Бетон, армиран със стоманени влакна (SFRC) за облицовка на тунели
Поведението на издърпване на влакното се изследва експериментално, като се вземат предвид фактори като форма, размер и ъгъл на наклон на влакното. Освен това, следващите раздели представят експериментите и съответните числени модели, създадени, за да опишат напълно бетонната облицовка от стоманени влакна.
1. Поведение при издърпване на влакна
За да се анализират, проектират и оптимизират устойчиви на повреди облицовки на тунели, направени от SFRC, първо е необходимо да се разбере механичното поведение на материала на структурно ниво. Добре известно е, че механичните свойства на SFRC са свързани с ефекта на свързване през отвора на пукнатината. Ефектът на свързване се определя от общия принос на всички счупени влакна. Тъй като ефективността на свързване на всяко отделно влакно силно зависи от свойствата на свързване на матрицата с влакна и бетон, поведението на издърпване на отделните стоманени влакна, вградени в бетонна матрица, беше систематично изследвано чрез лабораторни експерименти и аналитични модели. Резултатите от изследването осигуряват основа за числено симулиране на механичния процес на SFRC. От друга страна, те също осигуряват основа за по-нататъшни изследвания относно приложението на SFRC в сегменти на облицовка, като например изследване на ефективността при местни регионални натоварвания.
(1) Експеримент за изтегляне на единични стоманени влакна
Механизмът на свързване на стоманени влакна в бетонната матрица беше изследван чрез провеждане на тестове за издърпване на единични стоманени влакна. Експерименталната програма анализира влиянието на параметри като форма на влакна, размер, якост на опън, ъгъл на наклон и якост на бетона чрез промяна на съответните параметри, влияещи върху поведението на издърпване.
За провеждане на тестове за издърпване бяха подготвени цилиндрични образци с размери 60 mm x 60 mm, със стоманени влакна, фиксирани и вградени в бетон.
Анализът на поведението на издърпване се фокусира върху корелацията между силата на издърпване и изместването на влакната. Освен това бяха разгледани начините на повреда на влакната и бетонната матрица.
(2) Форма и размер на влакното
Влияние на различни форми на влакна (прави, гофрирани, с кука, двойно заострени) върху реакцията на издърпване на влакна с вложена дължина=20 mm и ъгъл на наклон=0 в бетонна матрица с висока якост (=84 MPa). Както е показано вляво, реакцията на издърпване се различава значително между влакната с различни форми. За правозърнестите влакна връзката между влакната и матрицата се осигурява само чрез междуфазово триене. Следователно, при почти много ниски натоварвания на издърпване се получава пълно разлепване, придружено от внезапен спад на натоварването. За разлика от това, натоварването на издърпване продължава да се увеличава след отлепване поради механично закотвените деформирани влакна. Следователно, текстурираните влакна осигуряват значително по-висока устойчивост на издърпване в сравнение с правозърнестите влакна. Благодарение на силното си закотвяне в бетонната матрица с висока якост, вълнообразните и двуконусните влакна се разрушават чрез счупване скоро след превишаване на крайното им натоварване. Въпреки това, за да се постигне поведение на пластичен материал, трябва да се избягва счупването на влакното при малки измествания на издърпване. Благоприятно поведение на издърпване се наблюдава при влакна с край на куката, за които краищата на куката са склонни постепенно да се изместват и изправят, което води до намаляване на силата на издърпване и допълнително увеличаване на изместването на издърпване.
Чрез сравняване на ефектите на влакната с край на куката от 60/0.75 (mm/mm) и 35/0.55 (mm/mm) върху размера на влакното при същото тестови условия. Може да се види, че кривите натоварване-изместване на двете влакна са подобни и почти успоредни. Въпреки това, влакната с по-големи размери показват значително по-високи крайни натоварвания на издърпване (+77%). С увеличаване на диаметъра и размера на куката се увеличава твърдостта на огъване на влакното и контактната площ с матрицата, което води до увеличаване на енергията, необходима за пластичната деформация на куката. Въпреки това, чрез сравняване на съотношението на крайното натоварване на издърпване на двете влакна към здравината на влакната, резултатите показват, че ефективността на двете влакна се различава малка (60,1% и 61,0%).
В бетон със същото съдържание на влакна, броят на късите/фини влакна е няколко пъти по-голям от дългите/груби влакна и съответно броят на влакната, които пресичат потенциални пукнатини, е относително по-висок за по-малките/фини влакна. Така че въпреки че резултатите показват, че дългите/груби влакна имат по-висока устойчивост на издърпване в сравнение с по-малките/тънки влакна, не трябва да се приема, че по-малките/тънки влакна имат по-лошо поведение при натоварване, напротив, може да се заключи от резултатите Положителна синергия. В смесите от влакна е възможно да се комбинират предимствата от използването на влакна с различни размери (по-дълги/дебели и по-къси/тънки влакна). По-специално, използването на такива смеси от влакна в краищата на тръбните сегменти може да има положителен ефект върху предотвратяването на напукване и разцепване.
(3) Якост на фибран и бетон
Влиянието на якостта на влакната (ft=1225 MPa, 2600 MPa) и якостта на бетона (fc=44 MPa, 84 MPa). И за двете якости на бетона съпротивлението на издърпване на влакната с висока якост преди фазата на триене и приплъзване е почти два пъти по-голямо от това на влакната с нормална якост. Както се очакваше, влакната, вградени в бетон с висока якост, имаха по-висока устойчивост на издърпване от влакната, вградени в бетон с нормална якост. Този ефект обаче е по-изразен при влакната с висока якост.
Въпреки че има значителни разлики в кривите натоварване-преместване на влакната с висока якост в двата бетона, поведението на натоварване-изместване на влакната с нормална якост е подобно, независимо от якостта на бетона. Кривите за влакна с висока якост, тествани в бетон с нормална якост, намаляват относително бавно след достигане на крайното натоварване на издърпване. Това показва, че поради ниската якост на бетона, ефектът на механично закрепване на куката (края на куката) не се упражнява ефективно. Следователно, ефективността на влакната с висока якост, тествани в бетон с нормална якост, е относително ниска (42,7%). Въпреки това е важно да се отбележи, че тези влакна са значително по-ефективни (61,6%) в бетон с висока якост. Следователно, за да се постигне оптимална ефективност на влакната, якостта на опън на стоманените влакна трябва да се регулира спрямо якостта на бетона.
(4) Ъгъл на наклон на влакното
Тестове за издърпване на нормални и високоякостни влакна с кука, вградени в бетон с висока якост при различни ъгли на наклон (0 градуса, 15 градуса, 30 градуса, 45 градуса и 60 градуса). Както се очакваше, крайното натоварване на издърпване на влакна с висока якост е значително по-високо от това на влакна с нормална якост за всички разглеждани ъгли на наклон. Когато влакната с обикновена здравина се изтеглят без повреда, крайните натоварвания на издърпване са много сходни, независимо от ъгъла на наклона. Обратно, влакната с висока якост показаха значително увеличение на крайното натоварване при издърпване между ъгли на наклон от 30 градуса и 45 градуса.
Най-общо казано, с увеличаване на ъгъла на наклона, изместването на издърпване при максимално натоварване се увеличава и наклонът на предния пиков клон намалява, особено за ъгли на наклон, по-големи от 30 градуса. Увеличаване на смачкването и разцепването на матрицата на изхода на влакното също се наблюдава с увеличаване на ъгъла на наклон. Това явление е по-очевидно в случай на влакна с висока якост. Освен това, с увеличаване на ъгъла на наклона, счупването на влакното се случва по-често, особено за влакна с обикновена якост.
