Cấu trúc bê tơng được nghiên cứu phát triển từ bê tơng truyền thống, cĩ cấu trúc khơng đồng nhất và sự phân bố chưa đồng đều lên đến sự lèn chặt của các cốt liệu nhỏ trong bộ khung chịu lực ở bê tơng chất lượng cao và ở bê tơng cốt sợi
chính cấu trúc phân tán các sợi ngẫu nhiên để thu nhận ứng suất kéo để cải thiện cường độ chịu nén.
Hình 2.3: Cấu trúc của cốt sợi trong bê tơng cốt sợi [42]
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sự tồn tại các sợi gián đoạn trong cấu trúc bê tơng đĩ là khả năng điều khiển quá trình sinh ra vết nứt và ngăn chặn nĩ. Việc xuất hiện vết nứt đầu tiên trong bê tơng cốt sợi cĩ ảnh hưởng lớn đến cường độ và độ dẻo dai. Theo [38] nếu muốn ngăn chặn sự phá hoại của vật liệu cần phải thỏa mãn phương trình: (*) fuVf E e Vm mu m E S Vf mu f V ! Trong đĩ: m
V : Thể tích của vật liệu nền (xi măng).
f
V : Thể tích của cốt sợi sử dụng.
m
E : Mơ đun đàn hồi của vật liệu nền (xi măng).
f
F : Mơ đun đàn hồi của cốt sợi.
fu
V : Cường độ kéo tới hạn của cốt sợi.
mu
e : Biến dạng cực đại của vật liệu nền (xi măng).
Khi bất phương trình (*) được thỏa mãn (nghĩa là thể tích sợi Vf đủ lớn), vết nứt đầu tiên xảy ra trong bê tơng cốt sợi sẽ khơng dẫn đến phá hoại và sẽ cĩ một sự
phân phối lại tải trọng tác dụng lên sợi và đá xi măng, cĩ nghĩa là tải trọng tác dụng lên vật liệu bê tơng trong vùng cĩ vết nứt sẽ chuyển qua sợi và ngay tại mép vết nứt bê tơng sẽ khơng cĩ ứng suất. Tiếp tục tăng tải trọng sẽ làm cho vết nứt tăng dần cho đến khi vật liệu nền xi măng bị phân thành nhiều mảnh. Quá trình này được gọi là quá trình phát triển vết nứt.
Tại giai đoạn đủ tải trọng xảy ra mất liên kết dọc theo mặt phân cách, nên quá trình truyền ứng suất sẽ trở thành quá trình trượt ma sát (W fu). Trong trường hợp
này sẽ cĩ chuyển vị tương đối giữa sợi và vật liệu nền, và cĩ ứng suất trượt ma sát. Ứng suất trượt bám dính (W ou) nếu vượt quá giới hạn thì bắt đầu xảy ra mất tính
bám dính giữ sợi và vật liệu nền, khi đĩ ứng suất trượt ma sát cực đại W fu xuất hiện trong vùng mất liên kết. Giá trị W fu vàW ou là khơng bằng nhau, giá trị W fu rất nhạy
với ứng suất và biến dạng. Giả thiết rằng lực kéo tuột là hằng số thì đường cong tải trọng – chuyển vị là lý tưởng.
Hình 2.4: Sơ đồ biểu diễn ứng suất trượt – chuyển vị khi chuyển từ ứng suất đàn hồi sang ứng suất trượt ma sát [42]
Theo [42] khi bê tơng cốt sợi cĩ chứa sợi chịu kéo, ở trạng thái vật liệu nền nứt. Ngay khi vật liệu nền nứt, sợi bắt cầu qua vết nứt, truyền tải trọng qua vết nứt. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phát triển vết nứt. Trong bê tơng cốt sợi, vai trị của
Ứ ng su ất trượ t Vùng mất dính bám Chuyển vị
sợi được thể hiện trong vùng cĩ xuất hiện vết nứt là cầu nối qua vết nứt của vật liệu nền. Sợi cĩ hai chức năng trong vùng cĩ vết nứt :
- Làm tăng cường độ của bê tơng cốt sợi qua vật liệu nền bằng cách truyền ứng suất và tải trọng qua vết nứt tới sợi
- Sợi làm tăng độ dẻo dai của bê tơng cốt sợi bằng việc hấp thụ năng lượng sinh ra trong quá trình mất liên kết và kéo tuột sợi.
Khả năng cơ học của bê tơng cốt sợi thường được mơ tả ở 3 trạng thái của đường cong ứng suất – biến dạng như hình 2.5
Hình 2.5: Sơ đồ ứng suất biến dạng của bê tơng cốt sợi [42]
Giai đoạn 1: giới hạn đàn hồi, đạt đến điểm nứt đầu tiên : vật liệu nền và sợi đàn hối tuyến tính
Giai đoạn 2: phát triển vết nứt, biến dạng trong bê tơng gia cố cốt sợi vượt quá biến dạng nền
Giai đoạn 3: giai đoạn sau vết nứt, trong suốt giai đoạn này sợi bị kéo dãn hay kéo tuột ra khỏi vật liệu nền.
2.2 Sự làm việc của các thành phần hạt mịn trong bê tơng nền
- Sau khi được nhào trộn, các cấu tử của hỗn hợp bê tơng được sắp xếp lại chặt chẽ hơn. Giai đoạn này gọi là hình thành cấu trúc. Các sản phẩm mới được hình thành do quá trình hydrat hĩa dần dần tăng lên, đến một lúc nào đĩ, chúng tách ra khỏi dung dịch quá bão hồ. Số lượng sản phẩm mới tách ra tăng lên đến 1 mức nào đĩ thì cấu trúc keo tụ chuyển hố cấu trúc tinh thể, làm cho cường độ của bê tơng tăng lên. Sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ sinh ra 2 hiện tượng ngược nhau: tăng cường độ và hình thành nội ứng suất trong mạng lưới tinh thể. Đĩ là nguyên nhân sinh ra vết nứt và giảm cường độ của bê tơng.
- Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ dẻo (cường độ đầu tiên) của bê tơng phụ thuộc vào thành phần của bê tơng, dạng chất kết dính và phụ gia hố học. Hỗn hợp bê tơng cứng và kém dẻo với tỷ lệ phụ gia khác nhau khơng lớn cĩ giai đoạn hình thành cấu trúc ngắn.
- Cấu trúc hỗn hợp cốt liệu tạo nên khung chịu lực cho bê tơng, cấu trúc này phụ thuộc vào cường độ bản thân hạt cốt liệu, tính chất cấu trúc như đặc tính bề mặt hạt, diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu với đá xi măng và cường độ liên kết giữa các hạt.
- Trong cấu trúc thành phần cấp phối của bê tơng cần cĩ lượng nước nhào trộn để làm nhiệm vụ cung cấp lượng nước cần thiết để xi măng thủy hĩa hồn tồn nên đá xi măng và làm cho hỗn hợp bê tơng cĩ độ linh động cần thiết để đạt độ dẻo. Lượng nước thừa sẽ bay hơi tạo ra các lỗ rỗng trong cấu trúc và làm cho vùng chuyển tiếp cĩ cấu trúc khơng đặc chắc. Vùng tiếp xúc của hồ xi măng, cốt liệu được gọi là vùng chuyển tiếp. Vùng này cĩ cấu trúc kết tinh, lỗ rỗng nhiều hơn và cĩ cường độ nhỏ hơn so với các vùng bê tơng khác. Đối với bê tơng thơng thường, vùng chuyển tiếp thường cĩ chiều dày trong khoảng 50-100 μm, chứa các lỗ rỗng
tương đối lớn và các tinh thể lớn của sản phẩm thủy hĩa nên cĩ cường độ thấp hơn so với đá xi măng ở khu vực cách xa cốt liệu. Do đĩ, khi bê tơng chịu tải trọng, ứng suất sinh ra sẽ làm xuất hiện những vết nứt trước tiên ở vùng chuyển tiếp.
Hình 2.6: Mơ hình vùng chuyển tiếp trong cấu trúc bê tơng [40]
- Khi trong vùng chuyển tiếp cịn hiện diện các lỗ rỗng và các vết nứt li ti, thì cường độ của cốt liệu khơng cịn tác dụng trong việc tạo nên cường độ chịu lực của bê tơng, vì lúc đĩ hiệu ứng truyền ứng suất giữa xi măng và cốt liệu gần như khơng cịn hiệu quả. Do đĩ, việc sử dụng các loại phụ gia làm giảm lượng nước và phụ gia
khống hạt mịn sẽ cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp, làm tăng cường độ của bê tơng.
Hình 2.7: Cấu trúc lèn chặt hạt xi măng và hạt mịn [41]
- Khi sử dụng thành phần hạt mịn, tính chất bề mặt cốt liệu cĩ thể làm tăng cường khả năng liên kết giữa cốt liệu và các thành phần khác trong hỗn hợp bê tơng. Hỗn hợp hạt mịn do kích thước hạt làm tăng diện tích bề mặt dẫn đến tăng cường độ lớp tiếp xúc do tăng khả năng liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng. Các hạt này sẽ lấp đầy lỗ rỗng mà hạt xi măng khơng lọt vào được. Đồng thời với kích thước nhỏ hơn hạt xi măng nhiều, nĩ bao bọc quanh xi măng tạo thành lớp ngăn cách khơng cho các hạt xi măng vĩn tụ lại với nhau.
- Tro bay là những phần tử hình cầu cĩ cấu trúc thủy tinh, rỗng, xốp. Hình dạng hạt và đặt trưng bề mặt của tro bay cĩ thể dùng làm thành phần khống hoạt tính để lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc của bê tơng xi măng. Tro bay là những phần tử hình cầu rỗng và rất nhẹ, cĩ thể nổi trên mặt nước. Đơi khi bên trong cấu trúc rỗng đĩ lại chứa những phần tử tro bay hình cầu khác. Bề mặt của những hạt tro bay hình cầu, rỗng ( loại tro bay cĩ hàm lượng CaO thấp ) thì trơn nhẵn và rõ hơn loại tro bay giàu CaO bề mặt được bao bọc bởi loại vật liệu giảu canxi. Tro bay
tồn tại cả các khống tinh thể lẫn các khống thủy tinh. Nĩi chung tro bay cĩ từ 15 đến 45% thành phần tinh thể. Khả năng hoạt tính hĩa của tro bay phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất cĩ thể kể đến như độ mịn, dạng tồn tại vơ định hình, thành phần khống và hĩa học.
- Microsilica là loại bột cĩ độ mịn rất cao với kích thước hạt trung bình 0,1- 0,2 micron và diện tích bề mặt riêng lên tới 15.000-20.000 m2/kg. Các hạt microsilica cĩ dạng hình cầu. Để so sánh cĩ thể nêu diện tích bề mặt riêng của xi măng là 350-500m2/kg, như vậy microsilica cĩ kích thước khoảng 100 lần nhỏ hơn hạt xi măng. Thành phần hố của microsilica chủ yếu là silica -SiO2( hơn 90%), cịn lại là các oxyt kim loại và cacbon. Mục đích chính của việc đưa các hạt mịn này vào bêtơng là để tạo nền xi măng đặc chắc với các hạt silicafume rất mịn và cĩ hoạt tính. Các hạt microsilica tham gia phản ứng pozolan với hydroxyt canxi hình thành khi xi măng thuỷ hố; do vậy làm tăng tổng các sản phẩm thuỷ hố và giảm lượng hydroxyt canxi. Khi sử dụng đúng, microsilica sẽ làm tăng cường độ và giảm khả năng thấm của bêtơng làm bêtơng trở nên bền lâu hơn. Sản phẩm đặc trưng cho tính chất của microsilica này là silicafume. Việc đưa một lượng các hạt silicafume siêu mịn vào hỗn hợp bêtơng bên cạnh tính cố kết hơn của vật liệu này cịn tạo ra hiệu ứng bơi trơn trong bêtơng do các hạt silicafume cĩ dạng hình cầu. Nhu cầu nước để duy trì tính cơng tác tăng sẽ được điều chỉnh bình thường khi bổ xung các phụ gia siêu dẻo, giảm nước hay dẻo hố. Do vậy hỗn hợp bê tơng sẽ vẫn cĩ tính dính so với hỗn hợp bê tơng thường.
CHƯƠNG 3
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1 Nguyên vật liệu Xi măng Xi măng
3.1.1
Sử dụng xi măng PC40 Hà Tiên cĩ các chỉ tiêu kỹ thuật khối lượng riêng 3,13 g/cm3 và các tính chất trình bày trong bảng.
Bảng 3.1: Thành phần tính chất cơ lý của xi măng Hà Tiên
STT Các chỉ tiêu Giá trị
1
Giới hạn bền nén khơng nhỏ hơn 3 ngày khơng nhỏ hơn 28 ngày khơng nhỏ hơn
22 (N/mm2) 42 (N/mm2) 2 Độ mịn Lượng sĩt trên sàn 0,08mm Tỉ diện tích bề mặt 9 % 2750 cm2/g 3
Thời gian ninh kết : Bắt đầu khơng sớm hơn (phút) Kết thúc khơng chậm hơn (phút)
130 240
Cốt liệulớn
3.1.2
Cốt liệu lớn được sử dụng trong thực nghiệm là đá cĩ Dmax 20mm và đá mi cĩ kích thước hạt 5-10 mm cĩ các tính chất cơ lý trình bày trong bảng.
Bảng 3.2: Các chỉ tiêu cơ lý của đá Hịn Sĩc
Stt Tên chỉ tiêu Tiêu
chuẩn Đơn vị Đá Dmax 20 mm Đá mi 1 Hàm lượng bụi bùn sét TCVN 7572 - 8:06 % 0.72 0.85 2 Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572 - 6:06 Kg/m 3 1,40 1,34
3 Khối lượng riêng TCVN
7572 - 4:06 g/cm
3
2.700 2.700
Bảng 3.3: Thành phần hạt của đá Dmax 20mm, Hịn Sĩc
Lỗ sàng (mm) Lượng sĩt riêng biệt (%) Lượng sĩt tích lũy (%)
25 0 0
20 3.2 3.2
10 59.4 62.6
5 36.3 98.9
Cốt liệu nhỏ
3.1.3
Cốt liệu nhỏ dùng trong thực nghiệm là cát cĩ các chỉ tiêu cơ lý là khối lượng riêng 2.65 g/cm3, khối lượng thể tích 1.56 g/cm3, Modun độ lớn là 2.1. Thành phần hạt của cát được trình bày trong bảng.
Bảng 3.4: Cấp phối hạt của cát
Sàng Lượng sĩt trên sàng Lượng sĩt tích lũy
(mm) (g) (%) (%) 5 3.57 0.24 0.24 2.5 7.35 0.74 0.74 1.25 18.59 1.86 2.59 0.63 87.54 8.75 11.35 0.315 464.03 46.40 57.75 0.14 346.77 34.68 92.43 <0,14 75.72 7.57 100.00
Tro bay
3.1.4
Tro bay được sử dụng cĩ chỉ tiêu cơ lý chủ yếu là khối lượng riêng 2,5 g/cm3, khối lượng thể tích 1.41 g/cm3.
Bảng 3.5: Thành phần hĩa học của tro bay thực nghiệm
Oxit Đơn vị Hàm lượng
SiO2 % 51.7 Al2O3 % 31.9 CaO % 1.21 MgO % 0.81 Fe2O3 % 3.48 SO3 % 0.25 K2O + Na2O % 1.02 MKN % 9.63 Silicafume 3.1.5
Thành phần hĩa học chủ yếu của silicafume là SiO2, các tính chất của silicafume trình bày trong bảng 3.6.
Bảng 3.6: Tính chất kỹ thuật của silicafume Hàm lượng SiO2
(%)
Độ ẩm (%) Lượng mất khi nung (%)
Tỷ diện (m2/g)
Cốt sợi
3.1.6
Cốt sợi thép dùng cho nghiên cứu bao gồm 2 loại cốt sợi cĩ hình dạng khác nhau. Tính chất và hình dạng của sợi trình bày trong bảng 3.7 và 3.8
Bảng 3.7: Thơng số về sợi thép loại 1- Sợi thép trịn, thẳng cĩ mĩc 2 đầu (Hook)
Đường kính sợi (d) 0,5mm ± 0,04mm Chiều dài sợi (L) 30mm ± 2mm
Tỉ số hình học (L/d) 60 Chiều dài mĩc (l và l’) 2 – 4 mm Chiều sâu mĩc (h và h’) 1,8mm + 0,3mm
Gĩc uốn (α và α’) 45o
Gĩc xoắn của sợi < 30o Số lượng sợi trong 1kg 17.400
Độ bền kéo >1200 N/mm2
Tiêu chuẩn ASTM A820/A820M-
Hình 3.1: Sợi loại 1 –Sợi thép trịn, thẳng cĩ 2 đầu mĩc (Hook)
Bảng 3.8: Thơng số về sợi loại 2 – Sợi thép dẹt, lượn sĩng (Crimpt). Đường kính sợi (d) 1mm ± 0,02mm
Chiều dài sợi (L) 50mm ± 1mm Tỉ số hình học (L/d) 50± 1mm
Chiều sâu sợi (w’) 0,3 – 0,5 mm
Chiều dài sĩng λ 4,0mm
Số lượng sợi trong 1kg 15.840 Độ bền kéo >750 N/mm2
Tiêu chuẩn ASTM A820/A820M-04 ;EN 14889-1
Hình 3.2: Sợi loại 2 – Sợi thép dẹt, lượn sĩng (Crimpt)
Nước
3.1.7
Nước sinh hoạt dùng để chế tạo hỗn hợp bê tơng phải tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 4506 -2012.
Phụ gia
3.1.8
Phụ gia cĩ tác dụng làm giảm lượng nước nhào trộn, tăng khả năng cơng tác của hỗn hợp bê tơng và khơng ảnh hưởng xấu đến cường độ của bê tơng. Thực nghiệm sử dụng phụ gia Sikament NN theo tiêu chuẩn ASTM C494 loại F.
- Gốc hĩa học: Naphtalen Formadehyt Sulfonat - Hàm lượng sử dụng: 0. 6 – 2 / 100 kg xi măng. - Khối lượng thể tích: 1.19 – 1.22 kg/lít
3.2 Phương pháp thí nghiệm
Phương pháp chế tạohỗn hợp bê tơng
3.2.1
Trộn cốt liệu lớn với cốt liệu nhỏ trong máy trộn, sau đĩ xi măng được thêm vào trong quá trình nhào trộn. Sợi được cho vào trong quá trình trộn với hàm lượng tính tốn trước. Hỗn hợp nước và phụ gia dẻo được nhào trộn và cho vào hỗn hợp bê tơng.
Hỗn hợp bê tơng sau khi nhào trộn được xác định độ linh động bằng cách thử độ sụt theo TCVN 3106- 1993. Sau đĩ đúc mẫu xác định các tính chất cơ lý theo TCVN3118-1993, TCVN5074-2012, TCVN 3119-1993, TCVN 8862-2011, TCVN 5276 - 1993.
Hình 3.3: Qui trình chế tạo hỗn hợp bê tơng
Tro bay, silicafume, ximang Cát Đá Nước, phụ gia
Kiểm tra kỹ thuật Rửa, Rửa, sàng Kiểm tra kỹ
Sấy khơ Sấy khơ Pha trộn
Cân định lượng NHÀO TRỘN Đúc mẫu Tháo mẫu Xác định các tính chất Đánh giá, so sánh Dưỡng hộ Sợi
Phương pháp tính tốn thành phần cốt liệu
3.2.2
- Thiết kế thành phần cấp phối bê tơng cĩ sử dụng thành phần hạt mịn tro bay và silicafume, kết hợp với phụ gia dẻo cĩ dùng các loại sợi khác nhau theo TCVN 9382-2012.
- Cốt liệu lớn sử dụng là đá mi và đá cĩ Dmax 20. Hàm lượng tro bay lần lượt là 10, 20 và 30% theo khối lượng xi măng. Hàm lượng silicafume lần lượt là 5 và 10% theo khối lượng xi măng. Hàm lượng sợi loại 1, loại 2 lần lượt là 0.1, 0.2, 0.5 và 1% theo thể tích hỗn hợp bê tơng. Thành phần cấp phối bê tơng thực nghiệm được trình bày trong bảng 3.9.
Bảng 3.9: Thành phần cấp phối bê tơng thực nghiệm Ký hiệu mẫu Xi măng (kg) Tro bay (kg) Silicafume (kg) Cát (kg) Đá (kg) Phụ gia (lít) Nước