Hormigón reforzado con fibras de acero (SFRC) para revestimiento de túneles
El comportamiento de arrancamiento de la fibra se estudia experimentalmente, considerando factores como la forma, el tamaño y el ángulo de inclinación de la fibra. Además, las siguientes secciones presentan los experimentos y los modelos numéricos correspondientes establecidos para describir completamente el revestimiento de hormigón con fibras de acero.
1. Comportamiento de extracción de fibras.
Para analizar, diseñar y optimizar revestimientos de túneles resistentes a daños fabricados con SFRC, primero es necesario comprender el comportamiento mecánico del material a nivel estructural. Es bien sabido que las propiedades mecánicas del SFRC están relacionadas con el efecto de puente a través de la abertura de la grieta. El efecto puente está determinado por la contribución total de todas las fibras fracturadas. Dado que la eficiencia de puenteo de cada fibra individual depende en gran medida de las propiedades de unión de la matriz de hormigón y fibra, el comportamiento de extracción de las fibras de acero individuales incrustadas en una matriz de hormigón se estudió sistemáticamente mediante experimentos de laboratorio y modelos analíticos. Los resultados de la investigación proporcionan una base para la simulación numérica del proceso mecánico de SFRC. Por otro lado, también proporcionan una base para futuras investigaciones sobre la aplicación de SFRC en segmentos de revestimiento, como la investigación del rendimiento bajo cargas regionales locales.
(1) Experimento de trefilado de fibra de acero única
El mecanismo de unión de las fibras de acero en la matriz de hormigón se estudió mediante la realización de pruebas de extracción en fibras de acero individuales. El programa experimental analiza la influencia de parámetros como la forma de la fibra, el tamaño, la resistencia a la tracción, el ángulo de inclinación y la resistencia del hormigón cambiando los parámetros relevantes que influyen en el comportamiento de extracción.
Para realizar los ensayos de extracción se prepararon probetas cilíndricas de dimensiones 60mmx60 mm, con fibras de acero fijadas y embebidas en hormigón.
El análisis del comportamiento de extracción se centró en la correlación entre la fuerza de extracción y el desplazamiento de las fibras. Además, se consideraron los modos de falla de las fibras y de la matriz de concreto.
(2) Forma y tamaño de la fibra
Efecto de diferentes formas de fibras (rectas, corrugadas, con extremos de gancho, de doble punta) sobre la respuesta de extracción de fibras con una longitud incrustada=20 mm y un ángulo de inclinación=0 en una matriz de concreto de alta resistencia (=84MPa). Como se muestra a la izquierda, la respuesta de extracción difiere significativamente entre fibras de diferentes formas. Para fibras de grano recto, la unión entre las fibras y la matriz se proporciona únicamente mediante fricción interfacial. Por lo tanto, con cargas de arranque casi muy bajas, se produce una desunión completa, acompañada de una caída repentina de la carga. Por el contrario, la carga de extracción continuó aumentando después del pelado debido a las fibras deformadas ancladas mecánicamente. Por lo tanto, las fibras texturizadas proporcionan una resistencia a la extracción significativamente mayor en comparación con las fibras de fibra recta. Debido a su fuerte anclaje en la matriz de hormigón de alta resistencia, las fibras corrugadas y bit-cónicas fallan por fractura poco después de exceder su carga última. Sin embargo, para lograr un comportamiento de material dúctil, se debe evitar la fractura de las fibras en pequeños desplazamientos de extracción. Se observó un comportamiento de extracción beneficioso para las fibras de los extremos del gancho, en las cuales los extremos del gancho tendían a desplazarse y enderezarse gradualmente, lo que resultó en una disminución en la fuerza de extracción y un aumento adicional en el desplazamiento de extracción.
Comparando los efectos de las fibras del extremo del gancho de 60/0.75 (mm/mm) y 35/0.55 (mm/mm) sobre el tamaño de la fibra bajo el mismo condiciónes de la prueba. Se puede observar que las curvas carga-desplazamiento de ambas fibras son similares y casi paralelas. Sin embargo, las fibras con dimensiones más grandes exhibieron cargas de extracción final significativamente mayores (+77%). A medida que aumentan el diámetro y el tamaño del gancho, aumenta la rigidez a la flexión de la fibra y el área de contacto con la matriz, lo que resulta en un aumento en la energía requerida para la deformación plástica del gancho. Sin embargo, al comparar la relación entre la carga máxima de extracción de las dos fibras y la resistencia de la fibra, los resultados mostraron que la eficiencia de las dos fibras difería muy poco (60,1% y 61,0%).
En concreto con el mismo contenido de fibra, el número de fibras cortas/finas es varias veces mayor que el de fibras largas/gruesas y, en consecuencia, el número de fibras que interceptan grietas potenciales es relativamente mayor para las fibras más pequeñas/finas. Entonces, aunque los resultados muestran que las fibras largas/gruesas tienen una mayor resistencia a la extracción en comparación con las fibras más pequeñas/delgadas, en general no se debe suponer que las fibras más pequeñas/delgadas tienen un peor comportamiento de carga; por el contrario, se puede concluir a partir de los resultados Sinergia positiva. En las mezclas de fibras, es posible combinar las ventajas de utilizar fibras con diferentes tamaños (fibras más largas/más gruesas y más cortas/delgadas). En particular, el uso de tales mezclas de fibras en las zonas de los bordes de los segmentos de tubo puede tener un efecto positivo en la prevención de grietas y desconchados.
(3) Resistencia de la fibra y el hormigón.
La influencia de la resistencia de la fibra (ft=1225 MPa, 2600 MPa) y la resistencia del hormigón (fc=44 MPa, 84 MPa). Para ambas resistencias del hormigón, la resistencia a la extracción de las fibras de alta resistencia antes de la fase de fricción-deslizamiento fue casi el doble que la de las fibras de resistencia normal. Como era de esperar, las fibras incrustadas en hormigón de alta resistencia tuvieron una mayor resistencia a la extracción que las fibras incrustadas en hormigón de resistencia normal. Sin embargo, este efecto es más pronunciado en el caso de las fibras de alta resistencia.
Aunque existen diferencias significativas en las curvas de carga-desplazamiento de las fibras de alta resistencia en los dos hormigones, el comportamiento de carga-desplazamiento de las fibras de resistencia normal es similar independientemente de la resistencia del hormigón. Las curvas para fibras de alta resistencia ensayadas en concreto de resistencia normal disminuyen relativamente lentamente después de alcanzar la carga máxima de arranque. Esto demuestra que debido a la baja resistencia del hormigón, el efecto de anclaje mecánico del gancho (extremo del gancho) no se ejerce eficazmente. Por lo tanto, la eficiencia de las fibras de alta resistencia ensayadas en hormigón de resistencia normal fue relativamente baja (42,7%). Sin embargo, es importante señalar que estas fibras son significativamente más eficientes (61,6%) en hormigón de alta resistencia. Por lo tanto, para lograr una eficiencia óptima de las fibras, la resistencia a la tracción de las fibras de acero debe ajustarse a la resistencia del hormigón.
(4) Ángulo de inclinación de la fibra
Pruebas de extracción de fibras de extremo de gancho normales y de alta resistencia incrustadas en concreto de alta resistencia en diferentes ángulos de inclinación (0 grados, 15 grados, 30 grados, 45 grados y 60 grados). Como era de esperar, la carga máxima de extracción de las fibras de alta resistencia es significativamente mayor que la de las fibras de resistencia normal para todos los ángulos de inclinación considerados. Cuando las fibras de resistencia ordinaria se arrancan sin fallar, las cargas de extracción máximas son muy similares independientemente del ángulo de inclinación. Por el contrario, las fibras de alta resistencia mostraron un aumento significativo en la carga máxima de extracción entre ángulos de inclinación de 30 grados y 45 grados.
En términos generales, a medida que aumenta el ángulo de inclinación, aumenta el desplazamiento de extracción bajo carga máxima y disminuye la pendiente de la rama del pico frontal, especialmente para ángulos de inclinación superiores a 30 grados. También se observó un aumento en el aplastamiento y desconchado de la matriz en la salida de la fibra al aumentar el ángulo de inclinación. Este fenómeno es más evidente en el caso de fibras de alta resistencia. Además, a medida que aumenta el ángulo de inclinación, la rotura de las fibras se produce con mayor frecuencia, especialmente en el caso de fibras de resistencia normal.
