Teraskiudraudbetoon (SFRC) tunneli vooderdamiseks
Kiudude väljatõmbamise käitumist uuritakse eksperimentaalselt, võttes arvesse selliseid tegureid nagu kiu kuju, suurus ja kaldenurk. Lisaks esitatakse järgmistes osades katsed ja vastavad numbrilised mudelid, mis on loodud teraskiust betoonvooderduse täielikuks kirjeldamiseks.
1. Kiudude tõmbamise käitumine
SFRC-st valmistatud kahjustuskindlate tunnelivooderduste analüüsimiseks, projekteerimiseks ja optimeerimiseks on kõigepealt vaja mõista materjali mehaanilist käitumist konstruktsiooni tasandil. On hästi teada, et SFRC mehaanilised omadused on seotud sillaefektiga kogu prao ava. Sillaefekti määrab kõigi purunenud kiudude kogupanus. Kuna iga üksiku kiu sildamise efektiivsus sõltub tugevalt kiudbetoonmaatriksi sidumisomadustest, uuriti süstemaatiliselt laborikatsete ja analüütiliste mudelite abil betoonmaatriksisse põimitud üksikute teraskiudude väljatõmbamiskäitumist. Uurimistulemused annavad aluse SFRC mehaanilise protsessi numbriliseks simuleerimiseks. Teisest küljest annavad need aluse ka edasistele uuringutele SFRC rakendamise kohta vooderdisegmentides, näiteks toimivusuuringud kohalike piirkondlike koormuste korral.
(1) Ühe teraskiu tõmbamise katse
Teraskiudude sidumismehhanismi betoonmaatriksis uuriti üksikute teraskiudude väljatõmbekatsete abil. Katseprogramm analüüsib selliste parameetrite mõju nagu kiu kuju, suurus, tõmbetugevus, kaldenurk ja betooni tugevus, muutes väljatõmbamiskäitumist mõjutavaid asjakohaseid parameetreid.
Väljatõmbekatsete läbiviimiseks valmistati silindrilised proovid mõõtmetega 60 mm x 60 mm, teraskiud fikseeriti ja sisestati betooni.
Väljatõmbamiskäitumise analüüs keskendus väljatõmbejõu ja kiu nihke vahelisele korrelatsioonile. Lisaks võeti arvesse kiudude ja betoonmaatriksi rikkerežiime.
(2) Kiu kuju ja suurus
Erinevate kiudude kuju (sirge, gofreeritud, konksotsaga, topeltkoonus) mõju kiudude väljatõmbamisreaktsioonile, mille pikkus on=20 mm ja kaldenurk=0 kõrgtugevas betoonmaatriksis (=84 MPa). Nagu vasakul näidatud, erineb väljatõmbamisreaktsioon erineva kujuga kiudude vahel oluliselt. Sirgeteraliste kiudude puhul tagab kiudude ja maatriksi vahelise sideme ainult pindadevaheline hõõrdumine. Seetõttu toimub peaaegu väga väikese väljatõmbekoormuse korral täielik lahtiühendamine, millega kaasneb koormuse järsk langus. Seevastu väljatõmbekoormus suurenes pärast koorimist mehaaniliselt ankurdatud deformeerunud kiudude tõttu. Seetõttu pakuvad tekstureeritud kiud sirgeteraliste kiududega võrreldes oluliselt suuremat väljatõmbamiskindlust. Tänu oma tugevale kinnitusele ülitugevas betoonmaatriksis purunevad gofreeritud ja kahekihilised kiud varsti pärast lõpliku koormuse ületamist. Plastilise materjali käitumise saavutamiseks tuleks siiski vältida kiudude purunemist väikeste väljatõmbenihete korral. Kasulikku väljatõmbamiskäitumist täheldati konksuotsa kiudude puhul, mille puhul kippusid konksuotsad järk-järgult nihkuma ja sirguma, mille tulemuseks oli väljatõmbejõu vähenemine ja väljatõmbe nihke edasine suurenemine.
Võrreldes konksotsa kiudude 60/0,75 (mm/mm) ja 35/0,55 (mm/mm) mõju kiu suurusele samade väärtuste juures katsetingimused. On näha, et mõlema kiu koormuse-nihke kõverad on sarnased ja peaaegu paralleelsed. Suuremate mõõtmetega kiududel oli aga oluliselt suurem väljatõmbekoormus (+77%). Läbimõõdu ja konksu suuruse suurenedes suureneb kiu paindejäikus ja kontaktpind maatriksiga, mille tulemusena suureneb konksu plastiliseks deformatsiooniks vajalik energia. Võrreldes aga kahe kiu lõpliku väljatõmbekoormuse ja kiu tugevuse suhet, näitasid tulemused, et kahe kiu efektiivsus erines pisut (60,1% ja 61,0%).
Sama kiusisaldusega betoonis on lühikeste/peente kiudude arv mitu korda suurem kui pikkade/jämedate kiudude oma ning vastavalt sellele on väiksemate/peente kiudude puhul potentsiaalseid pragusid vahele jätvate kiudude arv suhteliselt suurem. Ehkki tulemused näitavad, et pikkadel/jämedatel kiududel on suurem väljatõmbetakistus võrreldes väiksemate/õhukeste kiududega, ei tohiks üldiselt eeldada, et väiksematel/õhukestel kiududel on halvem kandevõime, vastupidi, võib järeldada tulemused Positiivne sünergia. Kiusegudes on võimalik kombineerida erineva suurusega kiudude kasutamise eeliseid (pikemad/paksemad ja lühemad/peenemad kiud). Eelkõige võib selliste kiusegude kasutamine torusegmentide servaaladel avaldada positiivset mõju pragude ja lõhenemise vältimisele.
(3) Kiu ja betooni tugevus
Kiu tugevuse (ft=1225 MPa, 2600 MPa) ja betooni tugevuse (fc=44 MPa, 84 MPa) mõju. Mõlema betooni tugevuse puhul oli kõrgtugevate kiudude väljatõmbetakistus enne hõõrde-libisemisfaasi peaaegu kaks korda suurem kui normaalse tugevusega kiududel. Ootuspäraselt oli kõrgtugevasse betooni manustatud kiududel suurem väljatõmbetakistus kui normaalse tugevusega betooni kiududel. See efekt on aga tugevam ülitugevate kiudude puhul.
Kuigi kahe betooni kõrgtugevate kiudude koormus-nihke kõverad erinevad oluliselt, on normaaltugevate kiudude koormus-nihke käitumine sarnane betooni tugevusest sõltumata. Normaalse tugevusega betoonis testitud ülitugevate kiudude kõverad vähenevad pärast lõpliku väljatõmbekoormuse saavutamist suhteliselt aeglaselt. See näitab, et betooni vähese tugevuse tõttu ei avaldu konksu (konksu otsa) mehaaniline ankurdusefekt tõhusalt. Seetõttu oli normaaltugevas betoonis testitud kõrgtugevate kiudude efektiivsus suhteliselt madal (42,7%). Siiski on oluline märkida, et need kiud on kõrgtugevas betoonis oluliselt tõhusamad (61,6%). Seetõttu tuleks kiudude optimaalse efektiivsuse saavutamiseks kohandada teraskiudude tõmbetugevust betooni tugevusega.
(4) Kiudude kaldenurk
Kõrgtugevasse betooni põimitud tavaliste ja ülitugevate konksotsa kiudude väljatõmbamiskatsed erinevate kaldenurkade all (0 kraadi, 15 kraadi, 30 kraadi, 45 kraadi ja 60 kraadi). Nagu oodatud, on ülitugevate kiudude lõplik väljatõmbekoormus kõigi vaadeldavate kaldenurkade puhul oluliselt suurem kui normaalse tugevusega kiudude puhul. Kui tavalised tugevuskiud tõmmatakse välja tõrgeteta, on lõplikud väljatõmbekoormused olenemata kaldenurgast väga sarnased. Seevastu kõrgtugevate kiudude puhul suurenes lõplik väljatõmbekoormus märkimisväärselt 30-45-kraadiste kaldenurkade vahel.
Üldiselt võib öelda, et kui kaldenurk suureneb, suureneb väljatõmbe nihe lõpliku koormuse korral ja eesmise tipu haru kalle väheneb, eriti kui kaldenurk on suurem kui 30 kraadi. Maatriksi purustamise ja lõhenemise suurenemist kiu väljapääsu juures täheldati ka kaldenurga suurenemisega. See nähtus on ilmsem ülitugevate kiudude puhul. Lisaks toimub kaldenurga suurenedes kiudude purunemine sagedamini, eriti tavalise tugevusega kiudude puhul.
