Open this publication in new window or tab >>2024 (English)Report (Other academic)
Abstract [en]
Fibre-reinforced shotcrete (sprayed concrete) is an essential part of the rock support for tunnels in hard rock. In Sweden, steel fibres have exclusively been used to reinforce shotcrete in traffic tunnels since the 1980s. Today, several alternative fibres exist on the market, e.g. basalt and synthetic fibres. These alternative fibres could potentially offer improvements such as reduced environmental impact or a reduced need for maintenance and repair. Therefore, this report focuses on investigating the performance of shotcrete reinforced with fibres made of steel, basalt and synthetic. A large experimental campaign, including cast and sprayed beams and panels, was performed to investigate the structural capacity and sprayability of shotcrete reinforced with various dosages of each fibre type. Numerical simulations using the finite element method were performed to investigate the impact of different test methods, i.e. comparing beams and panels. A literature study was performed to investigate how the design philosophies of rock support affect the required dosages of fibres and the potential problems regarding the durability of each fibre type.
The test campaign revealed that all fibre types can achieve commonly used requirements regarding structural capacity. However, steel and basalt fibres seem to be more competitive if high residual strength is required at low deformations, while synthetic fibres are more competitive if large deformations are allowed. Thus, the design philosophy affects the potential of using certain fibre types. The results from the numerical simulations highlight that tests on panels could reduce the required dosage of fibres. This results from the longer fracture planes in the panels, which reduce the impact of local variations in the amount and orientation of fibres. For steel and basalt fibres, the shotcrete mix is important regarding durability. For steel, problems with corrosion are limited to locations of cracks since steel is initially protected from corrosion due to the alkaline environment in the shotcrete. Basalt fibres corrode in an alkaline environment and are therefore protected by a coating. Synthetic fibres seem to be chemically resistant to the environment in the shotcrete and tunnel. In conclusion, this report has identified that fibres made of basalt and synthetic can potentially be used in Swedish tunnels but also highlights some important topics for future studies.
Abstract [sv]
Fiberarmerad sprutbetong är en viktig del av bergförstärkningen för tunnlar i hårt berg. I Sverige har stålfiber uteslutande använts som armering i sprutbetong sedan 1980-talet. Idag finns flera alternativ tillgängliga på marknaden, t.ex. basalt och syntetiska fiber. Möjligtvis kan dessa alternative fiber leda till en minskad klimatpåverkan eller ett minskat behov av reparation och underhåll av sprutbetongen. Därför fokuserar denna rapport på att utvärdera prestandan för sprutbetong armerad med stål, basalt och syntetiska fiber. För att utvärdera bärförmåga och sprutbarheten genomförde en stor experimentell studie som innehöll gjutna och sprutade balkar samt plattor armerade med olika fiber typer och doseringar. Numeriska simuleringar med finita element metoden genomfördes för att undersöka hur provmetoden, balkar och plattor, påverkade resultaten. En litteraturstudie genomfördes även för att undersöka hur design filosofin av bergförstärkningar påverkar rekommenderade doseringar av fiber samt potentiella problem med nedbrytning för de olika fibertyperna.
Resultaten från experimenten visade att alla fibertyperna can uppnå de vanligt använda kraven på bärförmåga. Däremot är fiber av stål och basalt vanligen mer konkurrenskraftiga när en hög residualbärförmåga krävs vid små deformationer medans syntetiska fiber är mer konkurrenskraftiga när stora deformationer tillåts. Strategin och metoden för att dimensionera sprutbetong påverkar därmed vilken fibertyp som kan vara lämplig. Resultat från numeriska simuleringar visar att fiberdoseringen kan minska om prover genomförs på plattor istället för balkar. Detta beror på att plattan har längre brottytor vilket minskar lokala effekter av fibermängd och orientating i sprickplanen. Sprutbetongens sammansättning är viktig för nedbrytningen av stål och basaltfiber. Stålfiber är skyddade mot korrosion av den alkaliska miljön och problematiken med korrosion är begränsad till sprucken sprutbetong. Basaltfiber korroderar dock i en alkalisk miljö och är skyddade mot detta genom en hinna runt fiberna. Syntetiska fiber tycks vara kemiskt stabila i en betong- och tunnelmiljö. Sammanfattningsvis har denna rapport visat att basalt och syntetiska fiber möjligen kan användas i svenska tunnlar men samtidigt lyfts några viktiga frågor för fortsatt forskning fram.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Kungliga Tekniska högskolan, 2024. p. 132
Series
TRITA-ABE-RPT ; 2417
Keywords
Fibres, Shotcrete, Structural testing, Design methods
National Category
Infrastructure Engineering
Research subject
Civil and Architectural Engineering, Concrete Structures
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-355088 (URN)
Funder
Swedish Transport Administration
Note
QC 20241025
2024-10-232024-10-232024-10-25Bibliographically approved