BÊ TÔNG CỐT SỢI doc

Néi dung  Tổng quan về bê tông cốt sợi và bê tông cốt sợi thép  Xác định thành phần và tính chất cơ học bê tông cường độ cao cốt sợi thép... CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI

BÊ TÔNG C T S I Ố Ợ

Néi dung

 Tổng quan về bê tông cốt sợi và bê tông cốt sợi thép

 Xác định thành phần và tính chất cơ học bê tông cường độ cao cốt sợi thép

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN

BÊ TÔNG CỐT SỢI VÀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

 Từ thời kỳ Ai Cập và Babylonian, sợi, lông ngựa đã được dùng để tăng cường cho gạch thô, tường trát bùn, thạch cao…

 Những nghiên cứu đầu tiên về sợi thép phân tán là của Romualdi, Batson, Mandel, Shah và Swamy và những nghiên cứu khác ở Mỹ, Anh và Nga Vấn đề đang được nghiên cứu hiện nay là BTCĐCCST

và bê tông siêu cường độ cốt sợi thép

 Tại Việt Nam vấn đề bê tông cốt sợi và bê tông cốt sợi thép đã bước đầu được quan tâm nghiên cứu và công bố tại ĐH GTVT, ĐH XD, viện KHCNXD, viện KHCN GTVT.

PHÂN LOẠI BÊ TÔNG XI MĂNG CỐT SỢI

 Theo cường độ:

 Bê tông cốt sợi (f’c = 25-50MPa)

 Bê tông cốt sợi cường độ cao (f’c = 60-100MPa)

 Bê tông cốt sợi siêu cường độ (f’c = 120-800MPa)

 Theo thể tích sợi:

 Bê tông cốt sợi (0,25-2,5%)

 Bê tông nhiều cốt sợi (10-25%)

 Theo chất kết dính (pha nền):

 Bê tông xi măng cốt sợi

 Bê tông polyme cốt sợi (Epoxy)

NGUYÊN TẮC CẤU TẠO BÊ TÔNG CỐT SỢI

 Khả năng chịu kéo của bê tông rất kém

 Sự tăng cường cốt sợi phân tán sẽ hạn chế sự phát triển những vết nứt nhỏ (vi vết nứt)

 Sợi được phân bố không liên tục và ngẫu nhiên trong đá ximăng cả

ở vùng chịu nén và chịu kéo của kết cấu Chúng có thể nâng cao

độ cứng và điều chỉnh vết nứt thông qua việc ngăn chặn các vi vết nứt lan truyền, mở rộng và còn tăng độ dai do khả năng hấp thụ năng lượng của cốt sợi

Bảng 1.1: Thuộc tính của những loại sợi khác nhau

Loại sợi Đường kính

(mm)

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

Cường độ chịu kéo (GPa)

Môđun đàn hồi (GPa)

Độ dãn dài tương đối (%)

Acrylic 0.02-0.35 1.1 0.2 - 0.4 0.3 1.1Asbeslos 0.0015-0.02 3.2 0.6 - 1.0 83 - 138 1-2

Rayon 0.02-0.38 1.5 0.4 - 0.6 6.9 10-25 Rock wool 0.01-0.8 2.7 0.5 - 0.76 0.6 0.5-0.7

Bảng 1.2 Các thông số của một số loại cốt sợi thép

Kiểu thép Chiều dài Kích thước mặt cắt kích thước Tỉ số Cường độ vật liệu,

MPa Kiểu néo

MÔ HÌNH LÀM VIỆC CỦA SỢI

Sợi hoạt động ở hai quy mô trong quá trình nứt của pha hồ xi măng

Tác dụng của các sợi làm ổn định các vết nứt cực nhỏ, làm chậm quá trình hư hỏng của vật liệu và hạn chế sự hình thành vết nứt lớn hơn.

 Các sợi hoạt động như các vi cốt thép

 Cải biến khả năng hút năng lượng của kết cấu, thay đổi quá trình phá hủy, vật liệu chuyển từ phá hoại giòn sang phá hoại dẻo.

 Tuy nhiên, sợi sẽ làm rối loạn cấu tạo hồ xi măng và ảnh hưởng đến tính dễ đổ của bê tông

TỶ LỆ HỖN HỢP - CÔNG THỨC THÀNH PHẦN

 Thành phần của bê tông cốt sợi được xây dựng từ những kinh nghiệm trên cơ sở thành phần bê tông đã được lựa chọn tối ưu theo các phương pháp của bê tông chất lượng cao

 Khi đó phải xem sợi như một thành phần phụ cần thiết và tiến hành các thí nghiệm để tối ưu hóa các thành phần nhằm đạt được các tính chất mong muốn

 Phải đảm bảo sự phân tán đồng đều của các sợi và ngăn chặn sự phân tầng hay vón cục của các sợi trong quá trình nhào trộn

Bảng 1.3 Tỷ lệ các thành phần của bêtông cốt sợi thường

Lượng sợi theo thể tích 0.5 - 2.5%

Bảng 1.4 Tỷ lệ các thành phần của bêtông cốt sợi cường độ cao

Lượng sợi theo thể tích 0.5 - 2.5%

Phụ gia siêu dẻo 0.8 - 1lit/100kg XM

Silicafin 7 - 10%XM

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

 Xi măng, muội silic, cát, đá được trộn đều ở điều kiện khô

 Một nửa chất giảm nước cao và nước được trộn đều với nhau và cho vào hỗn hợp Phần còn lại của chất giảm nước cao và nước được cho vào hỗn hợp từ từ để tạo ra độ sụt thích hợp và sự đồng đều trong hỗn hợp

 Sợi thép được rải đều vào hỗn hợp trong máy trộn để đạt được sự phân bố đồng nhất

 Đổ bê tông cốt sợi vào ván khuôn Việc rung phía trong nếu được thực hiện một cách cẩn thận thì cũng có thể được chấp nhận, việc đầm rung mặt ngoài của ván khuôn và bề mặt của bê tông là thích hợp hơn do nó ngăn chặn được sự phân tầng của cốt sợi

CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI

 Khả năng chịu tải trọng gây nứt ban đầu

Bêtông tăng cường cốt sợi khi chịu uốn về cơ bản tham gia vào một ứng xử biến dạng tuyến tính gồm 3 phần

 Tính chất cơ học của kết cấu bê tông cốt sợi

 Hàm lượng sợi theo thể tích Vf

 Khoảng cách giữa các sợi s

 Độ bền của vữa hoặc bê tông

 Kích cỡ, hình dạng của mẫu

 Cường độ chịu kéo

 Khi thể tích của sợi tăng lên từ 0.25 ÷ 1.25 % cường độ chịu kéo của bê tông cốt sợi tăng lên đáng kể Cường độ chịu kéo có thể tăng từ 10 đến 30% với các thử nghiệm bê tông cốt sợi thép có cường độ chịu nén đến 50MPa

 Cường độ chịu kéo khi uốn

Các sợi tăng cường tác động lớn đến cường độ chịu uốn của bê tông trong các giai đoạn:

 Giai đoạn tải trọng gây nứt trong đồ thị độ võng - tải trọng

 Giai đoạn tải trọng cực hạn

Cả 2 giai đoạn đều bị ảnh hưởng thể tích sợi Vf và tỉ lệ l/df

Vf < 0,5% và l/df < 50, sợi có ảnh hưởng nhỏ đến cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông mặc dù chúng vẫn có thể có ảnh hưởng đến độ dẻo của bê tông

Các kết quả nghiên cứu trên kết cấu dầm bê tông cốt sợi thép cho thấy cường độ chịu kéo khi uốn tăng lên từ 15-20 %

ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CỦA BÊ TÔNG ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THÉP

 Biểu đồ độ võng - tải trọng hoặc tải trọng - độ mở rộng vết nứt

Đồ thị độ võng - tải trọng khác về căn bản so với dạng đồ thị có kết quả từ các thí nghiệm dầm bê tông nói chung.

Hình 1.2 Mối quan hệ tải trọng- biến dạng của đầm bê tông và dầm bê tông cốt sợi

 Căn cứ vào biểu đồ năng lượng của mẫu thử có thể xác định được cường độ tại một số điểm đặc biệt ứng với năng lượng xác định.

ỨNG DỤNG CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

 Ứng dụng bê tông cốt sợi thép chủ yếu để tăng cường tính dẻo của

bê tông và bê tông cốt thép do tận dụng khả năng hút năng lượng của cốt sợi thép

 Các ứng dụng của bê tông cốt sợi thép chủ yếu trong lĩnh vực sau:

 Xây dựng và sửa chữa mặt đường.

 Làm các sàn nhà công nghiệp và bến cảng.

 Làm các đường băng sân bay.

 Kết cấu chịu va chạm như: kho chứa thiết bị máy móc nặng.

 Làm sàn của nhà máy điện hạt nhân.

 Kết cấu chịu nhiệt.

 Làm các lớp phủ vỏ hầm bằng công nghệ phun.

ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TRONG KẾT CẤU CẦU

Hiện nay BTCST cường độ cao và cường độ rất cao được sử dụng trong kết cấu cầu thuộc 2 lĩnh vực như sau:

 Kết cấu dầm và bản BTCST: thay phần bê tông trong kết cấu bằng BTCST cả vùng chịu kéo và vùng chịu nén

 Các kết cấu cầu được gia cường bằng BTCST : chịu các tác động của các sự cố chưa được lường đến trong các tiêu chuẩn thiết

kế cầu

 Cầu cho người đi bộ Shef'crooke

Cầu đi bộ Sherbrooke ở Sherbrooke,

Quebec là công trình kiến trúc kỹ

thuật đầu tiên xây dựng bằng

BTCĐCCST trên thế giới vào năm

1997

Với khẩu độ 60m, kết cấu dành cho người đi bộ này được đúc sẵn và ứng lực trước , mặt cầu làm bằng BTCĐCCST

 Cầu Bourg-les-Valence ở Đông nam nước Pháp

Hình 1.3 Thi công đường sân bay ở Bỉ Hình 1.4 Mặt đường bến cảng (Tây ban Nha)

Hình 1.7 Nền nhà kho (Pháp) Hình 1.8 Hệ thống thoát nước (Đức)

Hình 1.12 Các khu vực được tăng cường bằng bê tông cốt sợi thép

XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC

CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

VẬT LIỆU CHẾ TẠO BTCS

 Loại xi măng được sử dụng là xi măng Portland thường

 Lượng xi măng tối đa là 525kg/1m 3 bê tông

 Nước

 Phải là nước uống được

 Đảm bảo độ sạch hợp lý và không lẫn dầu, muối, a xít, chất kiềm, thực vật…

 Các phụ gia hóa học

 Các hợp chất hóa học góp phần tăng đáng kể cường độ chịu nén, kiểm soát tốc độ đóng rắn, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện khả năng làm việc và độ bền lâu.

Các vật liệu khoáng siêu mịn bao gồm chủ yếu là muội silic, xi măng xỉ, và tro trấu…

 Cốt liệu thô (đá dăm)

 Kích thước tối đa của cốt liệu không lớn hơn 9.5-12.5mm

 Thành phần hạt phải phù hợp với tiêu chuẩn TCVN7570-2006, ASTM D448, tiêu chuẩn Châu Âu N13043-2002.

 Cốt sợi thép

 Sợi thép sản xuất từ thép cacbon hay thép hợp kim

 Cường độ chịu kéo trong khoảng 345 - 1380 MPa

 Môđun đàn hồi khoảng 200 GPa

 Tiết diện sợi thép có thể là tròn, vuông

 Chiều dài sợi thép thường nhỏ hơn 75 mm

 Tỉ số chiều dài sợi trên đường kính sợi L/d f từ 20 - l00 là hay sử dụng để gia cường cho BTXM

THIẾT KẾ HỖN HỢP BTCS

 Cường độ yêu cầu Cường độ thiết kế cần thiết của bê tông, f’ cr , được sử dụng để đáp ứng cường độ thiết kế tối thiểu (chỉ định) f’ c với xác suất là 1 hoặc 5% (ACI 318

318)

f’ cr = f’c + 1.34s (2.1) trong đó: s độ lệch chuẩn, s =645 Psi (4.4 MPa) hoặc f’ cr = f’ c + 2.33s -500 ; (Psi) (2.2)

 Các bước lựa chọn các tỉ lệ vật liệu

1. Chọn độ sụt

2. Chọn kích thước tối đa cốt liệu, tỷ lệ Đ/C, lượng đá

3. Xác định khối lượng nước

 Ví dụ thành phần BTCS 70

Cường độ thiết kế của bê tông 70MPa

Cường độ thiết kế của bê tông 70MPa

Cường

độ thiết

kế, MPa

Xi măng, kg

Nước , lít N/CDK Tỷ lệ

Siêu dẻo, lít

MS,

kg Đá, kg Cát, kg

Cốt sợi thép,

kg Đ/C

C/ (C+Đ )

70 525 162 0.31 6.3 0 906 787 0 1.17 0.46

70 495 162 0.3 6.3 35 910 790 50 1.17 0.46

70 495 162 0.3 6.3 35 897 780 75 1.17 0.46

70 495 162 0.3 6.3 35 883 767 125 1.17 0.46

Quá trình trộn bê tông

Kiểm tra thiết bị đo Thí nghiệm môdun dàn hồi

Thí nghiệm uốn mẫu dầm BTCĐCCST

Dạng phá hoại uốn dầm BTCĐCCST

Mặt cắt ngang dầm sau phá

Hình 2.8 Sự phát triển của cường độ chịu nén

theo thời gian

Hình 2.9 Quan hệ giữa cường độ

chịu nén của bê tông cốt sợi thép

với hệ số RI

 Cường độ chịu nén tăng khi hàm lượng sợi tăng (hệ số RI tăng) Mức độ tăng cường độ chịu nén của bê tông cốt sợi thép theo cường

độ chịu nén của bê tông không cốt sợi là 2% (RI=0.42); 3% (RI=0.67); 5% (RI=1).

 Tốc độ phát triển cường độ chịu nén tăng nhanh, sau 7 ngày tuổi cường độ chịu nén đạt trung bình trên 85%

Bảng 2.20 Đánh giá các công thức dự báo cường độ chịu nén của BTC ĐCCST

 Xác định mô đun đàn hồi của bê tông

Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi theo ASTM C469

Bảng 2.21 Kết quả đo mô đun đàn hồi1 0

R -R E=

ε -ε

STT Tuổi mẫu RI sợi thép, % Hàm lượng E dh TB

(GPa)

Hệ số phát triển

 Xác định mô đun đàn hồi của bê tông

Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi theo ASTM C469

Bảng 2.21 Kết quả đo mô đun đàn hồi1 0

R -R E=

ε -ε

STT Tuổi mẫu RI sợi thép, % Hàm lượng E dh TB

(GPa)

Hệ số phát triển

Hình 2.10 Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và thời gian

0% cốt sợi thép 1% cốt sợi thép 1.5% cốt sợi thép

Hình 2.11 Quan hệ giữa mô

đun đàn hồi và RI

 Phương trình tương quan giữa mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi với hệ số RI và mô đun đàn hồi của bê tông như sau:

E cf = -6.4619RI 2 + 13.514RI + E c (2.20)

trong đó: E cf - mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi, GPa

E c - mô đun đàn hồi của bê tông, GPa

RI - Hệ số đặc trưng của cốt sợi

Bảng 2.23 Tính toán sai số so với công thức khác

Công thức E b , MPa E cs , GPa Sai số

 Mô đun đàn hồi của BTCĐCCST chỉ lớn hơn mô đun đàn hồi của

bê tông từ 5-10%, phụ thuộc vào mức độ tăng của hệ số RI Tuy nhiên do mức độ tăng không lớn nên trong các tính toán kết cấu vẫn sử dụng mô đun đàn hồi của bê tông gốc để tính toán.

 Với BTCĐCCST công thức của hiệp hội RILEM kiến nghị là:

E cf = 9500(f’ c ) 1/3 ,MPa (2.21) hoặc E cf = 5000(f’ c ) 1/2 , MPa (2.22)

 Tuy nhiên trị số của mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi thép phụ thuộc rất lớn vào công nghệ thi công, vì vậy với các công trình cụ thể để có kết quả chính xác nên làm lại thí nghiệm này