Бетон ојачан челичним влакнима (СФРЦ) за облагање тунела
Понашање извлачења влакана се проучава експериментално, узимајући у обзир факторе као што су облик влакна, величина и угао нагиба. Штавише, следећи одељци представљају експерименте и одговарајуће нумеричке моделе успостављене да у потпуности описују бетонску облогу од челичних влакана.
2. Бетон од челичних влакана под локалним оптерећењем
Као што је поменуто у уводу, сегменти облоге су подложни високо концентрисаним оптерећењима (тј. локално оптерећење) током изградње и завршних фаза. Резултирајућа затезна напрезања при пуцању су често одлучујући фактор у дизајну и морају се одупрети одговарајућом арматуром. Употреба бетона ојачаног челичним влакнима може повећати носивост и позитивно утицати на понашање лома у таквим ситуацијама концентрисаног оптерећења. Да би се остварила оптимална примена бетона од челичних влакана, посебно у сегментима облоге, спроведено је систематско експериментално и нумеричко истраживање носивости и ломног понашања бетона од челичних влакана при делимичном зонском оптерећењу.
(1) Експериментално истраживање СФРЦ-а под оптерећењем локалног подручја
Да би се окарактерисало понашање носивости и лома СФРЦ-а под локализованим регионалним оптерећењем, изведен је експеримент пуне скале који је садржао различите параметре који нису везани за влакна и за влакна. Променљиве које се не односе на влакна укључују чврстоћу бетона, величину узорка, однос површина и ексцентрицитет оптерећења. Даље, разматрају се локална површинска оптерећења распоређена просторно (тј. тачкаста оптерећења) и ареално (тј. оптерећења траке), узимајући у обзир две релевантне ситуације концентрисаног оптерећења које се јављају у ободним и уздужним спојевима сегмената облоге. Фактори везани за влакна укључују својства влакана (нпр. чврстоћу, величину, геометрију и однос ширине и висине), садржај и оријентацију влакана и комбинације различитих типова влакана (тј. мешавине влакана).
Проучени дизајн мешавине бетонске базе је исти као онај који се обично користи у сегментима облоге.
Узимајући примерак 150 мм к 150 мм к 300 мм као пример, демонстриран је тест уређај за локално оптерећење.
Утицај различитих параметара на понашање носивости и лома истражен је анализом коначног локалног тлачног напрезања (тј. крајње носивости), одговора напрезање-померање и карактеристика лома и пуцања. Затим су представљени неки главни резултати и кључни налази.
(2) Однос површине и количина додатка влакана
Под дејством локалног оптерећења у концентричном простору, однос површина (= /=2.25, 4, 9 и 16) и додатак влакана (60 кг/м3 челичних влакана на куки) имају различите ефекте на локални напон притиска и уздужни однос бетона високе чврстоће (=84.5 МПа). Ефекат одговора на померање. Имајте на уму да је у следећим студијама, локални напон притиска дефинисан као примењено оптерећење подељено са оптерећеном површином.
Из криве напрезање-померање се може видети да додавање челичних влакана може значајно повећати крајњи локални напон притиска бетона (до 47%). У поређењу са обичним бетоном, види се да је утицај челичних влакана на носивост значајнији при већим односима површина.
Као што се и очекивало, крајњи локални напон на притисак обичног бетона и бетона од челичних влакана такође се значајно повећава са повећањем односа површина, што је због ефекта затварања околног бетона. У случају локалних оптерећења у простору, пропорционални однос између крајњег локалног тлачног напона и квадратног корена односа површина може се јасно одредити. Пошто је ефекат ограничавања непотпун у случају оптерећења на локалној површини равним оптерећењем, повећање крајњег локалног тлачног напона је релативно мало. У овом случају, утврђено је да је пропорционалан кубном корену односа површина. Ове корелације пружају основу за израчунавање локалних напона које СФРЦ високе чврстоће може да издржи.
Убрзо након достизања максималног напрезања, крива напон-померање ПЦ-а је показала нагли пад, што указује да је узорак изненада оштећен током испитивања. Насупрот томе, СФРЦ показује карактеристику постепеног смањења напрезања са повећањем померања, што одговара понашању дуктилног лома. У случају дистрибуције делимичне површине оптерећења, овај ефекат је мање очигледан јер није у потпуности ограничен.
Типични начини лома ПЦ и СФРЦ узорака високе чврстоће, са одговарајућим подударањем кривуља напрезања и померања. Све у свему, није примећено видљиво пуцање или ломљење за ПЦ и СФРЦ све док се не приближи крајњем оптерећењу. Убрзо након тога, сви узорци ПЦ-а су отказали у мање или више фрагментираним условима, посебно у случају бетона високе чврстоће, уз нагло смањење криве оптерећење-померај. За велике размере површина, једна велика пукотина која се цепа се развила током теста и продрла је у бочну површину до дна, док се при малим односима површина ПЦ узорак потпуно срушио. Насупрот томе, сви СФРЦ узорци су задржали свој интегритет до краја теста и показали су вишеструке узорке пукотина. Под великим односом површина, пукотине заједно са малом количином љуштења бетона углавном су се јављале у горњем делу СФРЦ узорка. Како се однос површина смањује, пукотине и ломљење имају тенденцију да се све више развијају иу доњој половини.
(3) Врста влакана и мешавина
Из проучавања понашања челичних влакана при извлачењу може се закључити да својства влакана такође имају значајан утицај на носивост и ломно понашање СФРЦ-а под локалним оптерећењем. Приказан је крајњи локални напон на притисак СФРЦ високе чврстоће припремљеног коришћењем различитих типова челичних влакана са садржајем влакана од 60 кг/м3 (просторна расподела оптерећења, δ=9). У поређењу са ПЦ, повећана стопа крајњег локалног тлачног напрезања креће се од 28% до 51%. Као што се очекивало, чинило се да су влакна велике величине са куком високе чврстоће (Лх60) најефикаснија у повећању крајњег капацитета носивости. Међутим, тест је открио да је СФРЦ припремљен коришћењем влакана велике чврстоће само повећао крајњи капацитет носивости за 15% у поређењу са СФРЦ припремљеним од влакана велике величине нормалне чврстоће (Л60), иако су резултати Тест на извлачење је показао да је крајњи капацитет носивости влакана високе чврстоће Оптерећење извлачења је скоро двоструко веће од влакана нормалне чврстоће.
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 кг/м3). Студије различитих мешавина влакана показале су да се комбинација микровлакана са кукастим крајевима и равних влакана показала као најповољнија у таквим условима оптерећења. Иако је крајњи локални напон притиска две мешавине влакана у поређењу скоро исти, може се видети да СФРЦ са 50% великих влакана и 50% микровлакана (СФРЦ Л60+С60) има дуктилније понашање у фази након пуцања (у поређењу са СФРЦ Л40+М40+С40). Због ефекта ојачања мешавине влакана, њен позитиван утицај на носивост и понашање лома посебно је евидентан код локалног ексцентричног оптерећења.
(4) Оријентација влакана
Добро је познато да влакна постављена дуж правца затезног напрезања имају најбољу способност премошћавања пукотина. У случају локалног оптерећења, затезни напон при пуцању окомито на правац оптерећења обично ограничава подношљиво локално напон притиска и доминира режимом лома. Стога се може очекивати да ће оријентација влакана имати значајан утицај на носивост и понашање СФРЦ-а при лому под локализованим оптерећењем. Да би се проучио овај ефекат, оријентација влакана је контролисана производњом узорака у вертикалној и хоризонталној оплати, а локални тестови оптерећења су изведени на СФРЦ.
Проценат челичних влакана (60 кг/м3 влакана велике величине са куком) у три просторна правца (к, и, з) у односу на правац оптерећења мерен је електромагнетном опремом, а СФРЦ узорци припремљени вертикалним и хоризонталним калупима су упоређивани. (150 мм к 150 мм к 300 мм). У хоризонталном узорку калупа, приближно 46% влакана је било оријентисано у правцу оптерећења. Дакле, у поређењу са стојећим узорцима, мање влакана је оријентисано дуж два правца управна на правац оптерећења, који одговарају главним правцима затезног напрезања локалне расподеле оптерећења. Резултати показују да је крајња вредност локалног тлачног напрезања узорка припремљеног у хоризонталном калупу значајно смањена (до 23%). Штавише, након достизања крајњег локалног тлачног напона, крива напон-померање карактерише нагли пад напона, показујући мање дуктилно понашање лома. Овај ефекат је такође приказан у експерименталном случају независних односа површина.
У случају локалног оптерећења, утицај на доминантну оријентацију влакана у зависности од правца изливања (вертикална/хоризонтална оплата) је значајнији, јер у овом случају главни затезни напони делују првенствено у попречном правцу (управно на смер утовара).
• Величина влакана:
На појединачним нивоима влакана и матрице, понашање појединачних влакана при извлачењу је контролисано условима интерфејса, обликом влакна и углом нагиба влакана у односу на пукотину. Развијен је полуаналитички модел који предвиђа однос силе извлачења и померања једног влакна, који зависи од положаја тежишта влакна и угла нагиба у односу на раван прслине. Модел је у стању да ухвати главне механизме који се активирају током процеса извлачења једног челичног влакна уграђеног у бетонску матрицу (исправљање крајева куке, ломљење бетона и ломљење влакана), узимајући у обзир различите конфигурације типа и чврстоће влакана, чврстоћа бетона, угао нагиба влакана и дужина уградње.
• Величина пукотине:
На нивоу пукотина унутар бетонског композита армираног влакнима, влакна која пролазе кроз пукотине се активирају и обезбеђују заосталу чврстоћу након пуцања која зависи од садржаја влакана и оријентације влакана. У вишеслојном СФРЦ моделу, реакција након пуцања је апроксимирана методом раздвајања растезања која узима у обзир правце анизотропије влакана интеграцијом односа сила извлачења и померања свих појединачних влакана која пролазе кроз пукотину.
• Структурне димензије:
На структурној скали, понашање након руптуре је обухваћено дискретним моделом прслине заснованим на кондензованим елементима интерфејса. Елементи интерфејса се убацују између регуларних коначних елемената (елемената запремине), који омогућавају дискретно мапирање лома и директно дају информације о ширини пукотине. Понашање елемената интерфејса је регулисано правилима раздвајања растезања која су изведена из вишеслојних СФРЦ модела на скали пукотине. Да би се урачунало присуство челичних шипки, такође је развијено представљање дискретних челичних шипки засновано на мрежи независно од контакта. Челичне шипке су моделоване као решеткасти елементи и спојене на бетонску матрицу преко ограничења која се налазе између контролних тачака на елементима челичне шипке и њихових тачака пројекције у уграђеним елементима запремине. Везано-клизни механизам је обезбеђен у ограничењима, а разматрају се еластично-пластична в.Мисесова површина попуштања и линеарно очвршћавање челика.
