Multischaal benadering van het vermoeiingsgedrag van gescheurd staalvezelversterkt beton onder trekspanning

De beperkte trekweerstand van beton stimuleerde de ontwikkeling van staalvezel-versterkt beton (SVVB), bestaande uit een betonmatrix met willekeurig verspreide staalvezels en gekarakteriseerd door een verbeterd nascheurgedrag. Ondanks de verscheidene niet-structurele toepassingen is het gebruik van SVVB nog beperkt ten opzichte van de mogelijkheden, wat hoofdzakelijk komt door het gebrek aan internationale ontwerpcodes. Daarnaast worden structurele elementen frequent onderworpen aan cyclische belasting, bijvoorbeeld door verkeer, wat leidt tot cyclische schadeontwikkeling en eventueel vermoeiingsfaling. Het cyclisch gedrag is dus een belangrijke ontwerpparameter van bouwmaterialen. Hoewel vezels hebben bewezen de scheurgroei in beton te vertragen, blijft de fundamentele materiaalkennis eerder schaars. Experimenteel onderzoek beperkt zich vaak tot het opmeten van kracht-verplaatsing, hoewel progressieve micro-scheurvorming essentieel is aan cyclische achteruitgang. Geavanceerde niet-destructieve technieken zijn dus nodig om schade-initiatie en -ontwikkeling diepgaand te onderzoeken. Akoestische emissie (AE) monitoring heeft daar-omtrent zijn waarde bewezen door de continue detectie van interne schade.

Hoewel SVVB, cyclische belasting en AE al apart bestudeerd zijn, is hun combinatie nieuw aan dit onderzoek. Het doel is om het cyclisch gedrag van SVVB te verdiepen met een AE-gebaseerde multi-schaal analyse. Daarvoor wordt een gecombineerde aanpak van experimenten op 3 schalen en analytische modellering toegepast.

Voor schaal 1 worden uittrekproeven van individuele vezels gecombineerd met AE sensoren en micro-CT beelden. Twee vezeltypes worden ingebed met variërende lengte en inclinatie. De combinatie van AE en micro-CT resulteert in een diepgaande schadebeoordeling: monotone uittrekfases worden onderscheiden en de cyclische verplaatsingssnelheid wordt gerelateerd aan de AE activiteit. De AE resultaten zoals bronlokalisatie zijn gevalideerd met de micro-CT beelden. Afwijkende resultaten kunnen verklaard worden aan de hand van de positie van luchtbellen zichtbaar op de beelden.

Op schaal 2 worden trekproeven van SVVB cilinders uitgevoerd met AE metingen. Er werd vastgesteld dat vezelverdeling en -oriëntatie een grote impact hebben op het trekgedrag en dat de monotone curves goed overeenkomen met de cyclische enveloppe curves. Verder valideren de cyclische resultaten het lineair verband tussen de scheuropening bij ontladen en de plastische scheuropening, en bevestigen dat dit verband onafhankelijk is van vezeltype en -dosering en kan gebruikt worden voor het opstellen van schadecurves. Deze schaal toont ook de complementariteit van AE metingen en traditionele testopstellingen aan. Stadia van schadeontwikkeling met micro- en macro-scheurvorming zijn vastgesteld door de AE analyses zoals cumulatieve activiteit, lokalisatie en faalmode. Een experimenteel verband relateert de AE activiteit met de schade-evolutie gebaseerd op de afnemende stijfheid van belastingscycli.

Schaal 3 bevat drie-puntsbuigproeven van SVVB prisma’s, met opnieuw de toepassing van AE metingen. De voornaamste conclusies van schaal 2 blijven geldig, dus is a priori kennis van het belastingstype niet vereist om AE data te interpreteren. AE signaalkarakteristieken worden toegepast om de lokalisatie-resultaten te verbeteren en om nieuwe scheurontwikkeling te onderscheiden van schade in bestaande scheuren.  Zowel de cyclische scheuropening als het AE gedrag volgen de wet van Paris, met een onderscheid tussen vermoeiing van het ongescheurde of gescheurde beton. In het algemeen treedt vermoeiingsfaling op wanneer de belastingscycli de enveloppe curve bereiken. De schadecurves voor progressief cyclische of vermoeiingsbelasting zijn gelijk, wat de noodzaak voor lange-termijn testen vermindert. Ten laatste is aangetoond dat de positie van de neutrale lijn onafhankelijk is van de residuele sterkteklasse van het SVVB.

Tenslotte is een analytisch model ontwikkeld om het gedrag in trek en buiging te relateren gebaseerd op sectie-analyse, zowel voor monotone als cyclische belasting. Zo wordt het mogelijk om informatie over het materiaalgedrag te bekomen zonder de respectievelijke test uit te voeren, bijvoorbeeld het trek- of buigingsgedrag wordt berekend op basis van respectievelijk buig- of trektesten. Ook de vervormings- of spanningsprofielen in buiging worden bekomen op basis van trektesten, zodat de experimentele observaties betreffende de neutrale lijn bevestigd kunnen worden. Door validatie met de experimentele resultaten is vastgesteld dat de modelresultaten een goede nauwkeurigheid hebben gegeven de beperkte input en rekentijd. Bovendien kan het vermoeiingsgedrag van SVVB voorspeld en gevalideerd worden door het modelleren van SN-curves en de levensduur na voorscheuren, zonder de lange-termijn testen uit te voeren.