Nghiên cứu khả năng kháng uốn của bê tông cốt thép có gia cường vật liệu PVA ECC

Mục lục CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Trang I.1 Sơ lược phát triển bê tông Trang I.2 Trình tự phát triển bê tông vữa xi măng Trang I.3 High Performance Fiber Cementitious Composite (HPFRCC) Trang I.4 Engineered Cementitious Composites (ECC) Trang I.5 Mục tiêu nghiên cứu luận văn Trang CHƯƠNG II:MƠ HÌNH TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU ECC/BTCT COMPOSITE Trang II.1 Các mơ hình ứng suất-biến dạng vật liệu Trang II.2 Các giả thiết mơ hình tính tốn Trang II.3 Thiết lập công thức tính tốn cường độ kháng uốn tiết diện ECCTrang II.4 Ký hiệu Trang 11 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Trang 13 III.1 Mục tiêu nghiên cứu Trang 13 III.2 Phương pháp nghiên cứu Trang 13 III.3 Vật liệu thí nghiệm Trang 17 III.4 Các loại thí nghiệm thực Trang 21 III.4.1 Nhóm thí nghiệm xác định tiêu lý Trang 21 III.4.1.1 Thí nghiệm mẫu kéo số (mẫu Briquette – ASTM C190) Trang 21 III.4.1.2 Thí nghiệm uốn điểm dầm 40x40x160mm (ASTM C348) Trang 22 III.4.1.3 Thí nghiệm uốn điểm dầm mỏng 550x100x15 Trang 24 III.4.1 Nhóm thí nghiệm mơ hình dầm BTCT gia cường Trang 26 III.4.1.1 Thí nghiệm dầm ngắn 150x150x620mm Trang 27 III.4.1.2 Thí nghiệm dầm lớn 150x200x2900mm Trang 29 CHƯƠNG IV: XÁC ĐỊNH CHỈ TIÊU CƠ LÝ Trang 33 IV.1 Cường độ kháng uốn vật liệu ECC Trang 33 IV.2 Mẫu kéo số (mẫu thí nghiệm Briquette – ASTM C190) Trang 34 IV.3 Mẫu dầm ngắn 40x40x160mm (ASTM C348) Trang 46 i IV.4 Mẫu dầm mỏng 100x15x550mm Trang 56 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM DẦM GIA CƯỜNG LỚP VẬT LIỆU ECC Trang 68 V.1 Kết thí nghiệm cắt dầm ngắn (dầm 150x150x620) Trang 68 V.1.1 Kích thước mẫu dầm thí nghiệm Trang 68 V.1.2 Kết thí nghiệm cắt mẫu dầm ngắn (150x150x620) Trang 69 V.1.3 Quan sát dạng phá hoại cắt Trang 72 V.1.4 Đánh giá kết luận Trang 75 V.2 Kết thí nghiệm dầm lớn (dầm 2900x200x150) Trang 78 V.2.1 Kích thước mẫu dầm thí nghiệm Trang 78 V.2.2 Kết thí nghiệm uốn dầm lớn (2900x200x150) Trang 78 V.2.3 Kết tính tốn mơ hình lý thuyết Trang 87 V.2.4 Quan sát tượng đa vết nứt (multi cracking) Trang 87 V.2.5 Đánh giá kết luận Trang 89 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trang 99 VI.1 Kết luận Trang 99 VI.2 Kiến nghị Trang 100 ii Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG I CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 Sơ lược phát triển bê tông: Bê tông ta biết hỗn hợp Ximăng – Cát – Đá Nước Các thành phần vật liệu kết hợp với theo tỷ lệ định nhằm tạo bê tơng với tính lý tối ưu Lịch sử cho thấy bê tông sơ khai người La Mã sử dụng từ lâu, khoảng vào kỷ thứ trước Cơng ngun sau liên tục phát triển, hồn thiện Ngày bê tơng vật liệu sử dụng nhiều ngành công nghiệp xây dựng Bên cạnh số ưu điểm bật mà điển hình khả chịu nén tốt, bê tơng có nhiều mặt hạn chế cụ thể : cường độ chịu kéo uốn bê tông thấp vết nứt dọc xuất sớm cấu kiện bê tông chịu tác dụng lực kéo uốn; khả chịu tải trọng động thường có khuynh hướng bị phá hoại giịn Để cải thiện khả chịu kéo, uốn độ dẻo dai kết cấu bê tông, số lượng cốt thép định đặt vào miền chịu kéo cấu kiện bê tông Sự kết hợp vận dụng hiệu khả chịu nén bê tông chịu kéo cốt thép, từ làm gia tăng gấp nhiều lần khả chịu tải trọng cấu kiện Khái niệm, bê tông cốt thép (BTCT) phát sinh từ kết hợp ngày BTCT sử dụng rộng rãi hầu hết cơng trình xây dựng Tuy nhiên bê tơng chưa khắc phục hoàn toàn nhược điểm cố hữu Hiện nay, có nhiều khuynh hướng nghiên cứu bê tông khác Tuy nhiên mục đích tìm cách tăng khả chịu uốn chống nứt cho dầm bê tông cốt thép Về phần cốt thép, chủ yếu phát triển loại thép cường độ cao Cịn bê tơng, loại bê tông chống nứt tốt, khả đàn hồi cao dành ý cao Bên cạnh biện pháp gia cường lớp bên dầm bê tông (khu vực chịu kéo lớn) hay gia cường lớp (khu vực chịu nén) quan tâm Ngoài ra, vấn đề quan tâm Việt Nam liên quan đến tính tốn theo Trạng Thái Giới Hạn (TTGH1) Trạng Thái Giới Hạn (TTGH2) Khi tính Trang Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG I toán theo TTGH1 (Trạng thái giới hạn cường độ), toán cho dầm thường thỏa mãn Nhưng tính theo TTGH2 (Trạng thái giới hạn vết nứt), tốn lại khơng thỏa mãn, xuất vết nứt cục có bề rộng phát triển khe nứt lớn Các vết nứt làm giảm tiết diện chịu lực cấu kiện làm tăng khả xâm thực môi trường lên cốt thép, từ làm giảm đáng kể cường độ chịu lực kết cấu Điều tác động xấu đến độ an toàn, tuổi thọ, mặt thẩm mỹ cơng trình sử dụng Vậy nên, khuynh hướng nghiên cứu loại bê tông để làm kết cấu hay bao che ngồi kết cấu, có khả chống nứt – chống va đập tốt cần thiết I.2 Trình tự phát triển bê tơng vữa xi măng: Sự phát triển bê tông vữa xi măng khái quát sau, với trình tự phát triển từ thấp đến cao, từ vào trong: Cement Composites: đại diện bê tông truyền thống vữamà ta thường bắt gặp cơng trình xây dựng ngày nay, sử dụng phổ biến FRCC (Fiber Reinforced Cement Composites): hỗn hợp xi măng cốt sợi, bắt đầu phát triển, có nhiều nghiên cứu hồn chỉnh DFRCC (Ductile Fiber Reinforced Cement Composites): hỗn hợp xi măng cốt sợi chịu uốn chịu kéo, ví dụ bê tông gia cường FRB HPFRCC (High Performance Fiber Reinforced Cement Composites): hỗn hợp xi măng cốt sợi tổng hợp hay sợi kim loại thể đa vết nứt (multi cracking) biến dạng “tăng bền” (Strain hardening), mà đại diện đa dạng bê tông cốt sợi thép, bê tông cốt sợi PVA – ECC,… Trang Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG I Strain hardening in tension EX: ECC HPFRCC Ductile in compression, tension, bending DFRCC EX: FRC FRCC EX: Mortar, concrete Cement composite Hình 1.1: phát triển loại bê tông lịch sử Sơ đồ (Hình 1.1) cho thấy HPFRCC với đại diện bê tông cốt sợi PVA – ECC loại bê tông tương lai với đặc tính vượt trội Trong luận văn này, khả đặc biệt PVA – ECC đề cập đến với ứng dụng cụ thể gia cường dầm bê tông cốt thép I.3 High Performance Fiber Cementitious Composite (HPFRCC): Trong vài thập kỉ nay, HPFRCC sử dụng chủ yếu để tăng cường khả chịu kéo bê tông Những tiến vượt bậc phát triển sợi PVA, kỹ thuật đúc dầm,… hiểu biết ứng xử trình làm việc hỗn hợp sợi tạo điều kiện cho việc phát triển tính tốn ứng dụng loại vật liệu HPFRCC hỗn hợp vữa xi măng có chứa sợi tổng hợp hay sợi kim loại, thể đặc điểm đa vết nứt (multi cracking) biến dạng “tăng bền” chịu kéo Một dạng HPFRCC hỗn hợp “xi măng thông minh” (ECC – Engineering Cemetitious Composite) phát triển giáo sư Li Hình 1.2 thể ứng xử vật liêu HPFRCC tác dụng lực kéo Trong hình 1.3, cho thấy trình tự phát triển vết nứt Ở đây, giai đoạn cuối số lượng nhiều vết nứt phân bố bề mặt mẫu thử Trái ngược với biến dạng “tăng bền”, biến dạng “giảm bền” (strain softening), vết nứt xuất với bề rộng khe nứt lớn số Trang Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG I lượng hạn chế Đã có nhiều nghiên cứu tiến hành để đánh giá phát triển đặc tính vật liệu, với phát triển kỹ thuật tính tốn, quan điểm thiết kế, ý tưởng để ứng dụng HPFRCC (Kanda 2003; JSCE2005a; JCI 2002a) Ứng suất kéo Ứng suất phá hoại Xuất vết nứt Biến dạng kéo Hình 1.2 :mối quan hệ ứng suất biến dạng HPFRCC P1 Vết nứt P2>P1 Pn>P(n-1) Vết nứt thứ Vết nứt thứ n Hình 1.3 : Tiến trình xuất vết nứt HPFRCC I.4 Engineered Cementitious Composites (ECC): ECC nhánh phát triển HPFRCC với khả chịu uốn đặc biệt, đạt đến 300 – 500 lần so với bê tơng bình thường ECC đạt khả chịu uốn cao với lượng sợi sử dụng nhỏ (trung bình khoảng – 3% thể tích) nhờ vào làm việc cấu trúc vi mô Trang Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG I Sau xuất vết nứt đầu tiên, ứng suất kéo tiếp tục tăng lên Và lúc tượng biến dạng “tăng bền” (strain – hardening) xuất hiện, với hình thành hàng loạt vết nứt có bề rộng khe nhỏ (vi nứt – multiple microcracking) Bề rộng khe nứt tiếp tục phát triển với ứng suất kéo, đạt đến 60μm, biến dạng tương ứng lúc vào khoảng 1% Sau đó, vết nứt đạt độ ổn định, có xu hướng giữ nguyên bề rộng biến dạng lên đến 4% Trạng thái ổn định bề rộng khe nứt điều khiển kết cấu sợi Đó yếu tố module đàn hồi, đường kính sợi, đặc tính lý hóa khả chịu lực kéo sợi Các nghiên cứu cho thấy với hàm lượng sợi nhỏ dẫn đến gia tăng bề rộng khe nứt Thí dụ: với khoảng hàm lượng khoảng 2% thể tích kết cấu đảm bảo cho bề rộng khe nứt tối đa 80μm Đã có nhiều khảo sát khẳng định bề rộng khe nứt phụ thuộc vào chất vật liệu sợi, độc lập với tải tác dụng, với kích thước dạng hình học lớp vật liệu ECC I.5 Mục tiêu nghiên cứu luận văn: Theo phát triển bê tông, luận văn muốn tập trung vào nghiên cứu khả gia cường chống uốn dầm bê tơng cốt thép có gia cường lớp vật liệu ECC Mục tiêu bao gồm: - Khảo sát phương pháp xác định tiêu lý hỗn hợp ECC xác định phương pháp đánh giá tiêu lý phù hợp với khả gia cường dầm bê tông cốt thép chịu uốn - Khảo sát phát triển cường độ hỗn hợp vữa xi măng có chứa sợi PVA – ECC theo độ tuổi - Đề xuất mơ hình tính tốn lý thuyết dầm bê tơng cốt thép gia cường lớp vật liệu PVA – ECC, sử dụng kết thí nghiệm để kiểm chứng hiệu chỉnh mơ hình lý thuyết - Khảo sát ảnh hưởng lớp gia cường sợi PVA – ECC tiêu sau: o Cường độ (Moment) o Độ võng o Sự phát triển vết nứt Con đường thực luận văn khái quát thành bước: Trang Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC - CHƯƠNG I Nghiên cứu đưa mơ hình tính tốn lý thuyết dầm bê tông cốt thép gia cường lớp vật liệu PVA – ECC - Tiến hành thí nghiệm, từ đánh giá, khảo sát kết luận vấn đề phương pháp đánh giá tiêu lý, cường độ chống uốn dầm, khả chống nứt độ võng dầm gia cường - Kết hợp với kết thí nghiệm, hiệu chỉnh lại mơ hình tính tốn cho phù hợp xác Cụ thể luận văn này, tác giả tiến hành khảo sát, tính tốn với hai loại vật liệu PVA – ECC là: - RECS 100x12 - REC 15/8 Trang Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG II CHƯƠNG II: MƠ HÌNH TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU ECC/BTCT COMPOSITE II.1 Các mơ hình ứng suất-biến dạng vật liệu Dầm composite ECC/RC sử dụng loại vật liệu khác nhau: - Bê tông: bố trí phần nén có chiều cao hc tiết diện dầm chịu mômen uốn PC d - Lớp ECC: bố trí phần kéo có chiều cao hf tiết diện dầm chịu mômen uốn h - Cốt thép: có diện tích As , bố trí phần kéo tiết diện dầm chịu mômen uốn ECC Các mô hình tính tốn ứng suất-biến dạng chúng mơ tả tóm tắt hình đây: b As σc fcu f cd = fcd Ecd = εc3 f cu γc ε c = 0,175% f cd ε c3 ε cu = 0,35% εcu3 εc Mô hình (σ−ε) song tuyến tính bê tơng chịu nén (Eurocode 2) a) σs fu fy fyd f yd = ε yd = εyd εu fy γs f yd Es εs Mơ hình (σ−ε) song tuyến tính thép chịu kéo (Eurocode 2) b) Trang hc hf Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG II σf fMOR fLOP ffd f fd = εfd εu f LOP γf εf Mơ hình (σ−ε) song tuyến tính ECC chịu uốn (JSCE 2005) c) Hình 2.1 Các mơ hình tính tốn quan hệ (ứng suất biến dạng) của: a)- bêtông b)- cốt thép c)- ECC II.2 Các giả thiết mơ hình tính tốn: Trong luận văn này, tác giả đưa phương pháp tính tốn bán thực nghiệm khả chịu uốn kết cấu bê tông ECC/BTCT composite, lớp ECC bố trí để gia cường vùng chịu kéo; phần bê tơng chủ yếu bố trí vùng chịu nén kết cấu Phương pháp phát triển dựa mơ hình phân bố biến dạng ứng suất kết cấu BTCT gia cường vật liệu HPFRCC theo báo cáo Kunieda Rokugo [3] ngun lý tính tốn tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT thông thường Hoa Kỳ, Eurocode2 [12], cộng thêm số giả thiết khác Ngoài giả thuyết tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT thông thường [5] Các giả thuyết phụ mơ hình đề nghị sau: - Trục trung hịa nằm hồn tồn vùng bê tơng, nghĩa không tồn biến dạng nén lớp vật liệu ECC (điều kiện thường thỏa mãn chiều cao lớp bê tông không nhỏ 1.5 – lần chiều cao lớp vật liệu ECC, (hpc ≥ 1.5hecc) - Vết nứt hình lớp ECC phát triển hết chiều cao lớp vật liệu với bề rộng khe nứt nhỏ ổn định, ứng suất tính tốn xem toàn chiều cao lớp vật liệu ECC mơ tả hình 2.1.c II.3 Thiết lập cơng thức tính tốn cường độ kháng uốn tiết diện ECC: Mơ hình đề nghị gồm giai đoạn uốn kết cấu composite mơ tả hình 2.2: Trang Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG V Sau thí nghiệm, ta nhận thấy dầm bị phá hoại Hình 5.24 5.25: Hình 5.24 : hình ảnh phá hoại dầm A Hình 5.25 : hình ảnh phá hoại dầm B V.2.5 Đánh giá kết luận: V.2.5.1 Quan sát thí nghiệm: Trong thí nghiệm này, khảo sát khả gia cường lớp vật liệu ECC nên tác giả sử dụng bê tơng có cường độ thấp, thép có đường kính nhỏ Từ bật lên Trang 89 Nghiên cứu khả kháng uốn dầm BTCT gia cường vật liệu ECC CHƯƠNG V khả gia cường lớp ECC Qua thí nghiệm, ta nhận thấy mẫu thí nghiệm đạt giới hạn lý tưởng thiết kế bê tơng cốt thép, ứng suất cốt thép đạt giới hạn chảy dẻo, ứng suất bê tơng tiến đến giới hạn bền nén Trong thí nghiệm này, ta thực nâng tải lên cấp, đo biến dạng dầm đo chuyển vị (đã mô tả trên) Trong q trình tiến hành thí nghiệm, ta nhận thấy sau: - Cốt thép dọc bị chảy dẻo trước dầm bị phá hoại - Mặt lớp bê tông chịu nén bị nghiến vỡ biến dạng vượt giá trị giới hạn ε C > ε Cu = 0.35% - Lớp gia cường ECC xuất nhiều vết nứt li ti phân bố khắp lớp ECC, không xuất vết nứt lớn cục - Trong lớp gia cường ECC, xuất vết nứt vng góc với dầm, nằm phạm vi lớp ECC mà không phát triển lên lớp bê tơng thường Khơng nhận thấy có mặt vết nứt lớn, vết nứt xiên - Độ lớn khe nứt nhỏ ổn định (