Cốt sợi PP đó đem lại cho bờ tụng nhiều tớnh chất đặc biệt, hệ thống nhiều pha của bờ tụng và sợi hỡnh thành hệ thống đàn hồi - dẻo. Ưu điểm chớnh của hệ thống này là sự
phỏt triển khả năng chịu tải trước và sau khi hỡnh thành vết nứt trong cấu kiện bờ tụng, khỏc hẳn so với tỡnh trạng của bờ tụng thường sau khi đó cú vết nứt đầu tiờn.
Trong cỏc ứng dụng làm mặt đường, mặt sàn, làm cấu kiện đỳc sẵn, làm bờ tụng phun, cỏc ứng suất trong bờ tụng được phõn bố ngẫu nhiờn và bịảnh hưởng bởi cỏc điều kiện tỏc động của ngoại lực. Do đú khụng thể xỏc định trường ứng suất thực tế và đặt một hay hai lớp cốt thộp ở những vị trớ cốđịnh trong khi ứng suất thay đổi từ trờn đỉnh
đến đỏy cấu kiện. Cỏc điều kiện đặt tải như tải trọng chu kỳ, biến đổi nhiệt độ, lực cắt, lực xung kớch, co ngút đó phỏt triển sự phõn bố ngẫu nhiờn ứng suất trong bờ tụng.
Sự phõn bố ngẫu nhiờn cỏc loại sợi trong bờ tụng đảm bảo rằng ứng suất được phõn bố lại trong toàn khối vật liệu nền bờ tụng. Cỏc vi vết nứt mà cú thể phỏt triển thờm do ứng suất sẽ bị cỏc sợi ngăn chặn lại trong toàn thể tớch vật liệu bờ tụng cốt sợi của cấu kiện. Như vậy, cỏc vết nứt nhỏ bị khõu lại trước khi phỏt triển thành cỏc vết nứt lớn hơn mà cú thể gõy hư hại cho kết cấu.
Tớnh chất của bờ tụng đụng cứng được cải thiện một cỏch đỏng kể thụng qua việc thờm một cỏch đỏng kể thụng qua việc thờm vào bờ tụng một thể tớch cốt sợi thớch hợp. Sợi sẽ làm việc cú hiệu quả nếu chỳng được liờn kết theo phương của ứng suất kộo chủ
và nếu khoảng cỏch giữa cỏc sợi càng nhỏ càng tốt. Nhõn tố quan trọng nhất đối với sự
hỡnh thành vết nứt chớnh là khoảng cỏch cực đại thực tế giữa cỏc sợi. Như vậy, phõn phối và định hướng sợi phải càng đồng dạng càng tốt bởi vỡ như vậy sẽ sản sinh tớnh
đồng nhất vĩ mụ và tớnh chất đẳng hướng trong vật liệu. Đõy chớnh là ảnh hưởng của sợi phõn tỏn cú thểđược khai thỏc trong thực hành, trong khi thực tế khụng thể thực hiện
được việc kiểm tra toàn diện một kết cấu xõy dựng.
Cỏc sợi ảnh hưởng đến cường độ kộo, cường độ cắt và nộn, tớnh chất của vết nứt và quỏ trỡnh biến dạng của bờ tụng. Những sự biến đổi, những thành phần khỏc trong quỏ trỡnh trộn bờ tụng hoặc quỏ trỡnh sử dụng bờ tụng cú thể cú ảnh hưởng quan trọng
đối với tớnh chất này. Đặc trưng hỡnh học của những cấu kiện và điều kiện thớ nghiệm cũng cú một ảnh hưởng quan trọng và phải được tớnh đến bằng cỏc hệ số tớnh toỏn.
Như bờ tụng thụng thường, những tỏc động của mụi trường ảnh hưởng đỏng kể đến tớnh chất của bờ tụng cốt sợi đó đụng cứng. Ảnh hưởng này cú thế xuất hiện do sự
bốc hơi nước bề mặt, do quỏ trỡnh rửa trụi bề mặt ngoài, do tải trọng xung kớch, tải trọng lặp hay cỏc tỏc động hoỏ học khỏc. Như vậy, quỏ trỡnh bảo dưỡng bờ tụng đụng cứng cú một vị trớ rất quan trọng đểđảm bảo chất lượng của kết cấu.
a) Ảnh hưởng của sợi đến khả năng phỏt triển vết nứt của bờ tụng
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sự tồn tại cỏc sợi polypropylene trong vật liệu bờ tụng đú là chỳng cú thể điều khiển quỏ trỡnh phỏt triển vết nứt. Chỳng làm chậm quỏ trỡnh phỏt triển vết nứt và khi vết nứt đó mở rộng thỡ chỳng cú vai trũ phõn phối lại tải trọng trong vựng nứt. Như vậy, cỏc sợi polypropylene cú ảnh hưởng đỏng kểđến trạng
thỏi biến dạng của kết cấu bờ tụng trước khi xuất hiện vết nứt và sau khi đó xuất hiện vết nứt. Phạm vi ảnh hưởng đến sự biến dạng của bờ tụng phụ thuộc vào hỡnh dạng sợi, hàm lượng sợi và tớnh chất của tải trọng.
Cỏc sợi polypropylene phõn tỏn cũng cải thiện quỏ trỡnh phõn phối vết nứt. Trong quỏ trỡnh chịu tỏc dụng của tải trọng và ứng suất, số lượng vết nứt tăng trong vật liệu cú tăng thờm nhưng chiều rộng và khoảng cỏch giữa cỏc vết nứt sẽ giảm đi. Theo [21] việc tăng cường cốt sợi phõn tỏn chủ yếu làm tăng thờm cường độ sau nứt của bờ tụng, cũn cường độ trước khi nứt của chỳng tăng khụng đỏng kể. Cường độ trước khi nứt của bờ tụng chủ yếu phụ thuộc vào số lượng của sợi, khụng phụ thuộc vào kiểu sợi.
Trạng thỏi sau phỏ hủy của bờ tụng cũng được cải thiện một cỏch đỏng kể. Theo [21], biến dạng khi phỏ hủy của bờ tụng cốt sợi cú thể tăng lờn tới 10 lần đối với vật liệu thụng thường. Như vậy, với cấu trỳc cú cốt sợi sẽ làm tăng thờm khả năng làm việc của kết cấu sau khi phỏ hủy.
b) Ảnh hưởng của cốt sợi đến khả năng chịu kộo khi uốn của bờ tụng
Khi vật liệu chịu tải trọng uốn, toàn bộ mặt cắt tiết diện cựng tham gia chịu lực, biểu đồ biểu diễn quỏ trỡnh biến dạng là một hỡnh chữ nhật được chia thành hai vựng gồm vựng kộo và vựng nộn.
Theo [21] bờ tụng cốt sợi cú thể làm việc hiệu quả trong trường hợp kết cấu chịu
ứng suất uốn. Với cỏc loại bờ tụng thường khụng sử dụng cốt sợi, khi tải trọng uốn tăng lờn, trục trung hũa của tiết diện chịu lực sẽ nõng dần lờn, diện tớch chịu nộn sẽ giảm dần. Trong thớ chịu kộo, ứng suất kộo đạt đến cường độ chịu kộo khi uốn của bờ tụng thỡ vết nứt bắt đầu xuất hiện. Chỳng được mở rỗng đến giỏ trị cực đại và kết cấu bị phỏ hoại.
Nhưng đối với bờ tụng cú sử dụng cốt sợi phõn tỏn, khi ứng suất kộo trong thớ bờ tụng chịu kộo đạt đến giỏ trị cực đại, trong cấu trỳc vật liệu cũng bắt đầu xuất hiện vết nứt. Khi đú cốt sợi phõn tỏn đồng đều trong cấu trỳc sẽ khụng cho vết nứt mở rộng, làm tăng khả năng chịu kộo của tiết diện và lỳc này một sự cõn bằng mới được thiết lập trong vật liệu.
Dựa trờn cơ chế này ta thấy, bờ tụng sử dụng cỏc loại cốt sợi phõn tỏn núi chung cú khả năng chịu tải trọng tốt hơn hẳn so với bờ tụng thụng thường.
Theo [21] quan hệ giữa ứng suất uốn và độ vừng của bờ tụng dựng cốt sợi thộp phõn tỏn và bờ tụng thường khụng sử dụng cốt sợi được thể hiện như sau:
50 100 100 100 50
400
Mẫu bê tông
P
100
Hỡnh 2.2. Thớ nghiệm xỏc định cường độ kộo khi uốn của bờ tụng
Độ võng ε Tải trọng 1 2 3 4 P Hỡnh 2.3. Quan hệ giữa ứng suất uốn và độ vừng của bờ tụng dựng cốt sợi Dựa vào biểu đồ ta thấy:
− Đường (1) thể hiện sự phỏ hủy của bờ tụng thụng thường, trong đú sự phỏ hủy xảy ra ngay sau khi cường độ vết nứt vượt quỏ giới hạn cho phộp
− Đường (2) thể hiện sự phỏ hủy của bờ tụng sử dụng cốt sợi thộp cú hàm lượng nhỏ (0,7% thể tớch), khả năng liờn kết của sợi với nền xi măng kộm, sợi cú chiều dài lớn làm cho sợi bị cắt đứt trước khi sợi phỏt huy được hết khả năng chịu kộo của nú.
− Đường (3) và (4) thể hiện sự chịu kộo rất tốt của bờ tụng, trong đú cấu trỳc của bờ tụng được bổ sung cỏc loại sợi cú tớnh liờn kết tốt và khả năng chịu kộo cao do sợi được bẻ neo hai đầu hoặc được uốn múc.
2.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG Bấ TễNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY
2.3.1. Cấu trỳc bờ tụng hạt mịn chất lượng cao
Bờ tụng chất lượng cao khụng chỉ cú cường độ nộn cao mà cũn đạt nhiều tớnh năng quan trọng khỏc như: Độ bền trong mụi trường chịu tỏc động hoỏ học cao, bền băng giỏ, tớnh thấm rất thấp, ổn định thể tớch tốt,… Vỡ vậy, loại bờ tụng này đỏp ứng đầy
Bờ tụng núi chung và bờ tụng chất lượng cao núi riờng là một loại vật liệu khụng
đồng nhất gồm 3 pha: Đỏ xi măng; cốt liệu và vựng chuyển tiếp giữa cốt liệu và đỏ xi măng. Do vậy, cấu trỳc của bờ tụng do ba pha này hợp thành quyết định đến cỏc tớnh chất của bờ tụng sau này.
2.3.1.1. Cấu trỳc thành phần hạt của bờ tụng hạt mịn chất lượng cao
Cấu trỳc hỗn hợp cốt liệu tạo nờn khung xương chịu lực cho bờ tụng [7], [10], [12], [13], cấu trỳc này phụ thuộc vào cường độ bản thõn hạt cốt liệu, tớnh chất cấu trỳc (đặc tớnh bề mặt hạt, diện tớch tiếp xỳc giữa cỏc hạt cốt liệu với đỏ xi măng và cường độ
liờn kết giữa cỏc hạt). Thụng thường, cường độ bản thõn hỗn hợp cốt liệu cú cấp phối hạt mịn hợp lớ đó đồng thời giải quyết được cỏc chức năng:
+ Tăng diện tớch tiếp xỳc giữa cỏc hạt cốt liệu.
+ Khụng gian hở (độ rỗng xốp) trong bộ khung là nhỏ nhất và kớch thước lỗ rỗng xốp bộ được phõn bốđồng đều.
+ Chiều dày của liờn kết hồ xi măng với cỏc hạt cốt liệu là hiệu quả nhất (chỉ
nhằm mục đớch liờn kết).
Đối với bờ tụng hạt mịn chất lượng cao việc nghiờn cứu lựa chọn một cấp phối cốt liệu tối ưu đó đảm bảo cho bờ tụng đồng thời thoả món cỏc yờu cầu sau:
- Cường độ của cốt liệu: Trong bờ tụng thường, vỡ lượng nước nhào trộn quỏ lớn so với lượng nước cần thiết để xi măng thuỷ hoỏ hoàn toàn nờn đỏ xi măng và vựng chuyển tiếp giữa đỏ xi măng và cốt liệu cú cấu trỳc khụng đặc chắc, trở thành khõu yếu nhất trong cấu trỳc bờ tụng. Do đú, việc lựa chọn một loại cốt liệu nhất định cú cường
độ cao là khụng cần thiết.
- Đối với bờ tụng hạt mịn chất lượng cao, bằng cỏc biện phỏp thớch hợp cú thể làm cho đỏ xi măng và vựng chuyển tiếp đạt cường độ rất cao, nờn khung cốt liệu cú cường
độ thấp thỡ sẽ là khõu yếu nhất trong cấu trỳc bờ tụng. Điều này tương tự như trong bờ tụng nhẹ cốt liệu rỗng. Tuy nhiờn, với hỗn hợp cốt liệu mịn, cỏc hạt cú kớch thước bộ nờn độđồng đều và cường độ tốt tạo khung hỗn hợp cốt liệu cú cường độ cao.
- Thành phần hạt của cốt liệu: Cựng với việc tớnh toỏn hợp lý thành phần bờ tụng
và biện phỏp thi cụng tốt sẽ tạo cho loại bờ tụng hạt mịn cú bộ khung cốt liệu chịu lực
ổn định, hàm lượng lỗ rỗng thấp nhất, kớch thước lỗ rỗng nhỏ và được phõn bốđều, tăng tớnh chống thấm và cấu trỳc bờ tụng đồng nhất cao cho bờ tụng. - Tớnh chất bề mặt cốt liệu đó làm tăng cường khả năng liờn kết giữa cốt liệu và cỏc thành phần khỏc trong hỗn hợp bờ tụng hạt mịn do kớch thước hạt cốt liệu mịn đó làm tăng diện tớch bề mặt dẫn đến tăng cường độ lớp tiếp xỳc do tăng khả năng liờn kết giữa cốt liệu và đỏ xi măng. 2.3.1.2. Cấu trỳc vi mụ đỏ xi măng
Khi cỏc hạt xi măng tiếp xỳc với nước, cỏc khoỏng trong xi măng sẽ hoà tan vào dung dịch, pha lỏng sẽ bóo hoà với cỏc ion khỏc nhau, trong dung dịch cỏc ion kết hợp với nhau tạo thành cỏc sản phẩm thuỷ hoỏ lấp đầy cỏc khoảng trống tăng độ đặc chắc của đỏ xi măng. Tại bất kỡ thời điểm nào của quỏ trỡnh thuỷ hoỏ, những khoảng trống chưa được lấp đầy giữa cỏc hạt xi măng sẽ bao gồm cỏc hốc, cỏc lỗ rỗng mao quản. Cựng với sự thuỷ hoỏ của xi măng và giảm độ rỗng mao quản thỡ sự truyền ẩm trong hệ
sẽ ngày khú khăn. Do đú, quỏ trỡnh thuỷ hoỏ tiếp theo của cỏc hạt xi măng cú kớch thước lớn hơn sẽ rất chậm thụng qua cỏc phản ứng pha rắn.
Theo [11], cấu trỳc của đỏ xi măng gồm những sản phẩm hyđrỏt khỏc nhau, trong
đú nhiều nhất là cỏc sợi silicat thuỷ hoỏ C-S-H và Ca(OH)2 kết tinh dạng khối tấm lục giỏc, chỳng chồng lờn nhau và cỏc hạt xi măng chưa được thuỷ hoỏ. Độ rỗng của đỏ xi măng trong khoảng 25 ữ 30% theo thể tớch với cựng một tỷ lệ
X N
= 0,5. Hệ thống lỗ
rỗng này gồm hai loại:
- Lỗ rỗng do cấu trỳc C-S-H, kớch thước khoảng vài μm.
- Lỗ rỗng mao quản giữa cỏc hyđrat, bọt khớ, khe rỗng, kớch thước của chỳng từ
vài μm đến vài mm. Khi bờ tụng chịu lực trong cấu trỳc xuất hiện những vết nứt cũng làm tăng độ rỗng của đỏ xi măng.
Cỏc sản phẩm thuỷ hoỏ tạo thành ở cỏc giai đoạn đầu quỏ trỡnh kết tinh khi trong hệ xi măng - nước cũn rất nhiều nước và khoảng trống là những cụm tinh thể lớn gọi là sản phẩm thuỷ hoỏ ngoài. Cỏc sản phẩm thuỷ hoỏ ngoài sắp xếp khụng chặt chẽ và cú
kớch thước tinh thể lớn. Ngược lại, cỏc sản phẩm thuỷ hoỏ sinh ra từ phản ứng pha rắn tạo thành ngay trờn bề mặt hạt xi măng được gọi là sản phẩm thuỷ hoỏ trong. Cỏc sản phẩm này sắp xếp chặt chẽ hơn và kết tinh kộm hơn so với sản phẩm thuỷ hoỏ ngoài.
Theo [10], cỏc sản phẩm thuỷ hoỏ cú mức độ kết tinh càng thấp và sắp xếp càng chặt chẽ thỡ cường độ xi măng càng cao. Do đú, để tăng cường độđỏ xi măng thỡ cần tạo
được cấu trỳc chứa nhiều sản phẩm thuỷ hoỏ trong bằng cỏch triệt tiờu sản phẩm thuỷ
hoỏ ngoài. Cường độđỏ xi măng phụ thuộc vào cỏc yếu tố sau:
+ Độ rỗng: Cỏc lỗ rỗng trong đỏ xi măng cú kớch thước lớn hơn 50àm, nhất là khi chỳng tập trung tại một khu vực sẽ cú ảnh hưởng xấu đến cường độ. Trong bờ tụng hạt mịn chất lượng cao, tỷ lệ
X N
của hồ xi măng rất thấp, cỏc hạt xi măng sẽ xớch lại gần nhau hơn, độ rỗng mao quản và cỏc khoảng trống tự do giảm và phõn bốđều, cỏc sản phẩm thuỷ hoỏ dễ dàng đan xen với nhau tạo thành cầu nối liờn kết giữa cỏc hạt xi măng. Điều này giải thớch tại sao bờ tụng hạt mịn sẽ phỏt triển cường độ nhanh hơn. Mặt khỏc khi cỏc hạt xi măng xớch lại gần nhau và liờn kết với nhau nhanh thỡ sự truyền ẩm trong hệ sẽ trở nờn khú khăn hơn, thỳc đẩy sự hỡnh thành cỏc sản phẩm thuỷ hoỏ.
+ Kớch thước hạt: Núi chung, cường độ của pha tinh thể tăng lờn khi giảm kớch thước hạt. Ởđõy, đỏ xi măng được coi là vật liệu cú cấu trỳc tinh thể, khi tỉ lệ
X N
giảm sẽ thỳc đẩy sự hỡnh thành cỏc sản phẩm thuỷ hoỏ trong được đặc trưng bằng cấu trỳc mịn; quan sỏt trờn kớnh hiển vi thấy đỏ xi măng khụng chứa cỏc tinh thể Ca(OH)2 dạng phiến lục giỏc.
+ Độđồng nhất: Trong vật liệu nhiều pha sự khụng đồng nhất về mặt cấu trỳc là nguyờn nhõn làm giảm cường độ.
2.3.1.3. Cấu trỳc vựng chuyển tiếp đỏ xi măng - cốt liệu
Trong hỗn hợp bờ tụng khi tạo hỡnh thường hay xuất hiện một lớp nước trờn bề
mặt bờ tụng. Đú là do cỏc hạt cốt liệu nặng hơn cú xu hướng chỡm xuống đỏy. Cũn nước nhẹ hơn nổi lờn trờn bề mặt. hiện tượng này gọi là sự tỏch nước. Nước cũng cú thể tập trung dưới cỏc hạt cốt liệu hoặc thanh cốt thộp, gõy ra hiện tượng tỏch nước bờn trong. Kết quả là tỷ lệ
X N
Cấu trỳc của vựng tiếp xỳc đỏ xi măng - cốt liệu cú ý nghĩa quyết định cường độ
và cỏc đặc tớnh bền của kết cấu trong cụng trỡnh.
Vựng chuyển tiếp của đỏ xi măng và cốt liệu trong bờ tụng thường, gọi là vựng