Nghiên cứu thí nghiệm sức chịu tải của cột ngắn ống tròn bê tông cường độ siêu cao uhpc nhồi bê tông thường

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

1.1.1 Hiện tượng kiềm chế nở hông ngang trong cột liên hợp BTCT

Dưới tác dụng của lực nén lên cột bê tông cốt thép (BTCT) thì cột có hiện tượng nở hông ngang và gây ra trong bê tông ứng suất kéo Trạng thái ứng suất kéo này vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông thì sẽ gây phá vỡ bê tông dẫn tới giảm cường độ chịu lực và phá hoại cột BTCT Cốt thép đai trong cột BTCT có tác dụng làm giảm độ nở hông của bê tông và được coi là kiềm chế nở hông bị động (passive confinement) Ngoài ra cột BTCT còn tồn tại kiềm chế nở hông chủ động (active confinement) khi được cấu tạo của nó là kết hợp từ nhiều lớp vật liệu bên ngoài như ống thép, dải thép, ống polymer (Fiber Reinforced Polymer – FRP) Các loại vật liệu này được coi là các vật liệu truyền thống trong cột liên hợp với các tên gọi là cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube – CFST), cột ống polymer nhồi bê tông (xem Hình 1.1)

Hình 1.1 Cột liên hợp bê tông ống thép, bê tông ống FRP: (a) Cột ống thép nhồi bê tông (CFST), (b) Cột ống FRP nhồi bê tông (Nguồn: Internet)

Cơ chế chịu lực của cột liên hợp BTCT với ống thép hay FRP được thể hiện qua Hình 1.2 Giả sử cột có ống thép nhồi bê tông chịu một lực nén là N, trong giai đoạn gia tải ban đầu, thép và bê tông đều có hiện tượng nở hông ngang, tuy nhiên bê tông có hệ số nở hông (khoảng 0,2) nhỏ hơn so với thép (khoảng 0,3) nên sự làm việc kết hợp giữa thép và bê tông chỉ thông qua ma sát dính bám tự nhiên giữa hai loại vật liệu Trong đó, ống thép chiu ứng suất dọc trục là σsl, trong khi đó bê tông chịu ứng suất nén dọc trục là σcl, nghĩa là hai vật liệu vẫn đang làm việc ở trạng thái ứng suất

7 đơn trục Khi tải nén gia tăng đến một lúc nào đó thì hệ số nở hông của bê tông sẽ lớn hơn so với thép, lúc này sẽ có sự tương tác giữa hai loại vật liệu với nhau ở trạng thái ứng suất đa trục Ở giai đoạn chịu tải này, vỏ thép có tác dụng kiềm chế sự nở hông của bê tông và sinh ra ứng suất ngang σlat tác dụng lên bê tông Theo đó, trạng thái ứng suất ba trục của bê tông sẽ bao gồm ứng suất nén dọc trục σcl và ứng suất ngang do kiềm chế nở hông σlat, trong khi vỏ thép ở trạng thái ứng suất hai trục bao gồm ứng suất nén dọc trục σsl và ứng suất vòng σst

Hình 1.2 Cơ chế chịu lực có kiềm chế nở hông của cột ống thép (hoặc FRP) nhồi bê tông [1]

Theo nghiên cứu của Frank Erwin Richart và cộng sự vào năm 1928 [1], khi kiềm chế nở hông phát triển, thì cường độ (strength) và độ dẻo (ductility) của lõi bê tông ở bên trong được tăng lên, từ đó làm tăng cường độ và độ dẻo của cột liên hợp (xem Hình 1.2) Nghiên cứu đã tìm ra phương trình xác định cường độ của bê tông tăng do ảnh hưởng của ứng suất nở hông σlat như sau:

Trong đó: f cc : là cường độ của bê tông bị tác dụng của nở hông f co : là cường độ của bê tông không nở hông khi chịu nén một trục

Hệ số k là hệ số ba trục và được lấy theo kinh nghiệm từ các kết quả thí nghiệm lõi bê tông thường

Nghiên cứu của John Mander và cộng sự vào năm 1988 [2] đề xuất phương trình để xác định biến dạng nén dọc trục ε cc tương ứng với điểm ứng suất cực đại f cc như sau (Hình 1.3): lat co cc f k f = + 

Trong đó: εco: là biến dạng tương ứng tại ứng suất cao nhất fco của bê tông không nở hông

Hình 1.3 Quan hệ đường cong ứng suất – biến dạng cho bê tông nở hông và không nở hông [3]

Cột ống thép nhồi bê tông hoặc việc sử dụng những dải thép để gia cố cột BTCT là những phương pháp truyền thống được áp dụng rộng rãi bởi khả năng chịu tải và độ dẻo cao do kiềm chế nở hông ngang của thép truyền vào lõi bê tông Tuy nhiên, xét về độ bền của vỏ thép bị ảnh hưởng rất nhiều bởi sự ăn mòn làm tăng nhiều cho chi phí bảo trì công trình sau đó Ngoài ra ống cốt sợi polyme cũng được ứng dụng cho việc tăng cường độ và ảnh hưởng nhiều đến tính dẻo của cột BTCT bởi vì đặc tính nổi bật của FRP như: cường độ kéo cao, trọng lượng bản thân nhẹ, khả năng chống ăn mòn và thuận tiện để lắp đặt Mặc dù vậy đặc tính cơ lí của cốt sợi polyme bị tác động rất nhiều bởi nhiệt độ cao với sự suy giảm cường độ nhanh Do đó bê tông kiềm chế nở hông bởi cốt sợi polyme không phù hợp với môi trường nhiệt độ cao Xét đến việc sử dụng cốt sợi polymer, một vài nhược điểm bị gây ra bởi lực dính bám với bê tông Ví dụ như độ bền của chất dính bám giữa bê tông và cốt sợi polymer bị suy giảm rất nhiều trong các điều kiện của môi trường như yếu tố thời tiết, nhiệt độ, môi trường biển và ngoài khơi Đối với cột BTCT kiềm chế nở hông bị động bởi cốt đai vòng, lớp bảo vệ bằng bê tông thường thì sẽ bị nứt và phá vỡ trước khi đạt tới tải

9 trọng cực hạn Theo đó sẽ không có tác động nào từ việc kiềm chế nở hông tới việc chịu tải của cột BTCT

Từ những vấn đề đã đề cập ở trên, việc nghiên cứu tìm ra một vật liệu liên hợp bên ngoài với lõi bê tông thường là hết sức cần thiết với mục đích khắc phục được các nhược điểm của ống thép, ống FRP và ngay cả cột BTCT thường Trên cơ sở đó học viên đã nghiên cứu tìm tòi hướng ứng dụng bê tông cường độ siêu cao UHPC để chế tạo ống nhồi bê tông thường bên trong như một loại cột liên hợp mới và đầy tiềm năng ứng dụng.

Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 2011, Bùi Đức Vinh và Nguyễn Văn Chánh [4] đã chỉ ra đặc tính cơ học của loại bê tông siêu cao khi có và không có cốt liệu lớn Trong nghiên cứu này, tác giả đã chỉ ra các nguyên lý chế tạo UHPC và sử dụng UHPC có hạt cốt liệu lớn hơn 1.18 mm có thể làm giảm hàm lượng xi măng, silicafume, bột sử dụng, bê tông có độ co thấp Tuy nhiên, vẫn giữ đc các đặc tính cơ bản của UHPC như tính tự chảy từ 650 mm và có cường độ chịu nén từ 150 MPa

Năm 2015, tác giả Trần Bá Việt và Lê Xuân Lâm đã chỉ ra ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến tính chất của bê tông tính năng cao UHPC để cải thiện khả năng chịu uốn của bê tông [5] Bê tông tính năng siêu cao (UHPC có một hàm lượng lớn các loại hạt mịn (nhỏ hơn 0,075 mm) nên có cường độ rất cao và có thể tăng cường độ chịu uốn và tăng độ dẻo cho bê tông khi tăng thêm vào lượng lớn sợi thép Kết quả nghiên cứu về việc chế tạo UHPC cốt sợi thép mảnh (sợi thép có chiều dài 13 mm và đường kính 0,2 mm) đã được tác giả Trần Bá Việt trình bày, với cường độ chịu nén đạt lên đến 140 MPa và cường độ chịu uốn đã vượt quá 30 MPa, khi hàm lượng sợi thép đạt tới 4% theo thể tích của bê tông

Cũng vào năm 2015, nghiên cứu về sự ứng xử của bản bê tông cốt sợi thép có đặc tính siêu cao đã được các tác giả Trần Bá Việt và cộng sự trình bày, phân tích

[6] Kết quả khảo sát thực nghiệm trên các bản bê tông cốt sợi thép tính năng siêu

10 cao đã dẫn đến các quan sát và phân tích sau: mối liên hệ giữa tải trọng và độ dao động, tương quan giữa tải trọng và biến dạng, sự hình thành của vết nứt trên bề mặt của các bản bê tông cốt sợi thép tính năng siêu cao Mục tiêu của việc này là để sử dụng thông tin trong việc thiết kế các bản mặt cầu treo

Năm 2017, tác giả Nguyễn Văn Tuấn và cộng sự đã giới thiệu sách “Bê tông chất lượng siêu cao” với nội dung tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng

UHPC trong nước và trên thế giới [7] So sánh kết quả nghiên cứu của cùng một nhóm tác giả ở nhiều quốc gia khác nhau với các kết quả thu được tại Việt Nam Các kết quả nghiên cứu bao gồm nhiều khía cạnh khác nhau của UHPC, từ quá trình thủy hóa và cấu trúc vi mô của vật liệu đến các tính chất của UHPC Dựa trên những kết quả này, những tác giả có thể thực hiện đánh giá và phân tích chi tiết về cách sử dụng UHPC trong các ứng dụng cụ thể trên các công trình xây dựng

Vào năm 2017, bài báo của tác giả Lê Thành Chung [8] đã được thực hiện nghiên cứu về tác động của kích thước mẫu đối với khả năng chịu uốn của bê tông chất lượng siêu cao (UHPC), một dạng bê tông thế hệ mới với cường độ chịu nén thường vượt quá 150 MPa và cường độ chịu uốn trong khoảng từ 15 đến 40 MPa, có tính năng vượt trội so với các loại bê tông cường độ cao khác Kết quả nghiên cứu về tác động của các phương pháp dưỡng hộ và điều kiện môi trường đối với cường độ chịu nén của bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) cho thấy rằng ở điều kiện dưỡng hộ với nhiệt độ và độ ẩm cao (90 ± 2°C, RH ≥ 95%), cường độ nén của bê tông cao hơn so với mẫu dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (20 ± 2°C, RH ≥ 95%) Hơn nữa, sau khi kết thúc quá trình dưỡng hộ nhiệt độ và độ ẩm, mẫu bê tông sau khi được làm nguội và tiếp tục dưỡng hộ trong điều kiện không khí thường sẽ có cường độ cao hơn so với mẫu được dưỡng hộ trong nước

Năm 2019, nghiên cứu thực hiện bởi tác giả Lê Bá Danh và cộng sự của ông đã tiến hành thử nghiệm về khả năng chịu tác động của tải trọng nổ đối với bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC) [9] Các tấm bê tông UHPC và bê tông thông thường có cùng kích thước (chiều dài 1000 mm, chiều rộng

800 mm và chiều dày 120 mm) đã được sản xuất và tiến hành thử nghiệm bằng tải

11 trọng nổ để so sánh hiệu suất Loại thuốc nổ nhũ tương đã được sử dụng trong thử nghiệm Những thiệt hại và sự phá hủy ở mặt trên và mặt dưới của các mẫu thử nghiệm cùng với thành phần hạt vụn của các mảnh bị nổ ra do tải trọng nổ đã được phân tích và đối chiếu giữa bê tông UHPC và bê tông thông thường Kết quả cho thấy rằng bê tông chất lượng siêu cao có khả năng chịu tác động của tải trọng nổ cao hơn đáng kể so với bê tông thông thường Việc sử dụng sợi thép trong bê tông UHPC giúp hạn chế sự hình thành của các vết nứt trên vật liệu này do tải trọng nổ ít gây ra Trọng lượng và kích thước của các mảnh vụn nổ trên các mẫu UHPC nhỏ hơn rất nhiều so với các mẫu bê tông thông thường

Năm 2020, tác giả Lê Hoàng An cùng nhóm nghiên cứu đã tiến hành một đề tài nghiên cứu tại bộ GTVT về phương pháp gia cường cột bằng bê tông UHPC [10] Nghiên cứu này trình bày kết quả và phân tích ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép (BTCT) thường bọc lớp bê tông cường độ siêu cao UHPC (Ultra-High

Performance Concrete - UHPC) để gia cường thông qua thực nghiệm UHPC được thiết kế cấp phối để đạt cường độ chịu nén tối thiểu 120 MPa Các cột ngắn BTCT có tiết diện tròn sử dụng bê tông thường được chế tạo sau đó được bọc một lớp bê tông cường độ siêu cao UHPC dày 10 mm bên ngoài Sợi thép được sử dụng với hàm lượng 0%, 1% và 2% cho bê tông UHPC Kết quả thí nghiệm cho thấy các cột gia cường có sức chịu tải lớn hơn nhiều so với cột đối chứng Khi nén trên toàn mặt cắt thì cột gia cường UHPC không sợi thép cho sức chịu tải tăng 73,38% so với cột BTCT thường đối chứng, trong khi đó cột gia cường UHPFRC sử dụng 1% và 2% sợi thép cho sức chịu tải cao hơn lần lượt là 109,23% và 123,73% so với cột BTCT thường đối chứng Ngoài ra, nhóm tác giả đã đưa ra nhận xét rằng các cột nén trên toàn mặt cắt cho sức chịu tải cao hơn nhưng độ dẻo dai lại thấp hơn nhiều so với nén trên lõi bê tông Khi hàm lượng sợi tăng thì làm sức chịu tải cũng như độ dẻo dai của cột gia cường tăng

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Năm 1998, nghiên cứu của tác giả Michel Samaan và cộng sự [11] đã trình bày việc bọc sợi hoặc bao bọc bê tông trong vỏ nhựa gia cố sợi (FRP) giúp tăng cường

12 đáng kể cường độ và độ dẻo của cột bê tông Tuy nhiên, việc thiết kế các hệ thống hybrid như vậy đòi hỏi một ước tính chính xác về việc nâng cao hiệu suất do cơ chế hạn chế Các quy trình thiết kế hiện tại là phần mở rộng đơn giản của các mô hình được phát triển cho cột bê tông cốt thép thông thường và đưa ra sự tương quan giữa tốc độ giãn nở (giãn nở) của bê tông và độ cứng đai vòng của cấu kiện

Năm 1999, nghiên cứu của Mohamed Saafi và cộng sự [12] đã tiến hành thực nghiệm và phân tích về tính năng của cột bê tông được giới hạn bằng ống composite carbon và thủy tinh FRP Ống FRP đổ bê tông được thử nghiệm dưới tải trọng nén một trục Các tham số kiểm tra bao gồm sợi, độ dày của ống và cường độ nén của bê tông Kết quả của các thử nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng ống FRP để bọc ngoài bê tông có thể cải thiện đáng kể cường độ, tính dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng của bê tông

Năm 2001, bài báo của tác giả Beni Assa và cộng sự [13] đã nghiên cứu mô hình phân tích ứng suất-biến dạng cho bê tông được giới hạn bởi thép xoắn ốc Mô hình này dựa trên sự tương tác giữa bê tông và thép xoắn ốc Tính chất biến dạng của bê tông khi chịu nén dọc trục được tạo ra tại nhiều vị trí và các đặc tính phản ứng của sự giãn nở theo chiều xoắn ốc đối với mặt bên của bê tông đã được xác định về mặt lý thuyết

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu thực hiện việc sử dụng bê tông chất lượng siêu cao UHPC để tạo ra ống mỏng và sử dụng nó để đổ bê tông thông thường trong môi trường Việt Nam, đây là một đề tài hoàn toàn mới Hiện tại, tác giả chưa tìm thấy bất kỳ nghiên cứu tương tự nào đã được thực hiện tại Việt Nam Vì vậy, đề tài mang tính thực tiễn và sáng tạo đáng kể UHPC và UHPFRC có cường độ chịu nén từ 120 MPa – 140 MPa trong điều kiện máy trộn ở Việt Nam, và cốt sợi thép có hàm lượng từ 0 – 2% Bên cạnh đó, kết quả từ đề tài có thể làm cơ sở quan trọng để áp dụng công nghệ mới này vào thực tế thi công để giảm giá thành và tăng tiến độ thi công cũng như làm cho cột BTCT có khả năng chịu lực và độ bền cao hơn so với truyền thống Qua nghiên cứu cũng sẽ làm cơ sở cho việc tiến hành các nghiên cứu khác sâu hơn Với những lý do như vậy, đề tài này tập trung giải quyết những nội dung chính như sau:

Lý thuyết tính toán sức chịu tải cột BT kiềm chế nở hông (confinement-effect) bởi lớp vật liệu gia cường bên ngoài;

Tổng hợp và đánh giá các nghiên cứu trên thế giới dùng UHPC để làm ống móng nhồi bê tông thường hoặc dùng để kiềm chế nở hông lõi bê tông bên trong; Khảo sát đặc tính cơ học của UHPC và UHPFRC dùng để chế tạo ống mỏng; Nghiên cứu chế tạo và thí nghiệm ứng xử dọc trục của cột bằng ống bê tông cường độ siêu cao UHPC (C120) nhồi bê tông thường (như Hình 5); Đánh giá kết quả thí nghiệm cường độ, độ dẻo, ứng xử lực – chuyển vị của cột liên hợp và từ đó đề xuất khả năng ứng dụng của bê tông cường độ siêu cao UHPC cho việc chế tạo ống mỏng để nhồi bê tông thường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu chính

- Thí nghiệm và đánh giá các đặc tính cơ học cơ bản của bê tông cường độ siêu cao UHCP không sử dụng cốt sợi và có sử dụng cốt sợi (UHPFRC) trong điều kiện Việt Nam bao gồm: cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn; UHPC được chế tạo có cường độ chịu nén từ khoảng 120 MPa;

- Thí nghiệm nén đúng tâm lõi bê tông thường (1);

- Thí nghiệm cột liên hợp lõi bê tông thường nhồi ống mỏng bằng bê tông siêu cao UHPC và UHPFRC dưới tác dụng của tải nén đúng tâm trên toàn bộ mặt cắt (2);

- So sánh hai trường hợp thí nghiệm (1) và (2);

- Đánh giá kết quả thí nghiệm cột liên hợp (2);

- So sánh kết quả thí nghiệm với dự đoán từ lí thuyết tính toán sức chịu tải của bê tông bị ảnh hưởng bởi kiềm chế nở hông;

- Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp UHPC (hay UHPFRC), ảnh hưởng của cốt sợi, hàm lượng cốt sợi (0%, 1%, 2%) đến sức chịu tải của cột BTCT được gia cường

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu chính

- Chế tạo và sử dụng cấp phối UHPC và UHPFRC có cường độ chịu nén 120 MPa (C120) để thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học cơ bản; Loại sợi sử

19 dụng dự kiến là: sợi thép thẳng có đường kính 0,3 mm, chiều dài 12 mm với hàm lượng 0%, 1% và 2%;

- Chế tạo và thí nghiệm nén đúng tâm 1 lõi bê tông thường tiết diện tròn có đường kính x chiều cao = DxH = 160x640 mm;

- Chế tạo và thí nghiệm nén đúng tâm 6 cột liên hợp ống bê tông cường độ siêu cao UHPC (UHPFRC) nhồi bê tông thường.

Phương pháp nghiên cứu

Các nghiên cứu được sử dụng trong đề tài:

- Phương pháp thu thập, phân tích, và tổng hợp thông tin đã được thực hiện như sau: Dữ liệu lý thuyết về tính toán sức chịu tải của cột bê tông cốt thép bị hạn chế đọng và chịu tải theo hướng nén, cũng như nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng bê tông cường độ siêu cao UHPC để kiểm soát đọng của bê tông thông thường, đã được thu thập thông qua nhiều nguồn thông tin khác nhau, bao gồm cả tài liệu từ các nguồn trong và ngoài nước, từ các bài báo khoa học đã được xuất bản

- Nghiên cứu: Tại phòng thí nghiệm, tiến hành nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: (1) Chế tạo bê tông UHPC; (2) Chế tạo lõi bê thường tiết diện tròn; (3) Làm ván khuôn để đổ ống bê tông cường độ siêu cao UHPC với chiều dày dự kiến 2 cm và 4 cm để nhồi bê tông thường vào bên trong; (4) Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học cơ bản của UHPC có sợi và không có sợi gồm: cường độ kéo nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi; (5) Thí nghiệm cột liên hợp ống mỏng UHPC nhồi bê tông thường: đường cong lực – chuyển vị, lực nén cao nhất, cách mẫu bị phá hoại.

Tính mới của luận văn

Hư hỏng cột BTCT là một vấn đề lớn đặt ra với ngành xây dựng bởi nhiều tác nhân hóa học, vật lí và cơ học Nên đã có nhiều nghiên cứu các phương pháp gia cường cho vấn đề này, tuy nhiên mỗi phương pháp gia cường khác đều có khuyết điểm riêng Có thể sử dụng phường pháp gia cường bọc thép bên ngoài cột bê tông cốt thép là một cách truyền thống với các khó khăn về nhân công, chi phí và yêu cầu an toàn kỹ thuật cao trong quá trình thi công Một phương pháp khác là liên kết các

20 dải thép hợp kim bên ngoài có nhược điểm là mối nối giữa các dải thép và nó chỉ phù hợp nhất với cột tròn., các dải thép tạo thành từng dải cách nhau phía ngoài cột giảm tính thẩm mỹ hoặc gây khó khăn ngay cả khi phủ thêm một lớp bê tông bên ngoài Với phương pháp khác nữa là Bọc cột BTCT bằng cách dán sợi FRP bên ngoài có khuyết điểm khó khắc phục là keo dùng để tạo dính bám giữa vật liệu FRP và bê tông sẽ có độ bền không tốt theo thời gian vì bị ảnh hưởng lớn bởi những tác nhân của môi trường bên ngoài như thời tiết mưa nắng, chênh lệch nhiệt độ, xâm thực Học viên quan tâm đến các nhược điểm cũng như sự khó khăn trong quá trình thí nghiệm, do đó học viên chọn đề tài khả thi cho quá trình tiến hành là thí nghiệm với loại cột ngắn ống tròn bê tông cường độ siêu cao UHPC nhồi bê tông thường Nghiên cứu này đã đưa ra được các kết quả thí nghiệm của mẫu cột bê tông chịu nén đúng tâm

Mẫu gồm lõi bê tông thường được bọc bên ngoài bằng lớp bê tông cường độ siêu cao UHPC UHPC được thiết kế cấp phối để đạt cường độ chịu nén tối thiểu 120 MPa Các cột chiều dài trung bình bằng bê tông có tiết diện tròn sử dụng bê tông thường, có cường độ chịu nén đạt 20 MPa Đường kính cột bê tông thường có hai loại là D = 60mm và D = 90mm Bê tông thường được rót vào lớp vỏ bê tông cường độ siêu cao UHPC Chiều dày lớp vỏ bê tông UHPC thay đổi từ 18 - 49mm Sử dụng sợi thép mạ đồng với hàm lượng 0%, 1% và 2% cho lớp vỏ bê tông UHPC

Tại Việt Nam, cho đến thời điểm hiện tại, chưa có nhiều nghiên về vật liệu Ultra-High Performance Concrete (UHPC) để gia cường cột bê tông cốt thép hoặc áp dụng vào việc cải tạo cầu trụ cũ UHPC đã mới được phát triển tại Việt Nam trong khoảng 10 năm trở lại đây và vẫn còn nhiều vấn đề khoa học cần phải được giải quyết Thực tế, việc áp dụng UHPC vào các kết cấu vẫn là một đề tài mới mẻ tại Việt Nam, từ quá trình nghiên cứu cho đến việc áp dụng thực tế

Hơn nữa, trên toàn thế giới, các nghiên cứu về việc sử dụng UHPC và Ultra- High-Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPFRC) để gia cường cột bê tông tráng kỹ vẫn còn là một đề tài mới và cần sự tiếp tục của nhiều nghiên cứu hơn nữa

Vì vậy, đề tài này đang đối diện với một thực tế rằng nó hết sức cần thiết và hứa hẹn có tính ứng dụng cao trong thực tế

TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG KIỀM CHẾ NỞ HÔNG TRONG CỘT NGẮN ỐNG TRÒN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO UHPC NHỒI BÊ TÔNG THƯỜNG

Giới thiệu chung về cột UHPC gia cường

Kết cấu bê tông chất lượng cao (UHPC) ngày càng được nghiên cứu và phát triển mạnh trên toàn thế giới, bao gồm khu vực ở Bắc Mỹ, châu Âu và châu Á Tại những quốc gia này, UHPC đã được dùng trong việc gia cường cột bê tông cốt thép (RC), tráng phủ bề mặt của các cầu, cột cầu, cọc đúc sẵn

Hình 2.1 Vách bê tông được gia cường bằng tấm UHPC [34]

UHPC là một loại vật liệu với khả năng chịu nén và kéo cao hơn so với bê tông truyền thống Vật liệu UHPC có độ bền sánh được với thép và có khả năng tự lèn cao Bên cạnh độ bền siêu cao và khả năng tự lèn, UHPC còn là vật liệu tiên tiến có độ dẻo cao Những đặc điểm này cho phép sử dụng UHPC trong các ứng dụng trong việc nâng cấp và sửa chữa kết cấu công trình

Tuy nhiên, vật liệu UHPC có giá thành cao hơn nhiều lần so với bê tông thông thường Do đó, yếu tố kinh tế cần được quan tâm khi sử dụng vật liệu UHPC cho kết cấu bê tông cốt thép UHPC chỉ nên được sử dụng ở các khu vực quan trọng trong công trình để đạt được hiệu quả kinh tế, hoặc nên được sử dụng với khối lượng nhỏ Chủ yếu là sử dụng trong sửa chữa kết cấu và làm ván khuôn cố định Cách tiếp cận

23 này mang lại hiệu quả về cả chi phí và độ bền so với các giải pháp truyền thống Đáng chú ý, UHPC có thể sử dụng tốt ở những nơi bê tông dễ bị xâm thực bởi nước

Hình 2.2 Cấu trúc giữa bê tông thường và bê tông cường độ siêu cao (UHPC): (a)

Bê tông thông thường Lỗ rỗng lớn, hàm lượng nước từ 0,5-0,7; (b) Bê tông hiệu năng siêu cao (UHPC) Lỗ rỗng lớn, hàm lượng nước từ 0,5-0,7 [7]

Ván khuôn cố định UHPC là một trong những cách tiếp cận xây dựng hiện đại Giải pháp có thể giúp giảm thời gian xây dựng kết cấu và đơn giản hóa quá trình xây dựng Ván khuôn cố định không chỉ có thể nâng cao tốc độ xây dựng, mà còn có thể giúp gia tăng khả năng chịu lực cho kết cấu Ngoài ra, ván khuôn cố định còn có thể giúp gia tăng khả năng biểu cảm của kiến trúc

Một số tác giả gần đây đã nghiên cứu sử dụng UHPC cho việc sửa chữa và hồi phục cột bê tông cốt thép Cột bê tông cốt thép (BTCT) thường chịu nhiều tác động từ môi trường theo các dạng tác động đa dạng như tác động hóa học, vật lý và cơ học Các yếu tố tác động này có thể dẫn gây nứt cột bê tông cốt thép Các vết nứt có thể làm giảm khả năng chịu tải của cột, cốt thép trong cột dễ bị ăn mòn theo thời gian, và gây hư hỏng cột bê tông cốt thép

Khi chịu nén, lớp bê tông bảo vệ của lỗi bê tông có hiện tượng nở hông và truyền ứng suất kéo vào trong ống thép boc bên ngoài Khi đó ống thép bên ngoài có tác dụng kiềm hãm sự nở ngang quá mức làm cho phần lõi bên trong hạn chế bị phá vỡ

Có thể thấy những ưu điểm do cột ống thép nhồi BT mang lại như:

- Khả năng chịu lực của ống thép nhồi BT cao hơn so với BT thường, hoạt động như là một lớp bảo vệ, một rào cản chống lại sự xâm thực mạnh của các yếu tố môi trường;

- Không cần ván khuôn khi thi công, rút ngắn thời lượng đáng để trong thi công, tạo ra các liên kết tốt giữa bê tông cũ và lớp gia cường UHPC

- Chịu được tốt các va đập, khả năng đáp ứng tốt với nhiều hình dạng khác nhau của cột bê tông cốt thép

Nhưng bên cạnh đó nó cũng còn tồn tại nhiều nhược điểm:

- Chi phí thép bao bọc cao, cường độ của các cấu kiện bê tông UHPC sẽ có xu hướng giảm khi kích thước của khối bê tông tăng lên do ảnh hưởng của luật kích thước UHPC là một vật liệu gần như giòn, nên kích thước sẽ ảnh hưởng đến độ bền danh nghĩa

- Đòi hỏi thi công phải chuẩn xác

- Lớp thép phủ bên ngoài dễ bị rỉ sét

- Quy trình bảo trì phức tạp

Bảng 2.1 Sự khác nhau giữa bê tông thường và bê tông tính năng cao

Chỉ tiêu Đơn vị Bê tông thường

Bê tông tính năng cao UHPC

(UHPFRC) Trọng lượng riêng [kg/dm 3 ] 2,2 – 2,5 2,45 – 2,55

Cường độ chịu nén [MPa] 10 – 50 120 – 250

Cường độ chịu uốn [MPa] 2 – 8 15 – 40

Cường độ chịu kéo [MPa] 1 – 4 5 – 15

Mô đun đàn hồi [GPa] 20 – 40 40–55

UHPC được lựa chọn sử dụng dựa trên bốn nguyên tắc lý thuyết UHPC có độ đặc chắc cao, cấu trúc vi mô tốt, tính đồng nhất cao và chỉ số dẻo cao UHPC có khả năng chịu nén cao, không thấm nước, và bề mặt có khả năng chống mài mòn tốt Tuy nhiên, UHPC bị phá hoại giòn, một cách đột ngột ngay sau khi vết nứt xuất hiện

UHPC bị phá hoại một cách đột ngột mà không có bất kỳ điềm báo trước Do đó UHPC cần được thêm vào thành phần sợi thép Sợi thép làm giảm độ giòn của vật

25 liệu bê tông nền Sợi thép ảnh hưởng đến các ứng xử sau khi nứt của bê tông, kiểm soát được quá trình phá hoại giòn, tăng độ bền và độ dẻo dai sau khi nứt của bê tông

Sự phân bố của sợi thép được xem xét trong hỗn hợp UHPC, vì nó không chỉ ảnh hưởng đến độ bền mà còn ảnh hưởng đến độ dẻo của hỗn hợp bê tông Nói cách khác, sự phân bố của sợi liên quan đến việc hạn chế vết nứt và duy trì độ bền sau vết nứt của UHPC

Nhiều yếu tố gây ra sự phân bố và định hướng tùy ý của sợi Một số yếu tố có thể được liệt kê như tính nhớt của hỗn hợp UHPC, hàm lượng sợi thép và kích thước hình học của khối UHPC Sự kết hợp, phân bố và hướng sợi đều là những yếu tố góp phần tạo nên thiết kế kết cấu sử dụng UHPC trở nên phức tạp

Giới thiệu chung về bê tông UHPC

Các đặc điểm cơ học cơ bản của bê tông UHPC

Năm 2016, thí nghiệm Chang - Geun Cho và cộng sự (2010) [26] đưa ra rằng sau 3 ngày cường độ nén của UHPC khoảng 65% cường độ nén 28 ngày, và tăng chậm trong 7 ngày tiếp theo, cường độ đạt 80-90% vào ngày 28, sau đó cường độ nén không tăng lên nhiều

Hình 2.3 Ứng suất và biến dạng của bê tông UHPC [26]

Hình 2.4 Ứng xử nén của UHPC và UHPFRC [35] Ứng xử nén của UHPC đặc trưng bởi cường độ nén lớn hơn 120 MPa, mô đun đàn hồi có giá trị từ 45-55 MPa (Hình 2.4)

Khi phá hoại dòn phát ra tiếng nổ, mẫu bị phân mảnh (Hình 2.4) Đường cong ứng suất và biến dạng của UHPC là đường tuyến tính và hầu như biến dạng rất nhỏ cho đến khi đạt 70 - 80% cường độ nén cực đại

Khi UHPC có cốt sợi cho thấy sự ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu nén và giá trị mô đun đàn hồi không lớn Sau đạt cường độ nén cục đại, ứng xử bị ảnh hưởng hàm lượng sợi (Hình 2.3)

Tương quan giữa tải trọng nén, chỉ số dẻo và thuộc tính của UHPC

Hình 2.5 Sự thay đổi cường độ nén NSC - UHPC theo tỷ lệ thể tích sợi thép

Hình 2.5 cho thấy cường độ nén của các mẫu NSC - UHPC thay đổi theo hàm lượng sợi 0-2 % Cột NSC - UHPC không có sợi thép cho khả năng chịu tải thường nhỏ, thấp hơn cường độ của lõi bê tông bên trong là 20 MPa Nguyên nhân là do khi không có sợi, lõi bê tông bên trong nở ra, dù là nhỏ, khiến lớp vỏ UPHC bị phá hủy trước khi lõi bê tông bên trong bị phá hủy Tuy nhiên, đối với cột nén trên lõi có UHPC sử dụng sợi thép thì quá trình hư hỏng kéo dài hơn so với loại cột không dùng sợi thép UHPC nên duy trì khả năng kiểm soát giãn nở bên tốt hơn Hình 4.5 cho thấy cột NSC - UHPC với 1% sợi và cột NSC - UHPC với 2 % sợi đã tăng khả năng chịu tải lên 57 % và 115 % so với cường độ bê tông lõi là 20 MPa

Hình 2.6 Biến đổi cường độ nén NSC - UHPC theo độ dày UHPC

Hình 2.6 cho thấy mối liên hệ giữa cường độ nén của các mẫu NSC - UHPC và độ dày khác nhau của lớp vỏ UHPC trong trường hợp 0 % sợi thép và 1 % sợi thép Khi bị nén trên lõi, cột NSC - UHPC với 0 % sợi thép (Hình 2.6 (a)) có khả năng chịu tải nhỏ hơn cường độ chịu nén của lõi NSC là 20 Mpa, khi chiều dày lớp vỏ UHPC nhỏ hơn 32 mm Nguyên nhân là do khi độ dày của lớp vỏ UHPC không đủ dày, cường độ chịu kéo của lớp vỏ UPHC không đủ cao, lõi bê tông bị giãn nở làm cho ván khuôn UPHC bị phá hủy trước khi lõi bê tông bị phá hủy Cột NSC - UHPC với độ dày lớp UHPC 46 mm tăng 45% so với cường độ nén của lõi NSC Hình 2.6 thể hiện cường độ nén của cột NSC - UHPC 1 % sợi cao hơn của cột NSC - UHPC với 0 % sợi Việc duy trì độ bền kéo kéo dài hơn trong trường hợp ván khuôn UHPC được tăng cường bằng sợi thép, do đó duy trì khả năng kiểm soát độ

30 giãn nở bên tốt hơn Kết quả là cường độ nén của cột NSC - UHPC với 1 % sợi cao hơn cường độ của lõi NSC

Hình 2.6 chỉ ra cường độ nén của các mẫu NSC - UHPC tăng lên khi độ dày của lớp vỏ UHPC có sợi thép tăng lên Nguyên nhân là do khả năng giãn nở theo phương ngang bị khống chế bởi lớp vỏ UHPFRC tăng lên khi độ dày ván khuôn UHPFRC tăng lên, dẫn đến tăng cường độ nén của toàn bộ mẫu NSC - UHPC Cột NSC - UHPC với độ dày lớp UHPFRC 22, 32 và 46 mm tăng cường độ nén tương ứng 57%, 97% và 249 % so với cường độ NSC

Hình 2.7 So sánh chỉ số độ dẻo DI của các cột thí nghiệm

Hình 2.7 cho thấy rằng các cột NSC - UHPC với 1% sợi có chỉ số độ dẻo thấp hơn so với cột NSC - UHPC với 2 % sợi trong trường hợp độ dày lớp UHPFRC là 18 và 46 mm Tuy nhiên, trong trường hợp NSC - UHPC có độ dày 32 mm thì cột NSC

- UHPC với 2 % sợi cho chỉ số độ dẻo thấp hơn 4 % so với cột NSC - UHPC với 1 % sợi Nguyên nhân là do sự phân bố của sợi thép ngẫu nhiên và ảnh hưởng kích thước của lớp UHPFRC Vấn đề này cần được tiến hành nghiên cứu thêm

2.3.1 Ứng xử kéo Để xác định khả năng chịu kéo của UHPC có 3 phương pháp: kéo trực tiếp (direct tensile test), ép chẻ (Splitting test) và uốn (flexural test)

Theo như nghiên cứu của Giáo sư Ekkehard Fehling tại đại học Kassel, Đức đã thí nghiệm trên các khối lăng trụ vuông (40x40x80mm) có khấc ở giữa và không có khác Kết quả chỉ ra UHPC có cường độ chịu kéo khoảng 4-10MPa và khi có thêm cốt sợi thì cường độ chịu kéo của UHPC tăng lên đáng kể từ 7-15MPa Đồng thời, giáo sư Ekkehard Fehling và cộng sự [34] cũng đã thí nghiệm uốn 4 điểm để kiểm tra khả năng chịu uốn trên các mẫu dầm UHPC có kích thước khác nhau có khấc và không khấc Kết quả thí nghiệm cho thấy các mẫu dầm không có sợ, mẫu đầm 40x40x160 mm có cường độ chịu kéo đạt từu 13-17 MPa, mẫu 150x150x700 mm nằm trong khoảng 7-10, Đối với các mẫu có thêm cốt sợi có cường độ chịu kéo là 15-40MPa Thí nghiệm có chỉ ra được các đặc tính kéo của UHPC khi có thêm cốt sụt bị ảnh hưởng bới loại sợi, hình dạng, kích thước sợi.

Các thông số của lớp vỏ UHPC

Tác giả Bo Shan và cộng sự [23] đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp áo UHPC lên cột bê tông Họ cho rằng độ dày của lớp vỏ UHPC tăng có thể cải thiện khả năng chịu nén của cột bê tông Kết quả thí nghiệm đã cũng cố cho giả định này, tăng độ dày của lớp vỏ UHPC đã làm tăng cường độ nén và chuyển vị thẳng đứng của mẫu thử Sự gia tăng gần như là tuyến tính với sự gia tăng của độ dày của lớp vỏ UHPC Họ giải thích rằng sự giãn nở theo phương ngang khi chịu tải trọng nén của lõi bê tông bên trong bị hạn chế bởi lực hạn chế nở hông cung cấp bởi lớp vỏ UHPC bên ngoài, và việc tăng độ dày của lớp vỏ UHPC sẽ giúp tăng đáng kể lực hạn chế nở hông của lõi bê tông bên trong [33] Độ dày của lớp vỏ UHPC là một thông số hình học được xem xét trong nghiên cứu

Tuy nhiên, độ dày của lớp vỏ UHPC quyết định hiệu quả của phương pháp tiếp cận và chi phí Giới hạn chiều dày lớp UHPC là cần thiết cho nghiên cứu Xiangguo

Wu và cộng sự đã tiến hành thử nghiệm trên các mẫu với áo khoác UHPC bên ngoài với các độ dày khác nhau từ 0-40 mm Trong nghiên cứu này, áo khoác UHPC có độ dày thay đổi trong khoảng 18-49 mm

Hiệu quả của việc bổ sung sợi thép có thể được mô tả bằng cách sử dụng hệ số sợi K, phản ánh ảnh hưởng kết hợp giữa thể tích sợi (Vf) và tỷ lệ kích thước sợi (lf/df) Thể tích sợi tăng từ 1% lên 2% dẫn đến hiệu suất sợi scf0 tăng lên đáng kể scf0 là khả năng chịu tải trọng nứt lớn nhất của sợi Scf0 được định nghĩa là hiệu suất của sợi Theo nghiên cứu của Lê Hoàng An và Ekkehard Fehling (2017) [20], sợi thép có tỷ lệ chiều dài/ đường kính sợi là 13/0,175 sẽ cho giá trị hiệu suất scf0 là cao nhất của sợi

Hình 2.8 Tham số của của mẫu NSC - UHPC

Trong nghiên cứu này, lớp vỏ UHPC sẽ được khảo sát với tỷ lệ thể tích sợi thép 1% và 2%, được gọi là UHPFRC 1% và UHPFRC 2% Các thí nghiệm dùng hàm lượng sợi có tỷ lệ chiều dài/ đường kính là 13/0,2

2.4.3 Chỉ số dẻo Độ dẻo [36] là chỉ số mô tả khả năng của các kết cấu duy trì sự biến dạng không đàn hồi trước khi bị phá hủy mà không làm giảm đáng kể khả năng chịu tải Chỉ số độ dẻo được định nghĩa là tỷ số giữa độ võng giới hạn và độ võng khi uốn của thanh

33 cốt thép chịu kéo Trạng thái cuối cùng được định nghĩa là giai đoạn mà vượt qua đó chùm tia sẽ không thể chịu thêm biến dạng ở cùng cường độ tải trọng

Trong quá trình thí nghiệm, khả năng chịu tải lớn nhất của mẫu Pmax được được ghi nhận Giá trị này được sử dụng để xác định cường độ chịu nén của các mẫu cột Ngoài ra, một thông số quan trọng phản ánh độ dẻo của cột bê tông gia tăng khi được gia cường bằng lới vỏ UHPC bên ngoài là chỉ số độ dẻo (DI) Độ dẻo của cột được định nghĩa là khả năng biến dạng của cột, sau giai đoạn làm việc đàn hồi, duy trì cho đến khi cột bị hỏng Độ dẻo của cột được biểu thị bằng chỉ số độ dẻo DI Để tính chỉ số dẻo có nhiều phương pháp, một trong những phương pháp đó là tính theo biểu thức sau [36]:

∆ 90% là chuyển vị khi tải giảm xuống 90% Pmax, trong giai đoạn hóa mềm sau khi tải đạt cực đại;

∆ 𝑦 là chuyển vị khi tải tăng lên 75% Pmax, trong giai đoạn tăng tải

VẬT LIỆU VÀ THÍ NGHIỆM

Vật liệu

Thành phần cơ bản của hỗn hợp bê tông UHPC bao gồm: xi măng portland, nước, silicafume, cát, bột thạch anh, cát thạch anh, phụ gia siêu dẻo, sợi kim loại (sợi thép) hoặc sợi tổng hợp Hình 3.1 mô tả các vật liệu cơ bản cấu thành nên UHPC

Hình 3.1 Các thành phần vật liệu cơ bản - UHPC

Trong nghiên cứu này, tác giả dùng xi măng loại PC50, Do yêu cầu của UHPC thông thường, mác của xi măng nén sau 28 ngày phải được 52,5 MPa

Sau 3 ngày, cường độ chịu nén của xi măng là 29,7 MPa, và 28 ngày là 55,2 MPa Một số chỉ tiêu cơ lý của loại xi măng PC50 được cung cấp từ nhà sản xuất, được tóm tắt trong Bảng 3.1

Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của xi măng PC50

STT Thông số kỹ thuật Giá trị

Giới hạn bền nén không nhỏ hơn:

- Lượng sót trên sàn 0,08mm

- Tỉ diện tích bề mặt

- Bắt đầu không sớm hơn (phút)

- Kết thúc không chậm hơn (phút)

Silicafume hay microsilica là sản phẩm từ việc khử thạch anh thành loại bột mịn Chúng có độ sạch cao bằng than được xác định lò hồ quang điện ở nhiệt độ trên

2000 độ C trong quá trình sản xuất ra hợp kim ferro silicon (silicon sắt), đường kính cỏc hạt trung bỡnh từ 0,15 – 0,20 àm Thành phần chớnh của silicafume là silic dioxit không kết tinh, có các màu trắng, xám, hoặc xám đen Khối lượng thể tích là 150 –

300 kg/m 3 ở trạng thái tự nhiên Để có thể vận chuyển và ứng dụng dễ dàng, khối lượng thể thích có thể được tăng lên 350 – 700 kg/m 3 , thông qua quá trình nén

Silicafume được dùng khá phổ biến trong các loại bê tông, trong đó có bê tông UHPC Trong nghiên cứu sử dụng silicafume dạng khô (hạt), màu xám đen với các tính chất chính được tóm tắt trong Bảng 3.2

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của silicafume

Hàm lượng mất khi nung (%)

Lượng sót trên sàng 45mm (%)

Cát trắng sử dụng trong thử nghiệm là cát hạt mịn không lẫn thành phần bụi bẩn và tạp chất Đường kính hạt cát từ 0,15 – 0,3 mm Cát dùng trong thử nghiệm thỏa các yêu cầu của TCVN 7572:2006 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”

Cát nghiền sử dụng trong thử nghiệm có được từ quá trình nghiền cát thạch anh, có kích thước nhỏ hơn 0,075 mm

Hình 3.4 Hình mẫu cát: (a) Cát trắng,, (a) Cát trắng

Nước được sử dụng trong thí nghiệm là nước sinh hoạt, đạt TCVN 302:2004

“Nước trộn bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật” Nước tham gia trộn bê tông đảm bảo không lẫn các thành phần hóa học, tạp chất gây ảnh hưởng chất lượng của sản phẩm như thời gian tĩnh định, đông kết

Thử nghiệm có thêm phụ gia siêu dẻo ADVA CAST 5388V, là phụ gia gốc Polymer, giảm nước được thiết kế đặc biệt, thường dùng trong sản xuất bê tông với cường độ ban đầu cực cao Phụ gia ADVA CAST 5388V được sử dụng nhằm giảm lượng nước đưa vào bê tông Đồng thời, sản phẩm đạt được độ linh động, nhanh chóng, dễ dàng thi công bê tông, cho phép bê tông sản xuất với tỷ lệ N/X rất thấp, độ sụt từ thấp tới cao

Hình 3.5 Sợi thép mạ đồng

Sợi thép mạ đồng (màu đồng) sử dụng trong thử nghiệm có cường độ 2000 MPa Bảng 3.3 tóm tắt các thông số kỹ thuật chính của sợi thép mạ đồng

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của sợi thép mạ đồng

(mm) Đường kính (mm) Cường độ chịu kéo

Cấp phối bê tông thường được chọn theo định mức nhà nước với M250 và độ sụt trong khoảng 2 - 4 cm Cấp phối bê tông bao gồm các thành phần cơ bản như sau: xi măng đá dăm 0,5x1,0, cát vàng và nước Đá 0,5x1 mm Cát vàng Xi măng

Hình 3.6 Vật liệu sử dụng để chế tạo

Chế tạo trụ BTCT thường NSC

Khuôn nhựa PVC được dùng để chế tạo khuôn đổ cột BTCT thường Các ống nhựa PVC tiết diện tròn có đường kính ngoài 114 mm, dày 3,2 mm được cắt thành các ống nhỏ có chiều cao 400 mm (để sau khi mài mẫu sẽ còn lại 370 mm) Các khuôn nhựa được xẻ rảnh và dán lại bằng băng keo dính để thuận tiện cho việc tháo khuôn sau này Các thanh thép có gân được chế tạo để xuyên qua hai lỗ được khoan trước trên tấm gỗ cứng Một thanh thép hộp giằng ngang khuôn nhựa và liên kết với hai thanh thép này thông qua hai ốc vít được khóa chặt Hệ khuôn được chế tạo như trên để đảm bảo trong suốt quá trình đổ bê tông khuôn không có dịch chuyển và nghiêng lệch Phía ngoài chỗ tiếp giáp giữa khuôn nhựa và tấm gỗ được chít sicon để nước xi măng khi đổ bê tông không tràn ra Tổng cộng có 10 khuôn nhựa được chế tạo, bao gồm 9 khuôn đúc cột BTCT để gia cường UHPC, và 1 khuôn đúc cột BTCT không gia cường Sau khi trộn bê tông thường NSC đảm bảo độ sụt và độ chảy thì tiến hành đổ bê tông vào khuôn Trong suốt quá trình đổ bê tông thì tiến hành đầm dùi bằng thanh thép để đảm bảo bê tông được lèn chặt và hạn chế lỗ rỗng tối đa Mỗi lần đổ khoảng

100 mm và tiến hành đầm dùi khoảng 25 lần theo mỗi lần đổ Các mẫu được tháo khuôn sau 2-3 ngày và tiếp tục để tiến hành bước gia cường bọc UHPC bên ngoài Hình 3.5 mô tả quá trình chế tạo cột BTCT thường a) b)

Hình 3.7 Quá trình làm mẫu bê tông thường NSC: (a) tạo khuôn, (b) đổ bê tông,

Thí nghiệm

Loại cột khảo sát là cột có tỉ lệ chiều cao chia đường kính (L/D) lớn hơn 4; Cột có tiết diện tròn để hiệu ứng tác kiềm chế nở hông lên cột là lớn nhất Phân tích kết quả thí nghiệm để thấy được tác dụng của lớp thành mỏng UHPC, ảnh hưởng của bề dày lớp UHPC, hàm lượng và loại sợi, kích thước cột;

Khảo sát thực nghiệm đặc điểm cơ học bê tông tính năng cao UHPC dùng để chế tạo ống thành mỏng (dự kiến cường độ khoảng 120 MPa) có sợi và không có sợi trên cơ sở nguồn vật liệu ở Việt Nam;

Trên cơ sở các mô hình phân tích của các nghiên cứu trước trên cột bị kiềm chế nở hông cũng như các công thức tính toán khả năng chịu lực sẽ đề xuất công thức - mô hình kinh nghiệm để dự đoán đường cong lưc – biến dạng, tải trọng cực hạn của loại cột này;Qua đánh giá và phân tích kết quả trên thấy được các đặc tính về độ bền và cường độ gia tăng Từ đó, đề xuất khả năng sử dụng ống mỏng UHPC thay thế cho các ván khuôn đang sử dụng trong thực tế

Khi có tác dụng dọc trục của tải trọng nén thì sự làm việc chung của lõi bê tông tường và lớp bê tông cường độ siêu cao với điều kiện ma sát hai bê mặt với nhau Khi xảy ra hiệu ứng nở hông bên trong lõi bê tông với hệ số nở lớn hơn hệ số nở của bê tông cường độ siêu cao tạo nên sự ngăn chặn phá hoại của việc nở hông quá mức

Có thể kiểm soát hạn chế này khi khả năng chịu kéo của lõi bê tông bên trong vượt quá cường độ kéo của nó gây ra do hiệu ứng nở hông Việc này làm tăng cường độ chịu nén và độ đẻo của cột

Hình 3.8 Mô tả kiểm chế nở hông [3]

Hình 3.9 Diện tích vùng ảnh hưởng khi bị hạn chế nở hông: (a) tiết diện tròn, (b) tiết diện hình vuông, (c) tiết diện hình chữ nhật [7]

Mẫu thí nghiệm chọn cột tiết diên tròn để đảm bảo hiệu ứng nở hông trên cột là hiệu quả nhất so với các tiết diện hình chữ nhật Khi cột chịu tải trọng lớn nhất, phần lõi bên trong sẽ xảy ra hiệu nở hông, lúc này ứng suất dọc trục sẽ bị kiềm hãm bởi ứng suất vòng của lớp vật liệu bên ngoài

Khuôn nhựa PVC được dùng để chế tạo khuôn đổ cột BTCT thường Các ống nhựa PVC tiết diện tròn có có kích thước được cắt thành các ống nhỏ Các khuôn nhựa được xẻ rảnh và dán lại bằng băng keo dính để thuận tiện cho việc tháo khuôn sau này Các thanh thép có gân được chế tạo để xuyên qua hai lỗ được khoan trước trên tấm gỗ cứng Một thanh thép hộp giằng ngang khuôn nhựa và liên kết với hai thanh thép này thông qua hai ốc vít được khóa chặt Hệ khuôn được chế tạo như trên để đảm bảo trong suốt quá trình đổ bê tông khuôn không có dịch chuyển và nghiêng lệch Phía ngoài chỗ tiếp giáp giữa khuôn nhựa và tấm gỗ được chít sicon để nước xi măng khi đổ bê tông không tràn ra Sau khi trộn bê tông thường NSC đảm bảo độ sụt và độ chảy thì tiến hành đổ bê tông vào khuôn Trong suốt quá trình đổ bê tông thì tiến hành đầm dùi bằng thanh thép để đảm bảo bê tông được lèn chặt và hạn chế lỗ rỗng tối đa Mỗi lần đổ khoảng 100 mm và tiến hành đầm dùi khoảng 25 lần theo mỗi lần đổ Các mẫu được tháo khuôn sau 2-3 ngày và tiếp tục để tiến hành bước gia cường bọc UHPC bên ngoài

Hình 3.10 Khuôn nhựa PVC được dùng để chế tạo khuôn đổ cột BTCT thường

Hình 3.11 Hệ khuôn được chế tạo hoàn chỉnh

Khuôn mẫu lăng trụ 100x200, khuôn bao gồm phần đế, phần thân (gồm 2 ống), sử dụng ống nhựa PVC tạo khuôn hình trụ rỗng ruột để đúc lớp vỏ bê tông cường độ siêu cao

Hình 3.12 Hình ảnh khuôn đúc mẫu

3.2.3.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm

- Trộn: Sử dụng các cốt liệu được tính toán để tiến hành trộn bê tông cường độ siêu cao theo đúng cấp phối

- Đổ bê tông vào khuôn: Đổ bê tông từng lớp và đầm kỹ từng lớp rồi mới đổ lớp tiếp theo

- Tháo khuôn (phần thân) và đổ bê tông thường vào phần lõi rỗng của bê tông cường độ siêu cao

- Tháo toàn bộ khuôn và thu mẫu

- Tên mẫu được ký hiệu là Nx-Vy-Cz Trong đó x là thông số L/D đặc trưng cho độ mảnh của lõi bê tông bên trong y là thông số đặc trưng cho tỷ lệ thể tích sợi thép chứa trong lớp vỏ UHPC z là chiều dày lớp vỏ UHPC có đơn vị là mm

Các số liệu mẫu được đúc chuẩn bị thì nghiệm được thể hiện ở Bảng 3.4

Bảng 3.4 Bảng số liệu mẫu thí nghiệm

Hình 3.13 Chuẩn bị khuôn đổ Hình 3.14 Nguyên vật liệu cấp phối

Hình 3.15 Chế tạo lớp vỏ UHPC Hình 3.16 Trộn xi măng

Hình 3.17 Lớp gia cường UHPC sau khi đổ

Hình 3.18 Tổ mẫu lớp UHPC sau khi đổ

Hình 3.19 Lấy mẫu gia cường UHPC sau khi đã đạt cường độ

Hình 3.20 Lớp vỏ gia cường UHPC đã đạt cường độ

Hình 3.21 Chế tạo cột BT thường NSC vào khung gia cường UHPC

Hình 3.22 Cột BT thường gia cường bằng lớp vỏ mỏng UHPC hoàn thiện

Khung đúc mẫu UHPFRC đã được tháo khỏi trong khoảng 24 giờ trong phòng thí nghiệm Sau đó, mang mẫu UHPFRC đã được lấy ra khỏi khuôn và kiểm tra khuyết tật Các mẫu UHPFRC ngâm trong nước ở 25 ± 5 ◦C và sấy khô ở nhiệt độ phòng trong 28 ngày trước khi bê tông cường độ bình thường được đổ vào UHPFRC để tạo mẫu thử Các mẫu vật NSC-UHPFRC đã được thử nghiệm sau 28 ngày của tuổi bê tông lõi

Hình 3.23 Máy nén uốn đa năng tại trường ĐH SPKT HCM

Thí nghiệm nén mẫu tham khảo theo tiêu chuẩn DIN-1048 :

- Giai đoạn 1 tiến hành tăng tải từ từ lên tới 15% lực lớn nhất tính toán của cột sau đó giảm tải về Qúa trình này lặp lại lần, với mục đích là để triệt tiêu lực ma sát do các hạt bụi bẩn và cát dính bám trong xi lanh, khử các biến dạng dư của thí nghiệm

- Giai đoạn 2 là sau khi giảm tải về không, tải sẽ bắt đầu được tăng dần cho đến khi mẫu bị phá hoại, tốc độ gia tải trong giai đoạn này khoảng từ 0,2- 0,3 MPa/s

Hình 3.24 Mô hình thí nghiệm [35]

UHPC có độ sụt rất cao với độ chảy lan lớn hơn 600 mm, điều này rất thuận lợi cho việc thi công đổ bê tông tạo các cấu kiện mà không cần tác động của đầm rung nào

Trộn cấp phối UHPC không sợi mất khoảng 16 phút trong khi UHPFRC có sợi là 22 phút Các mẻ trộn khác nhau sẽ có sự chênh lệch thời gian nhưng không quá nhiều UHPC chế tạo trong đề tài này có độ chảy xòe (được thử bằng côn đo độ sụt của bê tông thường) khoảng 700 mm khi không sử dụng sợi và 600 mm khi sử dụng sợi thép với hàm lượng 1%và 2% Độ chảy xòe như vậy đảm bảo UHPC có thể đổ vào ván khuôn với khe hở nhỏ

Hình 3.25 Độ chảy xòe của UHPC: (a) UHPC không sợi, (b) UHPFRC 1% sợi,

Sau khi làm thí nghiệm nén thu được các mẫu như sau:

Bảng 3.5 Bảng kết quả thí nghiệm mẫu N6-V0%-T18

STT Mẫu Thí nghiệm Tải lần 1

Hình 3.26 Kết quả thí nghiệm mẫu N6-V0%-T18

Hình 3.30 Kết quả thí nghiệm mẫu N10-V0%-T49 Bảng 3.10 Bảng kết quả thí nghiệm mẫu N6-V1%-T18

STT Mẫu Thí nghiệm Tải lần 1 Tải lần 2 Dạng phá hoại mẫu

10 N10-V1%-T46 ÉP LÕI 204,03 295,04 Nhiều vết nứt

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Dạng phá hoại của mẫu

Các dạng vệt nứt xuất hiện trên mặt cắt ngang của lớp vỏ UHPC được thể hiện ở Hình 4.1 a) b) c)

Hình 4.1 Số lượng nứt chính (a) một vết nứt, (b) hai vết nứt, và (c) ba vết nứt

Hình 4.1 cho thấy các vết nứt xuất hiện trên lớp vỏ UHPC sau khi mẫu đã bị phá hoại Lớp vỏ có tác dụng ngăn cảng sự nở hông của lõi Hình 4.1 (a) và (b) thể hiện một vệt nứt và hai vệt nứt của mẫu thí nghiệm Đây là dạng thường thấy của mẫu UHPC có sợi thép, sự phân bố các sợi thép không đồng đều tạo nên khả năng chịu kéo không đồng đều của lớp vỏ Và vệt nứt đồng tâm theo góc 120 o , điều này cho thấy lớp vỏ chịu lực kéo căng đồng đều theo hướng tiếp tuyến ở Hình 4.1 (c)

Hình 4.2 Mẫu sau khi phá hoại :(a)-(b) Vết nứt dọc theo chiều dài mẫu, (c)-(d) vết nứt phát triển trong phạm vi từ D-4D, (e) phá hoại của lõi phần gần mặt trên mẫu, (f) phá hoại dọc theo chiều dài của lõi mẫu

Hình 4.2 thể hiện đường nứt phát triển dọc theo chiều dài của mẫu thí nghiệm Hình 4.2 (a) và (b) thể hiện vết nứt chạy dọc theo chiều dài mẫu vết nứt xuất hiện mặt cắt ngang của mẫu Trong khi đó, Hình 4.2 (c) thể hiện vết nứt chỉ phát triển ở đoạn gần đầu của mẫu, và tương ứng là xuất hiện hai vết nứt ở mặt cắt ngang tại đầu mẫu (Hình 4.2 (d)) Chiều dài vết nứt đo được là 9 - 24 cm (bằng đường kính D-4D của lõi) Hiện tượng này giải thích bằng sơ đồ phân bố ứng suất trong mẫu NSC - UHPC (Hình 4.3)

Hình 4.2 (e) và Hình 4.2 (f) mô tả lõi NSC trong quá trình thử nghiệm nén Phá hoại nén của mẫu cũng xảy ra tương tự như của mẫu NSC - UHPC Hình 4.2 (e) thể hiện mẫu bị phá hoại cục bộ trong phạm vi gần đầu của mẫu, Hình 4.2 (f) thể hiện

66 mẫu bị phá hoại khi có vết nứt chạy dọc theo thân của mẫu Kết quả này minh họa cho biểu đồ phần bố ứng xuất trong mẫu NSC - UHPC ở Hình 4.3

Hình 4.3 Dạng phân bố ứng suất trong mẫu NSC - UHPC

Hình 4.3 là sơ đồ minh họa cho phân bố ứng xuất trong mẫu NSC-UPHC Lớp vỏ UHPC sẽ chịu hai loại ứng suất Bao gồm ứng suất tiếp tuyến (τ_V) phân bố dọc theo mặt tiếp xúc với lõi NSC, và ứng xuất kéo vòng (pH) phân bố dọc theo chiều cao của lớp vỏ UHPC Cả hai ứng xuất này đều phân bố không đều Ứng xuất kéo vòng (pH) giá trị lớn hơn ở mặt trên của mẫu sau đó giảm dần trong khoảng 4D, D là đường kính của lõi, và phân bố đều đến đầu kia của mẫu Lưu ý rằng thiết bị có bàn nâng từ dưới lên Nếu lớp vỏ UHPC có thể duy trì được lực kéo vòng (pH) thì vết nứt sẽ mở rộng và chạy dài dọc theo chiều dài mẫu.

Tương quan giữa tải trọng nén và biến dạng

Cường độ chịu nén do áp lực nở hông của ống UHPC có thể được tính theo các mô hình bê tông thường bị kiềm chế nở hông của các tác giả mà học viên thu thập được trong Bảng 4.1

Bảng 4.1 Cường độ chịu nén f cc của bê tông thường bị kiềm chế nở hông bởi lớp vật liệu ngoài

UHPC NSC tv pH tv

Các đường cong mối liên hệ giữa ứng suất nén và biến dạng dọc trục ε_V, biến dạng vòng ε_H của mẫu NSC - UHPC được trình bày trong Hình 4.4 Biến dạng vòng được đo ở giữa mẫu, và mẫu là dạng mẫu trung bình với L/D = 6-10,

Hình 4.4 Mối quan hệ giữa ứng suất nén và biến dạng đứng, biến dạng vòng: (a)

Hình 4.4 (a) thể hiện kết quả thí nghiệm của các mẫu có L/D = 6, đường kính bê tông lõi D = 90 mm, và chiều dày lớp UHPC là 20 mm Hình 4.4(a) thể hiện biến dạng vòng trong UHPC tăng tuyến tính khi tăng tải trọng dọc trục trong giai đoạn đầu Khi ứng suất vượt quá 90% ứng suất cực đại, các đường cong ứng suất và biến dạng vòng bắt đầu chuyển sang phi tuyến tính Biến dạng vòng của lớp vỏ UHPC không có sợi thép khi mẫu phá hoại là rất bé Điều này chứng tỏ lớp vỏ UHPC không có sợi thép bị phá hoại dòn Trong khi đó, biến dạng vòng của lớp vỏ UHPC có 1-2% sợi thép khi mẫu phá hoại lần lượt là bằng 0,7-4o/oo Các biến dạng vòng này đều nhỏ hơn biến dạng giới hạn của UHPC thu được từ các thử nghiệm kéo trực tiếp, khoảng 10o/oo Điều này chứng minh rằng khi mẫu bị phá hoại, thì biến dạng vòng ở giữa mẫu chưa đạt đến biến dạng phá hoại

Hình 4.4 (b) thể hiện kết quả thí nghiệm của các mẫu có L/D = 7, đường kính bê tông lõi D = 90 mm, và chiều dày lớp UHPC là 33 mm Hình 4.4 (b) thể hiện biến dạng vòng trong UHPC tăng tuyến tính đến khi ứng suất vượt quá 50% ứng suất cực đại, các đường cong ứng suất và biến dạng vòng bắt đầu chuyển sang phi tuyến tính Biến dạng vòng của lớp vỏ UHPC có 1% sợi thép khi mẫu phá hoại là rất bé, lý do là mẫu bị phá hoại dạng vết nứt không phát triển hết chiều dài mẫu Biến dạng phá hoại

69 của mẫu không sợi là 0,4 o/oo, trong khi đó của mẫu 2% sợi là lớn hơn 9 o/oo Lớp vỏ UHPC không sợi đã đạt đến giới hạn phá hoại của UHPC không có sợi thép, trong khi lớp vỏ UHPC có 2% sợi chưa đạt đến giới hạn phá hoại của biến dạng kéo trực tiếp

Hình 4.4 (c) đứa ra kết quả thí nghiệm của các mẫu tỷ lệ L/D = 10, đường kính bê tông lõi D = 60 mm, và chiều dày lớp UHPC là 47mm Hình 4.4 (c) thể hiện biến dạng vòng trong UHPC tăng tuyến tính đến khi ứng suất vượt quá 68% ứng suất cực đại, các đường cong ứng suất và biến dạng vòng bắt đầu chuyển sang phi tuyến tính Biến dạng vòng của lớp vỏ UHPC không có và có 1% sợi thép khi mẫu phá hoại là rất bé, biến dạng phá hoại của mẫu là 0,4 o/oo Biến dạng phá hoại của mẫu 2% sợi là lớn hơn 9 o/oo Lớp vỏ UHPC không sợi đã đạt đến giới hạn phá hoại của UHPC không có sợi thép, trong khi đó lớp vỏ UHPC có 1-2% sợi chưa đạt đến giới hạn phá hoại của biến dạng kéo trực tiếp Hình 4.4 (c) thể hiện ứng xuất phá hoại của mẫu có UHPC 1% cao hơn ứng suất phá hoại của mẫu có UHPC 2% Điều này có thể chỉ ra rằng khả năng chịu nén trên lõi của mẫu NSC - UHPC không chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ sợi mà còn xét đến kích thước hình học của lớp vỏ UHPC

Hình 4.4 thể hiện biến dạng vòng của mẫu NSC - UHPC khác biệt rõ ràng khi độ dày của vỏ UHPC tăng lên Chứng tỏ độ dày của lớp vỏ UHPC ảnh hưởng đến sự phân bố sợi và ảnh hưởng đến biến dạng vòng Đường cong mối liên hệ giữa ứng xuất và biến dạng dọc trục là giống nhau về độ cứng ban đầu Mẫu có lớp vỏ UHPC có 1-2 % sợi thép có thể duy trì được biến dạng đứng, trong khi mẫu có lớp vỏ UHPC có 0 % sợi thép không thể duy trì được biến dạng đứng sau khi đạt được lực nén tối đa Điều này chứng tỏ sợi thép đã duy trì được lực cản trở nở hông và duy trì được biến dạng thẳng đứng Khi hàm lượng sợi thép tăng thì khả năng duy trì biến dạng đứng càng tăng Hình 3.4 cũng thể hiện khả năng chịu nén của bê tông lõi tăng khi cho thêm 1 - 2% sợi, cho cùng một kích thước của UHPC Cường độ chịu nén của mẫu NSC - UHPC với 2% sợi lớn hơn của của mẫu NSC - UHPC với 1% và Cường độ chịu nén của mẫu NSC - UHPC với 1% sợi lớn hơn của của mẫu NSC - UHPC không có sợi Điều này chứng tỏ, tác dụng của

70 sợi thép là rõ ràng giúp tăng cường độ chịu kéo trong vỏ UHPC và tăng lực hạn chế nở hông

Tiêu đề	Nghiên cứu thí nghiệm sức chịu tải của cột ngắn ống tròn bê tông cường độ siêu cao UHPC nhồi bê tông thường
Tác giả	Võ Văn Tám
Người hướng dẫn	PGS. TS. Lê Anh Thắng
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Xây Dựng
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	12,95 MB