Giáo trình Bê Tông Cốt Thép 1 - Chương 2

Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng phức hợp do BT và cốt thép cùng cộng tác chịu lực. Bê tông là đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời và chất kết dính. Đặt cốt thép vào vùng n

Chương II: TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU2.1 Bê tông

2.1.1 Thành phần , cấu trúc và các loại bê tôngThành phần và cấu trúc của BT

Khái niệm về Bê tông: Bê tông là 1 loại đá nhân tạo được chế từ các loại vậtliệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính.

- Vật liệu rời được gọi là cốt liệu gồm có:

+ Cốt liêu bé là cát có kích thước hạt từ 1-5 mm;

+ Cốt liệu lớn gồm đá dăm hoặc sỏi có kích thước hạt từ 5 - 40 mm - Chất kết dính thường là xi măng trộn với nước hoăc các chất dẻo khác.Ngoài ra trong BT có thể có chất phụ gia.

(Giải thích thêm về chất phụ gia hoá dẻo (tro trấu, tro lò), đông cứng nhanh,tăng tính linh hoạt của xi măng (sika), nâng cao cường độ của BT trong thờigian đầu, tăng khả năng chống thấm…)

*Lưu ý: Nước để trộn BT gồm có 2 phần Một phần để hoá hợp với xi măng.Lượng nước này chỉ chiếm 1/5 trọng lượng XM và là cần thiết Phần nước cònlại có tác dụng làm cho hỗn hợp BT có được độ dẻo cần thiết lúc trộn, đổkhuôn và đầm chắc BT Khi BT đã khô cứng lượng nước này trở thành thừa,một phần bốc hơi để lại các lỗ rỗng li ti trong BT làm giảm độ đặc chắc vàcường độ của BT

Cấu trúc của BT:

- Bê tông có cấu trúc không đồng nhất

Giải thích: Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng kích thước củacác cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không đồngđều, trong bê tông vẫn còn lại môt ít nước thừa và những lỗ rỗng li ti.

- Bê tông là loại vật liệu vừa có tính có tính đàn hồi vừa có tính dẻo.

Giải thích: Quá trình khô cứng của BT xảy ra lâu dài đó là quá trình thuỷ hoá ximăng, thay đổi sự cân bằng nước, sự giảm chất keo nhớt, sự tăng mạng tinhthể của đá xi mang Quá trình này làm cho BT trở thành vật liệu vừa có tínhđàn hồi, vừa có tính dẻo

Phân loại BT:

Theo cấu trúc:

- BT đặc chắc;

- BT có lỗ rỗng (dùng ít cát);- BT tổ ong.

Theo khối lượng riêng:

- BT nặng thông thường:  = 2200  2500 KG/ m3

- BT nặng cốt liệu bé:  = 1800  2200 KG/ m3

- BT đặc biệt nặng:  > 2500 KG/ m- BT nhẹ:  < 1800 KG/ m3

Theo thành phần:

- BT thường;- BT cốt liệu bé; - BT chèn đá hộc.

Theo phạm vi sử dụng:

- BT làm kết cấu chịu lực;- BT chịu nóng;

- BT cách nhiệt;

- BT chống xâm thực v.v

Trong chương trình ta xét BT nặng thông thường, đặc chắc, chất kết dính là XM vàdùng cho kết cấu chịu lực.

2.1.2 Cường độ của bê tông:

Cường độ là khả năng chịu lực trên một đơn vị diện tích.BT có các loại cường độ:

+ Cường độ chịu nén (Rb) ; + Cường độ chịu kéo (Rt ).v.v

trong đó Rb là chỉ tiêu cơ bản nhất (trong kết cấu BTCT : BTchủ yếu chịu nén).Các phương pháp xác định cường độ ( hiện nay):

+ Phương pháp phá hoại mẫu thử ( độ chính xác cao).

+ Phương pháp không phá hoại: Sóng siêu âm; súng bắn BT( ép lõm viên bi lênbề mặt BT).

Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén:

33

Tăng lực nén lên từ từ (2KG/cm2 s) đến khi mẫu bị phá hoại P - Lực tương ứng lúcmẫu bị phá hoại Cường độ chịu nén của mẫu thử là:

Rmb =

MPa hoặc KG/ cm2 1Mpa = 106Pa = 106

= 9,81KG/cm2

Các loại BT thông thường có: Rm

b = 5  30 MpaBT cường độ cao: Rm

b > 40 MPa BT đặc biệt: Rm

Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm:

Ảnh hưởng của mặt tiếp xúc:

- Không bôi trơn mặt tiếp xúc: - Bôi trơn mặt tiếp xúc:

b không bôi trơn > Rm

b có bôi trơn)  Tác dụng của cốt đai trong cột;

+ Càng xa mặt tiếp xúc ảnh hưởng của lực ma sát càng giảm (Kích thước mẫu nhỏRm

b tăng và Rbltm  0,8Rm

bkv )  Căn cứ để quy định bước đai cột Ảnh hưởng của tốc độ gia tải: Gia tải rất nhanh: cường độ = (1,15  1,2)R Gia tải rất chậm: cường độ = (0,85  0,9)R

Điều kiện tiêu chuẩn của thí nghiệm:

+ Không bôi trơn mặt tiếp xúc;+ Tốc độ gia tải: 2KG/cm2 s.

Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo:

+ Mẫu kéo:

Rmt = N

A

+ Mẫu chẻ khối lăng trụ:

Rm

t = 2P

 + Mẫu uốn

Rm

t = 3.5 2.

Mb h

Theo kết quả thí nghiệm có

quan hệ giữa cường độ chịu kéo với cường độ chịu nén được thể hiện theođồ thị (như hình vẽ).Từ đó người ta có thể xác định Rbt theo Rb bằng cácbảng lập sẵn hoặc bằng một trong các công thức.

Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông

- Ảnh hưởng của thành phần cấp phối, chất lượng vật liệu, chất lượng thi công.

 Lượng XM nhiều  R cao (hiệu quả không lớn, đồng thời làm tăng biến dạngvà co ngót);

 Cấp phối hợp lý; độ cứng và độ sạch của cốt liệu cao  R cao;

tăng  R giảm

 Chất lượng thi công tốt ( trộn, đổ, đầm, bảo dưỡng tốt)  R cao.

- Ảnh hưởng của thời gian và môi trường.

Thời gian đầu cường độ tăng nhanh, sau chậm dần Sự phát triển cường độ theothời gian phụ thuộc vào loại XM và nhiệt độ, độ ẩm của môi trường.

P

BT dùng XM Pooclăng, chế tạo và bảo dưỡng bình thường thì cường độ tăng

nhanh trong 28 ngày đầu BT dùng XM Puzolan thì thời gian tăng cường độ ban

đầu là 90 ngày Cường độ BT ở tuổi t ngày có thể được xác định theo một số côngthức thực nghiệm tham khảo trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT.

t0 < 0; Khô hanh: Cường độ tăng theo thời gian không đáng kể  b=0,9t0 > 0; độ ẩm lớn: Cường độ tiếp tục tăng trong nhiều năm.

Dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng BT cũng như dùng phụ gia tăng cường độ thì

Rbtăng rất nhanh trong vài ngày đầu, nhưng sẽ làm cho BT giòn và cường độ cuốicùng thấp hơn so với BT được bảo dưỡng bình thường và không dùng phụ giaKhi BT bảo dưỡng bằng hơi nước nóng hoặc dùng phụ gia tăng cường độ phảikể đến hệ số kiện làm việc của bê tông <1.

Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán của bê tông

Cường độ tiêu chuẩn:

Cường độ trung bình của mẫu thử Rm: Từ một loại BT đúc n mẫu thử và thí nghiệmđược: R1 , R2 Rn

R

Cường độ tiêu chuẩn:

Gọi i R iRm là độ lệch, với số lượng mẫu thử n > 15 ta có:

- Độ lệch quân phương:

+  nhỏ => Hệ số đồng nhất của BT cao; +  lớn => Hệ số đồng nhất của BT thấp;Với chất lượng thi công khá tốt  = 0,135

Với chất lượng thi công bình thường mà thiếu số liệu thống kê, lấy  = 0,15

Cường độ đặc trưng: Cường độ theo một xác suất đảm bảo quy định nào đó gọi là

giá trị đặc trưng của cường độ mẫu thử:

Rbnvà Rbtn cho trong các bảng tra.

ường độ tính toán:

Cường độ tính toán gốc:

2.1.3 Cấp độ bền và Mác bê tông

Mác theo cường độ chịu nén:

Theo tiêu chuẩn cũ 5574 – 1991 : Mác theo cường độ chịu nén( ký hiệu bằngchữ M) là trị số lấy bằng cường độ chịu nén trung bình tính theo đơn vị KG/cm2 củacác mẫu thử khối vuông cạnh 15cm , có tuổi 28 ngày được dưỡng hộ và tiến hànhthí nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn.

Có các cấp độ bền: B3,5 ; B5 ; B7,5 ; B10 ; B12,5 ; B15 ; B20 ; B25 ; B30 ; B35 ;B40 ; B45 ; B50 ; B55 ; B60.

Như vậy, mác chịu nén M với cấp độ bền chịu nén B có quan hệ theo biểu thức: B =  M

trong đó:

 - Hệ số chuyển đổi đơn vị từ KG/cm2sang Mpa , có thể lấy  = 0,1 ;

 - Hệ số chuyển đổi cường độ trung bình sang cường độ đặc trưng, với 0,135

Mác theo khối lượng riêng:

Đối với các kết cấu có yêu cầu cách nhiệt cần quy định mác theo khối lượng riêngtrung bình D

2.1.4 Biến dạng của bê tông

Bê tông có các loại biến dạng:

Biến dạng do tải trọng tác dụng

ngắn hạn

- Biến dạng do tác dụng của tải trọng

(Biến dạng lực) Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn

- Biến dạng khối: Là biến dạng do co ngót và do sự thay đổi của nhiệt độ.

- Tỉ lệ

- Làm thay đổi kích thước và hình dạng cấu kiện ;

- Do co ngót không đều hoặc khi co ngót bị cản trở BT sẽ bị nứt làm giảm cường độvà tính chống thấm của BT

* Biện pháp hạn chế và khắc phục hậu quả của co ngót:

- Chọn cấp phối, thành phần cỡ hạt và tính năng cơ học của vật liệu thích hợp ;- Sử dụng loại XM co ngót ít ; chọn tỉ lệ

Biến dạng do sự thay đổi nhiệt độ:

Biến dạng nhiệt là sự thay đổi thể tích của BT khi nhiệt độ thay đổi Nó phụ thuộcvào hệ số dãn nở vì nhiệt của BT t Hệ số t phụ thuộc loại xi măng, cốt liệu ;trạng thái ẩm của bê tông và bằng khoảng t (0,71,5)105/độ

Thông thường khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng 0đến 100oC , lấy t 1,5105/độ để tính toán

+ Đồ thị là một đường cong (a)

+ Gia tải đến trị số P, biến dạng tương ứng   Tương ứng vị trí B(b;b) trênđồ thị rồi giảm tải, quan hệ ƯS – BD là đường cong đứt nét OBC Khi giảm đến P= 0, có: + Một phần biến dạng phục hồi được (1) gọi là biến dạng đàn hồi

+ Một phần biến dạng không phục hồi được2 gọi là biến dạng dẻo Vậy bê tông là vật liệu đàn hồi - dẻo

Biến dạng đàn hồi tỷ đối:

el 1

Đặt

Khi P nhỏ (b nhỏ) :  1 Biến dạng đàn hồi là chủ yếu, quan hệ ứng suất –biến dạng gần như đường thẳng

Khi P tăng ( btăng) :plvà  giảm Ở giai đoạn phá hoại, biến dạng dẻo là chủ

 ltbb

bR 

Với mẫu lăng trụ chịu nén đúng tâm , biến dạng cực hạn 2103

Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn – Tính từ biến của BT :

Từ biến là tính biến dạng tăng theo thời gian trong khi ứng suất không thay đổi.Thí nghiệm nén mẫu với lực P, biến dạng ban đầu  (tương ứng vị trí B(b;b)) rồigiữ nguyên tải trọng trong một thời gian dài có quan hệ ứng suất – biến dạng thểhiện trên H2.8a

Phần biến dạng tăng trong khi ứng suất không thay đổi gọi là biến dạng từ biến, kýhiệu là c

Đồ thị H 2.8b thể hiện sự tăng biến dạng từ biến theo thời gian

Đặc điểm của từ biến:

- Trong vài ba tháng đầu biến dạng từ biến tăng nhanh, sau chậm dần và có thể kéodài vài chục năm

- Khi b 70%R, biến dạng từ biến có giới hạn ( Đồ thị H 2.8b có tiệm cận ngang).- Khi b > 0,85R , biến dạng từ biến tăng không ngừng và dẫn đến phá hoại mẫu

thử Đó là sự giảm cường độ của BT khi tải trọng tác dụng lâu dài.Xác định từ biến:

Từ biến là hiện tượng phức tạp Có thể xác định từ biến theo một trong hai chỉ tiêu:- Đặc trưng từ biến:

  , không thứ nguyên.- Suất từ biến:

- Thép hợp kim thấp: ngoài các bon ra, trong thành phần của nó còn có một lượng

nhỏ các nguyên tố khác như măng gan, crôm, silic, ti tan…nhằm nâng cao cườngđộ và cải thiện một số tính chất khác của cốt thép.

Phân theo phương pháp chế tạo:

- Cốt cán nóng: Là cốt được chế tạo bằng cách nung chảy phôi thép rồi cán qua các

khuôn có hình dạng và kích thước đính trước.

d  10 : dạng thanh, l = 11,7m Thông thường

d < 10 : dạng cuộn 500KG

- Thép được gia công nhiệt ( tôi): => Rs 

Nung cốt thép đến nhiệt độ 9500C trong khoảng một phút rồi tôi nhanh vào nướchoặc dầu, sau đó nung lại đến 4000C và làm nguội từ từ để giữ cho cốt thép có độdẻo cần thiết.

- Cốt thép được gia công nguội (kéo, dập):

Cốt thép kéo nguội được chế tạo bằng cách kéo các cốt thép với ƯS vượt quá giớihạn chảy của nó : s(D)s(A) => Rs ; s*

Dây thép kéo nguội( thường d =38mm) còn có thể được chuốt qua các khuôn cóđường kính nhỏ dần để nâng cao cường độ hơn nữa

+ Cốt tròn trơn: tính diện tích tiết diện dựa trênđường kính thanh thép ;

+ Cốt có gờ: qui định đường kính danh nghĩa đểtính diện tích tiết diện.

Ví dụ 20 => ddanh nghiã =20mm ; As =3,14cm2

2.2.2 Một số tính chất cơ bản của cốt thép:Tính chất cơ học:

Thí nghiệm kéo nhiều mẫu thép các loại, thể hiệnquan hệ ứng suất - biến dạng trên cùng một đồ thị tanhận thấy:

- Mọi loại cốt thép đều có: giai đoạn biến dạng đàn hồi tương ứng đoạn thẳng trênđồ thị và giai đoạn biến dạng dẻo (tương ứng với đoạn cong đối với thép rắn hoặcđoạn ngang và cong đối với thép dẻo).

- Tính chất cơ học của cốt thép phụ thuộc vào thành phần hóa học và công nghệchế tạo.

Các loại giới hạn ứng suất:

- Giới hạn bền(B): lấy bằng ứng suất lớn nhất mà mẫu chịu được trước khi bị kéođứt;

- Giới hạn đàn hồi(el): lấy bằng ứng suất ở cuối giai đoạn đàn hồi;- Giới hạn chảy(y): lấy bằng giá trị ứng suất ở đầu giai đoạn chảy

Đối với thép cường độ cao, không có giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy rõ ràng, quyước giới hạn đàn hồi quy ước(el) lấy bằng giá trị ứng suất ứng với biến dạng dưtỷ đối là 0,02% ; giới hạn chảy quy ước(y) lấy bằng giá trị ứng suất ứng với biếndạng dư tỷ đối 0,2%.

Phân biệt cốt thép dẻo và cốt thép rắn:

- Cốt thép dẻo là loại cốt thép có thềm chảy rõ ràng hoặc có vùng biến dạng dẻo rộng,

thường thuộc loại này (quan hệ ứng suất – biến dạng là đồ thị đường 5,6).

Cường độ của cốt thép:

Cường độ tiêu chuẩn (Giá trị tiêu chuẩn về cường độ) Rsn(Mpa):

Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép được lấy bằng giới hạn chảy (thực tế hoặc quyước) với xác suất đảm bảo 95%

R m(1 S)

sn  trong đó:

+ my

 - Giá trị trung bình của giới hạn chảy ;

+  - Hệ số biến động Với cốt thép được sản xuất từ các phôi đạt tiêu chuẩn,trong các nhà máy có công nghệ hiện đại và được kiểm tra chặt chẽ thì độ đồngnhất của thép cao,  = 0,050,08.

+ S = 1,64 ứng với xác suất bảo đảm 95%.

Cường độ tính toán :

- Khi tính theo TTGH thứ nhất: cường độ chịu kéo tính toán Rs (MPa):

0,2%B'

 - Hệ số điều kiện làm việc của cốt thép ( i= 1, 2, ,9), kể đến sự mỏi do chịutải trọng trùng lặp, sự phân bố ứng suất không đều, cường độ của BT baoquanh cốt thép

Cường độ tính toán gốc là giá trị cường độ tính toán chưa kể đến các hệ số điềukiện làm việc si Cường độ tính toán gốc về nén của cốt thép Rsc được chotrong tiêu chuẩn cùng với Rs

- Khi tính toán theo TTGH thứ hai: cường độ chịu kéo của cốt thép ký hiệu là Rs,ser

được xác định với các hệ số độ tin cậy và hệ số điều kiện làm việc đều bằng 1(trừ trường hợp đặc biệt khi tính kết cấu chịu tải trọng trùng lặp)

Mô đun đàn hồi của cốt thép Es (Mpa):

Es = tg Giá trị của Es trong khoảng 180 000  210 000 Mpa tuỳ thuộc vào loạithép và được cho trong PL7 (giáo trình).

Một số tính chất khác của cốt thép:

Tính hàn được:

Tính hàn được của cốt thép biểu thị sự đảm bảo liên kết chắc chắn khi hàn nối;không có vết nứt, không có khuyết tật của kim loại ở mối hàn và xung quanh.

Tính hàn được phụ thuộc thành phần của thép và cách chế tạo

Các loại thép có tính hàn được khá tốt là các thép cán nóng chứa ít các bon và cácthép hợp kim thấp.

Chú ý : Không nối hàn các cốt thép đã qua gia công nguội hoặc gia công nhiệt vì

nhiệt độ cao ở mối hàn làm giảm cường độ của thép.

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

ở t0cao => cấu trúc KL R ;s Es Sau khi nguội, cường độ được phục hồinhưng không hoàn toàn.

ở t0< -300C, một số CT cán nóng trở nên giòn (hiện tượng giòn nguội).

Dây thép cường độ cao và thép gia công nhiệt giòn nguội ở nhiệt độ thấp hơn sovới thép cán nóng

Hệ số giãn nở vì nhiệt của CT : 1105/

Phân nhóm cốt thép

Theo tiêu chuẩn Việt Nam

Theo tính chất cơ học TCVN 1651 – 1985 phân thành 4 nhóm CI, CII, CIII, CIV cócác đặc trưng trong bảng:

6 - 4010 - 40 6 - 4010 - 40

220 300 400 600

380 500 600 900

25 19 14 6

21104

211044

1020 20 104

Theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ

- Cốt thép cán nóng tròn trơn : nhóm A-I

- Cốt thép cán nóng có gờ : nhóm A-II ; A-III ; A-IV ; A-V ; AVI.- Cốt thép gia công nhiệt :AT-IIIC ; AT-IV ; AT-V ; AT-VI ; AT-VII.- Sợi thép kéo nguội loại thường Bp I.

- Sợi thép kéo nguôị cường độ cao BII (tròn trơn) ; BpII (có gờ).- Thép cáp loại 7 sợi : K7 ; loại 19 sợi K19.

Theo tiêu chuẩn một số nước khác

Theo tiêu chuẩn Trung Quốc : Chia CT theo các cấp : I ; II ; III ; IV và các loại sợikéo nguội

Theo tiêu chuẩn Pháp : Phân nhóm CT theo giới hạn chảy : FeE230 ; FeE400;FeE500

Chú ý : Để nhận dạng các nhóm CT, ngoài cách dùng hình thức gờ trên bề mặtngười ta còn đánh dấu đầu mút CT bằng sơn các màu khác nhau Một số hãng sảnxuất còn ghi ký hiệu của hãng trên bề mặt các thanh thép.

2.3 Bê tông cốt thép

2.3.1 Lực dính giữa bê tông và cốt thép

Lực dính giữa BT và CT là nhân tố cơ bản đảm bảo sự làm việc chung giữa BT vàCT Nhờ lực dính mà ứng lực có thể truyền qua lại giữa BT và CT, đồng thời làmcho chúng cùng nhau biến dạng.

 trong đó  - là đường kính CT.

Cường độ lực dính lớn nhất max

 trong đó  < 1 được gọi là hệ số hoànchỉnh biểu đồ lực dính.