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.
2. Bê tông sợi thép chịu tải trọng cục bộ
Như đã đề cập trong phần giới thiệu, các đoạn lót phải chịu tải trọng tập trung cao (tức là tải trọng cục bộ) trong quá trình thi công và giai đoạn cuối. Ứng suất kéo gây nứt thường là yếu tố quyết định trong thiết kế và phải được chống lại bằng cốt thép thích hợp. Việc sử dụng bê tông cốt sợi thép có thể làm tăng khả năng chịu tải và ảnh hưởng tích cực đến trạng thái đứt gãy trong các tình huống tải trọng tập trung như vậy. Để hiện thực hóa ứng dụng tối ưu của bê tông sợi thép, đặc biệt là trong các phân đoạn lót, một nghiên cứu số và thực nghiệm có hệ thống đã được thực hiện về khả năng chịu tải và đứt gãy của bê tông sợi thép dưới tải trọng từng vùng.
(1) Nghiên cứu thực nghiệm về SFRC dưới tải trọng cục bộ
Để mô tả đặc tính chịu tải và đứt gãy của SFRC dưới tải trọng khu vực cục bộ, một thử nghiệm quy mô đầy đủ chứa các thông số thay đổi không liên quan đến sợi và liên quan đến sợi đã được thực hiện. Các biến không liên quan đến sợi bao gồm cường độ bê tông, kích thước mẫu, tỷ lệ diện tích và độ lệch tâm của tải trọng. Hơn nữa, tải trọng bề mặt cục bộ phân bố theo không gian (tức là tải trọng điểm) và theo khu vực (tức là tải trọng dải) được xem xét, có tính đến hai tình huống tải trọng tập trung có liên quan xảy ra ở các mối nối chu vi và dọc của các đoạn lót. Các yếu tố liên quan đến sợi bao gồm các đặc tính của sợi (ví dụ: độ bền, kích thước, hình học và tỷ lệ khung hình), hàm lượng và hướng của sợi cũng như sự kết hợp của các loại sợi khác nhau (ví dụ: hỗn hợp sợi).
Thiết kế hỗn hợp bê tông nền được nghiên cứu giống với thiết kế thường được sử dụng trong các đoạn lót.
Lấy mẫu thử có kích thước 150 mm x 150 mm x 300 mm làm ví dụ, thiết bị thử nghiệm chịu tải trọng cục bộ được trình bày.
Ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến khả năng chịu tải và đứt gãy đã được nghiên cứu bằng cách phân tích ứng suất nén cục bộ cuối cùng (tức là khả năng chịu tải tối đa), phản ứng ứng suất-chuyển vị, các đặc tính hư hỏng và nứt. Tiếp theo, một số kết quả chính và phát hiện chính được trình bày.
(2) Tỷ lệ diện tích và lượng sợi bổ sung
Dưới tác dụng của tải trọng cục bộ trong không gian đồng tâm, tỷ lệ diện tích (= /=2.25, 4, 9 và 16) và sợi bổ sung (sợi thép đầu móc 60 kg/m3) có tác động khác nhau đến ứng suất nén cục bộ và quan hệ dọc của bê tông cường độ cao (=84,5 MPa). Ảnh hưởng của phản ứng dịch chuyển. Lưu ý rằng trong các nghiên cứu sau đây, ứng suất nén cục bộ được định nghĩa là tải trọng tác dụng chia cho diện tích chịu tải.
Có thể thấy từ đường cong ứng suất-chuyển vị rằng việc bổ sung thêm sợi thép có thể làm tăng đáng kể ứng suất nén cục bộ cuối cùng của bê tông (lên tới 47%). So với bê tông thông thường, có thể thấy ảnh hưởng của sợi thép đến khả năng chịu tải rõ rệt hơn ở tỷ lệ diện tích cao hơn.
Đúng như dự đoán, ứng suất nén cục bộ cực hạn của bê tông trơn và bê tông sợi thép cũng tăng đáng kể khi tỷ lệ diện tích tăng, nguyên nhân là do hiệu ứng giam giữ của bê tông xung quanh. Trong trường hợp tải trọng cục bộ trong không gian, mối quan hệ tỷ lệ giữa ứng suất nén cục bộ cực hạn và căn bậc hai của tỷ số diện tích có thể được xác định rõ ràng. Vì hiệu ứng hạn chế không đầy đủ trong trường hợp tải trọng cục bộ của mặt phẳng nên mức tăng ứng suất nén cục bộ tới hạn là tương đối thấp. Trong trường hợp này, nó được tìm thấy tỷ lệ thuận với căn bậc ba của tỷ lệ diện tích. Những mối tương quan này cung cấp cơ sở để tính toán ứng suất cục bộ mà SFRC cường độ cao có thể chịu được.
Ngay sau khi đạt ứng suất tối đa, đường cong chuyển vị ứng suất của PC giảm mạnh, cho thấy mẫu bị hư hỏng đột ngột trong quá trình thử nghiệm. Ngược lại, SFRC thể hiện đặc tính ứng suất giảm dần khi chuyển vị ngày càng tăng, tương ứng với trạng thái hư hỏng dẻo. Trong trường hợp phân bố phẳng tải trọng từng phần, hiệu ứng này ít rõ ràng hơn vì nó không bị ràng buộc hoàn toàn.
Các dạng đứt gãy điển hình của mẫu PC và SFRC cường độ cao, với các đường cong ứng suất-chuyển vị tương ứng phù hợp. Nhìn chung, không thấy vết nứt hoặc nứt vỡ nào được quan sát thấy đối với PC và SFRC cho đến khi gần đạt tải trọng tối đa. Ngay sau đó, tất cả các mẫu PC đều bị hỏng trong điều kiện ít nhiều bị phân mảnh, đặc biệt là trong trường hợp bê tông cường độ cao, với đường cong chuyển vị tải trọng giảm mạnh. Đối với tỷ lệ diện tích lớn, một vết nứt tách lớn duy nhất phát triển trong suốt quá trình thử nghiệm và xuyên qua bề mặt bên tới đáy, trong khi ở tỷ lệ diện tích nhỏ, mẫu PC bị sập hoàn toàn. Ngược lại, tất cả các mẫu SFRC đều duy trì tính toàn vẹn cho đến khi kết thúc thử nghiệm và có nhiều kiểu vết nứt. Với tỷ lệ diện tích lớn, các vết nứt cùng với một lượng nhỏ bê tông bị vỡ chủ yếu xảy ra ở phần trên của mẫu SFRC. Khi tỷ lệ diện tích giảm, các vết nứt và nứt vỡ cũng có xu hướng phát triển ngày càng nhiều ở nửa dưới.
(3) Loại sợi và hỗn hợp
Từ nghiên cứu đặc tính kéo ra của sợi thép, có thể suy ra rằng tính chất của sợi cũng có tác động đáng kể đến khả năng chịu tải và đứt gãy của SFRC dưới tải trọng cục bộ. Ứng suất nén cục bộ cực đại của SFRC cường độ cao được chế tạo bằng cách sử dụng các loại sợi thép khác nhau với hàm lượng sợi là 60kg/m3 (phân bố tải trọng không gian, δ=9) được hiển thị. So với PC, tốc độ tăng ứng suất nén cục bộ cuối cùng dao động từ 28% đến 51%. Đúng như dự đoán, sợi kích thước lớn ở đầu móc có độ bền cao (Lh60) dường như có hiệu quả nhất trong việc tăng khả năng chịu tải tối đa. Tuy nhiên, thử nghiệm cho thấy SFRC được điều chế bằng sợi kích thước lớn có độ bền cao chỉ tăng khả năng chịu tải tối đa 15% so với SFRC được điều chế bằng sợi kích thước lớn có độ bền bình thường (L60), mặc dù kết quả của Thử nghiệm kéo ra cho thấy khả năng chịu tải tối đa của sợi cường độ cao. Tải trọng kéo ra gần gấp đôi so với sợi cường độ bình thường.
For SFRC prepared using fiber blends, positive synergistic effects can be observed for certain combinations of fiber types. In high-strength concrete, however, this effect is only evident at relatively high fiber contents (>80-100 kg/m3). Các nghiên cứu về hỗn hợp sợi khác nhau cho thấy rằng sự kết hợp giữa sợi vi mô đầu móc và sợi thẳng tỏ ra có lợi nhất trong điều kiện chịu tải như vậy. Mặc dù ứng suất nén cục bộ cực hạn của hai hỗn hợp sợi được so sánh gần như giống nhau, nhưng có thể thấy rằng SFRC với 50% sợi cỡ lớn và 50% sợi nhỏ (SFRC L60+S60) có đặc tính dẻo hơn ở giai đoạn sau crack ( So với SFRC L40+M40+S40). Do tác dụng gia cố của hỗn hợp sợi, ảnh hưởng tích cực của nó đến khả năng chịu tải và đứt gãy đặc biệt rõ ràng đối với tải trọng lệch tâm cục bộ.
(4) Định hướng sợi
Người ta biết rõ rằng các sợi được sắp xếp dọc theo hướng của ứng suất kéo có khả năng lấp đầy vết nứt tốt nhất. Trong trường hợp chịu tải trọng cục bộ, ứng suất kéo nứt vuông góc với phương tải trọng thường hạn chế ứng suất nén cục bộ có thể chấp nhận được và chiếm ưu thế trong dạng phá hoại. Do đó, định hướng sợi có thể có tác động đáng kể đến đặc tính chịu tải và đứt gãy của SFRC dưới tải trọng cục bộ. Để nghiên cứu hiệu ứng này, sự định hướng của sợi được kiểm soát bằng cách tạo ra các mẫu ở ván khuôn dọc và ngang, và các thử nghiệm tải trọng cục bộ được thực hiện trên SFRC.
Tỷ lệ sợi thép (sợi cỡ lớn đầu móc 60 kg/m3) theo ba hướng không gian (x, y, z) so với hướng tải được đo bằng thiết bị điện từ và mẫu SFRC được chuẩn bị bằng khuôn dọc và khuôn ngang đã được so sánh. (150 mm x 150 mm x 300 mm). Trong mẫu khuôn nằm ngang, khoảng 46% sợi được định hướng theo hướng tải. Do đó, so với các mẫu đứng, ít sợi được định hướng dọc theo hai hướng vuông góc với hướng tải trọng, tương ứng với các hướng ứng suất kéo chính của sự phân bổ tải trọng khu vực cục bộ. Kết quả cho thấy giá trị ứng suất nén cục bộ cực hạn của mẫu chuẩn bị trong khuôn ngang giảm đáng kể (tới 23%). Hơn nữa, sau khi đạt tới ứng suất nén cục bộ cực đại, đường cong ứng suất-chuyển vị được đặc trưng bởi sự giảm mạnh ứng suất, biểu hiện trạng thái phá hoại kém dẻo hơn. Hiệu ứng này cũng được chứng minh trong trường hợp thực nghiệm về tỷ lệ diện tích độc lập.
Trong trường hợp tải trọng cục bộ, ảnh hưởng đến hướng chủ đạo của sợi tùy theo hướng đổ (cốp pha dọc/ngang) là đáng kể hơn, vì trong trường hợp này, ứng suất kéo chính tác động chủ yếu theo hướng ngang (vuông góc với hướng tải).
• Kích thước sợi:
Ở cấp độ sợi và ma trận riêng lẻ, đặc tính kéo ra của từng sợi được kiểm soát bởi các điều kiện bề mặt, hình dạng sợi và góc nghiêng của sợi so với vết nứt. Một mô hình bán phân tích đã được phát triển để dự đoán mối quan hệ lực kéo-chuyển vị của một sợi đơn, phụ thuộc vào vị trí của trọng tâm sợi và góc nghiêng so với mặt phẳng vết nứt. Mô hình này có thể nắm bắt được các cơ chế chính được kích hoạt trong quá trình kéo sợi thép đơn lẻ được nhúng trong ma trận bê tông (làm thẳng đầu móc, vỡ bê tông và đứt sợi), có tính đến các cấu hình khác nhau của loại sợi và cường độ, cường độ bê tông, góc nghiêng của sợi và chiều dài nhúng.
• Kích thước vết nứt:
Ở mức độ vết nứt trong hỗn hợp bê tông cốt sợi, các sợi đi qua các vết nứt được kích hoạt và cung cấp cường độ còn lại sau vết nứt phụ thuộc vào hàm lượng sợi và hướng của sợi. Trong mô hình SFRC đa cấp, phản ứng sau vết nứt được ước tính gần đúng bằng phương pháp phân tách kéo dài có tính đến các hướng bất đẳng hướng của sợi bằng cách tích hợp các mối quan hệ lực kéo-chuyển vị của tất cả các sợi riêng lẻ đi qua vết nứt.
• Kích thước kết cấu:
Ở quy mô cấu trúc, hành vi sau đứt gãy được ghi lại thông qua mô hình vết nứt riêng biệt dựa trên các thành phần giao diện cô đọng. Các phần tử giao diện được chèn vào giữa các phần tử hữu hạn thông thường (phần tử thể tích), cho phép các vết nứt được ánh xạ một cách riêng biệt và cung cấp trực tiếp thông tin về chiều rộng vết nứt. Hành vi của các thành phần giao diện được điều chỉnh bởi các quy tắc phân tách kéo dài bắt nguồn từ các mô hình SFRC đa cấp ở thang đo vết nứt. Để giải thích sự hiện diện của các thanh thép, một biểu diễn dựa trên tiếp xúc độc lập với lưới của các thanh thép rời rạc cũng đã được phát triển. Các thanh thép được mô hình hóa như các phần tử giàn và được ghép với ma trận bê tông thông qua các ràng buộc nằm giữa các điểm kiểm soát trên các phần tử thanh thép và các điểm chiếu của chúng trong phần tử khối nhúng. Cơ chế trượt liên kết được cung cấp trong các ràng buộc, và bề mặt dẻo v.Mises đàn hồi và độ cứng tuyến tính của thép được xem xét.
