Thông tin tài liệu
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 07/6/2022 nNgày sửa bài: 18/7/2022 nNgày chấp nhận đăng: 15/8/2022 Đánh giá khả hấp thụ lượng bê tơng tính cao tải trọng nén uốn Assessing energy absorption capacity of high-performance fiber-reinforced concrete in compression and bending > NGUYỄN DUY LIÊM1*, TRẦN MINH TIẾN2, TRẦN NGỌC THANH3, ĐỖ XUÂN SƠN1 GV Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM CV Ban Quản trị Thiết bị, Trường Đại học Ngoại thương - sở TP.HCM GV Viện Xây dựng, Trường Đại học GTVT TP.HCM Email: liemnd@hcmute.edu.vn; tranminhtien.cs2@ftu.edu.vn; ngocthanh.tran@ut.edu.vn; sondx@hcmute.edu.vn 110 TÓM TẮT Bài báo trình bày khả hấp thụ lượng bê tơng tính cao (high-performance fiber-reinforced concrete - HPFRC) thơng qua kết thí nghiệm nén uốn Bốn loại HPFRC thí nghiệm gia cường cốt sợi thép khác loại sợi hàm lượng tích: không sợi, sợi nhỏ 1,5%, sợi to 1,5%, sợi hỗn hợp gồm 1.0% sợi to + 0.5% sợi nhỏ Sợi thép to có hình dạng hai đầu móc chiều dài 35 mm đường kính 0,5 mm Sợi thép nhỏ có hình dạng thẳng chiều dài 13 mm đường kính 0,2 mm Kết thí nghiệm cho thấy lượng hấp thụ HPFRC có sợi gia cường cải thiện đáng kể so với HPFRC không sợi, thí nghiệm nén lẫn uốn Ngồi ra, HPFRC chứa hỗn hợp sợi có lượng hấp thụ cao dù tổng hàm lượng cốt sợi gia cường mức 1,5% Từ khóa: HPFRC; lượng hấp thụ; cường độ nén; cường độ uốn ABSTRACT This paper reports the energy absorption capacity of HPFRCs under compression and bending through an experimental investigation There were four types of HPFRCs with different steel fiber types and volume contents as follows: no fiber, macro fiber 1.5%, micro fiber 1.5 %, and hybrid fiber including 1.0% macro fiber blended with 0.5% micro fiber The macro fiber used in this research is hooked-end type with its a length of 35 mm and a diameter of 0.5 mm The micro fiber used is smooth type with its a length of 13 mm and a diameter of 0.2 mm According to the test results, the energy absorption capacity of HPFRCs containing steel fiber were enhanced clearly, in comparison to HPFRC with no fiber under both compression and bending Besides, the HPFRC with hybrid fiber demonstrated the highest energy absorption capacity, in despite of the same fiber content of 1.5% Keywords: HPFRC; energy absorption capacity; compressive strength; bending strength GIỚI THIỆU Bê tơng tính cao (high-performance fiber-reinforced concrete - HPFRC) xem vật liệu xây dựng có triển vọng sở hữu tính chất học ưu việt bao gồm cường độ chịu nén cao, khả kháng nứt tốt có cấu trúc đặc, lỗ rỗng nhỏ giúp giảm thấm Đặc biệt trộn cốt sợi với thành phần hợp lý, bê tơng tính cao có cường độ chịu kéo cao, độ dẻo dai lớn, khả hấp thụ lượng lớn [1-4] Với tính chất ưu việt nêu trên, HPFRC mong đợi cải thiện đáng kể khả chịu tải độ bền cơng trình Trong chế tạo HPFRC, cốt sợi gia cường đóng vai trị lớn việc hình thành tính tăng cứng học (strain-hardening) [5-7] Đây tính chất ưu việt HPFRC cải thiện phần tính giịn cố hữu bê tơng thường làm tăng khả hấp thụ lượng học tác dụng tải trọng Các yếu tố ảnh hưởng từ cốt sợi bao gồm hình học sợi, tỷ lệ hình dáng, hàm lượng sợi, cường độ kéo đứt phân bố cốt sợi Một số nghiên cứu gần cho thấy kết hợp nhiều loại sợi có kích thước khác tạo hiệu ứng tương hỗ làm tăng tính học HPFRC nhiều loại tải khác tải kéo trực tiếp [8-10], tải uốn [11], tải cắt [12] Theo công bố này, hỗn hợp sợi to-nhỏ kết hợp tạo sức kháng học HPFRC tốt so với sử dụng cốt sợi đơn với hàm lượng Do vậy, nghiên cứu dùng sợi hỗn hợp để chế tạo vật liệu HPFRC thí nghiệm tải nén uốn, sau khảo sát, đánh giá khả hấp thụ lượng HPFRC Thông tin từ kết nghiên cứu giúp kỹ sư xây dựng áp dụng HPFRC hợp lý an tồn cho cơng trình 9.2022 ISSN 2734-9888 THÍ NGHIỆM 2.1 Sơ đồ thí nghiệm Hình mơ tả sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu báo Theo sơ đồ này, có bốn loại HPFRC thí nghiệm gia cường cốt sợi thép khác loại sợi hàm lượng tích: khơng sợi, sợi nhỏ 1,5%, sợi to 1,5%, sợi hỗn hợp gồm 1.0% sợi to + 0.5% sợi nhỏ Tải thí nghiệm bao gồm tải nén uốn Mẫu nén dùng mẫu lăng trụ kích thước 114×200 mm, mẫu uốn có kích thước rộng×cachiều dài nhịp 40×40×120 mm (chiều dài mẫu uốn 160 mm) Hình - Sơ đồ thí nghiệm 2.2 Vật liệu chế tạo mẫu Bảng cung cấp tỉ lệ trọng lượng thành phần vật liệu tạo thành HPFRC Bảng cung cấp tính chất lý sợi thép dùng HPFRC, hàm lượng theo thể tích hỗn hợp loại sợi gồm: sợi to 1.0 %, sợi nhỏ 0.5 % Hình thể hình chụp loại sợi thép sử dụng để chế tạo HPFRC thí nghiệm Bảng Thành phần vữa bê tông HPFRC theo tỉ lệ khối lượng Silica Phụ gia Tro bay Cát Nước Xi măng fume hóa dẻo (kg/m3) (kg/m3) (kg/m3) (kg/m3) 3 (kg/m ) (kg/m ) 0,80 0,07 1,00 0,20 0,40 0,26 Bảng Tính chất lý loại sợi thép Mơ đun Cường độ Đường kính/ Trọng lượng đàn hồi kéo Loại sợi Chiều dài riêng (GPa) (MPa) (mm) (g/cm3) Sợi thép to, hai đầu móc 0,5/35 7,9 200 > 1200 Sợi thép nhỏ, thẳng trơn 0,2/13 7,9 200 > 2500 a) Thiết lập thí nghiệm nén b) Thiết lập thí nghiệm uốn ba điểm Hình Thiết lập thí nghiệm nén uốn mẫu Trong thí nghiệm uốn, ứng suất kéo uốn ( f ) độ võng tương đối ( / L ) tính toán theo biểu thức (3) (4), đỉnh đường cong ứng suất kéo uốn - độ võng tương đối điểm MOR ( / LMOR , f MOR ) mơ tả Hình 4b Trong biểu thức (3) (4), L chiều dài nhịp, H độ biến dạng máy thu thập trình áp tải - xem độ võng nhịp, b h bề rộng chiều cao mẫu uốn, P tải tập trung tác dụng lên nhịp máy thu thập f 1.5P L / (bh ) / L H / L (3) (4) Khả hấp thụ lượng nén ( Tcu ) định nghĩa diện tích đường cong ứng xử nén (Hình 4a) tính theo biểu thức (5) Khả hấp thụ lượng uốn ( TMOR ) định a) Sợi nhỏ b) Sợi to Hình Ảnh chụp loại sợi sử dụng HPFRC 3.2 Lắp đặt thí nghiệm Hình thể thiết lập thí nghiệm nén uốn mẫu Tất mẫu uốn thí nghiệm sơ đồ ba điểm uốn Máy UTM có khả tải lớn 1000 kN ghi lại giá trị tải chuyển vị trình áp tải Trong thí nghiệm nén, ứng suất ( ) biến dạng nén ( ) tính tốn theo biểu thức (1) (2), đỉnh đường cong ứng suất - biến dạng điểm A ( cu , f c' ) mơ tả Hình 4a Trong biểu thức (1) (2), A diện tích mẫu nén, H độ biến dạng máy thu thập trình áp tải, H chiều cao mẫu nén, P tải tập trung tác dụng lên mẫu nén máy thu thập (1) P /A H / H (2) nghĩa diện tích đường cong ứng xử uốn (Hình 4b) tính theo biểu thức (6) cu Tcu d ( ) 0 / LMOR TMOR / L 0 (5) f / L d ( / L) (6) f MOR f c' cu MOR / L a) Ứng xử nén b) Ứng xử uốn Hình Ứng xử điển hình HPFRC tải trọng nén uốn lượng hấp thụ ISSN 2734-9888 9.2022 111 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 3.1 Kết thí nghiệm a) Khơng sợi thiện cường độ HPFRC Hình Hình thể mẫu phá hoại tải nén tải uốn Dưới tải trọng nén, HPFRC không sợi bị vỡ vụn thành nhiều mảnh HPFRC gia cường cốt sợi không bị vỡ vụn Dưới tải trọng uốn, HPFRC không sợi bị gãy gọn thành hai phần HPFRC gia cường cốt sợi hai phần dầm liên kết b) Sợi to, 1.5% hàm lượng theo thể tích Sợi nhỏ, 1.5% b) Sợi to, 1,5% hàm lượng theo thể tích c) Sợi nhỏ, 1,5% hàm lượng theo thể tích Hình Ứng xử uốn loại HPFRC ) Sợi hỗn hợp, 1,5% hàm lượng theo thể tích Ứng suất nén (MPa) a) Khơng sợi Tcu Biến dạng nén (%) c) Sợi nhỏ, 1.5% hàm lượng theo thể tích d) Sợi hỗn hợp, 1.5% hàm lượng theo thể tích Hình Ứng xử nén loại HPFRC Hình thể ứng xử nén (thực nghiên cứu này) Hình thể ứng xử uốn loại HPFRC (theo nghiên cứu trước [7] tác giả đầu) Bảng trình thơng số đỉnh đường cong ứng xử nén uốn Các kết bảng lấy trung bình từ ba mẫu thử nghiệm cho loại HPFRC Theo Bảng 3, cường độ nén cao cường độ kéo uốn, cho loại HPFRC thí nghiệm sau: Khơng sợi (8,01 lần), Sợi to (5,70 lần), Sợi nhỏ (3,26 lần), Sợi hỗn hợp (2,64 lần) Về ảnh hưởng cốt sợi gia cường, so với không sợi, sợi hỗn hợp tạo hiệu việc cải thiện cường độ HPFRC: tăng 1,17 lần tải nén tăng 3,54 lần tải uốn Các loại sợi to sợi nhỏ sử dụng đơn loại thiện cường độ HPFRC, đặc biệt tải uốn Ngoài ra, theo quan sát, sợi nhỏ hiệu sợi to uốn hiệu sợi to nén việc cải d (a) Không sợi gia cường (b) Có sợi gia cường Hình Hình ảnh điển hình mẫu nén bị phá hoại Bảng Thơng số nén uốn HPFRC Dưới tải trọng nén Loại sợi Cường độ nén, ' c f (MPa) Khả biến dạng nén, cu (%) Không sợi Sợi to 1.5% Sợi nhỏ 1.5% Sợi hỗn hợp 1.5% 83,38 93,55 90,47 97,23 0,29 0,30 0,31 0,31 Dưới tải trọng uốn [7] Loại sợi Không sợi Sợi to 1.5% Sợi nhỏ 1.5% Sợi hỗn hợp 1.5% f MOR (MPa) Khả chịu võng tương đối, / L (%) 10,41 16,41 27,76 36,83 0,36 0,51 0,72 0,78 Cường độ uốn, 112 9.2022 ISSN 2734-9888 Bảng Thông số lượng hấp thụ HPFRC Loại sợi Không sợi Sợi to 1.5% Sợi nhỏ 1.5% Sợi hỗn hợp 1.5% Năng lượng hấp thụ nén, Tcu (MPa.%) 12,09 14,50 13,57 15,07 Tỉ lệ tăng so với không sợi 1,00 1,20 1,12 1,25 2,06 4,81 12,15 13,31 1,00 2,34 5,90 6,46 Năng lượng hấp thụ uốn, TMOR (MPa.%) Tỉ lệ tăng so với không sợi Bảng Hệ số hiệp đồng tham số lượng HPFRCs tải trọng nén uốn Tên mẫu Năng lượng hấp thụ (MPa.%) Loại tải trọng Tải trọng nén Tải trọng uốn Sợi to, (a) 14,50 4,81 Sợi nhỏ, (b) 13,57 12,15 Sợi hỗn hợp, (a+b) 15,07 13,31 Giá trị S y +0,039 +0,095 (a) Khơng sợi (b) Có sợi gia cường Hình Hình ảnh điển hình mẫu uốn bị phá hoại 3.2 Năng lượng hấp thụ HPFRC tải trọng nén uốn Hình So sánh thơng số lượng HPFRC Bảng cung cấp thông số khả hấp thụ lượng HPFRC tải nén uốn Các kết bảng lấy trung bình từ ba mẫu thử nghiệm cho loạt mẫu Hình thể so sánh thông số lượng HPFRC tải trọng nén uốn Theo quan sát Hình 5, lượng hấp thụ HPFRC tải nén cao tải uốn, cho loại HPFRC thí nghiệm Sự chênh lệch khả hấp thụ lượng nén uốn lớn theo thứ tự: Không sợi (5,87 lần) > Sợi to (3,01 lần) > Sợi hỗn hợp (1,13 lần) > Sợi nhỏ (1,12 lần) Về ảnh hưởng cốt sợi gia cường, so với không sợi, sợi hỗn hợp tạo hiệu việc cải thiện lượng hấp thụ HPFRC: tăng 1,25 lần tải nén tăng 6,46 lần tải uốn Các loại sợi to sợi nhỏ sử dụng đơn loại thiện lượng hấp thụ HPFRC, đặc biệt tải uốn Điều có nghĩa cốt sợi thép gia cường trộn HPFRC nhạy cảm tải uốn tải nén Ngoài ra, theo quan sát, sợi nhỏ hiệu sợi to uốn hiệu sợi to nén ISSN 2734-9888 9.2022 113 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.3 Hiệu hiệp đồng thông số lượng hấp thụ HPFRC Hiệu ứng hiệp đồng hệ thống sợi hỗn hợp xảy HPFRC tải trọng uốn tĩnh Theo kết nghiên cứu Ngo cộng [12], độ bền uốn sợi hỗn hợp tạo cao độ bền uốn tạo sợi đơn với hàm lượng theo thể tích giống hệt Trong nghiên cứu này, để đánh giá cách định lượng hiệu hiệp đồng sợi hỗn hợp thông số lượng HPFRC, hệ số hiệp đồng ký hiệu S y sử dụng tính theo Biểu thức (7) [12] (V ) f Trong biểu thức (7), Rhybrid , a b thông số lượng mẫu (V ) (V ) f f sử dụng sợi thép hỗn hợp, Rmono , a Rmono , b thông số lượng mẫu sử dụng sợi to sợi nhỏ Lưu ý rằng, (V ) (V ) (V ) f f f Rhybrid , a b , Rmono , a Rmono , b phải có hàm lượng sợi giống (hàm lượng 1,5% theo thể tích) Giá trị dương S y có nghĩa sợi hỗn hợp thể tốt so với sợi đơn (V ) Sy (V ) (V ) f f f Rhybrid , a b max Rmono , a , Rmono ,b (V f ) mono , a max R (V f ) mono ,b ,R (7) Bảng cung cấp hệ số hiệp đồng thông số lượng bao gồm lượng hấp thụ tải nén lượng hấp thụ tải uốn HPFRC Theo kết phân tích Bảng 5, giá trị S y theo lượng hấp thụ tải nén tải uốn HPFRC +0,039 +0,095 Cả hệ số hiệp đồng dương tức sợi hỗn hợp tạo hiệu hệ sợi đơn Cụ thể, giá trị S y thông số lượng hấp thụ tải uốn cao nhiều so với giá trị S y tải nén, khoảng 0,095/0,039= 2,44 lần, tức là, hiệu hiệp đồng hỗn hợp sợi thép tải uốn HPFRCs, cao nhiều so với tải nén KẾT LUẬN Một số kết luận rút từ kết nghiên cứu báo sau: - So với HPFRC khơng sợi, có gia tăng rõ ràng cường độ nén cường độ kéo uốn cách trộn gia cường sợi thép với hàm lượng 1,5% theo thể tích cho HPFRC Sợi hỗn hợp tạo hiệu việc cải thiện cường độ HPFRC: tăng 1,17 lần tải nén tăng 3,54 lần tải uốn - Bốn loại HPFRC thí nghiệm có cường độ nén cao cường độ kéo uốn, cụ thể sau: Không sợi (8,01 lần), Sợi to (5,70 lần), Sợi nhỏ (3,26 lần), Sợi hỗn hợp (2,64 lần) - So với HPFRC khơng sợi, có gia tăng rõ ràng lượng hấp thụ tải nén lượng hấp thụ tải uốn cho HPFRC có trộn gia cường sợi thép với hàm lượng 1,5% theo thể tích cho HPFRC - Năng lượng hấp thụ HPFRC tải nén cao tải uốn, cho loại HPFRC thí nghiệm Sự chênh lệch khả hấp thụ lượng nén uốn lớn theo thứ tự: Không sợi (5,87 lần) > Sợi to (3,01 lần) > Sợi hỗn hợp (1,13 lần) > Sợi nhỏ (1,12 lần) - Trong so sánh khả hấp thụ lượng HPFRCs, hiệu hiệp đồng hỗn hợp sợi thép tải uốn cao nhiều so với tải nén thơng qua kết phân tích hệ số hiệp đồng 114 9.2022 ISSN 2734-9888 Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Bộ Giáo dục Đào tạo, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chủ trì đề tài mã số B2021-SPK-08 TÀI LIỆU THAM KHẢO Graybeal B and Davis M, “Cylinder or cube: strength testing of 80 to 200 MPa (11.6 to 29 ksi) Ultra-High-Performance-Fiber-Reinforced Concrete,” ACI Mater J., 2008, 105(6): pp 603–9 Farhat FA, Nicolaides D, Kanellopoulos A, Karihaloo BL, “High Performance fiber-reinforced cementitious composite (CARDIFRC) - performance and application to retrofitting,” Eng Fract Mech., 2007, 74(1–2): pp 151–67 Wille K, Kim DJ, Naaman AE, “Strain hardening UHP-FRC with low fiber contents,” Mater Struct 2011, 44: pp 583–98 Naaman AE, Reinhardt HW, “Proposed classification of HPFRC composites based on their tensile response,” Materials and Structures, 2006, 39: pp 547-555 Nguyen, D.L., Song, J., Manathamsombat, C., Kim, D.J., “Comparative electromechanical damage-sensing behavior of six strain-hardening steel-fiberreinforced cementitious composites under direct tension,” Composites Part B: Engineering; Vol 69, pp 159-168, 2015 Hannawi, K., Bian, H., Prince-Agbodjan, W & Raghavan, B., “Effect of different types of fibers on the microstructure and the mechanical behavior of ultrahigh performance fiber-reinforced concretes,” Composites Part B: Engineering, 86, 214-220, 2016 Nguyen D.L., Thai, D.K., Lam M.N.-T., “Synergy in Flexure of HighPerformance Fiber-Reinforced Concrete with Hybrid Steel Fibers,” Journal of Materials in Civil Engineering, Vol 34, Issue 6, 2022 doi: 10.1061/(ASCE)MT.19435533.0004232 Park SH , Kim DJ, Ryu GS, Koh KT, “Tensile behavior of Ultra-high Performance Hybrid Fiber Reinforced Concrete,” Construction and Building Materials, 2012, 34(2): pp 172–184 Tran, N T., & Kim, D J (2017) “Synergistic response of blending fibers in ultra-high-performance concrete under high rate tensile loads,” Cement and Concrete Composites, 78, 132–145, 2017 doi:10.1016/j.cemconcomp.2017.01.008 10 Nguyen, D L., Thai, D K., Nguyen, H T T., Nguyen, T Q., & Le-Trung, K (2021a) “Responses of composite beams with high-performance fiber-reinforced concrete,” Construction and Building Materials, 270, 121814 doi:10.1016/j.conbuildmat.2020.121814 11 Kim, D J., Park, S H., Ryu, G S., Koh, K T (2011) “Comparative flexural behavior of hybrid ultra high performance fiber reinforced concrete with different macro fibers,” Construction and Building Materials, 25:4144–55, 2011 12 Ngo, T T., & Kim, D J., “Synergy in shear response of ultra-highperformance hybrid-fiber-reinforced concrete at high strain rates,” Composite Structures, 195, 276–287, 2018 doi:10.1016/j.compstruct.2018.04.075 ... 6,46 Năng lượng hấp thụ uốn, TMOR (MPa.%) Tỉ lệ tăng so với không sợi Bảng Hệ số hiệp đồng tham số lượng HPFRCs tải trọng nén uốn Tên mẫu Năng lượng hấp thụ (MPa.%) Loại tải trọng Tải trọng nén Tải. .. thể so sánh thơng số lượng HPFRC tải trọng nén uốn Theo quan sát Hình 5, lượng hấp thụ HPFRC tải nén cao tải uốn, cho loại HPFRC thí nghiệm Sự chênh lệch khả hấp thụ lượng nén uốn lớn theo thứ tự:... cấp hệ số hiệp đồng thông số lượng bao gồm lượng hấp thụ tải nén lượng hấp thụ tải uốn HPFRC Theo kết phân tích Bảng 5, giá trị S y theo lượng hấp thụ tải nén tải uốn HPFRC +0,039 +0,095 Cả hệ
Ngày đăng: 31/10/2022, 08:00
Xem thêm:
