| BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH
NGUYÊN TRỌNG NHÂN
| NGHIÊN CỨU ANH HUONG CUA HAM LƯỢNG SỢI THÉP ĐẾN TÍNH CHÁT CỦA BÊ TƠNG CƠNG TRÌNH
Chun ngành : Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số chuyên ngành: 60 58 02 08 TRƯỜNG 41 HOC MO TP.HCM | THU VIEN LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG ; |
Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ ANH TUẦN |
Trang 2TOM TAT LUAN VAN
Đề tài: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CUA HAM LƯỢNG SỢI THÉP DEN TINH CHAT CUA BE TONG CONG TRINH
Sợi thép được sử dụng trong bê tông làm nâng cao tính chất cơ lý cho bê tông, đặc biệt làm cho bê tông đẻo dai hơn và phát huy hiệu quả của sợi thép khi sử dụng trong bê tông cốt sợi Tuy nhiên việc sử dụng sợi thép hiệu quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hàm lượng sợi, chiều dài sợi và mác thiết kế của bê tông Luận văn trình
bày kết quả khảo sát thực nghiệm trên các mẫu bê tông và đánh giá tập trung vào: khả năng chịu nén, chịu uốn, chịu kéo gián tiếp, môđun đàn hồi tĩnh của bê tông trong giới hạn mác 200- 400, với hàm lượng sợi 0,5- 3% và sợi 25mm, 50mm và 100mm Từ kết quả đánh giá đó, lựa chọn được cấp phối, hàm lượng sợi và chiều dài sợi tiến hành tiếp thực nghiệm dầm bê tông kích thước lớn Song song đó, xây dựng mô phỏng bài toán cấu kiện bằng phần mềm Ansys để so sánh sự hình thành
và phát triển vết nứt trên dầm Từ đó thấy rằng sợi thép khơng thể thay thế hồn toàn cho cốt thép thanh dọc được trong cấu kiện dầm, mà chỉ có tác dụng tăng thêm khả năng chịu nén, chịu uốn và chịu bổ cho bê tông Đồng thời sợi thép cũng góp phần làm tăng thêm những tính năng ưu việt mà bê tông cốt thép thông thường không đáp ứng được như khả năng chịu tải trọng động, tăng sức kháng nứt của công
trình Do đó, việc sử dụng bê tông cốt sợi thép dùng cho công trình dân dụng phù
Trang 3MỤC LỤC Trang Lời cam đđOan - -< 5-5 «nhưng nhe re rrkrkrrerererkd i lá 1.1.1 ii ¡ôi 5 iii MỤC lỤC Ăn TH TT TT HT TH ch Thg cg nh nick iv Danh mục hình và đồ thị Danh mục bảng Chương 1: TÖNG QUAN .cSsstieectrriertriiirririrrerre 1
1.1 Giới thiệu chungg - s52 set etrrkrrrkrtrrrrxrrkerkirrerrre 1
1.2 Tình hình phát triển của việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi thép trên thế giới
1.2.1 Ứng dụng bê tông sợi thép trong xây dựng 1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm bê tông sợi thép
1.3 Tình hình phát triển của việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi
thép ở Việt Nam -.2s- tt 2E11112107101122112011111111111111, ree 5 1.4 Mục tiêu nghiÊn cứu set tren the reerkerrerreee 7 1.5 Ý nghĩa để tài vcec+++2EE2221212111.222271112401722221122xertrrr 7 1.6 Quy mô nghiên cứu 222r22+rrrrrrrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrdrrrrree 7 Chương 2: CƠ SƠ LÝ THUYẾT
2.1 Cơ sở khoa học của bê tông 2.1.1 Cơ sở hóa học
2.1.2 Cơ sở vật lý che 9 2.2 Tương tác giữa sợi và vật liệu nền -cvrrrrrrrrrrvrrrrvrrrvvrrree 10
2.2.1 Tương tác giữa sợi và vật liệu nên chưa nứt 1 2.2.2 Tương tác giữa sợi và vật liệu nền đã nứt
2.2.3 Quá trình phát triển vết nứt
Trang 42.3.3 Sự định hướng sợi 21 2.3.4 Tính chất của bê tông cốt sợi thép (bê tông tươi) 2.3.5 Tính chất của bê tông cốt sợi thép đã hoá cứng 22 Chương 3: MƠ HÌNH NGUN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM -+cccrcrrrve 24 3.1 Thành phần vật liệu 3.1.1 Xi măng 25 3.1.2 Cốt liệu nhỏ (cát 3.1.3 Cốt liệu lớn (đá) -errrrrrrrrrrrrrrrrrrrkrrrrrrrrrrkrkrrre 25 kiến 27
3.2 Lựa chọn thành phần bê tông thí nghiệm - cv 27 3.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm . -c2vcceeeerrrrrrrrrrcee 28 3.4 Tiến hành thí nghiệm -2vvreet+EEEEEErvrrrrrrrrrrrrrrrerrrrre 29 Chương 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA NGHIÊN CỨU 30 4.1 Ảnh hưởng sợi đến cường độ chịu nén . - 30 4.2 Ảnh hưởng sợi đến cường độ chịu uốn -ccccssr 36 4.3 Ảnh hưởng sợi đến cường độ chịu 7 z4] 4.4 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến môđun đàn hồi -‹ AT 4.5 Mối quan hệ giữa cường độ nén với cường độ chịu uốn, bổ
và mô đun đàn hồi 50
4.5.1 Mối quan hệ giữa cường độ nén và cường độ chịu uốn
Trang 5vi
Chương 5: THỰC NGHIỆM DÀM BÊ TÔNG CÓT THÉP VÀ
DÀM BÊ TÔNG CÓT SỢI THÉP_ 53 5.1 Kết quả thực nghiệm 5.1.1 Dầm bê tông cốt thép 5.1.2 Dầm bê tông cốt sợi thép 1% 5.1.3 Dam bê tông cốt sợi thép 2% ccccccccccccereeeeeeoccee 58 5.2 Phân tích ứng xử bê tông trong phần mềm Ansys 59 5.2.1 Dam bé tong cét thép ccsssssssssssssessscssssssecccscccssesessssssssssessssesse 62 5.2.2, Dam bé tong cét soi thép ccccssssssssssccccsssssssecsecccsssssssseessescesssssese 71 5.3 Kết luận về sự phát triển vết nứt ở dầm bê tông cốt thép và
dầm bê tông cốt sợi thép
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN - 78 co nẽ 78 6.2 Hướng phát triển 22:22 Error 79
TAI LIEU THAM KHẢO
Trang 6Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: Hình 2.7: Hình 2.8: Hình 2.9: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Hình 3.8: Hình 4.1: Hình 4.2: Hình 4.3: Hình 4.4: Hình 4.5: Trang
Sử dụng bê tông cốt sợi thép trong công trình giao thông 2
Các bức tượng sử dụng bê tông cốt sợi thép : -cc++reeeeee 2 Mô hình sự kéo tuột sợi tại bề mặt liên kết sợi vật liệu nền của BTCS 11
Mặt phân cách của vật liệu nền- sợi khi vật liệu chưa nức 12
Mô tả sợi trong vật liệu nền- biến dạng và ứng suất xung quanh sợi 12
Sự phân bố của sợi trong bê tông .-ccccccccccccceecrereeeeercee 14 Sơ đồ biểu diễn ứng suất trượt- chuyển vị Sự chuyên đổi của ứng suất đàn hồi sang ứng suất trượt ma sát -.cc-ccccc.cccc.+ 14 Phân bố ứng suất trượt tại mặt phân cách dọc theo giao điểm của vết nứt với sợi ngay sau khi nứt - cccccvvvrvevrrveerrsrrrrvereree 16 Hình dạng sợi bi mat bám dính một phần và ứng suất trượt tại mặt cắt phân cách 22cvcvvcvvvvvvvvvvvvvvrrrrrrrrerrrrrrrrirrrree 16 Sơ đồ ứng suất biến dạng của bê tông cốt sợi Mối tương quan giữa chiều dài sợi và ứng suất kéo Sơ đồ quá trình chuẩn bị nguyên vật liệu thí nghiệm
Xi măng, cát, đá thí nghiệm .-. -‹-e-©-e©xecrserrseerreerre 25 Biểu đồ cấp phối hạt của cát -.cccevvevverrrrrrriirreree 26 Biểu đồ cấp phối hạt của đá -ccccccceecre 26 Sợi thép sử dụng thí nghiệm . + trtvecvrrrrrrrrrtrrrrrrrree 27 Các thiết bị thí nghiệm : Đúc mẫu trụ 29
Mẫu dầm trước và sau thí nghiệm uốn Thí nghiệm nén mẫu v+++et922222.+tErvrrvrkrrirertoorr 30 Cường độ chịu nén và hàm lượng sợi của Mác 200 31
Sự thay đổi cường độ nén theo hàm lượng sợi của Mác 200 31
Cường độ chịu nén và hàm lượng sợi của Mác 300 32
Trang 7viii
Hình 4.6: Cường độ chịu nén và hàm lượng sợi của Mác 400 33
Hình 4.7: Sự thay đổi cường độ chịu nén theo hàm lượng sợi của Mác 400 34
Hình 4.8: Sự thay đổi cường độ chịu nén theo hàm lượng của Sợi 25mm Hình 4.9: Sự thay đổi cường độ chịu nén theo hàm lượng của Sợi 50mm Hình 4.10: Sự thay đổi cường độ chịu nén theo hàm lượng của Sợi 100mm Hình 4.11: Mẫu đầm bê tông được uốn lấy giá trị cường độ chịu uốn 37
Hình 4.12: Cường độ chịu uốn và hàm lượng sợi của Mác 200 37
Hình 4.13: Sự thay đổi cường độ chịu uốn theo hàm lượng sợi của Mác 200 37
Hình 4.14: Sự thay đổi cường độ chịu uốn theo hàm lượng sợi của Mac 300 38
Hình 4.15: Sự thay đổi cường độ chịu uốn theo hàm lượng sợi của Mác 400
Hình 4.16: Sự thay đổi cường độ chịu uốn theo hàm lượng của Sợi 25mm
Hình 4.17: Sự thay đổi cường độ chịu uốn theo hàm lượng của Sợi 50mm
Hình 4.18: Sự thay đổi cường độ chịu uốn theo hàm lượng của Sợi 100mm 40 Hình 4.19: Thí nghiệm bổ mẫu ++©©VE2+++++tStEEEEEEEEv.ertrrrrrrrrrk 41 Hình 4.20: Cường độ chịu bổ và hàm lượng sợi của Mác 200 42
Hình 4.21: Sự thay đổi cường độ chịu bổ theo hàm lượng sợi của Mác 200 42
Hình 4.22: Sự thay đổi cường độ chịu bổ theo hàm lượng sợi của Mác 300 43
Hình 4.23: Sự thay đổi cường độ chịu bổ theo hàm lượng sợi của Mác 400 43
Hình 4.24: Sự thay đổi cường độ chịu bổ theo hàm lượng của Sợi 25mm Hình 4.25: Sự thay đổi cường độ chịu bổ theo hàm lượng của Sợi 50mm Hình 4.26: Sự thay đổi cường độ chịu bổ theo hàm lượng của Sợi 100mm
Hình 4.27: Sự thay đổi Môđun đàn hồi theo hàm lượng sợi của Mác 200 46
Hình 4.28: Sự thay đổi Môđun đàn hồi theo hàm lượng sợi của Mác 300 47
Hình 4.29: Sự thay đổi Môđun đàn hỏi theo hàm lượng sợi của Mác 400 47
Hình 4.30: Sự thay đổi Môđun đàn hồi theo hàm lượng của Sợi 25mm 48
Hình 4.31: Sự thay đổi Môđun đàn hồi theo hàm lượng của Sợi 50mm
Hình 4.32: Sự thay đổi Môđun đàn hồi theo hàm lượng của Sợi 100mm
Trang 8quan hệ giữa cường độ chịu nén và Môđun đàn hồi Hình 5.1: Chuẩn bị cốt pha đổ dầm
Hình 5.2: Đỗ dầm bê tông cốt thép thanh và bê tông cốt sợi thép 53 Hình 5.3: Mô hình gia tải và bố trí dụng cụ đo đạc TH Tnhh Thun gen rư 54 Hình 5.4: Kích thuỷ lực, đồng hồ chuyền vị, đồng hồ gia tải 54 Hình 5.5: Sơ đồ dầm bê tông cốt thép
Hình 5.6: DẦm bê tông cốt sợi thép bị phá huỷ ở tải 75kN
Hình 5.7: Dầm bê tông cốt sợi thép 1% bị phá huỷ ở tải 15,75kN Hình 5.8: Dầm bê tông cốt sợi thép 2% bị phá huỷ ở tải 15kN
Hình 5.9: Giao diện trong project schematic của Ansys Workbench phần
phân tích bê tông cốt thép cctttieirerrdrvkrkrrrrrrrirrirree 59 Hình 5.10: Giao diện trong project schematic cua Ansys Workbench phan
phân tích bê tông cốt sợi -c+++ercererrrvrrrsrrrrrrrrrrrerrsee 59 Hình 5.11: Quy trình xây dựng mô hình dam Hình 5.12: Vị trí đặt lực và vị trí gối của dầm Hình 5.13: Mô hình dầm cốt thép « Hình 5.14: Mô hình các phần tử sử dụng đẻ phân tích -crr+ 63 Hinh 5.15: Thể hiện bề mặt tiếp xúc giữa phần tử bê tông và gối thép 64 Hình 5.16: Mô hình dầm sau khi Mesh được hiển thị + 64 Hình 5.17: Thiết lập các liên kết, điều kiện biên và tải ccrrze 65
Hình 5.18: Vị trí tại gối có thể xoay
Hình 5.19: Xuất hiện vết thẳng đứng tại khu vực trung tâm, tải 17,5kN Hình 5.20: Vết nứt thẳng đứng tiếp tục phát triển tại giữa dầm, tải 37,5kN
Hình 5.21: Vết nứt xiên bắt đầu phát triển, tải 40kN c c e, 69 Hình 5.22: Vùng ảnh hưởng của vết nứt xiên lan rộng dần ra và có nguy cơ
gãy dầm, tải 75kN cọ cover 70
Trang 9Hình 5.23: Hình ảnh thực nghiệm của vết nứt trên dầm cc 70 Hình 5.24: Sơ đồ quá trình phân tích bài tốn dầm bê tơng cốt sợi thép 71 Hình 5.25: Phương pháp tạo sợi vật liệu ngẫu nhiên
Hình 5.26: Dầm bê tông mô hình hóa được cắt thành từng phần tử nhỏ
Hình 5.27: Sơ đồ phương pháp tạo sợi thép ngẫu nhiên trong vật liệu
Hình 5.28: Sợi thép phân bố trong dầm hàm lượng 1% sợi trong Matlab 74 Hình 5.29: Sợi thép phân bố trong dầm hàm lượng 2% sợi trong Matlab 74 Hình 5.30: Sợi thép phân bố trong dầm trong ANSYS -2225552 74 Hình 5.31: Vị trí vùng phát triển vết nứt ở giữa dầm icerreceovee 76
Trang 10
Trang Bảng 2.1: Thành phần hóa học chủ yếu -° 2 StvEEEErttvvvvvvvrvrvrrrrrore 9
Bảng 2.2: Thành phần khoáng và lượng nhiệt phát sinh trong quá trình thuỷ hoá 9 Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hạt của 2kg cát 26
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hạt của 10kg đá 26 Bảng 3.3: Thông số của sợi thép
Bảng 3.4: Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông sử dụng xi ming PCB40
Bảng 4.1: Cường độ chịu nén 28 ngày
Bảng 4.2: Cường độ chịu udn 28 ngay osscccsssssssscscssscccssccssscccesscecccsseseesenssssensessssness 36 Bảng 4.3: Cường độ chịu bổ 28 ngày 222cttrrttrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrre 41 Bang 4.4: Médun dan hồi 28 ngày
Bảng 5.1: Độ chuyển vị ở giữa đầm, quá trình xuất hiện vết nứt và gia tải của dầm bê tông cốt thép
Bảng 5.2: Độ chuyển vị, quá trình gia tải của dầm bê tông cốt sợi thép 1%
Bang 5.3: Độ chuyến vị, quá trình gia tải của dầm bê tông cốt sợi thép 2%
Bang 5.4: Thông số vật liệu của bê tông -ccvrtrrvrrrrrrrvrrvrrvrvrre 61
Bang 5.5: Thông số vật liệu của thép sợi (Bp-]) . -ccccrcc.ee 62
Bang 5.6: Thông số vật liệu của thép thanh ccvvrvvrrvvrxvrvrrrrrvrrrerrrerreg 62
Trang 11
BTCS BTCT N,XM,C,D NX Vd TCVN ASTM ACI xii
DANH MUC TU VIET TAT : Bê tông cốt sợi
: Bê tông cốt thép
: Nước, xi măng, cát, đá : Vật liệu
: Tỷ lệ nước/ xi măng
: Tỷ lệ chiều dài/ đường kính sợi : Chiều dài tới hạn của sợi : Tiêu chuẩn Việt Nam
: Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ
Trang 121.1 GIỚI THIEU CHUNG:
Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng sử dụng rộng rãi nhất Được sử dụng trong một loạt các các ứng dụng như đường cao tốc, các tòa nhà cao tầng, đập, cầu cống Tuy nhiên, bê tông đã được biết là vật liệu rất yếu khi chịu lực kéo
căng xuất phát từ bản chất giòn của bê tông Đây rõ ràng là điều không mong muốn
đối với bất kỳ vật liệu xây dựng nào Vì vậy, đòi hỏi một hình thức kéo tăng cường để bù đắp cho đặc tính giòn và cải thiện độ bền kéo và lực căng cho nó được sử dụng trong cấu trúc Thép đã được sử dụng làm nguyên liệu nhằm tăng cường độ bền kéo trong bê tông Không giống như cốt thép thông thường, được thiết kế và
được đặt trong khu vực chịu lực kéo căng của bê tông, còn sợi mỏng ngắn và phân
phối ngẫu nhiên trên toàn bê tông Các sợi thép phân phối ngẫu nhiên làm mắt hiệu
quả hơn so với thanh cốt thép thông thường, nhưng các sợi gần nhau cải thiện độ déo đai cũng như cường độ của bê tông và giúp kiểm sốt nứt
Bê tơng cốt sợi đã được bắt đầu nghiên cứu từ đầu những năm 1960, được ứng
dụng rất nhiều trong lĩnh vực xây dựng trên thế giới như: mặt đường ô tô, mặt
đường sân bay, sàn nhà công nghiệp, kết cấu chịu tải trọng động Bê tông cốt sợi
có một số ưu điểm là tăng cường độ kháng kéo, uốn đáng kẻ, giảm độ mài mỗn, ứng suất biến dạng dưới tải trọng tăng, tăng khả năng chịu va đập, tăng tính đẻo dai sau khi nứt tải do cấu trúc ba chiều của sợi thép trong bê tông nên khoảng làm việc an toàn của vật liệu cao hơn
Trang 131.2 TINH HINH PHAT TRIEN CUA VIEC NGHIEN CUU VA UNG DỤNG BE TONG COT SOI THEP TREN THE GIOI:
1.2.1 Ứng dụng bê tông sợi thép trong xây dựng:
Năm 1970 ở Michigan của Mỹ, đường Niles dẫn vào khu công nghiệp được
xây dựng bằng bê tông cốt sợi thép với hàm lượng sợi là 120kg/m Sau khi đưa
công trình vào sử dụng, người ta tiến hành so sánh thì thấy rằng mặc dù đường làm
bằng bê tông cốt sợi có chiều dày 100mm so với đường làm bằng bê tông thông thường 180mm nhưng khả năng chịu tải, chịu mài mòn và chống nứt tốt hơn Năm
1983 ở Đức, sân bay Frankftrt được xây dựng có lớp phủ mặt đường băng làm
bằng bê tông cốt sợi thép phân tán, hàm lượng sợi sử dụng là 60kg/m° để góp
phần làm tăng khả năng chống mài mòn và chống co ngót cho đường băng
Hình 1.1: Sử dụng bê tông cốt sợi thép trong công trình giao thông
Tượng nghệ thuật bê tông: Có hai bức tượng nỏi tiếng được thực hiện bởi bê tông cốt sợi thép tại Đài Loan Một là "Xi Men" trong Bảo tàng Gốm sứ Đài Bắc
Hai là một bức tượng của huy hiệu của Khoa Kỹ thuật Xây dựng tại Đại học Khoa
học và Công nghệ Quốc gia Đài Loan (Tsai và ctg, 2009)
Trang 14
của sợi thép liên tục Hơn nữa, xác định được rằng sự gia tăng cường độ bê tông tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của khoảng cách giữa các sợi
- Henage (1976) kết luận rằng sự kết hợp của sợi thép làm tăng đáng kể độ bền uốn, làm giảm độ rộng vết nứt và vết nứt đầu tiên xảy ra ở tải cao hơn
- Shah và Naaman (1976) đã tiến hành kiểm tra độ bền kéo và uốn vào các mẫu
với độ dài, đường kính và hàm lượng của các sợi thép khác nhau Cường độ chịu
kéo uốn của các mẫu cốt sợi tăng 2- 3 lần và độ võng là 10 lần so với bê tông thông thường cùng chủng tương ứng Quan sát thấy trên bề mặt của mẫu uốn cho thấy
đóng góp quan trọng của sợi ngay cả sau khi vết nứt xuất hiện đầu tiên
- (Kormeling và ctg, 1980) sau khi tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của sử dụng sợi thép ở tải tĩnh và tải động trong dầm sử dụng sợi, kết luận rằng sợi làm
tăng khả năng chịu lực, giảm chiều rộng vết nứt và giảm khoảng cách trung bình giữa các vết nứt
- Nagarkar (1987) cho rằng cường độ chịu nén được tăng lên khoảng từ 5- 7%,
độ bền kéo trong khoảng từ 15- 45% và độ bền uốn trong khoảng 20- 60%
- (Saluja và ctg, 1992) thử nghiệm về cường độ nén bê tông bằng cách kết hợp sợi thép thẳng có tỉ lệ hướng sợi 75, 90 và 105 Kết luận rằng các sợi thép có hiệu
quả trong việc tăng cường độ chịu nén tối đa là 13,5% với 1,5% hàm lượng sợi :
- Wafa và Ashour (1992) tiến hành thực nghiệm, kết luận rằng bổ sung 1,5% theo thể tích của sợi dẫn đến gia tăng 4,6% độ bền nén, tăng 59,8% độ bền chịu kéo và tăng 67% môđun đàn hồi
- (Trottier va ctg, 2002) kết luận sử dụng hàm lượng 1% sợi thép thì cường độ
chịu nén tăng 38,8%
- Kayali (2003) nghiên cứu về ảnh hưởng của sợi thép cường độ cao bê tông nhẹ
Trang 15- Neves và Fernandes de Almeida (2005) nhận xét rằng ở Mác 400 sử dụng hàm
lượng sợi thép 0,38% thì cường độ chịu nén giảm 4,69%, hàm lượng 1,13% thì
cường độ chịu nén giảm 12,01% và hàm lượng 0,38% thì môđun đàn hồi giảm
8,1%, hàm lượng 1,13% thì mô đun đàn hồi giảm 10,61%
- Kolhapure (2006) thực nghiệm về các tính chất cơ học của bê tông sử dụng sợi
Kết luận rằng cường độ chịu nén, độ bền kéo và độ bền uốn được tăng lên 30%,
23% và 24% khi so sánh với bê tông thường
- Ramadoss và Naganami (2008) tiến hành nghiên cứu sử dụng hàm lượng sợi
thép 1% thì cường độ chịu nén tăng 4,46%, cường độ chịu uốn tăng 19,07%, cường độ chịu bổ tăng 428,09%
- Elangovan và Perumal (2010) cho rằng sử dụng hàm lượng sợi thép 1% thì cường độ chịu nén tăng 23,53%
- Singh và Singhal (2010) sử dụng sợi thép với hàm lượng 1% thì cường độ nén tăng 9,2%, cường độ chịu bỗ tăng 16,5% và hàm lượng 2% thì cường độ chịu nén
tăng 15%, cường độ chịu bê tăng 28,3%
- (Yusof và ctg, 2010) thực nghiệm ở Mác 300 sử dụng sợi thép 0,5% thì cường
độ nén tăng 6,45%, cường độ bổ tăng 13,33%, môđun đàn hồi tăng 14,28%
- Almottiri (2011) nhận xét khi sử dụng hàm lượng sợi thép 0,5% thì cường độ chịu nén giảm 4%, cường độ chịu uốn tăng 13% Còn khi hàm lượng sợi thép 1% thì cường độ chịu nén giảm 14%, cường độ uốn tăng 26%
- Ameeri (2013) đã nghiên cứu bê tông ở Mác 350 sử dụng hàm lượng sợi "thép 0,5% thì cường độ nén tăng 6,21%, cường độ uốn tăng 36,36%, cường độ bổ tăng
16,21%, môđun đàn hồi tăng 6,12%
- Deshmukh va ctg kết luận khi sử dụng hàm lượng sợi thép 0,5% thì cường độ
chịu nén tăng 1,1%, cường độ chịu uốn tăng 9,04%, cường độ chịu bổ tăng 12,88%, môđun đàn hồi tăng 2,98%
- Rana (2013) tiến hành thực nghiệm bê tông ở Mác 600 sử dụng hàm lượng sợi
thép 1% thì cường độ uốn tăng 9,9%, hàm lượng 2% thì cường độ chịu uốn tăng lên
Trang 16- (Singh, MP và ctg, 2013) tiến hành thực nghiệm bê tông ở Mác 400 sử dụng
hàm lượng sợi thép 0,5% thì cường độ nén tăng 5,28%, cường độ uốn tăng 22,82%, cường độ bỏ tăng 4,88%
- (Singh, SP và ctg, 2013) đã nghiên cứu và cho rằng ở Mác 400 sử dụng hàm lượng sợi thép 0,5% thì cường độ nén tăng 5,27%, cường độ bỏ tăng 4,87%
- (Gul và ctg, 2014) sử dụng hàm lượng sợi thép 0%, 1%, 2% và 3% thì cường độ
nén tăng 11- 28%, cường độ uốn tăng 18- 58%, môđun đàn hồi tăng lên 8,9% - (Hassani và ctg, 2014) sử dụng sợi thép 1% thì cường độ chịu nén tăng 6,36%,
cường độ chịu uốn tăng 52,62%, cường độ chịu bỗ tăng 90,88%
1.3 TINH HINH PHAT TRIEN CUA VIEC NGHIEN CUU VA UNG DUNG
BE TONG COT SOI THEP O VIET NAM:
- Trần Bá Việt và Nguyễn Thanh Bình (2006) nghiên cứu các cấp phối Mác 300,
500, 700 và 800 cũng như sử dụng nhiều loại sợi như: sợi thép Crimped (sợi det
lượn sóng, chiều dai 38mm và 52mm) và sợi thép Dradmix (sợi tròn 2 đầu neo, chiều dài 30mm và 35mm) với hàm lượng 50kg/m? Kết luận rằng: Cường độ nén
tăng khoảng 7%; Cường độ chịu uốn tăng rất cao so với bê tông không sợi Mức độ
tăng cường độ uốn của bê tông khi sử dụng sợi thép tới 60% và phụ thuộc vào nhiều
yếu tố, nhưng hai yếu tố quan trọng là tỷ lệ hướng sợi và mác bê tông
- (Hồ Đức Duy và ctg, 2009) tiến hành hai phương pháp bán thực nghiệm về khả
năng chịu uốn của kết cấu bê tông cốt thép có gia cường sợi thép Kết luận rằng khi hàm lượng sợi thép thay đổi trong khoảng 30- 90kg/m3 với bản bê tông cốt thép
thường, cường độ chịu nén tăng 7- 17%, cường độ chịu kéo khi uốn tang 11- 24%,
dẫn đến khả năng chịu uốn bản sàn tăng 11- 34% Hién nay, viée nghiên cứu ứng
Trang 17- Nguyễn Thanh Bình và Nguyễn Huyền Thi (2011) tiến hành thực nghiệm ở nhiều Mác 300, 500, 700 và 800 cũng như sử dụng nhiều hàm lượng, chiều đài và đường kính sợi thép khác nhau Kết luận rằng mác bê tông có ảnh hưởng lớn đến
hiệu quả sử dụng sợi thép trong bê tông Sợi thép làm tăng cao cường độ chịu uốn
của bê tông, mức độ tăng cường độ chịu uốn của bê tông khi sử dụng sợi thép phụ
thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tỷ lệ hướng sợi là yếu tố rất quan trọng Bê tông
mác cao cho phép phát huy cao hiệu quả của sợi thép, khi đó đồng thời cho phép sử
dụng các loại sợi thép có tỷ lệ hướng sợi cao, làm tăng mạnh cường độ chịu kéo khi
uốn của bê tông cốt sợi thép Bê tông mác cao sử dụng các loại sợi thép có tỷ lệ
hướng sợi cao với hàm lượng sợi hợp lý cao làm tăng rất cao cường độ chịu kéo khi
uốn của bê tông cốt sợi thép Mức độ tăng cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông khi sử dụng sợi thép có thể tới 89,8%
- Nguyễn Văn Chánh và Trần Văn Miền tiến hành thực nghiệm ở Mác 350 sử dụng hàm lượng sợi thép 2,4% thì cường độ nén tăng 15,38%, cường độ uốn tăng
73,6% Khi hàm lượng sợi thép 3.2% thì cường độ nén tăng 18,13%, cường độ uốn tăng 78,4% Còn ở Mác 400 sử dụng hàm lượng sợi thép 2,4% thì cường độ nén
tăng 12,95%, hàm lượng sợi thép 3,2% thì cường độ nén tăng 16,13% Kết luận rằng: Tính chất hỗn hợp và tính chất cơ học của bê tông cốt sợi phụ thuộc nhiều vào
hàm lượng sợi và loại sợi sử dụng Tính công tác của hỗn hợp bê tông cốt sợi
thường giảm xuống khi sử dụng sợi phân tán Khi sử dụng sợi thép thì các tính chất cơ học (nén, kéo, uốn và dẻo dai) của bê tông đều tăng lên đáng kể so với bê tông
thông thường
Trong phần lớn các nghiên cứu đã thực nghiệm trên thế giới và tại Việt Nam
các tác giả sử dụng sợi có chiều dài từ 25- 50mm và hàm lượng từ 0,5- 2% với
nhiều hình dạng sợi khác nhau Do đó, luận văn này nghiên cứu gia tăng thêm chiều dài sợi đến 100mm và hàm lượng tăng đến 3%, nhằm đánh giá sự ảnh hưởng khi sử dụng sợi thép trơn tròn đường kính Imm, chiều dài sợi từ 25-100mm, hàm lượng
sợi 0,5- 3% trong bê tông Luận văn dùng sợi thép trơn thăng bình thường không
Trang 18- Nghiên cứu tính toán thiết kế hàm lượng sợi trong thành phần cấp phối bê tông với nhiều cường độ thiết kế khác nhau
- Đánh giá khả năng ứng dụng vào kết cấu công trình dân dụng của bê tông sợi so với bê tông truyền thống
1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐÈ TÀI:
- Nghiên cứu các tác nhân ảnh hưởng đến đặc tính của bê tông có sử dụng sợi thép, từ đó đưa ra những hàm lượng sợi phù hợp với cấp phối bê tông, làm tăng những đặc tính có lợi, hạn chế những đặc tính không tốt của bê tông
- Việc sử dụng bê tông cốt sợi thép cho bê tông công trình sẽ làm tăng tính khả năng chịu tải trọng, tăng tính chống mài mòn, giảm bề dày kết cấu, khả năng chịu va đập cao và đặc biệt là khả năng chống nứt tăng lên đáng kẻ, giảm giá thành xây
dựng Nên việc nghiên cứu để tài với bê tông sợi thép, để tăng khả năng áp dụng loại bê tông cốt sợi thép vào thực tế là việc làm cấp thiết
1.6 QUY MÔ NGHIÊN CỨU:
- Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Vật liệu xây
dựng, Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM với các vật
liệu thí nghiệm hiện có tại Việt Nam
- Sử dụng phần mềm phân tích ANSYS để mô phỏng dầm bê tông cốt thép thanh và dầm bê tông cốt sợi thép đẻ khảo sát quá trình hình thành phát triển vết nứt trên
Trang 19Chương 2:
CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TÍNH CHÁT CỦA
BÊ TÔNG CÓT SỢI THÉP
2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA BÊ TÔNG:
2.1.1 Cơ sở hóa học:
Các sản phẩm phản ứng hydrat của xi măng tạo ra các gel giúp liên kết các
loại vật liệu với nhau và khi đóng rắn tạo cường độ của kết cấu
C3S (tricalcium Silicate): Khi trén xi măng với nước, hai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của khoáng Alit với nước và đạt độ bền cực đại ngay trong giai
đoạn đầu của quá trình hydrat hóa
2C3S + 6H20 — C3S2H3 + 3Ca(OH)2
C28 (Dicalcium Silicate): Khi Ca(OH): tach ra tir Alit, khong Belit sé thiy
phan cham hon va giai phéng it Ca(OH)2 hon
2C2S + 4H20 — C3S2H3 + Ca(OH)2
CsA (tricalcium Aluminate): hydrat hóa tạo khoáng Ettringite dạng tinh thể
hình kim được hình thành với lượng lớn nhờ pha aluminate phản ứng với thạch cao
lấp đầy các không gian rỗng cho đá xi măng cường độ cao CA + 6H2O — 3CaAHs (đóng rắn nhanh)
C3A + CaSO4.2H20 — 3CaO.AlzOa.3CaSOa.31H¿O (kéo dài thời đóng rắn)
C¿AF (Tetracalcium Aluminoferrite): Thời gian bắt đầu đông kết của xi măng
phụ thuộc vào hàm lượng của pha ferrite trong thành phan của xi măng
C4AF + CaSO4.2H20 + Ca(OH)2 — 3CaO(Al203,Fe203).3CaSO4
Đá xi măng có cấu trúc đặc khít và các không gian rỗng đã được lấp đầy bằng
ettringite, hiđroxit sắt, hiđroxit nhôm, pha tạo gen của silicat canxi ngậm nước Mức thủy hoá cao và độ đặc chắc cao của đá xỉ măng làm tăng cường độ xi măng
Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình thủy hóa xi măng là nguyên nhân làm tăng
Trang 20nứt cầu kiện bê tông khối lớn
Băng 2.1: Thành phần hóa học chủ yếu
Oxit SiO; |AlO;| CaO |FezO;: | MgO | SO; | KzO | Na;O
'Hàm lượng (%)| 19-25% | 2-9% |62-67% | I-5% | 0-3% | 1-3% | 0.6% | 0.2% Nguồn: Theo hatien 1 Bang 2.2: Thành phan khoáng và lượng nhiệt phát sinh trong quá trình thuỷ hoá
` Tỉ lệ trong |Nhiệt lượng| Nhiệt lượng
Thành phân khoáng hỗn hợpXM|_ riêng đóng góp
(%) (cal/g) (cal/g)
C38 (3CaO SiOz : Alit) 55 120 66.0
CS (2CaO SiO; : BeliU l§ 62 93
CạA (3CaO Al›Oa: Tricanxi Aluminat) 10 207 20.7 CaAF (4CaO AbO; FexOs: ALumoferit canxi)| — 100 8.0 Nguén: Theo hatien 1 2.1.2 Cơ sở vật lý:
Sau khi quá trình đầm nén, các phân tử của hỗn hợp bê tông được sắp xếp lại chặt chẽ hơn, giai đoạn này gọi là hình thành cấu trúc Các sản phẩm mới được hình thành do quá trình polymer hóa dan dần tăng lên Đến một lúc nào đó, chúng fách ra khỏi dung dịch quá bão hoà Số lượng sản phẩm mới tách ra tăng lên đến một mức
nào đó thì cầu trúc keo tụ chuyển hoá cấu trúc tỉnh thể, làm cho cường độ của bê
tông tăng lên Sự hình thành cấu tric tinh thé sẽ sinh ra hai hiện tượng ngược nhau,
tăng cường độ và hình thành nội ứng suất trong mạng lưới tinh thể Đó là nguyên
nhân sinh ra vết nứt và giảm cường độ của bê tông
Trong khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ dẻo (cường
độ đầu tiên) phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia
hoá học Hỗn hợp bê tông cứng và kém dẻo với tỷ lệ phụ gia khác nhau không lớn
Trang 2110
2.2 TƯƠNG TÁC GIỮA SỢI VÀ VẬT LIỆU NÈN: (Nguyễn Viết Trung và ctg) Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền là nền tảng tạo nên chất lượng cho bê tông cốt sợi, biết được cơ chế tương tác này sẽ đánh giá được bản chất và chất lượng của vật liệu nền, vai trò của sợi và dự đoán khả năng cơ học của bê tông cốt
sợi Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền:
- Điều kiện, trạng thái của vật liệu nền: khi chưa nứt hay đã nứt - Hỗn hợp thành phần vật liệu nền
- Hình dạng, loại sợi, đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của sợi - Hướng sợi đẳng hướng hay bố trí ngẫu nhiên
- Tỷ lệ thể tích sợi sử dụng
- Tính bền của sợi khi làm việc lâu dài trong bê tông cốt sợi
Khi bê tông chịu kéo dưới các tải trọng khác nhau, bao gồm quá trình mỏi, vết nứt vi mô sẽ xuất hiện và lan rộng ra bề mặt cốt liệu và một phần ở khối bê tông
xung quanh
Trong bê tông cốt sợi, các sợi được sắp xếp thắng hàng một cách ngẫu nhiên, tuy nhiên sợi cũng làm thay đổi vị trí tương đối của cốt liệu thô, khối bê tông được
tăng cường bởi sợi sẽ tăng cường ngưỡng giới hạn chịu kéo có thể gây ra ứng suất làm nứt bê tông trong giai đoạn ban đầu Khả năng chịu kéo của bê tông sợi còn phụ
thuộc vào số lượng và hiệu quả của sợi tại vùng xuất hiện vết nứt Mô phỏng sự
tương tác giữa sợi và vật liệu nền dựa trên hình dang của lực kéo tuột đơn giảú —————l ix re | ⁄ Soi P vathigu nén — rte) sờ) /T 7A 904) tds m L2] | Pix) +P x(x)
Hình 2.1: Mô hình sự kéo tuột sợi tại bề mặt liên kết sợi-
vật liệu nên của bê tông cốt sợi
Trang 22
Vật liệu nền là giòn nên ảnh hưởng của sự truyền ứng suất sẽ được nghiên cứu
cho hai trường hợp: trước khi nứt và sau khi nứt, vì thế các quá trình cũng hoàn toàn khác nhau tương ứng với hai trường hợp
Trước khi xảy ra các vết nứt, sự truyền ứng suất đàn hồi là cơ chế quan trọng
đầu tiên, sự chuyển vị theo phương dọc giữa sợi và vật liệu nền tại mặt phân cách được thể hiện rõ rệt Sự truyền ứng suất trượt đàn hồi là cơ chế chính được sử dụng để dự đoán giá trị ứng suất tại vết nứt đầu tiên, sự phân bố ứng suất trượt đàn hồi
đọc theo mặt phân cách giữa sợi và vật liệu nền là không đồng nhất
2.2.1 Tương tác giữa sợi và vật liệu nền chưa nứt:
Dạng tương tác này xảy ra trong hầu hết bê tông cốt sợi trong suốt giai đoạn tác dụng ban đầu Trong một số trường hợp, chẳng hạn các dạng tắm mỏng, bê tông cốt sợi vẫn chưa nứt trong suốt quá trình đưa vào sử dụng, còn trong hầu hết các
trường hợp khác, vật liệu nền sẽ nứt trong quá trình sử dụng
Sự tương tác sợi với vật liệu nền chưa nứt có giới hạn trong ứng dụng thực tế Một hệ sợi- vật liệu nền đơn giản có chứa một sợi đơn được biểu diễn ở hình 2.2
Trong giai đoạn không có tải trọng tác dụng, ứng suất trong sợi và vật liệu nền
được giả thiết bằng không Đặt tải gây kéo hay nén lên bê tông cốt sợi sẽ dẫn đến tăng ứng suất và mắt liên kết
Trong vật liệu nền xi măng, sự hydrat hoá xi măng sẽ gây ra tăng ứng suất
trong sợi với vật liệu nền Khi vật liệu nền chịu tải trọng, một phần tải trọng truyền
qua sợi Bởi vì sợi và vật liệu nền có độ cứng khác nhau nên ứng suất trượt phát triển dọc theo bề mặt sợi Nếu sợi có độ cứng lớn hơn độ cứng của vật liệu nền thì sự mắt liên kết trên bề mặt sợi và xung quanh sợi sẽ nhỏ như hình 2.2a, 2.2b, 2.2c
Trường hợp này chỉ xảy ra với thép và sợi khoáng vật Nếu môđun của sợi nhỏ hơn
môđun của vật liệu nền, sự mắt liên kết xung quanh sợi sẽ cao hơn, điều này xảy ra đối với sợi polyme và sợi thiên nhiên
Sự truyền ứng suất đàn hồi hiện diện trong bê tông cốt sợi chưa nứt cũng như
Trang 2312
vật liệu phá hỏng Phương trình toán học đã phát triển cho cả ứng suất trượt tại mặt phân cách T và ứng suất dọc or theo chiều đài sợi Dựa vào một số giả thuyết để đơn giản hóa vấn đề là:
-_ Vật liệu nền và sợi cả hai đều ở giai đoạn đàn hồi
- Mat phân cách giữa sợi và vật liệu nền là mỏng - Bé mat phân cách được xem như là liên kết hoàn hảo
-_ Sợi được sắp xếp có quy luật
- Biến dạng kéo của vật liệu nền tại vùng bám dính chứa sợi là tương đương biến dạng kéo của bê tông cốt sợi P P F + Vat iu nén | 8=+w Giới hạn vùng biến dạng P P a) b) 9
Hình 2.2: Mặt phân cách của vật liệu nên — sợi khi vật liệu chưa nứt: a) Chua chất tải; b) Vật liệu nền chịu kéo; ©) Vật liệu nên chịu nén 8) b)
Hình 2.3: Mô tả sợi trong vật liệu nền — biến dang và ứng suất xung quanh sợi: a) Dang hinh hoc bién dạng của vật liệu nền xung quanh sợi trước và sau khi tải tác
Trang 24Sự phân bố ứng suất trượt T tại khoảng cách x tính từ đầu sợi được diễn tả:
L sa) sin zx
T(x) = E,€,, a x— 2
26 t r ) %8
Trong đó:
Em, Er: Môđun đàn hồi của vật liệu nền, sợi
Ga: Môđun đàn hồi trượt của vật liệu nền tại mặt phân cách 1: Chiều dài sợi
R: Bán kính vật liệu nền xung quanh sợi
r: Bán kính sợi
6m: Biến dạng kéo của vật liệu nền
Tỉ số giữa R/r tùy thuộc vào tỉ lệ thẻ tích và sắp xếp sợi (hình 2.4)
- Phân bố theo 1 và2 phương: In (7) = mm (=) r V,
R 1 2z
- Phân bố theo 3 phương: : In| — |=—In ( rz ) 2 [#-) Ứng suất dọc trong sợi ør(x) được tính theo công thức:
1-cos8, [;>) ơ,Œœ)=E„£„
Các phương trình cho phép ta tính được ứng suất trong sợi và sự đóng góp của sợi trong bê tông gia cốt sợi Trong trường hợp có nhiều sợi, người ta sắp xếp chúng theo một dạng được dự đoán trước mà giữa chúng không có sự tương tác (hình 2.4)
Tại giai đoạn đủ tải trọng xảy ra mat liên kết dọc theo mặt phân cách nên quá trình truyền ứng suất sẽ trở thành quá trình trượt ma sát (ta) Trong trường hợp này
Trang 2514
Những thông số như ứng suất và biến dạng của bê tông cốt sợi có liên quan
đến quá trình truyền ứng suất này
a) Si dai phân bố liên tục 1 phương, b),c) Sợi phân bố theo 2 phương,
4) Sợi phân bố theo 3 phương
Hình 2.4: Sự phân bố của sợi trong bê tông
Ứng suất trượt bám dính (ta) nếu vượt quá giới hạn thì bắt đầu xảy ra mất tính bám dính giữa sợi và vật liệu nền, khi đó ứng suất ma sát cực đại ra xuất hiện trong vùng mất liên kết Giá trị ta và tau là không bằng nhau, giá trị tụ rất nhạy với ứng
suất và biến dạng Giả thiết rằng lực kéo tuột là hằng số thì đường cong tải trọng-
chuyển vị là lý tưởng Tuy nhiên, trong thực tế tw giảm khi gia tải (hình 2.5)
Chuyên đổi từ sự truyền ứng suất đàn hồi trước khi mắt liên kết sang sự truyền ứng suất ma sát sau khi mắt liên kết là quá trình diễn ra chậm và hai quá trình trên cùng có ảnh hưởng lẫn nhau Sự mắt liên kết có thể xảy ra trước khi có vết nứt đầu tiên của vật liệu nền và vì vậy ảnh hưởng kết hợp của hai quá trình này tác động đến hình dạng của đường cong ứng suất- biến dạng trước khi vật liệu nền nứt Ong suất tượ x Ving mit bam inh Chuyến - Hình 2.5: Sơ đô biểu diễn ung sudt trugt — chuyén vi
Trang 26Một loạt hiện tượng tiếp diễn đều phụ thuộc vào ứng suất trượt bám dính và ứng suất kéo của vật liệu nền, nếu ứng suất kéo lớn thì việc mắt liên kết có thể xảy
ra trước khi vật liệu nền nứt, nếu ứng suất kéo nhỏ thì quá trình nứt vật liệu nền sẽ
xảy ra trước khi mắt liên kết
Như vậy, mọi vấn đề truyền ứng suất đều bị ảnh hưởng của các hiện tượng:
truyền ứng suất trượt đàn hồi, ứng suất trượt ma sát, sự mất liên kết và ứng suất biến dạng bình thường
2.2.2 Tương tác giữa sợi và vật liệu nền đã nứt:
Tác dụng chủ yếu của sợi trong bê tông cốt sợi sau khi vật liệu nền đã nứt là sợi sẽ bắt cầu qua vết nứt và ngăn ngừa sự phá hủy
Sự bắt cầu của sợi xuyên qua vết nứt để truyền tải trọng được minh chứng bởi
thí nghiệm về kéo tuột với mục đích:
- Làm nền tảng cho dự đoán tính chất của bê tông cốt sợi trong vùng đã nứt
- Phân tích cơ chế bám dính và xác định sự liên quan của cơ chế truyền ứng suất trượt ma sát và đàn hồi
Khi bê tông cốt sợi có chứa sợi chịu kéo (hình 2.6, 2.7) ở trạng thái vật liệu
nên nứt Ngay khí vật liệu nền nứt, sợi bắt cầu qua vết nứt, truyền tải trọng qua vết
nứt Giai đoạn tăng tải này gọi là giai đoạn phát triển vết nứt Ứng suất trượt đàn hồi được xác định bằng công thức: r(s)=2 [sn(Ø>)~eetz(Ø4)ees(Ø)] 1 2G, PP a,-[ 22 r: Bán kính của sợi I: Chiều dài sợi nằm trong vật liệu nền bị: Bề rộng vùng ảnh hưởng
Er Môđun đàn hồi của sợi
G„: Môđun trượt của vật liệu nền ở mặt phân cách
Trang 27
TY ì 2s + ty | —— C In — Pp ‘|e a) Mất bám đính trước khi nứt .[ =1, b) Trước khi nữt không bị mất lên kết
Hình 2.6: Phân bỗ ứng suất trượt tại mặt phân cách dọc theo
giao điểm của vết nứt với sợi ngay sau khi nứt
Ứng suất trượt đàn hồi lớn nhất:
t(ma) =t(x=0)= oA 5, [oot s(A) |
Trang 282.2.3 Quá trình phát triển vết nứt:
Trong bê tông cốt sợi vai trò chính của sợi được thể hiện trong vùng có vết nứt, trong đó sợi là cầu nối qua vết nứt của vật liệu nền Sợi có hai chức năng trong
vùng có vết nứt:
- Lam tăng cường độ của bê tông cốt sợi qua vật liệu nền bằng cách truyền
ứng suất và tải trọng qua vết nứt đến sợi
- Độ dẻo dai của bê tông sẽ được tăng cường do sợi hấp thụ năng lượng sinh ra trong quá trình mắt liên kết và kéo tuột của sợi
'Việc xuất hiện vết nứt đầu tiên trong bê tông cốt sợi sẽ ảnh hưởng lớn đến sự
đẻo dai và cường độ của bê tông Việc ngăn chặn sự phá hoại trong giai đoạn này thì khả năng chịu tải của sợi (trong trường hợp sợi liên tục và đẳng hướng) phải cao
hơn tải trọng tác dụng lên bê tông cốt sợi tại vết nứt đầu tiên: GV, > E„E,„V„+E,ẽV„ — (2.1) Trong đó:
y„: Thẻ tích của vật liệu nền
Vi: Thể tích của sợi sử dụng
E_: Môáun đàn hồi của vật liệu nền
: Môđun đàn hồi của sợi
Øz,: Cường độ kéo tới hạn của sợi
#„„: Biến dạng cực đại của vật liệu nền , Khi phương trình (2.1) được thoả mãn, vết nứt đầu tiên xảy ra trong bê tông
cốt sợi sẽ không dẫn đến phá hoại và sẽ có một sự phân phối lại tải trọng tác dụng
lên sợi và nền, có nghĩa là tải trọng tác dụng lên vật liệu nền trong vùng có vết nứt
sẽ chuyển qua sợi và ngay tại mép vết nứt vật liệu nền sẽ không có ứng suất Tiếp tục tăng tải sẽ làm cho vết nứt tăng dần cho đến khi vật liệu nền bị phân thành nhiều
mảnh Quá trình này được coi là quá trình phát triển vết nứt, vùng đường cong ứng suất- biến dạng này xấp xi nằm ngang hay hơi dốc lên (hình 2.8)
Khi quá trình phát triển vết nứt không tăng nữa, vật liệu nền bị chia bằng nhiều vết nứt song song thì bất kỳ lực kéo nào thêm vào sẽ gây ra kéo giãn hay kéo
Trang 2918
cho đường cong ứng suất biến dạng dốc lên trong vùng có vết nứt Giả sử rằng bê tông cốt sợi gồm những sợi liên tục và đẳng hướng được kéo giãn khi chịu tải trọng, độ dốc trong khoảng này là EV¿, sự phá huỷ sẽ xảy ra khi sợi đạt đến khả năng chị
tải của nó, tại ứng suất ơaV: (hình 2.8) aNd ° Phớt triển vết nứt j = EM { j eat | ị i | lu ® ® Ỉ eu Enc a Thể tích sợi
Hình 2.8: Sơ đồ ứng suất biến dạng của bê tông cốt sợi
Vì vậy khả năng cơ học của bê tông cốt sợi thường được mô tả ở 3 trạng thái
của đường cong ứng suất và biến dạng hình 2.8
(1) Giới hạn đàn hồi, đạt đến điểm nứt đầu tiên: vật liệu nền và sợi đàn hồi
tuyến tính
(2) Quá trình phát triển vết nứt mà biến dạng trong bê tông gia cố cốt sợi
vượt quá biến dạng cho phép của vật liệu nền
(3) Giai đoạn sau vết nứt, trong suốt giai đoạn này sợi bị kéo dãn hay kéo
tuột ra khỏi vật liệu nền
Để có thể mô tả đặc tính và khả năng cơ học của bê tông cốt sợi cần áp dụng những biện pháp mô tả dạng tổng quát của đường cong ứng suất biến dạng và dự đoán điểm lồi của đường cong: trong vùng đàn hồi E ở vết nứt đầu tiên (G‹, ca),
Trang 302.3 ANH HUONG CUA SQI DEN TINH CHAT CUA BE TONG:
2.3.1 Kiểu sợi:
Các loại sợi rất đa dạng và phong phú Tùy thuộc vào quá trình sử dụng mà
người ta đã sản xuất ra các loại sợi có hình dạng, đặc tính bề mặt và cường độ chịu
kéo khác nhau Vì vết nứt phát triển qua khối, bề rộng các vết nứt sẽ tăng Đối với sợi thép đi qua và chống lại sự mở rộng của vết nứt, sự phát triển ứng suất trong sợi
được hình thành bởi hai yếu tố:
- Liên kết bề mặt giữa cốt sợi và vữa xi măng
- Sự neo cơ học do hình dạng của sợi làm tăng cường liên kết giữa sợi và xi
măng có tác động khi ứng suất trong bê tông vượt quá lực liên kết của bề
mặt được đánh giá vào khoảng 3MPa
Với các sợi thẳng, chiều dài cần thiết của sợi thép để cung cấp đủ diện tích tiếp xúc phát triển ứng suất kéo trong sợi thép có thẻ trở nên quá lớn điều này có dẫn đến các sợi thép bị rối và khó bố trí trong bê tông cũng như các khó khăn khi 46 và đầm bê tông Những hiệu ứng như trên ảnh hưởng đáng kể đến những đặc trưng của bê tông gia cường cốt sợi thép và cần phải được tính đến khi lựa chọn kiểu sợi
e Tỷ lệ giữa chiều dài sợi và đường kính sợi (1⁄d là số liệu quan trọng cho mỗi kiểu sợi, có ảnh hưởng quan trọng đối với sự làm việc của sợi trong bê tông Nhìn
chung, tỉ lệ ⁄d ngày càng cải thiện sự có hiệu lực của sợi nhưng làm cho việc trộn
bê tông tươi sẽ khó khăn hơn Tỷ lệ I⁄d nằm trong khoảng 50- 100 là thích hợp
e Tính chất liên kết: Tải trọng kéo tuột sợi hoặc kéo đứt gãy trực tiếp bị ảnh hưởng bởi sự truyền ứng suất liên kết hay là do nguyên nhân ứng suất liên kết từ vật
liệu nền đến sợi và độ đài neo của sợi Như vậy, ứng suất liên kết ảnh hưởng đến
Trang 3120
e Cơ chế phá hủy trong nền bê tông:
Sự phá huỷ sợi trong một nền bê tông xuất hiện từ hai quá trình khác nhau: - Phá hủy do sợi bị kéo đứt
- Phá hủy vì sợi bị cắt đứt
Cơ cấu phá hủy phụ thuộc vào các yếu tố sau đây: - Tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi
- Khả năng bám dính
- Cường độ chịu kéo của sợi
- Cường độ liên kết
Ba yếu tố đầu hoàn toàn phụ thuộc vào chủng loại sợi Cường độ liên kết sẽ
phụ thuộc vào cường độ của vật liệu nền bê tông bao quanh và chất lượng của bề mặt sợi Vì vậy, khi cùng một loại sợi sẽ có các cơ chế phá hủy hoàn toàn khác nhau
đối với các loại bê tông khác nhau
Cần thiết phải xác định chiều dài tới hạn của sợi (l«w) trên cơ sở quá trình tính
toán cân bằng Khi cường độ liên kết cực đại trên nửa độ dài sợi cân bằng tải trọng
kéo dọc trục sợi cực đại Khi chiều đài sợi chưa đạt tới chiều dài tới hạn, sợi sẽ
không tận dụng hết khả năng chịu lực của sợi Trong trường hợp sợi quá đài, sợi có
Trang 322.3.2 Hàm lượng sợi:
Khi cho sợi vào hỗn hợp, cần phải có một giới hạn về hàm lượng sợi vì ảnh hưởng đến tính công tác của bê tông, làm thay đổi tính chất cơ lý của bê tông sau
khi bê tông đông cứng
Tuy nhiên, một quá trình đặc biệt cho phép sử dụng hàm lượng sợi cao hơn
mức thông thường Quá trình này chính là việc trộn sợi vào trong một hợp chất đặc
biệt sau đó trộn với hồ xi măng Hợp chất này gọi là SIFCON (Slurry Infiltrated Fiber Concrete) Phy thuộc vào kiểu sợi, quá trình này có thể sử dụng để đạt được một hàm lượng sợi lên đến 20% thể tích Tuy nhiên hợp chất này chỉ sử dụng với
những cấu kiện đặc biệt, cho những ứng dụng trong công trình quân sự, quốc phòng
vì chỉ phí cho phương án này rất tốn kém do hàm lượng sợi cao
2.3.3 Sự định hướng sợi:
Nhiệm vụ của sợi trong bê tông là ngăn ngừa sự hình thành và phát triển của vết nứt, các sợi sẽ phát huy tối đa khả năng chịu lực khi hướng của sợi nằm dọc
theo phương ứng suất kéo tại điểm xảy ra nứt Tương tự như cốt thép, sợi sẽ phát
huy tối đa khả năng chịu lực của chúng nếu chúng nằm đọc theo phương ứng suất
kéo tại vị trí vết nứt Nếu sợi chéo qua vết nứt ở tại một góc xiên thì sợi ít có hiệu quả hơn Sự tổn thất này sẽ được xét đến trong q trình tính tốn thơng qua các điều kiện sử dụng và hệ số định hướng
Sự định hướng sợi là không giống nhau giữa các mẫu thử và cấu kiện thực Do
đó, nhiều tác giả khuyên rằng trong điều kiện cho phép nên tiến hành thí nghiệm với những mẫu thử tương tự kết cấu để ảnh hưởng của hướng sợi có thể được xác định gián tiếp và miêu tả chính xác Sự giống nhau không chỉ là đặc trưng hình học mà còn trong cả quá trình sản xuất và sử dụng Nếu không thể thực hiện những thí nghiệm như vậy thì ảnh hưởng của sự định hướng sợi có thể được xét đến trong tính toán bằng những hệ số định hướng
2.3.4 Tính chất của bê tông cốt sợi thép (bê tông tươi):
Hiểu rõ tính chất của quá trình trộn bê tông là rất quan trọng và tạo điều kiện
Trang 332
sợi sẽ khó trộn và khó đổ hơn so với bê tông thường Tuy nhiên, chúng ta dễ dàng khắc phục bằng nhiều phương pháp Các phương pháp thích hợp dé dam bao tinh
chất của bê tông cốt sợi thép Sự sai lầm có thể dẫn đến kết quả là phá hoại thành phần bê tông, như thế gây sụt giảm cường độ và tính dẻo của bê tông Các yếu tố
ảnh hưởng tới sự thay đổi tính chất trong việc trộn bê tông cốt sợi: - Kiểu sợi
- Ham lượng sợi
- Cốt liệu lớn nhất
- Phuong pháp đưa sợi vào quá trình trộn
Các yếu tố này được xác định bằng thực nghiệm và có thể điều chỉnh bằng
cách thêm vào bê tông phụ gia hóa dẻo hay phụ gia siêu dẻo
2.3.5 Tính chất của bê tông cốt sợi thép đã hoá cứng:
Các sợi thép đem lại cho bê tông tạo ra nhiều đặc tính ưu việt Một hệ thống 2 pha của bê tông và sợi thép là một hệ thống đàn hồi — đẻo Ưu điểm của hệ này là sự phát triển của khả năng chịu tải trước và sau khi hình thành vết nứt trong cấu kiện bê tông, khác hẳn so với tình trạng bê tông thường sau khi đã có vết nứt đầu tiên
Trong các ứng dụng làm mặt đường, mặt sàn, làm cấu kiện đúc sẵn, làm bê tông phun, các ứng suất trong bê tông được phân bố ngẫu nhiên và bị ảnh hưởng bởi các điều kiện đặt tải động học Do đó không thể xác định trường ứng suất thực tế và đặt một hay hai lớp cốt thép ở những vị trí cố định trong khi ứng suất thay đổi từ trên đỉnh đến đáy cấu kiện Các điều kiện đặt tải như tải trọng chu kỳ, biến đổi nhiệt
độ, lực cắt, lực xung kích, co ngót đã phát triển sự phân bố ngẫu nhiên ứng suất trong bê tông
Sự phân bố ngẫu nhiên các sợi thép trong bê tông đảm bảo rằng ứng suất được phân bố lại trong toàn khối vật liệu nền bê tông Các vi vết nứt mà có thể phát triển
thêm do ứng suất sẽ bị các sợi thép ngăn chặn lại trong toàn thể tích vật liệu BTCS
Trang 34Tính chất của bê tông đông cứng được cải thiện đáng kể thông qua việc thêm vào một thể tích thích hợp sợi thép Sợi sẽ làm việc có hiệu quả nếu chúng được liên
kết theo phương của ứng suất kéo chủ và khoảng cách giữa các sợi càng nhỏ càng tốt Nhân tố quan trọng nhất đối với sự hình thành vết nứt chính là khoảng cách cực
đại thực tế giữa các sợi Như vậy, định hướng và phân phối Sợi càng đồng dạng
càng tốt bởi vì như vậy sẽ tạo nên tính đồng nhất vĩ mô và tính đẳng hướng trong
vật liệu Đấy chính là ảnh hưởng của các sợi thép có thể được khai thác trong thực hành, trong khi thực tế không thể thực hiện được việc kiểm tra toàn diện một kết
cấu xây dựng
Các sợi thép sẽ ảnh hưởng đến cường độ kéo, cường độ cắt và nén, tính chất
của vết nứt và quá trình biến dạng của bê tông Sự biến đổi các thành phần khác
nhau trong quá trình trộn hoặc quá trình sử dụng bê tông sẽ ảnh hưởng lớn đến tính
chất này Bên cạnh đó, điều kiện thí nghiệm và đặc trưng hình học của cấu kiện sẽ có ảnh hưởng quan trọng và được tính đến bởi các hệ số tính tốn
Như bê tơng thơng thường, những ảnh hưởng của môi trường sẽ ảnh hưởng
đáng kể đến tính chất của bê tông cốt sợi đông cứng Ảnh hưởng này có thể xuất hiện do sự bốc hơi nước bề mặt, do quá trình rửa trôi bề mặt ngoài, do tải trọng
xung kích, tải trọng lặp hay các tác động hóa học khác Nếu bỏ qua quá trình bảo
dưỡng bê tông dưới những tác động trên có thể làm giảm tính chất của bê tông đông
Trang 3524 Chương 3: MƠ HÌNH NGUN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CÓT LIỆU CÁT 2 Rửa cát 1 1 1 Sang cat ‘ 1 3 Sấy khô cát : CÓT LIỆU ĐÁ 2 Rửa đá 1 1 1 ! 1! 1 ' 1 Sang da ' 1 1 1 1 3 Sấy khô đá i 2 Cắt nhỏ theo chiều dài sợi ý 1 1 : 1 Thép cuộn 1!
; (sợi 25mm, sợi 50mm, sợi 100mm)
Trang 363.1 THANH PHAN VAT LIEU THI NGHIEM:
3.1.1 Xi mang:
Sử dụng xi măng Póoc- lăng PC40 trở lên và thành phần hóa học, phù hợp với các tiêu chuẩn TCVN 2682-91 và TCVN 2682- 89
Các đặc tính cơ lý của xi măng:
- Khối lượng riêng: Pxv= 3,10 (g/cm?) - Lugng nuéc tiéu chuẩn: 29%
- Thời gian bắt đầu ninh kết: 75 (phút)
~ Thời gian kết thúc ninh kết: 225 (phút)
~ Độ mịn: lượng sót trên sàng 0,08mm: <15%
~ Tỷ diện tích bề mặt: >2500 (cm?/g)
~ Cường độ nén sau 3 ngày: R,>21 (N/mm’)
- Cudng d6 nén sau 28 ngay: R,>40 (N/mm?) ~ Hàm lượng anhidrit sunfuric: (SO,)>3%
Hinh 3.2: Xi mang, cat, da thi nghiém
3.1.2 Cét ligu nhé (cat):
Sử dụng cát với môđun độ lớn khoảng 2,5- 3,2 va loại có môđun độ lớn 3,0 thì
cho độ sụt và cường độ nén tốt nhất, cốt liệu nhỏ cho bê tông cốt sợi là loại cát tự
nhiên sạch, không phản ứng kiềm với xi măng
Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát:
- Khối lượng riêng: ø,= 2,602 (g/cm?)
Trang 3726 Kích thước lỗ sàng | Lượng sót trên sàng | Lượng sót tích lũy (mm) (g) (%) 5 0 0 2,5 42 2,1 1,25 483 26,25 0,63 630 57,75 0,315 525 84 0,14 210 94,5 Day 105 100 Bang 3.1: Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hạt của 2kg cát 9 ° 10 0 =” a 7° z* g° #e š sj ì ' s ge 70 Be 70) s0 cy 90 L1 100, =e Oss 083 12 250 sa T00 L1 max + Dư max 150mm ° Đường kính hạt (mm) Hình 3.3: Biểu đồ cấp phối hạt của cái _ Hình 3.4: Biểu đồ cấp phối hạt của đá 3.1.3 Cốt liệu lớn (đá):
Đá dùng cho bê tông phải là cốt liệu sạch, có góc cạnh, có dạng khối và có
lượng hạt thoi dẹt nhỏ Các chỉ tiêu kỹ thuật của đá:
Trang 383.1.4 Sợi thép:
Hàm lượng sợi thép ảnh hưởng rất nhỏ đến khối lượng thẻ tích của hỗn hợp bê
tông cốt sợi Hỗn hợp bê tông thường có tính công tác khá cao, nhưng khi đưa sợi thép vào thì tính công tác của hỗn hợp giảm mạnh, độ sụt của hỗn hợp bằng 0 Sợi thép sử dụng có các chỉ tiêu kỹ thuật như sau:
- Cường độ chịu kéo đứt: > 1000 MPa - Khối lượng riêng: p:= 7850 (kg/m3)
~ Đường kính sợi thép: d= Imm
Chiều dài sợi thép 25mm | 50mm | 100mm
Tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính sợi (1d) | 25 50 100
Số lượng sợi trong một kg cốt sợi (sợi/kg) | 6490 3245 1623 Bảng 3.3: Thông số của sợi thép Hình 3.5: Sợi thép sử dụng thí nghiệm
3.2 LỰA CHỌN THÀNH PHẢN BÊ TƠNG THÍ NGHIỆM: - Đối với bê tông cốt sợi thép thì tỷ lệ N/X được sử dụng 0,42- 0,55
Trang 3928
3.3 THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM:
- Sử dụng các thiết bị máy móc và dụng cụ thí nghiệm của Phòng thí nghiệm Vật liệu Xây Dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM ~ Kích thước mẫu trụ 100 x 200 (mm) - Kích thước mẫu dầm 100 x 100 x 400 (mm) Hình 3.6: Các thiết bị thí nghiệm:
Trang 403.4, TIỀN HÀNH THÍ NGHIỆM:
- Đúc các mẫu theo quy hoạch thí nghiệm đã đề ra
Hình 3.7: Đúc mẫu trụ
- Sau khi đúc mẫu, bảo dưỡng theo đúng quy trình thí nghiệm - Sau khi các mẫu thí nghiệm đủ 28 ngày tuổi thì:
+ Tiến hành nén mẫu trụ (100 x 200)mm theo tiêu chuẩn ASTM
+ Tiến hành uốn mẫu dầm (100 x 100 x 400)mm theo tiêu chuẩn ASTM
+ Tiến hành bổ mẫu trụ (100 x 200)mm theo tiêu chuẩn ASTM
Hình 3.8: Mẫu dầm trước và sau thí nghiệm uốn
- Dầm cấu kiện lớn:
+ Đúc dầm lớn kích thước (100 x 200 x 2000) mm
+ Bảo dưỡng theo đúng quy trình thí nghiệm