Stahlfaserbeton (SFRC) für die Tunnelauskleidung
Das Faserauszugsverhalten wird experimentell untersucht und dabei Faktoren wie Faserform, -größe und Neigungswinkel berücksichtigt. Darüber hinaus werden in den folgenden Abschnitten die Experimente und entsprechenden numerischen Modelle vorgestellt, die zur vollständigen Beschreibung der Stahlfaserbetonauskleidung erstellt wurden.
1. Faserziehverhalten
Um schadensresistente Tunnelauskleidungen aus SFRC zu analysieren, zu entwerfen und zu optimieren, ist es zunächst notwendig, das mechanische Verhalten des Materials auf struktureller Ebene zu verstehen. Es ist bekannt, dass die mechanischen Eigenschaften von SFRC mit der Brückenwirkung über die Rissöffnung hinweg zusammenhängen. Der Brückeneffekt wird durch den Gesamtbeitrag aller gebrochenen Fasern bestimmt. Da die Überbrückungseffizienz jeder einzelnen Faser stark von den Bindungseigenschaften der Faser-Beton-Matrix abhängt, wurde das Auszugsverhalten einzelner in eine Betonmatrix eingebetteter Stahlfasern systematisch durch Laborexperimente und analytische Modelle untersucht. Die Forschungsergebnisse liefern eine Grundlage für die numerische Simulation des mechanischen Prozesses von SFRC. Andererseits bieten sie auch eine Grundlage für weitere Forschungen zur Anwendung von SFRC in Auskleidungssegmenten, beispielsweise für die Leistungsforschung unter lokalen regionalen Belastungen.
(1) Experiment zum Ziehen einzelner Stahlfasern
Der Bindungsmechanismus von Stahlfasern in der Betonmatrix wurde durch Auszugsversuche an einzelnen Stahlfasern untersucht. Das Versuchsprogramm analysiert den Einfluss von Parametern wie Faserform, -größe, Zugfestigkeit, Neigungswinkel und Betonfestigkeit durch Veränderung der relevanten Parameter, die das Auszugsverhalten beeinflussen.
Zur Durchführung von Auszugsversuchen wurden zylindrische Proben mit den Abmessungen 60 mm x 60 mm hergestellt, an denen Stahlfasern befestigt und in Beton eingebettet waren.
Die Analyse des Auszugsverhaltens konzentrierte sich auf den Zusammenhang zwischen Auszugskraft und Faserverschiebung. Darüber hinaus wurden die Versagensarten der Fasern und der Betonmatrix berücksichtigt.
(2) Faserform und -größe
Einfluss unterschiedlicher Faserformen (gerade, gewellt, hakenförmig, doppelt konisch) auf die Auszugsreaktion von Fasern mit eingebetteter Länge=20 mm und Neigungswinkel=0 in einer hochfesten Betonmatrix (=84 MPa). Wie links gezeigt, unterscheidet sich die Auszugsreaktion erheblich zwischen Fasern unterschiedlicher Form. Bei geradkörnigen Fasern wird die Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix nur durch Grenzflächenreibung hergestellt. Daher kommt es bei nahezu sehr geringen Auszugskräften zu einer vollständigen Ablösung, begleitet von einem plötzlichen Lastabfall. Im Gegensatz dazu stieg die Auszugslast nach dem Schälen aufgrund der mechanisch verankerten deformierten Fasern weiter an. Daher bieten texturierte Fasern im Vergleich zu geradfaserigen Fasern eine deutlich höhere Auszugsfestigkeit. Aufgrund ihrer starken Verankerung in der hochfesten Betonmatrix versagen gewellte und bikonische Fasern kurz nach Überschreiten ihrer Grenzlast durch Bruch. Um jedoch ein duktiles Materialverhalten zu erreichen, sollte ein Faserbruch bei kleinen Auszugsverschiebungen vermieden werden. Ein vorteilhaftes Ausziehverhalten wurde bei Fasern mit Hakenenden beobachtet, bei denen die Hakenenden dazu neigten, sich allmählich zu verschieben und aufzurichten, was zu einer Verringerung der Ausziehkraft und einem weiteren Anstieg der Ausziehverschiebung führte.
Durch Vergleich der Auswirkungen von Hakenendfasern von 60/0,75 (mm/mm) und 35/0,55 (mm/mm) auf die Fasergröße unter denselben Bedingungen Test-Bedingungen. Es ist zu erkennen, dass die Last-Weg-Kurven beider Fasern ähnlich und nahezu parallel sind. Allerdings zeigten Fasern mit größeren Abmessungen deutlich höhere Auszugslasten (+77 %). Mit zunehmendem Durchmesser und Hakengröße nehmen die Biegesteifigkeit der Faser und die Kontaktfläche mit der Matrix zu, was zu einem Anstieg der für die plastische Verformung des Hakens erforderlichen Energie führt. Beim Vergleich des Verhältnisses der ultimativen Auszugslast der beiden Fasern zur Faserfestigkeit zeigten die Ergebnisse jedoch, dass die Effizienz der beiden Fasern nur geringfügig unterschied (60,1 % und 61,0 %).
In Beton mit dem gleichen Fasergehalt ist die Anzahl der kurzen/feinen Fasern um ein Vielfaches höher als die der langen/groben Fasern, und dementsprechend ist die Anzahl der Fasern, die potenzielle Risse abfangen, bei kleineren/feinen Fasern relativ höher. Obwohl die Ergebnisse also zeigen, dass lange/grobe Fasern im Vergleich zu kleineren/dünnen Fasern einen höheren Auszugswiderstand aufweisen, ist nicht generell davon auszugehen, dass kleinere/dünne Fasern ein schlechteres Tragverhalten aufweisen, sondern lässt sich im Gegenteil daraus schließen Die Ergebnisse Positive Synergie. In Fasermischungen ist es möglich, die Vorteile der Verwendung von Fasern unterschiedlicher Größe (längere/dickere und kürzere/dünnere Fasern) zu kombinieren. Insbesondere der Einsatz solcher Fasermischungen im Randbereich von Rohrsegmenten kann sich positiv auf die Vermeidung von Rissen und Abplatzungen auswirken.
(3) Festigkeit von Fasern und Beton
Der Einfluss der Faserfestigkeit (ft=1225 MPa, 2600 MPa) und der Betonfestigkeit (fc=44 MPa, 84 MPa). Für beide Betonfestigkeiten war der Auszugswiderstand hochfester Fasern vor der Reibungs-Schlupf-Phase fast doppelt so hoch wie der von normalfesten Fasern. Wie erwartet hatten in hochfesten Beton eingebettete Fasern einen höheren Auszugswiderstand als in normalfesten Beton eingebettete Fasern. Allerdings ist dieser Effekt bei hochfesten Fasern ausgeprägter.
Obwohl es in den beiden Betonen deutliche Unterschiede in den Last-Verschiebungskurven der hochfesten Fasern gibt, ist das Last-Verschiebungsverhalten der normalfesten Fasern unabhängig von der Betonfestigkeit ähnlich. Die Kurven für hochfeste Fasern, die in normalfestem Beton getestet wurden, fallen nach Erreichen der maximalen Auszugslast relativ langsam ab. Dies zeigt, dass aufgrund der geringen Festigkeit des Betons die mechanische Verankerungswirkung des Hakens (Hakenendes) nicht effektiv ausgeübt wird. Daher war die Effizienz hochfester Fasern, die in normalfestem Beton getestet wurden, relativ niedrig (42,7 %). Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Fasern in hochfestem Beton deutlich effizienter sind (61,6 %). Um eine optimale Fasereffizienz zu erreichen, sollte daher die Zugfestigkeit der Stahlfasern an die Festigkeit des Betons angepasst werden.
(4) Neigungswinkel der Faser
Auszugsversuche von normalen und hochfesten Hakenendfasern, eingebettet in hochfesten Beton, bei verschiedenen Neigungswinkeln (0 Grad, 15 Grad, 30 Grad, 45 Grad und 60 Grad). Wie erwartet ist die ultimative Auszugslast hochfester Fasern für alle betrachteten Neigungswinkel deutlich höher als die normalfester Fasern. Wenn Fasern mit normaler Festigkeit ohne Versagen herausgezogen werden, sind die endgültigen Auszugslasten unabhängig vom Neigungswinkel sehr ähnlich. Im Gegensatz dazu zeigten hochfeste Fasern einen deutlichen Anstieg der maximalen Auszugslast zwischen Neigungswinkeln von 30 Grad und 45 Grad.
Im Allgemeinen nimmt mit zunehmendem Neigungswinkel die Auszugsverschiebung unter Höchstlast zu und die Neigung des vorderen Spitzenzweigs nimmt ab, insbesondere bei Neigungswinkeln von mehr als 30 Grad. Mit zunehmendem Neigungswinkel wurde auch eine Zunahme der Matrixzerkleinerung und -abplatzung am Faseraustritt beobachtet. Dieses Phänomen ist bei hochfesten Fasern deutlicher zu beobachten. Darüber hinaus kommt es mit zunehmendem Neigungswinkel häufiger zu Faserbrüchen, insbesondere bei Fasern mit normaler Festigkeit.
