
• Strukturella mått:
I strukturell skala fångas beteende efter brott genom en diskret sprickmodell baserad på kondenserade gränssnittselement. Gränssnittselement infogas mellan vanliga finita element (volymelement), vilket gör att sprickorna kan kartläggas diskret och direkt ger information om sprickbredden. Gränssnittselementens beteende styrs av sträckseparationsregler härledda från multi-level SFRC-modeller i sprickskala. För att ta hänsyn till förekomsten av stålstänger utvecklades också en nätoberoende kontaktbaserad representation av diskreta stålstänger. Stålstängerna är modellerade som fackverkselement och kopplade till betongmatrisen via begränsningar placerade mellan kontrollpunkter på stålstångselementen och deras projektionspunkter i de inbäddade volymelementen. Bond-slip-mekanismen finns i begränsningarna, och den elastiska plasten v.Mises sträckyta och linjär härdning av stålet beaktas.
