Đánh giá khả năng chịu tải trọng va đập của kết cấu tấm bê tông tính năng siêu cao

GIỚI THIỆU

Việc thêm các loại sợi như sợi thép, sợi polypropylen hoặc sợi cacbon đã làm tăng tính dẻo cho vật liệu bê tông có cường độ chịu nén lên đến 200 MPa, còn được gọi tên là bê tông tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Concrete – UHPC) hoặc bê tông cốt sợi tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Fiber Reinforced Concrete – UHPFRC). Các công trình dân sự được xây dựng bằng kết cấu bê tông làm việc trong vùng có mức độ nguy hiểm cao như đập thủy điện, các tường chắn hoặc các công trình quân sự phòng thủ như lô cốt, hầm trú ẩn đều là những kết cấu có khả năng đối mặt với tải trọng nổ hoặc tải trọng va đập do các loại vũ khí tấn công gây ra.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tỷ lệ nước trên chất kết dính (W/B) là thông số cần thiết để đảm bảo các đặc tính tối ưu của hỗn hợp, tỷ lệ này nên sử dụng dưới 0.25 nhằm đảm bảo sự cân bằng hợp lý giữa các đặc tính chảy của bê tông và cường độ của bê tông đã đông cứng [53]. Phản ứng của kết cấu khi chịu tải trọng va đập vô cùng phức tạp vì tải trọng tác dụng vào kết cấu trong thời gian ngắn, khi tính toán cần phải xét đến tính phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu cũng như tốc độ biến dạng trong kết cấu.

PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU CÔNG THỨC CHO VẬT LIỆU UHPC

Độ chảy là yếu tố cơ bản cho tính công tác của hỗn hợp bê tông, độ chảy hỗn hợp càng cao thì hỗn hợp bê tông càng nhanh chóng lấp đầy khuôn, do đó có thể sử dụng cho các kết cấu mỏng hoặc kết cấu có hình dạng phức tạp. Nguyên lý chung của phương pháp này là lựa chọn thành phần cấp phối bê tông sao cho khoảng trống giữa các hạt lớn được điền đầy bởi các hạt kích thước nhỏ hơn, dẫn đến giảm khoảng trống lỗ rỗng trong hỗn hợp và giúp tăng tính đặc chắc của vật liệu [89], [90]. Do vậy, ở nghiên cứu này, một chương trình thực nghiệm được tiến hành nhằm đánh giá ảnh hưởng của việc kết hợp của các loại cốt liệu, cũng như thay đổi thành phần bột cát thạch anh và xỉ lò cao trong thành phần bột [100].

Trong nghiên cứu này, xỉ lò cao (BFS) được sử dụng để thay thế một phần cho bột cát thạch anh trong thành phần cấp phối nhằm mục đích nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm trên cơ sở nguồn nguyên vật liệu sẵn có tại địa phương. Bên cạnh đó, tỷ lệ nước trên chất kết dính (W/B) là thông số cần thiết để đảm bảo các đặc tính tối ưu của hỗn hợp, tỷ lệ này nên sử dụng dưới 0.25 đảm bảo sự cân bằng hợp lý giữa các đặc tính chảy của bê tông và cường độ của bê tông đã đông cứng [53]. Do đó, trong nhóm cấp phối này tổng lượng xỉ và bột cát thạch anh được sử dụng khoảng 40% hàm lượng xi măng, theo đó hàm lượng của 2 thành phần này được thay đổi từ 0 đến 80% so với tổng khối lượng, tương ứng nhóm cấp phối từ V2-0 đến V2-80, tỷ lệ thành phần theo khối lượng các nhóm mẫu của V2 được trình bày trong Phụ lục, Bảng E.4.

Trong quá trình trộn mẫu nhận thấy thời gian chảy của hỗn hợp thuộc nhóm cấp phối V3 (sử dụng SF rời) ít hơn nhiều so với thời gian trộn nhóm V2 (sử dụng SF nén) như Hình 4.30, và sau khi mẫu đóng rắn, trên bề mặt mẫu không còn các hạt SF như Hình 4.29b, chứng tỏ rằng SF đã được hòa tan với hỗn hợp. Theo đó, giá trị độ chặt của các cấp phối đều nhỏ hơn giá trị qui định của tiêu chuẩn là 1.04, điều đó chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa thành phần cốt liệu và pha hồ đã giúp cho hỗn hợp vữa được lèn chặt tối đa, lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu. Từ thí nghiệm đo độ chảy của hỗn hợp, có thể thấy rằng giá trị độ rỗng nhỏ nhất của hệ cốt liệu Agg-2 (n=0.294) là giá trị tối ưu cho tỷ lệ cốt liệu của bê tông UHPC (nhóm C2) nhưng không phải là tỷ lệ cốt liệu tối ưu cho UHPFRC.

Có thể thấy rằng việc sử dụng xỉ lò cao thay thế một phần bột cát thạch anh trong thành phần cấp phối của UHPC không những giúp nâng cao chất lượng của bê tông, giảm giá thành sản phẩm mà còn giúp xử lý nguồn chất thải từ ngành công nghiệp luyện gang thép, góp phần bảo vệ môi trường.

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM KẾT CẤU TẤM UHPC CHỊU TẢI TRỌNG VA ĐẬP

Dưới tác dụng của khí nén, pittong sẽ di chuyển đi lên theo phương thẳng đứng, sau khi ngắt nguồn dẫn khí, dưới tác dụng của trọng lượng bản thân vật nặng, pittong di chuyển xuống và vật nặng đập vào mặt trên của mẫu thí nghiệm. Dựa trên đề xuất của hãng Analog Device, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm của công ty Hoàng Vinh TRCC đã thiết kế mạch điện tử phù hợp với chức năng của cảm biến như Hình 5.10b. Tuy nhiên, khi thay đổi hàm lượng sợi trong tấm thì giá trị gia tốc chênh lệch không nhiều khi so sánh giữa các mẫu có cùng cường độ chịu nén và cùng khối lượng của vật nặng.

Tuy nhiên, với giá trị biến dạng này chưa thể kết luận được ảnh hưởng của các yếu tố đến ứng xử của tấm, nờn vấn đề này cần được theo dừi và nhận xột qua phần phỏt triển của vết nứt trong quá trình thí nghiệm. Nhằm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép, cốt thép cũng như cường độ chịu nén của bê tông khi chịu tải trọng va đập, các vết nứt được quan sát và ghi nhận lại tương ứng với từng khối lượng vật nặng. Thêm vào đó, tại vị trí chịu tác dụng của vật nặng ở mặt trên của tấm, chỉ thấy phần bê tông bị vỡ trong phạm vi của bề mặt tấm tiếp xúc với vật nặng, không phát hiện thấy vết nứt ở vùng lân cận (Hình 5.27).

Tăng khối lượng của vật nặng lên 25 kg để đánh giá sự phát triển vết nứt của tấm khi chịu tải trọng va đập, chiều rộng vết nứt được ghi lại bằng kính hiển vi Microscope có độ chính xác cao (Hình 5.28) và các giá trị đọc được thể hiện ở Bảng 5.3. Tuy nhiên nếu so sánh giữa 2 tấm có cốt thép và không có cốt thép của nhóm 1.0% sợi thì thấy rằng bề rộng vết nứt giảm 19.3%, cho thấy ảnh hưởng của cốt thép đến giảm bề rộng vết nứt không nhiều bằng việc tăng hàm lượng sợi trong tấm.

Mặt trên của tấm

MÔ PHỎNG SỐ CHO TẤM UHPC CHỊU TẢI VA ĐẬP

Mô hình vật liệu RHT (The Riedel-Hiermaier-Thoma material model) là một mô hình chảy dẻo cho vật liệu giòn được phát triển bởi Riedel và cộng sự [34], [117], được sử dụng cho việc mô hình bê tông chịu tải trọng động. Giá trị đầu vào Q2,0 xác định tỷ lệ cường độ tại áp suất bằng 0 và hệ số BQ xác định tốc độ bề mặt phá hủy chuyển từ dạng xấp xỉ hình tam giác sang hình tròn với áp suất tăng dần như Hình 6.3. Mô hình vật liệu được hiệu chỉnh từ các thông số của vật liệu CONC140MPa – thuộc thư viện vật liệu (Engineering Data) của bài toán Explicit Dynamic trong ANSYS- AUTODYN Các thông số mặc định của mô hình RHT được Riedel và cộng sự [32], [33], [118] đề xuất.

Dựa vào kết quả thí nghiệm đã được trình bày trong Chương 4 (Thí nghiệm nén và kéo dọc trục), các giá trị cường độ được hiệu chỉnh và khai báo vào mô hình vật liệu RHT như Bảng 6.2 và Bảng 6.3. Bài toán Explicit dynamic trong phần mềm ANSYS-AUTODYN đã cho thấy sự lan truyền sóng ứng suất trong hệ, theo đó phạm vi lan truyền ứng suất trong tấm có sử dụng cốt thép ít hơn tấm không có cốt thép. - Mô hình vật liệu RHT được sử dụng khai báo cho bê tông UHPC chịu tải trọng va đập bao gồm rất nhiều thông số, trong đó có một số thông số được xác định dựa vào kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý và các thông số còn lại được lấy theo giá trị mặc định của ANSYS.

Như vậy, có thể thấy rằng điều kiện biên của mô hình chỉ mang tính chất gần đúng và có thể đó cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến sự chênh lệch kết quả của bài toán khi so sánh giữa mô hình và thực nghiệm. Trong các nghiên cứu tiếp theo, mô phỏng có thể được phát triển bằng cách cải thiện mô hình vật liệu và nghiên cứu thêm sự ảnh hưởng của điều kiện biên đến ứng xử của tấm hoặc đánh giá ứng xử cho các kết cấu thực có kích thước lớn hơn.