Staalvezelversterkt beton (SFRC) voor tunnelbekleding
Het vezeluittrekgedrag wordt experimenteel bestudeerd, waarbij rekening wordt gehouden met factoren zoals vezelvorm, grootte en hellingshoek. Bovendien presenteren de volgende paragrafen de experimenten en bijbehorende numerieke modellen die zijn opgesteld om de bekleding van staalvezelbeton volledig te beschrijven.
1. Vezeltrekgedrag
Om schadebestendige tunnelbekledingen van SFRC te analyseren, ontwerpen en optimaliseren, is het eerst noodzakelijk om het mechanische gedrag van het materiaal op structureel niveau te begrijpen. Het is algemeen bekend dat de mechanische eigenschappen van SFRC verband houden met het overbruggingseffect over de scheuropening. Het overbruggingseffect wordt bepaald door de totale bijdrage van alle gebroken vezels. Omdat de overbruggingsefficiëntie van elke individuele vezel sterk afhangt van de bindingseigenschappen van de vezel-betonmatrix, werd het uittrekgedrag van individuele staalvezels ingebed in een betonmatrix systematisch bestudeerd door middel van laboratoriumexperimenten en analytische modellen. De onderzoeksresultaten vormen een basis voor de numerieke simulatie van het mechanische proces van SFRC. Aan de andere kant bieden ze ook een basis voor verder onderzoek naar de toepassing van SFRC in lijnsegmenten, zoals prestatieonderzoek onder lokale regionale belastingen.
(1) Trekexperiment met enkele staalvezels
Het hechtingsmechanisme van staalvezels in de betonmatrix werd bestudeerd door het uitvoeren van trekproeven op afzonderlijke staalvezels. Het experimentele programma analyseert de invloed van parameters zoals vezelvorm, grootte, treksterkte, kantelhoek en betonsterkte door de relevante parameters te veranderen die het uittrekgedrag beïnvloeden.
Om uittrekproeven uit te voeren, werden cilindrische proefstukken met afmetingen van 60 mm x 60 mm vervaardigd, waarbij staalvezels waren bevestigd en ingebed in beton.
De analyse van het uittrekgedrag richtte zich op de correlatie tussen uittrekkracht en vezelverplaatsing. Verder werd rekening gehouden met de faalwijzen van de vezels en de betonmatrix.
(2) Vezelvorm en -grootte
Effect van verschillende vezelvormen (recht, gegolfd, haakvormig, dubbel taps) op de uittrekreactie van vezels met ingebedde lengte=20 mm en kantelhoek=0 in een betonmatrix met hoge sterkte (=84 MPa). Zoals links te zien is, verschilt de uittrekreactie aanzienlijk tussen vezels met verschillende vormen. Voor vezels met een rechte korrel wordt de verbinding tussen de vezels en de matrix alleen tot stand gebracht door grensvlakwrijving. Daarom treedt bij vrijwel zeer lage uittrekbelastingen volledige onthechting op, vergezeld van een plotselinge belastingdaling. Daarentegen bleef de uittrekbelasting na het afpellen toenemen als gevolg van de mechanisch verankerde vervormde vezels. Daarom bieden getextureerde vezels een aanzienlijk hogere uittrekweerstand vergeleken met vezels met rechte korrels. Vanwege hun sterke verankering in de zeer sterke betonmatrix, bezwijken gegolfde en bi-taps toelopende vezels kort na het overschrijden van hun uiteindelijke belasting door breuk. Om echter een ductiel materiaalgedrag te bereiken, moet vezelbreuk bij kleine uittrekverplaatsingen worden vermeden. Er werd een gunstig uittrekgedrag waargenomen voor de vezels van de haakeinden, waarbij de haakuiteinden de neiging hadden zich geleidelijk te verplaatsen en recht te trekken, wat resulteerde in een afname van de uittrekkracht en een verdere toename van de uittrekverplaatsing.
Door de effecten van haakeindvezels van 60/0.75 (mm/mm) en 35/0.55 (mm/mm) op de vezelgrootte onder dezelfde test voorwaarden. Het is te zien dat de belasting-verplaatsingscurven van beide vezels vergelijkbaar en bijna parallel zijn. Vezels met grotere afmetingen vertoonden echter aanzienlijk hogere uiteindelijke uittrekbelastingen (+77%). Naarmate de diameter en de haakmaat toenemen, neemt de buigstijfheid van de vezel en het contactoppervlak met de matrix toe, wat resulteert in een toename van de energie die nodig is voor de plastische vervorming van de haak. Door echter de verhouding tussen de uiteindelijke uittrekbelasting van de twee vezels en de vezelsterkte te vergelijken, bleek uit de resultaten dat de efficiëntie van de twee vezels klein verschilde (60,1% en 61,0%).
In beton met hetzelfde vezelgehalte is het aantal korte/fijne vezels meerdere keren zo groot als dat van lange/grove vezels, en dienovereenkomstig is het aantal vezels dat potentiële scheuren onderschept relatief hoger voor kleinere/fijne vezels. Hoewel uit de resultaten blijkt dat lange/grove vezels een hogere uittrekweerstand hebben vergeleken met kleinere/dunne vezels, mag er in het algemeen niet van worden uitgegaan dat kleinere/dunne vezels een slechter draaggedrag hebben. Integendeel, dit kan worden geconcludeerd uit de resultaten Positieve synergie. In vezelmengsels is het mogelijk om de voordelen van het gebruik van vezels met verschillende afmetingen (langere/dikkere en kortere/dunnere vezels) te combineren. Met name de toepassing van dergelijke vezelmengsels in de randgebieden van buissegmenten kan een positief effect hebben op het voorkomen van scheuren en afbrokkelen.
(3) Sterkte van vezels en beton
De invloed van vezelsterkte (ft=1225 MPa, 2600 MPa) en betonsterkte (fc=44 MPa, 84 MPa). Voor beide betonsterkten was de uittrekweerstand van vezels met hoge sterkte vóór de wrijvingsslipfase bijna tweemaal zo groot als die van vezels met normale sterkte. Zoals verwacht hadden vezels ingebed in beton met hoge sterkte een hogere uittrekweerstand dan vezels ingebed in beton met normale sterkte. Dit effect is echter meer uitgesproken voor vezels met een hoge sterkte.
Hoewel er significante verschillen zijn in de lastverplaatsingscurven van de vezels met hoge sterkte in de twee betonsoorten, is het lastverplaatsingsgedrag van de vezels met normale sterkte vergelijkbaar, ongeacht de betonsterkte. De curven voor vezels met hoge sterkte die zijn getest in beton met normale sterkte, nemen relatief langzaam af na het bereiken van de ultieme uittrekbelasting. Hieruit blijkt dat door de lage sterkte van het beton de mechanische verankeringswerking van de haak (haakuiteinde) niet effectief wordt uitgeoefend. Daarom was de efficiëntie van hogesterktevezels, getest in beton met normale sterkte, relatief laag (42,7%). Het is echter belangrijk op te merken dat deze vezels aanzienlijk efficiënter zijn (61,6%) in hogesterktebeton. Om een optimale vezelefficiëntie te bereiken, moet daarom de treksterkte van staalvezels worden aangepast aan de sterkte van het beton.
(4) Vezelkantelhoek
Uittrektesten van normale en zeer sterke haakeindvezels ingebed in hoogwaardig beton onder verschillende kantelhoeken (0 graden, 15 graden, 30 graden, 45 graden en 60 graden). Zoals verwacht is de uiteindelijke uittrekbelasting van vezels met hoge sterkte aanzienlijk hoger dan die van vezels met normale sterkte voor alle beschouwde kantelhoeken. Wanneer gewone sterktevezels zonder problemen worden uitgetrokken, zijn de uiteindelijke uittrekbelastingen vrijwel gelijk, ongeacht de kantelhoek. Daarentegen vertoonden vezels met een hoge sterkte een significante toename van de uiteindelijke uittrekbelasting tussen kantelhoeken van 30 graden en 45 graden.
Over het algemeen geldt dat naarmate de hellingshoek groter wordt, de uittrekverplaatsing onder ultieme belasting toeneemt en de helling van de voorpiektak afneemt, vooral voor hellingshoeken groter dan 30 graden. Een toename van het breken en afbrokkelen van de matrix bij de uitgang van de vezel werd ook waargenomen bij toenemende kantelhoek. Dit fenomeen is duidelijker in het geval van vezels met hoge sterkte. Bovendien treedt vezelbreuk vaker op naarmate de kantelhoek groter wordt, vooral bij vezels met normale sterkte.
