Teräskuituvahvisteinen betoni (SFRC) tunnelien vuoraukseen
Kuitujen vetäytymiskäyttäytymistä tutkitaan kokeellisesti ottaen huomioon sellaiset tekijät kuin kuidun muoto, koko ja kaltevuuskulma. Lisäksi seuraavissa osioissa esitetään kokeet ja vastaavat numeeriset mallit, jotka on laadittu kuvaamaan täysin teräskuitubetonivuorausta.
1. Kuitujen vetokäyttäytyminen
SFRC:stä valmistettujen vaurioita kestävien tunnelipäällysteiden analysoimiseksi, suunnittelemiseksi ja optimoimiseksi on ensin ymmärrettävä materiaalin mekaaninen käyttäytyminen rakennetasolla. On hyvin tunnettua, että SFRC:n mekaaniset ominaisuudet liittyvät siltavaikutukseen halkeaman läpi. Siltavaikutus määräytyy kaikkien murtuneiden kuitujen kokonaisosuuden perusteella. Koska kunkin yksittäisen kuidun silloitustehokkuus riippuu vahvasti kuitubetonimatriisin sidosominaisuuksista, betonimatriisiin upotettujen yksittäisten teräskuitujen ulosvetokäyttäytymistä tutkittiin systemaattisesti laboratoriokokeiden ja analyyttisten mallien avulla. Tutkimustulokset antavat perustan SFRC:n mekaanisen prosessin numeeriselle simulaatiolle. Toisaalta ne tarjoavat myös pohjan jatkotutkimukselle SFRC:n soveltamisesta vuoraussegmenteissä, kuten suorituskykytutkimukselle paikallisten alueellisten kuormitusten alla.
(1) Yhden teräskuidun vetokoe
Teräskuitujen kiinnittymismekanismia betonimatriisissa tutkittiin tekemällä ulosvetokokeita yksittäisille teräskuiduille. Koeohjelmassa analysoidaan parametrien, kuten kuidun muodon, koon, vetolujuuden, kallistuskulman ja betonin lujuuden vaikutusta muuttamalla relevantteja ulosvetokäyttäytymiseen vaikuttavia parametreja.
Ulosvetotestien suorittamista varten valmistettiin sylinterimäisiä näytteitä, joiden mitat olivat 60 mm x 60 mm ja joihin teräskuidut kiinnitettiin ja upotettiin betoniin.
Vetäytymiskäyttäytymisen analyysi keskittyi vetäytymisvoiman ja kuidun siirtymän väliseen korrelaatioon. Lisäksi tarkasteltiin kuitujen ja betonimatriisin rikkoutumistavat.
(2) Kuidun muoto ja koko
Erilaisten kuitumuotojen (suora, aallotettu, koukkupäällinen, kaksinkertainen kartiomainen) vaikutus kuitujen ulosvetovasteeseen, jonka pituus on=20 mm ja kallistuskulma=0 lujassa betonimatriisissa (=84 MPa). Kuten vasemmalla näkyy, ulosvetovaste vaihtelee merkittävästi erimuotoisten kuitujen välillä. Suorarakeisilla kuiduilla kuitujen ja matriisin välinen sidos saadaan aikaan vain rajapinnan kitkan avulla. Siksi lähes erittäin pienillä ulosvetokuormilla tapahtuu täydellinen sidosten irtoaminen, johon liittyy äkillinen kuormituksen lasku. Sitä vastoin ulosvetokuorma jatkoi kasvuaan kuorimisen jälkeen mekaanisesti ankkuroitujen deformoituneiden kuitujen vuoksi. Siksi teksturoidut kuidut tarjoavat huomattavasti paremman vetäytymisvastuksen kuin suorarakeiset kuidut. Vahvan ankkuroinnin ansiosta aallotetut ja kaksoiskartotetut kuidut rikkoutuvat murtumalla pian lopullisen kuormituksen ylittymisen jälkeen. Kuitenkin, jotta saavutetaan sitkeiden materiaalien käyttäytyminen, kuitujen murtumista pienillä ulosvetosiirroilla tulisi välttää. Edullista ulosvetokäyttäytymistä havaittiin koukkupään kuiduilla, joiden koukunpäät pyrkivät vähitellen siirtymään ja suoriutumaan, mikä johti ulosvetovoiman vähenemiseen ja ulosvetosiirtymän lisääntymiseen.
Vertaamalla koukkupään kuitujen 60/0,75 (mm/mm) ja 35/0,55 (mm/mm) vaikutusta kuidun kokoon samalla tasolla Koeolosuhteet. Voidaan nähdä, että molempien kuitujen kuormitus-siirtymäkäyrät ovat samanlaiset ja lähes yhdensuuntaiset. Kuitujen, joiden mitat ovat suurempia, ulosvetokuormitus oli kuitenkin huomattavasti suurempi (+77 %). Halkaisijan ja koukun koon kasvaessa kuidun taivutusjäykkyys ja kosketuspinta matriisin kanssa kasvavat, mikä johtaa koukun plastiseen muodonmuutokseen tarvittavan energian kasvuun. Kuitenkin vertaamalla kahden kuidun irtoamiskuorman suhdetta kuidun lujuuteen, tulokset osoittivat, että näiden kahden kuidun tehokkuus erosi vähän (60,1 % ja 61,0 %).
Saman kuitupitoisuuden omaavassa betonissa lyhyiden/hienojen kuitujen määrä on useita kertoja pitkien/karkeiden kuitujen lukumäärään verrattuna, ja vastaavasti potentiaalisia halkeamia leikkaavien kuitujen määrä on suhteellisesti suurempi pienempien/hienojen kuitujen kohdalla. Joten vaikka tulokset osoittavat, että pitkillä/karkeilla kuiduilla on suurempi ulosvetovastus verrattuna pienempiin/ohuisiin kuituihin, ei yleensä pidä olettaa, että pienemmillä/ohuilla kuiduilla on huonompi kantavuus, päinvastoin voidaan päätellä tulokset Positiivinen synergia. Kuitusekoituksissa on mahdollista yhdistää erikokoisten kuitujen käytön edut (pitempi/paksumpi ja lyhyempi/ohuempi kuitu). Erityisesti tällaisten kuituseosten käytöllä putkisegmenttien reuna-alueilla voi olla myönteinen vaikutus halkeilun ja halkeilun estämiseen.
(3) Kuidun ja betonin lujuus
Kuitulujuuden (ft=1225 MPa, 2600 MPa) ja betonin lujuuden (fc=44 MPa, 84 MPa) vaikutus. Molemmilla betonilujuuksilla lujien kuitujen vetäytymiskestävyys ennen kitka-liukuvaihetta oli lähes kaksinkertainen normaalilujuuksille. Kuten odotettiin, lujaan betoniin upotetuilla kuiduilla oli suurempi vetäytymiskestävyys kuin normaalilujuuteen upotetuilla kuiduilla. Tämä vaikutus on kuitenkin selvempi erittäin lujilla kuiduilla.
Vaikka lujien kuitujen kuormitus-siirtymäkäyrissä on merkittäviä eroja näissä kahdessa betonissa, normaalilujuisten kuitujen kuormitus-siirtymäkäyttäytyminen on samanlainen betonin lujuudesta riippumatta. Normaalilujuisessa betonissa testattujen lujien kuitujen käyrät pienenevät suhteellisen hitaasti saavutettuaan äärivetokuorman. Tämä osoittaa, että betonin heikon lujuuden vuoksi koukun (koukun pään) mekaaninen ankkurointivaikutus ei vaikuta tehokkaasti. Tästä syystä normaalilujuisessa betonissa testattujen lujien kuitujen tehokkuus oli suhteellisen alhainen (42,7 %). On kuitenkin tärkeää huomata, että nämä kuidut ovat huomattavasti tehokkaampia (61,6 %) lujassa betonissa. Siksi optimaalisen kuitutehokkuuden saavuttamiseksi teräskuitujen vetolujuus on sovitettava betonin lujuuteen.
(4) Kuitujen kallistuskulma
Erikoislujaan betoniin upotettujen normaalien ja lujien koukkupään kuitujen ulosvetotestit eri kallistuskulmissa (0 astetta, 15 astetta, 30 astetta, 45 astetta ja 60 astetta). Kuten odotettiin, erittäin lujien kuitujen lopullinen ulosvetokuorma on huomattavasti suurempi kuin normaalilujuuksilla kuitujen kaikilla tarkastelluilla kallistuskulmilla. Kun tavalliset lujuuskuidut vedetään ulos ilman vaurioita, ovat lopulliset vetokuormat hyvin samanlaiset kallistuskulmasta riippumatta. Sitä vastoin erittäin lujat kuidut osoittivat merkittävää lisäystä lopullisessa ulosvetokuormassa 30 asteen ja 45 asteen kallistuskulmien välillä.
Yleisesti ottaen, kun kaltevuuskulma kasvaa, vetosiirtymä murtokuorman alaisena kasvaa ja etupiikin haaran kaltevuus pienenee, erityisesti yli 30 asteen kaltevuuskulmissa. Matriisin murskauksen ja halkeilun lisääntyminen kuidun ulostulossa havaittiin myös kallistuskulman kasvaessa. Tämä ilmiö on ilmeisempi erittäin lujien kuitujen tapauksessa. Lisäksi kallistuskulman kasvaessa kuitu katkeaa useammin, erityisesti tavallisilla kuiduilla.
