Beton ojačan čeličnim vlaknima (SFRC) za oblaganje tunela
Ponašanje vlakana pri izvlačenju proučava se eksperimentalno, uzimajući u obzir faktore kao što su oblik vlakana, veličina i kut nagiba. Nadalje, sljedeći odjeljci predstavljaju eksperimente i odgovarajuće numeričke modele uspostavljene za potpuni opis obloge betona od čeličnih vlakana.
1. Ponašanje povlačenja vlakana
Kako bi se analizirale, dizajnirale i optimizirale obloge tunela otporne na oštećenja izrađene od SFRC-a, prvo je potrebno razumjeti mehaničko ponašanje materijala na strukturnoj razini. Dobro je poznato da su mehanička svojstva SFRC-a povezana s učinkom premošćivanja preko otvora pukotine. Učinak premošćivanja određen je ukupnim doprinosom svih slomljenih vlakana. Budući da učinkovitost premošćivanja svakog pojedinog vlakna uvelike ovisi o svojstvima vezivanja vlaknasto-betonske matrice, ponašanje pojedinačnih čeličnih vlakana ugrađenih u betonsku matricu sustavno je proučavano kroz laboratorijske eksperimente i analitičke modele. Rezultati istraživanja predstavljaju osnovu za numeričku simulaciju mehaničkog procesa SFRC-a. S druge strane, oni također pružaju osnovu za daljnja istraživanja primjene SFRC-a u segmentima obloga, kao što je istraživanje učinkovitosti pod lokalnim regionalnim opterećenjima.
(1) Eksperiment izvlačenja jednog čeličnog vlakna
Mehanizam vezivanja čeličnih vlakana u betonskoj matrici proučavan je provođenjem testova izvlačenja na pojedinačnim čeličnim vlaknima. Eksperimentalni program analizira utjecaj parametara kao što su oblik vlakana, veličina, vlačna čvrstoća, kut nagiba i čvrstoća betona mijenjanjem relevantnih parametara koji utječu na ponašanje izvlačenja.
Za provođenje ispitivanja izvlačenja pripremljeni su cilindrični uzorci dimenzija 60 mm x 60 mm s čeličnim vlaknima fiksiranim i ugrađenim u beton.
Analiza ponašanja izvlačenja usredotočena je na korelaciju između sile izvlačenja i pomaka vlakana. Nadalje, razmotreni su načini sloma vlakana i betonske matrice.
(2) Oblik i veličina vlakana
Učinak različitih oblika vlakana (ravna, valovita, s kukastim krajem, dvostruko sužena) na reakciju izvlačenja vlakana s ugrađenom duljinom=20 mm i kutom nagiba=0 u betonskoj matrici visoke čvrstoće (=84 MPa). Kao što je prikazano lijevo, odziv izvlačenja značajno se razlikuje između vlakana različitih oblika. Za ravnozrnata vlakna, veza između vlakana i matrice osigurava se samo međufaznim trenjem. Stoga, pri gotovo vrlo malim opterećenjima izvlačenja, dolazi do potpunog odvajanja, praćenog naglim padom opterećenja. Nasuprot tome, opterećenje izvlačenja nastavilo se povećavati nakon ljuštenja zbog mehanički usidrenih deformiranih vlakana. Stoga teksturirana vlakna pružaju značajno veću otpornost na izvlačenje u odnosu na ravnozrnata vlakna. Zbog svog snažnog učvršćenja u betonskoj matrici visoke čvrstoće, valovita i dvostruka vlakna pucaju zbog loma ubrzo nakon što pređu svoje krajnje opterećenje. Međutim, kako bi se postiglo duktilno ponašanje materijala, treba izbjegavati lom vlakana pri malim pomacima izvlačenja. Korisno ponašanje izvlačenja primijećeno je za kukasta vlakna, kod kojih su kukasti krajevi težili postupnom pomicanju i ispravljanju, što je rezultiralo smanjenjem sile izvlačenja i daljnjim povećanjem pomaka izvlačenja.
Usporedbom učinaka kukastih vlakana od 60/0.75 (mm/mm) i 35/0.55 (mm/mm) na veličinu vlakana pod istim uvjeti ispitivanja. Može se vidjeti da su krivulje opterećenje-pomak oba vlakna slične i gotovo paralelne. Međutim, vlakna većih dimenzija pokazala su znatno veća krajnja opterećenja izvlačenja (+77%). Povećanjem promjera i veličine udice povećava se krutost vlakana na savijanje i površina kontakta s matricom, što rezultira povećanjem energije potrebne za plastičnu deformaciju udice. Međutim, usporedbom omjera krajnjeg opterećenja izvlačenja dvaju vlakana i čvrstoće vlakana, rezultati su pokazali da se učinkovitost dvaju vlakana neznatno razlikuje (60,1% i 61,0%).
U betonu s istim sadržajem vlakana, broj kratkih/finih vlakana je nekoliko puta veći od dugih/grubih vlakana, te je u skladu s tim broj vlakana koja presreću potencijalne pukotine relativno veći za manja/fina vlakna. Dakle, iako rezultati pokazuju da duga/gruba vlakna imaju veću otpornost na izvlačenje u usporedbi s manjim/tankim vlaknima, ne treba općenito pretpostaviti da manja/tanka vlakna imaju lošiju nosivost, naprotiv, može se zaključiti iz rezultati Pozitivna sinergija. U mješavinama vlakana moguće je kombinirati prednosti korištenja vlakana različitih veličina (duža/deblja i kraća/tanja vlakna). Konkretno, uporaba takvih mješavina vlakana u rubnim područjima cijevnih segmenata može imati pozitivan učinak na sprječavanje pucanja i pucanja.
(3) Čvrstoća vlakana i betona
Utjecaj čvrstoće vlakana (ft=1225 MPa, 2600 MPa) i čvrstoće betona (fc=44 MPa, 84 MPa). Za obje čvrstoće betona, otpor na izvlačenje vlakana visoke čvrstoće prije faze trenja i klizanja bio je gotovo dvostruko veći od otpora vlakana normalne čvrstoće. Kao što se očekivalo, vlakna ugrađena u beton visoke čvrstoće imala su veću otpornost na izvlačenje od vlakana ugrađenih u beton normalne čvrstoće. Međutim, ovaj učinak je izraženiji kod vlakana visoke čvrstoće.
Iako postoje značajne razlike u krivuljama opterećenja-pomaka vlakana visoke čvrstoće u dva betona, ponašanje opterećenja-pomaka vlakana normalne čvrstoće slično je bez obzira na čvrstoću betona. Krivulje za vlakna visoke čvrstoće ispitane u betonu normalne čvrstoće opadaju relativno sporo nakon postizanja krajnjeg opterećenja izvlačenja. To pokazuje da zbog niske čvrstoće betona, učinak mehaničkog sidrenja kuke (kraj kuke) nije učinkovito izveden. Stoga je učinkovitost vlakana visoke čvrstoće ispitana u betonu normalne čvrstoće bila relativno niska (42,7%). Međutim, važno je napomenuti da su ova vlakna znatno učinkovitija (61,6%) u betonu visoke čvrstoće. Stoga, za postizanje optimalne učinkovitosti vlakana, vlačnu čvrstoću čeličnih vlakana treba prilagoditi čvrstoći betona.
(4) Kut nagiba vlakana
Ispitivanje izvlačenja normalnih i visokočvrstih kukastih vlakana ugrađenih u beton visoke čvrstoće pod različitim kutovima nagiba (0 stupnjeva, 15 stupnjeva, 30 stupnjeva, 45 stupnjeva i 60 stupnjeva). Kao što se i očekivalo, konačno opterećenje izvlačenja vlakana visoke čvrstoće znatno je veće od onog vlakana normalne čvrstoće za sve razmatrane kutove nagiba. Kada se vlakna obične čvrstoće izvuku bez kvara, krajnja opterećenja izvlačenja vrlo su slična bez obzira na kut nagiba. Nasuprot tome, vlakna visoke čvrstoće pokazala su značajno povećanje krajnjeg opterećenja izvlačenja između kutova nagiba od 30 stupnjeva i 45 stupnjeva.
Općenito govoreći, kako se kut nagiba povećava, pomak izvlačenja pod krajnjim opterećenjem se povećava, a nagib prednje vršne grane smanjuje, posebno za kutove nagiba veće od 30 stupnjeva. Povećanje drobljenja i pucanja matrice na izlazu vlakana također je primijećeno s povećanjem kuta nagiba. Ovaj fenomen je očitiji u slučaju vlakana visoke čvrstoće. Nadalje, kako se kut nagiba povećava, dolazi do loma vlakana češće, posebno za vlakna obične čvrstoće.
