Tērauda šķiedru dzelzsbetons (SFRC) tuneļa apšuvumam
Šķiedru izvilkšanas uzvedība tiek pētīta eksperimentāli, ņemot vērā tādus faktorus kā šķiedras forma, izmērs un slīpuma leņķis. Turklāt nākamajās sadaļās ir parādīti eksperimenti un atbilstošie skaitliskie modeļi, kas izveidoti, lai pilnībā aprakstītu tērauda šķiedras betona oderējumu.
1. Šķiedru vilkšanas uzvedība
Lai analizētu, izstrādātu un optimizētu pret bojājumiem izturīgās tuneļa oderes, kas izgatavotas no SFRC, vispirms ir jāsaprot materiāla mehāniskā uzvedība konstrukcijas līmenī. Ir labi zināms, ka SFRC mehāniskās īpašības ir saistītas ar tilta efektu pāri plaisas atverei. Tiltošanas efektu nosaka visu saplīsušo šķiedru kopējais ieguldījums. Tā kā katras atsevišķas šķiedras savienošanas efektivitāte ir ļoti atkarīga no šķiedru-betona matricas savienojuma īpašībām, atsevišķu betona matricā iestrādāto tērauda šķiedru izvilkšanas izturēšanās tika sistemātiski pētīta, izmantojot laboratorijas eksperimentus un analītiskos modeļus. Pētījuma rezultāti dod pamatu VUGD mehāniskā procesa skaitliskai simulācijai. No otras puses, tie nodrošina arī pamatu turpmākiem pētījumiem par SFRC pielietojumu oderējuma segmentos, piemēram, veiktspējas pētījumiem pie vietējām reģionālajām slodzēm.
(1) Vienas tērauda šķiedras vilkšanas eksperiments
Tērauda šķiedru savienošanas mehānisms betona matricā tika pētīts, veicot atsevišķu tērauda šķiedru izvilkšanas testus. Eksperimentālā programma analizē tādu parametru kā šķiedras forma, izmērs, stiepes izturība, slīpuma leņķis un betona stiprība ietekmi, mainot attiecīgos parametrus, kas ietekmē izvilkšanas uzvedību.
Lai veiktu izvilkšanas testus, tika sagatavoti cilindriski paraugi ar izmēriem 60 mmx60 mm ar tērauda šķiedrām, kas nostiprinātas un iestrādātas betonā.
Izvilkšanas uzvedības analīze koncentrējās uz korelāciju starp izvilkšanas spēku un šķiedras nobīdi. Turklāt tika ņemti vērā šķiedru un betona matricas bojājuma režīmi.
(2) Šķiedras forma un izmērs
Dažādu šķiedru formu (taisnas, rievotas, ar āķgaliem, dubultkonusveida) ietekme uz šķiedru izvilkšanas reakciju ar iestrādāto garumu=20 mm un slīpuma leņķi=0 augstas stiprības betona matricā (=84 MPa). Kā parādīts kreisajā pusē, dažādu formu šķiedrām izvilkšanas reakcija ievērojami atšķiras. Taisngraudainajām šķiedrām saikni starp šķiedrām un matricu nodrošina tikai saskarnes berze. Tāpēc pie gandrīz ļoti zemām izvilkšanas slodzēm notiek pilnīga atdalīšanās, ko pavada pēkšņa slodzes samazināšanās. Turpretim izvilkšanas slodze pēc pīlinga turpināja palielināties mehāniski noenkurotu deformētu šķiedru dēļ. Tāpēc teksturētās šķiedras nodrošina ievērojami lielāku pretestību izvilkšanai salīdzinājumā ar taisngraudainām šķiedrām. Pateicoties spēcīgajam stiprinājumam augstas stiprības betona matricā, gofrētās un divkonusveida šķiedras drīz pēc maksimālās slodzes pārsniegšanas saplīst. Tomēr, lai panāktu kaļamā materiāla uzvedību, ir jāizvairās no šķiedru lūzumiem pie maziem izvilkšanas pārvietojumiem. Labvēlīga izvilkšanas uzvedība tika novērota āķa galu šķiedrām, kuru āķu galiem bija tendence pakāpeniski pārvietoties un iztaisnot, kā rezultātā samazinājās izvilkšanas spēks un vēl vairāk palielinājās izvilkšanas nobīde.
Salīdzinot āķa galu šķiedru 60/0,75 (mm/mm) un 35/0,55 (mm/mm) ietekmi uz šķiedru izmēru, ievērojot to pašu vērtību. pārbaudes apstākļi. Redzams, ka abu šķiedru slodzes nobīdes līknes ir līdzīgas un gandrīz paralēlas. Tomēr šķiedrām ar lielākiem izmēriem bija ievērojami lielāka galīgā izvilkšanas slodze (+77%). Palielinoties diametram un āķa izmēram, palielinās šķiedras lieces stingums un saskares laukums ar matricu, kā rezultātā palielinās āķa plastiskai deformācijai nepieciešamā enerģija. Tomēr, salīdzinot abu šķiedru maksimālās izvilkšanas slodzes attiecību pret šķiedras izturību, rezultāti parādīja, ka abu šķiedru efektivitāte nedaudz atšķiras (60, 1% un 61, 0%).
Betonā ar vienādu šķiedru saturu īso/smalko šķiedru skaits ir vairākas reizes lielāks nekā garajām/rupjām šķiedrām, un attiecīgi mazākām/smalkajām šķiedrām to šķiedru skaits, kas pārtver potenciālās plaisas, ir salīdzinoši lielāks. Tātad, lai gan rezultāti liecina, ka garajām/rupjām šķiedrām ir lielāka izvilkšanas pretestība salīdzinājumā ar mazākām/plānām šķiedrām, parasti nevajadzētu pieņemt, ka mazākām/plānām šķiedrām ir sliktāka nestspēja, gluži pretēji, var secināt no rezultāti Pozitīva sinerģija. Šķiedru maisījumos ir iespējams apvienot priekšrocības, ko sniedz dažādu izmēru šķiedru izmantošana (garākas/biezākas un īsākas/plānākas šķiedras). Jo īpaši šādu šķiedru maisījumu izmantošana cauruļu segmentu malu zonās var pozitīvi ietekmēt plaisāšanas un plaisāšanas novēršanu.
(3) Šķiedras un betona izturība
Šķiedru stiprības (ft=1225 MPa, 2600 MPa) un betona stiprības (fc=44 MPa, 84 MPa) ietekme. Abām betona stiprībām augstas stiprības šķiedru izvilkšanas pretestība pirms berzes-slīdēšanas fāzes bija gandrīz divas reizes lielāka nekā normālas stiprības šķiedrām. Kā gaidīts, augstas stiprības betonā iestrādātajām šķiedrām bija lielāka pretestība pret izvilkšanu nekā šķiedrām, kas iestrādātas normālas stiprības betonā. Tomēr šis efekts ir izteiktāks augstas stiprības šķiedrām.
Lai gan pastāv būtiskas atšķirības augstas stiprības šķiedru slodzes nobīdes līknēs abos betonos, normālas stiprības šķiedru slodzes nobīdes uzvedība ir līdzīga neatkarīgi no betona stiprības. Augstas stiprības šķiedru līknes, kas pārbaudītas normālas stiprības betonā, samazinās salīdzinoši lēni pēc maksimālās izvilkšanas slodzes sasniegšanas. Tas liecina, ka betona zemās stiprības dēļ āķa (āķa gala) mehāniskā noenkurošanās efekts netiek efektīvi iedarbināts. Tāpēc augstas stiprības šķiedru efektivitāte, kas pārbaudīta normālas stiprības betonā, bija salīdzinoši zema (42,7%). Tomēr ir svarīgi atzīmēt, ka šīs šķiedras ir ievērojami efektīvākas (61,6%) augstas stiprības betonā. Tāpēc, lai sasniegtu optimālu šķiedru efektivitāti, tērauda šķiedru stiepes izturība ir jāpielāgo betona stiprībai.
(4) Šķiedras slīpuma leņķis
Augstas stiprības betonā iestrādātu parasto un augstas stiprības āķa galu šķiedru izvilkšanas testi dažādos slīpuma leņķos (0 grādi , 15 grādi , 30 grādi , 45 grādi un 60 grādi ). Kā gaidīts, augstas stiprības šķiedru maksimālā izvilkšanas slodze ir ievērojami lielāka nekā normālas stiprības šķiedrām visos aplūkotajos slīpuma leņķos. Ja parastās stiprības šķiedras tiek izvilktas bez bojājumiem, maksimālās izvilkšanas slodzes ir ļoti līdzīgas neatkarīgi no slīpuma leņķa. Turpretim augstas stiprības šķiedras uzrādīja ievērojamu galīgās izvilkšanas slodzes pieaugumu starp slīpuma leņķiem no 30 grādiem līdz 45 grādiem.
Vispārīgi runājot, palielinoties slīpuma leņķim, izvilkšanas pārvietojums pie maksimālās slodzes palielinās un priekšējā smailes atzara slīpums samazinās, īpaši slīpuma leņķiem, kas lielāki par 30 grādiem. Palielinoties slīpuma leņķim, tika novērots arī matricas drupināšanas un plaisāšanas pieaugums pie šķiedras izejas. Šī parādība ir acīmredzamāka augstas stiprības šķiedru gadījumā. Turklāt, palielinoties slīpuma leņķim, šķiedru plīsumi notiek biežāk, īpaši parastas stiprības šķiedrām.
