Tính co ngót và từ biến của bê tông xi măng đại học giao thông vận tải

Sự thay đổi thể tích theo thời gian này phụ thuộc vào hàm lượng nước của bê tông tươi, vào loại xi măng và loại cốt liệu được sử dụng, vào điều kiện môi trường nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ

WELCOME!

5 Bùi Văn Lưu

6 Đinh Tiến Luyện

I Co ngót của bê tông

II Tính từ biến của bê tông

1 SỰ CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG

1.1 Khái niệm:

- Co ngót của bê tông là sụ giảm thể tích dưới nhiệt độ không đổi do mất độ ẩm sau khi bê tông đã đông cứng Sự thay đổi thể tích theo thời gian này phụ thuộc vào hàm lượng nước của bê tông tươi, vào loại xi măng và loại cốt liệu được sử dụng, vào điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió) tại thời điểm đổ bê tông, vào quá trình bảo dưỡng, vào khối lượng cốt thép và tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt cấu kiện.

1 Tính chất co ngót của bê tông

Các biến dạng tự do của bê tông (co ngót và nở) là những tính chất quan trọng nhất đối với người xây dựng Việc kiểm tra chính xác công trình đòi hỏi tính đến các biến dạng này Hơn nữa, các biến dạng tự do không đồng nhất trong các khối thường dẫn đến các vết nứt, các rãnh đặc biệt thấm nhập các tác nhân gây hại Do

đó, việc thiết kế công trình có độ bền cao cần làm chủ được các biến dạng tự do

và các ảnh hưởng cơ học của chúng

Trước hết cần nhắc lại các cơ cấu chính của co ngót bê tông Sau đó rút ra xu

hướng chung của co ngót ở bê tông cường độ cao từ thành phần của chúng Tiếp

đó xem xét một số các bê tông cường độ cao và rất cao có thành phần khác nhau cuối cùng rút ra kết luận về việc không có quan hệ trực tiếp giữa co ngót và

cường độ bê tông: giữa bê tông thường và bê tông cường độ cao, tồn tại một lựa chọn tự do cho người thiết kế, cùng một cường độ có thể có nhiều tổ hợp chất kết dính (xi măng, muội silic, phụ gia )

a Cơ chế lý-hoá của co ngót bê tông thường.

Hai chỉ tiêu nội tại kiểm soát các biến dạng tự do của bê tông: nhiệt độ và hàm

lượng nước tự do

Ta biết rằng nhiệt độ bê tông có thể biến đổi theo thời gian, hoặc do thủy hóa

(các phản ứng thường tỏa nhiệt và đóng vai trò là nguồn gây nhiệt nội tại), hoặc

do trao đổi nhiệt với phần còn lại của cấu kiện hay môi trường

Sự biến đổi nhiệt độ này dẫn đến các biến dạng tự do tỉ lệ với chúng theo một hệ

số quen thuộc (hệ số giãn nỡ nhiệt, giảm dần khi tăng phản ứng thủy hóa)

Cũng như vậy, hàm lượng nước tự do có thể thay đổi bên trong do thủy hoá mất một phần nước, hay bên ngoài do biến đổi độ ẩm

Cũng như vậy, một hằng số vật lý (hệ số giảm nước) cho phép tính toán biến dạng

tự do liên quan Ở tỉ lệ cấu trúc vi mô, lý thuyết mao dẫn cho phép hiểu được làm thế nào sự lấp đầy một phần của nước trong môi trường rỗng với độ phân bố rộng

có thể dẫn tới một trạng thái nội ứng suất Từ ái lực của nước với bề mặt rắn (hấp phụ), các lỗ rỗng nhỏ nhất được lấp đầy trước tiên

Do đó, với một lượng nước cho trước, tồn tại một kích thước lỗ rỗng giới hạn, mà vượt qua đó các khoang rỗng không bão hòa Bên trong mỗi khoang, bề mặt phân chia pha lỏng và khí chịu kéo tức thời và ứng suất càng lớn khi độ cong càng lớn, tương ứng với lỗ rỗng nhỏ

Cũng như vậy, khi lượng nước tự do giảm, kích thước lỗ rỗng, liên quan tới

sức căng mao quản, cũng giảm, và kết quả vĩ mô của hiện tượng (co cấu trúc

rắn dưới ảnh hưởng của một loại “tiền ứng suất ẩm”) tăng

Ứng xử của hệ thay đổi phụ thuộc không chỉ vào sự phân bố kích thước lỗ

rỗng mà còn vào khả năng biến dạng tổng thể, liên quan tới độ rỗng tổng

cộng

Do sự thiếu hụt thể tích của phản ứng thủy hóa, vữa xi măng trở thành một

cấu trúc ba pha (rắn - lỏng - khí) trong suốt quá trình thủy hóa Có thể chia co ngót thành 3 giai đoạn sau: trước khi ninh kết- co ngót dẻo; trong khi ninh kết

và rắn chắc - các hiện tượng nhiệt và co ngót nội tại; ở tuổi muộn - co ngót do mất nước

Chính sự co ngót do khô là đáng quan tâm và lo lắng Đó là sự co ngót của một mẫu được tháo khuôn ở 24 giờ sau khi được làm khô ở trong phòng với độ ẩm tương đối 50±10% và nhiệt độ 20±10C được khống chế Độ co ngót do khô

được lấy một cách quy ước bằng hiệu sốgiữa độ co tổng cộng và độ

co của cùng một mẫu không bị mất nước chút nào

Trong khi độ co ngót nôi sinh cuối cùng gần gấp đôi, độ co khô giảm đi, vật liệu chỉ bao gồm rất ít nước tự do sau khi thuỷ hoá Độ co tổng cộng của bê tông

cường độ cao được đo trên các mẫu ^16 cm, vào khoảng hai lần nhỏ hơn trên

những mẫu bê tông đối chứng Chú ý đến những động học đặc biệt nhanh của

độ co của bê tông bê tông cường độ cao, nó có thể tạo ra các sai số trong trường hợp so sánh trên các thí nghiệm ngắn ngày

•Có nên lo ngại ảnh hưởng của độ co nội tại của bê tông cường độ cao đối với qui mô của kết cấu không? Đối với các công trình cầu hầm, phần lớn của biến

dạng này xảy ra sau khi tháo ván khuôn và khi đó các ảnh hưởng của nó giống như ảnh hưởng của một biến dạng thuần nhất do nhiệt Các điểm tiếp xúc của kết cấu với nền được dự kiến để loại biến dạng đó không cần cấu tạo đặc biệt

Độ co ngót tổng cộng Bê tông đôi chứng Bê tông cường độ cao

•Từ khi bê tông rắn chắc (đông đặc lại ), sự co bê tông được hiểu là sự tự

nhiên của vật liệu mà chưa chịu tải Có hai loại co:

1 Sự co nội sinh hay co do khô tự nhiên, gây ra do việc bê tông cứng dần

lên.

2 Sự co do sự sấy khô, gây ra do sự trao đổi nước giữa chất liệu trong bê tông và môi trường bên ngoài Chú ý rằng, độ co do bị sấy khô này có thể là số

âm ( trong trường hợp này bê tông bị phồng lên ).

Như vậy, tổng độ co là phép cộng của hai loại độ co nói trên.

Trong trường hợp các khối bê tông đặc, nhiệt cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ co nội sinh hay độ co do khô.

Tính động của độ co nội sinh phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hydrat hoá Khi tính toán mức độ co, trước tiên, người ta dựa vào tốc độ cứng của vật liệu và như vậy phải tính đến các đặc tính của từng loại bê tông

ngày Vì vậy, đối với khối bê tông đặc có độ đông cứng nhanh hơn thì tuổi

bê tông có ảnh hưởng lớn đến độ co nội sinh Sau 28 ngày, độ co nội sinh

được tính căn cứ vào thời gian

- Nếu fc(t)fc28 > 0,1 thì có thể tính độ co theo đề nghị của pháp như

sau:

e,d (t,f,28) - (f,2, - 20X2,2^ - 0,2) 10-5

fc28

trong đó, £r0 là độ co nội sinh tính từ khi bê tông đặc (kết dính đến một

thời điểm nào đó tính bằng ngày) F28 là đặc tính ứng suất vào cùng thời

điểm

Để có thể miêu tả rõ hơn tính động của độ co nội sinh trước 28 ngày, ta

có thể chấp nhận qui luật hyperbôn về độ cứng được phân chia dựa theo

các dữ liệu thực nghiệm về ứng suất đang hiện hành

Nếu fc(t)fc28 > 0,1 thì có thể tính độ co theo đề nghị của pháp như sau:

e,d (t,f,28) - (f,2, - 20X2,2^ - 0,2) 10-5

fc28

trong đó, £r0 là độ co nội sinh tính từ khi bê tông đặc (kết dính đến

một thời điểm nào đó tính bằng ngày) F28 là đặc tính ứng suất vào

cùng thời điểm.

Để có thể miêu tả rõ hơn tính động của độ co nội sinh trước 28 ngày, ta

có thể chấp nhận qui luật hyperbôn về độ cứng được phân chia dựa

theo các dữ liệu thực nghiệm về ứng suất đang hiện hành.

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến từ biền và ảnh hưởng của từ biến đến sự làm

việc của kết cấu:

1 Các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến

-Từ biến phụ thuộc vào trị số của ứng suất và thời gian tác dụng của

ứng suất

- Từ biến phụ thuộc vào tỷ lệ nước trên xi măng(w/C), với W/C lớn thì

biến dạng do từ biến lớn

- Từ biến phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường( H ),H cao thì sẽ nhỏ

- Từ biến phụ thuộc vào cường độ của bê tông,() cao thì sẽ nhỏ

- Từ biến phụ thuộc vào tỷ số thể tích trên diện tích bề mặt của cấu

kiện (V/A)

•

2 Ảnh hưởng của từ biến đến sự làm việc của kết cấu.

- từ biến làm cho độ võng tăng dần và vết nứt ngày càng mở rộng

- Với các cấu kiện chịu nén lệch tâm có độ mảnh lớn,từ biến làm tăng

uốn dọc

- Trong cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực,từ biến gây ra hiện tượng

mất mát ứng suất trước trong cốt thép kéo căng,do đó làm giảm ứng suất

nén trước trong bê tông

- Trong các kết cấu siêu tĩnh,từ biến làm phân phối lại nội lực, , làm

tăng tính dẻo của bê tông – tính kéo và nén bị hạn chế, có ý nghĩa quan

trọng để nâng cao khả năng chống nứt của các kết cấu vỏ và kết cấu đặc

biệt

•Biến dạng từ biến được tính bằng tích số của biến dạng nén đàn hồi tức

thời do tải trọng thường xuyên và hệ số từ biến Ѱ:

=

trong đó t là tuổi của của bê tông tính bằng ngày kể từ thời điểm đổ bê

tông và ti là tuổi của bê tông tính bằng ngày kể từ khi tải trọng thường

xuyên tác dụng

AASHTO sử dụng 1 công thức thực nghiệm để xác định hệ số từ

biến,được xây dựng bởi collins và mitchell(1991),như sau:

=3,5 (1,58 - )[ ]

trong đó: h là độ ẩm tương đối (%)

là hệ số điều chỉnh đối với ảnh hưởng giữa tỷ số thể tích và

diện tích bề mặt

Tính bằng biểu thức

=

ở đây là giá trị tuyệt đối của cường độ chịu nén đặc trưng ở

tuổi 28 ngày của bê tông(mpa)

•

3 Đặc điểm của từ biến và thí nghiệm từ biến.

1.Đặc điểm của từ biến

Khi đánh giá tác động trực tiếp và gián tiếp của ứng suất trong 1 khoảng

thời gian dài trên kết cấu bê tông, nó thường được biểu thị bằng quá trình

từ biến Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy rằng từ biến của bê tông

chịu ứng suất kéo khi uốn lớn hơn 2 lần so với khi chịu nén

Lý thuyết từ biến đáp ứng đầy đủ các dữ liệu thực nghiệm về trạng thái

của bê tông và kết cấu bê tông cốt thép dưới tải trọng với tính toán toàn

bộ các yếu tố ảnh hưởng vẫn chưa được thành lập Hiện các khuyến nghị

để xác định từ biến của các loại hình cụ thể, mục đích để so sánh đánh giá

tính kỹ thuật - công nghệ tác động trên từ biến của nguyên vật liệu khác

nhau, phương pháp thí nghiệm, thành phần bê tông, phụ gia, điều kiện và

thời gian bảo dưỡng cũng như mức độ gia tải Mục đích nghiên cứu này

nhằm xác định giá trị từ biến và mối quan hệ của nó với một số tính chất

cơ lý của bê tông hạt mịn

2 Thí nghiệm từ biến.

Thí nghiệm đo biến dạng từ biến khi nén của bê tông hạt mịn được

tiến hành trong 360 ngày tại phòng thí nghiệm của trung tâm phát triển

công nghệ và vật liệu xây dựng, viện khoa học công nghệ xây dựng Quá

trình đo độ co của bê tông hạt mịn cũng được tiến hành song song với đo

biến dạng từ biến

Mẫu thí nghiệm có dạng hình lăng trụ với kích thước lăng 100 x 100 x

400 mm được chế tạo từ 2 loại hỗn hợp bê tông hạt mịn: loại thông

thường (ký hiệu là BT-1) và loại được trộn bằng phương pháp đùn ép(*)

(ký hiệu là BT-2) Cả 2 loại bê tông này có tỉ lệ X/C = 2,5; N/X = 0,53

Vật liệu chế tạo là xi măng bỉm sơn PCB 30, cát vàng sông lô có mô đun

độ lớn 2,56

Các mẫu được tháo khuôn sau 24 giờ kể từ lúc tạo hình và được bảo

dưỡng trong môi trường ẩm tự nhiên trong 28 ngày Với mỗi loại bê tông

đúc 6 mẫu 100 x 100 x 400 mm: 2 mẫu để xác định cường độ nén, 2 mẫu

xác định độ co và 2 mẫu để xác định từ biến; 3 mẫu 40x40x160 mm: xác

định cường độ chịu uốn và chịu nén

Các biến dạng của mẫu lăng trụ được đo trên cơ sở độ co của chúng sau

khi tháo khuôn Sau 28 ngày kể từ khi đúc, mẫu lăng trụ được đưa vào

thiết bị đo biến dạng từ biến và được gia tải bởi một lực nén dọc trục

tương đương 0,4 cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày Mẫu lăng trụ được xác

định biến dạng co nhằm mục đích loại bỏ độ co cứng ảnh hưởng đến kết

quả của các biến dạng do từ biến Độ co được xác định trên các mẫu “tự

do”, không có tải tác dụng Cường độ biến dạng được đo bằng đồng hồ đo

biến dạng loại quay số cho phép tính chính xác tới 0,002 mm

4.Kết quả thí nghiệm

STT Tên chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị BT-1 BT-2

1. Cường độ nén, ở tuổi 28 ngày MPa 34,2 45,0

3. Cường độ nén lăng trụ, ở tuổi 28 ngày MPa 20,41 32,65

4. Biến dạng co, ở tuổi 28 ngày mm/m 0,265 0,225

5. Độ kéo tới hạn mm/m 0,178 0,122

3 Tính toán theo tiêu chuẩn GOST 24544-81 từ biến của BT-1 là 176,8.

và BT-2 là 110,2 Biến dạng từ biến của bê tông hạt mịn đùn ép giảm

đáng kể so với bê tông hạt mịn thông thường

* Giá trị độ kéo tới hạn là kết quả tính toán theo [5]

-từ biến và độ co phát triển cùng với nhau Co ngót có đặc trưng về thể

tích Từ biến diễn ra theo hướng tải trọng tác dụng Khi có tải trọng nén

độ co tăng nhanh, còn khi kéo thì ngược lại làm chậm lại Từ biến ảnh

hưởng hoàn toàn đến việc nâng cao khả năng chống nứt của cấu kiện bê

tông, nhưng làm tăng độ võng của kết cấu khi chịu uốn và làm tổn thất

ứng suất nén trong bê tông trên kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước

Độ cứng của kết cấu bê tông phụ thuộc vào mô đun đàn hồi, tốc độ phát

triển biến dạng co và từ biến, giới hạn bền kéo của bê tông và các giá trị

giới hạn độ co và từ biến

•

Kiểm tra độ kéo tới hạn của bê tông cho thấy nhỏ hơn so với biến dạng co Đây có thể là nguyên nhân về khả năng hình thành vết nứt Tuy nhiên khi so sánh tốc độ phát triển biến dạng co và từ biến trong toàn bộ thời gian thí

nghiệm kết quả cho thấy rằng tốc độ biến dạng từ biến vượt quá tốc độ phát triển biến dạng co hơn hai lần

Do đó, phát sinh khi co ứng suất kéo sẽ kịp chùng đến khi ứng suất không nguy hại, nhỏ hơn giới hạn độ bền kéo của cả hai dạng bê tông và các vết nứt

sẽ không xảy ra Điều này cũng thể hiện khá rõ ràng rằng tốc độ biến dạng từ biến của bê tông khi kéo đúng tâm sẽ cao hơn khi nén, còn biến dạng co nhỏ hơn Như vậy, việc xem xét đồng thời sự phát triển biến dạng co và từ biến của bê tông hạt mịn cho phép kết luận đầy đủ khả năng chống nứt của chúng

5 Các biện pháp làm giảm từ biến.

Cần tiếp tục nghiên cứu thêm biến dạng từ biến của bê tông hạt mịn gây ra bởi tải trọng kéo, uốn hoặc xoắn Bằng cách này, nhiều dữ liệu cơ bản chính xác sẽ được sử dụng để đánh giá biến dạng khi kéo hoặc sự phát triển vết nứt trong các kết cấu hoặc để đánh giá độ võng dài hạn của các cấu kiện

Cũng có thể làm giảm biến dạng của từ biến bằng các biện pháp như làm giảm co ngót,tức là giảm thành phần nước trong hỗn hợp bê tông và giữ cho nhiệt độ tương đối thấp

Biến dạng từ biến cũng có thể được giảm bớt nhờ việc bố trí cốt thép ở vùng chịu nén vì phần nội lực mà cốt thép chịu không lien quan đến từ biến

Trường hợp tải trọng dài hạn tác dụng ở tuổi bê tông lớn,biến dạng từ biến sẽ giảm đi do bê tông trở nên khô hơn và biến dạng ít hơn.

Cuối cùng,không phải tất cả các ảnh hưởng của biến dạng từ biến đều là

có hại.Khi có sự lún khác nhau xảy ra trong 1 cầu bê tông cốt thép đặc tính từ biến của bê tông làm cho ứng suất trong các cấu kiện giam rõ rệt

so với giá trị dự đoán bằng phân tích đàn hồi

Thank You !