BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ CHẤT LƯỢNG CAO

GS.TS.PHẠM DUY HỮU (Chủ biên) PGS.TS NGUYỄN NGỌC LONG TS ĐÀO VĂN ĐÔNG THS PHẠM DUY ANH sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ CHẤT LƯỢNG CAO HÀ NỘI, 2008 MỤC LỤC sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Trang Mục lục …………………………………………………………… Lời nói đầu…………………………………………………………… Chương Các khái quát bê tông cường độ cao chất lượng cao ………………… Về bê tông cường độ cao bê tông chất lượng cao……………… Định nghĩa bê tông cường độ cao………………………… ……… Phân loại bê tông cường độ cao…………….……………………… Chương Cấu trúc bê tông cường độ cao chất lượng cao .….……………………… Mở đầu… ………………………………………………………… 9 Nguyên tắc phối hợp công thức thành phần ………… ……… 10 Cấu trúc vữa xi măng.………………………………………… Cấu trúc bê tông cường độ cao.……… …………………… 16 Các kết thực nghiệm cải tiến cấu trúc bê tông …………… 16 Chương Các tính chất bê tơng cường độ cao chất lượng 18 cao .……………… 18 Mở đầu… ………………………………………………………… 18 Cường độ chịu nén bê tông cường độ cao ……………… ……… 26 Mô đun đàn hồi tĩnh.……………………………….……………… 29 Mô đun đàn hồi động……… …………… ……………………… 29 Hệ số Poisson………………………………………………………… 30 Cường độ mỏi……………………………………………………… 29 Khối lượng đơn vị………………………….……………………… Các đặc tính nhiệt…….………………………………………… 30 Co ngót.…………………………………………………………… 30 10 Từ biến …………………………………………………………… 34 11 Sự dính kết với thép thụ động……………………………………… 41 12 Các tính chất khác………………………………………………… 42 13 Mơ hình hố để áp dụng cho người thiết kế kết 42 cấu…………… 45 14 Tính cơng tác …………………………………… 47 15 Bê tông giai đoạn mềm 48 16 Sự tỏa nhiệt đông kết Chương Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao chất lượng 49 49 cao …………… 50 53 62 76 76 77 82 82 82 88 89 92 96 96 97 100 100 101 103 sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Mở đầu…………………………………………………………… Các yêu cầu thiết kế bê tông chất lượng cao liệu …………… Lựa chọn vật liệu Thiết kế hỗn hợp bê tông HPC ……………………………… Kết thiết kế Kiểm tra chất lượng bê tông Thiết kế thành phần bê tơng CĐC với thí nghiệm vữa lỏng Chương Độ bền bê tông CĐC CLC ………… Mở đầu…………………….……………………………………… Tính thấm tính lọc ……………… ……… Phản ứng cacbonat hóa…… ………… ……………… Độ thấm Clo Thử nghiệm độ thấm Clo bê tông chất lượng cao 60, 80MPa từ vật liệu Việt nam (Đại học GTVT) Chương Nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ cao chất lượng cao .…………… Một số đặc tính cải tiến bê tơng CĐC chất lượng cao… Tổng quát ứng dụng bê tông cường độ cao chất lượng cao…… Lợi ích bê tơng HPC- tăng khả chiu lực tuổi thọ khai thác kết cấu xây dựng… .…… Các thiết kế hiệu mặt chi phí… .… Các đặc tính vật liệu ……………………… Các ứng dụng bê tông chất lượng cao……………………………… Nghiên cứu lựa chọn mặt cắt ngang hợp lý cầu sử dụng bê tông HPC Việt Nam Chương Bê tông cốt sợi cường độ cao Lịch sử phát triển Đặc điểm chung cốt sợi Tỷ lệ hỗn hợp – công thức composit Công nghệ chế tạo Các đặc tính học cốt sợi Đánh giá đặc tính bê tơng tăng cứng thép sợi 114 124 124 124 128 130 130 136 137 140 142 Bê tông nhiều sợi composits Tài liệu tham khảo…………………………………………….……… Phụ lục… ……… .……………………………………………… sp ot c om Viện khoa học công nghệ xây dựng giao thông Trường đại học GTVT Huuphamduy@gmail.com sh ar e by de th i-n uc e bl og LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần bê tông cường độ cao chất lượng cao sử dụng cơng trình xây dựng cầu, đường, nhà cơng trình thuỷ có quy mơ lớn u cầu độ bền khai thác đến 100 năm Cuốn sách giới thiệu kết nghiên cứu Việt Nam giới bê tông cường độ cao chất lượng cao Cuốn giáo trình trình bày định nghĩa, cấu trúc, cường độ, biến dạng, độ bền, phương pháp thiết kế, khả ứng dụng bê tông cường độ cao, bê tông chất lượng cao bê tông cốt sợi xây dựng Sách dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư xây dựng cán nghiên cứu Giáo trình gồm chương nhóm tác giả trường đại học GTVT biên soạn GS.TS Phạm Duy Hữu - Chủ biên viết chương 1, 2, 4,5 PGS.TS Nguyễn Ngọc Long viết chương TS Đào Văn Đông viết chương ThS Phạm Duy Anh viết chương Các tác giả xin cảm ơn đóng góp ý kiến quý báu chuyên gia xây dựng giao thơng q trình biên soạn sách Xin đặc biệt cảm ơn Trường cầu đường Paris Trường đại học Tokyo cung cấp nhiều cho nhiều tài liệu quý báu bê tông tiên tiến Cuốn sách viết lần đầu mong nhận ý kiến đóng góp người đọc Các tác giả om Chương CÁC KHÁI QUÁT VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ CHẤT LƯỢNG CAO Các từ khóa: Bê tơng cường độ cao, chất lượng cao, cấu trúc, cường độ, độ bền, ứng xử học, ứng dụng, phát triển sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c Về bê tông cường độ cao chất lượng cao Bê tông loại vật liệu chủ yếu kỷ 20 chế tạo từ hỗn hợp vật liệu lựa chọn hợp lý gồm thành phần: Cốt liệu lớn (đá dăm sỏi), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính (ximăng…), nước phụ gia Cát đá dăm thành phần vật liệu khống, đóng vai trò khung chịu lực Hỗn hợp xi măng nước (hồ ximăng) thành phần hoạt tính bê tơng, bao bọc xung quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng cốt liệu hồ xi măng rắn chắc, dính kết cốt liệu thành khối đá gọi bê tông Các chất phụ gia phong phú chúng làm tính chất bê tông trở nên đa dạng đáp ứng yêu cầu ngày phát triển bê tông kết cấu bê tông Ngày bê tông loại vật liệu sử dụng rộng rãi xây dựng, xây dựng cầu, đường Tỷ lệ sử dụng bê tông xây dựng nhà chiếm khoảng 40%, xây dựng cầu đường khoảng 15% tổng khối lượng bê tơng Bê tơng có cường độ chịu nén cao, mô đun đàn hồi phù hợp với kết cấu bê tông cốt thép bê tông cốt thép dự ứng lực Bê tông bền nước ổn định với tác động môi trường Công nghệ bê tông ổn định ngày phát triển Giá thành bê tông hợp lý tận dụng nguyên vật liệu địa phương, kết cấu bê tông chiếm 60% kết cấu xây dựng Nhược điểm bê tơng có cường độ chịu kéo chưa cao khối lượng cơng trình bê tơng cốt thép lớn Cường độ chịu nén bê tông thường đạt tối đa 50 MPa độ sụt tối đa cm sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Con đường phát triển bê tông cải tiến hệ thống cấu trúc, thành phần, công nghệ cách sử dụng phụ gia, chất hỗ trợ công nghệ (bảo dưỡng, trợ bơm ) phương pháp cơng nghệ để tìm bê tơng chất lượng cao Các bê tông chất lượng cao phải đáp ứng yêu cầu cường độ, độ bền, tính dễ đổ tính kinh tế Những tính chất cải tiến làm chất lượng hẳn bê tông truyền thống (cường độ, biến dạng, dễ đổ ) Những tính chất đặc biệt tạo khả sáng tạo kết cấu xây dựng công nghệ xây dựng Tổng quát hệ thống phát triển HPC bao gồm ba phận vật liệu có tính mới, cơng nghệ tạo kết cấu Bê tông chất lượng cao bao gồm loại bê tông sau: - Bê tông cường độ cao siêu dẻo: loại bê tơng có thành phần cốt liệu xi măng truyền thống phụ gia siêu dẻo Loại bê tơng có tỷ lệ N/X khoảng 0,35- 0,40, độ sụt đạt đến 15 - 20 cm, giữ 60 phút Cường độ đạt đến 70 MPa có cường độ sớm (R7 = 0,85R28) Đây loại bê tông sử dụng chủ yếu kết cấu cầu đường Việt Nam - Bê tơng chất lượng cao (HPC): có sử dụng N/X gần đến 0,25, phụ gia siêu mịn tro nhẹ muội silic siêu mịn Đây loại bê tơng có cường độ chịu nén đến 80 100 MPa có đặc tính vật lý học cải tiến dẫn đến độ bền cao tuổi thọ khai thác đến 100 năm - Bê tơng siêu nhẹ: có cường độ tương tự bê tông thường, khối lượng đơn vị thấp đến 0,8 g/cm3 - Bê tông tự đầm: thành phần cốt liệu lớn ít, tăng thêm chất bột sử dụng phụ gia siêu dẻo đặc biệt Bê tơng có khả tự đầm, q trình thi cơng khơng cần sử dụng thiết bị đầm Loại bê tông cho phép thi cơng cơng trình có khối lượng lớn (20.000 m3 trở lên ) khơng cần bố trí mối nối, không cần đầm Sử dụng bê tông tự đầm tiết kiệm nhân công, thời gian không gây ồn - Bê tông cốt sợi: thành phần có thêm sợi (kim loại, polyme, sợi khác) Bê tông cốt sợi cải thiện độ dẻo bê tông, tăng cường khả chống nứt cho bê tông trạng thái mềm trạng thái chịu lực Bê tông HPC phát triển giới từ năm 70 Từ năm 2000 HPC nghiên cứu trường đại học Viện nghiên cứu Việt Nam Định nghĩa bê tông cường độ cao chất lượng cao 2.1 Định nghĩa bê tông chất lượng cao Bê tông chất lượng cao hệ bê tơng có thêm phẩm chất cải thiện thể tiến công nghệ vật liệu kết cấu xây dựng by de th i-n uc e bl og sp ot c om Xét cường độ chịu nén bê tông cường độ cao.(High Strength concrete), xét tổng thể tính gọi bê tơng chất lượng cao Bê tông chất lượng cao gọi tắt theo người Anh HPC (High Performace concretes), theo người Pháp BHP (BET0NS A HAUTE PERORMANCES ) Bê tông cường độ cao (High Strength concrete) loại bê tơng có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày, lớn 60 MPa, với mẫu thử hình trụ có D = 15 cm , H = 30cm Cường độ chịu nén sau 24 ≥ 35 MPa , cường độ chịu nén tuổi 28 ngày ≥ 60 MPa Mẫu thử chế tạo, dưỡng hộ, thử, theo tiêu chuẩn hành Thành phần bê tơng cường độ cao dùng không dùng muội silic dùng kết hợp với tro bay Khi sử dụng muội silic chất lượng bê tông nâng cao Tiêu chuẩn Bắc Mỹ qui định bê tông cường độ cao loại bê tơng có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày ≥ 42 MPa Theo CEB.FIP qui định bê tông chất lượng cao có cường độ nén sau 28 ngày tối thiểu 60 MPa có tính vật lý học cao Ngày trình độ kiến thức loại bê tông cho phép ứng dụng bê tơng chất lượng cao cơng trình lớn, chủ yếu ba lĩnh vực: nhà nhiều tầng, cơng trình biển cơng trình giao thơng (cầu, đường, hầm) Các đặc tính học bê tông cường độ cao cho phép người thiết kế sáng tạo loại kết cấu có chất lượng cao sh ar e 2.2 Các nghiên cứu bê tông cường độ cao chất lượng cao Trong khoảng 15 năm gần sản phẩm bê tơng có cường độ ngày cao hơn, đạt cường độ từ 60 đến 140 MPa Đặc biệt bê tông cường độ siêu cao (Ultra High Strength Concrete) với cường độ lên đến 300MPa (40.000 psi) chế tạo phòng thí nghiệm Bê tơng cường độ cao bắt đầu sử dụng vào thập kỷ 70, loại bê tơng có cường độ chịu nén cao hẳn loại bê tơng trước dùng làm cột số nhà cao tầng Mỹ Các cơng trình ngồi biển từ bê tơng chất lượng cao xây dựng Na Uy Các cơng trình cầu đường Pháp, Nga, Nhật Bản từ bê tông chất lượng cao đạt thành công bật Gần bê tông chất lượng cao sử dụng rộng rãi xây dựng cầu với nhiều đặc tính quan trọng như: cường độ cao, độ bền cao , giúp tạo kết cấu nhịp lớn Hiện nay, bê tông với cường độ 98 đến 112 MPa sản xuất công nghiệp sử dụng ngành công nghiệp xây dựng Mỹ, Nga, Na Uy, sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Pháp Các nước Anh, Đức, Thuỵ Điển, Italia, Nhật Bản, Trung Quốc Việt Nam bắt đầu áp dụng bê tông chất lượng cao xây dựng nhà, cầu, đường, thuỷ lợi Trong năm gần đây, có nhiều chương trình tầm cỡ quốc gia nghiên cứu tính chất học bê tơng HPC nhiều nước giới Trong chương trình nghiên cứu đáng ý gồm có: nghiên cứu Trung tâm khoa học kỹ thuật vật liệu xi măng chất lượng cao (ACBM – Mỹ), Chương trình nghiên cứu đường ôtô (SHRP); Mạng lưới trung tâm chuyên gia CANADA với Chương trình bêtơng tính cao; Hội đồng hồng gia Nauy với chương trình nghiên cứu khoa học cơng nghiệp bê tơng; Chương trình quốc gia Thuỵ Điển HPC; Chương trình quốc gia Pháp tên “Những đường cho bê tông”; Chương trình bêtơng Nhật Bản Các nghiên cứu bê tông chất lượng cao khẳng định việc sử dụng bê tông chất lượng cao cho phép tạo sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khả giải nhiều vấn đề kỹ thuật vừa đảm bảo hai yếu tố sử dụng bê tông chất lượng cao có ưu điểm sau: - Giảm kích thước cấu kiện, kết tăng không gian sử dụng giảm khối lượng bê tông sử dụng, kèm theo rút ngắn thời gian thi công; - Giảm khối lượng thân tĩnh tải phụ thêm làm giảm kích thước móng; - Tăng chiều dài nhịp giảm số lượng dầm với yêu cầu chịu tải; - Giảm số lượng trụ đỡ móng tăng chiều dài nhịp; - Giảm chiều dày bản, giảm chiều cao dầm; Cần tiếp tục nghiên cứu cường độ chịu kéo, cắt biến dạng bê tông chất lượng cao điều kiện khí hậu Việt Nam Phân loại bê tông cường độ cao chất lượng cao Có thể phân loại bê tơng chất lượng cao theo cường độ, thành phần vật liệu chế tạo theo tính dễ đổ 3.1 Phân loại theo cưòng độ nén Căn vào cường độ nén ngày 28 mẫu hình trụ D =15 cm, H=30 cm chịa bê tông thành loại sau: Bảng 1: Phân loại bê tông theo cường độ chịu nén Cường độ nén, MPa 15 ÷ 25 Loại bê tơng Bê tơng truyền thống sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Bê tông thường 30 ÷ 50 Bê tơng cường độ cao 60 ÷ 80 Bê tông cường độ cao 100 ÷ 150 Bê tông truyền thống bê tông thường áp dụng chủ yếu xây dựng cầu đường Việt Nam Bê tông cường độ cao nghiên cứu có đủ điều kiện để phát triển Việt Nam 3.2 Phân loại theo thành phần vật liệu chế tạo - Bê tông cường độ cao không sử dụng muội silic: loại bê tông không sử dụng silic siêu mịn, cần giảm tỷ lệ N/X sử dụng chất siêu dẻo tăng tính cơng tác - Bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic: thành phần có lượng muội silic từ (5 ÷ 15) % so với lượng xi măng chất siêu dẻo - Bê tông chất lượng cao sử dụng tro bay: loại bê tông sử dụng tro bay với liều lượng từ (15 ÷ 30)% so với lượng xi măng để tăng độ bền nước, giảm nhiệt độ bê tông tươi giảm giá thành bê tông - Bê tông chất lượng cao hỗn hợp: để đảm bảo chất lượng bê tông giảm giá thành sử dụng kết hợp tro bay muội silic với liều lượng tối ưu - Bê tông cường độ cao cốt sợi: bê tông cường độ cao có khơng có muội silic có thành phần cốt sợi Cốt sợi kim loại, sợi thủy tinh, sợi carbon loại sợi khác tùy theo yêu cầu tính giá thành Các loại bê tông sử dụng kết cấu khác cho tính khác Tuy nhiên, tính tốn thiết kế kết cấu thiết kế thi cơng có lưu ý khác Trong thực tế quy luật bê tông chất lượng cao thường thành lập sở quy luật bê tông cường độ thấp Vì cần lưu ý sử dụng cơng thức này, cần thiết phải tiến hành thử nghiệm thích hợp với vật liệu phạm vi sử dụng Câu hỏi: Phân biệt bê tông thường bê tông cường độ cao? Các khác biệt bê tông cường độ cao bê tông chất lượng cao? Phạm vi sử dụng loại bê tông trên? om c ot e bl og sp Chương THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO sh ar e by de th i-n uc Mở đầu Bê tông chất lượng cao (HPC) loại bê tông Theo qui ước bê tơng HPC bê tơng có cường độ nén 28 ngày > 60 MPa Bê tông HPC có thành phần hỗn hợp cốt liệu vữa chất kết dính cải thiện cách dùng vài sản phẩm có phẩm chất đặc biệt chất siêu dẻo muội silic khoáng siêu mịn khác Chương trình bày cách tổng quan nguyên tắc phối hợp, logic công thức, cấu trúc bê tông HPC Nguyên tắc phối hợp công thức thành phần Trong thực tế bê tông cần có độ đặc cao, đặc điểm cấu tạo bê tơng Ý kiến vật liệu bê tông cố gắng tái tạo lại khối đá từ loại cốt liệu Độ đặc hỗn hợp tạo nên điều hoà dải cấp phối nó, nghĩa phụ thuộc độ lớn cực đại cực tiểu cốt liệu Kích thước lớn cốt liệu lớn khoảng 20 - 25 mm Các hạt nhỏ đặc tính vật lý bề mặt gây nên vón tụ tự nhiên hạt xi măng Sự vón tụ hạt xi măng chất lượng bê tông cao Từ ý tưởng nghiên cứu sử dụng vài sản phẩm hữu để khôi phục xi măng lơ lửng nước thành phần hạt ban đầu bê tông (bao gồm từ 1- 80 μm) Sau làm cho tinh thể hỗn hợp dài sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Hàm lượng sợi thép 1.5% Phụ gia khí Theo khuyến cáo nhà sản xuất Phụ gia siêu dẻo Theo khuyến cáo nhà sản xuất Độ sụt 5-6 in Công nghệ chế tạo Nhào trộn theo bước tổng hợp sau: Trộn phần sợi cốt liệu trước đổ vào máy trộn; Trộn cốt liệu lớn với cốt liệu nhỏ máy trộn sau cho tiếp sợi trình trộn Cuối cùng, thêm đồng thời ximăng nước ximăng cho vào sau cho nước phụ gia; Thêm lượng sợi với lượng sợi cho vào với thành phần cho vào máy trộn trước Thêm vật liệu chất kết dính lại nước; Tiếp tục trộn theo yêu cầu với kinh nghiệm thực tế bình thường; Đổ bêtơng cốt sợi vào ván khuôn Bêtông cốt sợi cần rung nhiều bêtơng khơng cốt sợi Việc rung phía thực cách cẩn thận chấp nhận, việc đầm rung mặt ván khn bề mặt bêtơng thích hợp ngăn chặn phân tầng cốt sợi Các đặc tính học cốt sợi 5.1 Khả chịu tải trọng gây nứt ban đầu Bêtông tăng cường cốt sợi chịu uốn tham gia vào ứng sử biến dạng tuyến tính gồm phần Hình 7.1 Điểm A biểu đồ tải trọng - độ võng tải trọng gây nứt ban đầu xem cường độ chống nứt ban đầu Thông thường điểm A với mức độ tải trọng gây vết nứt phận khơng tăng cường cốt, đoạn OA biểu đồ tương tự có độ dốc cho bêtơng thường bêtơng cốt sợi Khi đá ximăng bị nứt, tải trọng đặt vào truyền cho cốt sợi cốt sợi đóng vai trò cầu nối hạn chế việc mở rộng vết nứt Do sợi bị biến dạng nên vết nứt nhỏ tiếp tục phát triển vết nứt liên tục đá ximăng tiếp tục diễn tải trọng lớn đạt đến điểm B biểu đồ độ võng tải trọng Trong giai đoạn mát dính bám kéo tuột vài loại sợi xảy Nhưng cường độ đứt hầu hết sợi chưa đạt đến Tải trọng 136 Hình 7.1: Biểu đồ quan hệ tải trọng độ võng bêtông cốt sợi ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Trong nhánh BC biểu đồ độ võng tải trọng, vết nứt đá ximăng kéo tuột sợi tiếp tục diễn Nếu sợi đủ dài trì lực dính với gel xung quanh Chúng bị phá hoại đứt nứt phận sợi tuỳ thuộc vào kích thước khoảng chống sợi sh Hình 7.2: Sợi thuỷ tinh (Viện bêtơng Hoa Kỳ) 5.2 Chiều dài sợi tiêu chuẩn: Thông số chiều dài Nếu lc chiều dài tiêu chuẩn sợi bị đứt không bị kéo tuột vết nứt chia cắt sợi điểm tính gần lc = df 2.vb σ f [7.1] Trong đó: df - đường kính sợi; vb – cường độ dính bám bề mặt; úf – cường độ sợi 137 e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Bentur Mindess phát triển mối quan hệ khả kéo đứt trung bình cường độ dính bám bề mặt với đá ximăng sợi theo chiều dài sợi tiêu chuẩn, chứng minh cường độ vật liệu tăng liên tục theo chiều dài sợi Sự tăng đáng kể khả chịu kéo tuột đạt đến giá trị lớn sau giảm xuống cường độ dính bám tăng vượt giá trị tiêu chuẩn Sự mát khả kéo tuột giảm đến giá trị khoảng l =10 mm hỗn hợp đá ximăng 5.3 Khoảng cách sợi tiêu chuẩn Khoảng cách sợi ảnh hưởng đáng kể đến phát triển vết nứt đá ximăng Khoảng cách gần tải trọng nứt ban đầu đá ximăng cao Điều sợi giảm hệ số nhậy cảm ứng suất hệ số ảnh hưởng đến xuất vết nứt Giải pháp thực Romualdi Batson để tăng cường độ chịu kéo phần vữa cách tăng hệ số nhậy cảm ứng suất thông qua việc giảm khoảng cách sợi giống việc kìm hãm vết nứt Romualdi Batson mô tả ứng suất gây nứt kéo với khoảng cách sợi cho tỷ lệ phần trăm thể tích khác nhau, so sánh giá trị lý thuyết thực nghiệm tỷ lệ tải trọng gây nứt ban đầu cường độ chống nứt bêtông thường (tỷ lệ cường độ) Các tác giả chứng minh khoảng cách sợi gần cường độ cao, cụ thể cường độ chịu kéo bêtông cao, tuỳ thuộc vào tính cơng tác thực tế giới hạn chi phí giá thành Một số nghiên cứu xác định khoảng cách sợi tiến hành Nếu s khoảng cách sợi tính theo cơng thức: sh ar s = 13.8.d f 1.0 [7.2] ρ Trong đó: df - đường kính sợi; ρ - phần trăm sợi; Một công thức khác Mckee đưa ra: s=3 V [7.3] ρ 5.4 Hướng sợi tăng cường Hướng sợi tăng cường liên quan đến tải trọng định tính hiệu mà sợi định hướng cách ngẫu nhiên chống lại sức căng theo hướng Điều đồng nghĩa với đóng góp cốt thép uốn lực cắt thẳng đứng dầm cung cấp để chống lại ứng suất kéo 138 sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om xiên nghiêng Nếu chọn ngẫu nhiên, hệ số hiệu = 0,41l , nhiên dao động 0,33l 0,65l gần với bề mặt vật mẫu trát tay san làm thay đổi hướng thớ sợi 5.5 Tớnh chất học kết cấu bê tông cốt sợi 5.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng Các thuộc tính học bê tông cốt sợi chịu ảnh hưởng số yếu chủ yếu là: Loại sợi, cụ thể chất liệu sợi hỡnh dạng nú; Tỉ lệ cạnh l/df, cụ thể tỉ lệ chiều dài thớ sợi/đường kính; Khối lượng sợi tính theo khối lượng thể tích; Khoảng cỏch cỏc sợi s; Độ bền khối vữa bê tông; Kớch cỡ, hỡnh dạng mẫu Các sợi có ảnh hưởng đến hiệu việc chống lực uốn, cắt, căng trực tiếp lực va chạm nên cần phải đánh giá mẫu kiểm tra liên quan đến thông số 5.5.2 Cường độ chịu nén Tác động tham gia sợi tăng cường độ bền nén bê tông dường không đáng kể Thể Hỡnh 7.3 cỏc mẫu kiểm tra sử dụng cỏc sợi thộp Tuy nhiờn, độ dẻo tăng cường cách đáng kể tăng thể tích tỉ lệ sợi sử dụng Hỡnh 7.4 7.5 Fanella Naaman mô tả xu hướng tương tự với tỉ lệ thể tích lên tới 3% tỉ lệ bề ngồi 47-100 Shah thể ảnh hưởng việc tăng hàm lượng thớ sợi tới độ dẻo liên quan cấu kiện bê tông cốt thép Hỡnh 7.3: Ảnh hưởng tỷ lệ cốt sợi đến cường độ chịu nén 139 với bờtụng 90 MPa uc e bl og sp ot c om Độ dẻo số đo khả hấp thụ lượng thời gian biến dạng Nó ước tính từ diện tích bên đồ thị biến dạng tải trọng Chỉ số độ dẻo (TI) thể Hsu tính theo cơng thức sau: TI = 1,421 RI + 1,035 [7.8] Trong đó: Rf - số cốt thộp = Vf (l/df); Vf - tỉ lệ thể tớch; l/df - hệ số tỷ lệ kích thước sh ar e by de th i-n Hỡnh 7.4: Ảnh hưởng tỉ lệ thể tích sợi thép đến ứng suất kéo bê tụng 9000 psi Hỡnh 7.5: Ảnh hưởng hệ số l/df tới cường độ chịu nén 5.5.3 Cường độ chịu kéo 140 Khi thể tích sợi tăng lên từ 0.25 ÷ 1.25 % cường độ chịu kéo bê tông cốt sợi tăng lên đáng kể sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om 5.5.4 Cường độ chịu uốn Các sợi tăng cường dường tác động đến độ lớn cường độ chịu uốn bê tông Giai đoạn giai đoạn tải trọng gây nứt đồ thị độ vừng tải trọng giai đoạn kiểm soát thứ giai đoạn tải trọng cực hạn Cả tải trọng gây nứt tải trọng chịu uốn cực hạn bị ảnh hưởng chức sản phẩm tập trung thể tích sợi p tỉ lệ bên ngồi l/df Tập trung thớ sợi 0,5% thể tích khối vữa tỉ lệ bên ngồi 50 dường có ảnh hưởng nhỏ đến cường độ chịu uốn chúng có ảnh hưởng đến độ dẻo bê tơng Đối với dầm kết cấu cốt thép với bê tông cốt thép thơng thường bê tơng có thêm sợi, việc thay đổi công thức chuẩn sức chịu mô men danh định Mn= Asfy(d-a/2) phải tiến hành để tính tốn tương tác ma sát cắt thớ sợi để ngăn chặn vết nứt lớn Giả thiết tiêu chuẩn diện tích bê tơng bị bỏ qua vùng kéo sửa đổi để lực chịu kéo cân Tfc thêm vào mặt cắt Điều làm di chuyển trục trung hũa xuống phớa dưới, dẫn đến sức chịu mô men danh định cao Các kết nghiên cứu trường Đại học giao thông vận tải kết cấu dầm bê tông cốt sợi thép cho thấy cường độ chịu kéo uốn tăng lên từ 15-20 % 5.5.5 Độ bền cắt Do sợi phân bố ngẫu nhiên khối vữa tăng cường ứng suất chủ dầm bêtông Williamson cho thấy sử dụng 1,66% sợi thép thẳng thay cho bàn đạp, khả chịu cắt tăng lên 45% Khi sử dụng sợi thép với đầu biến dạng tỉ lệ thể tích 1,1%, khả chịu cắt tăng lên 45-67% dầm bị hỏng uốn Sử dụng sợi đầu uốn cong làm tăng khả chịu cắt gần 100% 5.5.6 Co ngút từ biến Khơng có tiến triển việc làm co ngót từ biến bê tơng xảy cho thêm thớ sợi có lẽ có giảm nhẹ nhu cầu vữa dính hỗn hợp thớ sợi sử dụng Góy nứt co ngút khụ cỏc nhõn tố giới hạn cú thể tăng nhẹ vỡ cỏc vết góy nứt bị hạn chế phỏt sinh ảnh hưởng bắc cầu thớ sợi phân bố ngẫu nhiên 5.5.7 Khả chịu tải trọng động 141 uc e bl og sp ot c om Trạng thái cấu kiện bê tông cốt sợi chịu tải trọng động dường gấp 3-10 lần bê tơng khơng có cốt thép Có thể thấy tổng số lượng hấp thụ dầm bê tơng cốt sợi gấp 40-100 lần so với bê tơng khơng có cốt thép tùy thuộc vào loại hỡnh, hỡnh dạng biến dạn phần trăm thể tích sợi Đánh giá đặc tính bê tông tăng cứng thép sợi 6.1 Biểu đồ độ võng tương ứng với tải trọng Đồ thị độ võng tương ứng với tải trọng khác so với dạng đồ thị có kết từ thí nghiệm dầm bê tơng nói chung có thêm đoạn BC Hàm lượng cốt sợi khác làm cho đoạn BC xuống lên th i-n Hỡnh 7.6: Mối quan hệ ứng suất –biến dạng với biến dạng góy khoảng 0,45in/in sh ar e by de 6.2 Độ bền dai Vùng nằm phía đồ thị độ võng theo tải trọng đại luợng lượng hấp thụ thí nghiệm Đại lượng có tên gọi "độ bền dai" Trong q trình phân tích tăng cứng thép sợi giá trị độ bền dai vấn đề cần quan tâm cho biết đặc tính vết nứt vật liệu gây nên Từ trước đến người ta có thói quen sử dụng để xác định cường độ uốn cho loại vật liệu tăng cứng nhờ thép sợi Đây đại lượng để đo đặc tính vật liệu có vết nứt mà khơng nói lên điều tính chất vết nứt Có thể nhận thấy điều từ kết minh hoạ vết nứt đạt đến tải trọng tất thí nghiệm không bị ảnh hưởng chất lượng hay tỷ lệ thép sợi Do đó, việc đánh giá loại thép sợi tiến hành cách so sánh phần lượng hấp thụ (độ bền dai) bê tông bơm đạt tới độ võng 25mm Bờtụng nhiều sợi composites 142 sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om 7.1 Đặc điểm chung Bê tông cốt sợi thiết kế chứa tối đa 2% sợi, sử dụng thiết kế cấp phối tương tự bố trí bê tông không cốt sợi Hỗn hợp bê tông nhiều cốt sợi chứa từ 8-25% Thiết kế hỗn hợp chất liệu cấu thành vữa giống với thành phần bê tông cốt sợi không cốt sợi dùng cốt liệu nhỏ cát sử dụng hỗn hợp mà khơng có cốt liệu thô để đạt độ bền độ dẻo cao sản phẩm mong đợi Ngoài ra, năm 1980 cho thấy phát triển hỗn hợp bê tơng gọi bê tơng khơng có khuyết tật lớn (MDF) có cường độ chịu uốn mơ đun cao lên đến gần 30.000 psi (~200 Mpa); xi măng DSP có kích cỡ hạt 0,5ỡm 1/20 xi măng pooc lăng Hàm lượng khí hỗn hợp giảm cách thêm puzolan, muội silic với tỉ lệ không đáng kể Với bước tiến triển này, ngày hỗn hợp bêtông cốt sợi composite sau nghiên cứu: Bê tông cốt sợi thấm hồ xi măng (SIFCON) hỗn hợp bê tông chịu lửa (SIFCA) Hệ thống hạt nhỏ kết đặc (DSP) Hỗn hợp composite nộn chặt (CRC) Hỗn hợp gốc xi măng sợi bon Bờ tụng siờu bền (RPC) Những hỗn hợp bêtơng có cường độ nén vượt 44.000 psi (300 Mpa) khả hấp thu lượng, cụ thể độ dẻo lên tới 1000 lần so với bê tơng khơng có cốt thép 7.2 Bê tông cốt sợi thấm hồ xi măng (SIFCON) Do tỉ lệ sợi thộp cao (8-25%), hỗn hợp cấu kiện kết cấu hỡnh thành rải cỏc thớ sợi vỏn khuụn lờn trờn múng Múng chất đầy sợi đến độ cao quy định khn hỡnh thành tồn phần với cỏc sợi, tựy thuộc vào yờu cầu thiết kế Sau sợi đặt lớp vữa xi măng có độ nhớt thấp rót bơm vào lớp móng rónh thớ sợi vỏn khuụn, thõm nhập vào khoảng trống cỏc sợi Tỉ lệ xi măng/tro bay/cát cụ thể thay đổi từ 90/10/0 đến 30/20/50 theo khối lượng Tỉ lệ nước/xi măng (W/C+FA) từ 0,45 đến 0,20 tính theo khối lượng 7.3 Hỗn hợp xi măng MDF DSP 143 sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om Các hạt nhỏ kết đặc (DSP) hỗn hợp bêtông cốt sợi composites nén chặt (CRC) phụ thuộc vào việc thu độ bền siêu cao phần lớn loại xi măng đóng chặt sử dụng cho hỗn hợp gốc xi măng tỉ lệ thích hợp để giảm cách đáng kể loại bỏ hầu hết chỗ trống chất tạo dính 7.4 Hỗn hợp gốc xi măng cốt sợi composite Đường kính chúng thay đổi từ 10-18µm (0,0004-0,0007 in) chiều dài thay đổi từ 1/8 đến 1/2 in (3-12mm) Hỗn hợp có độ bền kéo 60-110 ksi (400-750 MPa) Bởi vỡ chiều dài nhỏ đường kính nhỏ sợi composite nên tỉ lệ theo thể tích 0,5-3% 9.25 Khoảng cỏch cỏc thớ sợi xấp xỉ 0,004 in (0,1mm) tỉ lệ sợi 3% Chức chúng tương tự với chức sợi thép ngăn chặn vết góy nứt to từ lỳc bắt đầu phát triển 7.5 Bờ tụng siờu bền Bê tơng siêu bền có cường độ chịu nén từ 30.000-120.000 psi (200-800 MPa) Loại cường độ chịu nén thấp ngày sử dụng để xây dựng cấu kiện kết cấu Loại cường độ chịu nén cao sử dụng ứng dụng phi kết cấu lát sàn, bảo vệ kho chứa chất thải hạt nhân Những loại gọi bê tơng có độ bền siêu cao có độ dẻo cao cần thiết cho ứng dụng hệ thống kết cấu Đặc điểm loại bê tơng sử dụng bê tơng bột mà cốt liệu cát truyền thống thay thạch anh đất kích cỡ 300ỡm Dưới góc độ này, đồng hỗn hợp cải thiện đáng kể phân bố kích cỡ loại hạt giảm bậc chiều dài Một cải thiện lớn khác thuộc tính bê tông đông cứng tăng giá trị mô đun đàn hồi vữa để giá trị đạt x106 đến 11 x 106 psi (55-75GPa) Richard Cheyrezy phỏt triển đặc tính học sau bê tơng RPC: Nâng cao tính đồng làm cho mô đun đàn hồi tăng lên 11 x106 psi (75Gpa) Tăng mật độ nén khô chất rắn khơ Trong muội silíc với kích thước hạt nhỏ 0,1-0,5 µm hàm lượng hỗn hợp tối ưu 25% ximăng tính theo khối lượng Tăng khối lượng thể tích khơ cách trỡ bờ tụng tươi áp suất giai đoạn đổ thời gian đúc Điều dẫn đến việc loại bỏ bọt khí, nước thải giảm phần hao hụt nhựa thời gian kết thỳc ninh kết 144 Tăng cường kết cấu nhỏ qua bảo dưỡng nóng ngày nhiệt độ 194oF (90oC) để đẩy mạnh hoạt hóa phản ứng puzolan muội silíc dẫn đến thu cường độ chịu nén 30% Tăng độ dẻo cách thêm tỉ lệ thể tớch thớch hợp cỏc thớ sợi thộp nhỏ Bảng 7.5 Thành phần hỗn hợp đặc tính học bê tơng độ bền siêu cao (PRC) bl og sp ot c om Bê tông RPC 800 (3) 1000 500 390 230 18 630 180 490-680 45-102 1200-2000 65-75 sh ar e by de th i-n uc e (1) Xi măng porland, loạiV,kg/m3 Cát mịn (150-400μm), kg/m3 Thạch anh đất (4μm), kg/m3 Muội silíc (18 m2/g), kg/m3 Silíc kết tủa (35m2/g), kg/m3 Chất siêu dẻo, kg/m3 Cốt sợi thép, kg/m3 Tổng lượng nước,m3 Cường độ chịu nén lăng trụ, MPa Cường độ chịu uốn, MPa Năng lượng phá hủy, (J/m2) Mô đun Young, GPa Bê tông RPC 200 (2) 955 1051 229 10 13 191 153 170-230 25-60 15000-40000 54-60 Bảng 7.5 trình bày kết nghiên cứu Richard Cheyrezy đưa tỉ lệ trộn bê tông RPC loại 200 loại 800 Nó liệt kê đặc tính học loại bê tông này, Xi măng kháng sulfate loại V sử dụng tất hỗn hợp Các loại bê tông mô tả phần thể độ bền, dẻo hiệu suất bê tông hỗn hợp gốc bê tơng thu tiếp tục có tính ổn định cao Một kỷ nguyên công nghệ vật liệu xây dựng bắt đầu Nó hứa hẹn cách mạng lĩnh vực mà hệ thống xây dựng lên kỷ 21 145 Các cơng trình lớn cần tiến hành để tăng tính khả thi việc áp dụng vật liệu làm cho chúng có khả sinh lợi cao Chỉ với tính đơn giản tính khả thi ứng dụng thu sản phẩm cuối , bước phát triển khoa học cơng nghệ vật liệu nhận chấp nhận toàn cầu bl og sp ot c om Câu hỏi: Định nghĩa phân loại bê tông cốt sợi? ứng xử cốt sợi bê tông? Bê tông cốt sợi thép? Các compuzit bê tông cốt sợi siêu cường độ? uc e TÀI LIỆU THAM KHẢO sh ar e by de th i-n Tiêu chuẩn Việt Nam 7075-2006 Công nghệ bê tông bê tông đặc biệt-GS.TS Phạm Duy Hữu-2005 Vật liệu mới-GS.TS - Phạm Duy Hữu-2002 Giáo trình vật liệu xây dựng (tái bản)- Phạm Duy Hữu-2005 Sổ tay ACI thực hành bê tông, phần Phạm Duy Hữu N/c bê tông cường độ cao (Đề tài NCKH1999-Bộ GD&ĐT) Phạm Duy Hữu Bê tông HPC từ vật liệu Nam Bộ (Đề tài NCKH 2008-Bộ GD&ĐT) Thiết kế Kiểm sốt hỗn hợp bê tơng, xuất lần thứ 13 Hiệp hội Xi măng Portland Cục Thi công Giao thông Bang Tiêu chuẩn kỹ thuật Vật liệu Hoa Kỳ 10 Procecdings of the internation workshop onself compacting concrete-JSCTOzawoa- Tokyo 11 Procecdings of the cecond international symposium on self compacting concrete-Kazumasa u Masahiro 12 Carrasquilo, Ramon Miller, Richard; " Định tỉ lệ hỗn hợp phần 2" Ghi chép Trưng bày Cầu làm Bê tơng Tính cao SHRP; New Hampshire DOT FHWA, 9/1997 146 sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om 13 Hover, Kenneth: Sổ ghi chép Khoá học Thiết kế Hỗn hợp Xi măng Portland; FHWA 2000 14 AASHTO (2004), AASHTO LRFD - Tiêu chuẩn thiết kế cầu, Xuất lần thứ 3, Hiệp hội Đường cao tốc Hoa kỳ Văn phòng Giao thông tải, Washington, D.C, tr.1450 15 Tadros, M.K., Huo, X., Ma, Z (1999) "Thiết kế kết cấu cầu Bê tơng Tính cao", "Bê tơng Tính cao”: Nghiên cứu để thực hành (SP189), Viện Bê tông Mỹ, Farmington Hill,MI, tr.9-36 16 Stanton, J.F., Barr, P., Eberhard, M.O (1999) "Các tính chất rầm cầu bê tơng tính cao cường độ cao, "Bê tơng tính cao: Nghiên cứu để thực hành" (SP-189), Viện Bê tông Mỹ, Farmington Hills, MI, tr 71-92 17 Shehata, I.A.E.M., Shehata, L.C.D., Garcia, S.L.G (2002), "Tăng cứng tối thiểu rầm bê tông cường độ cao", "Bê tơng cường độ cao”: Tính chất lượng kết cấu bê tông, Hội nghị quốc tế lần thứ 3, PE, Brazil (SP 207), Viện nghiên cứu Bê tông Hoa kỳ, Farmington Hills, MI, tr.279-295 18 Serra, G.G, de-Campos, P.E.F (2002) "Bê tơng Tính cao Đúc sẵn", Bê tơng Tính cao: Hội nghị quốc tế lần thứ 3, PE, Brazil (SP - 207), Viện nghiên cứu Bê tông Hoa kỳ, Farmington Hills, MI, tr.327 - 338 19 Rangan, B.V (2002), "Một số tiêu chuẩn Australia Thiết kế kết cấu Bê tông", "Bê tông: Khoa học Vật liệu ứng dụng, Một dự báo Surendra P Shah(SP-206), Viện nghiên cứu Bê tông Hoa kỳ, Farmington Hills, MI, tr.123 133 20 Ibrahim, H.H.H., MacGregor,J.G (1997), "Sự thay đổi khối ứng suất bê tơng hình chữ nhật theo ACI bê tơng cường độ cao" Tạp chí kết cấu ACI, tập 94, số tr.40 - 48 21 Frosch, R.J (2001), "Kiểm sốt nứt uốn bê tơng tăng cứng", Thiết kế thực hành thi cơng để giảm bớt q trình nứt (SP-204), Viện nghiên cứu Bê tông Hoa kỳ, Farmington Hills, MI, tr.135 - 153 22 Tạp chí cầu HPC, xuất số tháng Văn phòng Đường cao tốc Liên bang Hội đồng cầu bê tông quốc gia phát hành (http://www.cement.org/bridges/br_newsletter.asp) 23 Ghosh, S.K., Azizinamini, A.Stark, M.,và Roller, J.J., "Đặc tính liên kết tăng cứng Bê tơng cường độ cao", Tạp chí Kết cấu ACI, số tháng - 10 nămm 1993 24 Tiêu chuẩn AASHTO 2005: 25 Malier- LES BETONS A HAUTES PERFORMANCES- PARIS-1992 147 sh ar e by de th i-n uc e bl og sp ot c om 26 PGS.TS Phạm Duy Hữu- ThS Nguyễn Long- BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAONXB XD -2004 27 Harry G.Harris and Gajanan M.Sabnis- STRUCTUTAL MODELING AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES – USA-1999 28 Michael Thomas – Durability HPC – Hà Nội 2006 29 Tiêu chuẩn ACI 383R, ACI 318 30 Elkem Materials – Using silica Fume in various concrete structures – Hà Nội 5/3/2008 31 M.S Shetty - Concrete Technology – London 2003 148 PHỤ LỤC Bảng chuyển đổi đơn vị liên quan sh ar e mm m m mm2 m2 m2 N kgf N kgf MPa kPa kPa kg kg kg kg/m kg/m N/m N.m N.m N.m Celsius (C) mm3 mm4 MPa 25,4 0,0254 0,3048 645,2 0,0006452 0,0929 4448,0 453,6 4,448 0,4536 6,895 0,04788 6,895 0,4536 907,2 1.000 1488 1,488 14,593 0,1130 1,356 1356 tc=(tF - 32)/1,8 16.387 416.231 0,006895 sp ot c om Hệ số chuyển đổi bl e uc i-n th de by inch(in ) inch(in ) foot (ft) square inch(sq.in.) square inch(sq.in.) square foot (sq.ft.) kip kip pound (lb) pound(lb) kip/ square inch(ksi) pound/ square foot (psf) pound/ square inch(psi) pound ton(200lb) tonne(t) kip/ linear foot(klf) pound/ linear foot(plf) pound/ linear foot(plf) inch – pound (in.-lb) foot-pound(ft.-lb) foot – kip (ft.- k) degree(deg F) Section modulus(in.3) Moment of innertia(in.4) Modulus of elasticity (psi) Sang hệ SI (hệ mét) og Chuyển từ hệ inch- pound 149 150 ar sh e by om c ot sp og bl e uc i-n th de