Những khái quát mới về bê tông mô hình vật liệu v tính toán PGS. TS. phạm duy hữu Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu về quan niệm mới về bê tông, trong đó đề cập đến vấn đề nghiên cứu ton diện về vật liệu, bố trí kết cấu, mô hình tính toán v độ tin cậy của bê tông. Summary: This article presents the results of a research on new concepts of concrete, including all - sided research on materials, arrangement of structure, models of calculation and reliability of concrete. Mở đầu: Ngày nay bê tông và bê tông cốt thép là loại vật liệu chính dùng trong xây dựng cầu đờng. Bê tông và bê tông cốt thép ngày càng phát triển và có những tiến bộ đáng kể về mặt chất lợng. Để theo kịp sự thay đổi đó cần có những khái quát mới và thay đổi cơ bản về phơng pháp tính toán và thiết kế. Bài viết này xin trình bày về một cách tiếp cận mới với bê tông bằng các khái niệm tổng quát hơn về mác bê tông, phơng pháp nghiên cứu, thiết kế kết cấu và phơng pháp mô hình hoá thực nghiệm. Cần có sự phân biệt rõ ràng về các loại bê tông, vì đây là loại vật liệu ngày càng khác biệt nhau và sự so sánh nó với các vật liệu khác nhau nh thép và vật liệu chất dẻo cũng đợc đặc biệt chú ý khi chọn vật liệu và kết cấu. Việc lựa chọn vật liệu, trong đó về mặt cơ học ít khi có vấn đề nổi bật, thờng là sự lựa chọn giữa hai hoặc ba sắc thái (bản chất) của cùng một loại vật liệu và giữa các vật liệu khác nhau sẽ là vấn đề chính. Từ rất lâu bê tông là vật liệu đợc sản xuất và sử dụng nhiều nhất ở Việt Nam và thế giới. Bê tông chiếm một vị trí đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu, vì nó có khả năng rộng rãi, cả về mặt vật lý (tỷ trọng, tính thấm, tính dẫn nhiệt và truyền nớc) cũng nh về mặt cơ học và phạm vi sử dụng, tuổi thọ. Nếu tính phong phú (biến đổi) về mặt vật lý của vật liệu đợc tận dụng (làm mặt đờng, các kết cấu, tấm cách nhiệt ít chịu lực ) thì tính biến đổi về mặt cơ học cũng đợc tận dụng để làm các loại bê tông có mác khác nhau biến đổi từ 15 - 140 MPa. Tuy nhiên bê tông vẫn cần đợc nghiên cứu kỹ hơn nữa vì: - Sự hiểu biết về hoạt động của bê tông khi vỡ (tính dòn của bê tông) còn rất hạn chế. - Việc tìm kiếm các phơng pháp cấp phối mới (cho phép tạo ra một công thức hợp lý của bê tông theo các yêu cầu cần đạt đợc) cũng sẽ tạo ra các loại bê tông có chất lợng tốt hơn. Phơng pháp và tiêu chuẩn về cấp phối bê tông hiện nay là cổ điển và thể hiện nhiều điều không hợp lý. 1. Về bê tông ở Việt Nam Tiêu chuẩn nhà nớc đã có quy định rất rõ về bê tông thờng (TCVN), còn các tiêu chuẩn cho bê tông đặc biệt thì cha đầy đủ. ở Việt Nam mác bê tông thông thờng đợc sử dụng là 15, 20, 30, 40 và một số công trình mác 50 - 70. Độ tin cậy đạt đợc chỉ với mác 30 - 50 (M30 - M50). Yêu cầu về mác bê tông càng ngày càng tăng và cấp thiết do việc xây dựng các cầu BTCT lớn có khẩu độ tăng 50 m đến 130 m (sông Gianh, cầu Thanh Trì ) và các cầu dây văng với nhịp từ 350m (cầu Mỹ Thuận) đến 550 m(cầu Cần Thơ). Về đờng ôtô, nhà nớc đang yêu cầu chuyển dần một phần kết cấu mặt đờng từ bê tông atphan sang bê tông xi măng, để đảm bảo các yêu cầu về độ ổn định với nớc, tăng độ dính bám bánh xe với mặt đờng và yêu cầu về khai thác đờng cho miền núi. Việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cờng độ cao là rất cần thiết. Bê tông cờng độ cao phải đảm bảo yêu cầu dễ thi công (có độ sụt từ 10 - 20 cm) và cờng độ chịu nén cao từ 600 - 800 daN/m 2 (M60 - M80). Bê tông cờng độ cao sẽ hy vọng tạo ra đợc những kết cấu mới với kích thớc công trình nhỏ hơn, chịu đợc các tác động phức tạp hơn do sự thay đổi của môi trờng (nhiệt độ, gió, động đất ) và việc gia tăng cấp tải trọng. 2. Về nghiên cứu ton diện bê tông (phơng pháp luận nghiên cứu) Trong lĩnh vực xây dựng, phơng pháp và công cụ tính toán kết cấu và trình độ kỹ s tạo ra "cái nhân cứng" của việc tạo ra kết cấu, vậy mà thời gian dành cho việc tính toán đang bị giảm đi và sẽ giảm đi nhiều nữa. Đầu tiên do sự phát triển của tin học và công nghệ hiện đại gây ra sự hấp dẫn mới (công nghệ thi công, công nghệ các vật liệu) chiếm càng nhiều hơn sự u tiên lựa chọn trong quan hệ qua lại của các đối tác (cán bộ nghiên cứu, t vấn, chỉ đạo thi công, ngời cung ứng v.v ). Hơn nữa bối cảnh hiện nay những công cụ bằng số cũng đợc huy động để tính các mối quan hệ có tác động qua lại, không còn đơn giản là kiểm tra kích thớc của tiết diện kết cấu bê tông theo giải pháp xây dựng khác nhau. Sự lựa chọn tối u trong một "không gian giải pháp" đợc rộng hơn. Chính vì điều đó mà cần đề cập đến một nghiên cứu toàn diện vật liệu bê tông và các kết cấu bằng bê tông cốt thép nhằm tạo ra những định luật về phẩm chất thích hợp của các vật liệu định dùng. ở đây thuật ngữ "tính thích hợp của các quy luật" có một nghĩa chính xác là các quy luật phải xét đến các yếu tố có tính quyết định trong việc lựa chọn quan niệm và những đặc điểm riêng về phẩm chất của các vật liệu khác nhau. Trong số các vật liệu xây dựng, bê tông chiếm một vị trí đặc biệt, không phải chỉ do bê tông là vật liệu đợc dùng phổ biến nhất trên thế giới từ lâu hiện này và sau này mà trớc hết vì nó có nhiều tiến bộ và đã đạt đợc: các loại bê tông có phẩm chất cao (về mặt cơ lý) và đã đợc áp dụng có hiệu quả vào nhiều dạng công trình. Đối với ngời nghiên cứu cũng nh đối với ngời kỹ s, sẽ là sai lầm khi tin rằng có một mô hình phẩm chất chung của bê tông, mô hình chung để phục vụ cho việc xử lý tất cả những vấn đề kỹ thuật của các kết cấu. Sẽ không có một cơ hội để đạt đợc một mô hình tốt nếu không phân tích các nhu cầu khác nhau của kết cấu. Về bê tông cần đặc biệt lu ý đến 9 vấn đề sau: 1. Lựa chọn thiết kế mặt cắt kết cấu Các tính toán liên quan đến sự an toàn, thờng sử dụng các lý thuyết tính toán kết cấu dựa vào cơ học môi trờng liên tục, sức bền vật liệu. Nếu vật liệu hoàn toàn đàn hồi khi đó chỉ cần xét đến các tính chất của vật liệu là đủ (ví dụ nh mô đun đàn hồi và hệ số Poisson) và kiểm tra lại xem khi nào và nơi nào đạt đợc những ứng suất cho phép dới tác động của tải trọng làm việc và tải trọng ngẫu nhiên. Đây là phơng pháp phổ biến nhất đang đợc áp dụng trong các tài liệu thiết kế hiện dùng ở Việt Nam. Quá trình gãy (phá huỷ) một kết cấu bê tông hiện nay đơc dự đoán thông qua việc tính toán cộng với những thí nghiệm. Tuy nhiên việc nhận dạng cơ chế phá huỷ kết cấu còn phụ thuộc vào loại kích thích tác động và vào kích thớc của vùng bị tác động. Qua việc phân tích các trờng hợp về bệnh lý, đợc hỗ trợ bằng những giả định bằng số hoá với các mô hình khác nhau với mức độ phức tạp tăng lên mới hy vọng có thể đánh giá đợc độ an toàn kết cấu. Không những thế, thực tế chứng tỏ rằng đối với vật liệu bê tông rất cần xét đến các tính chất không đàn hồi của bê tông ngay cả dới tác động của lực thông thờng. 2. Bê tông cốt thép thờng Cần thiết phải xét ảnh hởng của vết nứt bê tông tham gia vào hoạt động thông thờng của bê tông cốt thép. Vấn đề này sẽ phải giải quyết theo cơ học phá huỷ bê tông. 3. Bê tông ứng suất trớc Cần thiết phải xét đến sự biến dạng (từ biến) để dự kiến đợc sự tổn thất ứng suất trớc và hậu quả của nó đối với kết cấu. ở Việt nam hiện nay các số liệu và phơng pháp tính đều đợc áp dụng theo các tiêu chuẩn nớc ngoài. Nh vậy vấn đề cấp thiết là phải xác định các thông số vật liệu và lựa chọn phơng pháp tính thích hợp. Bê tông cờng độ cao có biến dạng theo thời gian thấp (khoảng 50% so với bê tông thờng). Vì vậy sử dụng bê tông cờng độ cao cho kết cấu bê tông ứng suất trớc là thích hợp. Rất cần những sự hiểu biết rõ ràng về hoạt động toàn bộ và cục bộ của kết cấu. ở những kết cấu truyền thống đợc gắn với các lý thuyết cơ học truyền thống trong trờng hợp này tính toán theo phần tử hữu hạn, đàn hồi tuyến tính là đủ. Trong các trờng hợp khác gắn liền với các hiện tợng vật lý (co khô, dãn nở nhiệt ) việc tính toán khi đó phải xét đến các hiện tợng vật lý và mô tả hiện tợng (các biến đổi theo thời gian, các gradien ). Một ví dụ nổi bật là mặt đờng bằng bê tông cốt thép liên tục (BAC): Sự tối u hoá cốt thép chỉ làm giảm bớt sự phân bố các vết nứt, tuy nhiên sẽ rất khó khăn khi trình bày một cách minh bạch mô hình kết cấu, sự nứt nẻ, vị trí và sự mở rộng vết nứt và đề ra đợc các biện pháp sửa chữa chính xác. Vấn đề tính toán không gian kết cấu có xét đến sự làm việc chung với môi trờng và nền đất là rất đáng lu ý trong trờng hợp này. 4. Các nguyên tắc tính toán Sử dụng cơ sở tính toán theo trạng thái giới hạn là để kiểm tra kết cấu bê tông cốt thép và cũng cần xét đến tính không đàn hồi của bê tông đối với bê tông ứng suất trớc. 5. Đánh giá mức độ an ton của kết cấu Trờng hợp tiêu biểu là trờng hợp một kết cấu có dạng hình học phức tạp thì các tính toán đàn hồi tuyến tính chỉ định vị đợc vùng nguy hiểm và kiểu nguy hiểm, tức là xác định đợc định hớng của hệ thống tác động tối thiểu. Nhiều tác động khác còn cần phải nghiên cứu tiếp theo. 6. Đổi mới trong lĩnh vực bố trí kết cấu 7. Lựa chọn v chế tạo bê tông mới Cờng độ cơ học không còn là chuẩn mực duy nhất cho việc lựa chọn vật liệu. Ngày nay, đó là những tính chất cơ học khác nhau, các tính chất vật lý, mỹ quan, có thể đợc xác định và yêu cầu trong phạm vi ngày càng mở rộng. Trong một số trờng hợp một vài tính chất coi là phụ có thể trở thành chủ yếu trong hoạt động cơ học của kết cấu (ví dụ động đất, nhiệt thuỷ hoá trong đập thuỷ lợi bằng bê tông) hoặc đối với độ an toàn(tính thấm hơi của các lò phản ứng hạt nhân). Vì vậy rất cần có những loại bê tông mới chất lợng cao nh: bê tông Polime, bê tông cốt sợi chất lợng cao 8. Chuẩn đoán bệnh v lựa chọn các phơng pháp sửa chữa Vấn đề này cần đợc đặc biệt quan tâm ngay cả đối với việc bảo dỡng và duy tu các công trình bằng bê tông cốt thép. Con đờng tốt nhất của phơng pháp là sự kiểm nghiệm tìm kiếm mô hình, tùy theo thực nghiệm của chúng ta, để nhận ra nguyên nhân hoặc cơ chế nguồn gốc gây nên sự bất ổn. Cơ chế này luôn là duy nhất và chỉ đợc biết đến khi nó đã ở mức độ cao hoặc đợc xuất hiện bởi nhiều nhân tố đặc biệt. Khi xác định cha chính xác cơ chế này việc khôi phục lại hoặc củng cố lại kết cấu sẽ thiếu độ tin cậy vì không thể dự đoán chính xác đợc kết quả của việc sửa chữa cũng nh việc phát triển của h hỏng tiếp theo. Khi đó việc sửa chữa sẽ phải làm nhiều lần. 9. Lựa chọn mô hình thí nghiệm v kiểm nghiệm Mô hình dự đoán hoặc mô hình tiên đoán: Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đa ra các kết quả dựa trên kích thớc của mẫu thử, tỷ lệ của các phần tử kết cấu thử, kích thớc của mẫu vật liệu. Đối với vật liệu bê tông có những đặc tính rất khác nhau về quá trình thuỷ hoá của xi măng cũng nh sự rắn chắc của bê tông, tác động của môi trờng thi công và khai thác, có ảnh hởng lớn đối với kích cỡ của kết cấu và tuổi vật liệu. Để phân tích và kiểm tra lại sự an toàn của các công trình, đánh giá tuổi thọ của nó, nh vậy cần hai loại mô hình thí nghiệm tạo ra các số liệu thực nghiệm: xác định những quy luật vận động dài hạn và xác định những quy luật theo tỷ lệ các kích thớc kết cấu. Sự phân đẳng cấp của các nhân tố ảnh hởng về mặt độ bền của các công trình bê tông. Mô hình sẽ chỉ có tính chất dự đoán, nếu nó dính liền với hiện tợng vật lý tạo ra sự vận động của vật liệu. Mô hình tiên đoán hoàn toàn đủ độ tin cậy khi là kết cấu đủ lớn, gần bằng kết cấu thật chịu tác động gần với thực tế. Lý tởng nhất là những mô hình thật vì vậy vấn đề thí nghiệm trên mô hình thật ngày càng trở nên cấp thiết. Các mô hình dự đoán và các mô hình tiên đoán đều có ích vì chúng đều làm đơn giản các đối tợng khác nhau và đáp ứng những chuẩn mực của các sự lựa chọn khác nhau. Với bê tông mô hình dự đoán sẽ là những thử nghiệm trên mẫu thử, các mô hình tiên đoán sẽ là những thử nghiệm trong các công trình thực tế hoặc các mô hình lấy từ kết cấu thật (Tỷ lệ 1/1) . Kết luận 1. Kết cấu bê tông đang phát triển nhanh cần nghiên cứu bê tông theo con đờng nghiên cứu toàn diện. 2. Tính toán kết cấu chịu nhiều tác dụng, xét đến tính phi tuyến, làm việc không gian và chung với môi trờng là cần lu lu ý. 3. Mô hình tính toán, mô hình hoá vật liệu và kết cấu sẽ tạo ra độ tin cậy cao hơn cho các thí nghiệm và tính toán. Tài liệu tham khảo [1] Phạm Duy Hữu. Vật liệu mới - Nhà xuất bản GTVT - Hà Nội, 2002. [2] Phạm Duy Hữu. Lý thuyết bê tông và thép. Đại học GTVT, 2000. [3] Hội nghị thế giới về mô hình hoá kết cấu bê tông và vật liệu. Paris, 2001 Ă . Những khái quát mới về bê tông mô hình vật liệu v tính toán PGS. TS. phạm duy hữu Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu về quan niệm mới về bê. những khái quát mới và thay đổi cơ bản về phơng pháp tính toán và thiết kế. Bài viết này xin trình bày về một cách tiếp cận mới với bê tông bằng các khái niệm tổng quát hơn về mác bê tông, . đầu: Ngày nay bê tông và bê tông cốt thép là loại vật liệu chính dùng trong xây dựng cầu đờng. Bê tông và bê tông cốt thép ngày càng phát triển và có những tiến bộ đáng kể về mặt chất lợng.