TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SIÊU TÍNH NĂNG GIA CỐ CỐT SỢITHÉP
Tổng quan về vật liệu bê tông siêu tính năng gia cốcốtsợi
Hiệnnaychưacóđịnhnghĩathốngnhấtvềvậtliệubêtôngsiêutínhnănggiacốcốtsợi thép Ở các nước, các tác giả có những định nghĩa khác nhau.Tuynhiên, bê tông siêu tính năng gia cố cốt sợi có những đặc tính cơ bản như một số định nghĩa được sử dụng rộng rãi nhưsau:
Theo Ủy ban Viện bê tông Hòa Kỳ (Committee of American Concrete Institue -ACI), bê tông siêu tính năng là loại bê tông có cường độ chịu nén lớn hơn 150 MPa với các yêucầucụthểvềđộbền,độbềnkéo,khảnănghấpthụnănglượng;cốtsợithườngđược trộn vào để đạt được những yêu cầu nhất định nào đó[21].
Theo định nghĩa của Cục quản lý đường cao tốc liên bang Mỹ (Federal Highway Administration - FHWA) về bê tông siêu tính năng (ultra-high-performance concrete – UHPFRC): UHPFRC là vật liệu composite gốc xi măng bao gồm các vật liệu dạng hạt mịn với đường cong cấp phối tối ưu, được gia cường bởi các sợi thép siêu nhỏ rời rạc có cường độ rất cao và tỷ lệ nước/ximăng (N/X) rất nhỏ (N/X < 0,25) UHPFRC bền hơn đáng kể so với bê tông thông thường (NC) và bê tông cường độ cao (high- performanceconcrete–HPC)docáclỗrỗnggiảmvàkhôngliêntục(tứclàđộđồngnhất cao), dẫn tới làm giảm sự xâm nhập của vật liệu có hại như các ion clorua và sunfat. UHPFRClàmộtloạivậtliệuxâydựngcóđộbềncao,dễuốnvàbềnvữngđượcphachế bằng cách kết hợp xi măng poóc lăng, silica fume, cát rửa/sàng mịn, phụ gia siêu dẻo, nước và sợi thép. UHPFRC là hỗn hợp gốc xi măng cực kỳ đồng nhấtmàkhông cần sử dụng cốt liệu thô có thể đạt cường độ nén trên 150 MPa[22,23].
TheoNaamanvàWille[24],địnhnghĩangắngọnvềbêtôngsiêutínhnăngnhưsau:Bê tông siêu tính năng (ultra-high performance concrete – UHPC) là bê tông gốc thủy hóa ximăngvớicườngđộchịunénítnhấtlà150MPa.Hay,bêtôngsiêutínhnănggiacố cốtsợi(Ultra-high-performancefiber-reinforcedconcrete–UHPFRC)làvậtliệuUHPC trộn thêm cốt sợi để tăng đáng kể các tính chất cơ học cụ thể nào đó,v.v.
1.1.2 Nguyêntắc chế tạo vật liệuUHPFRC
UHPCđượcchếtạotrênnguyêntắchạnchếtốithiểucácđiểmyếucủavậtliệunhư các vết nứt nhỏ, lỗ rỗng để có khả năng đạt được khả năng chịu lực siêu việt [25] Theo Richard và Cheyrezy (1994 và 1995), Bonneau và cộng sự (1996) và các khuyến nghị tạm thời của AFGC cho bê tông cốt sợi hiệu suất cực cao (2002), UHPC được chế tạo và hình thành dựa trên bốn nguyên tắc có thể được tóm tắt nhưsau:
Tối ưu hóa cấp phối hạt để cải thiện độ đồng nhất và đạt được hỗn hợp siêu độ đặc chắc.
TỷlệN/Xcựcthấp,dođógiảmđượctỷlệlỗrỗngvàmaomạch,kíchthướclỗrỗng, cácvấnđềhưhỏngcủabêtông,vídụ:cacbonathóa,cảithiệnkhảnăngchốngthấm và dẫn tới độ bền và cường độcao.
Các cốt sợi siêu nhỏ cường độ cao được trộn vào để tăng cường độ độ bền kéo,tăng khả năng chống va đập và màimòn.
Được bảo dưỡng trong điều kiện đặc biệt (nhiệt độ và độ ẩm cao) ngay sau khi chế tạo giúp tăng tốc độ co ngót khô và ướt, cải thiện các đặc tính tổng thể của vật liệu, dẫn tới sự ổn định về thể tích, độ rão nhỏ và độ co ngót không đángkể.
1.1.3 Lịch sử phát triển củaUHPFRC
Rất khó để thống kê một cách đầy đủ, rõ ràng về lịch sử hình thành, sự phát triển của vật liệu UHPFRC Tuy nhiên, theo Naaman và Wille [24], có thể liệt kê lại quá trình hình thành, phát triển của vật liệu UHPFRC thông qua sự hình thành của bốn vật liệu thành phần chính của hỗn hợp và sự kết hợp giữa các yếu tố này: vữa xi măng, cốt sợi, lực dính giữa vữa xi măng và cốt sợi và sản phẩm UHPFRC.
Thời gian hình thành và những tiến bộ quan trọng trong sự phát triển của vữa bê tông vàcốtsợitừnhữngnăm1960,chủyếulàởChâuÂuhoặcHoaKỳ,đượcthốngkêtrongBảng 1.1 Sự hình thành và phát triển cũng có thể xảy ra tương tự ở một số nơi khác, nhưng có thể chậm hơn (hoặc sớm hơn) trong việc áp dụng vào thựctế.
Bảng 1.1 Sự phát triển theo thời gian của hỗn hợp bê tông và cốt sợi từ những năm
Hỗn hợp xi măng và bê tông Fiber
1970’s Hiểu biết rõ hơn về phản ứng thủy hóa; cấu trúc keo
Bê tông cường độ cao, đến 50 MPa trong thực tế
Phát triển các giải pháp giảm nước trong be tông
Công nghệ tiên tiến trong xử lý bê tông và điều kiện bảo dướng
Cốt sợi trơn; cường độthườngSợi thủytinh Sợi tổnghợp
1980’s Tăng cường phát triển các chất phụ gia hóa học:
Tăngcườngsửdụngtrobayvàsilicafume,vàcác chất phụ gia khoáng khác,v.v.
Tăng độ chảy/độ sụt(bê tông tự chảy chảy)
XuấthiệnthuậtngữBêtôngcườngđộcao:lênđến 60 MPa; cường độ cao đặc biệt: lên đến 80 MPa; cường độ cao kỳ đặc biệt (cốt liệu đặc biệt và bảo dưỡng): lên đến
Thuật ngữ Bê tông hiệu suất Cao: bê tông cường độ cao với các đặc tính độ bền được cải thiện.
Cốt sợi thép có móc 2 đầu (Hooked-end): cường độ thường và cường độcao
Cốt sợi tổng hợp có mô đunđàn hổi thấp (PP, nylon,e t c )
Tăng cường sử dụng sợi thủy tinh
Cốt sợi siêu nhỏ Sợi polyme hiệu suất cao (carbon, Spectra, Kevlar, v.v.)
1990’s Gia tăng sự phát triển các chất phụ gia hóa học: chất siêu dẻo; chất tạo độ nhớt; v.v….
Tăng cường sử dụng các vật liệu kết dính khác để thay thế xi măng
UHPC:độđặcchắccao,bổsungcáchạtsiêumịn; độ rỗng nhỏ;tỷlệ N/xnhỏ;
Bê tông tự cố kết; bê tông tự đầm lèn;
Loạicốtsợithépxoắn(khôngbị duỗi thẳng khi kéonhổ)
Sợi PVA với liên kết hóa học với bê tông
Cải thiện tính sẵn có của sợi tổnghợp.
2000’s Gia tăng sự phát triển của UHPC / UHP-FRC độc quyền và không độc quyền
UHPC:nângcaohiểubiếtvềđộđặcchắccao;ứng dụng của các khái niệm công nghệ nano trong bê tông.
Sợi thép cường độ cực cao:trơn hoặc có gờ với đường kính thấp đến 0,12 mm và cường độ lên đến 3400MPa Ống nano carbon; sợin a n o carbon
2010’s Tăng cường hiểu biết về hỗn hợp xi măng ở mức độnano
Mụcđíchchungcủacácnhànghiêncứulàlàmsaotăngđượccườngđộchịunéncủabê tông Từ những năm 1970, hỗn hợp bê tông với cường độ siêu cao, đến 510 MPa, được báocáotừviệcchuẩnbịmẫutrongđiềukiệnđặcbiệtvềchânkhông,nhiệtđộvàápsuất bảodưỡngmẫu.Vàonhữngnăm1980,BachevàcộngsựđãcôngbốvậtliệuUHPFRC gia cố cốt sợi và sử dụng tỷ lệ N/X rất thấp, có cường độ > 200 MPa, không cần điều kiện đặc biệt về nhiệt độ và chân không, được gọi tên là “micro-defect-free cement”. Tuynhiên,nhữngloạibêtôngnàykhôngdễđểđưavàoứngdụngdocácđiềukiệnkhắt khe về chế tạo và bảo dưỡng TrongBảng 1.2, tóm tắt các mốc quan trọng khác nhau liên quan đến các loại vật liệu bê tông kết hợp được phát triểntừnhững năm 1970 đến năm2011.
Bảng 1.2 Sự phát triển của bê tông cường độ cao, bê tông cốt sợi tính năng cao từ những năm 1970 (Ở Mỹ và Châu Âu)
Năm f’ c [MPa] Nguồn Tên Điều kiện đặc biệt
Vữa (paste); trộn chân không; độ rỗng thấp; mẫuthí nghiệm nhỏ.
Vữa; áp suất cao và nhiệt độ bảodưỡngcao; mẫu thí nghiệm nhỏ.
Vữa; bổ sung polymer;Cường độ uốn lên đến150
Vữa và bê tông; Điều kiện bảo dưỡng thông thường;s ử dụng muội silic siêu mịn. 1980’ all
Tăng cường độ đặc chắc; ử dụng microsilica; sử dụng phụ gia siêu dẻo;
1980’s Lên đến 120 Nhiều tác giả trên ở nhiều nước khác nhau (Shah; Zia;
High Strength Concrete; High Performance Concrete (HSC; HPC)
Bê tông với phụ gia đặc biệt và cốt liệu, ứng dụng vàokết cấu; sử dụng chất siêu dẻo; bảo dưỡng bình thường; độ bền tốthơn.
Năm f’ c [MPa] Nguồn Tên Điều kiện đặc biệt
SIFCON (Slurry Infiltrated Fiber Concrete)
Vữa cát mịn với hàm lượng cốt sợi lớn ( 8-15% thể tích)
1987 Lên đến 140 Bache(Den mark)
Bê tông với hàm lượng cốt sợi cao sử dụng với cốt thép gia cường thông thường.
1987 Khoảng mở Naaman (US) HPFRCC
Vữavàbêtônggiacốcốtsợi có khả năng tăng cường độ chịu kéo sau vết nứt đầu tiên (strain-hardening).
Hướng tới giảm hàmlượng cốtsợimàvẫntăngđượctính năng
1992 Khoảng mở Li and Wu
Chủyếulà vữa với sợi tổng hợp; khả năng tăng cườngđộ chịu kéo sau vết nứt đầutiên
Tối ưu hóa vật liệu với độ đặc chắc cao và cốt liệu siêu mịn
Bảodưỡngv ớ i n h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t ; K h ả năng đặc chắc của cốt liệu.
(Chanvilliard;Ri gaud; Behloul) France
DUCTAL Bảo dưỡng 90 o C trong 3 ngày; Hàm lượng fiber lên đến 6% (Đã được thương mại hóa)
Lên đến 200Rossi et al.
Lên đến 9% cốt sợi; Kết hợp nhiều loạisợi
Nhiều công thức hỗn hợp liên quan đến DUCTAL
Năm f’ c [MPa] Nguồn Tên Điều kiện đặc biệt worldwide(Ul m, Graybeal, Rossi)
2005 Lên đến 140 Karihaloo (UK)CARDIFRC Tối ưu hóa cấp phối hạt và quá trình trộn vữa
CERACEM Công thức tương tự
DUCTAL, cốt sợi lớn hơn, cốt liệu to hơn
Hội nghị quốc tế lần thứ 1 về UHPC
Nhiều công thức liên quan đến DUCTAL có và không có bảo dưỡng nhiệt; Có và không có cốt sợi
2005 Khoảng mở Schmidt et al.
Tòa nhà bền vững với UHPC
German DFG funded broader initiative (2005- 2012)
Hội nghị quốc tế lần thứ 2 về UHPC
Nhiều công thức liên quan đến DUCTAL có và không có bảo dưỡng nhiệt; Có và không có cốt sợi
Hội thảo UHPFRC Hội thảo đầu tiên tại Mỹ
UHP-FRC Không bảo dưỡng nhiệt; Tối ưu hỗn hơp; ghi nhận phương pháp thí nghiệm kéo trực tiếp;
Hội nghị quốc tế lần thứ 3 về UHPC
1.1.4 Thànhphần vật liệu cơ bản của vật liệuUHPFRC
Cónhiềuloạithànhphầnhỗnhợpcủavậtliệubêtôngsiêutínhnăng(UHPC)vàbêtông siêu tính năng gia cố cốt sợi (UHPFRC) do các tác giả khác nhau đề xuất, như được thống kê trongBảng1.3.Tỷlệ thành phần cấp phối được tính theo khối lượng Cường độ chịu kéo và chịu nén thu được từ thí nghiệm được đặt các hàng cuối cùng củabảng.
Tăng độ sụt và giảm không khí
Hàm lượng rắn tối ưu: 0.5-1.5% thành phần xi măng
Kớch thước hạt trung bỡnh 1 5-5àm.
Kớch thước hạt trung bỡnh: 10àm.
Kớch thước hạt trung bỡnh: 0 2-0.8 àm.
Kích thước phân bổ tối ưu cho độ đặ c chắc lớn nhất.
30% Cát Loại A and 70% Cát loại B
Thành phần cấp phối điển hình bằng thể tích được thể hiện trongHình 1.1và được so sánh với bê tông thông thường (NC) với cùng một tỷ lệ lỗ rỗng.
Bê tông thường (NC) w/c= 0.45; 30 MPa
Bê tông siêu tính năng (UHP-FRC) w/c= 0.19; 290 MPa
Nước: 18 % Muội silic: 10% Bột khoáng: 8%
Hình 1.1 Một ví dụ về thành phần cấp phối theo thể tích của bê tông siêu tính năng
(UHPFRC) so sánh với bê tông thường (NC).
Hình 1.2 Vật liệu thành phần cơ bản của hỗn hợp UHPC và tính chất đặc trưng của nó
TừHình1.1cóthểthấy,tỷlệphầnvữa(pastephase)củavậtliệuUHPCcaogấp2,5lần sovớiNC,trongkhiđótỷlệphầnhạtlạinhỏhơnđángkểđểcơbảnlấpđầylỗtrống còn lại Kích thước hạt của từng vật liệu thành phần và một các tính chất cơ bản khác được mô tả trongBảng 1.3vàHình 1.2
Bảng 1.3 Ví dụ về thành phần hỗn hợp của UHPFRC và UHPC [24]
Loại cốt liệu UHPC UHPFRC
Ad Bd C D Ad Bd C D SIFCON
Xi măng 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 Muội silic 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 Bột khoáng 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
8.2/14.2 15 16-20 20-30 37 e aHàm lượng chất rắn; b Kích thước hạt tối đa 0,2mm (1/128 in.); c Kích thước hạt tối đa 0,8mm (1/32 in.); dKhông rung, không cắt phẳng bể mặt; e twisted (T) fiber; f straight (S) fiber; g
Ngay tại vết nứt đầu tiên theo sau là sự phá hủy ngay lâp tức
Tính chất cơ họccủaUHPFRC
Cường độ nén là một đặc tính quan trọng trong thiết kế của bất kỳ kết cấu bê tông nào. Nócũnglàtínhchấtđượcđolườngthườngxuyênnhất.Phươngphápthửmẫunénhình trụvàhìnhlậpphươngsửdụngchobêtôngthôngthườngvẫnthíchhợpđểxácđịnh cườngđộnénUHPC.Tuynhiên,cóthểcầnsửađổinhỏđốivớiphươngphápthửnghiệm và phân tích sốliệu.
Graybeal đã thống kê cường độ nén của gần 1.000 mẫu thử với 4 điều kiện bảo dưỡng khác nhau như sau:
Bảo dưỡng bằng hơi nước ở 194F (90℃) và độ ẩm tương đối 95% trong 48 ) và độ ẩm tương đối 95% trong 48 giờ,bắtđầu từ khoảng 24 giờ sau khiđúc.
Bảo dưỡng bằng hơi nước ở 140°F (60℃) và độ ẩm tương đối 95% trong 48 ) trong 48 giờ bắt đầu từ khoảng 24 giờsaukhi đúc.
Bảo dưỡng bằng hơi nước ở 194°F (90℃) và độ ẩm tương đối 95% trong 48 ) trong 48 giờ bắt đầu từ khoảng
Bảo dưỡng trong điều kiện phòng thí nghiệm (73°F (23℃) và độ ẩm tương đối 95% trong 48 ) và độ ẩm môitrườngxungquanh).
Hầu hết các thử nghiệm được tiến hành bằng mẫu hình trụ (76 x 152 mm) với hai đầu đượcmàiphẳngđảmbảođộsongsonggiữacácmặttrongkhoảng1độ.Cácthửnghiệm thường sử dụng các quy trình của ASTM C39, ngoại trừ tốc độ tải được tănglên MPa/s và tấm chịu lực hình cầu có đường kính 165 mm đã được sửdụng.
Cường độ nén trung bình của bê tông đo được tại 28 ngày tuổi đối với sáu mẫu hìnhtrụ được bảo dưỡng bằng phương pháp trên lần lượt là 28,0, 24,8, 24,8 và 18,3 ksi (193, 171, 171, và 126MPa). Độ đặc chắc của UHPC nằm trong khoảng từ 150 đến 156 lb / ft3 (2.400 đến 2.500 kg/ m 3 ) Trong mỗi chế độ bảo dưỡng, cường độ nén tăng nhẹ khi tỷ trọng tăng lên.
Grybeal cũng đã nghiên cứu ảnh ưởng của mẫu hình trụ và mẫu hình lập phương đến việc đo cường độ chịu nén của bê tông bằng cách sử dụng các mẫu có kích thước khác nhau: 2- by 4-inch, 3- by 6-inch, 4- by 8-inch, and 3- by 6.5-inch (51- by 102-mm, 76- by 152-mm, 103- by 203-mm, and 76- by 165-mm) hình trụ and 2- and 3.94-inch (51- and 100-mm) hình lập phương Kết quả đo được giao động trong khoảng 8% so với cường độ nén mẫu hình trụ (76- by 152-mm) Mẫu hình lập phương có cường độ lớn hơnkhoảng5%cườngđộmẫuhìnhtrụ.KếtquảtươngtựcũngthuđượcbởiOrgassand Klug Kích thước mẫu hình trụ và hình lập phương càng nhỏ thì độ giao động trongkết quảthínghiệmcàngcao.Magureanuv à cộngsựbáocáorằng,mẫuthínghiệmhìnhlập phương 3.9-inch (100-mm) thấp hơn khoảng 20% cường độ thu được từ mẫu có kích thước 2.0- inch(50-mm).
Graybeal cũng báo cáo rằng, tốc độ gia tải trong khoảng 0.24 and 1.7 MPa/s có ảnh hưởngđángkểđếnviệcđocườngđộchịunén,môđunđànhồivàhệsốPoisson.Skazlic và cộng sự đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước mẫu nén hình trụ đến cường độ chịunéncủa10loạihỗnhợpUHPC.Kíchthướchìnhtrụlà70,100,and150mmvớitỷ lệ chiều dài/đường kính là 2:1 Giả thiết lấy mẫu hình trụ 100 – 200 (mm) làm tiêu chuẩn, các tác giả đề xuất hệ số chuyển đổi 1,05 đến 1,15 cho cường độ của mẫu hình trụ 70 - 140 (mm) và 0,85 đến 0,95 cho cường độ đo được của mẫu hình trụ 150 - 300 (mm).
Dựa trên phân tích hồi quy từ dữ liệu thí nghiệm thu được của từng hỗn hợp cụ thể, Graybeal xác định rằng độ tăng cường độ nén của UHPC được bảo dưỡng trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn có thể được biểu diễn bằng phương trình(1-1) cho khoảng thời gian sau nào sau 0,9 ngày.
f’ct: cường độ chịu nén UHPC ở ngày thứt
F’c: Cường độ chịu nén UHPC ở 28ngày
t: thời gian theo ngày sau khi đổmẫu
Graybeal gần đầy hoàn thành một nghiên cứu tiếp theo, tập trung vào việc mức độ sẵn sàng, tiện lợi trong việc đưa UHPC vào đổ các cấu kiện kết nối ngoài hiện trường Một hỗn hợp thiết kế độc lập được bảo dưỡng 105°F (41°C), 73°F (23°C), and 50°F (10°C) để đánh giá tốc độ phát triển tính cường độ chịu nén của hỗn hợp Thời gian bắt đầu hình thành cường độ nén được thể hiện trong công thức(1-2) Mối quan hệ giữa nhiệt độ bảo dưỡng và cường độ chịu kéo được thể hiện trong công thức(1-3) Các thông số liên quan đến công thức 3 được liệt kê trong Hình 6. t start 2.8
tstart: thời gian hình thành cường độ theongày
T: nhiệt độ bảo dưỡng( ).℃) và độ ẩm tương đối 95% trong 48
f’c,t: cường độ chịu nén ở ngày thứ t sau khi tạomẫu
tstart: thời gian hình thành cường độ theongày
a: Hệ số hồi quy theongày
b: hệ số hồi quy không đơnvị.
Bảng 1.4 Các thông số hồi quy của công thức (1-3) Điều kiện bảo dưỡng T(°C) (ksi) a(days) b
Kazemi và Lubell cũng khảo sát cườngđộchịu nén như một hàm của thời gian sau khi đổ mẫu Nguồn số liệu địa phương từ Miền Trung Canada được tìm thấynhưmốiquan hệ trong công thức(1-3), vớia=4 vàb= 0.5 hoặc 0.6 phụ thuộc vào hàm lượng cốtsợi.
Schmidt and Frửhlich bỏo cỏo rằng sự khụng đồng đều củabềmặt mẫu khi thớ nghiệm nénsẽdấntớiviệcgiảmcườngđộnénđođượccủaUHPCsovớibêtôngthôngthường.
Thí nghiệm nén một trục của UHPC tại những các cấp nhiệt độ khác nhau cho thấy, cườngđộchịunéncủaUHPCgiảmkhinhiệtđộthínghiệmtănglên.Tuynhiên,mộtsố hoặc tất cả cường độnàyđược phục hồi khi nhiệt độ mẫu giảmxuống.
Richard báo cáo rằng, cường độ chịu nén đạt được đến 550 MPa khi bảo dưỡng trong môi trường áp suất cao và nhiệt độ cao 480°F (250°C) Với áp suất, cường độ chịu nén cóthểđạtđượcđến810Mpa.Vớiquátrìnhtạomẫuthôngthườngvànhiệtđộbảodưỡng ở194°F(90°C),cườngđộchịunénđạtđược40ksi(280MPa).ThínghiệmUHPCdưới tác dụng của tải 3 trục cũng đã được nghiên cứu và báo cáo bởi Curbach và Speck, Leutbecher vàFehling.
Rất nhiều kết quả nghiên cứu khác được nghiên cứu và công bố rộng rãi về nghiên cứu vàứngdụngcủaUHPC.Nhữngsốliệunàychothấysựhìnhthànhcườngđộ,cườngđộ của UHPC phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu thành phần, tỷ lệ cấp phối và điều kiện bảo dưỡng.
Trong thiết kế kết cho bê tông thông thường, cường độ chịu kéo của bê tông được xemnhư không đáng kể trong thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép và thường được lấy là 6fc 'trong thiết kế dầm bê tông dự ứng lực.
Cường độ kéo của UHPC cao hơn so với bê tông thông thường và UHPC có khả năng tiếp tục tăng cường độ và độ bền sau khi xuất hiện vết nứt nứt đầu tiên Do đó, kết quả của các thử nghiệm về độ bền kéo của UHPC thường được đo lường cả giá trị của độ bền tại vết nứt đầu tiên (first-cracking strengh) cũng như độ bền tại thời điểm cườngđộ đạt đỉnh (post-cracking strength) Do đó, độ bền kéo ngày càng có tầm quan trọng như một đặc tính cần xem xét trong thiếtkế.MộtvídụvềphảnứngứngsuấtcăngkéothuđượctừmẫuUHPCgiacố2%thểtíchcốt sợi thép đượcGraybeal ghi lại và được thể hiện trongHình1.3.
Biến dạng trục trung bình Hình 1.3 Đường cong ứng- biến dạng kéo của vật liệu UHPFRC
Graybeal đã đề xuất đường cong ứng suất – biến dạng điển hình của vật liệu UHPFRC, như được thể hiện trongHình 1.4 Đường cong này được dựa trên thí nghiệm kéo của 02loạiUHPCvớinhiềuhàmlượngcốtsợikhácnhau.Nóđượcxemnhưlàmộtđềxuất đặctrưngvềứngsuất–biếndạngtạivếtnứtđầutiênvàvếtnứtđỉnhcủaloạivậtliệucó khả năng tăng cứng “strain – hardening response” Ứng xử kéo được chia thành 4 giai đoạn.GiaiđoạnIlàbiếndạngdànhồi.GiaiđoạnIIlàgiaiđoạnxuấthiệnnhiềuvếtnứt khoảngcáchnhỏtrongvữabêtôngUHPC.Cácvếtnứtxảyrariênglẻkhiứngsuấtvữa vượt quá cường độ nứt của nó Giai đoạn III bắt đầu ở cấp độ biến dạng, trong đó, các vết nứt khác bắt đầu hình thành, xen kẽ giữa các vết nứt xuất hiện trong giai đoạn II. Cácvếtnứtbắtđầupháttriểnvàmởrộngtronggiaiđoạnnày.Cuốicùng,GiaiđoạnIV bắt đầu khi một vết nứt riêng lẻ đã đạt đến giới hạn biến dạng của nó và các cốt sợi bắt ngang qua vết nứt bắt đầu bị tuột ra khỏi vữa bê tông Trong bê tông cốt sợi tăng cứng biến dạng, cường độ kháng nứt của các cốt sợi bắc qua vết nứt mở rộng cục bộ lớn hơn cường độ nứt ở nơi xảy ra nhiều vết nứtnhỏ.
Cường độ kéo trungbình(Mpa) Cường độ kéo trung bình (ksi) Đàn hồi
Nhiều vết nứt nhỏ Vết nứt biến dạng Nứt cục bộ
Cốt sợi níu Vết nứt
Biến dạng kéo Hình 1.4 Đường cong ứng- biến dạng kéo điển hình của vật liệu UHPFRC
Cácphươngphápthínghiệmtiêuchuẩnkéođượcthiếtkếđểđánhgiácườngđộnứtcủa bê tông thông thường có thể thích hợp để đánh giá cường độ nứt đầu tiên của UHPC, nhưngkhôngthíchhợpđểđánhgiáphảnứngkéosauvếtnứtđầutiêncủaUHPC.ASTM C78— Phương pháp thử tiêu chuẩn cho cường độ uốn của bê tông (sử dựng đầm đơn giản 3 điểm tiếp xúc) và ASTM C496 — Phương pháp thử tiêu chuẩn xác định cường độépchẻcủamẫubêtônghìnhtrụthuộcloạinày.Cảhaiphươngphápthửđềubaogồm các giả định về pứng xử cơ học không phù hợp với loại bê tông gia cố cốt sợi và do đó không phản ánh được ứng xử kéo củaUHPFRC.
CHƯƠNG TRÌNH VÀ THIẾT BỊTHÍNGHIỆM
Chương trìnhthínghiệm
Trong nghiên cứu này, một chương trình thử nghiệm được thiết kế để khảo sát ảnh hưởng của hàm lương cốt sợi và tốc độ gia tải đến khả năng kháng uốn của vật liệu UHPFRC, như thể hiện trongHình 2.1: sáu loạt mẫu được đúc và thử nghiệm Ký hiệu của từng loạt mẫu được đặt theo hàm lượng cốt sợi (05, 15 tương ứng với hàm lượng cốtsợilà0.5vol.-%và1.5vol.-%);tốcđộgiatải(“S”tươngứngvớitảitrọngtĩnh,“h1” và “h2” tương ứng với tốc độ gia tải cảo mức 1 và mức 2) Thí nghiệm kiểm tra cường độ chịu nén của từng loại mẫu cũng được tiến hành Kích thước mẫu thí nghiệm chịu uốn là 50 x 50 x 210 (cm), còn mẫu thí nghiệm chịu nén là mẫu hình lập phương, kích thước 50 x 50 x 50(cm).
(vol.%) Thínghiệmuốn Ký hiệu Ảnh hưởng của tốc độ gia tảiHình 2.1 Chương trình thí nghiệm
Thành phần cấp phốivậtliệu
2.2.1 Đặcđiểm chung các vật liệu thành phầnUHPFRC
Như đã đề cập trong Chương 1, các tác giả khác nhau có thể sử dụng thành phần vật liệu, tỷ lệ cấp phối khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện nghiên cứu, vào điệu kiện vật liệu địa phương…nhưng đều tuân thủ trên những yếu tố chính sau:
Nguyên tắc cơ bản để cải thiện các tính chất của bê tông là tăng độ đặc của vữa xi măng và cải tiến vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và hạt cốt liệu Với bê tông UHPFRC tỷ lệ N/Xcóthểtừ0,2đến0,25.VớiRPCtỷlệN/Xlàtừ0,17đến0,19.Chấtkếtdínhcủabê tông UHPFRC bao gồm xi măng, muội silic và dần được thay thế bằng các bột quartz có đường kính trung bình là 10μm Cốt liệu lớn thường được dùng là cát quartz có cỡ hạtm Cốt liệu lớn thường được dùng là cát quartz có cỡ hạt lớn nhất từ 0,5 đến1mm.
Nângcaotínhđồngnhấtcủabêtôngbằngcáchgiớihạnlượngcốtliệuthô.Chúngtađã biếtrằngvùngchuyểntiếpgiữađáximăngvàcáchạtcốtliệuthườnglànơibắtđầucác vết vi nứt do sự khác nhau về các tính chất cơ học và vật lý của chúng Kích thước lớn nhất của cốt liệu trong UHPFRC đó được khuyến cỏo là cần phải nhỏ hơn 600àm thỡ muội silic tối ưu là khoảng 30% so với lượng xi măng Do đó hàm lượng muội silic trong UHPFRC thường khoảng 25 - 30% so với khối lượng ximăng.
Nâng cao độ đặc của hỗn hợp bột Hỗn hợp có sự phân bố kích thước rộng có độ rỗng giữa các hạt nhỏ Điều này có nghĩa là hỗn hợp bột được phối hợp từ một số các loại bột.
Cải thiện tính chất của vữa bằng cách giảm tỉ lệN/X.
Nângcaocấutrúcvimôcủabêtôngbằngcáchxửlýnhiệtsaukhininhkết.Từnăm 1994 các nghiên cứu mạnhmẽđã được thực hiện ở Pháp và Canada Lượng dùngxi măng trong loại bê tông UHPFRC đầu tiên nằm trong khoảng 900 – 1000kg/m 3
Nâng cao độ đặc của bê tông bằng các tối ưu hóa thành phần hỗn hợp và kết hợp việc sử dụng công nghệ trộn và bảo dưỡng thíchhợp.
Tăng cường độ dẻo độ dai của bê tông bằng cách sử dụng các sợi thép chất lượng cao và kích thước nhỏ (d, l) và hàm lượng hợp lý 2 - 6 % theo thểtích.
Cảithiệncáctínhchấtcủavữabằngcáchchothêmphụgiapuzzolan,vídụnhưmuội silic Hiệu quả thay đổi của muội silic trong bê tông được cho là do các pu zơ lancủa nó phản ứng vớiCa(OH)2và lấp đầy vào các lỗ rỗng giữa các hạt xi măng hoặccác hạt vật liệu thành phần khác Với bê tông sử dụng các loại xi măng pooclăng thông thường, lượng muội silic 18%, so với khối lượng, xi măng là đủ để phản ứnghếtvớiCa(OH) 2 đượctạoradoximăngthủyhóa.Tuynhiên,đểchènkíncáclỗrỗngthì muội silic tối ưu là khoảng 30% so với lượng xi măng Một hình ảnh đặc trưng vềtínhđặcchắccủabêtôngUHPFRCsovớibê tôngthôngthường,đượcphóngđại dưới kính hiển vi điện tử quét với độ phân giải cao được thể hiện trongHình 2.2.
Hình 2.2 Cấu trúc đặc chắc của vật liệu UHPFRC dưới kính siêu phóng đại [33]
Xi măng thường được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM, được chia ra làm 5 loại. Thông thường UHPFRC thường sử dụng xi măng nhóm I với cấp xi măng là 42,5 hoặc52,5MPa.ỞViệtNamthườngchỉchếtạođượcximăngPC40chonênvậtliệu được lựa chọn sẽ là xi măng PC40(Hình2.3).
XimăngPoocLănglàchấtkếtdínhvôcơrắntrongnướcvàkhicứngrắncóthểbền nước,chứa70-đến80%silicatcanxivà15% aluminatcanxi,làsảnphẩmthuđược từ quá trình nghiền mịn củaclinker.
Xi măng có thành phần hóa khoáng theo ASTM nhưsau:
Bảng 2.1 Thành phần khoáng vật (%) theo ASTM
Hình 2.3 Xi măng loại I dùng để chế tạo UHPFRC Trong đó:
Nhóm 1 và 2 là xi măng tiêu chuẩn, chế độ nhiệt bìnhthường.
Nhóm 3 là nhóm cần lưu ý về chế độnhiệt.
Nhóm 4 và 5 dùng cho kết cấu bê tông đặc biệt (ít tỏanhiệt).
Chất kết dính có vai trò chủ chốt trong việc liên kết các loại vật liệu rời rạc thành khối bêtôngđồngnhất.Tuyvậyquánhiềuchấtkếtdínhsẽlàmbêtôngcócườngđộthấpvà độ bền không tốt, ảnh hưởng đến môi trường Việc sản xuất bê tông cường độ cao gắn liền với việc giảm lượng chất kết dính trong hỗn hợp và thay vào đó là những phụ gia khoáng với cỡ hạtnhỏ.
2.2.1.3 Cốt liệulớn Để chế tạo bê tông siêu cường độ, từ năm 1999 đến nay, người ta thường sử dụng cát quartz Việc sử dụng cát quart với kích thước hạt nhỏ sẽ làm cho tính đặc chắc của bê tông được tăng cao, không những vậy cường độ của bê tông đồng thời cũng được cải thiện đáng kể và giảm được hàm lượng chất kết dính.
TínhchấtcủacátQuarzt:CátquarztdùngđểchếtạoUHPFRClàloạicátcóđườngkính nhất định sau khi nghiền mịn đá quarzt gốc và sàng với kích thước nhỏ tùy theo từng yêu cẩu của mỗi thí nghiệmmàngười ta có kích thước hạt cát quart riêng Một trong nhữngyêucầu về cát quazt được thống kê trongBảng 2.2và hình ảnh về cát được thể hiện trongHình2.4.
Bảng 2.2 Cấp phối của cốt liệu cát (% lọt sàng)
Cát quarzt ở trên có tỉ trọng khối là 2680 kg/m 3
Hình 2.4 Cát quarzt dùng để chế tạo UHPFRC
TheobáocáovềthànhphầnUHPFRCởchâuÂuchothấyrằngsợithépsẽlàmtăngtính dẻo và dai củaUHPFRC, hấp thụ năng lượng do các tải trọng va chạm và tăng cường khả năng chịu lực sau vết nứt đầu tiên Người ta khuyến cáo sử dụng các sợi thép có đường kính 0,25mm và chiều dài17mm, giới hạn chảy là 200MPa
TheocácnghiêncứuởThổNhĩKỳthìđềnghịsửdụngsợithépl=6mmvàd=0,15mm, khốilượngriênglà7,85g/cm 3 ,giớihạnchảylà2250MPa.TheocácnghiêncứuởThuỵ Sỹ thì đề nghị sử dụng sợi thép l = 25mm và đường kính là d = 0,16mm Theo tài liệu của uỷ ban đường cao tốc hoakỳvào tháng 5 năm 2005 sợi thép được sử dụng do công tyBekaertcóđườngkínhlà0,2mm,dài12,7mmvàcógiớihạnchảylà2600Mpa.Sợi thép loại Dramix kí hiệu là OL13-20 có đường kính d = 0,2 mm chiều dài l = 13 mm, thuộc loại chất lượng cao Giới hạn chảy là 2000 Mpa Sợi thép được chế tạo phù hợp vớitiêuchuẩnISO9001vớigiáthànhlà2,2USD/kg.HàmlượngsợithépchoUHPFRC 200 là 2/1000 theo thể tích Với UHPFRC 500 - 800 thì hàm lượng sợi thép là 6% theo thểtích.ThànhphầnhoáhọccủasợithépđượcgiớithiệutrongBảng2.3,trongkhihình ảnh một số cốt sợi thép được thể hiện trongHình2.5.
Cốt sợi théo trơn (l= 30 mm, d= 0.3 mm) Cốt sợi thép trơn (l= 13 mm, d= 0.2 mm)
Cột sợi thép có gờ (l= 30 mm, d= 0 3 mm) Cốt sợi thép xoắn (l = 30 mm, d= 0
373 mm)Hình 2.5 Các loại sợi thép thường dùng chế tạo UHPFRC
Bảng 2.3 Thành phần hoá học của sợi thép
Thành phần hoá học Hàm lượng (%)
Là một sản phẩm phụ được lấy ra từ quá trình nung thạch anh với than đá trong các lò hồquangđiệntrongngànhsảnxuấtsiliconvàcáchợpkimthépsiliconkhóinàycóhàm lượng dioxit silicon vô định hình cao và chứa các tinh thể hình cầu rất mịn thu được từ khí thoát ra khỏi lò.
Muội silic vì có hàm lượng oxit silic và độ mịn cực cao nên là vật liệu có hiệu quả tính Pozzolanic cao Khói oxit silic phản ứng với đá vôi trong quá trình hydrat hóa xi măng đểtạorahợpchấtkếtdínhbềnvững-CSH(canxioxitsilichydrat).Tínhsẵncócủahỗn hợpkhửnướcphạmvicaođãlàmthuậntiệnviệcsửdụngkhói oxitsilicnhưlà mộtvật liệu kết dính trong bê tông để tạo ra cường độ cao Hàm lượng khói oxit silic thông thường nằm trong phạm vi từ 5-15% lượng ximăng.
Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng của hạt xi măng và độ rỗng trong các gel đá xi măng thể hiện qua đường kính hạt của phụ gia khoáng siêu mịn Ở đây, có đường kính hạt nhỏ d