Bê tông cốt sợi thép (SFRC) làm lớp lót hầm
Hoạt động kéo sợi được nghiên cứu thực nghiệm, xem xét các yếu tố như hình dạng, kích thước và góc nghiêng của sợi. Hơn nữa, các phần sau đây trình bày các thí nghiệm và mô hình số tương ứng được thiết lập để mô tả đầy đủ lớp lót bê tông sợi thép.
1. Hành vi kéo sợi
Để phân tích, thiết kế và tối ưu hóa lớp lót đường hầm chống hư hỏng làm bằng SFRC, trước tiên cần phải hiểu đặc tính cơ học của vật liệu ở cấp độ kết cấu. Người ta biết rằng các tính chất cơ học của SFRC có liên quan đến hiệu ứng bắc cầu qua vết nứt. Hiệu ứng bắc cầu được xác định bởi sự đóng góp tổng cộng của tất cả các sợi bị gãy. Do hiệu quả bắc cầu của từng sợi riêng lẻ phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính liên kết của ma trận sợi-bê tông, nên đặc tính kéo ra của từng sợi thép nhúng trong ma trận bê tông đã được nghiên cứu một cách có hệ thống thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô hình phân tích. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở cho việc mô phỏng số quá trình cơ học của SFRC. Mặt khác, chúng cũng cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng SFRC trong các phân đoạn tuyến, chẳng hạn như nghiên cứu hiệu suất dưới tải trọng khu vực địa phương.
(1) Thí nghiệm vẽ sợi thép đơn
Cơ chế liên kết của các sợi thép trong nền bê tông được nghiên cứu bằng cách tiến hành thí nghiệm kéo đứt trên các sợi thép đơn lẻ. Chương trình thử nghiệm phân tích ảnh hưởng của các thông số như hình dạng sợi, kích thước, cường độ kéo, góc nghiêng và cường độ bê tông bằng cách thay đổi các thông số liên quan ảnh hưởng đến trạng thái kéo ra.
Để tiến hành các thử nghiệm kéo, các mẫu hình trụ có kích thước 60mmx60 mm đã được chuẩn bị, với các sợi thép được cố định và nhúng vào bê tông.
Việc phân tích hiện tượng kéo tập trung vào mối tương quan giữa lực kéo và độ dịch chuyển của sợi. Hơn nữa, các dạng hư hỏng của sợi và ma trận bê tông đã được xem xét.
(2) Hình dạng và kích thước sợi
Ảnh hưởng của các hình dạng sợi khác nhau (thẳng, gấp nếp, đầu móc, côn đôi) đến khả năng kéo ra của sợi có chiều dài nhúng=20 mm và góc nghiêng=0 trong ma trận bê tông cường độ cao (=84 MPa). Như minh họa ở bên trái, phản ứng kéo ra khác nhau đáng kể giữa các sợi có hình dạng khác nhau. Đối với sợi thớ thẳng, liên kết giữa sợi và nền chỉ được tạo ra bởi ma sát bề mặt. Do đó, ở mức tải kéo gần như rất thấp, sự mất liên kết hoàn toàn xảy ra, kèm theo sự giảm tải đột ngột. Ngược lại, tải kéo tiếp tục tăng sau khi bong tróc do các sợi bị biến dạng được neo cơ học. Do đó, sợi có kết cấu mang lại khả năng chống kéo cao hơn đáng kể so với sợi có thớ thẳng. Do khả năng neo giữ chắc chắn của chúng trong nền bê tông cường độ cao, các sợi tôn và sợi côn hai chiều sẽ bị gãy do gãy ngay sau khi vượt quá tải trọng cuối cùng của chúng. Tuy nhiên, để đạt được đặc tính dẻo của vật liệu, cần tránh đứt gãy sợi ở những dịch chuyển kéo nhỏ. Hành vi kéo ra có lợi đã được quan sát thấy đối với các sợi đầu móc, trong đó các đầu móc có xu hướng dịch chuyển và duỗi thẳng dần dần, dẫn đến giảm lực kéo ra và tăng thêm độ dịch chuyển kéo ra.
Bằng cách so sánh ảnh hưởng của sợi đầu móc 60/0.75 (mm/mm) và 35/0.55 (mm/mm) đối với kích thước sợi trong cùng một điều kiện điều kiện thử nghiệm. Có thể thấy, đường cong chuyển tải của cả hai sợi tương tự nhau và gần như song song. Tuy nhiên, sợi có kích thước lớn hơn có tải trọng kéo cuối cùng cao hơn đáng kể (+77%). Khi đường kính và kích thước móc tăng, độ cứng uốn của sợi và diện tích tiếp xúc với ma trận tăng, dẫn đến năng lượng cần thiết cho biến dạng dẻo của móc tăng. Tuy nhiên, bằng cách so sánh tỷ lệ tải kéo cuối cùng của hai sợi với độ bền của sợi, kết quả cho thấy hiệu suất của hai sợi khác nhau rất nhỏ (60,1% và 61,0%).
Trong bê tông có cùng hàm lượng sợi, số lượng sợi ngắn/mịn gấp nhiều lần so với sợi dài/thô, và theo đó, số lượng sợi ngăn chặn các vết nứt tiềm ẩn tương đối cao hơn đối với các sợi nhỏ hơn/mịn. Vì vậy, mặc dù kết quả cho thấy sợi dài/thô có khả năng chống kéo cao hơn so với sợi nhỏ hơn/mỏng, nhưng nhìn chung không nên giả định rằng sợi nhỏ hơn/mỏng có đặc tính chịu tải kém hơn, ngược lại, có thể kết luận từ kết quả Sức mạnh tổng hợp tích cực. Trong pha trộn xơ, có thể kết hợp ưu điểm của việc sử dụng xơ với các kích cỡ khác nhau (sợi dài/dày hơn và sợi ngắn/mỏng hơn). Đặc biệt, việc sử dụng hỗn hợp chất xơ như vậy ở các khu vực rìa của các đoạn ống có thể có tác dụng tích cực trong việc ngăn ngừa nứt và vỡ.
(3) Cường độ của sợi và bê tông
Ảnh hưởng của cường độ sợi (ft=1225 MPa, 2600 MPa) và cường độ bê tông (fc=44 MPa, 84 MPa). Đối với cả hai cường độ bê tông, khả năng chống kéo của sợi cường độ cao trước giai đoạn ma sát trượt gần như gấp đôi so với sợi cường độ bình thường. Đúng như dự đoán, sợi nhúng trong bê tông cường độ cao có khả năng chống kéo cao hơn sợi nhúng trong bê tông cường độ bình thường. Tuy nhiên, hiệu ứng này rõ rệt hơn đối với sợi có độ bền cao.
Mặc dù có sự khác biệt đáng kể về đường cong chuyển vị tải trọng của sợi cường độ cao ở hai loại bê tông, đặc tính chuyển tải tải trọng của sợi cường độ bình thường là tương tự nhau bất kể cường độ bê tông. Đường cong của sợi cường độ cao được thử nghiệm trong bê tông cường độ bình thường giảm tương đối chậm sau khi đạt tải trọng kéo tối đa. Điều này cho thấy do bê tông có cường độ thấp nên tác dụng neo cơ học của móc (đầu móc) không phát huy hiệu quả. Vì vậy, hiệu quả của sợi cường độ cao được thử nghiệm trong bê tông cường độ bình thường là tương đối thấp (42,7%). Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là những sợi này hiệu quả hơn đáng kể (61,6%) trong bê tông cường độ cao. Vì vậy, để đạt được hiệu quả sử dụng sợi tối ưu, cường độ chịu kéo của sợi thép cần được điều chỉnh theo cường độ của bê tông.
(4) Góc nghiêng của sợi
Thử nghiệm kéo đứt sợi đầu móc thông thường và sợi cường độ cao được nhúng trong bê tông cường độ cao ở các góc nghiêng khác nhau (0 độ , 15 độ , 30 độ , 45 độ và 60 độ ). Đúng như mong đợi, tải trọng kéo cuối cùng của sợi có độ bền cao cao hơn đáng kể so với sợi có độ bền bình thường đối với tất cả các góc nghiêng được xem xét. Khi các sợi có độ bền thông thường được kéo ra mà không bị đứt, tải trọng kéo cuối cùng là rất giống nhau bất kể góc nghiêng. Ngược lại, sợi có độ bền cao cho thấy sự gia tăng đáng kể về tải trọng kéo cuối cùng giữa các góc nghiêng 30 độ và 45 độ.
Nói chung, khi góc nghiêng tăng lên, chuyển vị kéo dưới tải trọng giới hạn tăng lên và độ dốc của nhánh đỉnh phía trước giảm xuống, đặc biệt đối với các góc nghiêng lớn hơn 30 độ. Sự gia tăng độ nghiền và đứt gãy của ma trận ở đầu ra của sợi cũng được quan sát thấy khi góc nghiêng tăng lên. Hiện tượng này rõ ràng hơn trong trường hợp sợi có độ bền cao. Hơn nữa, khi góc nghiêng tăng lên, hiện tượng đứt sợi xảy ra thường xuyên hơn, đặc biệt đối với các sợi có độ bền thông thường.
