Chương 2
VẬT LIỆU DÙNG TRONG BÊ TÔNG CÓT THÉP 2.1 Bê tông
2.1.1 Phân cấp bê tông
Bê tông là một loại đá nhân tạo gắn kết, nó là hỗn hợp của các cốt liệu lớn và nhỏ trong vữa xi măng, trở nên răn và có hình dạng của ván khuôn Thành phần của các cốt liệu lớn và nhỏ, xi măng pooc-lăng và nước trong hỗn hợp ảnh hưởng đến thuộc tính của bê tông cứng Trong phần lớn các trường hợp, người kỹ sư thiết kế sẽ chọn cấp bê tông cụ thê từ một loạt hỗn hợp thiết kế thử, thường dựa trên cường độ chịu nén mong muốn ở tuổi 28 ngày, fc Phân cấp bê tông theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 (ASSHTO LRFD 1998) và bổ sung theo ASSHTO LRFD 2012 như bảng 2.1 Bảng 2.1 Đặc trưng của bê tông theo cấp Lương xi Tỷ lệ Kích thước cốt Cường độ m Bà we nuée/xi | Phạm vi liệu theo hin nen 28
thiểu LÍ măng lớn | chứa khí | AASHTO M43 |Ÿ nt hy
Trang 2Ghi chú: Bê tông có tỷ trọng bình thường là bê tông có tỷ trọng nằm trong khoảng 21502500 kg/nẺ Bê tông có tỷ trọng thâp là bê tông
chứa cấp phối nhẹ và có tỷ trọng khi khô nhỏ hơn 1925 kg/mÌ
Việc áp dụng cấp bê tông trong kết cấu như sau:
- Bé tông cấp A được dùng cho tất cả các loại kết cấu trừ khi các loại bê tông khác dùng sẽ thích hợp hơn, đặc biệt là các bộ phận kêt câu ở trong nước mặn
- - Bê tông cấp B được dùng cho móng, cọc lớn và tường trọng lực - Bé téng cap C được dùng cho các kêt câu có mặt cắt mỏng có chiêu dày dưới 100 mm hoặc đê đỗ vào các tâm sàn lưới thép (có sườn trực giao)
- Bê tông cấp P được dùng khi cường, độ bê tông yêu cầu vượt quá 28 MPa Đối với kết cấu bê tông ứng suất trước cần giới hạn kích thước đá danh định nhỏ hơn 20 mm
-_ Bê tông cấp S được dùng để đỗ đưới nước, bịt đáy chống thấm nước trong các khung vây
-_ Bê tông có tỉ trọng thấp nên dùng ở trong các trường hợp phải bạn chế trọng lượng của kết cấu
- Bê tông AE (bê tông bọt - Air-Entrained concrete) phát huy được độ bền lâu dài khi làm việc trong các chu kỳ đóng băng — tan băng và chịu tác dụng của muối, nước mặt hoặc các môi trường có khả năng gây hại khác Sự cải thiện này được thực hiện nhờ đưa thêm chất làm tan băng hoặc một loại dầu vào hỗn hợp bê tông, tạo ra sự phân bố rất đều đặn các bọt khí đã được chia nhỏ Sự phân bố đều đặn các lỗ rỗng này trong bê tông ngăn ngừa các khoảng trống lớn và làm gián đoạn các đường mao dẫn từ bề mặt cốt thép
Các kết cấu bê tông cốt thép thường, thường sử dụng bê tông f=30+40MPa Các kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực thường sử dụng bê tông fc=40+70MPa Bê tông có cường độ chịu nén lớn hơn 70 MPa chỉ được dùng khi có các thí nghiệm vật lý xác lập được các quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông với các tính chất khác Không được dùng
Trang 3các loại bê tông có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày thấp hơn 16 MPa cho các loại kết cấu
2.1.2 Các thuộc tính ngắn hạn của bê tông cứng
Các thuộc tính của bê tông được xác định từ một thí nghiệm phản ánh sự làm việc chịu lực trong một thời gian ngắn vì các thí nghiệm này thường được thực hiện trong khoảng thời gian vài phút, trong khi đó thời gian tác dụng của một số tải trọng lên kết cấu thường là nhiều tháng, nhiều năm Các thuộc tính ngắn hạn của bê tông rất hữu dụng khi đánh giá chất lượng của bê tông và sự chịu lực ngắn hạn như tải trọng xe cộ Để đánh giá sự làm việc dưới tác dụng của tải trọng lâu dài như trong lượng bản thân của kết cấu thì những thuộc tính này phải được điều chỉnh cho phù hợp
2.1.2.1 Cường độ của bê tông
Cường độ của bê tông là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của bê tông Để xác định cường độ của bê tông người ta thường dùng phương pháp thí nghiệm mẫu Với bê tông cần xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo
Trang 4Bp=1-So - hệ số tương quan giữa cường độ đặc trưng và cường độ
trung bình mẫu Với xác suất 95% ta cé o = 0,135, S=1,64 thi
By = 0,778
2.1.2.2 Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi
Cường độ chịu nén của bê tông (Ÿ:) ở tuổi 28 ngày thường được xác định bằng thí nghiệm phá hoại mẫu thử hình trụ đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm dưới tác dụng của lực dọc trục, hình 2.1 Trên hình 2.2 biểu diễn đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của mẫu thử hình trụ khi chịu nén dọc trục không có kìm chế (không có cản trở biến dạng ngang)
Biến dạng tại đỉnh ứng suất nén f¿ xấp xỉ bằng 0,002.và biến đạng có thể lớn nhất vào khoảng 0,003 Một quan hệ đơn giản đối với bê tông có cường độ nhỏ hơn 40 MPa được đưa ra dưới một hàm bậc hai tại phương trình (2.2)
Hình 2.1 Thí nghiệm nén mẫu bê tông trụ tròn ] 50mm x300mưn
Trang 5⁄#=/,|2|“=|-|<=| | @2) Biển dang Eẹ : | & é &> trong do:
f, - cuong dé chiu nén tương ứng với độ biên dang £c, Ứng suài fạ | 1 1 i { | Ị ! f¿ - đỉnh ứng suất từ thí nghiệm khối trụ s’, - độ biên dạng ứng với ứng suat f’¢
Hình 2.2 Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng điển hình đối với bê tông chịu nén không kìm chế
Mô đun đàn hồi E¿ của bê tông trong được đánh giá bằng độ dốc của đường thẳng đi từ gốc tọa độ qua điểm của đường cong có ứng suất bằng 0,4P, được biểu diễn trên hình 2.1 Theo 22TCN 272-05, mô đun đàn hồi của bê tông có tỷ trọng 1440+2500 kg/mỶ và được tính bởi hàm
sO sau:
E, = 0,043.y'3 /f', (MPa) (2.3)
trong do:
+ - khối lượng riêng của bê tong tinh bang kg/m’
F, - giá trị tuyệt đối của cường độ chịu nén danh định của bê tông tính bằng MPa
2.1.2.3 Cường độ chịu kéo
Cường độ chịu kéo của bê tông có thể được đo trực tiếp hoặc gián tiếp Thí nghiệm kéo trực tiếp như hình 2.3a được sử dụng để xác định cường độ nứt của bê tông, đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dụng Thông thường, người ta tiến hành các thí nghiệm gián tiếp như thí nghiệm phá hoại đầm và thí nghiệm chẻ khối trụ, các thí nghiệm này được mô tả trên hình 2.3
Trang 6(a) Sơ đồ đặt tải Mặt cắt Sau khi nứt —LRER ]—- L]Ị: \ ZỊ_ Eˆ PY hel see Pepe Le ae Í-* "TT * phi Nua di d9 Prot 2PelL L P fp“ “SP”
a) Thí nghiệm kéo trục tiếp, b) Thi nghiệm uốn dâm, c) Thí nghiệm chẻ mẫu trụ
Hình 2.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của bê tông Thí nghiệm phá hoại đầm đo được cường độ chịu kéo khi uốn của
bê tông với một dầm bê tông giản đơn chịu lực như trên hình 2.2b Ứng
suất kéo uốn này được ký hiệu là £ Đối với trường hợp không có số liệu xác định bằng thí nghiệm thì cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông có tỷ: trọng thông thường có thể xác định bằng công thức sau:
J, = 0,63.) 7" (MPa) (2.4)
Trong thí nghiệm chẻ khối trụ (hình 2.3c), khối trụ tiêu chuẩn được đặt nằm và chịu tải trọng đường phân bố đều Ứng suất kéo gần như đều xuất hiện vuông góc với ứng suât nén sinh ra bởi tải trọng đường Khi các ứng suất kéo này đạt tới giới hạn cường độ, khối trụ bị chẻ làm đôi đọc theo mặt chịu tải Theo một lý thuyết về sự làm việc đàn hồi (Timoshenko và Goodier, 1951), công thức tính ứng suất kéo chẻ Ấp được đưa ra như sau:
2P,,
toy = —r (MPa) (2.5)
trong đó:
P,, — tai trong gay ché khdi tru (KN) D, L— đường kính và chiều dài mẫu trụ
Trang 7weer
xxx
x" Cả hai giá trị ứng suất kéo uốn (f) và ứng suất kéo chẻ (fp) xac
định được đều lớn hơn so với ứng suất kéo dọc trục (f;) được xác định
trong thí nghiệm kéo trực tiếp như hình 2.2a Các tác giả Collins,
Mitchell (1991) va Hsu (1993) dua ra công thức xác định cường độ chịu
kéo trực tiếp fcy như sau:
ƒ„=0,33.|/', (MPa) (2.6)
Tiến hành thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu bê tông, theo Collins và Mitchell (1991) đường cong quan hệ ứng suất — biến đạng như hình 2.4 Quan hệ của ứng suất — biến dạng là tuyến tính cho đến khi ứng suất kéo
trong bê tông đạt đến f„ và bê tông bị nứt Sau khi nứt, nếu có cốt thép
thì ứng suất kéo trong bê tông giảm đi nhưng không về 0, vì nội liên kết giữa các hạt của bê tông còn tồn tại và có thê truyền lực kéo qua vết nứt Hiện tượng này rất quan trọng khi dự tính ứng suất kéo trong cốt thép và sức kháng cắt của đầm BTCT trong đó: œ; - hệ số xét đến đặc trưng dính kết của cốt thép: ơœ¡;=1,0 cho cốt thép - có gờ, !z033{Í,- œ¡=0,70 cho cốt thép eœ.osÍg hà vn, vi và †ao ————— thép có dính bám, 101 [soos, m0 cho cốt thép không dính bám 0; - hệ số xét đến tải trọng thường xuyên hay tải trọng lặp: a2 =1,0 đối với tải ngắn hạn, ø =0,70 với tải thường xuyên hoặc tải trọng lặp — Q 1 { f = f; =E,.€| ứng suất trung binh , f 0.001 0.002 0.003 0.004 Bién dang trung binh , &, Qa
Hình 2.4 Quan hệ ứng suất trung bình — biến dạng trung bình của bê tông chịu kéo
Trang 8xxx
xxx
"xr
wr
Cả hai giá trị ứng suất kéo uốn (£) và ứng suất kéo chẻ (fp) xác định được đều lớn hơn so với ứng suất kéo dọc trục (f;) được xác định trong thí nghiệm kéo trực tiếp như hình 2.2a Các tác giả Collins, Mitchell (1991) va Hsu (1993) đưa ra công thức xác định cường độ chịu
kéo trực tiếp fy như sau:
f,, =0,33.[f', (MPa) (2.6)
Tiến hành thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu bê tông, theo Collins và Mitchell (1991) đường cong quan hệ ứng suất — biến dạng như hình 2.4 Quan hệ của ứng suất — biến đạng là tuyến tính cho đến khi ứng suất kéo trong bê tông đạt đến f„ và bê tông bị nứt Sau khi nứt, nếu có cốt thép thì ứng suất kéo trong bê tông giảm đi nhưng không về 0, vì nội liên kết giữa các hạt của bê tông còn tổn tại và có thể truyền lực kéo qua vết nứt Hiện tượng này rất quan trọng khi dự tính ứng suất kéo trong cốt thép và sức kháng cắt của dầm BTCT trong do: ơ¡ - hệ số xét đến đặc trưng dính kết của côt thép: œ=1,0 cho cốt thép CÓ gỜ fạ=0, Vf ? con,
fet z=0.33 Te œ¡=0,70 cho côt thép
_- pe afer en yon, sa va tao ° cỷẻô————— hép có dính bám, 5 10+ 5006 œ0 cho cốt thép = f=E Ei không dính bám _ = œ; - hệ sô xét đên tải œ trọng thường 5 T , r T xuyên hay tải 0 0.001 0.002 0.003 0.004 trọng lặp: Biến dạng trung bình, £, 0 =1,0 đối với tải ngắn hạn, a =0,70 với tải thường xuyên hoặc tải trọng lặp
Hình 2.4 Quan hệ ứng suất trung bình — biến dạng trung bình của bê tông chịu kéo
Trang 9Nếu không có cốt thép sẽ không có nhánh xuống và ứng suất kéo của bê tông sau nứt bằng không Tuy nhiên nếu bê tông có dính bám với cốt thép, ứng suất kéo của bê tông còn tồn tại Một lần nữa cho thấy rõ tính chất của BTCT khác bê tông
2.1.3 Các thuộc tính dài hạn của bê tông cứng
2.1.3.1 Cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian
Thông thường cường độ chịu nén của bê tông tăng theo tuổi của nó và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại xi măng, điều kiện bảo
dưỡng Thời gian đầu cường độ tăng khá nhanh, đến một vài năm thì
tăng rất ít hầu như dừng lại Để xác định cường độ của bê tông theo công thức thực nghiệm
Công thức của B.G Skramtaep (1935) theo quy luật logarne, chỉ áp dụng phù hợp với thực tế khi tuổi của bê tông từ 7+300 ngày:
R= Bạn =0,7.R,,lgt (2.7)
Cong thie cla Vién bé tong My - American Concrete Institute — ACI theo quy luật hyperbol như sau:
t
R=R,,.——
?# ++ bự (2.8)
trong do:
Rog — Cuong d6 bé tong & 28 ngay tudi t~ tuôi bê tông tính theo ngày
a, b— hệ số phụ thuộc loại xi măng, thông thường a = 4 và b = 0,85, với xi măng đông cứng nhanh a = 2,3 và b = 0,92
Trang 10ACI_Xi mang déng két nhanh % ACI_Xi mang thông thường B.G Skramtaep
Hình 2.5 Sự tăng cường độ của bê tông R;s=28MPua theo thời gian Trong điều kiện có thể khoan lấy mẫu trên kết cầu (không làm ảnh hưởng tình hình chịu lực của cấu kiện) người ta sẽ sử dụng máy khoan khoan lấy mầu bê tông hình trụ tròn đem về phòng thí nghiệm gia công và thực hiện nén vỡ mẫu để xác định Trong điều kiện không được phép khoan lẫy mẫu, người ta có thé ap dụng các phương pháp không phá huỷ để xác định cường độ chịu nén của bê tông như phương pháp sử dụng súng bật nay hoặc sử dụng phương pháp siêu âm để xác định cường độ của bê tông trong kết cấu đang làm việc
a) Ste dung sting bat nay b) Sử dụng máy siêu âm bê lông Tình 2.6 Phương pháp không phá hủy xác định cường độ bê tông trên
kết cấu
Trang 112.1.3.2 Co ngót của bê tông - Shrinkage
Co ngót của bê tông là sự giảm thể tích đưới nhiệt độ không đổi đo mất độ âm sau khi bê tông đã đông cứng Sự thay đổi thể tích theo thời
gian này phụ thuộc vào hàm lượng nước của bê tông tươi, vào loại xi măng và cốt liệu được sử dụng, vào điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ
ẩm và tốc độ gió) tại thời điểm đổ bê tông, vào quá trình bảo dưỡng, vào khối lượng cốt thép và vào tỉ số giữa thê tích và diện tích bề mặt cấu
kiện Có hai loại co ngót cơ bản:
- Co ngót dẻo: Là loại co ngót xuất hiện trong vòng vài giờ đầu
tiên sau khi đỗ bê tông tươi vào ván khuôn Ở giai đoạn này do phần bề
mặt khối bê tông co ngót nhanh hơn và cường độ bê tông còn nhỏ nên xuất hiện các vết nứt bề mặt có đạng chân chim Do đó, để hạn chế các vết nứt bề mặt này người ta thường chú ý bảo dưỡng tốt hơn trong những ngày đầu bảo dưỡng bê tông
-_ Co ngót khô: Là loại co ngót xuất hiện sau khi bê tông đã hoàn toàn ninh kết và các phản ứng thủy hóa đã hoàn thành
Trong AASHTO LRFD 1998 và 22 TCN 272-05, sử dụng biểu
thức thực nghiệm được xây dung béi Collins va Mitchell (1991) dé danh giá biến dạng co ngót s;; dựa trên thời gian khô, độ âm tương đối và tỉ số giữa thê tích và diện tích bề mặt
- Đối với bê tông được bảo dưỡng âm, cốt liệu không có ngót,
biến dạng co ngót xác định theo (2.9), nếu bê tông bảo dưỡng ẩm được để lộ ra ngoài trước 5 ngày bảo dưỡng trôi qua thì giá trị co ngót được
xác định theo công thức (2.9) cần tăng lên 20%
t
6 =—k.k,| 0,51.107 2.9
„ ‘ gam) (2.9)
- Đối với bê tông được bảo dưỡng bằng hoi nude có cốt liệu không có co ngót, biến dạng co ngót xác định theo (2.10)
e,, =-k,.k,| 55,0 +1 —— |0,56.107 (2.10)
Trang 12trong đó:
t - thời gian khô (ngày)
k; - hệ số kích thước quy định ở hình 2.7 hoặc tính theo công thứ (2.11) kụ - hệ số độ ẩm tra theo bảng 2.2 1.4 ø 12 = 10 $ 0.8 5 os 5 0 " #04 92 9 12 6 16 300 1000 Thời gian khô ( ngày) k,= f 45+t 923 mm =2“ (2.11) V - thể tích cấu kiện độ bê tông (mm ŠS - diện tích mặt bê tông lộ ra không khí (mm?)
Hình 2.7 Quan hệ giữa k; với tỷ số thể tích/diện tích b mặt theo thời gian
Bảng 2.2 Bảng tra hệ số độ ẩm kụ theo độ ẩm trung bình của môi trường
Độ âm tương đối trung
bình của môi trường — kh H(%) 40 1,43 50 1,29 60 1,14 70 1,00 80 0,86 90 0,43 100 0,00 _ kn ed thé tinh theo công thức xấp xi như sau: - Với H<80%: _140-H 70 - Voi H280%: _ 3(100-H) — 70 ky ky
Ví dụ 2.1: Hãy xác định biến dạng co ngót tại thời điểm 5 năm của một bản bê tông mặt câu dày 200 mm với mặt trên và mặt dưới được làm
khô trong không khí có độ âm tương đối 70%
Trang 13Thể tích cấu kiện đổ bê tông tính cho Imm” bề mặt:
V=200mm.1mm.1mm=200mm?
Diện tích mặt bê tông lộ ra không khí tính của V: § = 2 mat 1mm Imm=2mm’
¡ số ơiữa thể tích và diên tích ⁄ = 209⁄ —
Tỉ sô giữa thê tích và diện tích Vy = 1z = 100mm
Tại thời điểm 5 năm sau khi đỗ bê tông, t=5 năm = 5 năm.365 ngày = 1825 ngày Tính k; theo (2.11), k;= 0,728 Tinh kụ theo công thức, kụ=1 1825 ————- |0,51.10 =-3,643.10° 35,0+1825 Từ (2.9): &, =~07281|
Sự phụ thuộc của biến dạng co ngót vào thời gian khô đối với các điêu kiện này được biêu diễn trên đô thị hình 2.8
Thời gian khô, †, ngày 0 500 1000 1500 2000 ° I 1 i j Độ ẩm tuơng đối = 70 % š - won Thé tich + O —————————- = 100mm $ 5 Dién tich bé mat = oO o Ị oO 2 « (@: GO.~ 3 So = S @ Ss oO |
Hình 2.8 Quan hệ của biễn dạng eo ngót trong ví dụ 2.1 theo thời gian Công thức thực nghiệm (2.9), (2.10) trên không bao gồm tất cả các yếu tổ ảnh hưởng đến co ngót, AASHTO chú thích rằng, các kết quả có thể tăng giảm khoảng 50% và độ co ngót thực tế có thể lớn hơn -0,0008 Ngay cả khi các giá trị này không chính xác thì khuynh hướng tốc độ co ngót giảm khi thời gian khô tăng lên vẫn đúng Khi không có các thông số đặc trưng về bê tông và các điều kiện nơi khai thác, AASHTO khuyến
Trang 14cáo sử đụng các giá trị biến dạng co ngót là — 0,0002 sau 28 ngày và —
0,0005 sau 1 năm đông cứng
Sự co ngót làm co toàn bộ cầu kiện có xu hướng co lại nhưng liên kết giữa tinh thể xi măng và cốt liệu lại bị kéo phát sinh ứng suất kéo ban đầu trong đá xi măng có thê dẫn đến nứt bê tông Chính vì vậy co ngót là hiện tượng có hại, trong thiết kế và thi công có biện pháp làm giảm co ngót hoặc giảm ảnh hưởng của nó Để làm giảm co ngót, cần phải chọn thành phần cốt liệu thích hợp, lượng nước trộn bê tông phải được khống
chế chặt chẽ, đầm bê tông đều và chặt, thường xuyên giữ âm cho bê tông
trong giai đoạn đầu (dưỡng hộ) Để làm giảm ảnh hưởng của co ngót cần dùng những biện pháp cấu tạo thích hợp, bố trí cốt thép ở những nơi cần thiết, làm các khe co giãn hợp lý, tạo mạch dừng thi công
2.1.3.3 Từ biến của bê tông — Creep
Từ biến của BT là hiện tượng tăng biến dạng theo thời gian khi tải
trọng không đỗi Tải trọng không đổi là tải trọng tác dụng lâu dài - đài hạn - thường xuyên lên kết cầu Ví dụ độ võng của dầm, biến dạng dọc trục trong cột tăng theo thời gian khi chúng chịu tác dụng của tải trọng thường xuyên tác dụng lên như trọng lượng bản thân, trọng lượng kết cấu bên trên Trong dầm bê tông cốt thép dự ứng lực, dưới tác dụng dai lau của ứng suất trước làm cho bê tông bị co lại theo thời gian làm mất mát ứng suất trong cốt thép dự ứng lực
Từ biến trong bê tông được gắn với sự thay đổi biến đạng theo thời gian tại những vùng của dầm và cột chịu ứng suất nén thường xuyên Sự thay đổi biến dạng theo thời gian cũng phụ thuộc vào các nhân tố có ảnh hưởng đối với biến dạng co ngót, ngoài ra còn phải kể đến độ lớn và khoảng thời gian tồn tại của ứng suất nén, cường độ chịu nén của bê tông và tuôi của bê tông khi bắt đầu chịu tái trọng dài hạn
Theo 22 TCN 272-05, biến dạng từ biến ecạ được tinh băng tích số của biến dạng nén đàn hồi tức thời do tải trọng thường xuyên cạ¡ và hệ số
từ biến y xác định theo công thức thực nghiệm Collins va Mitchell
(1991):
Ecn(tst, = wtt, le, (2.12)
Trang 15V(.t,)=3,5.k,.k„ {1s8- ae an er 10+(¢-2,)°° (=) | (2.13)
trong đó:
t— tuổi của bê tông tính bằng ngày kể từ thời điểm đồ bê tông
t¡ - là tuổi của bê tông tính bằng ngày kề từ khi tải trọng thường xuyên tác dụng
H- độ âm tương đối (%)
k;— hệ số ảnh hưởng của cường độ bê tông 62
“up (2.14)
f — cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày (MPa)
k, — hệ số ảnh hưởng của tỷ số thé tich/dién tích bề mặt, tra dé thi 2.9 hoặc công thức (2.15) 2,587 mat t | 2620 a0 oe Thể tích ca 7 | 0mm 45+/ SOmm 2anm (2.15) 100mm 180mm V - thé tích cầu kiện độ bê tông (mm) at 2 5 10 100 1000 10000
{t- tỷ thời gian chju tai (ngày)
5 - diện tích mặt bê tông lộ ra không
khí (mm)
Hình 2.9 Quan hệ giữa k„ với tỷ số thể tícW/diện tích bề mặt theo thời gian Ví dụ 2.2: Hãy xác định biến dạng từ biến của bản bê tông mặt cầu cho trong ví dụ 2.1 sau Ì năm nếu ứng suất nén đo tải trọng dài hạn là 10MPa, cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi là 31MPa và t=15 ngày
Mô đun đàn hồi của bê tơng theo (2.3):
E, =0,043.75 ̓', = 0,043.2300"°/31 = 26,41GPa
Trang 16Biến dạng nén tức thời xác định như sau: 8, = đa ~_—10 _ —0,000379 E, 26410 VK = 100mm tai vi du 2.1, 4p dung (2.15): &, =0,533 62 42 +31 Hệ số từ biến khi độ âm môi trường H=70% tính theo (2.13): - 0,6 ự(65,15)= 15.0533.0849 L8 =1" 8 _G65=15)" 120 10+ (365-15) = 0,884 = 0,849 Ap dung (2.14): k„ = Biến dạng do từ biến như sau: Eep(365,15) = 0,884.(-0,000379) = -3,35.10~
Biến dạng này có trị số tương đương với biến dạng do co ngót Ở đây kết quả xác định cũng có thể sai lệch +50% Trong điều kiện như vậy, biến dạng co từ biến theo thời gian được thể hiện như hình 2.10
Thời gian chịu tải, t - t:, ngày 0 500 1000 1500 2000 o l1 1 1 J Độ ẩm tương đối = 70% Thể tích 2) nnmamumennmnanmnamnmmnnasrreananwmmuminan TT: 8 Diện tich ba mat = 00mm So | f¿ = 31MPa, tị = 15 ngày Biến dạng từ biến, ccn ~0.001
Hình 2.10 Quan hệ của biến dạng từ biến trong vi dụ 2.2 theo thời gian
Biến dạng nén toàn phần trong bê tơng ¢,(t,t,) = £„ + øe„(£,/,) sau
1 năm là:
Trang 17e,(r,t,)=—3,79.10°+~3,35.10'°=~—7,14.10', gấp đôi so với biến dạng đàn hồi
Đề làm giảm biến dạng từ biến có thể áp dụng các biện pháp như làm giảm co ngót, tức là giảm thành phần nước trong hỗn hợp bê tông và giữ cho nhiệt độ tương đối thấp Biến dạng từ biến cũng có thể được giảm bớt nhờ việc bố trí cốt thép ở vùng chịu nén vì phần nội lực nén mà cốt thép chịu không liên quan đến từ biến Trường hợp tải trọng dài hạn tác dụng ở tuổi bê tông lớn, biến dạng từ biến sẽ giảm đi do bê tông trở nên khô hơn và biến dạng ít hơn, điều này được phản ánh trong biêu thức 2.13, ở đây giá trị lớn hơn t¡ đối với tuổi bê tong da cho t làm giảm hệ số từ biến w(t,tị)
Cuối cùng, không phải tất cả các ảnh hưởng của biến dạng từ biến đều là có hại Khi có sự lún khác nhau xảy ra trong một công trình, đặc tính từ biến của bê tông làm cho ứng suất trong các cầu kiện giảm rõ rệt so với giá trị dự đoán bằng phân tích đàn hồi
2.1.3.4 Mô đun đàn hồi đối với tải trọng dài hạn
Đề tính toán đối với sự tăng biến dạng do từ biến dưới tải trọng dài hạn, một mô đun đàn hôi dài hạn được chiêt giảm EcLr được định nghĩa như sau: = Ja = Ea (2.16) |I+w(/,)]z„ 1+w(,) Giả thiết rằng E‹¡ có thể được biểu diễn bằng mô đun đàn hồi E¿, khi đó ta có: Š sư — E, 1+ y(t , t,)
Khi tính toán các đặc trưng hình học của mặt cắt, người ta quy đổi
côt thép về bê tông do đó sử dụng tỷ sô mô đun n như sau: E == 2.18 n=5 € (2.18) (2.17) e,LT
Ti số mô đun dai han nyt đối với tải trọng thường xuyên có thể
được định nghĩa tương tự, giả thiết rằng cốt thép không có từ biến:
Trang 18=nÌ\+w(.t,)| (2.19)
S LT H
e,LT
Ví dụ 2.3: Hãy xác định ti số mô đun đài hạn n¡ của bản bê tông cầu cho trong ví dụ 2.2 với t= 5 năm
Véit = 5 nam = 1825 ngày, t¡=15 ngày, ta có: kẹ= 0,595
0,6
(1825,15)= ng), ys-ana| 082515) 120 10+ (1825 —15)” =1,152
ip = 2,152.n
2.1.3.5 Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông
Hệ số giãn nở nhiệt nên xác định bằng thí nghiệm trong phòng theo loại bê tông có cấp phối được sử dụng Trong trường hợp thiếu các số liệu chính xác, hệ số giãn nở nhiệt có thể lấy như sau: Bê tông có tỉ trọng
thông thường 10,8.105/°C và bê tông có tỉ trọng thấp 9,0.10/°C 2.1.3.6 Hệ số Poisson
Trừ trường hợp có xác định bằng thí nghiệm vật lý nếu không hệ
số Poisson có thể lay bang 0,2 Đối với cấu kiện cho phép xuất hiện nứt, khi tính tốn có thể khơng xét đến hiệu ứng Poisson
2.2 Cốt thép
Cốt thép được đặt trong cấu kiện ở những nơi có thể phát huy tác dụng lớn nhất Cốt thép thường được tính đến để chịu lực kéo, tuy nhiên nó cũng được bố trí để chịu lực nén Ở khu vực dầm chịu lực cắt lớn, phải bố trí cốt thép đọc và cốt thép ngang để chịu ứng suất kéo xiên phát sinh do lực cắt gây ra
Sự làm việc của cốt thép không dự ứng lực thường được đặc trưng bởi quan hệ ứng suất — biến dạng đối với các thanh cốt thép trần Sự làm việc của côt thép dự ứng lực là khác nhau đôi với bó cáp có dính bám và không có dính bám với bê tông
2.2.1 Cốt thép không dự ứng lực hay cốt thép thường
Cốt thép dùng cho kết cấu bê tông cốt thép bao gồm các loại: thép thanh tròn trơn hoặc có gờ, thép sợi (cuộn) tròn trơn và lưới cốt thép hàn
Trang 19Để tăng sự dính bám giữa bê tông và cốt thép, người ta thường tạo gờ quanh cết thép khi chế tạo gọi là cốt thép có gờ hay cốt thép van
ey "5
©) Cốt tháp thanh tròn trơn 4) Cất thép thanh vẫn Tình 2.11 Kẽm buộc cốt thép và các loại cốt thép dùng trong bê tông cốt thép Cốt thép được chia làm các cắp khác nhau, các tính chất quan trọng của cốt thép là: Mô đun đàn hồi E,„ cường độ chảy fy„ cường độ chịu kéo (cường độ phá hoại) f, và các kích thước cơ bản của thanh hoặc sợi thép “Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 quy định:
- Cốt thép sử dụng phải là loại có gờ, trừ khi dùng làm cốt thép đai xoắn, móc treo và lưới thép thì có thể sử dụng loại tròn trơn
- Giới hạn chảy hay cấp của cốt thép phải được quy định rõ trong hô sơ của hợp đông Chỉ được sử dụng thép thanh có giới hạn chảy nhỏ hon 420MPa khi có sự chấp thuận của chủ đầu tư
Trang 20- Khi thiết kế, có thể sử dụng các loại cốt thép có đường kính tùy theo các cơ sở sản xuất, miễn là đảm bảo các chỉ tiêu cơ lý theo quy định
2.2.1.1 Phân loại theo tiêu chuẩn của Việt Nam
Dây thép cacbon kéo nguội dùng làm cốt thép cho bê tông có đường kính từ 3+10mm được sản xuất từ các thép cacbon thấp như CT31, CT33s, CT34s, CT38s, BCT31, BCT38 (theo tiêu chuẩn TCVN 3101-1979) Các loại dây thép được thống kê trong bảng 2.3 và chỉ tiêu cơ lý yêu cầu thống kê trong bảng 2.4
Bảng 2.3 Các loại dây thép cacbon thấp kéo nguội theo TCVN 3101:1979
Trang 21Thép tròn cán nóng mặt ngoài nhẵn hoặc có gân dùng làm cốt cho kết cấu bê tông cốt thép gợi tắt là thép cốt bê tông được chia làm 2 loại:
thanh tròn trơn và thép thanh văn Các thép có đường kính danh định:
<10mm được cung cấp ở dạng cuộn, thép có đường kính danh định > 10mm được cung cấp ở đạng thanh thăng
Theo tiêu chuẩn TCVN 1651:2008, thép được phân loại bằng mác thép như thép tròn trơn gồm 2 loại CB240-T và CB300-T; thép văn gồm 3 loại CB300-V, CB400-V và CB500-V “CB” ký hiệu cho cốt bê tông, 3 chữ số tiếp theo chỉ giới hạn chảy, “T” chỉ thép thanh trơn, “V” chỉ thép thanh văn Bảng 2.5 Mác thép và yêu cầu theo TCVN 1651:2008
Giớihạn | Giớihạn | Độ giãn dài tối thiểu, %
ane chảy tối bền tối ẳng ú
Mác thép tiền - Rey | thiểu - R„ Sau khi đứt với lạc la MPa MPa As nhất A, CB240-T 240 380 20 2 CB300-T 300 440 wmr 2 CB300-V 300 450 19 8 CB400-V 400 570 14 8 CB500-V 500 650 14 8 Bang 2.6 Cac loai thép thanh theo TCVN 1651:2008
Đường kính Diện tích mặt Khỗi lượng 1 m dài
Trang 2218 254,5 2,00 +§ 20 314 2,47 +§ 22 380,1 2,98 +5 25 491 3,85 +4 28 616 4,84 +4 32 804 6,31 +4 36 1017,9 7,99 +4 40 1257 9,86 +4 50* 1964 15,42 +4 * Thép tròn trơn không có loại đường kính 50mm 2.2.1.2 Phân loại theo tiêu chuẩn ASSHTO
Phân cấp cốt thép theo ASSHTO (ASTM) cốt thép thường chia
làm 3 cấp là Grade 40, 60, 75 hoặc Grade 300, 420, 520 Các số 40, 60,
75 chỉ giới hạn chảy của cấp đó tính theo hệ đơn vị của Mỹ là ksi; số 300, 420, 520 chỉ giới hạn chảy của cấp đó tính theo hệ đơn vị SI là MPai Đường kính danh định và các chỉ tiêu cơ lý thể hiện tại bảng 2.7 và bảng 2.8 Bảng 2.7 Bảng phân cấp cốt thép theo tiêu chuẩn ASTM A615/A615M ore 2 ore À
Loại thép Giới hạn chảy Giới hạn bên Độ giãn đài
/ CÁ thé tôi thiêu — fy tôi thiêu — fy tối thiểu (% )
Trang 23Bảng 2.8 Các loại thép thanh và các trị số danh định theo ASTM A615/A615M
Số hiệu Gia danh dinh
No ae an THÔI Khối lượng (kG/m) 10 [3] 9,5 7 0,560 13 [4] 12,7 129 0,994 16 [5] 15,9 199 1,552 19 [6] 19,1 284 - 2,235 22 [7] 22,2 387 3,042 25 [8] 25,4 510 3,973 29 [9] 28,7 645 5,060 32 [10] 32,3 819 6,404 36 [11] 35,8 1006 7,907 43 [14] 43,0 1452 11,380 57 [18] 57,3 2581 20,240 Ghi chú: Số hiệu thanh thép là xấp xi số milimet đường kính danh định của thanh thép Trong bảng 2.8, số hiệu thanh thép trong dấu [] là số hiệu thanh khi sử dụng hệ đơn vị US
2.2.1.2 Ma hiéu trên thanh thép của các nhà sản xuất
Kích thước và mác thép được đóng nỗi trên thanh thép để tiện cho việc nhận dạng Thép được sản xuất theo tiêu chuẩn nào thì các ký hiệu này phải tuân thủ theo tiêu chuân đó
Thép sản xuất theo tiêu chuẩn kỹ thuật ASTM của Mỹ thép sản xuất theo ASTM 616 và 617 dùng cho công trình đường ray và trục tàu hóa, thuộc loại chuyên dụng Hai loại sử dụng phổ biến nhất là thép sản xuất thép ASTM 615 áp dụng cho thép thanh thông thường và ASTM 706 áp dụng cho thép thanh hợp kim thấp cường độ cao Ký biệu trên
thanh thép theo ASTM như hình 2.12
Trang 24Gân chính Ky hiéu 1: - Tên hằng sản xuất Ký hiệu 2: Đường kinh thanh thép Ky hiéu 3: - Sản xuất theo tiêu chuẩn -S A615 -R Rail, A615 -A Axle, A617 _ - W Low Alloy, A706 Ký hiệu cho cấp 60
a) Grade 40 hoặc S0 b) Grade 60
Hình 2.12 Ký hiệu trên thép thanh theo AASHTO
Trang 25615 Thép Việt-Ý, grade 60, đường kính XX, ASTM 615 Ghi cha: VIS = Viet Nam — italy Steel 2.2.1.3 Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép thường
Các đường cong ứng suất — biến dạng điển hình đối với cốt thép trần được biểu điễn trên hình 2.12 cho cốt thép 300, 420 và 520 Sự làm
việc của cốt thép trần có thể được chia thành ba giai đoạn: đàn hồi, đẻo và cứng hoá biến đạng (tái bền) Đoạn đàn hồi AB của biểu đồ gần giống như một đoạn thing với mô đun đàn héi không đổi E; = 200 000 MPa cho tới giới hạn biến dạng đàn hồi egy = Íÿ /E; Đoạn chảy BC được đặc
trưng bởi thềm chảy tại ứng suất không đổi fy cho tdi hic bắt đầu cứng
hoá, độ đài của thềm chảy là thước đo tính déo và được phân biệt với các cấp thép khác nhau Đoạn cứng hoá biến dạng CDE bắt đầu ở biến dang £n và đạt tới ứng suất lớn nhất f, tại biến đạng eụ trước khi giảm nhẹ ở biển dạng phá hoại sp Ba đoạn của đường cong ứng suất - biến dang đối với cốt thép trần có thể được mô tả đặc trưng bằng những quan hệ sau:
- Đoạn đàn hồi AB:
Trang 26Ứng suất, í, MPa 1000 ¬ Cấp 520 (Cấp 75) Cấp 420 Cấp 60) 60 = 40 = 20 T 0.10 T 0.15 Bién dang, €, 0 0.20
Hình 2.12 Quan hệ ứng suất - biến dạng của thép trần dạng thanh
Bảng 2.9 Các giá trị giới hạn danh định đối với các đường cong
ứng suất — biến dạng của cốt thép thanh fy (MPa) | f, (MPa) fy Eh Ey Ép 280 550 0,00138 0,0230 0,140 0,200 420 730 0,00207 | 0,0060 0,087 0,136 520 900 0,00259 | 0,0027 0,073 0,115
Như vậy, đặc trưng tiêu biéu cia cốt thép thanh đó là mô đun đàn
hồi là một thông số không đổi Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 mục 5.4.3.2
quy định mô đun đàn hồi của cốt thép thường E; = 200.000 MPa
Khi các thanh cốt thép được đặt trong bê tông, sự làm việc của chúng khác với các thanh cốt thép trần Sự khác biệt này là do bê tông có một cường độ chịu kéo nhất định đù khá nhỏ Điều này được thừa nhận sớm, ngay từ khi phát triển cơ học bê tông cốt thép như trong ý kiến sau đây của Morsch (1908):
Do lực ma sát đôi với côt thép và do cường độ chịu kéo của bê tông
tôn tại trong những đoạn câu kiện năm giữa các vêt nứt, bê tông ngay cả
Trang 27Phân bê tông dính bám với cốt thép và không bị nứt làm giảm biến đạng kéo trong cốt thép Hiện tượng này gọi là hiện tượng “tăng cứng kéo” Hiệu ứng “tăng cứng kéo” chỉ xuất hiện khi ứng suất trung bình của thép tương đối nhỏ Với biến dạng lớn hơn, sự tham gia của bê tông chịu kéo giảm và ứng xử của cốt thép chôn trong bê tông theo đoạn hoá cứng của đường cong ứng suất — biến dạng của thép trần,
2.2.2 Cắt thép dự ứng lực
2.2.2.1 Các loại cốt thép dự ứng lực theo AASHTO (ASTM)
Thép dự ứng lực có thể dưới đạng sợi, tao và thanh, tao cáp gồm
một số sợi xoắn lại với nhau gọi là tao cáp như hình 2.13 Theo AASHTO thường dùng ba loại thép cường độ cao:
- Thép sợi không bọc khử ứng suất dư hoặc tự chùng thấp; - Tao cáp không bọc khử ứng suất dư hoặc chùng thấp;
- Thép thanh cường độ cao không bọc
Hình 2 13 Tao cáp dự ứng lực 7 sợi xoắn bọc và không boc Thép dự ứng lực thông thường nhất là tao thép bảy sợi, loại này được khử ứng suất và có độ chùng thấp Khi chế tạo các tao thép, thanh thép các-bon cao được kéo liên tục qua các khuôn kéo sợi có đường kính nhỏ liên tục nhằm sắp xếp các phân tử thép theo một hướng và làm tăng cường độ của sợi thép tới trên 1700 MPa, tiếp theo 6 sợi được đặt bao quanh một sợi ở giữa theo kiểu xoắn ốc Sự kéo nguội và xoắn các sợi tạo ra ứng suất dư trong tao thép, các ứng suất du này là nguyên nhân khiến cho biêu đồ ứng suất — biến dạng tròn hơn và giới hạn chảy thấp hơn
Trang 28(đường “không được xử lý” hình 2.14) Giới hạn chảy này có thể được nâng cao bằng cách làm nóng các tao thép tới 350°C và để chúng nguội dần, biện pháp cải thiện hơn nữa đối với sự chùng của thép được thực hiện bằng cách kéo các tao thép trong chu trình nóng, lạnh Quá trình này được gọi là sự tôi thép và đưa ra sản phẩm là các tao thép có độ chùng
thấp Hình 2.14 thể hiện so sánh quan hệ ứng suất — biến dạng của tao
thép 7 sợi được sản xuất theo các quá trình khác nhau
Theo AASHTO M203M (ASTM A416M) và AASHTO M275M (ASTM A722), có các loại tao cáp và thép thanh dự ứng lực Đặc trưng tiêu biểu đối với các thuộc tính của các tao cáp và thanh thép dự ứng lực được cho trong bảng 2.10
Bảng 2.10 Tính chất của tao cáp và thép thanh dự ứng lực ` Cường độ A L $ / Đường hi ore 2
Vat oal kinh, chịu Giới han chay, fpy
liệu mác thép mm kéo, fou - - MPa
MPa
1725 MPa 6.35 đên 1725 85% của fous
Trang 292.2.2.2 Đường cong quan hệ ứng suất — biến dạng của cốt thép dự ứng lực 2000 = —”— ~ 300 Độ chùng thấp ỞØ 1500 4 2u ` & Được khư ứng suất L 200 š Không được xử lý % *®# 1000 + D 500 + 0 H Ỹ 5 Ỹ 0 0 0.01 0.02 0.05 0.04 0.05 Biến dạng,€ ps
Hình 2.14 Quan hệ ứng suất — biển dạng của tao thép 7 sợi xoắn được sản xuất theo các quá trình khác nhau
Hình 2.14 thể hiện quan hệ ứng suất — biến đạng của tao cáp 7 sợi
được sản xuất theo các quá trình khác nhau Theo Collin và Mitchell
(1991) thì biểu thức thể hiện mối quan hệ giữa f„; và e„; đối với tao cáp
có độ tự ching thap, fpu = 1860MPa như sau:
Ss = Ey Eps 0,025 + 0,97 sbi f VOL Eps SEpy
I+(sz,„""Ƒ
Biến dạng trong cốt thép dự ứng lực ep; có thể được xác định ở một mức tải trọng nào đó từ biến dạng trong bê tông bao quanh Ecp Nhu sau:
Ens = Eq +AE,, trong do:
Ecp ~ bién dạng của bê tông ở cùng một vị trí voi cot thép dy img luc
epc - thường được tính gần đúng như sau Ag, © ⁄ Th
P
Trang 30Trong trường hợp cốt thép không dính bám, sự trượt xảy ra giữa cốt thép và bê tông xung quanh và biến dạng trong cốt thép trở nên đều đặn trong đoạn nằm giữa các điểm neo Biến dạng dài tổng cộng của cốt thép lúc này phải bằng biến dạng dài tổng cộng của bê tông trong đoạn
nói trên, tức là
Em =6, TÁC „ (2.25)
trong đó:
Exp - bién dang trung bình của bê tông tại vị trí cốt thép dự ứng lực, được tính trung bình trong khoảng cách giữa các neo của cốt thép không có dính bám
Các đường cong ứng suất — biến dạng điển hình cho trên hình 2.15 có thể được tính gần đúng theo công thức:
Trang 312000 1860 MPa (Cấp 270) = an a Q — ng MP (Cấp 250) TA Xe es Thép thanh (trơn và có gờ) Ứng suất, f 55, MPa 2S 8 | | s00 L- /- - : - 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Bién dang,é ps Hình 2.15 Các đường cong quan hệ ứng suất — bién dang dién hinh cia thép dự ứng lực
Nếu không có các số liệu chính xác từ thí nghiệm, mô đun đàn hồi của thép dự ứng lực, có thể lấy như sau: đối với tao thép Ep= 197.000 MPa và đối với thanh Ep = 207.000 MPa
2.3 Bê tông cốt thép
2.3.1 Lực đính bám giữa bê tông và cốt thép
Lực dính bám giữa bê tông và cốt thép đóng vai trò quyết định và là một trong những điều kiện cơ bản để đảm bảo sự làm việc chung của bê tông và cốt thép Sự dính bám trong kết cấu bê tông cốt thép được hiểu là sự truyền lực giữa thép và bê tông, điều đó nghĩa là lực dính bám sẽ xuất hiện ở những nơi có sự chuyến động tương đối giữa thép và bê
tông do các nguyên nhân tải trọng, vết nứt, sự thay đổi nhiệt độ, co ngót,
từ biến Nhờ lực đính bám này mà biến dạng giữa bê tông và cốt thép là xấp xi nhau Bê tông chịu kéo rất kém do đó sẽ bị nứt, cốt thép sẽ gánh phần chịu kéo, khi đó lực dính bám sẽ làm cho vết nứt phân bố với khoảng cách nhỏ và bề rộng không lớn
Để xác định lực dính bám, người ta tiến hành thí nghiệm xác định lực dính bám như sau: Chế tạo mẫu bằng cách đổ bê tông ôm lấy đoạn cốt thép Thí nghiệm bằng cách kéo hoặc nén cho cho cốt thép tụt khỏi bê
Trang 32tông (hình 2.16): Cường độ trung bình 1p và cực đại tmạ„y của lực dính được xác định theo công thức: N N Tụ _ srs - 2.29 AT andl o (2.29) Tmax Ngoài ra có thể xác định lực dính bám theo công thức thực nghiệm: rot max (2.30) m trong đó: œ - hệ số hoàn chỉnh biểu đồ lực dính, œ < 1 m - hệ số phụ thuộc bề mặt cốt thép, thép văn m=2+3,5, thép trơn m=3,6zó6
Hình 2.16 Thí nghiệm xác định lực dính bám cốt thép — bê tông
Thông qua suy luận bằng lý thuyết cũng như phân tích các kết quả ` thực nghiệm thấy răng lực dính bám có được là do các yếu tổ sau:
- Lực ma sát: Khi bê tông đông cứng, do ảnh hưởng của co ngót mà bê tông ôm chặt lấy cốt thép tạo nên lực ma sát giữa chúng
- Tương tác cơ học giữa cốt thép và bê tông hay sự bám: Nhờ cốt thép có gờ (gân, văn) phần bê tông nằm dưới các gờ chống lại sự trượt của côt thép
Trang 33- Sự dính bám hóa học: Keo xi măng có tác dụng như một thứ hồ
dán cốt thép vào bê tông
Với cốt thép trơn, nhân tố lực ma sát là quan trọng; với cốt thép có gờ, nhân tô bám là quan trọng; lực dính bám hóa học chỉ chiêm một phần nhỏ trong tông số Vì vậy các nhân tố chính ảnh hưởng đến sự dính bám giữa bê tông và thép là:
- Diện tích gờ tính đổi của cốt thép - Cường độ và thành phần của bê tông - Chiều dày lớp bê tông bảo vệ
- Vị trí và phân bố cốt thép trong bê tông
2.3.2 Ảnh hưởng của cốt thép đến từ biến và co ngót của bê tông
Thực nghiệm đo được co ngót của một thanh bê tông là sọ và một thanh bê tông cốt thép là £¡ trong cùng điều kiện chế tạo Khi chịu co ngót, bê tông co ngót tự do trong khi cốt thép không co ngót, đồng thời có lực dính bám giữa cốt thép và bê tông nên cản trở sự co ngót tự do của
bê tông Kết quả là £ < £o
Bằng cơ sở lý thuyết có thể nhận thấy, bê tông co ngót tạo ra trong cốt thép một biến dạng nén £¡ tương ứng với ứng suất nén là ơ=e.E; Ngược lại, bê tông bị cốt thép chỗng lại sự co và chịu một biên dạng kéo £;=£o-e tương ứng với ứng suất ơ(=vu.Ea.Eo Nếu ơ; vượt qua giới hạn kéo, bê tông sẽ nứt, đó là nứt do co ngót của bê tông bị cản trở
Khi chịu tác dụng của tải trọng dài lâu, bê tông bị từ biến trong khi đó côt thép không bị từ biên đông thời do lực dính bám mà cốt thép gây cản trở từ biên của bê tông Kêt quả là ứng suât trong côt thép tăng lên và ứng suât trong bê tông giảm xuống, đó là sự phân phối lại ứng suất do từ biên của bê tông Khi xảy ra sự phân phôi lại ứng suât, ứng suât trong bê tông giảm xuông, có lợi cho sự làm việc chung của bê tông và côt thép
2.3.3 Sự phá hoại và hư hỏng của kết cầu bê tông cốt thép 2.3.3.1 Sự phá hoại do chịu lực
Bê tông và cốt thép làm việc chung với nhau cho đến khi bị phá
hoại Với thanh bê tông cốt thép chịu kéo, sau khi bê tông nứt cốt thép
Trang 34chịu kéo toàn bộ và bị xem là phá hoại khi ứng suất trong cốt thép đạt đến giới hạn chảy Với cột chịu nén, sự phá hoại bắt đầu khi ứng suất trong bê tông đạt đến cường độ chịu nén của nó và lúc này bê tông bị nén
VỠ
Sự phá hoại của kết cấu chịu uốn có thê bắt đầu từ vùng chịu kéo hoặc vùng chịu nén Khi lượng cốt thép được bố trí là vừa phải thì sự phá hoại sẽ bắt đầu từ vùng chịu kéo, khi đó ứng suất trong cốt thép chịu kéo đạt giới hạn chảy, biến dạng cốt thép lớn, vết nứt của bê tông sẽ mở rộng Khi lượng cốt thép là khá nhiều thì sự phá hoại bắt đầu từ vùng chịu nén, khi đó ứng suất trong bê tông chịu nén đạt giới hạn chịu nén, bê tông vùng nén bị vỡ trong khi ứng suất trong cốt thép còn nhỏ hơn giới hạn chảy của thép
2.3.3.1 Sự hư hỏng hoặc phá hoại đo biến dạng cưỡng bức Biến dạng cưỡng bức sinh ra do chuyền vị của các gối tựa, do thay đổi nhiệt độ, do co ngót Trong kết cấu tĩnh định các biến dạng cưỡng này không gây nội lực Trong kết cầu siêu tĩnh các biến dạng cưỡng bức bị cản trở, phát sinh ra nội lực và phát sinh các hư hỏng hoặc phá hoại khi ứng suất do nội lực này gây ra đủ lớn như bê tông bị nứt, vỡ hoặc phá hoại như nguyên nhân tải trọng gây ra
2.3.3.1 Sự hư hỏng do tac dụng của môi trường
Dưới tác động của môi trường, kết cầu bê tông cốt thép có thê bị hư hỏng do tác động cơ học, lý, hóa, sinh vật
Về cơ học, vật lý, bê tông có thê bị bào mòn do mưa, do nước chảy hoặc do các nguôn nhiệt độ cao hun nóng
Về hóa học, bê tông có thể bị xâm thực do các chất hóa học như axit, bazơ, muối có trong môi trường Các chất này có thể phản ứng với các thành phần của đá xi măng tạo ra các chất hòa tan hoặc làm giảm cường độ bê tông dẫn đến bê tông bị mủn
Cốt thép bị xâm thực do tác dụng hóa học, điện phân của môi trường làm cho cốt thép bị gi Khi cốt thép bi gi, thể tích cốt thép tăng lên nhiều lần dẫn đến chèn ép nứt, vỡ lớp bê tông bảo vệ bên ngoài Vết nứt, vỡ bê tông này tạo điều kiện cho gỉ cốt thép phát triển nhanh hơn nhất là trong môi trường nước mặn, môi trường có nhiệt độ và độ ầm cao
Trang 35Vệ vi sinh vật, các loại rong rêu, hà bám vào bê tông và tiết ra những chât hóa học ăn mòn bê mặt bê tông
Về tác dụng thời gian, trong vài năm đầu bê tông có tăng cường độ (trong môi trường thuận lợi) Sau hơn chục năm khai thác, bê tông sẽ
bị già lão và cường độ có thể bị giảm dân
Giải pháp bảo vệ bê tông khỏi các tác động không mong muốn trên đó là có thể sử dụng các giải pháp như dùng bê tông cường độ cao để chịu các tác động cơ học, trong môi trường ăn mòn cần phải lựa chọn loại
bê tông phù hợp chống chịu ăn mòn, thiết kế kết cấu cần lưu ý thốt nước
tốt, thơng gió tốt tránh ẩm ướt, trung hòa các dung dịch axít, đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ
2.4 Kiểm soát chất lượng của bê tông cốt thép
Kết cấu BTCT làm việc trong điều kiện bất lợi do nhiều nguyên nhân gây hư hông do đó việc đảm bảo chất lượng của kết cấu bê tông cốt thép sẽ đảm bảo hiệu quả khai thác của kết câu tức là hợp lý về độ bền và chi phi: Độ bền đạt yêu cầu với chỉ phí chế tạo và bảo trì trong thời gian khai tha là thấp nhất
Tất cả các công đoạn từ khi chuẩn bị đến khi hoàn tất thi công đều ảnh hưởng đến chất lượng của kết cầu bê tông do đó nội dung cần kiểm
soát chất lượng khi xây dựng các kết cấu bê tông cốt thép bao gồm các
công tác liên quan đến 3 công đoạn như sau:
- Chất lượng của từng loại vật liệu đầu vào để chế tạo bê tông (như xi măng, cát, đá, côt thép) và câp phôi bê tông được lựa chọn đó là tỷ lệ phối hợp các vật liệu (đá, cát, xi măng, nước) để trộn thành hỗn hợp bê tông
- Công tác gia công và lắp đặt cốt thép
- Công tác thi công bê tông bao gồm các công đoạn trộn, vận chuyên, đỗ, đầm và bảo dưỡng bê tông
Các yêu cầu chỉ tiết về công tác kiểm soát chất lượng kết cấu bê tông cốt thép được cụ thể hóa thành trong các tiêu chuẩn hiện hành trong
bảng 2.11: Bảng 2.11 Một số tiêu chuẩn liên quan đến kiểm soát chất
lượng kết cấu bê tông cốt thép
Trang 36
Tên tiêu chuẩn Mã hiệu
Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối — Quy TCVN 4453-
phạm thi công và nghiệm thu 1995
Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép lắp ghép — Thi TCVN
công và nghiệm thu 9115:2012
Bê tông khối lớn — Quy phạm thi công và nghiệm TCXDVN 305-
thu 2004
Ket cau bé tong và bê tông côt thép, điêu kiện thi TCVN 57 2 4-93 công và nghiệm thu
Sản phâm bê tông ứng lực trước — Yêu câu kỹ thuật TCVN 9114:2012 và nghiệm thu
Kết cấu BT và BTCT — Hướng dẫn kỹ thuật phòng
chống nứt dưới tác động của khí hậu nóng ẩm TCVN 9345:2012
Kết cầu BT và BTCT — Hướng dẫn công tác bảo trì TCVN 9343:2012
Két cau bé tong va bê tông côt thép — Yêu câu bảo vệ
chông ăn mòn trong môi trường biên TCVN 9346:2012
Nội dung ôn tập chương 2:
1) Trình bày các thuộc tính ngăn hạn của bê tông như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo (khái niệm và phương pháp xác định) 2) Thế nào là hiện tượng co ngót của bê tông? Co ngót gây ra hậu quả
gì cho kết cầu bê tông? Nêu các nhân tố ảnh hưởng đến co ngót 3) Thế nào là hiện tượng từ biến của bê tông? Ảnh hưởng của từ biến
dén kêt câu bê tông như thê nào? Nêu các nhân tô ảnh hưởng đên
từ biên
Trang 374) Trình bày phân loại và yêu cầu cơ bản đối với cốt thép thường theo
tiêu chuẩn AASHTO và so sánh với tiêu chuẩn của Việt Nam, mô
đun đàn hôi của côt thép thường
5) Trình bày phân loại và yêu cầu cơ bản đối với thép dự ứng lực sử dụng cho kết cấu bê tông dự ứng lực của cầu theo AASHTO, mô đun đàn hồi của cốt thép dự ứng lực
6) Lực dính bám giữa cốt thép và bê tông là gì? Các yếu tố tạo nên lực dính bám? Các nhân tố ảnh hưởng đến trị số lực dính bám?
7) Tai sao phải kiểm soát chất lượng kết câu bê tông cốt thép? Nêu nội
dung kiểm soát chất lượng kết cấu bê tông cốt thép