Tünel kaplaması için çelik elyaf takviyeli beton (SFRC)
Lif çekme davranışı, lif şekli, boyutu ve eğim açısı gibi faktörler dikkate alınarak deneysel olarak incelenmiştir. Ayrıca, aşağıdaki bölümlerde çelik fiber beton kaplamayı tam olarak tanımlamak için oluşturulan deneyler ve ilgili sayısal modeller sunulmaktadır.
1. Lif çekme davranışı
SFRC'den yapılmış hasara dayanıklı tünel kaplamalarını analiz etmek, tasarlamak ve optimize etmek için öncelikle malzemenin yapısal düzeyde mekanik davranışını anlamak gerekir. SFRC'nin mekanik özelliklerinin çatlak açıklığı boyunca köprüleme etkisiyle ilişkili olduğu iyi bilinmektedir. Köprüleme etkisi tüm kırılan liflerin toplam katkısıyla belirlenir. Her bir fiberin köprüleme verimliliği, fiber-beton matris bağlanma özelliklerine güçlü bir şekilde bağlı olduğundan, beton matris içine gömülü bireysel çelik fiberlerin çekilme davranışı, laboratuvar deneyleri ve analitik modeller yoluyla sistematik olarak incelenmiştir. Araştırma sonuçları, SFRC'nin mekanik sürecinin sayısal simülasyonu için bir temel sağlıyor. Öte yandan, yerel bölgesel yükler altında performans araştırması gibi SFRC'nin astar segmentlerinde uygulanmasına ilişkin daha ileri araştırmalar için de bir temel sağlarlar.
(1) Tek çelik fiber çekme deneyi
Çelik fiberlerin beton matristeki bağlanma mekanizması, tekli çelik fiberler üzerinde çekme testleri yapılarak incelenmiştir. Deneysel program, çekme davranışını etkileyen ilgili parametreleri değiştirerek fiber şekli, boyutu, çekme mukavemeti, eğim açısı ve beton mukavemeti gibi parametrelerin etkisini analiz eder.
Çekme testlerinin yapılabilmesi için 60mmx60 mm boyutlarında çelik fiberlerin sabitlenip betona gömüldüğü silindirik numuneler hazırlandı.
Çekme davranışının analizi, çekme kuvveti ile fiber yer değiştirmesi arasındaki korelasyona odaklandı. Ayrıca fiberlerin ve beton matrisin hasar modları da dikkate alınmıştır.
(2) Lif şekli ve boyutu
Yüksek mukavemetli bir beton matriste farklı lif şekillerinin (düz, oluklu, kanca uçlu, çift konik), gömülü uzunluğu=20 mm ve eğim açısı=0 olan liflerin çekilme tepkisi üzerindeki etkisi (=84 MPa). Solda gösterildiği gibi, farklı şekillerdeki lifler arasında sıyrılma tepkisi önemli ölçüde farklılık gösterir. Düz taneli lifler için, lifler ile matris arasındaki bağ yalnızca arayüzey sürtünmesi ile sağlanır. Bu nedenle, neredeyse çok düşük çekme yüklerinde, yükte ani bir düşüşle birlikte tam bağ kopması meydana gelir. Buna karşılık, mekanik olarak sabitlenmiş deforme olmuş lifler nedeniyle soyulma sonrasında çekme yükü artmaya devam etti. Bu nedenle dokulu fiberler, düz damarlı fiberlere göre önemli ölçüde daha yüksek sıyrılma direnci sağlar. Yüksek dayanımlı beton matrisindeki güçlü ankrajları nedeniyle oluklu ve çift konik fiberler, nihai yüklerini aştıktan hemen sonra kırılarak hasar görür. Bununla birlikte, sünek malzeme davranışı elde etmek için, küçük çekme yer değiştirmelerinde lif kırılmasından kaçınılmalıdır. Kanca uçlarının kademeli olarak yer değiştirme ve düzleşme eğiliminde olduğu kanca uçlu lifler için faydalı çekme davranışı gözlemlendi, bu da çekme kuvvetinde bir azalmaya ve çekme yer değiştirmesinde daha fazla bir artışa neden oldu.
60/0,75 (mm/mm) ve 35/0,55 (mm/mm) kanca uçlu liflerin aynı koşullar altında lif boyutu üzerindeki etkilerini karşılaştırarak test koşulları. Her iki fiberin yük-deplasman eğrilerinin benzer ve hemen hemen paralel olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, daha büyük boyutlara sahip fiberler önemli ölçüde daha yüksek nihai çekme yükleri (%+77) sergiledi. Çap ve kanca boyutu arttıkça fiberin bükülme sertliği ve matris ile temas alanı artar, bu da kancanın plastik deformasyonu için gereken enerjinin artmasına neden olur. Bununla birlikte, iki fiberin nihai çekme yükünün fiber mukavemetine oranı karşılaştırıldığında, sonuçlar iki fiberin verimliliğinin çok az (%60,1 ve %61,0) farklı olduğunu gösterdi.
Aynı lif içeriğine sahip betonda kısa/ince liflerin sayısı, uzun/kaba liflerin birkaç katıdır ve buna bağlı olarak olası çatlakları engelleyen liflerin sayısı, daha küçük/ince lifler için nispeten daha fazladır. Her ne kadar sonuçlar, uzun/kaba fiberlerin daha küçük/ince fiberlere kıyasla daha yüksek çekilme direncine sahip olduğunu gösterse de, genel olarak daha küçük/ince fiberlerin daha zayıf yük taşıma davranışına sahip olduğu varsayılmamalıdır; aksine şu sonuca varılabilir: sonuçlar Olumlu sinerji. Lif karışımlarında farklı boyutlarda (daha uzun/daha kalın ve daha kısa/daha ince lifler) lif kullanmanın avantajlarını birleştirmek mümkündür. Özellikle bu tür elyaf karışımlarının boru bölümlerinin kenar bölgelerinde kullanılması çatlama ve dökülmelerin önlenmesinde olumlu etki yaratabilir.
(3) Lif ve betonun mukavemeti
Lif mukavemetinin (ft=1225 MPa, 2600 MPa) ve beton mukavemetinin (fc=44 MPa, 84 MPa) etkisi. Her iki beton dayanımı için de, yüksek dayanımlı liflerin sürtünme-kayma aşamasından önceki çekilme direnci normal dayanımlı liflerin neredeyse iki katıydı. Beklendiği gibi, yüksek dayanımlı betona gömülen lifler, normal dayanımlı betona gömülen liflerden daha yüksek sıyrılma direncine sahipti. Ancak bu etki yüksek mukavemetli liflerde daha belirgindir.
Her iki betonda yüksek dayanımlı liflerin yük-deplasman eğrilerinde önemli farklılıklar olmasına rağmen, normal dayanımlı liflerin yük-deplasman davranışı beton dayanımından bağımsız olarak benzerdir. Normal dayanımlı betonda test edilen yüksek dayanımlı liflerin eğrileri, nihai çekme yüküne ulaştıktan sonra nispeten yavaş bir şekilde azalır. Bu, betonun düşük mukavemeti nedeniyle kancanın (kanca ucu) mekanik sabitleme etkisinin etkili bir şekilde uygulanmadığını göstermektedir. Bu nedenle normal dayanımlı betonda test edilen yüksek dayanımlı liflerin verimliliği nispeten düşüktü (%42,7). Ancak bu liflerin yüksek dayanımlı betonlarda çok daha verimli (%61,6) olduğunu belirtmekte fayda var. Bu nedenle, optimum fiber verimi elde etmek için çelik fiberlerin çekme mukavemeti, betonun mukavemetine göre ayarlanmalıdır.
(4) Fiber eğim açısı
Yüksek mukavemetli betona farklı eğim açılarında (0 derece, 15 derece, 30 derece, 45 derece ve 60 derece) gömülü normal ve yüksek mukavemetli kanca uçlu liflerin çekme testleri. Beklendiği gibi, yüksek mukavemetli fiberlerin nihai çekme yükü, dikkate alınan tüm eğim açıları için normal mukavemetli fiberlerinkinden önemli ölçüde daha yüksektir. Sıradan mukavemetli lifler hatasız bir şekilde çekildiğinde, nihai çekme yükleri, eğim açısından bağımsız olarak çok benzerdir. Buna karşılık, yüksek mukavemetli fiberler, 30 derece ile 45 derecelik eğim açıları arasında nihai çekme yükünde önemli bir artış gösterdi.
Genel olarak konuşursak, eğim açısı arttıkça nihai yük altındaki çekme yer değiştirmesi artar ve özellikle 30 dereceden büyük eğim açıları için ön tepe kolunun eğimi azalır. Eğim açısının artmasıyla birlikte fiber çıkışında matris kırılması ve dağılmasında da artış gözlendi. Bu olgu yüksek mukavemetli liflerde daha belirgindir. Ayrıca, eğim açısı arttıkça, özellikle sıradan mukavemetli elyaflarda elyaf kırılması daha sık meydana gelir.
