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.
2. Teräskuitubetoni paikallisen kuormituksen alaisena
Kuten johdannossa mainittiin, vuoraussegmentit ovat alttiina erittäin keskittyneille kuormituksille (eli paikallisille kuormituksille) rakentamisen ja loppuvaiheen aikana. Syntyvät murtuman vetojännitykset ovat usein ratkaiseva tekijä suunnittelussa, ja ne on kestettävä asianmukaisella raudoituksella. Teräskuituvahvisteisen betonin käyttö voi lisätä kantokykyä ja vaikuttaa positiivisesti murtumiskäyttäytymiseen tällaisissa keskittyneissä kuormitustilanteissa. Teräskuitubetonin optimaalisen sovelluksen toteuttamiseksi erityisesti vuoraussegmenteissä suoritettiin systemaattinen kokeellinen ja numeerinen tutkimus teräskuitubetonin kantavuudesta ja murtumiskäyttäytymisestä osittaisen vyöhykekuormituksen alaisena.
(1) SFRC:n kokeellinen tutkimus paikallisella kuormituksella
SFRC:n kantavuuden ja murtumiskäyttäytymisen karakterisoimiseksi paikallisen aluekuormituksen alaisena suoritettiin täysimittainen koe, joka sisälsi kuituihin liittymättömiä ja kuituihin liittyviä vaihtelevia parametreja. Kuituihin liittymättömiä muuttujia ovat betonin lujuus, näytteen koko, pinta-alasuhde ja kuorman epäkeskisyys. Lisäksi otetaan huomioon alueellisesti (eli pistekuormat) ja alueellisesti (eli nauhakuormat) jakautuneet paikalliset pintakuormitukset ottaen huomioon kaksi relevanttia keskittynyttä kuormitustilannetta, jotka esiintyvät vuoraussegmenttien kehä- ja pituussaumoissa. Kuituihin liittyviä tekijöitä ovat kuitujen ominaisuudet (esim. lujuus, koko, geometria ja muotosuhde), kuitupitoisuus ja suuntaus sekä eri kuitutyyppien yhdistelmät (eli kuitusekoitukset).
Tutkittu betonipohjaseoksen rakenne on sama kuin yleisesti käytetty vuoraussegmenteissä.
Ottamalla esimerkkinä 150 mm x 150 mm x 300 mm näyte, esitellään testilaite paikallista kuormitusta varten.
Eri parametrien vaikutusta kantavuuteen ja murtumiskäyttäytymiseen tutkittiin analysoimalla lopullinen paikallinen puristusjännitys (eli lopullinen kantavuus), jännitys-siirtymävaste sekä murtumis- ja murtumisominaisuudet. Seuraavaksi esitellään tärkeimmät tulokset ja keskeiset havainnot.
(2) Pinta-alasuhde ja kuidun lisäysmäärä
Paikallisen aluekuorman vaikutuksesta samankeskisessä tilassa pinta-alasuhde (= /=2,25, 4, 9 ja 16) ja kuitujen lisäys (60 kg/m3 koukkupään teräskuitu) niillä on erilaisia vaikutuksia korkealujuusbetonin (=84,5 MPa) paikalliseen puristusjännitykseen ja pitkittäissuhteeseen. Siirtymävasteen vaikutus. Huomaa, että seuraavissa tutkimuksissa paikallinen puristusjännitys määritellään kohdistetuksi kuormitukseksi jaettuna kuormitetulla alueella.
Jännitys-siirtymäkäyrästä voidaan nähdä, että teräskuitujen lisääminen voi merkittävästi lisätä betonin lopullista paikallista puristusjännitystä (jopa 47 %). Tavalliseen betoniin verrattuna voidaan nähdä, että teräskuitujen vaikutus kantokykyyn on suurempi suuremmilla pinta-alasuhteilla.
Kuten odotettiin, myös tavallisen betonin ja teräskuitubetonin lopullinen paikallinen puristusjännitys kasvaa merkittävästi pinta-alasuhteen kasvaessa, mikä johtuu ympäröivän betonin rajoitusvaikutuksesta. Kun kyseessä ovat paikalliset aluekuormat avaruudessa, paikallisen murtopuristusjännityksen ja pinta-alasuhteen neliöjuuren välinen suhteellinen suhde voidaan selvästi määrittää. Koska rajoitusvaikutus on epätäydellinen tasokuormituksen paikallisen aluekuormituksen tapauksessa, paikallisen lopullisen puristusjännityksen kasvu on suhteellisen vähäistä. Tässä tapauksessa sen havaitaan olevan verrannollinen pinta-alasuhteen kuutiojuureen. Nämä korrelaatiot muodostavat perustan paikallisten jännitysten laskemiselle, jotka lujat SFRC voivat kestää.
Pian maksimijännityksen saavuttamisen jälkeen PC:n jännitys-siirtymäkäyrä osoitti jyrkkää laskua, mikä osoitti, että näyte äkillisesti vaurioitui testin aikana. Sitä vastoin SFRC:llä on ominaisuus, että jännitys pienenee asteittain kasvaen siirtymän myötä, mikä vastaa sitkeää rikkoontumista. Osittainen aluekuormituksen tasomaisen jakautumisen tapauksessa tämä vaikutus on vähemmän ilmeinen, koska sitä ei rajoiteta täysin.
Tyypilliset suurilujien PC- ja SFRC-näytteiden murtumistilat, joissa vastaavat jännitys-siirtymäkäyrät sopivat. Kaiken kaikkiaan mitään näkyvää halkeilua tai halkeilua ei havaittu PC:lle ja SFRC:lle ennen kuin lähes lopullinen kuormitus. Pian sen jälkeen kaikki PC-näytteet epäonnistuivat enemmän tai vähemmän pirstoutuneissa olosuhteissa, erityisesti erittäin lujan betonin tapauksessa, jolloin kuormitus-siirtymäkäyrä laski jyrkästi. Suurilla pinta-aloilla yksi suuri halkeama halkeama kehittyi koko testin ajan ja tunkeutui sivupinnasta pohjaan, kun taas pienillä pinta-aloilla PC-näyte romahti kokonaan. Sitä vastoin kaikki SFRC-näytteet säilyttivät eheytensä testin loppuun asti ja niissä oli useita halkeamia. Suurella pinta-alasuhteella halkeamia yhdessä pienen betonin lohkeilun kanssa esiintyi pääasiassa SFRC-näytteen yläosassa. Pinta-alan pienentyessä halkeamia ja halkeilua on taipumus kehittyä yhä enemmän myös alaosaan.
(3) Kuitutyyppi ja -sekoitus
Teräskuitujen ulosvetokäyttäytymisen tutkimuksesta voidaan päätellä, että kuitujen ominaisuuksilla on myös merkittävä vaikutus SFRC:n kantavuuteen ja murtumiskäyttäytymiseen paikallisessa kuormituksessa. Suurin lujuuden SFRC:n lopullinen paikallinen puristusjännitys, joka on valmistettu käyttämällä erityyppisiä teräskuituja kuitupitoisuudella 60 kg/m3 (tilakuormituksen jakautuminen, δ=9) on esitetty. Verrattuna PC:hen paikallisen lopullisen puristusjännityksen lisääntymisaste vaihtelee 28 %:sta 51 %:iin. Kuten odotettiin, erittäin lujat koukkupään suuret kuidut (Lh60) näyttivät olevan tehokkain lisättäessä lopullista kantavuutta. Testi kuitenkin osoitti, että SFRC, joka oli valmistettu käyttämällä lujia suurikokoisia kuituja, lisäsi vain 15 %:lla kuormankantokykyä normaalilujilla suurikokoisilla kuiduilla valmistettuun SFRC:hen (L60), vaikka ulosvetotesti osoitti, että lujan kuidun lopullinen kantokyky Ulosvetokuorma on lähes kaksinkertainen normaalilujuuteen verrattuna.
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). Eri kuitusekoitusten tutkimukset osoittivat, että koukkupäällisten mikrokuitujen ja suorien kuitujen yhdistelmä osoittautui edullisimmaksi tällaisissa kuormitusolosuhteissa. Vaikka kahden verrattavan kuituseoksen lopullinen paikallinen puristusjännitys on lähes sama, voidaan nähdä, että SFRC:llä, jossa on 50 % suurikokoisia kuituja ja 50 % mikrokuituja (SFRC L60+S60), on sitkeämpi käyttäytyminen halkeilun jälkeisessä vaiheessa (verrattuna SFRC L40+M40+S40:een). Kuituseoksen vahvistusvaikutuksesta johtuen sen positiivinen vaikutus kantavuuteen ja murtumiskäyttäytymiseen on erityisen ilmeinen paikallisessa epäkeskokuormituksessa.
(4) Kuitusuuntaus
On hyvin tunnettua, että kuiduilla, jotka on kohdistettu vetojännityksen suunnassa, on paras halkeamien siltauskyky. Paikalliskuormituksessa kuormitussuuntaan nähden kohtisuorassa oleva murtuman vetojännitys yleensä rajoittaa siedettävää paikallista puristusjännitystä ja hallitsee murtumistilaa. Siksi kuitujen orientaatiolla voidaan odottaa olevan merkittävä vaikutus SFRC:n kantavuuteen ja murtumiskäyttäytymiseen paikallisessa kuormituksessa. Tämän vaikutuksen tutkimiseksi kuitujen suuntausta ohjattiin valmistamalla näytteitä pysty- ja vaakamuottiin, ja SFRC:lle suoritettiin paikalliset kuormitustestit.
Teräskuitujen (60 kg/m3 koukun pään isokokoiset kuidut) prosenttiosuus kolmessa tilasuunnassa (x, y, z) suhteessa kuormitussuuntaan mitattiin sähkömagneettisella laitteistolla ja SFRC-näytteet valmistettiin pysty- ja vaakamuotilla. verrattiin. (150 mm x 150 mm x 300 mm). Vaakasuuntaisessa muottinäytteessä noin 46 % kuiduista suuntautui kuormitussuuntaan. Siksi seisoviin koekappaleisiin verrattuna vähemmän kuituja suuntautuu kahteen kuormitussuuntaan nähden kohtisuoraan suuntaan, jotka vastaavat paikallisen aluekuormituksen pääasiallisia vetojännityssuuntia. Tulokset osoittavat, että vaakasuuntaisessa muotissa valmistetun näytteen lopullinen paikallinen puristusjännitys pienenee merkittävästi (jopa 23 %). Lisäksi, kun lopullinen paikallinen puristusjännitys on saavutettu, jännitys-siirtymäkäyrälle on ominaista jyrkkä jännityksen lasku, joka osoittaa vähemmän sitkeää murtumiskäyttäytymistä. Tämä vaikutus osoitettiin myös itsenäisten pinta-alasuhteiden kokeellisessa tapauksessa.
Paikallisessa aluekuormituksessa vaikutus kuitujen hallitsevaan orientaatioon valusuunnasta riippuen (pysty/vaakasuora muotti) on merkittävämpi, koska tässä tapauksessa päävetojännitykset vaikuttavat ensisijaisesti poikittaissuunnassa (kohosuuntaan lataussuunta).
• Kuitukoko:
Yksittäisten kuitu- ja matriisitasoilla yksittäisten kuitujen ulosvetokäyttäytymistä säätelevät rajapinnan olosuhteet, kuidun muoto ja kuidun kaltevuuskulma halkeamaan nähden. Kehitettiin puolianalyyttinen malli, joka ennustaa yksittäisen kuidun vetäytymisvoiman ja siirtymäsuhteen, joka riippuu kuidun painopisteen sijainnista ja kaltevuuskulmasta halkeamatasoon nähden. Malli pystyy kaappaamaan tärkeimmät mekanismit, jotka aktivoituvat betonimatriisiin upotetun yksittäisen teräskuidun ulosvetoprosessin aikana (koukun päiden oikaisu, betonin halkeilu ja kuidun rikkoutuminen), ottaen huomioon erilaiset kuitutyypin ja lujuuden konfiguraatiot, betonin lujuus, kuidun kaltevuuskulma ja upotuspituus.
• Halkeaman koko:
Kuitubetonikomposiitin sisällä halkeilevien halkeamien tasolla halkeamien läpi kulkevat kuidut aktivoituvat ja antavat jäännösmurtuman jälkeisen lujuuden, joka riippuu kuitupitoisuudesta ja kuitujen orientaatiosta. Monitasoisessa SFRC-mallissa halkeaman jälkeistä vastetta arvioidaan venytys-erottelumenetelmällä, joka ottaa huomioon kuitujen anisotropian suunnat integroimalla kaikkien halkeaman läpi kulkevien yksittäisten kuitujen ulosvetovoiman ja siirtymän väliset suhteet.
• Rakenteelliset mitat:
Rakenteellisessa mittakaavassa murtuman jälkeinen käyttäytyminen taltioidaan diskreetillä halkeamismallilla, joka perustuu tiivistyneisiin rajapintaelementteihin. Rajapintaelementit asetetaan tavallisten äärellisten elementtien (tilavuuselementtien) väliin, mikä mahdollistaa rakojen diskreetin kartoituksen ja antaa suoraan tietoa halkeaman leveydestä. Liitäntäelementtien käyttäytymistä säätelevät venytyserottelusäännöt, jotka on johdettu monitasoisista SFRC-malleista halkeamisasteikolla. Terästankojen läsnäolon huomioon ottamiseksi kehitettiin myös erillisten terästankojen verkosta riippumaton kosketuspohjainen esitys. Terästangot on mallinnettu ristikkoelementeiksi ja kytketty betonimatriisiin terästankoelementtien ohjauspisteiden ja upotettujen tilavuuselementtien projektiopisteiden välissä olevien rajoitteiden avulla. Kiinnityksissä on sidosliukumekanismi, ja huomioon otetaan elastis-plastinen v.Mises-myötöpinta ja teräksen lineaarinen karkaisu.
