kết cấu bê tông thông thường trong giai đoạn sau nứt của bê tông bằng việc kết hợp giữa các nghiên cứu có sẵn và làm thí nghiệm uốn ba điểm trên dầm bê tông cốt sợi t[r]
(1)BÀI BÁO KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP
Đặng Văn Phú1
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu đặc tính học trội kết cấu bê tông cốt sợi thép so với
kết cấu bê tông thông thường giai đoạn sau nứt bê tông việc kết hợp nghiên cứu có sẵn làm thí nghiệm uốn ba điểm dầm bê tông cốt sợi thép với hai hàm lượng cốt sợi thép khác nhau, mối quan hệ ứng suất kéo uốn độ mở miệng vết nứt vật liệu khi chịu uốn nghiên cứu tạo tảng cho nghiên cứu chuyên sâu sau Từ đó, đề xuất việc sử dụng vật liệu cho kết cấu tấm, vỏ thực tế để tăng cường khả năng chịu lực kết cấu
Từ khóa: Bê tơng cốt sợi, sợi thép, ứng suất kéo uốn, kết cấu tấm, kết cấu vỏ mỏng
1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP*
Hầu hết cấu kiện bê tơng cho cơng trình phải đối mặt với vấn đề nứt trình thi cơng sử dụng Có nhiều biện pháp đưa vào áp dụng nhằm giảm tối thiểu ảnh hưởng từ vấn đề nứt sử dụng chất phụ gia, bê tông ứng suất trước, bê tông cốt thép Tuy nhiên, phương pháp áp dụng hết trường hợp, đặc biệt kết cấu bản, vỏ; đó, việc nghiên cứu sử dụng bê tông cốt sợi thép đáp ứng nhu cầu Mục đích báo nghiên cứu đặc tính trội vật liệu bê tông cốt sợi thép so với kết cấu bê tông thông thường áp dụng cho cấu kiện chịu uốn Từ đó, đưa đề xuất phương hướng cho nghiên cứu sau
Bê tông cốt sợi thép vật liệu bê tông chế tạo từ hỗn hợp xi măng, nước, cốt liệu, phụ gia vàmột hàm lượng sợi thép định Thông thường hàm lượng sợi thép nhỏ so với thể tích hỗn hợp (<2% thể tích) (Arnon Bentur and Sidney Mindess, 2007) Trong số trường hợp kết hợp cốt thép cốt sợi thép để tăng cường lực cho kết cấu
1
Bộ môn Kỹ thuật cơng trình, Cơ sở 2- Đại học Thủy lợi
Những ưu điểm bê tông cốt sợi thép: - Nối vết nứt,
- Tăng độ dẻo cho kết cấu bê tơng,
- Cải thiện đặc tính học vật liệu giai đoạn sau nứt,
- Tăng khả chịu lực cho cấu kiện Ngồi có số nhược điểm sau: - Giá thành cao hơn,
- Giảm tính cơng tác hỗn hợp bê tơng Những nhân tố ảnh hưởng đến đặc tính học vật liệu bê tơng cốt sợi nói chung là:
- Đặc tính bê tơng
- Loại cốt sợi, hình dạng, kích thước, phân bố hướng phân bố cốt sợi hỗn hợp,
- Sự tương tác bê tơng cốt sợi
Trong đó, hai nhân tố sau có tầm quan trọng việc định đến đặc tính học bê tơng cốt sợi thép
(2)(a) (b)
Hình (a) Một số hình dạng ngồi cốt sợi; (b) Một số mặt cắt ngang cốt sợi Hình thể phân bố hướng phân
bố cốt sợi hỗn hợp bê tơng Sự phân bố thẳng hàng, lưới ngẫu nhiên; với hướng nằm nằm ngang, nằm chéo
trong hỗn hợp Tất yếu tố định đến khả nối vết nứt kết cấu, từ định đến khả chịu lực giai đoạn sau nứt
Hình 2: Sự phân bố hướng phân bố cốt sợi hỗn hợp bê tơng (Ingemar Lưfgren, 2005) Yếu tố cuối tương tác cốt sợi
và bê tông, tương tác tốt giúp kết cấu tăng độ bền Sự tương tác
được thể qua liên kết cốt sợi bê tông Nếu liên kết tốt độ bền kết cấu cao (Hình 3)
(a) (b)
Hình Hình ảnh làm việc dầm bê tông bị nứt hai trường hợp (a) Dầm bê tông; (b) Dầm bê tông cốt sợi thép
2. THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM
Để nghiên cứu đặc trưng học vật liệu bê tông cốt sợi thép, số thí nghiệm
thực thí nghiệm nén tâm, kéo tâm, kéo tuột thí nghiệm uốn Trong đường cong quan hệ vật liệu chịu kéo-nén
Thẳng Móc câu Tán dẹt Đầu núm Hình nón
Dạng lượn sóng Hình cung Răng cưa Nhấp nhơ Dạng Rãnh xoắn
Hình trịn Hình vng Hình chữ nhật Hình tam giác
(3)những đặc trưng học quan trọng vật liệu Tuy nhiên, để thực thí nghiệm kéo tâm mẫu thí nghiệm làm bê tơng cốt sợi thép phức tạp địi hỏi độ xác cao
Để dễ dàng cho việc nghiên cứu sâu đặc tính bê tơng cốt sợi thép, báođã thực thí nghiếm uốn ba điểm với dầm bê tông cốt sợi thép để thu đặc trưng
cơ học vật liệu chịu uốn
Việc thực thí nghiệm thực theo tiêu chuẩn châu Âu EN: 14651,2005 hướng dẫn thiết kế kết cấu bê tông cốt sợi thép (SFRC Consortium, 2014)
a) Vật liệu thí nghiệm
Thí nghiệm thực dầm bê tơng cốt sợi thép có số liệu Bảng
Bảng Dữ kiện dầm bê tơng cốt sợi thép làm thí nghiệm uốn điểm
STT Tên dầm bê tông cốt sợi thép
Hàm lượng cốt sợi thép được dùng [kg/m3] – [%]
Kích thước dầm [mm]
Số lượng dầm
1 SFRC-0.19% 15 – (0.19%) 15x15x600
2 SFRC-0.32% 25 – (0.32%) 15x15x600
Theo Arnon Bentur and Sidney Mindess, 2007, hàm lượng cốt sợi thép q nhỏ (≤0.1%) khác biệt khơng lớn bê tông cốt sợi thép so với bê tơng thường Do tác giả chọn 0.19% (~ 0.2%) tương ứng với 15kg/m3 0.32% (~0.3%) tương ứng với 25kg/m3 Trong trình trộn, việc đo tỉ lệ thể tích phức tạp tác giả lựa chọn khối lượng cốt sợi để dễ dàng việc tính tốn tỉ lệ vật liệu
Từ điều kiện công tác trộn bê tơng, Johnston, 1974 kích thước lớn
nhất cốt liệu không nửa chiều dài cốt sợi Về cốt liệu dùng để đổ bê tơng có kích thước lớn 32mm(EN: 14651, 2005), theo SFRC Consortium, 2014, chiều dài cốt sợi thép phải 1.5 lần chiều dài lớn cốt liệu để đảm bảo làm việc cốt sợi thép bê tông việc trộn bê tông cốt sợi thép Vậy trường hợp này, tác giả lựa chọn kích thước lớn cốt liệu 20mm chiều dài cốt sợi thép 35mm Kích thước cốt sợi thép dùng thể Bảng
Bảng Đặc điểm cốt sợi thép dùng thí nghiệm uốn ba điểm
Loại sợi thép Móc câu Chiều dài l [mm] 35
Cường độ chịu kéo [MPa] 1100 Đường kính d [mm] 0.55
Môđun đàn hồi thép [MPa] 210000 Tỉ lệ chiều dài/đường kính (l/d) 64 Hình dạng mặt cắt ngang Hình trịn Trọng lượng riêng sợi thép [Kg/m3] 7850
b)Tiến hành thí nghiệm
Để đảm bảo phân bố đồng cốt sợi thép dầm bê tông, đầm dùi sử dụng trình đổ hỗn hợp bê tơng cốt sợi thép vào khuôn sử dụng máy rung để làm chặt cho dầm, từ hỗn hợp phân bố tồn vị trí dầm
Dầm phải bảo quản điều kiện tiêu chuẩn độ ẩm nhiệt độ sau 28 ngày trước đưa làm thí nghiệm (TCVN 8828:2011)
Để tiến hành thí nghiệm, vết khía có bề rộng 2mm độ sâu 25mm tạo dầm để cố định vị trí bắt đầu phát triển vết nứt Hình
(4)Vết khía A
A
A-A 150.0
250.0 250.0
150.0
125.0
50.0 50.0
25.0 P
CTOD
CMOD
Hình Kích thước hình dạng dầm bê tơng cốt sợi thép, vị trí vết khía vị trí đo CMOD và CTOD thí nghiệm uốn ba điểm (kích thước mm)
Trong q trình thí nghiệm, lực tác dụng điều khiển thông qua tốc độ mở miệng vết khía (CMOD) CMOD đạt giá trị 5mm, sau điều khiển thơng qua tốc độ mở rãnh vết khía (CTOD) với tốc độ 1mm/phút CTOD đạt giá trị 9mm, trình tác dụng lực thí nghiệmnhư Bảng
Hình Lắp đặt thí nghiệm uốn ba điểm phịng thí nghiệm
Bảng Quá trình tác dụng lực thí nghiệm Kiểm sốt theo CMOD
CMOD (mm) Tốc độ (mm/phút)
0 ÷ 0.1 0.05
0.1 ÷ 2.0 0.2
2.0 ÷ 5.0 0.3
Kiểm soát theo CTOD
CTOD (mm) Tốc độ (mm/phút)
5.0 ÷ 9.0 1.0
3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT
Kết thí nghiệm ghi lại máy tính có kết nối đến thiết bị đo biến dạng lắp dầm, sau liệu lực tác dụng F, CMOD, CTOD độ võng mặt cắt dầm lưu lại Để dễ dàng việc phân tích sử dụng cho mục đích nghiên cứu sau này, đường đặc trưng học vật liệu biến đổi thành mối quan hệ ứng suất kéo uốn σN(flexural tensile stress) với độ
mở miệng vết khía CMOD
Một kết thu giới hạn tỉ lệ f,
ct L
f - giá trị ứng suất mà từ điểm vật liệu khơng cịn tn theo định luật Hooke, đề xuất giá trị ứng suất lớn khoảng CMOD ≤ 0.05mm, Hình 6, (EN:14651, 2005) Ngồi cịn có giá trị ứng suất kéo uốn dư sau nứt frj ứng với giá trị CMOD = 0.5; 1.5; 2.5 3.5 theo tiêu chuẩn EN: 14651 - 2005 làm việc cốt sợi
- Giới hạn tỉ lệ tính cơng thức sau:
,
3 f L ct L
sp
F f
bh
Trong đó: FL giá trị lực tương ứng với giới hạn tỉ lệvà lấy Hình
(5)Hình Phạm vi xác định giá trị giới hạn tỉ lệ FL (EN:14651, 2005) - Giá trị ứng suất kéo uốn dư sau nứt:
2
3
j rj
sp F f
bh
Trong đó: Fj (j = 1, 2, 3, 4) giá trị lực tác
dụng tương ứng với giá trị độ mở miệng vết nứt CMODj = 0.5; 1.5; 2.5 3.5mm
lấy Hình
Hình Cách xác định Fj(EN:14651, 2005)
Hình Giới hạn tỉ lệ, ứng suất kéo uốn dư sau nứt độ lệch chuẩn thí nghiệm Từ Hình thấy giá trị ứng suất
sau nứtfrj (j=1, 2, 3, 4) tương ứng với giá trị CMOD = 0.5; 1.5; 2.5; 3.5mm giá trị ứng suất tới hạn vật liệu fL – trị số ứng
suất lớn khoảng CMOD = 0.05, tất giá trị gợi ý theo tiêu chuẩn EN:
14651, 2005 Để đánh giá mức độ biến thiên ứng suất cho dầm bê tông cốt sợi với hàm lượng cốt sợi thép khác nhau, hệ số lệch chuẩn CV tính tốn Hình 8, có thể thấy hệ số lệch chuẩn giống Điều chứng minh với kỹ thuật trộn bê
CMOD=3.5
CMOD=0.5 CMOD=1.5 CMOD=2.5 CMOD=3.5 CMOD=0.5 CMOD=1.5 CMOD=2.5
CV= 0.06 CV= 0.23 CV= 0.24 CV= 0.27 CV= 0.26 CV= 0.25
CV= 0.28 CV= 0.28
CV= 0.22 CV= 0.11
(6)tơng giống phân bố cốt sợi có biến thiên giống mẻ trộn khác
nhau thể qua hệ số lệch chuẩn CV gần
Hình Đường quan hệ ứng suất kéo uốn-CMOD ứng suất kéo uốn-CTOD dầm bê tông cốt sợi thép với hàm lượng cốt sợi thép 0.19%
Hình 10 Đường quan hệ ứng suất kéo uốn-CMOD ứng suất kéo uốn- CTOD dầm bê tông cốt sợi thép với hàm lượng cốt sợi thép 0.32%
Ngoài ra, việc vẽ đường cong đặc trưng học vật liệu chịu uốn công tác quan trọng để có nhìn tổng qt khả chịu lực bê tông cốt sợi thép gian đoạn sau nứt Từ nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu trước bê tơng thường sau đạt giới hạn ứng suất, đường cong xuống tác dụng thêm lực (Hình Hình
(7)lực nên dầm ngừng làm việc vết nứt Trong đó, với dầm bê tơng cốt sợi thép, vị trí nứt có làm việc cốt
sợi thép có khả truyền lực từ bên qua bên kia, làm tăng khả chịu lực dầm vị trí vết nứt
Hình 11 So sánh đặc tính học dầm bê tơng cốt sợi thép hai hàm lượng khác nhau: SFRC-0.19% SFRC-0.32% độ lệch chuẩn thí nghiệm
Từ Hình 11 thấy hàm lượng cốt sợi thép trộn làm tăng cường độ ứng suất kéo uốn vật liệu, với độ tăng hàm lượng thép 67% (15kg/m3 lên 25kg/m3) cường độ ứng suất kéo uốn vật liệu tăng 4% (4.52MPa lên 4.68MPa) Từ điều kết luận việc tăng hàm lượng cốt sợi thép không làm ảnh hưởng nhiều đến cường độ ứng suất kéo uốn vật liệu Khi xét đến biến thiên kết thí nghiệm (Hình 11), độ lệch chuẩn SFRC-0.32% SFRC-0.19% gần giống cho tồn kết thí nghiệm suốt giá trị CMOD giá trị độ lệch nhỏ, nằm khoảng CV=(0.2÷0.3) Điều lần khẳng định phân bố cốt sợi thép q trình trộn bê tơng có tương đồng mẻ trộn dầm làm thí nghiệm dùng đầm dùi q trình đổ hỗn hợp bê tông cốt sợi thép vào khuôn
4. KẾT LUẬN
Qua thí nghiệm thấy bê tơng cốt sợi thép có nhiều đặc tính trội so với bê tơng thông thường, đặc biệt giai đoạn sau nứt bê tông Lúc này, nhờ diện cốt sợi thép, bê tơng có khả làm việc vị trí vết nứt, vị trí có cốt sợi thép nối vết nứt lại Với kết cấu vỏ mỏng, khó bố trí cốt thép chịu lực theo tiêu chuẩn, nên việc cố sợi thép lựa chọn tốt để tăng cường khả chịu lực kết cấu
Ngoài ra, việc tăng hàm lượng cốt sợi thép khơng có nghĩa cường độ ứng suất kéo uốn vật liệu tăng cường
Khi dùng kỹ thuật trộn bê tông giống phân bố cốt sợi thép giống cho mẻ trộn với độ lệch chuẩn nhỏ giống
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TCVN 8828, 2011, “Bê tông – Yêu cầu bảo dưỡng ẩm tự nhiên”, Hà Nội
ACI Committee 544, 1996, “State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete”, ACI 544.1R-96, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI