BÊ TỐNG CỐT SỢI THÉP

PGS TS NGUYỄN VIẾT TRUNG (Chủ biên) TS NGUYỄN NGỌC LONG - ThS PHẠM DUY ANH BÊ TỐNG CÓT SỢI THÉP (Tái bản) NHÀ XUẤT BẢN XẢY DỰNG HÀ NỘI-2010 M Ở ĐẦU Trong điều kiện công nghệ, vật liệu xây dựng điều kiện môi trường Việ! Nam nhiều cơng trình phận kết cấu phát sinh vết nứt Ìgay giai đoạn thi công sau thời gian sử dụng ngắn Nhi có nhu cầu quan trọng phịng tránh xử lí dạng vết nứt :>hát sinh q trình thi cơng khai thác cơng trình bê tơng cốt thép Có nhiều ngun nhân gây vết nứt cấu kiện bê tông cường độ chịu kéo bê tơng, co ngót, từ biến vị trí dặc biệt trorni kết cấu chịu ứng suất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thôrg thường khơng đủ khả chịu lực, ví dụ mặt cầu bê tônị cốt thép, ụ n eo cáp cầu dây văng; mối nối quan trọng đốt iầm cầu ứng dụng công nghệ đúc hẫng lắp hẫng Pể giải quỵct vân đề này, người ta sử dụng nhiều biện pháp cãní; kéo cốt thép dự ứng lực, dùng chất phụ gia chống co ngót, hay bố trí cíc loại cốt thép đặc biệt vị trí cần thiết , nhiên giải pháp khơng phải trường hợp phát huy tác dụng Bên cạnh đo nhà khoa học cịn tìm giải pháp để tăng cường khả chu lực cua be tong thông qua việc thay đổi số tính chất vật liệu cho thêm vào bê tông số cốt liệu muội silic, loại sợ i Trong giải pháp trên, giải pháp tăng cường bê tông vật liệu dạn ' sợi ý tường nhà nghiên cứu quan tâm giới Riêig ngành xây dựng dân dụng nói chung hay ngành xây dựng cầu đưcng nói riêng Việt Nam vấn đề mẻ íợi dùng đế gia cường bê tơng có nhiểu loại sợi thép, sợi cacton, sợi thuỷ tinh, sợi chất dẻo, sợi thực vật sợi thép chọi lựa hợp lí giá thành rẻ so với sợi cacbon, sợi thuỷ tinh khảnãng chịu lực lớn so với sợi chất dẻo, sợi thực vật pên cạnh đó, bê tơng thép hai loại vật liệu ứng dụng rộm rãi, khả làm việc chung với chúng hợp lí nghẽn cứu đầy đủ Sợi thép thay phần cốt thép trorg kết cấu bê tông cốt thép đem lại số tính chất ưu việt Cuốn sách giới thiệu bê tông cốt sợi thép dạng bê tơng cốt sợi có triển vọn> áp dụng rộng rãi Chương CẤU TẠO CHUNG CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI Việc dùng sợi để tăng cường khả nãng chịu lực cho bê tông xi măng ý tướng đề từ lâu Bê tông cốt sợi bắt đầu nghiên cứu từ đầu năm 1960 Ngàv nav dạng kết cấu như: dầm, bản, vỏ bê tông xi măng bê tơng cốt thép có gia cường sợi thép nhỏ, sợi polyme, sợi thủy tinh bền kiềm, sợi cacbon, sợi gỗ, sợi thực vật nghiên cứu sử dụng rộng rãi giới bước đầu quan tâm nước ta 1.1 CÁC ÚNG DỤNG CỦA BÊ TÔNG C ốT SỢI THÉP Mặc dù có nhiều ưu điểm số trường hợp, bê tông cốt sợi thép thay hồn tồn bé tơng cốt thép thường, ví dụ trường hợp chịu ứng suất kéo lớn Bé tông cốt sợi thép thay bê tông cốt thép dự ứng lực lại kết hợp để tạo thành kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực pha sợi thép với tính nãng chịu lực đặc biệt Việc sử dụng cốt thép sợi làm cải bê tông Trong trường hợp có chế sử dụng cốt thép cóng tơng phun làm vỏ hầm, vỏ tầu thuỷ), bê pháp hợp lý thiện đáng kể đặc tính chịu lực vêu cầu riêng độ ổn định, hạn trình cần phải gia cường (ví dụ bê tơng cốt sợi thép giải Những ưu điểm khác bê tỏng cốt sợi thép: + Giảm biến dạng từ biến biến dạng co ngót + Tăng khả chống cắt + Cải thiện vấn đề nứt Ngồi ra, bè tơng cốt sợi thép chọn lựa hợp lí ứng dụng cho cấu kiện chịu lực tập trung lớn Cộng hồ Liên bang Đức nước có nhiều dự án sử dụng bê tông cốt sợi thép từ năm 1989 (đã sản xuất sử dụng 1.000 - 1.200 bê tông cốt sợi thép) Cho đến nay, Đức nước sản xuất sử dụng phần lớn loại vật liệu Với số lượng lớn cơng trình nghiên cứu dự án xây dựng, nước thuộc Scandinavia Na Uy, Thụy Điển nước tiên phong việc sử dụng loại vật liệu này, đồng thời giữ vai trò quan trọng lĩnh vực Bê tông cốt sợi thép sử dụng nước Tây Âu từ cuối năm 70 Tuy nhiên, Mỹ Nhật Bản nước tiên phong việc sử dụng rộng rãi loại bê tông 1.1.1 Tổng quan sử dụng bê tơng cốt sợi thép ngành cơng trình 1.1.1.1 Kết câu cấu kiện đúc sẵn Bê tông cốt sợi thép giải pháp hợp lý nhiều dạng kết cấu Có thể ứng dụng hai loại vật liệu: + Gia cường bê tông sợi thép; + Gia cường bê tông kết hơp sợi thép cốt thép Cho dù dùng loại vật liệu kết đạt khả quan Và việc ứng dụng cốt sợi thép để gia cường bê tông đưa giải pháp cho nhiều trường hợp + Có tải trọng gây uốn diện tích không lớn; + Những chỗ phân bố co ngót bố trí cốt thép Bê tơng cốt sợi thép ứng dụng để sản xuất nhiều dạng cấu kiện : + Cấu kiện đúc sẵn + Ống đúc sẵn + Vỏ garage + Tường bê tịng đúc sẵn Sử dụng bê tơng cốt sợi thép cho cấu kiện dẫn đến việc giảm đáng kể cốt thép, đồng thời đáp ứng đủ yêu cầu gia cường cấu kiện chịu ứng suất lớn Các cấu kiện đúc xưởng, tránh ảnh hưởng thời tiết, với giám sát chặt chẽ trình sản xuất nên tạo khả sử dụng lý tưởng bê tông cốt sợi thép Những ưu điểm bê tông cốt sợi thép đặc biệt phù hợp với việc sản xuất mỏng, cấu kiện nhỏ vừa úng dụng bê tông cốt sợi thép làm giảm kích thước cấu kiện dẫn đến giảm khối lượng cấu kiện Bê tơng cốt sợi thép có cường độ sớm lớn nên phù hợp với trình sản xuất hàng loạt Bê tơng cốt sợi thép có khả chống cắt lớn nên giảm thâm chí loại bỏ cốt xiên cấu kiện không chịu lực lớn Gia cường cốt sợi thép bê tông làm tăng độ bền bê tơng cốt sợi thép Giảm co ngót giảm nứt đáng kể nên bảo vệ cốt thép tốt chịu tác động điều kiện môi trường Giảm thép vùng chịu trọng tải tập trung dẫn đến tiết kiệm thời gian tiền bạc cho kết cấu cốt thép phức tạp 1.1.1.2 Kết cấu mặt dường sàn công nghiệp Khi sử dụng bê tông cốt sợi thép cho loại kết cấu này, cốt thép thông thường cần thiết khoảng cách dầm lớn hay sàn chịu ứng suất lớn Khi sử dụng bê tông cốt sợi thép đặt lưới cốt thép nên giảm thiểu chiều dày lớp bê tơng bảo vệ, dẫn đến chiểu dày giảm đáng kể so với kết cấu bê tông cốt thép thường Sử dụng bê tơng cốt sợi thép độ dày trung bình sàn từ 15 - 25 cm Với diện tích sử dụng lớn, chịu tác động tải trọng lớn ứng dụng rộng rãi để làm sàn cho bãi chứa hàng, bãi chứa Container hạng nặng có sử dụng loại xe vận chuyển cần cẩu hạng nặng Để giảm tượng nứt sàn gây thay đổi thời tiết chẳng hạn phải dùng lượng tương đối lớn cốt thép, sử dụng bê tông cốt sợi thép vấn đề giải ổn thoả Với đặc tính học đặc biệt: độ nhám, khả chống va chạm khả chống ăn mịn bề mặt, bê tơng cốt sợi thép đưa giải pháp thực tế so với bê tông cốt thép Khả chống va chạm, chống ăn mòn bề mặt khai thác việc thi công, xâv dựng sàn bê tông Mặc dù chịu tác động nhiệt độ, biến dạng co ngót tải trọng phương tiện vận tải lớn, sàn bê tơng có sử dụng bê tơng cốt sợi thép số cơng trình khóng xuất hiện tượng nứt sau khoảng gần năm sử dụng Bê tông cốt sợi thép có nhiều ưu điểm để bảo vệ cạnh tám sàn có tải trọng tập trung, sàn làm bê tống nứt trường họp nàv 1.1.1.3 M óng chịu tác dụng tải trọng động Trong hầu hết vật liệu xây dựng khả nãn^ chịu tải trọng động nhỏ khả chịu tĩnh tải Với khả chống va chạm đặc tính biến dạng cao, bê tơng cốt sợi thép có nhiều ưu điểm sử dụng để thi cơng móng chịu tác động tải trọng động 1.1.1.4 Đường ống bê tông cốt sợi thép - Từ năm 70, đường ống có đường kính 1000 - 1500 mm sản xuất hàng loạt Hungary Gia cường sợi thép giảm vết nứt sinh ảnh hưởng nhiệt độ co ngót - Các ưu điểm bê tỏng cốt sợi thép khai thác, sứ dụng là: + Cường độ sớm cao; + Cải thiện khả nãng chịu uốn; + Không cần sử dụng cốt thép; + Giảm lỗi chế tạo - Khả nãng chống phá hoại bề mặt độ bền kéo bê tông cốt sợi thép dùng để sửa chữa bảo dưỡng kết cấu 1.1.1.5 Ôn định mái dốc Như biết, sử dụng tường chắn xây dựn? đá thời gian lâu dài, tác động môi trường điều kiện tự nhiên dẫn đến tượng phong hóa Vấn đề đặt tường chắn phải ổn định bền vững trường hợp chịu tác động môi trường đòi hỏi phải sử dụng loại vật liệu có khả chịu lực hợp lí đồng thời phải có độ cao Chính lí đó, bê tơng cốt sợi thép dùng cho ổn định mái dốc chứng minh giải pháp khả thi kỹ thuật lẫn kinh tế Khi ứng dụng bê tông cốt sợi thép cho loại kết cấu này, người ta thấy bê tông cốt sợi thép thực thuận lợi cho địa hình thi cơng Ngồi ra, bê tơng cốt sợi thép cịn làm cho tâng độ dính bám, liên kết bê tông đá - Khả nãng chống va chạm chống phá huỷ bề mặt cao làm cho bê tông cốt sợi thép đặc biệt phù hợp để bảo vệ đá khỏi ảnh hưởng nước mưa, lũ đồng thời tãng tính liền khối giảm phong hoá đá 1.1.2 Dùng bê tông cốt sợi thép việc sửa chữa gia cơng trình Mọi cồng trình chịu tác động điều kiện môi trường tác nhân bên : - Tác động học tự nhiên - Tuổi thọ cơng trình - Điểu kiện mơi trường - Điều kiện sử dụng thay đổi dẫn đến thay đổi tải trọng cơng trình Do đó, cơng trình bị phá hoại hư hỏng Những tác động nàv cần phải dược tính tốn dự đốn nhằm có biện pháp tâng cường sửa chữa hợp lí Bê tơng cốt sợi thép đặc biệt phù hợp cho công việc tu sửa chữa cóng trình Có thể ứng dụng hai dạng: ^ - Bê tơng phun - Bê lỏng thịng thường lỉê tơng phun sử dụng cốt sợi có ưu điểm chất lượng, tiết kiệm nguyên liệu, đảm bảo tốc độ cao, dẻ dàng an tồn thi cơng Đồng thời bơ tồng cốt sợi thép dùng kết hợp với bê tông cốt thép thông thường để tu, sửa chữa trường hợp cần thiết Bên cạnh đó, sử dụng cốt sợi thép nên loại vật liệu vừa mạng tính chất bê tơng cốt thép thơng thườns, tức vật liệu có cốt, đồng thời lại cổ lính chất đặc biệt dễ dàng sử dụng trình tu sửa chữa giúp cho công việc nàv thi cơng đơn giản Với lí đó, việc ứng dụng bẽ tông cốt sợi thép tu sửa chữa giúp cho chất lượng cống trình đảm bảo, giá thành cơng trình hạ (do biện pháp thi công đơn giản nhiều) 1.2 CÁC LOẠI SƠI 1.2.1 Sợi thép Sợi thép sản xuất từ thép cacbon hay thép không gỉ, cường độ chịu kéo khoảng 345 - 1380 MPa môđun đàn hồi khoảng 200 GPa, tiết diện sợi thép trịn, vng, chiều dài sợi thép thường nhỏ hem 75mm Ti sơ' chiều dài sơi đườníỉ kính sợi từ 30 -100 thường hay sử dụng để gia cường cho bê tông xi mãns Sợi thép nhỏ hạn chế tính giịn gia tăng tính dẻo dai bê tông xi măng sử dụng để sản xuất sàn phẳng cho sân bã lớp mặt đường hầm Một sô loại sợi thép sử dụng giới Hình dạng sợi m ZZZI Công nghê chế tạo Công ty sản xuất Tên sợi Cán hay dập máy Treíiỉ ARBED Wirex Eurosteei Cắt bào từ phôi thép Australien Wire Fibresteel Cán hay dập máy Bekaert Dramix Cán hay dập máy National-standard Duoíomi Cán hay nghiền máy Harex Stahlíasertechnik Harex Cán hay dập máy Stax Cắt xoắn máy National-standard Melt-extracted Cán hay dập máy Thibo ! Cắt bào từ phôi thép ƯS - Steel Steel sheet fibres Đầu tiên nhà khoa học dùng sợi thép nhỏ thẳng để tăng khả chịu uốn chống nứt cho bê tông Shah Rangan nghiên cứu bê tông sợi thép nhỏ với đường kính 0,25 075 mm, để chế tạo cấp phối hỗn hợp bê tông dẻo Lượng sợi sử dụng tỷ lệ chiều dài đường kính sợi sợi thép thẳng yếu tố để thí nghiệm kiểm tra tính chất bê tơng cốt sợi thép Khối lượng sợi thép dùng khoảng từ 90 - 120 kg/nr’ bê tông Với mật độ sợi cao, khó khàn gặp phải sợi cuộn lại thành cục trình trộn, dùng sợi dài Việc sử dụng sợi thép làm cho độ dẻo hỗn hợp bê tông giảm Khuynh hướng ảnh hưởng đến chất lượng bê tông, đặc biệt, với số lượng cao Để khắc phục tượng Ramakrishman cộng ông (iã dùng loại phụ gia dẻo giảm nước cho với lượng nhỏ để điều chỉnh tính dẻo hỗn hợp bê tông 10 1.2.2 Sợi thuỷ tinh Sợi thủy tinh sử dụng chủ yếu để sản xuất bê tông phẳng cốt sợi Những loại sợi thủy tinh E sử dụng bê tông bị phân hủy mơi trường kiềm xi măng pclăng Chính vậy, loại sợi thủy tinh bền kiềm sản xuất để thay có sợi thủy tinh E bê tông cốt sợi thủy tinh 1.2.3 Sợi tổng hợp polyme Sợi tổng hợp polyme sản xuất từ sản phẩm cống nghệ dầu mỏ công nghệ dệt Những loại sợi polyme sử dụng với vật liệu xi mãng gồm: acrylic, aramid, nylon, polyester, polyethylen polypropylen Chúng có cường độ chịu kéo cao, hầu hết sợi có mơđun đàn hồi thấp Đường kính sợi nhỏ nên tỉ số chiều dài đường kính sợi cao, vậy, chúng có ích gia cường bê tông Những thuận lợi loại sợi polyme khả bền môi trường kiềm xi măng Tuy nhiên, bất lợi mơđun đàn hồi thấp, tính bám dính với vật liệu kém, nhạy cảm với xạ mặt trời bị oxy hóa Hạn chế loại sợi giá thành cao so với số sợi khác Các tác giả Balaguru, Bohra, Khajuria nghiên cứu độ bền sau 10 năm xi măng gia cường sợi polypropylen, nylon, polyester Mẫu thử chế tạo với sợi có độ dài 19 mm, hàm lượng xi mãng 307 kg/m tỉ số N/X 0,57, bảo dưỡng sau 28 ngày sau thử độ bền theo chu kỳ 0; 4; 8; 16; 32; 52 tuần lễ, điều kiện mẫu thử ngâm nước vôi bão hòa nhiệt độ 50”C Cường độ chịu uốn tối đa bê tông cốt sợi tổng hợp theo chu kỳ thử độ bền, giới thiệu bảng 1.1 Bảng 1.1 Cường độ chịu uốn tối đa (psi) Chu kỳ thừ (tuẩn lể) Nylon Polypropyien Polyester 313 262 450 309 274 282 438 381 356 16 350 431 378 32 406 400 456 52 543 444 481 11 Như sau thí nghiệm cường độ bê tông với loại cốt sợi khác tãng 1.2.4 Sợi cacbon Sợi cacbon có giá thành cao sợi polyme nên việc sử dụng chúng để gia cường cho vật liệu xi măng bị hạn chế Sợi cacbon có mơđun đàn hồi cao sợi thép, chúng nhẹ, ti trọng khoảng 1,9 đặc biệt bền vững hầu hết mơi trường hóa học Sợi cacbon sản xuất thành bó sợi, có 12.000 sợi nhỏ riêng biệt Sợi cacbon có cường độ mơđun (làn hồi cao so với loại sợi polyme Một số công trinh Nhật dùng bê tông sợi cacbon làm vật liệu bao che cho tòa nhà cao tầng Tuy nhiên, sợi cacbon nhào trộn thường khó khãn, chúng có khuvnh hướng cuộn trịn phân tán khơng đồng nhất, đặc biệt hàm lượng theo thể tích sợi lớn 3% Cường độ chịu uốn bê tông cốt sợi cacbon giới thiệu bảng 1.2 Báng 1.2 Sợi cácbon (% thể tích sợi) Tải trọng Độ Cường độ Tải trọng Cường độ chịu giới hạn đàn dẻo dai chịu uốn giới hạn tối đa (N) uốn tối đa (MPí hổi (N) đàn hồi (Mpa) (N /mm) 79 79 4.6 4.6 197 272 102 11,4 15.7 285 365 229 16,5 21,1 296 525 686 17,1 30,3 1.2.5 Sợi bazan Theo Tiến sĩ Djcgiric Makhôva, sợi bazan vật liệu từ sợi bazan có tính cách ẩm, cách nhiệt, tính kết cấu cao Sợi bazan hẳn sợi thủy tinh loại sợi khác độ bền nhiệt Giíới hạn nhiệt sử dụng sợi bazan từ 269°c - 900°c, sợi thùy tinh 60°c - 450°c Độ hút ẩm sợi bazan nhỏ %, cúa sợi thuy tinh tới 10 - 20 % Vé tính bền thủy phân sợi bazan xếp vào nhóm đầu, cịn tính bền xít, bazơ nước, sợi bazan hẳn sợi thủy tinh sợi khác Do tính chất lý cao, sợi bazan dùng để sản xuất loại bê tồng đem lại hiệu cao 12 1.2.6 Sợi xcnlulô Sợi thực vật ý sử dụns sợi xenlulỏ Qua nghiên cứu sứ dụng dạng sợi xenluló gặp phái khó khăn thay đổi độ ám sợi xenlulò Trong nhữnc năm 1970 Na Uy Phần Lan, nhà sán xuất (iã thành còng trona \'iộc sử dụna sợi xeniulỏ với lượng nhỏ sợi polỵpropylen p Soroushian s Marikunte dã tiến hành nghiên cứu xi mãng - xenlulô (SÚ dụim 2C/i khối lưọìi” bột krt) Thí nsỉhiệm cường độ chịu uốn thực liiện lại chu kv nhiệt ám khác Két nghiên cứu nàv chí rằng, chu kv ám nhiệt dược lặp di lặp lại có ánh hưởng khơng đáníí ké đến t ường độ chịu uốn cùa xi mãng - bột siấy kraft lại làm giám tính déo làm vật liệu trớ nén giịn 13 Chương TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP Việc bổ sung sợi thép vào bê tơng thay đổi tính chất bê tơng đáng kể chúng ảnh hưởng đến tính chất bê tơng trạng thái tươi lẫn trạng thái rắn Đóng góp sợi thép cải thiện tính chất bê tơng đỏng cứng Tuy nhiên, cải thiện đạt sứ dụng cốt sợi thép kéo theo số cõng việc bổ sung xử lý Phạm vi cải thiện việc thêm cốt sợi làm thay đổi tính chất bẽ tơm.' bị phụ thuộc kiểu sợi, đặc trưng hình học sợi, hàm lượng sợi bê tóng định hướng sợi bê tơng liên kết bê lông cốt sợi 2.1 TƯƠNG TÁC GIỮA SỢI VÀ VẬT LIỆU NỀN 2.1.1 Đặt vấn đề Sự tương tác sợi vật liệu vấn đề tạo chât lượng bê tông cốt sợi Hiểu biết tương tác đánh giá Chat lượm: rùa vật liệu nền, vai trò sợi dự đoán khả nãng học hố tổng cót sỢi Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tương tác sợi vât liêu nền: - Điều kiện, trạng thái vật liệu nền: chưa nứt hay nứt - Hỗn hợp: thành phần vật liệu nên - Hình dạng, loại sợi, đặc điểm bề mặt, độ cứng tính chất sợi - Hướng sợi: đẳng hướng hay bố trí ngẫu nhiên - Tỉ lệ thể tích sợi sử dụng - Tính bền sợi làm việc lâu dài bè tông cốt sợi Hiệu sợi nâng cao tính chất học vật liệu xi mãng hai trình: - Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu sang sợi - Sự ảnh hưởng bắc cầu sợi qua vết nứt xuất tăng tải irong vật liệu 14 - Cơ chế truyền ứng suất cho phép dự đoán đường cong ứng suất - biến dạng bê tông cốt sợi dạng phá hủy dẻo hay phá hủy giòn đặt tảng cho phát triển vật liệu bê tông cốt sợi Việc cải biến khả học bê tông cốt sợi thông qua tương tác sợi vật liệu 2.1.2 Sự tương tác sợi - vật liệu Bê tông đặc hỗn hợp không đồng của: - Xi mãng ' Nước - Cốt liệu thô - Cốt liệu mịn - Cốt thép Phản ứng thuỷ hoá xi măng nước dẫn đến co ngót rõ rệt hồ xí măng đơng cứng Hàm lượng cốt liệu thơ hợp lí mang tính hai mặt vừa tiết kiệm khối lượng hổ xi mãng, vừa thành phần chống lại co ngót thuỷ hố Hsu, Slate, Sturman & Winter viết "Microcracking of Plain Concrete and the Shape of the Slress- Strain Curve" [Joumal of the ACI tháng 2/1963 trang 209] có vết nứt vi mơ bề mặt phần tử cốt liệu thơ kích thước lớn Các vết nứt tồn trạng thái không tải Khi bê tông bị kéo tải trọng khác nhau, bao gồm trình mỏi, vết nứt vi mô lan rộng theo bề mặt cốt liệu phần khối bê tông xung quanh cốt liệu Vì khối bê tơng chứa hồ xi mãng cốt liệu nhỏ nên sợi thép trộn xếp thẳng hàng cách ngẫu nhiên dù chúng bị thay đổi vị trí tương đối cốt liệu thơ Khối bê tông trở thành hỗn hợp tãng cường sợi thép Các sợi thép tãng cường giới hạn chịu kéo gâv nứt ban đầu hỗn hợp nhiên mức độ táng cường phụ thuộc số lượng hiệu sợi thép vùng xuất đỉnh vết nứt M ô tương tác sợi vật liệu dựa hình dạng lực kéo tuột đơn giản (hình 2.1) 15 Hình 2.1: Mơ lílì kéo tuột sợi bê mặt liên kết sợi vật liệu nên bê tơng cốt sợi Các q trình liên quan đến tương tác sợi vật liệu chủ yếu xảy vùng tương đối nhỏ xung quanh sợi vật liệu Vật liệu giòn nên ảnh hưởng truyền ứng suất nghiên cứư cho hai trường hợp: trước nứt sau nứt, trình hoàn toàn khác tương ứng với hai trường hợp Trước xảy vết nứt nào, truyền ứng suất đàn hồi [à chế quan trọng đầu tiên, chuyển vị theo phương dọc sợi vật 1iéu mặt phân cách thể rõ rệt Sự truyền ứng suất trượt đàn hổi chế chính, dùng để dự đoán giá trị: ứng suất vết nút đầu liên Sự phân bố ứng suất trượt đàn hồi dọc theo mặt phân cách sợi vật liệu không đồng 2.1.2.1 Tương tác sợi - vật liệu chưa nứt Dạng tương tác xảy hầu hết bê tông cốt sợi suốt giai đoạn tác dụng tải trọng ban đầu Trong số trường hợp, chẳng hạn dạng tâm mỏng, bê tông cốt sợi chưa nứt suốt trình đưa vào sử dụng, hầu hết trường hợp vật liệu nứt trình sứ dụng Sự tương tác sợi - vật liệu chưa nứt có giới hạn ứng dụng thưc tế Một hệ sợi - vật liệu đơn giản có chứa sợi đơn biểu diễn hình 2.2 Trong giai đoạn khơng có tải trọng, ứng suất sợi vật liệu giả thiết không Đặt tải gây kéo hay nén lên bê tơng cốt sợi drín đến tăng ứng suất liên kết Trong vật liệu xi măng, hydrat hóa xi măng gây tăng ứng suất sợi - vật liệu Khi vật liệu chịu tải trọng, phần lải trọng truyền qua sợi Bởi sợi vật liệu có độ cứng khác nên ứng suất trượt phát triển dọc theo bề mặt sợi Nếu sợi có độ cứng lớn 16 độ cứng vật liệu mai liên ket bề mặt sợi vàxung quanh sợi nhỏ hình 2.2a, 2.2b 2.2c Trường hợpnày xảy với thép sợi khống vật Nếu mơ đun cùa sợi nhỏ mỏ đun vật liệu nên, liên kết xung quanh sợi cao hơn, điều xảy sợi polyme sợi thiên nhiên Sự truyền ứng suất đàn hồi diện bê tông cốt sợi chưa nứt có vật liệu sợi giai đoạn đàn hồi Hiệu ứng, ứng suất biến dạng vật liệu đưa khả phi đàn hồi phi luyến tính trước vật liệu phá hỏng Phương trình toán học phát triển cho ứng suất trượt mạt phân cách X ứng suất dọc ơị theo chiều dài sợi Dựa vào số giả thuyết để đơn giản hóa vấn đề là: Vật liệu sợi hai giai đoạn đàn hồi Mặt phân cách vật liệu sợi mỏng Bề mật phân cách xem liên kết hoàn hảo Sợi xếp có quy luật Biến dạng kéo vật liệu Em vùng bám dính chứa sợi tương đương biến dạng kéo bê tông cốt sợi p IP Vật liệu nén Sợi - Giới hạn vùng biến dạng a) Hình 2.2: Mặt phân cách vật liệu - sợi vật liệu chưa nứt: a) Chưa chất tải; b) Vật liệu chịu kéo; c) Vật liệu chịu nén T 2) { ị b) Hình 23: Mơ tả sợi vật lỉệu - biến dạng ứng suất xung quanh sợi: a) Dạng hình học biến dạng vật liệu xung quanh sợi ĩrước sau tải tác dụng; b) Phân bố ứng suấĩ ỉrượĩ đản hồi rnặỉ phân cách phân bố ứng suất kéo 17 Sự phân bố ứng suất trượt T khoảng cách X tính từ đầu sợi diễn tả: —- X ì sinpỊ J u Gm x(x) = E fem R 2Ef ln cosPi S ) j 2G m Pi = 2E fr ln Trong đó: Em, Er: Mơ đun đàn hồi vật liệu nền, sợi Gm: Mô đun đàn hồi trượt vật liệu mặt phân cách : Chiều dài sợi R: Bán kính vật liệu xung quanh sợi r : Bán kính sợi sm: Biến dạng kéo vật liệu nến Tỉ số R/r tùy thuộc vào tỉ lệ thể tích sợi xếp sợi (hình 2.4) f \ ĩt Phân bố sợi phương: ln = —ln ( 1) vVÍy r Phân bố sợi phương: ln = —ln 2n \ ( 2) Úng suất dọc trục sợi ơ|-(x) tính theo công thức: -cosf3j -X f(x) = E f8m (3) co Phân bố ứng suất dọc trục ơ|(x) ứng suất trượt t(x ) phi tuyến dọc theo chiều dài sợi Việc thiết lập phương trình (1), (2), (3) dựa vào giả thuyết nêu Các phương trình cho phép ta tính ứng suất sợi đóng góp sợi bê tông cốt sợi 18 Trong trường hợp có nhiều sợi, người ta xếp chúng theo dạng dự đốn trước mà chúng khơng có tương tác (hình 2.4) Tại giai đoạn đủ tải trọng xảy liên kết dọc theo mặt phân cách, nên trình truyền ứng suất trở thành trình trượt ma sát (xfu) Trong trường hợp có chuyển vị tương đối sợi vật liệu nền, có ứng suất trượt ma sát Những thông số ứng suất biến dạng bê tơng cốt sợi có liên quan đến q trình truyền ứng suất a) Sợi dài phán bô'liên tục ỉ phương, b), c) Sợi phân bố theo phương, d) Sợi phân bố theo phương Hỉnh 2.4: Sự phân b ố sợi bê tông Úng S iấ t trượt bám dính (tau) đề cập đến, vượt giới hạn bắt đầu ;.ảy tính bám dính sợi vật liệu nền, ứng suất trượt ma sát cực đại Tfu xuất vùng bị liên kết Giá trị Tfu T.,u khơng nhau, giá trị Tíu nhạy với ứng suất biến dạng Giả thết lực kéo tuột số đường cong tải trọng - chuyển vị lý tưởrg Tuy nhiên, thực tế Tlu giảm gia tải (hình 2.5) Chuyén đổi từ truyền ứng suất đàn hồi trước liên kết sang truyển ứig suất ma sát sau liên kết trình diễn chậm hai q rình có ảnh hưởng lẫn Sự liên kết xảy trước kh có vết nứt vật liệu nển ảnh hưởng kết hợp hai ịuá trình tác động đến hình dạng đường cong ứng suất biến dạn ' trước vật liệu nứt Hình 2.5: Sơ đổ biểu diễn ứng suất trượt - chuyển vị Sự chuyển đổi ứng suất đàn hồi sang ứng suất trượt ma sát Một loạt tượng tiếp diễn phụ thuộc vào ứng suất trượt bám dính ứng suất kéo vật liệu nền: ứng suất kéo lớn việc liên kết xảy trước vật liệu nứt, ứng suất kéo nhỏ trình nứt vật liệu xảy trước liên kết Như vậy, vấn đề truyền ứng suất bị ảnh hưởng tượng: truyền ứng suất trượt đàn hồi, ứng suất trượt ma sát, liên kết ứng suất biến dạng bình thường 2.1.2.2 Tương tác sợi - vật liệu nến nứt Tác dụng chủ yếu sợi bEmemuVm+ ElemuVf Trong đó: Vm: Thể tích vật liệu v f: Thể tích sợi sử dụng Em: Mơđun đàn hồi vật liệu Er: Môđun đàn hồi sợi fu: Cường độ kéo tới hạn sợi £mu: Biến dạng cực đại vật liệu 22 (2.1)