đáp ứng tải trọng va đập của kết cấu tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao

Việc thêm các loại sợi như sợi thép, sợi polypropylen hoặc sợi cacbon đã làm tăng tính dẻo cho vật liệu bê tông có cường độ chịu nén lên đến 200 MPa, còn được gọi tên là bê tông tính năn

GIỚI THIỆU

Bê tông tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete - UHPC) là bước phát triển mới trong công nghệ vật liệu bê tông Với các tính năng vượt trội của mình, UHPC có thể sử dụng cho các công trình đặc biệt như bản sàn cầu, kho chứa, các tấm tường mỏng hoặc cột chịu tải trọng lớn [1]

Lịch sử phát triển của bê tông tính năng siêu cao

Bê tông cường độ cao (High strength concrete – HSC) phát triển từ thập niên 1970, được ứng dụng cho các cột nhà cao tầng thay thế cho bê tông thường (Normal concrete – NSC) đang được sử dụng trong thời kỳ đó Với sự phát triển của công nghệ sản xuất phụ gia và việc sử dụng các phụ gia hoạt tính như silica fume đã góp phần tăng cường độ chịu nén của bê tông lên đến 150 MPa [2] Các tính năng khác của bê tông như độ chảy, mô đun đàn hồi, cường độ chịu uốn, khả năng chống thấm và độ bền cũng được cải thiện rõ rệt so với bê tông thường Ngoài ra, HSC còn đáp ứng được các yêu cầu sau [3]:

 Dễ dàng tạo khuôn và dầm chặt mà không bị phân tầng hay tách lớp;

 Đặc tính cơ học bền với thời gian;

 Bê tông phát triển cường độ sớm;

 Có khả năng ổn định thể tích;

Lịch sử hình thành và phát triển của bê tông được trình bày trong Hình 1.1 Việc phát triển công nghệ vật liệu trong những năm 2000 đã giúp cho việc ứng dụng HSC vào các công trình một cách rộng rãi Việc thêm các loại sợi như sợi thép, sợi polypropylen hoặc sợi cacbon đã làm tăng tính dẻo cho vật liệu bê tông có cường độ chịu nén lên đến 200 MPa, còn được gọi tên là bê tông tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Concrete – UHPC) hoặc bê tông cốt sợi tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Fiber Reinforced Concrete – UHPFRC) Hiện nay, theo tiêu chẩn ASTM C1856/1856M-17 [4], UHPC được định nghĩa là loại bê tông có cường độ chịu nén lớn hơn hoặc bằng 120 MPa (tương đương với 17000psi)

UHPC không những có cường độ chịu nén cao mà còn đạt nhiều tính năng quan trọng khác như: độ bền trong môi trường xâm thực mạnh, tính thấm rất thấp, ổn định thể tích tốt, có tính lưu động cao, dễ tạo hình, đổ khuôn, liên kết tốt với các bề mặt xung quanh [5]–[7] Với những ưu điểm này, có thể ứng dụng UHPC cho các công trình cao tầng chịu tải trọng động, giảm kích thước các cấu kiện, giảm chiều dày bản sàn, chiều cao dầm cũng như tăng chiều dài nhịp Tuy nhiên loại bê tông này chưa thể ứng dụng rộng rãi vì giá thành sản xuất bê tông còn cao, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu tăng cao Việc lựa chọn thành phần cấp phối bê tông hợp lý sẽ giúp nâng cao chất lượng vật liệu và giảm giá thành sản phẩm

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của UHPC [7]

Đặc tính nổi bật của UHPC là cường độ chịu nén 120-200 MPa, cường độ kéo 8-30 MPa, mô đun đàn hồi cao (> 45 GPa) và ứng xử tuyến tính lên đến 80% giới hạn bền nén, cấu trúc đặc chắc [4, 7, 8] Ứng dụng bê tông tính năng siêu cao vào sản xuất thực tế sẽ tạo ra một loại bê tông mới đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, khả năng chịu lực và tính kinh tế.

Thách thức và ứng dụng của UHPC

Mặc dù UHPC là bước nhảy vọt về công nghệ vật liệu bê tông với các tính năng về mặt cơ lý và độ bền hơn hẳn các loại bê tông truyền thống hay bê tông tính năng cao Thách thức lớn nhất của nó chính là chi phí sản xuất, với giá thành vật liệu cao hơn bê tông

3 truyền thống từ 5-10 lần, UHPC chỉ có thể được áp dụng đối với một số trường hợp cụ thể nhất định và đi kèm với giải pháp tổng thể hợp lý Một số ứng dụng điển hình của UHPC trong công trình được minh họa dưới đây

Cải tạo mặt cầu Thăng Long-Hà Nội, 2020-2021

Hình 1.2 Cầu Thăng Long sau khi được cải tạo [9]

Công trình cải tạo mặt cầu Thăng Long (Hình 1.2) được triển khai từ tháng 08/2020 đến tháng 01/2021 chính thức hoàn thành và đưa vào sử dụng, lớp bê tông nhựa liên kết với bản thép mặt cầu đã được thay thế bởi lớp UHPC dày 60mm, giữa chúng được liên kết với nhau bởi các các liên kết chống cắt Trên bề mặt lớp UHPC được trải một lớp thảm bê tông nhựa nóng Polymer để tạo độ êm thuận lợi cho các phương tiện qua lại Cho đến nay đây là công trình lớn nhất ứng dụng UHPC với hơn 10,000 m 3 được thi công

Mặt dựng công trình WINK Hotel, 75 Nguyễn Bỉnh Khiêm –Tp HCM

Một ứng dụng điển hình khác của UHPC đó là các hạng mục trang trí trong công trình Hình 1.3 thể hiện một tấm mặt dựng bằng bê tông UHPC có kích thước 7.8m  6.0m, dày 60mm với 60% diện tích được đục lỗ Điểm đặc biệt ở hạng mục này yêu cầu độ bền vững hơn 70 năm, kết cấu vững chắc chống rung lắc và có độ ổn định cao Dựa trên các mẫu thực nghiệm, cuối cùng tấm tường trang trí bằng UHPC đã được chấp nhận Đến nay đã có hàng ngàn mét vuông hạng mục kết cấu mặt dựng bằng UHPC được lắp đặt trên các công trình cả nước

Hình 1.3 Tấm tường trang trí bằng UHPC

UHPC cho chế tạo máy công cụ

Hình 1.4 Khung máy phay CNC bằng UHPC [10]

Ngoài các ứng dụng trong xây dựng, UHPC còn được ứng dụng trong lĩnh vực chế tạo máy công cụ, đặc biệt là các loại máy kích thước lớn như máy mài đường ray tàu điện, máy phay CNC và máy tiện CNC khổ lớn UHPC dần thay thế gang đúc để sản xuất đế máy, giúp cải thiện độ chính xác, giảm rung động và tăng tuổi thọ của máy.

5 liệu này hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn cho chế tạo trong cơ khí Hình 1.4 thể hiện khung máy phay CNC được chế tạo bởi tập đoàn RAMF-Đức

Hình 1.5 Một số công trình quân sự [11]–[13]

Bên cạnh các công trình dân sự thì các ứng dụng cho công trình quốc phòng cũng là mối quan tâm lớn của giới quân sự Ở những khu vực biển đảo với điều kiện xây dựng khó khăn, chi phí cho việc vận chuyển, xây dựng, bảo trì công trình lớn hơn rất nhiều so với chi phí về vật liệu Do đó ngoài tính năng về chịu lực, độ bền, UHPC cho phép chế tạo các mô đun kết cấu lắp ghép với trọng lượng nhẹ hơn giúp cho việc xây dựng các công trình quân sự trở nên dễ dàng và tiết kiệm ngân sách nhiều hơn Động lực cho nghiên cứu

UHPC được coi là vật liệu mới so với chiều dài lịch sử phát triển của bê tông truyền thống, việc tìm kiếm các ứng dụng và làm cho nó trở nên phổ biến hơn, công trình bền vững hơn là ước muốn của các nhà nghiên cứu và kỹ sư xây dựng Những câu hỏi sau đây luôn xuất hiện, nó là động lực hình thành các ý tưởng cho nghiên cứu này

1 Liệu có thể tạo ra một loại vật liệu UHPC bằng nguyên vật liệu có sẵn với chi phí thấp hơn hay không?

2 Tính năng dẻo dai của UHPC có cải thiện được khả năng chịu lực đập của công trình hay không?

3 UHPC thường mỏng hơn, vậy ứng xử của kết cấu mỏng như thế nào khi chịu tải trọng va đập với các mức tốc độ biến dạng vật liệu khác nhau?

4 Làm thế nào dự đoán một cách định tính và định lượng ứng xử của toàn bộ công trình dưới tác động của tải xung kích?

5 Khả năng ứng dụng UHPC như thế nào?

Tính cấp thiết của đề tài

Nội dung của luận án là đánh giá ứng xử của kết cấu tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao chịu tải trọng va đập Bê tông tính năng siêu cao có khả năng cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chịu lực của công trình trong suốt vòng đời khai thác Hiện nay giá thành vật liệu của bê tông UHPC tương đối cao, việc tối ưu hóa thành phần nguyên liệu cũng như sử dụng các loại vật liệu sẵn có ở địa phương sẽ giúp tăng tính hiệu quả về mặt kinh tế Đồng thời, nghiên cứu này cũng sẽ là tiền đề, cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo ứng dụng cho các kết cấu công trình chuyên dụng như công trình quân sự chịu tải trọng nổ hoặc các công trình dân sự chịu tải trọng đặc biệt Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

TỔNG QUAN

Bê tông tính năng siêu cao có những ưu điểm vượt trội hơn bê tông thường, có thể ứng dụng cho các kết cấu chuyên dụng hoặc các công trình chịu tải trọng đặc biệt Với các kết quả nghiên cứu có trước, có thể thấy rằng cốt liệu và sợi thép đóng vai trò quan trọng trong ứng xử của bê tông cốt sợi tính năng siêu cao Sử dụng UHPFRC sẽ giúp tăng độ bền và độ dẻo dai cho kết cấu, đặc biệt là các kết cấu chịu tải trọng đặc biệt Nội dung chương này trình bày các nghiên cứu của các tác giả trên thế giới đã thực hiện nhằm đánh giá ứng xử của vật liệu và cấu kiện được làm bằng UHPC khi chịu tác dụng của tải trọng va đập Ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến tính năng UHPC

Phần nghiên cứu đối chứng của K.P Vishalakshi và cộng sự [14] đã phân tích tác động của cốt liệu lên tính chất cơ học của bê tông thông thường và bê tông cường độ cao Cốt liệu thử nghiệm bao gồm "Grey Granite, Anorthosite, Charnockite, Limestone và Gneiss" với thành phần khoáng vật, kết cấu bề mặt và cấu trúc tinh thể khác nhau Kích thước cốt liệu dao động từ 12 đến 20mm Kết quả cho thấy sự thay đổi cốt liệu không đáng kể đối với cường độ bê tông thông thường Tuy nhiên, trong bê tông cường độ cao, cốt liệu lại đóng vai trò quan trọng Xu hướng này cũng được phản ánh trong các bài kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn và năng lượng phá hủy.

Ke-Ru Wu và các cộng sự [15] tiến hành thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của cốt liệu lớn đến cường độ chịu nén, kéo, mô đun đàn hồi và năng lượng phá hủy của bê tông Các nhóm cấp phối bê tông có cùng tỉ lệ nước – xi măng nhưng khác nhau về thành phần cốt liệu lớn gồm đá quartzite, granite, đá vôi và marble được chế tạo Hình 2.1 biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông và cường độ cốt liệu Theo đó, với những nhóm mẫu bê tông cùng cốt liệu từ đá Granite, với tỷ lệ N/X=0.44 thì cường độ chịu nén của bê tông f’ c p.4MPa, trong khi đó với tỷ lệ N/X=0.26 thì cường độ chịu nén của bê tông đạt f’ c 1MPa và cũng là giá trị cao nhất của các nhóm mẫu Như vậy, với tỷ lệ hàm lượng N/X thấp thì cường độ bê tông tăng khi tăng cường độ của cốt liệu Tuy nhiên, sự ảnh hưởng này lại không rõ ràng đối với các mẫu chịu kéo Ảnh

11 hưởng của cốt liệu đến các tính năng cơ học của bê tông cũng được đề cập đến trong nhiều nghiên cứu khác [16], [17]

(a) Cường độ chịu nén (b) Cường độ chịu kéo

Hình 2.1 Mối quan hệ giữa cường độ của bê tông và cốt liệu [15]

Kim và cộng sự [18] nghiên cứu các đặc tính vật lý và cơ học của bê tông tính năng siêu cao khi có và không có cốt liệu lớn (Hình 2.2) Thực nghiệm cho thấy đối với UHPC có hạt cốt liệu nhỏ hơn 1.18mm, sợi thép và hạt cốt liệu không cản nhau quá nhiều, các hạt cốt liệu và sợi dễ dàng lăn trượt lên nhau, sự phân tán và định hướng của sợi thép trong bêtông đạt tối ưu Đối với UHPC có hạt cốt liệu lớn đến 8mm, sợi và các hạt cốt liệu lớn cản trở sự dịch chuyển của nhau làm cho sự phân tán và định hướng của sợi thép trong bêtông không đạt tối ưu, tính công tác của bêtông cốt sợi suy giảm mạnh theo lượng sợi gia cường và cường độ chịu kéo khi uốn cũng như tính dẻo dai thì kém hơn UHPC với thành phần cốt liệu nhỏ hơn 1.18mm Với hàm lượng sợi thép gia cường từ 1.0% đến 1.5% thể tích, cường độ nén của UHPC cũng gia tăng thêm so với khi chưa có sợi, nhưng độ tăng là không đáng kể (khoảng 5%)

Hình 2.2 Độ chảy và cường độ chịu nén của bêtông [18]

12 Ảnh hưởng của thành phần sợi thép đến ứng xử của UHPC

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm lượng sợi thép trong bê tông cốt sợi là một trong những yếu tố quyết định đến khả năng chịu lực của kết cấu Hassan và cộng sự [8] đã so sánh ứng xử chịu nén và chịu kéo dọc trục của 2 loại bê tông UHPC và UHPFRC Biến dạng của mẫu trong thí nghiệm kéo dọc trục của UHPFRC tối đa đạt được trong khoảng 1.5–3.0 ‰, trong khi đó giá trị này là khoảng 0.15–0.25 ‰ cho bê tông UHPC Bên cạnh đó, thành phần sợi thép lại ảnh hưởng không rõ rệt khi so sánh cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của hai loại bê tông này (Hình 2.3)

Hình 2.3 Cường độ chịu kéo ứng với tuổi bê tông [8]

Doo-Yeol Yoo và cộng sự [19] nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến tính chất cơ học của UHPFRC với 4 hàm lượng khác nhau là 1%, 2%, 3% và 4% với cùng cấp phối Các mẫu thử được bão dưỡng ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ đầu tiên, sau đó được dưỡng hộ ở nhiệt độ (90±2) độ trong 3 ngày tiếp theo Hình 2.4 mô tả sự ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi, theo đó với tỷ lệ 3% hàm lượng sợi cho khả năng chịu lực tối ưu nhất Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng sợi lên 4% thì cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi lại giảm

Hình 2.4 Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi [19]

Su Tae Kang và cộng sự [20] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự phân bố sợi thép đến khả năng chịu uốn của UHPFRC Chương trình thực nghiệm với các mẫu được chế tạo với hướng đổ song song và vuông góc với trục dọc cấu kiện như Hình 2.5a Khả năng chịu lực của dầm cũng như sự xuất hiện các vết nứt được ghi nhận nhằm đánh giá ứng xử của mẫu khi chịu uốn Bằng cách phân tích các mặt cắt theo các phương khác nhau, tác giả nhận thấy rằng sự phân bố sợi thép có liên quan đến hướng đổ của bê tông trong giai đoạn chế tạo mẫu Theo đó, khả năng chịu uốn của những mẫu có hướng đổ bê tông theo phương song song với trục dọc của cấu kiện tăng 61% so với những mẫu có hướng đổ bê tông theo phương vuông góc như thể hiện ở Hình 2.5b a Hướng đổ bê tông b Biểu đồ lực - chuyển vị của TN uốn dầm Hình 2.5 Ảnh hưởng của hướng đổ bê tông đến ứng xử của dầm chịu uốn [20]

Zemei Wu và cộng sự [21] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng và hình dạng sợi thép đến tính chất cơ học của bê tông cường độ cao Ba loại sợi thép khác nhau được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm sợi thẳng, sợi xoắn và sợi uốn cong ở 2 đầu Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ chảy của hỗn hợp bê tông bị ảnh hưởng bởi hình dạng sợi, cụ thể là độ chảy của 1%, 2%, 3% hàm lượng sợi thép dạng uốn móc lần lượt giảm 20.9%; 35.8% và 51.2% khi so sánh cùng cấp phối với mẫu sử dụng sợi thẳng Điều này có thể lý giải rằng sự biến dạng của sợi làm tăng ma sát giữa sợi thép và cốt liệu, từ đó tăng tính liên kết giữa chúng, dẫn đến giảm độ chảy của hỗn hợp bê tông Kết quả nghiên cứu còn cho thấy hàm lượng sợi và hình dáng sợi đều có ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ nén và ứng xử chịu uốn của vật liệu Sự ảnh hưởng của hình dạng sợi thép cũng được kiểm chứng cụ thể trong nghiên cứu khác của Doo-Yeol Yoo và cộng sự [22]

M.Orgass cùng cộng sự [23] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài sợi thép và kích cỡ cốt liệu đến tính năng cơ học của UHPFRC, hàm lượng sợi thép sử dụng trong nghiên cứu là 0%, 1% và 2% (Hình 2.6) Kết quả thí nghiệm cho thấy các nhóm mẫu bê tông RPC (Reactive powder concrete) vượt trội hơn các mẫu UHPC, cụ thể là ở cường độ chịu nén, nhóm mẫu C-UHPC có cỡ hạt cốt liệu đến 5mm cho giá trị cường độ chịu nén là 129MPa, giá trị này nhỏ hơn các mẫu C-RPC có cốt liệu hạt từ 0.3-0.8mm (đạt giá trị 154 MPa) ứng với mẫu có 2% sợi thép

Hình 2.6 Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị các nhóm mẫu [23]

Để đánh giá khả năng chịu uốn, các mẫu dầm kích thước (100100500) mm với hàm lượng sợi khác nhau (0%, 1,0%, 2,0%) và sử dụng hai loại sợi ngắn và dài đã được thử nghiệm Kết quả cho thấy việc tăng hàm lượng sợi thép làm tăng độ bền dẻo của bê tông Cụ thể, khi trộn 1,0% sợi ngắn và 1,0% sợi dài vào bê tông, khả năng chịu lực tăng tới 73,9% so với mẫu không có sợi Hỗn hợp hai loại sợi này còn cải thiện ứng xử sau nứt của dầm, giúp tăng độ dẻo dai cho cấu kiện.

Việc nghiên cứu UHPC trong nước hiện nay cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm và thực hiện UHPC cũng đã được triển khai vào các dự án dân dụng và cầu đường, như việc sửa chữa mặt cầu Thăng Long năm 2020-2021 hoặc chế tạo các dầm cầu phân đốt căng sau [24] Trần và cộng sự [25], [26] đã đánh giá ảnh hưởng của sợi thép và sợi hỗn hợp đến tính năng của bê tông UHPC cốt liệu nhỏ tại Việt Nam Cát thạch anh sử dụng là 980kg/m 3 và hàm lượng sợi lần lượt là 0.0%, 1.0%, 2.0% và 3.0% Kết quả cho thấy hàm lượng sợi ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp Cường độ chịu nén, kéo và uốn tăng tương ứng 23%, 87% và 157% khi tăng hàm lượng sợi từ 0% lên 3%

Với các kết quả nghiên cứu trên, có thể thấy rằng sợi thép đóng vai trò quan trọng trong ứng xử của bê tông UHPFRC, giúp cho loại bê tông này có thể sử dụng cho các cấu kiện chịu tải trọng đặc biệt như tải trọng va đập hoặc tải trọng nổ

Tấm chịu tải trọng va đập

S Elavenil và cộng sự [27] đã đánh giá ứng xử của tấm bê tông cốt sợi chịu tải trọng va đập, mục tiêu của bài báo là nghiên cứu mối liên quan giữa tải trọng với chuyển vị, vận tốc và gia tốc tấm 18 mẫu có kích thước (600600) mm được chế tạo và lắp đặt như Hình 2.7 với các chiều dày khác nhau 10mm, 25mm và 30mm, với 3 hàm lượng sợi thép là 0.5%, 0.75% và 1.0% Các cạnh của tấm được cố định ở tất cả các bên

Vật nặng làm bằng thép nặng 4.5kg được liên kết với sợi dây thép thẳng đứng để điều khiển cho vật nặng di chuyển lên xuống tác dụng vào tấm Chiều cao rơi của vật nặng là 750mm và được giữ cố định trong suốt quá trình thí nghiệm Kết quả cho thấy hàm lượng sợi thép ảnh hưởng không rõ ràng đến khả năng chịu lực với hàm lượng sợi nhỏ hơn 0.5% Khi hàm lượng sợi tăng 0.75% và 1.0% thì lúc này khả năng chịu lực tăng 60% Bên cạnh đó, khi càng tăng hàm lượng sợi thép thì vết nứt càng giảm, và bề rộng vết nứt của tấm bê tông cốt sợi nhỏ hơn rất nhiều so với tấm bê tông không có sợi

16 a Lắp đặt thiết bị thí nghiệm b Vết nứt trên bề mặt mẫu

Hình 2.7 Thí nghiệm va đập tấm [27]

Madheswaran C K và cộng sự [28] đã tiến hành so sánh ứng xử của tấm bê tông bằng geopolymer (GPC) và tấm bê tông dùng xi măng Portland (OPCC) chịu tải trọng va đập như Hình 2.8 a Khung và mẫu thí nghiệm b Tấm FR-OPCC c Tấm FR-GPC1 Hình 2.8 Hình dạng vết nứt trên bề mặt tấm [28]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tải trọng va đập

Tải trọng va đập là một loại tải động, đột ngột, có cường độ cao và có thể phá hủy cấu trúc trong thời gian ngắn Tải trọng va đập có thể bao gồm: tải trọng do đá rơi vào hầm trú ẩn bằng bê tông, phương tiện hoặc tàu thuyền va chạm vào tòa nhà, hoặc là các tác

31 động của tên lửa, súng quân sự vào kết cấu.v.v Các tác động này có khoảng lực tác động rộng và có thể được chia thành 2 loại là va chạm mềm (soft impact) và va chạm cứng (hard impact) Định nghĩa về va chạm cứng và va chạm mềm được đưa ra bởi Eibl vào năm 1987 và CEB vào năm 1988 [67]–[69] Việc phân loại dựa trên mô hình lò xo khối lượng như Hình 3.10 Theo đó, 2 vật nặng lần lượt có khối lượng là m 1 và m 2 tương ứng với độ cứng lò xo k 1 , k 2 Các phương trình vi phân mô tả chuyển động có thể diễn đạt bởi công thức (3.2):

Trong trường hợp x 1 >>x 2 tức là biến dạng của vật nặng m 1 nhiều hơn so với vật chịu tác động m 2 thì lúc này F(t)=k 1 x 1 (t), phương trình (3.2) biến đổi thành (3.3) như sau:

Hình 3.10 Mô hình cơ học về va đập của 2 vật nặng [69]

Trong trường hợp xem xét va chạm giữa các vật không bị biến dạng, động năng của vật va chạm được hoàn toàn chuyển hóa thành biến dạng của vật va chạm thì được gọi là va chạm mềm Ngược lại, nếu vật va chạm mềm bị biến dạng đáng kể (x2 >> x1) thì được gọi là va chạm cứng Đối với va chạm mềm, vị trí của vật va chạm trùng với vị trí của vật va chạm cứng trước khi va chạm, còn đối với va chạm cứng, vật va chạm cứng bị biến dạng đáng kể làm cho vị trí của vật sau va chạm xê dịch đáng kể so với vị trí trước khi va chạm.

(hard impact), xảy ra khi động năng của vật va chạm được hấp thụ hoàn toàn hoặc một phần bởi sự biến dạng của vật chịu tác động Các dạng phá hoại trong tấm bê tông chịu tải trọng va đập được mô tả trong Hình 3.11 [70]

Bên cạnh đó, Brown và cộng sự [71] cũng đã phân loại theo vận tốc va đập như sau: vật va đập với vận tốc V  40m/s thì xếp vào nhóm va đập vận tốc cao (high velocity impact)

32 và những trường hợp có V < 20m/s thì xếp vào nhóm va đập vận tốc thấp (low velocity impact) Ngoài ra, Perry và cộng sự [72] phân loại tải trọng va đập thành 4 loại, theo đó loại 1: Tải trọng tĩnh và bán tĩnh (V=0-10m/s); loại 2: Tải trọng động bất ngờ do vật thể rơi tĩnh (V=0-40m/s); loại 3: Tải trọng do va chạm máy bay (V 0-3000m/s); loại 4: Tải trọng do đạn đạo (V00m/s)

Dạng phá hoại của bê tông chịu tải trọng va đập bao gồm: xuyên thủng, nứt hình nón, nứt vỡ, nứt bề mặt, bê tông bị vỡ dạng vảy, phản ứng tổng thể của hệ Những dạng phá hoại này có thể xảy ra riêng lẻ hoặc kết hợp với nhau tùy thuộc vào tính chất của lực tác động và đặc tính của bê tông Xuyên thủng là dạng phá hoại nghiêm trọng nhất, xảy ra khi lực tác động quá lớn làm bê tông bị vỡ hoàn toàn Nứt hình nón là dạng phá hoại thường gặp khi tải trọng va đập có cường độ cao và thời gian tác dụng ngắn Nứt vỡ là dạng phá hoại nghiêm trọng, xảy ra khi bê tông không còn khả năng chịu tải và bị vỡ vụn Nứt bề mặt là dạng phá hoại nhẹ, chỉ ảnh hưởng đến lớp bề mặt của bê tông Bê tông bị vỡ dạng vảy là dạng phá hoại xảy ra khi lực tác động làm bong tróc các mảng bê tông nhỏ Phản ứng tổng thể của hệ là sự dịch chuyển, biến dạng hoặc phá hoại của toàn bộ kết cấu bê tông khi chịu tải trọng va đập.

Như vậy, trong nghiên cứu này, tải trọng va đập được thực hiện là loại tải trọng va đập với vận tốc va đập thấp (low velocity impact) Ứng xử của kết cấu khi chịu tải trọng này được đánh giá bằng phương pháp thực nghiệm và mô hình số nhằm xác định được sự lan truyền ứng suất và phá hoại hư hỏng của kết cấu.

Năng lượng trong tấm

Động năng E K (Kinetic energy) là một chỉ tiêu cơ bản cấu thành nên quy luật bảo toàn năng lượng trong cơ cấu va chạm Khi va chạm, động năng của vật nặng có vận tốc v (m/s) và khối lượng m (kg) được tính theo công thức (3.4):

Với: E K : động năng (J), m: khối lượng vật nặng (kg), v: vận tốc va chạm (m/s)

Yu và cộng sự [30] đã tính toán năng lượng hấp thụ trong tấm UHPC theo công thức (3.5) khi khảo sát va đập của con lắc tác dụng vào tấm sàn UHPFRC

Với: E a : năng lượng hấp thụ của tấm sàn (J), m h , v h : khối lượng (kg) và vận tốc của búa rơi; m s , v s : khối lượng (kg) và vận tốc của tấm sàn (m/s); v h-s : vận tốc dư của búa (m/s);

Tổng năng lượng hấp thụ của tấm (E t-a ) được xác định bằng tổng năng lượng các lần va đập (n) theo công thức (3.6):

Kết quả tính toán cho thấy khả năng tiêu tán năng lượng trong tấm sàn sử dụng bê tông cốt sợi hỗn hợp (sợi thẳng + sợi có móc 2 đầu) tốt hơn tấm bê tông sử dụng cốt sợi riêng lẻ Bên cạnh đó, việc bổ sung sợi thép vào bê tông đã cải thiện khả năng chống va đập của tấm [30].

Tốc độ biến dạng của bê tông chịu tải trọng va đập

Ứng xử của bê tông khi chịu tải trọng va đập khác với tải trọng tĩnh do ảnh hưởng của tốc độ biến dạng Một ví dụ của tải trọng nổ được phân tích nhằm hiểu rõ hơn cơ chế tuyền lực của kết cấu [73] Khi tải trọng nổ tác động vào tấm tường bê tông sẽ gây ra sóng áp suất tốc độ cao tác dụng vào mặt trước của bức tường Một phần năng lượng sẽ được phản xạ trở lại và một tỷ lệ đáng kể sẽ lan truyền qua tường dưới dạng sóng ứng suất nén Khi làn sóng này gặp mặt sau của bức tường, một phần sóng ứng suất sẽ dội lại bức tường và phần khác sẽ được truyền vào không khí Phần sóng ứng suất dội lại vào bức tường làm phát sinh lực căng ở mặt sau bức tường Điều đó dẫn tới bê tông ở mặt sau bức tường bị phá hoại do ứng suất kéo, bê tông bị nứt và các hạt bị văng ra với tốc độ lớn Hiện tượng này thường xảy ra ở bề mặt và sự hiện diện của cốt thép sẽ không giúp kiểm soát được vấn đề này nên người ta thường sử dụng hàm lượng sợi thép của bê tông UHPFRC nhằm giúp kiểm soát được vết nứt trên bề mặt bê tông [73]

Kết cấu bê tông chịu một khoảng tốc độ biến dạng từ 10 -8 s -1 cho từ biến và 10 3 s -1 cho tải trọng va đập như thể hiện ở Hình 3.12 Bê tông và các vật liệu gốc xi măng khác rất nhạy với tốc độ biến dạng [74] Abrams lần đầu tiên xác định độ nhạy tốc độ biến dạng của bê tông vào năm 1917 và nhận thấy rằng cường độ chịu nén tăng tại tốc độ gia tải cao hơn [75] Cường độ chịu kéo khi chịu tải trọng động là một giá trị cần thiết cho việc mô phỏng kết cấu chịu tải trọng va đập hoặc tải trọng nổ

Hình 3.12 Tốc độ biến dạng của kết cấu bê tông (s -1 ) [74]

Hệ số tăng tải trọng động (DIF: dynamic increase factor) mô tả mức độ cải thiện độ bền hoặc các đặc tính cơ học khác như mô đun đàn hồi hoặc mức hấp thụ năng lượng [74] DIF là tỷ lệ của tính năng vật liệu ở tốc độ biến dạng động  với tốc độ biến dạng bán tĩnh  s như công thức (3.7)

Bischoff và Perry [76] chỉ ra rằng tốc độ biến dạng của bê tông khi chịu nén là 10 -8 đến

10 2 (s -1 ) và tốc độ biến dạng của bê tông khi chịu nén bán tĩnh khoảng 10 -5 (s -1 ) DIF khoảng 0.75 tại tốc độ biến dạng từ biến 10 -8 (s -1 ) và 2.25 tại tốc độ biến dạng động 10 2 (s -1 )

Liên đoàn quốc tế về kết cấu bê tông (CEB) [67] định nghĩa DIF f’c khi chịu nén theo công thức (3.8):

Từ biến Bán tĩnh Va chạm xe Máy bay rơi Va chạm mạnh

(tên lửa, đá rơi) Động đất, sốc

CEB cũng đề xuất công thức tính DIF ft cho bê tông khi chịu kéo [67] theo công thức (3.9):

Malvar và Ross cũng đề xuất công thức tính DIF [74], [77] theo công thức (3.10):

Các mô hình trên cho thấy tốc độ biến dạng giảm đối với bê tông cường độ cao Điều đó chứng tỏ rằng cấu trúc lỗ rỗng trong bê tông ảnh hưởng đến độ nhạy của tốc độ biến dạng UHPC có cường độ cao hơn và độ rỗng nhỏ hơn bê tông thường nên tốc độ biến dạng cho giá trị nhỏ hơn bê tông thường Bên cạnh đó, hàm lượng sợi thép cũng như hình dạng sợi trong UHPFRC cũng ảnh hưởng đến tốc độ biến dạng của bê tông [74]

Công thức (3.10) được Malvar và Ross [77] hiệu chỉnh từ công thức (3.9) của CEB [67] vì cho rằng giá trị hiện có của tốc độ biến dạng cao dường như thay đổi độ dốc khi tiến đến giá trị 1s -1 thay vì 30s -1 như CEB [67] đề xuất [78] Tuy nhiên, các công thức dự đoán hệ số DIF của CEB, của Malvar và Ross thì không thích hợp với bê tông có độ dẻo cao như UHPFRC [78] Do đó Park và cộng sự [78] đã đưa ra các công thức (3.11) đến (3.13) nhằm hiệu chỉnh thông số DIF thông qua các dữ liệu thí nghiệm:

(3.13) với DIF pc , DIF sc , DIF pt lần lượt là hệ số tăng tải trọng động cho cường độ sau nứt, khả năng biến dạng và độ dẻo cao nhất cho UHPFR;  z : tốc độ biến dạng,  s : tốc độ biến dạng tĩnh

Bên cạnh đó, Millard và cộng sự [73] đã đánh giá hệ số tải trọng động của bê tông không sợi và có sợi chịu tải trọng uốn và cắt Kết quả cho thấy tốc độ biến dạng của thí nghiệm uốn động khoảng 110 -2 và 10 1 (s -1 )

Như vậy, khi xây dựng bài toán mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá ứng xử của bê tông khi chịu tải trọng va đập cần phải xét đến tốc độ biến dạng của vật liệu Có thể thấy rằng, bê tông tính năng siêu cao có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng cho các kết cấu

Bê tông UHPC là loại vật liệu có yêu cầu chịu lực cao, thường được sử dụng cho các công trình kiến trúc phức tạp hoặc chịu sự xâm thực mạnh Thách thức trong nghiên cứu và phát triển UHPC nằm ở việc tìm ra công thức vật liệu và công nghệ chế tạo tối ưu để vừa đảm bảo cường độ vừa giảm giá thành sản phẩm Dựa trên nguồn nguyên liệu địa phương, nghiên cứu này đã tiến hành tối ưu hóa thành phần cấp phối UHPC và xác định các tính năng cơ học của vật liệu thông qua chương trình thực nghiệm.

PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU CÔNG THỨC CHO VẬT LIỆU UHPC

Mẫu thí nghiệm

Với mục tiêu khảo sát các tính chất cơ học của vật liệu, chương trình thí nghiệm được thiết lập với 4 nhóm mẫu N00, N10, N15, N20 tương ứng lần lượt với 0%, 1.0%, 1.5% và 2.0% sợi thép (Bảng 4.3) Qui trình thí nghiệm được thực hiện theo các hướng dẫn của tiêu chuẩn hiện hành Trước khi thí nghiệm các mẫu đều được gia công mài phẳng

STT Thành phần Đơn vị Kích thước hạt Khối lượng CPV-01

2 Cát thạch anh kg 0.15-1.25 mm 511

4 Bột cát thạch anh kg 11 m 228

7 Phụ gia siêu dẻo kg 17

40 bề mặt để đảm bảo kết quả chính xác cao nhất Tất cả các nguyên liệu đầu vào như cốt liệu, phụ gia và sợi thép đều được kiểm tra và chuẩn bị cẩn thận để đảm bảo đánh giá chính xác đặc trưng của vật liệu

Bảng 4.3 Các nhóm mẫu thí nghiệm

STT Nhóm Loại thí nghiệm

4.1.2 Khảo sát tính chất hỗn hợp bê tông Độ chảy là yếu tố cơ bản cho tính công tác của hỗn hợp bê tông, độ chảy hỗn hợp càng cao thì hỗn hợp bê tông càng nhanh chóng lấp đầy khuôn, do đó có thể sử dụng cho các kết cấu mỏng hoặc kết cấu có hình dạng phức tạp Sau khi bê tông được trộn xong tiến hành cho hỗn hợp bê tông vào phễu hình côn để đo độ chảy xòe như Hình 4.2 Kết quả độ chảy đo được của các nhóm mẫu thể hiện trong Bảng 4.4 Nhóm N00 (không có sợi thép), độ chảy xòe của đĩa bê tông đạt đường kính 750 mm và hỗn hợp bê tông duy trì tính công tác trong khoảng thời gian 30 phút Hình 4.2b cho thấy vật liệu được phân bố đồng nhất, không có các hiện tượng tách nước, phân tầng hay cốt liệu bị sa lắng Với hàm lượng sợi được bổ sung từ 1.0%, 1.5% và 2.0% thì độ chảy xòe giảm tương ứng còn 730 mm, 720mm và 680 mm Sợi thép được thêm vào tạo thành một mạng lưới và

41 làm tăng diện tích tiếp xúc của pha hồ Điều này làm cho tính công tác của toàn bộ hỗn hợp giảm đi Tuy nhiên rất khó dự đoán được quan hệ giữa hàm lượng sợi thép và độ giảm tính công tác của bê tông

Bảng 4.4 Độ chảy của các nhóm mẫu

STT Nhóm mẫu Hàm lượng sợi thép (%) Độ chảy xòe (mm)

4 N20 2.0 680 a Bàn đo độ chảy xoè b Độ chảy xòe của UHPFRC

Hình 4.2 Độ chảy hỗn hợp bê tông

4.1.3 Khảo sát cường độ chịu nén

Kết quả thí nghiệm nén cho thấy cường độ chịu nén của bê tông tăng theo hàm lượng sợi thép Nhóm mẫu có hàm lượng sợi thép 2,0% có cường độ nén trung bình cao nhất, đạt 133,2 MPa, tăng 12% so với mẫu đối chứng (không có sợi thép).

42 cứu có trước [8], [18] khi đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến cường độ chịu nén của vật liệu

Hình 4.3 Sự phát triển cường độ các nhóm mẫu

Quan sát từ quá trình thí nghiệm nén mẫu, các mẫu thuộc nhóm N00 (không sợi thép) có dạng phá hoại giòn và đột ngột, mẫu bị nổ vỡ bung khi chịu nén Ngược lại với các mẫu có sợi thép, mẫu không bị phá hoại và vẫn giữ được hình dạng gần giống như ban đầu do vẫn còn sự liên kết của các sợi thép trong mẫu như Hình 4.4b Điều này giúp cho kết cấu không bị phá hoại bất ngờ trong quá trình khai thác a Nhóm N00 - không có sợi thép b Nhóm N20 – 2.0% sợi thép Hình 4.4 Dạng phá hoại nén của mẫu có và không có sợi thép

4.1.4 Khảo sát mô đun đàn hồi và hệ số nở hông

Mô đun đàn hồi là một tính chất cơ học của vật liệu rắn đàn hồi tuyến tính, giá trị mô đun đàn hồi là đo lực trên một đơn vị diện tích cần để kéo giãn hoặc nén một mẫu vật

Cường độ chịu nén (MPa)

43 liệu Mô đun đàn hồi được xác định bằng độ dốc đường cong ứng suất biến dạng trong vùng biến dạng đàn hồi Thí nghiệm mô đun đàn hồi - hệ số Poisson được kết hợp cùng với quá trình khảo sát ứng xử nén dọc trục của mẫu vật liệu, ứng suất - biến dạng được đo trên các mẫu hình trụ 150mm × H300mm Biến dạng dọc trục và biến dạng ngang được đo bằng cặp strain gause (SG) dán lên bề mặt mẫu theo 2 phương khi chịu tải trọng nén như Hình 4.5 Toàn bộ các đại lượng đo được thu thập bởi hệ thống đo lường tự động National Instruments – cDAQ-9174

Thí nghiệm được thực hiện theo hướng dẫn của tiêu chuẩn ASTM C469/C469M-10 [80] Kết quả tính toán mô đun đàn hồi và hệ số poisson của mẫu trụ được thể hiện ở Bảng 4.5, theo đó giá trị mô đun đàn hồi của các nhóm mẫu đạt giá trị 41 47 GPa và hệ số poisson từ 0.16  0.21 Mối quan hệ ứng suất và biến dạng nén dọc trục và nở ngang của mẫu bê tông được biểu diễn ở Hình 4.6 a Vị trí dán strain gage b Lắp đặt mẫu thí nghiệm Hình 4.5 Thí nghiệm đo ứng suất - biến dạng của mẫu bê tông

Từ biểu đồ ở Hình 4.6 nhận thấy rằng mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng có dạng tuyến tính gần như trong suốt quá trình tăng tải, phạm vi tuyến tính chiếm khoảng 70% đến 80% so với giá trị ứng suất lớn nhất Cụ thể hơn, với nhóm mẫu N00 (Hình 4.7), trong quá trình gia tải từ 0 MPa đến 96MPa (80% giá trị cường độ) thì biểu đồ quan hệ

44 giữa ứng suất và biến dạng vẫn còn dạng tuyến tính Điều này chứng tỏ có thể áp dụng tính toán với mô hình đàn hồi khi ứng suất tăng đến gần 80% của cường độ

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm của các nhóm mẫu bê tông Đại lượng đo Đơn vị Nhóm N00 Nhóm N10 Nhóm N15 Nhóm N20

Cường độ nén – f c-cyl MPa 118.8 122.7 124.9 133.2

Mô đun đàn hồi - E GPa 45.7 41.3 44.0 47.2

Giới hạn biến dạng đàn hồi -  elastic ‰ 1.03 1.07 1.3 0.9

Biến dạng nén lớn nhất -  limit

Hình 4.6 Biểu đồ ứng suất - biến dạng của các nhóm mẫu

N00 - BD dọc N00 - BD ngangN10 - BD dọcN10 - BD ngangN15 - BD dọc N15 - BD ngangN20 - BD dọcN20 - BD ngang

Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của nhóm N00

Hiện nay, giá trị mô đun đàn hồi được xác định theo các công thức có sẵn thông qua cường độ chịu nén của vật liệu Giá trị mô đun đàn hồi của thí nghiệm được so sánh với các giá trị tính toán theo các tiêu chuẩn quốc tế được trình bày trong Bảng 4.6 Theo đó, mô đun đàn hồi của thực nghiệm cho kết quả thấp hơn khi so sánh với giá trị tính theo công thức của các tiêu chuẩn hiện hành Có thể thấy rằng cường độ của cốt liệu đã ảnh hưởng nhiều đến độ cứng của các nhóm mẫu

Bảng 4.6 So sánh giá trị mô đun đàn hồi của bê tông

Cường độ chịu nén (MPa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

4.1.5 Khảo sát cường độ chịu kéo khi uốn

4.1.5.1 Lắp đặt và bố trí thí nghiệm

Cường độ chịu kéo của bê tông biểu thị khả năng và độ bền của bê tông chống lại ứng xuất kéo xuất hiện trong cấu kiện Cường độ chịu kéo bê tông được xác định gián tiếp qua thí nghiệm kéo-uốn Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn được thực hiện bằng cách uốn dầm có xẻ rãnh theo RILEM TC 162-TDF [84] Mẫu dầm có kích thước (75 ×100 × 450) mm với 2 vị trí gắn cảm biến đo chuyển vị (LVDT) và đo độ mở rộng vết nứt như ở Hình 4.8 a Vị trí gắn thiết bị đo chuyển vị b Vị trí gắn thiết bị đo độ mở rộng vết nứt Hình 4.8 Kích thước mẫu thí nghiệm

Lực tác dụng lên dầm được ghi nhận từ cảm biến đo lực (load cell) gắn trên thiết bị thí nghiệm Sau khi đã lắp đặt xong thiết bị đo, dầm được đưa lên các giá đỡ của khung thí nghiệm như Hình 4.9 Các giá trị đo được ghi lại tự động bằng máy tính trong suốt quá trình gia tải Tiến hành thí nghiệm với tốc độ gia tải ổn định là 0.05mm/phút đến khi kết thúc thí nghiệm Trong quá trình thí nghiệm các vết nứt của mẫu có hình dạng và hướng phát triển như Hình 4.10 Theo đó các bề rộng vết nứt tăng chậm trong giai đoạn đầu của thí nghiệm Tiếp tục gia tải với tốc độ không thay đổi thì vết nứt càng phát triển lên phía trên và độ mở rộng vết nứt càng tăng nhanh

Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông được tính toán theo công thức sau: max 2

  bh (4.1) trong đó:  t : cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông, MPa;

P max : giá trị lực lớn nhất đo được, N;

L : nhịp dầm, là khoảng cách giữa 2 gối tựa, mm;

47 b,h : bề rộng và chiều cao tiết diện ngang chịu lực của dầm, mm b Thiết bị đo chuyển vị a Lắp đặt mẫu thí nghiệm c Thiết bị đo độ mở rộng vết nứt Hình 4.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn dầm và thiết bị đo a Vết nứt 1.2 mm b Vết nứt 3.5 mm c Sau khi kết thúc TN

Hình 4.10 Vết nứt của mẫu trong quá trình thí nghiệm

Khảo sát mô đun đàn hồi và hệ số nở hông

Mô đun đàn hồi là một tính chất cơ học của vật liệu rắn đàn hồi tuyến tính, giá trị mô đun đàn hồi là đo lực trên một đơn vị diện tích cần để kéo giãn hoặc nén một mẫu vật

Cường độ chịu nén (MPa)

43 liệu Mô đun đàn hồi được xác định bằng độ dốc đường cong ứng suất biến dạng trong vùng biến dạng đàn hồi Thí nghiệm mô đun đàn hồi - hệ số Poisson được kết hợp cùng với quá trình khảo sát ứng xử nén dọc trục của mẫu vật liệu, ứng suất - biến dạng được đo trên các mẫu hình trụ 150mm × H300mm Biến dạng dọc trục và biến dạng ngang được đo bằng cặp strain gause (SG) dán lên bề mặt mẫu theo 2 phương khi chịu tải trọng nén như Hình 4.5 Toàn bộ các đại lượng đo được thu thập bởi hệ thống đo lường tự động National Instruments – cDAQ-9174

Mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của các mẫu trụ bê tông được tính toán theo tiêu chuẩn ASTM C469/C469M-10, cho kết quả trong phạm vi 41 - 47 GPa và 0,16 - 0,21 lần lượt Mối quan hệ ứng suất - biến dạng nén dọc trục và nở ngang của mẫu bê tông được minh họa trong Hình 4.6.

Từ biểu đồ ở Hình 4.6 nhận thấy rằng mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng có dạng tuyến tính gần như trong suốt quá trình tăng tải, phạm vi tuyến tính chiếm khoảng 70% đến 80% so với giá trị ứng suất lớn nhất Cụ thể hơn, với nhóm mẫu N00 (Hình 4.7), trong quá trình gia tải từ 0 MPa đến 96MPa (80% giá trị cường độ) thì biểu đồ quan hệ

44 giữa ứng suất và biến dạng vẫn còn dạng tuyến tính Điều này chứng tỏ có thể áp dụng tính toán với mô hình đàn hồi khi ứng suất tăng đến gần 80% của cường độ

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm của các nhóm mẫu bê tông Đại lượng đo Đơn vị Nhóm N00 Nhóm N10 Nhóm N15 Nhóm N20

Cường độ nén – f c-cyl MPa 118.8 122.7 124.9 133.2

Mô đun đàn hồi - E GPa 45.7 41.3 44.0 47.2

Giới hạn biến dạng đàn hồi -  elastic ‰ 1.03 1.07 1.3 0.9

Biến dạng nén lớn nhất -  limit

Hình 4.6 Biểu đồ ứng suất - biến dạng của các nhóm mẫu

N00 - BD dọc N00 - BD ngangN10 - BD dọcN10 - BD ngangN15 - BD dọc N15 - BD ngangN20 - BD dọcN20 - BD ngang

Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của nhóm N00

Hiện nay, giá trị mô đun đàn hồi được xác định theo các công thức có sẵn thông qua cường độ chịu nén của vật liệu Giá trị mô đun đàn hồi của thí nghiệm được so sánh với các giá trị tính toán theo các tiêu chuẩn quốc tế được trình bày trong Bảng 4.6 Theo đó, mô đun đàn hồi của thực nghiệm cho kết quả thấp hơn khi so sánh với giá trị tính theo công thức của các tiêu chuẩn hiện hành Có thể thấy rằng cường độ của cốt liệu đã ảnh hưởng nhiều đến độ cứng của các nhóm mẫu

Bảng 4.6 So sánh giá trị mô đun đàn hồi của bê tông

Cường độ chịu nén (MPa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

4.1.5 Khảo sát cường độ chịu kéo khi uốn

4.1.5.1 Lắp đặt và bố trí thí nghiệm

Cường độ chịu kéo của bê tông biểu thị khả năng và độ bền của bê tông chống lại ứng xuất kéo xuất hiện trong cấu kiện Cường độ chịu kéo bê tông được xác định gián tiếp qua thí nghiệm kéo-uốn Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn được thực hiện bằng cách uốn dầm có xẻ rãnh theo RILEM TC 162-TDF [84] Mẫu dầm có kích thước (75 ×100 × 450) mm với 2 vị trí gắn cảm biến đo chuyển vị (LVDT) và đo độ mở rộng vết nứt như ở Hình 4.8 a Vị trí gắn thiết bị đo chuyển vị b Vị trí gắn thiết bị đo độ mở rộng vết nứt Hình 4.8 Kích thước mẫu thí nghiệm

Lực tác dụng lên dầm được đo bằng cảm biến đo lực gắn trên thiết bị thí nghiệm Thiết bị đo được lắp đặt xong và dầm được đưa lên giá đỡ khung thí nghiệm Máy tính tự động ghi lại giá trị đo trong quá trình gia tải Thí nghiệm được tiến hành với tốc độ gia tải ổn định 0,05mm/phút cho đến khi kết thúc Vết nứt của mẫu có hình dạng và hướng phát triển theo thời gian Độ rộng vết nứt tăng chậm ở giai đoạn đầu và tăng nhanh hơn khi gia tải ở tốc độ không đổi.

Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông được tính toán theo công thức sau: max 2

  bh (4.1) trong đó:  t : cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông, MPa;

P max : giá trị lực lớn nhất đo được, N;

L : nhịp dầm, là khoảng cách giữa 2 gối tựa, mm;

47 b,h : bề rộng và chiều cao tiết diện ngang chịu lực của dầm, mm b Thiết bị đo chuyển vị a Lắp đặt mẫu thí nghiệm c Thiết bị đo độ mở rộng vết nứt Hình 4.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn dầm và thiết bị đo a Vết nứt 1.2 mm b Vết nứt 3.5 mm c Sau khi kết thúc TN

Hình 4.10 Vết nứt của mẫu trong quá trình thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm trình bày tại Bảng 4.7 cho thấy cường độ chịu kéo khi uốn vật liệu không có sợi thép đạt giá trị trung bình 9,22 MPa Khi tăng hàm lượng sợi thép, cường độ chịu kéo khi uốn tăng đáng kể, đạt 14,59 MPa; 20,13 MPa và 25,52 MPa tương ứng với các nhóm mẫu chứa lượng sợi thép khác nhau.

N10, N15 và N20 Khi so sánh nhóm không có sợi thép (N00) và nhóm 1.0% sợi thép (N10) thì cường độ tăng 58.3%, và tăng 176% khi so sánh với mẫu 2.0% hàm lượng sợi (N20)

Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm uốn mẫu dầm RILEM

Cường độ chịu kéo khi uốn (MPa)

Cường độ chịu kéo khi uốn trung bình (MPa)

Hình dáng của các mẫu dầm có sợi thép khi kết thúc thí nghiệm được thể hiện ở Hình 4.11, theo đó các nhóm mẫu có sợi bị uốn cong và vẫn giữ nguyên hình dạng gần như ban đầu Như vậy, chính thành phần sợi thép trong bê tông đóng vai trò chịu ứng suất kéo và giữ cho 2 phần của dầm không bị rời ra như thể hiện ở Hình 4.12 a Nhóm không có sợi thép b Nhóm 2% sợi thép

Hình 4.11 Hình dạng mẫu khi kết thúc thí nghiệm Hình 4.13 thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị của các nhóm mẫu, với cả

3 nhóm mẫu có sợi thép, trong thời gian đầu thí nghiệm chuyển vị đều rất nhỏ Cụ thể,

49 khi các mẫu thí nghiệm đạt giá trị tải trọng lớn nhất thì chuyển vị đều nhỏ hơn 1mm Tiếp tục gia tải với tốc độ 0.05mm/phút, chuyển vị tiếp tục tăng nhưng dầm vẫn không bị gãy đột gột như dầm bê tông thường Thời gian gia tải cho 1 nhóm mẫu khoảng 3 giờ đồng hồ

Hình 4.12 Sợi thép giúp liên kết 2 phần của dầm

Thiết bị đo độ mở rộng vết nứt được gắn cố định ngay vị trí phía trên của đường xẻ rãnh (Hình 4.9c) Bề rộng vết nứt tăng chậm trong giai đoạn đầu của thí nghiệm, tại thời điểm mẫu đạt đến giá trị tải trọng lớn nhất thì bề rộng vết nứt (CTOD) rất nhỏ (