Сталефибробетон (СФБ) для обделки туннелей
Поведение волокна при выдергивании изучается экспериментально с учетом таких факторов, как форма, размер и угол наклона волокна. Кроме того, в следующих разделах представлены эксперименты и соответствующие численные модели, созданные для полного описания сталефибробетонной футеровки.
1. Поведение волокна при вытягивании
Чтобы проанализировать, спроектировать и оптимизировать устойчивую к повреждениям облицовку туннелей из СФБ, сначала необходимо понять механическое поведение материала на структурном уровне. Хорошо известно, что механические свойства СФБ связаны с эффектом перекрытия раскрытия трещины. Эффект мостика определяется суммарным вкладом всех сломанных волокон. Поскольку эффективность соединения каждого отдельного волокна сильно зависит от свойств сцепления фибробетонной матрицы, поведение отдельных стальных волокон, встроенных в бетонную матрицу, при выдергивании систематически изучалось с помощью лабораторных экспериментов и аналитических моделей. Результаты исследований легли в основу численного моделирования механического процесса СФРК. С другой стороны, они также обеспечивают основу для дальнейших исследований по применению СФБ в сегментах футеровки, например, для исследования характеристик при местных региональных нагрузках.
(1) Эксперимент по вытяжке одного стального волокна
Механизм сцепления стальных волокон в бетонной матрице был изучен путем проведения испытаний на выдергивание отдельных стальных волокон. Экспериментальная программа анализирует влияние таких параметров, как форма, размер волокна, предел прочности, угол наклона и прочность бетона, путем изменения соответствующих параметров, влияющих на поведение при выдергивании.
Для проведения испытаний на выдергивание были подготовлены цилиндрические образцы размерами 60х60 мм со стальными волокнами, закрепленными и залитыми в бетон.
Анализ поведения выдергивания был сосредоточен на корреляции между силой выдергивания и смещением волокна. Кроме того, были рассмотрены виды разрушения волокон и бетонной матрицы.
(2) Форма и размер волокна
Влияние различных форм волокон (прямых, гофрированных, с загнутыми концами, с двойным конусом) на реакцию выдергивания волокон с внедренной длиной=20 мм и углом наклона=0 в матрице высокопрочного бетона (=84 МПа). Как показано слева, реакция на выдергивание значительно различается у волокон разной формы. Для прямоволокнистых волокон связь между волокнами и матрицей обеспечивается только межфазным трением. Поэтому при практически очень малых нагрузках на выдергивание происходит полное отслоение, сопровождающееся резким падением нагрузки. Напротив, нагрузка на выдергивание продолжала увеличиваться после отслаивания из-за механически закрепленных деформированных волокон. Таким образом, текстурированные волокна обеспечивают значительно более высокое сопротивление выдергиванию по сравнению с прямоволокнистыми волокнами. Из-за прочного крепления к высокопрочной бетонной матрице гофрированные и биконусные волокна выходят из строя вскоре после превышения предельной нагрузки. Однако для достижения пластичного поведения материала следует избегать разрушения волокна при небольших смещениях при выдергивании. Полезное поведение при выдергивании наблюдалось для волокон с крючковыми концами, у которых концы крючков имели тенденцию постепенно смещаться и выпрямляться, что приводило к уменьшению силы выдергивания и дальнейшему увеличению смещения при выдергивании.
Сравнивая влияние волокон с крючковатыми концами 60/0,75 (мм/мм) и 35/0,55 (мм/мм) на размер волокна при тех же условиях условия испытаний. Видно, что кривые смещения нагрузки обоих волокон схожи и практически параллельны. Однако волокна большего размера демонстрировали значительно более высокие предельные нагрузки на выдергивание (+77%). С увеличением диаметра и размера крючка увеличивается жесткость волокна при изгибе и площадь контакта с матрицей, что приводит к увеличению энергии, необходимой для пластической деформации крючка. Однако сравнение отношения предельной нагрузки на выдергивание двух волокон к их прочности показало, что эффективность двух волокон различается незначительно (60,1% и 61,0%).
В бетоне с одинаковым содержанием волокон количество коротких/тонких волокон в несколько раз больше, чем длинных/грубых волокон, и, соответственно, количество волокон, перехватывающих потенциальные трещины, относительно выше для более мелких/тонких волокон. Таким образом, хотя результаты показывают, что длинные/грубые волокна имеют более высокое сопротивление выдергиванию по сравнению с меньшими/тонкими волокнами, в целом не следует предполагать, что меньшие/тонкие волокна имеют плохую несущую способность, наоборот, это можно сделать из Результаты Положительная синергия. В смесях волокон можно объединить преимущества использования волокон разного размера (длиннее/толще и короче/тоньше). В частности, использование таких смесей волокон в краевых зонах сегментов труб может оказать положительное влияние на предотвращение растрескивания и растрескивания.
(3) Прочность волокна и бетона
Влияние прочности волокна (ft=1225 МПа, 2600 МПа) и прочности бетона (fc=44 МПа, 84 МПа). Для бетонов обеих марок сопротивление выдергиванию высокопрочных волокон до фазы трения-скольжения было почти в два раза выше, чем у волокон нормальной прочности. Как и ожидалось, волокна, внедренные в высокопрочный бетон, имели более высокое сопротивление выдергиванию, чем волокна, встроенные в бетон нормальной прочности. Однако этот эффект более выражен для высокопрочных волокон.
Хотя существуют значительные различия в кривых нагрузки-перемещения высокопрочных волокон в двух бетонах, поведение нагрузки-перемещения волокон нормальной прочности одинаково независимо от прочности бетона. Кривые для высокопрочных волокон, испытанных в бетоне нормальной прочности, сравнительно медленно уменьшаются после достижения предельной выдергивающей нагрузки. Это показывает, что из-за низкой прочности бетона механическое закрепляющее действие крюка (конца крюка) не оказывается эффективным. Поэтому эффективность высокопрочных волокон, испытанных в бетоне нормальной прочности, была относительно низкой (42,7%). Однако важно отметить, что эти волокна значительно более эффективны (61,6%) в высокопрочном бетоне. Следовательно, для достижения оптимальной эффективности волокна прочность стальных волокон на разрыв должна соответствовать прочности бетона.
(4) Угол наклона волокна
Испытания на выдергивание обычных и высокопрочных волокон с крючками, заделанных в высокопрочный бетон, под разными углами наклона (0 градусов, 15 градусов, 30 градусов, 45 градусов и 60 градусов). Как и ожидалось, предельная нагрузка на выдергивание высокопрочных волокон значительно выше, чем у волокон нормальной прочности для всех рассмотренных углов наклона. Когда волокна обычной прочности выдергиваются без разрушения, предельные нагрузки при выдергивании очень похожи независимо от угла наклона. Напротив, высокопрочные волокна продемонстрировали значительное увеличение предельной нагрузки на выдергивание при углах наклона от 30 до 45 градусов.
Вообще говоря, по мере увеличения угла наклона смещение при выдергивании под предельной нагрузкой увеличивается, а наклон передней пиковой ветви уменьшается, особенно для углов наклона более 30 градусов. С увеличением угла наклона также наблюдалось увеличение смятия и отслаивания матрицы на выходе волокна. Это явление более очевидно в случае высокопрочных волокон. Кроме того, с увеличением угла наклона поломка волокна происходит чаще, особенно для волокон обычной прочности.
