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.
2. Staalvezelbeton onder plaatselijke belasting
Zoals vermeld in de inleiding, zijn bekledingssegmenten onderworpen aan zeer geconcentreerde belastingen (dwz plaatselijke belastingen) tijdens de constructie en de eindfase. De resulterende scheurtrekspanningen zijn vaak een beslissende factor in het ontwerp en moeten worden weerstaan door geschikte wapening. Het gebruik van staalvezelversterkt beton kan het draagvermogen vergroten en het breukgedrag onder dergelijke geconcentreerde belastingssituaties positief beïnvloeden. Om een optimale toepassing van staalvezelbeton, vooral in bekledingssegmenten, te realiseren, is systematisch experimenteel en numeriek onderzoek uitgevoerd naar het draag- en breukgedrag van staalvezelbeton onder deelzonebelasting.
(1) Experimenteel onderzoek naar SFRC onder lokale belasting
Om het draag- en breukgedrag van SFRC onder gelokaliseerde regionale belasting te karakteriseren, werd een volledig experiment uitgevoerd met niet-vezelgerelateerde en vezelgerelateerde variërende parameters. Niet-vezelgerelateerde variabelen omvatten betonsterkte, monstergrootte, oppervlakteverhouding en excentriciteit van de belasting. Verder wordt rekening gehouden met lokale oppervlaktebelastingen die ruimtelijk (dat wil zeggen puntbelastingen) en oppervlaktebelastingen (dat wil zeggen stripbelastingen) zijn verdeeld, waarbij rekening wordt gehouden met twee relevante geconcentreerde belastingssituaties die optreden in omtreks- en longitudinale verbindingen van bekledingssegmenten. Vezelgerelateerde factoren omvatten vezeleigenschappen (bijvoorbeeld sterkte, grootte, geometrie en aspectverhouding), vezelgehalte en -oriëntatie, en combinaties van verschillende vezeltypen (dwz vezelmengsels).
Het onderzochte ontwerp van de betonbasismix is hetzelfde als dat gewoonlijk wordt gebruikt in bekledingssegmenten.
Met een monster van 150 mm x 150 mm x 300 mm als voorbeeld wordt het testapparaat voor plaatselijke belasting gedemonstreerd.
De invloed van verschillende parameters op het draag- en breukgedrag werd onderzocht door analyse van de uiteindelijke lokale drukspanning (dwz het uiteindelijke draagvermogen), de spanningsverplaatsingsreactie en de bezwijk- en scheurkarakteristieken. Vervolgens worden enkele hoofdresultaten en belangrijkste bevindingen gepresenteerd.
(2) Oppervlakteverhouding en hoeveelheid vezels
Onder invloed van lokale oppervlaktebelasting in de concentrische ruimte, de oppervlakteverhouding (= /=2.25, 4, 9 en 16) en vezeltoevoeging (60 kg/m3 haakeindstaalvezel) hebben verschillende effecten op de lokale drukspanning en de longitudinale relatie van hogesterktebeton (=84,5 MPa). Effect van verplaatsingsreactie. Merk op dat in de volgende onderzoeken de lokale drukspanning wordt gedefinieerd als de uitgeoefende belasting gedeeld door het belaste oppervlak.
Uit de spanningsverplaatsingscurve blijkt dat het toevoegen van staalvezels de uiteindelijke lokale drukspanning van beton aanzienlijk kan verhogen (tot 47%). Vergeleken met gewoon beton is te zien dat de invloed van staalvezels op het draagvermogen groter is bij hogere oppervlakteverhoudingen.
Zoals verwacht neemt de uiteindelijke lokale drukspanning van gewoon beton en staalvezelbeton ook aanzienlijk toe naarmate de oppervlakteverhouding toeneemt, wat te wijten is aan het opsluitende effect van het omringende beton. Bij lokale oppervlaktebelastingen in de ruimte kan de proportionele relatie tussen de uiteindelijke lokale drukspanning en de wortel uit de oppervlakteverhouding duidelijk worden bepaald. Omdat het beperkende effect onvolledig is in het geval van lokale vlakbelasting door vlakke belasting, is de toename van de uiteindelijke lokale drukspanning relatief laag. In dit geval blijkt het evenredig te zijn met de derdemachtswortel van de oppervlakteverhouding. Deze correlaties vormen een basis voor het berekenen van de lokale spanningen die SFRC met hoge sterkte kan weerstaan.
Kort na het bereiken van de maximale spanning vertoonde de spanning-verplaatsingscurve van PC een scherpe afname, wat erop wijst dat het monster tijdens de test plotseling beschadigd was. SFRC vertoont daarentegen het kenmerk van geleidelijk afnemende spanning bij toenemende verplaatsing, wat overeenkomt met ductiel faalgedrag. In het geval van een vlakke verdeling van de belasting over een deel van het oppervlak is dit effect minder duidelijk omdat het niet volledig wordt beperkt.
Typische breukmodi van PC- en SFRC-monsters met hoge sterkte, waarbij de overeenkomstige spannings-verplaatsingscurven overeenkomen. Over het geheel genomen werd er geen zichtbaar scheuren of afbrokkelen waargenomen voor PC en SFRC tot dicht bij de uiteindelijke belasting. Kort daarna faalden alle PC-monsters in min of meer gefragmenteerde omstandigheden, vooral in het geval van beton met hoge sterkte, met een scherpe afname van de belasting-verplaatsingscurve. Bij grote oppervlakteverhoudingen ontwikkelde zich tijdens de test één grote splijtscheur die door het zijoppervlak tot aan de bodem doordrong, terwijl bij kleine oppervlakteverhoudingen het PC-monster volledig instortte. Alle SFRC-monsters behielden daarentegen hun integriteit tot het einde van de test en vertoonden meerdere scheurpatronen. Bij een grote oppervlakteverhouding kwamen scheuren en een kleine hoeveelheid afbrokkelen van beton voornamelijk voor in het bovenste deel van het SFRC-monster. Naarmate de oppervlakteverhouding kleiner wordt, ontstaan er ook steeds meer scheuren en afbrokkelingen in de onderste helft.
(3) Vezeltype en mengsel
Uit de studie van het uittrekgedrag van staalvezels kan worden afgeleid dat de eigenschappen van de vezels ook een significante invloed hebben op het draag- en breukgedrag van SFRC onder plaatselijke belasting. De ultieme lokale drukspanning van zeer sterke SFRC, vervaardigd met behulp van verschillende soorten staalvezels bij een vezelgehalte van 60 kg/m3 (ruimtelijke belastingsverdeling, δ=9) wordt weergegeven. Vergeleken met PC varieert het verhoogde percentage van de uiteindelijke lokale drukspanning van 28% tot 51%. Zoals verwacht bleken grote vezels met hoge sterkte en haakuiteinde (Lh60) het meest effectief te zijn bij het vergroten van het uiteindelijke draagvermogen. Uit de test bleek echter dat de SFRC die was vervaardigd met grote vezels met hoge sterkte het uiteindelijke draagvermogen slechts met 15% verhoogde vergeleken met de SFRC die was vervaardigd met grote vezels met normale sterkte (L60), hoewel de resultaten van de test uittrektesten hebben aangetoond dat het uiteindelijke draagvermogen van vezels met hoge sterkte de uittrekbelasting bijna tweemaal zo groot is als die van vezels met normale sterkte.
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). Onderzoek naar verschillende vezelmengsels heeft aangetoond dat de combinatie van microvezels met haakuiteinde en rechte vezels onder dergelijke belastingsomstandigheden het meest voordelig bleek te zijn. Hoewel de uiteindelijke lokale drukspanning van de twee vergeleken vezelmengsels vrijwel hetzelfde is, kan worden gezien dat de SFRC met 50% grote vezels en 50% microvezels (SFRC L60+S60) een taaier gedrag vertoont in de post-crack-fase (vergeleken met SFRC L40+M40+S40). Door de versterkende werking van het vezelmengsel is de positieve invloed ervan op het draag- en breukgedrag vooral duidelijk bij lokale excentrische belasting.
(4) Vezeloriëntatie
Het is algemeen bekend dat vezels die in de richting van de trekspanning zijn uitgelijnd het beste scheuroverbruggende vermogen hebben. In het geval van lokale gebiedsbelasting beperkt de scheurtrekspanning loodrecht op de belastingsrichting gewoonlijk de toelaatbare lokale drukspanning en domineert de bezwijkmodus. Daarom kan worden verwacht dat de vezeloriëntatie een significante invloed zal hebben op het draag- en breukgedrag van SFRC onder plaatselijke belasting. Om dit effect te bestuderen, werd de vezeloriëntatie gecontroleerd door monsters in verticale en horizontale bekisting te produceren, en werden lokale belastingstests uitgevoerd op SFRC.
Het percentage staalvezels (60 kg/m3 grote vezels met haakuiteinde) in drie ruimtelijke richtingen (x, y, z) ten opzichte van de belastingsrichting werd gemeten met elektromagnetische apparatuur, en de SFRC-monsters werden vervaardigd met verticale en horizontale mallen werden vergeleken. (150 mm x 150 mm x 300 mm). In het horizontale malmonster was ongeveer 46% van de vezels in de laadrichting georiënteerd. Daarom zijn er, vergeleken met de staande monsters, minder vezels georiënteerd langs twee richtingen loodrecht op de belastingsrichting, die overeenkomen met de hoofdtrekspanningsrichtingen van de plaatselijke belastingsverdeling. De resultaten laten zien dat de uiteindelijke lokale drukspanningswaarde van het monster dat in de horizontale mal is vervaardigd, aanzienlijk wordt verminderd (tot 23%). Bovendien wordt de spanningsverplaatsingscurve, na het bereiken van de ultieme lokale drukspanning, gekenmerkt door een scherpe daling van de spanning, waardoor een minder ductiel faalgedrag wordt vertoond. Dit effect werd ook aangetoond in het experimentele geval van onafhankelijke oppervlakteverhoudingen.
In het geval van lokale vlakbelasting is de invloed op de dominante oriëntatie van de vezels afhankelijk van de stortrichting (verticale/horizontale bekisting) groter, omdat in dit geval de belangrijkste trekspanningen voornamelijk in dwarsrichting werken (loodrecht op de bekisting). laadrichting).
• Vezelgrootte:
Op het niveau van de individuele vezels en de matrix wordt het uittrekgedrag van individuele vezels bepaald door de grensvlakomstandigheden, de vezelvorm en de hellingshoek van de vezel ten opzichte van de scheur. Er is een semi-analytisch model ontwikkeld dat de relatie tussen uittrekkracht en verplaatsing van een enkele vezel voorspelt, die afhangt van de positie van het zwaartepunt van de vezel en de hellingshoek ten opzichte van het scheurvlak. Het model is in staat de belangrijkste mechanismen vast te leggen die worden geactiveerd tijdens het uittrekproces van een enkele staalvezel ingebed in een betonmatrix (rechttrekken van het haakuiteinde, afbrokkelen van beton en vezelbreuk), rekening houdend met verschillende configuraties van vezeltype en sterkte. betonsterkte, vezelhellingshoek en inbeddingslengte.
• Scheurgrootte:
Op het niveau van scheurscheuren in het vezelversterkte betoncomposiet worden vezels die door de scheuren gaan geactiveerd en zorgen voor een resterende sterkte na de scheur die afhankelijk is van het vezelgehalte en de vezeloriëntatie. In het SFRC-model met meerdere niveaus wordt de post-scheurrespons benaderd door een rek-scheidingsmethode die rekening houdt met de richtingen van de vezelanisotropie door de uittrekkracht-verplaatsingsrelaties van alle individuele vezels die door de scheur gaan te integreren.
• Structurele afmetingen:
Op structurele schaal wordt het gedrag na breuk vastgelegd door middel van een discreet scheurmodel gebaseerd op gecondenseerde interface-elementen. Interface-elementen worden tussen reguliere eindige elementen (volume-elementen) ingevoegd, waardoor de breuken discreet in kaart kunnen worden gebracht en direct informatie over de scheurbreedte kan worden verkregen. Het gedrag van de interface-elementen wordt bepaald door rek-scheidingsregels die zijn afgeleid van SFRC-modellen met meerdere niveaus op scheurschaal. Om rekening te houden met de aanwezigheid van stalen staven, werd ook een mesh-onafhankelijke, op contact gebaseerde representatie van discrete stalen staven ontwikkeld. De stalen staven worden gemodelleerd als vakwerkelementen en gekoppeld aan de betonmatrix via beperkingen die zich bevinden tussen controlepunten op de stalen staafelementen en hun projectiepunten in de ingebedde volume-elementen. Het bond-slip-mechanisme is voorzien in de beperkingen, en er wordt rekening gehouden met het elastisch-plastische v.Mises-vloeioppervlak en de lineaire verharding van het staal.
