Експлоатационни характеристики на армиран с макро синтетични фибри бетон, използван в тунелните облицовки

Армирането на летия и пръскания бетон с макро-синтетични фибри е технология добре приета от строителната общност. Значителна част от инженерите-проектанти предлагат използването й в тунелните облицовки, като една напълно приложима алтернатива на стоманените фибри и стоманените армиращи пръти.

Армирането на крепежа от пръскан бетон с макро-синтетични фибри е вече традиция. Нещо повече, тази технология се превърна в стандарт за миннната индустрия на Австралия, където 2014 година бележи края на използването на стоманените фибри в пръскания бетон [1]. Тунелните проекти с постоянен крепеж, армиран с макро-синтетични фибри непрекъснато се умножават. Примери за такива са тунелът A3 Hindhead близо до Guildford в Обединеното Кралство и North Strathfield Rail Underpass в Сидни, Австралия[2,3].


Подземното строителство поставя високи изисквания към експлоатационниите характеристики на постоянните тунелни облицовки. Предвид гарантиране на високи резултати, инженерите извършват постоянни наблюдения върху поведението на конструкциите и адаптират методите на проектиране и строителство.

Разбира се нуждата от потвърждаване, че макро-синтетичните фибри задоволяват тези високи критерии, предизвика провеждане на допълнителни изследвания и проучвания. Получените резултатите, комбинирани с опита от няколко наскоро завършени големи тунелни проекти, чиито облицовки са армирани с макро-синтетични фибри, подсказват за изключително светло бъдеще на тази технология.

В процеса на проектиране инежнерите трябва да съобразят множество фактори, преценявайки кой от армиращите продукти ще задоволи експлоатационните критерии за една тунелна облицовка. Някои от тези критерии са носещата способност, дълготрайността, устойчивостта на корозия на конструкцията, способността да бъде контролирана ширината на пукнатините, пълзенето и трошливостта на бетона.

Предвид необходимостта от изготвяне на бюджет за всеки проект, винаги е било важно за проектанта и клиента да бъдат анализирани внимателно ползите от използването на един или друг тип армировка. Например, какви са икономическите предимства от употребата на макро-синтетични фибри, предвид перспективата от увеличаване на издържливост или пък удължения експлоатационен живот на конструкцията?

В статията се прави преглед на редица от тези ключови фактори с цел да бъдат резюмирани последните изследвания и мнения, както и да бъдат представени примери, илюстриращи значителния принос на армираният с макро-синтетеични фибри бетон за подобряване качествата на крайния продукт.

Издържливост (Здравина)
Издържливостта на тунелната облицовка е съвокупност от различни параметри, включиващи водонепропускливост и якост на бетона, тип на армировката и капацитет за контрол на пукнатините. Издържливостта на матрицата, армирана с фибри се влияе от същите параметри като неармирания бетон, изложен на типични за заобикалящата подземна среда въздействия. Когато за армиране на бетона са използвани макро-синтетични фибри, проникването на хлоридни йони не трябва да ни безпокои, нито пък карбонизацията, и в по-малка степен водонепропускливостта, тъй като стоманата, обект на корозия не присъства. Това обстоятелство освобождава проектаната от трудностите да се съобразява с множество експлоатационни изисквания, свързани с корозионната устойчивост, предоставяйки му възможност за по-гъвкав подход. Той може да се фокусира в постигане на по-високи якости, намаляване свиването от съсъхване, гарантиране на сулфатоустойчивостта и поведението на конструкцията след поява на пукнатините, без това да води до усложнения в старанието му да задоволи други параметри; например контролиране ширината на пукнатините, предвид изискването за защита от корозия на вложената стоманена армировка, стящо в основата на традиционните методи за проектиране.

Корозия
Ако стоманените армиращи пръти или стоманените фибри са част от тунелния крепеж (облицовка), проектирането на рецептата за бетон се сблъсква с множество предизвикателства както и с компромисите, които трябва да се направят за да бъдат задоволени изискванията към здравината на бетона. Ограниченията за бетонната смес се предизвикани от нуждата да бъде взет под внимание процесът на проникване на хлоридни йони в бетона, както и дълбочината на карбонизация. Когато се използват армиращи пръти или стоманени фибри, пукнатините в бетона се явяват входове, през които солите навлизат и бързо достигат до армировката. Ако се използва армировка от стоманени пръти, изискването за максимално допустимата ширина на тези пукнатини е около 0.15 мм, а всичките полеви тестове, проведени в последно време от Kaufmann[4] и Bernard[5] върху армиращи стоманени фибри, подкрепени и от по-ранните изследвания на Nordstrom[6,7] показват, че максимално допустимата ширина на пукнатините не трябва да надвишава 0.10 мм. Това поставя много стриктни изисквания за контрол ширината на пукнатините при армировка от стомана и особено предвид по-трудната предвидимост в случая със стоманените фибри.

В контраст с горното, при използване на армиран с макро-синтетични фибри бетон, ширината на пукнатините не е от толкова голямо значение, тъй като в тунелната облицовка не присъстват корозиращи материали. Ширината на пукнатините се регламентира от други съображения, например, изискаване за водонепропускливост. Все пак, ако върху тунелната облицовка въздействат натискови товари със значителна стойност (какъвто е преобладаващият случай) разпространението на пукнатините от огъване ще бъде на незначителна дълбочина, отнесено към дебелината на тунелната облицовка. По тази причина проникването на водата в съоръжението е по-вероятно да се осъществи през случайно появили се дефекти и пукнатини с друг произход.

Примери за конструкции, в които корозията може да бъде потенциален проблем са тунелите под морското дъно в Норвегия и Финландия. Резултатите от проведените изследвания за влиянието на солената водата, проникваща до тунелната облицовка през скалите, върху дълготрайната здравина на съоръженията, доведе до почти пълната забрана за използване на стоманени фибри в тези конструкции, като се препоръчва за армиране на пръскания бетон да бъдат използвани макро-синтетични фибри[8].

Най-дългия преминаващ под морското дъно тунел в света, Ryfast Subsea tunnel, в близост до Ставангер, понастоящем в строеж, както и прокарваната West Metro Extension, метрото линия в Хелзинки, са подходяща илюстрация на горния факт.

Друг пример за успешно прилагане на макро-синтетичните фибри е дългият 4.47 км водоснабдителен тунел Oliola в Североизточна Испания, в експлоатация от 5 години. В него, с цел избягване на опасността от корозия, за армиране на вторичната бетонна облицовка са използвани макро-сиснтетичните фибри BarChip.

В повечето случаи при проектирането на лят или пръскан бетон за осигуряване на висока резистентност на химически атаки, усилията се фокусират върху постигане на дълготрайната издържливост и защита от корозия за целия експлоатационен живот на тунела, който типично е с продължителност 120 години. Един от начините за покриване на тези критерии е в проекта за бетонната смес да бъде заложено голямо количество пуцоланови свързващи вещества, което от своя страна може да доведе до прогресивно и значително нарастване на твърдостта. При използване на стоманени фибри резултатът от това е загуба на дуктилност, крехко поведение на матрицата, което след появата на пукнатини в бетона причинява отклонения от проектираните експлоатационни характеристики.

Задълбочващата се с годините загуба на дуктилност на армирания със стоманени фибри бетон като резултат от увеличаване твърдостта му и последващият ефект на крехкото разрушаване, особено след появата на пукнатини са негативни, известни и задълбочено проучвани през последните 20 години[10,11,12] процеси.

С напредване възрастта на бетона, промяната в поведението е резултат на еволюцията: от необходимо голямо количество енергия за измъкване на фибрите от бетонната матрица след напукването й, към състояние на крехко разрушаване, предизвикано от малка по стойност енергия. Това води до скъсване на стоманените фибри при недостиг на капацитет за удължаването им в зоната около пукнатините. Така деградирането на експлоатационните характеристики на конструкцията засягат съпротивителната й способност срещу възникващите в по-късен етап от експлоатационния й живот външни натоварвания - например подземно строителство в близост, сеизмични товари или промени в нивото на подземните води.

Дългосрочни проучвания върху поведението на стоманените фибри и армиращи пръти след поява на пукнатини в бетона внушават, че разрушаването се причинява от твърде големите силите на триена между стоманата и бетонната паста, която е по-близка по отношение на твърдостта си до пастата на свързващите вещества (цимента). Твърдостта на пастата расте с увеличаване твърдостта на бетона, но е във връзка с еластичния модул и състава. По тази причина качества на армирания със стоманени фибри бетон на ранна възраст (около 28 дни) задоволяващи проекта не са гаранция че ще бъдат приемливи след настъпващите промени, предизвикани от нарастване на възрастта му. Стойностите на експлоатационните характеристики на армирания със стоманени фибри бетон, с пукнатини чиято ширина достига 1.0 мм могат да намалеят до 50% в сравнение с оптималните, измерени в ранната му възраст. По тази причина, към якостта на опън при огъване на армирания със стоманени фибри бетон измерене на 28-мия ден, трябва да бъде приложен редукционен фактор, отчитащ възрастта[5,12].

Армираният с макро-синтетични фибри бетон е в голама степен неподвластен от този феномен, тъй като промените в твърдостта на пастата предизвиква много малки разлики в поведението на фибрите. Разчита се, че експлоатационните характеристики на армирания с макро-синтетични фибри бетон на 28 ден остават непроменени във времето. Проектантите могат да бъдат по-сигурни, че поведението се запазва без промяна за дълъг експлоатационен период и след появата на пукнатини в бетона.


Контрол ширината на пукнатините
Беше проведено проучване за оценка ефективността на макро-синтетичните фибри BarChip за намаляване средната ширина на пукнатините появили се вследствие на огъващи товари в конвенционално армирани бетонни елементи, [13].

Използването на макро-синтетични фибри за намалаване максималната ширина на пукнатините в подложени на огъване, армирани със стомана бетонни елементи в агресивна околна среда е за предпочитане в сравнение с използване на стоманени фибри за същата цел. Причината е, че на по-късен етап в зоната на пукнатините, последните стават обект на корозия.

В първата си част, проучването се ангажира с проучване на степента на контрол, оказван от специалните макро-синтетични фибри BarChip върху процеса на развитието на пукнатините в бетона и разстоянията между тях. С помощта на серия експеримени, включващи 32 тестови греди, армирани със стоманени пръти и допълнително с макро-синтетични фибри BarChip в доза межди 0 и 6 кг/м3, беше отбелязан действителен принос до 30% към намаляване средната ширина на пукнатините, сравнена с гедите без фибри.

Този резултат е полезен за практиката, защото за разлика от стоманените фибри, макро-синтетичните фибри са напълно имунизирани срещу корозия и потенциалната им локация в близост до повърхността на елемента (в пукнатината или където и да е) няма да изложи на риск дълготрайната здравина на бетона. Логично следва изводът, че добавянето на фибри BarChip в количество до 6 кг/м3 може да се окаже полезно средство за намаляване максималната ширина на пукнатините в стоманобетонни елементи изложени на агресивна среда, където максимално допустимата им ширина не трябва да надвишава 0.10 - 0.15 мм.


Съществува зависимост: по-тясна пукнатина, по-голяма дълнотрайност, което означава по-дълъг експлоатационен живот и по-ниски разходи за поддържане. Инвеститорите на проекта Malaga Airport High Speed Rail се възползват от тази идея и комбинират макро-синтетеичните фибри с традиционния армиращ пакет на тунелните сегменти, като в резултат получават ограничаване ширината на пукнатините в рамките на приемливите размери, причинени от хидравличните крикове на тунелопробивната машина (ТПМ), както и от последващите експлоатационните товари. Това проектно решение е намалило разходите за поправки и поддържане и е удължило живота на вложените инвестиции.

Проблем с пълзенето
Въпросът с процеса на пълзене винаги е бил на дневен ред за проектантите, тъй като те считат, че разликата в качествата на стоманените и макро-синтетичните фибри е твърде голяма. Все пак, напреженията проявяващи се в объча от сегменти на тунелната облицовка са базирани на натисковите сили. След запълване на пространството зад облицовката, появата на опънни напрежения е минимално. Потенциалните пукнатини появили се в процеса на транспортиране, манипулиране и инсталиране на сегментите или по време на придвижвана на тунелопробивната машина, се очаква да се затворят във времето вследствие естественото пълзене на бетона под въздействието на големите натискови сили. Влиянието на типа армировка върху пълзенето на бетона е незначително.

В случаите, когато в напуканата област от конструкцията се очаква дълготрайно присъствие на опънни напрежения, провеждането на продължителни тестове на армиран с макро синтетични фибри бетон е препоръчително. В реалността, подобен експлоатационен сценарий е малко вероятен, тъй като под действие на окръжаващото налягане от подпочвените води и земния натиск типично тунелното сечение е подложено на аксиални сили. Поведението на опън в процеса на експлоатация не е толова значимо, колкото в стадия на производство и междинните операции на строителството. Ако се очакват краткотрайни опънни напрежения, то тогава няма нужда от дълготрайни тестове, тъй като армираният с макро-синтетични фибри бетон има идентично поведение като този, армиран със стоманени фибри.

Все пак, появиха се съмнения относно дълготрайните експлоатационни качества на макро-синтетичните фибри по отношение на пълзенето и свързаните с това последствия за развитие ширината на пукнатините във времето, под въздействието на постоянни огъващи товари. За да се преодолеят тези резерви беше разработен метод за определяне на ефекта от пълзенето и свиването в зависимост от времетраенето на усилията, върху напречно сечение от армиран с макро-синтетични фибри напукан бетон, съдържащ още и конвенционална армировка от стоманени пръти.

Тялото е натоварено с постоянен огъващ момент и осова сила[14]. Разултатите от тези анализи показват, че включването на макро-синтетични фибри в бетона има само незначително отражение върху якостта на опън при огъване в разглежданото сечение, но фибрите използвани в комбинация с нормални армиращи пръти редуцират деформациите вследствие дълготрайно натоварване и значително намаляват максималната ширина на пукнатините.

Физичните качества на различните макро-синтетични фибри варират в широк диапазон. По тази причина, за повечето направени проучвания и завършени проекти, предствени в тази статия, са използвани фибри само с високи инженерни своийства: опънна якост > 600МРа и модул на еластичност >10GPa. Условие за обвързаност с представените тук резултати са цитираните по-горе характеристики.

Заключения
Макро-синтетичните фибри с високи инженерни показатели доказват ефективността си за намаляване ширината на пукнатините в стоманобетонни елементи, благодарение на което имат занчителен принос към дълготрайността и здравината на тунелните облицовки.

Присъщото на армиращите макро синтетични фибри свойство на пълзене играе второстепенна роля в дълготрайния експлоатационен живот на тунелната облицовка, където преобладаващите сили са типично натискови.

Високоефективните армиращи макро-синтетични фибри са идеални за прилагане в условия на агресивна среда и са гаранция, че с напредване на възрастта, фибро-бетонната матрица няма да стане трошлива, няма да страда от загуба на дуктилност и ще запази експлоатационните си качества през целия проектен живот.

..... правейки ги идеален строителен материал за тунелни облицовки.



REFERENCE

[1] E. Stefan Bernard, Matthew J.K. Clements, Stephen B. Duffield, and D. Rusty Morgan, 2014. Development of macro-synthetic fibre reinforced shotcrete in Australia, 7th International Symposium on Sprayed Concrete – Modern Use of Wet Mix Sprayed Concrete for Underground Support – Sandefjord, Norway, 16. – 19. June 2014

[2] Ireland, T.J., Stephenson, S., 2010. “Design and construction of a permanent shotcrete lining – The A3 Hindhead Project, UK”, Shotcrete: More Engineering Developments, Bernard (ed.), pp143-152

[3] Gonzalez, M., Kitson, M., Mares, D., Muir, B., Nye, E., Schroeter, T., 2014. “The North Strathfield Rail Underpass – Driven Tunnel Design and Construction”, 15th Australian Tunnelling Conference 2014, Sydney, 17-19 September, pp 369-374.

[4] Kaufmann, J. P., 2014. Durability performance of fiber reinforced shotcrete in aggressive environment, Proceedings of the World Tunnel Congress 2014 – Tunnels for a better Life. Foz do Iguaзu, Brazil.

[5] Bernard, E.S. 2008. “Embrittlement of Fiber Reinforced Shotcrete”, Shotcrete, Vol. 10, No. 3, pp16-21, American Shotcrete Association

[6] Nordstrцm, E., 1999. “Durability of steel fibre reinforced sprayed concrete with regard to corrosion”, Proceedings, 3rd Int. Symposium on Sprayed Concrete, Gol, Norway, 26-29 September.

[7] Nordstrцm, E., 2001. “Durability of steel fibre reinforced shotcrete with regard to corrosion”, Shotcrete: Engineering Developments, Bernard (ed.), pp213-217, Swets & Zeitlinger, Lisse.

[8] Hagelia, P. 2008, “Deterioration mechanisms and durability of sprayed concrete in Norwegian tunnels”, Fifth International Symposium on Sprayed Concrete, Lillehammar, Norway, 21-24 April, pp180-197.

[9] “Spain’s synthetic reinforcement”, Tunnels and Tunnelling International, April 2009, pp 25-27

[10] Bjontegaard, O., Myren, S.A., Klemtsrud, K., and Kompen, R., 2014. “Fibre Reinforced Sprayed Concrete (FRSC): Energy Absorption Capacity from 2 days age to One Year”, Seventh International Symposium on Sprayed Concrete, Sandefjord, Norway, 16-19 June, pp 88-97.

[11] Kaufmann, J.P., 2014. “Durability performance of fiber reinforced shotcrete in aggressive environment”, World Tunnelling Congress 2014, (Ed. Negro, Cecilio and Bilfinger), Iguassu Falls Brazil, p279.

[12] Bernard, E.S., 2014. “Age-dependent Changes in Post-cracking Performance of Fibre-Reinforced Concrete for Tunnel Segments”, 15th Australian Tunnelling Conference 2014, Sydney, 17-19 September, pp229-235.

[13 Bernard, E.S., 2015. “Investigation of Crack Width Control Using Barchip Fibres in Reinforced Concrete Beams”, TSE Report 248, Penrith, NSW, Australia, January 2015

[14] Gilbert, R. I. and Bernard, E. S., 2015. Timedependent Analysis of Macro-synthetic FRC Sections with Conventional Bar Reinforcement, (in press) World Tunnelling Congress (WTC 2015) in Dubrovnik, Croatia, May 2015

ЛШйф ГрсЯа