Beton armat cu fibre de oțel (SFRC) pentru căptușeala tunelului
Comportamentul la tragerea fibrei este studiat experimental, luând în considerare factori precum forma fibrei, dimensiunea și unghiul de înclinare. În plus, următoarele secțiuni prezintă experimentele și modelele numerice corespunzătoare stabilite pentru a descrie complet căptușeala din beton din fibre de oțel.
1. Comportamentul de tragere a fibrei
Pentru a analiza, proiecta și optimiza căptușelile tunelurilor rezistente la deteriorare din SFRC, este mai întâi necesar să înțelegem comportamentul mecanic al materialului la nivel structural. Este bine cunoscut faptul că proprietățile mecanice ale SFRC sunt legate de efectul de punte peste deschiderea fisurii. Efectul de punte este determinat de contribuția totală a tuturor fibrelor fracturate. Deoarece eficiența de legătură a fiecărei fibre individuale depinde în mare măsură de proprietățile de legare a matricei fibră-beton, comportamentul la extragere a fibrelor individuale de oțel înglobate într-o matrice de beton a fost studiat sistematic prin experimente de laborator și modele analitice. Rezultatele cercetării oferă o bază pentru simularea numerică a procesului mecanic al SFRC. Pe de altă parte, ele oferă, de asemenea, o bază pentru cercetări ulterioare privind aplicarea SFRC în segmentele de căptușeală, cum ar fi cercetarea performanței sub sarcini regionale locale.
(1) Experiment de desenare cu o singură fibră de oțel
Mecanismul de lipire a fibrelor de oțel în matricea de beton a fost studiat prin efectuarea de teste de smulgere pe fibre de oțel unice. Programul experimental analizează influența unor parametri precum forma fibrei, dimensiunea, rezistența la tracțiune, unghiul de înclinare și rezistența betonului prin modificarea parametrilor relevanți care influențează comportamentul la tragere.
Pentru efectuarea testelor de smulgere au fost pregătite epruvete cilindrice cu dimensiunile de 60mmx60mm, cu fibre de oțel fixate și înglobate în beton.
Analiza comportamentului la tragere sa concentrat pe corelația dintre forța de tragere și deplasarea fibrei. Mai mult, au fost luate în considerare modurile de rupere a fibrelor și matricei de beton.
(2) Forma și dimensiunea fibrei
Efectul diferitelor forme de fibre (dreaptă, ondulată, cu capete cu cârlig, dublu conic) asupra răspunsului la extragere a fibrelor cu lungimea încorporată=20 mm și unghiul de înclinare=0 într-o matrice de beton de înaltă rezistență (=84 MPa). După cum se arată în stânga, răspunsul la retragere diferă semnificativ între fibrele de diferite forme. Pentru fibrele cu granulație dreaptă, legătura dintre fibre și matrice este asigurată numai prin frecare interfacială. Prin urmare, la sarcini de tragere aproape foarte scăzute, are loc delipirea completă, însoțită de o scădere bruscă a sarcinii. În schimb, sarcina de tragere a continuat să crească după decojire din cauza fibrelor deformate ancorate mecanic. Prin urmare, fibrele texturate oferă o rezistență semnificativ mai mare la tragere în comparație cu fibrele cu granulație dreaptă. Datorită ancorajului lor puternic în matricea de beton de înaltă rezistență, fibrele ondulate și bi-conice cedează prin rupere imediat după ce își depășesc sarcina finală. Cu toate acestea, pentru a obține un comportament ductil al materialului, trebuie evitată fractura fibrei la deplasări mici de tragere. S-a observat un comportament benefic la tragere pentru fibrele de la capătul cârligului, pentru care capetele cârligului au avut tendința să se deplaseze și să se îndrepte treptat, ceea ce a dus la o scădere a forței de extragere și o creștere suplimentară a deplasării de tragere.
Prin compararea efectelor fibrelor de la capătul cârligului de 60/0,75 (mm/mm) și 35/0,55 (mm/mm) asupra dimensiunii fibrei sub aceeași condiții de test. Se poate observa că curbele sarcină-deplasare ale ambelor fibre sunt similare și aproape paralele. Cu toate acestea, fibrele cu dimensiuni mai mari au prezentat sarcini de tragere finală semnificativ mai mari (+77%). Pe măsură ce diametrul și dimensiunea cârligului cresc, crește rigiditatea la încovoiere a fibrei și aria de contact cu matricea, ceea ce are ca rezultat o creștere a energiei necesare pentru deformarea plastică a cârligului. Cu toate acestea, comparând raportul dintre sarcina finală de tragere a celor două fibre și rezistența fibrei, rezultatele au arătat că eficiența celor două fibre a diferit foarte puțin (60,1% și 61,0%).
În betonul cu același conținut de fibre, numărul de fibre scurte/fine este de câteva ori mai mare decât cel al fibrelor lungi/grosiere și, în consecință, numărul de fibre care interceptează potențialele fisuri este relativ mai mare pentru fibrele mai mici/fine. Deci, deși rezultatele arată că fibrele lungi/grosiere au o rezistență mai mare la smulgere în comparație cu fibrele mai mici/subțiri, în general nu ar trebui să se presupune că fibrele mai mici/subțiri au un comportament portant mai slab, dimpotrivă, se poate concluziona din rezultatele Sinergie pozitivă. În amestecurile de fibre, este posibilă combinarea avantajelor utilizării fibrelor cu dimensiuni diferite (fibre mai lungi/mai groase și mai scurte/mai subțiri). În special, utilizarea unor astfel de amestecuri de fibre în zonele de margine ale segmentelor de tub poate avea un efect pozitiv asupra prevenirii crăpăturii și ruperii.
(3) Rezistența fibrei și a betonului
Influența rezistenței fibrei (ft=1225 MPa, 2600 MPa) și a rezistenței betonului (fc{=44 MPa, 84 MPa). Pentru ambele rezistențe ale betonului, rezistența la rupere a fibrelor de înaltă rezistență înainte de faza de frecare-alunecare a fost aproape de două ori mai mare decât a fibrelor de rezistență normală. După cum era de așteptat, fibrele înglobate în betonul de înaltă rezistență au avut o rezistență la smulgere mai mare decât fibrele înglobate în betonul de rezistență normală. Cu toate acestea, acest efect este mai pronunțat pentru fibrele de înaltă rezistență.
Deși există diferențe semnificative în curbele sarcină-deplasare ale fibrelor de înaltă rezistență din cele două betoane, comportamentul de sarcină-deplasare a fibrelor cu rezistență normală este similară indiferent de rezistența betonului. Curbele pentru fibrele de înaltă rezistență testate în betonul de rezistență normală scad relativ lent după atingerea sarcinii finale de tragere. Aceasta arată că din cauza rezistenței scăzute a betonului, efectul de ancorare mecanică al cârligului (capătul cârligului) nu este exercitat eficient. Prin urmare, eficiența fibrelor de înaltă rezistență testate în betonul de rezistență normală a fost relativ scăzută (42,7%). Cu toate acestea, este important de menționat că aceste fibre sunt semnificativ mai eficiente (61,6%) în betonul de înaltă rezistență. Prin urmare, pentru a obține o eficiență optimă a fibrei, rezistența la rupere a fibrelor de oțel trebuie ajustată la rezistența betonului.
(4) Unghiul de înclinare a fibrei
Teste de extragere a fibrelor normale și de înaltă rezistență la capătul cârligului înglobate în beton de înaltă rezistență la diferite unghiuri de înclinare (0 grade , 15 grade , 30 grade , 45 grade și 60 grade ). După cum era de așteptat, sarcina finală de tragere a fibrelor de înaltă rezistență este semnificativ mai mare decât cea a fibrelor de rezistență normală pentru toate unghiurile de înclinare luate în considerare. Când fibrele obișnuite de rezistență sunt scoase fără eșec, sarcinile finale de extragere sunt foarte similare, indiferent de unghiul de înclinare. În schimb, fibrele de înaltă rezistență au arătat o creștere semnificativă a sarcinii finale de tragere între unghiuri de înclinare de 30 de grade și 45 de grade.
În general, pe măsură ce unghiul de înclinare crește, deplasarea de tragere sub sarcina finală crește și panta ramificației de vârf din față scade, în special pentru unghiuri de înclinare mai mari de 30 de grade. O creștere a strivirii și spălării matricei la ieșirea fibrei a fost de asemenea observată cu creșterea unghiului de înclinare. Acest fenomen este mai evident în cazul fibrelor de înaltă rezistență. În plus, pe măsură ce unghiul de înclinare crește, ruperea fibrelor are loc mai frecvent, în special pentru fibrele cu rezistență obișnuită.
