Cường độ chịu kéo trực tiếp là một thuộc tính quan trọng ảnh hưởng đến sự làm việc cắt của dầm BTCST. Thí nghiệm kéo trực tiếp để xác định cường độ chịu kéo của BTCST được lấy theo ACI 544 2R 99 [27] và RILEM TC 162 TDF [104].
Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo trực tiếp của BTCST là quá trình khĩ thực hiện. Vấn đề là kích thước mẫu khơng đủ lớn để các sợi cĩ thể sắp xếp, phân bố giống với dầm cĩ kích thước thật [70]. Các thí nghiệm khơng cĩ sự thống nhất, khĩ đánh giá chính xác được sự làm việc thực của BTCST. Khi thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu được kẹp giữ chặt vị trí cuối mẫu nên mẫu dễ bị vỡ hoặc bị trượt do kẹp khơng đủ chặt. Nĩi chung, rất khĩ thực hiện thí nghiệm này. Chính vì vậy các thí nghiệm kéo trực tiếp hiếm khi được thực hiện. Trước đây, một số nghiên cứu đã dùng thí nghiệm này để đánh giá độ rộng vết nứt giới hạn, biến dạng tương đối của mẫu BTCST và biến dạng mềm thơng thường của vật liệu.
Shah (1978) đã thí nghiệm kéo trực tiếp các mẫu bê tơng xi măng cốt sợi thép thẳng, sợi mĩc câu và sợi cĩ đầu mở rộng. Kết quả được sử dụng trong tiêu chuẩn ACI544-4R88 [32] như Hình 1.3.
Hình 1.3. Biểu đồ úng xuất- biến dạng của thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu BTCST [32]
Sử dụng mẫu thử tiêu chuẩn, với chiều dài tính tốn là 200mm, chiều rộng tính tốn tại đoạn đo là 70mm, Lim và các cộng sự [83] đã thí nghiệm đánh giá tính chất của bê tơng cốt sợi thép với hai loại sợi là sợi thẳng và sợi uốn mĩc ở hai đầu, bê tơng cĩ cốt liệu kích thước lớn nhất là 10mm, khơng rõ chiều dày mẫu. Kết quả cho thấy, cùng loại sợi mĩc câu, khi hàm lượng sợi tăng lần lượt 0,5%, 1%, 1.5% thì lực kéo khi phá hủy lần lượt là: 6KN, 12 KN, 18 KN. Tương tự thí nghiệm giữ nguyên hàm lượng sợi 1%, tăng chiều dài sợi từ 300mm lên 500 mm thì lực kép phá hủy lần lượt là 12 và 17 KN
Noghabai [97] đã thí nghiệm mẫu chịu kéo hình trụ cĩ cắt khấc kích thước: đường kính 70mm, cao 85mm như Hình 1.4. Sợi thép được sử dụng là loại sợi uốn mĩc 2 đầu, bê tơng cĩ cường độ cao, vết nứt được đo trên đoạn chiều dài 30 mm giữa mẫu. Cường độ chịu kéo sau nứt và cường độ khi bắt đầu nứt tăng.
Hình 1.4. Mẫu thử và đồ thị mối quan hệ giữa ứng suất- độ biến dạng sau nứt [32]
Cư ờng đ ộ ch ịu kéo, ps i Biến dạng kéo dọc trục, mm
Sợi thẳng Sợi uốn mĩc Sợi mở rộng hai đầu
Ứ ng xu ất kéo ,MPa Biến dạng dọc.mmm
+ Cường độ khi bắt đầu nứt và mơ đun đàn hồi của vật liệu BTCST phụ thuộc vào hàm lượng cốt sợi, khi hàm lượng cốt sợi tăng thì cĩ sự gia tăng khơng đáng kể cường độ ở vết nứt đầu tiên và mơ đun đàn hồi, khoảng 5%.
+ Cường độ chịu kéo sau nứt của BTCST với sự sắp xếp sợi theo hai hoặc ba hướng: Sau khi pha nền bị nứt, lực dính bám mất đi, sợi thép cĩ xu hướng kéo tuột ra khỏi chất nền. Naaman and Reinhardt [34] đã đề xuất cường độ chịu kéo sau nứt cĩ thể tính tốn dựa theo lực dính bám trung bình, chiều dài dính bám và số sợi cắt ngang qua đơn vị diện tích như phương trình(1-1)
1 2 3 2 3 2 3 ( ) f f pc f f f f f V L L D V D D (1-1)
Trong đĩ: 1, 2là hệ số ảnh hưởng chiều dài và hướng sợi tương ứng ở trang thái sau nứt; 3là hệ số kết hợp của số sợi cắt ngang qua đơn vị diện tích, ví dụ như theo Naaman, 1972 và Aveston cùng các cộng sự, 1974, nếu chiều dài neo của sợi thép là Lf/4 thì 1là 0,25; 2 số lượng sợi đi qua một đơn vị diện tích tương ứng là 2 f2
f
V D
cho trường hợp phân bố ba phương; λ3 bằng 2, hệ số hướng sợi sau
khi nứt bằng 1,2 theo Naaman and Reinhardt; τ là lực dính bám giữa sợi thép và bê tơng; Lf là chiều dài sợi thép; Df là đường kính cua cốt sợi thép; Vf là hàm lượng sợi thép.
Cường độ tới hạn sau nứt của BTCST được xác định như(1-2). 0, 6 f f pc f V L D (1-2) 1.2.3.Cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén của BTCST được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C39.Tác động của cốt sợi thép đối với độ bền nén của bê tơng dường như khơng đáng kể. Tuy nhiên, độ dẻo được tăng cường một cách đáng kể do sự tăng thể tích và tỉ lệ của cốt sợi đã được sử dụng. Fanella và Naaman mơ tả một xu hướng tương tự với cả tỉ lệ thể
tích lên tới 3%. Shah cũng thể hiện sự ảnh hưởng của việc tăng hàm lượng sợi liên quan tới độ dẻo của cấu kiện bê tơng cốt thép chịu nén.
Độ dẻo là số đo khả năng hấp thụ năng lượng trong quá trình biến dạng. Nĩ cĩ thể được ước tính từ diện tích bên dưới đồ thị biến dạng - tải trọng. Chỉ số độ dẻo (TI) được tính theo cơng thức sau.
TI = 1,421 RI + 1,035 (1-3)
Trong đĩ:
RI - Chỉ số cốt sợi thép, RI = Vf (Lf/Df);
Vf - Hàm lượng cốt sợi theo thể tích, %;
Lf/Df - Hệ số tỷ lệ kích thước
Lf - Chiều dài sợi, mm
Df - Đường kính sợi, mm
Hệ số Lf/Df thể hiện tương quan giữa chiều dài sợi và đường kính sợi. Với sợi thép tỷ lệ này cĩ thể là 45/35, 65/60, 65/35, 80/60 với Lf/Df =45, 65, 80. Khi thể tích của cốt sợi thép là cố định, nếu thay đổi loại thép (Lf/Df thay đổi) thì độ dai của mẫu thử cũng tăng theo tỷ lệ Lf/Df.
1.2.4.Cường độ chịu uốn
Các mẫu được thí nghiệm uốn 4 điểm (gối trịn) với hình lăng trụ khơng cĩ khấc. Chiều dài giữa các gối bằng 3 lần chiều cao của lăng trụ. Nguyên tắc này thích ứng với các đề xuất của tiêu chuẩn RILEM-162-TDF (Pháp) phù hợp với tiêu chuẩn NBN B15238 (Anh), JSCE-SF4 (Nhật Bản). Theo hướng dẫn của ASTM C1018 khẳng định mơ hình làm việc của dầm sau khi nứt cĩ ứng xử đàn hồi dẻo. Những nhận xét này là cơ sở cho việc khẳng định sự làm việc của BTCST sau nứt là ứng suất giảm dần.
Hình 1.5. Ứng xử uốn của bê tơng cốt sợi thép [40]
Độ võng (mm) Ứ ng xu ất u ốn,
Cốt sợi tăng cường tác động đến độ lớn của cường độ chịu uốn của bê tơng. Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn tải trọng gây nứt trong đồ thị độ võng tải trọng và giai đoạn kiểm sốt thứ 2 là giai đoạn tải trọng cực hạn. Cả tải trọng gây nứt đầu tiên và tải trọng cực hạn đều bị ảnh hưởng do hàm lượng sợi (Vf)và tỉ lệ kích thước (Lf/Df). Nếu hàm lượng sợi ít hơn 0,5% thể tích khối vữa và tỉ lệ kích thước ít hơn 50 thì cốt sợi ảnh hưởng nhỏ đến cường độ chịu uốn mặc dù chúng vẫn cĩ thể cĩ ảnh hưởng đến độ dẻo của bê tơng.
Các kết quả nghiên cứu ở trường Đại học Giao thơng Vận tải trên kết cấu dầm BTCST cho thấy cường độ chịu kéo uốn tăng lên từ 15-20 % [15].
1.2.5.Độ bền cắt
Do sợi phân bố ngẫu nhiên trong khối vữa tăng cường ứng suất chủ của dầm bê tơng. Khi sử dụng 1,66% sợi thép thẳng thay cho cốt thép đai, khả năng chịu cắt tăng lên 45% [22]. Khi sử dụng cốt sợi thép với 2 đầu được làm biến dạng với hàm lượng theo thể tích là 1,1%, khả năng chịu cắt tăng lên 45-67%. Sử dụng cốt sợi 2 đầu uốn cong làm tăng khả năng chịu cắt gần như 100% [15].
Theo Estefanía Cuenca [48] cốt sợi thép làm tăng cường độ chịu cắt của bê tơng. Khi sử dụng cốt sợi thép, khả năng chịu tải trọng của dầm tương ứng với vết nứt đầu tiên. Ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu cắt phụ thuộc vào các yếu tố như: thuộc tính của pha nền, thuộc tính của sợi, lực dính bám giữa sợi và chất nền, hàm lượng sợi…
Narayanan và Darwish [95] cho rằng lực cắt tới hạn tăng khi tỷ số hình dạng sợi tăng, đồng thời cũng khẳng định rằng hàm lượng sợi tăng thì cường độ chịu cắt được cải thiện khơng nhiều. Các tác giả khác như Lim và Oh [99] đã chỉ ra rằng cường độ chịu cắt tăng đáng kể với chỉ hàm lượng sợi thép rất nhỏ. Thậm chí sợi cịn làm thay đổi mơ hình phá hủy do cắt. Nhiều tác giả khác như đã phân tích ở phần trước đã khẳng định rằng cường độ chịu cắt tăng khi hàm lượng sợi tăng. Lim và các cộng sự cịn khẳng định rằng với hàm lượng sợi thép từ 0%-2% cường độ chịu cắt của BTCST tăng đến 100% so với BT thường.
1.2.6.Co ngĩt và từ biến
Khơng cĩ tiến triển nào trong việc làm co ngĩt và từ biến bê tơng xảy ra khi cho thêm sợi nhưng cĩ lẽ cĩ một sự giảm nhẹ do nhu cầu về vữa trong hỗn hợp khi sợi được sử dụng. Gãy nứt do co ngĩt khơ trong các nhân tố giới hạn cĩ thể được tăng nhẹ bởi vì các vết gãy nứt bị hạn chế phát sinh do ảnh hưởng bắc cầu của cốt sợi phân bố ngẫu nhiên.
1.2.7.Ảnh hưởng của cốt sợi thép đến tính chất cơ học BTCST
Các thuộc tính cơ học của bê tơng cốt sợi chịu ảnh hưởng của một số thơng số chủ yếu như: Loại sợi; chiều dài sợi; hình dạng sợi; hàm lượng sợi tính theo thể tích (Vf); khoảng cách giữa các cốt sợi (s); độ bền của khối vữa hoặc bê tơng; kích cỡ, hình dạng của mẫu.
Chiều dài sợi tiêu chuẩn: Thơng số chiều dài
Nếu Lf là chiều dài tiêu chuẩn của một sợi bị đứt và khơng bị kéo tuột khi vết nứt chia cắt sợi ở điểm giữa của nĩ thì nĩ cĩ thể được tính gần đúng bằng cơng thức sau: 2 f f f b D L (1-4)
Trong đĩ: Df- đường kính sợi;
νb - cường độ dính bám bề mặt của cốt sợi thép và bê tơng; σf - cường độ chịu kéo của sợi.
Ảnh hưởng chiều dài cốt sợi thép đến ứng xử của BTCST
Yếu tố chiều dài sợi là thơng số liên quan đến biến dạng (Ɛ) và độ mở rộng vết nứt (w). Chiều dài cốt sợi là biểu thị khoảng cách vết nứt được đưa vào cơng thức tính tốn. Chiều dài sợi phụ thuộc vào các yếu tố như loại sợi, hàm lượng sợi, cường độ của chất nền, hình dạng mặt cắt dầm, sự tham gia của cốt thép dọc, loại tải trọng vì vậy khĩ cĩ thể đạt được sự thống nhất khi tính tốn chiều dài đĩ [48].
Hình 1.6. Mối liên hệ giữa chiều dài sợi (Lf) và độ mở rộng vết nứt (w) với mơ men trong dầm theo tác giả De-Montaignac và các cộng sự [53]
Hình 1.6 chỉ ra ảnh hưởng của chiều dài sợi tới ứng xử của dầm bê tơng CST cĩ tiết diện chữ nhật kích thước rộng 15cm, cao 40cm với chiều dài sợi thay đổi từ h/4 tới 2h (h là chiều cao dầm). Theo đĩ cho thấy, tăng chiều dài cốt sợi thì giảm cường độ chịu uốn, theo đĩ vết nứt do mơmen rơng hơn. Đối với dầm bê tơng cốt sợi, một số nhà nghiên cứu cho rằng nên chọn chiều dài cốt sợi là khơng đổi, một số khác lại cho rằng chiều dài sợi nên thay đổi phù hợp với mức độ tải trọng. De-Montaignac và các cộng sự [53] cũng khẳng định: Sợi thép với hàm lượng cao (0.75% -1.5%) ứng xử của bê tơng cốt sợi là tốt nhất, tăng độ cứng chống uốn cho dầm, hạn chế độ mở rộng vết nứt và tăng ứng xử dẻo. Nếu ứng xử của kết cấu được điều chỉnh bởi độ mở rộng tối đa của vết nứt, việc sử dụng loại sợi cĩ chiều dài khơng đổi cho kết quả phù hợp với thử nghiệm.
Khoảng cách sợi tiêu chuẩn
Khoảng cách giữa các cốt sợi (s) ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển vết nứt của đá ximăng. Khoảng cách càng gần thì tải trọng nứt ban đầu của đá ximăng càng cao. Điều này là do cốt sợi giảm hệ số nhạy cảm ứng suất và hệ số này ảnh hưởng đến sự xuất hiện vết nứt. Giải pháp được thực hiện bởi Romualdi và Batson để tăng
Độ mở rộng vết nứt,mm Mơ men, KN.m Lf =h/4 Lf =h/2 Lf = 2h Lf =h
cường độ chịu kéo của phần vữa bằng cách tăng hệ số nhạy cảm ứng suất thơng qua việc giảm khoảng cách giữa các cốt sợi giống như là việc kìm hãm vết nứt.
1.0 1.38 f f s D V (1-5) Trong đĩ:
Df - đường kính của cốt sợi;
Vf - Hàm lượng cốt sợi,
Ảnh hưởng của hàm lượng sợi theo thể tích
Hàm lượng sợi thường nhỏ hơn 2%. Hàm lượng sợi cao là trên 2% ít được sử dụng. Hướng của sợi tăng cường sẽ liên quan đến tải trọng quyết định tính hiệu quả mà sợi được định hướng một cách ngẫu nhiên cĩ thể chống lại sức căng theo hướng của nĩ. Nếu chọn ngẫu nhiên, hệ số hiệu quả là 0,41l, tuy nhiên cĩ thể dao động giữa 0,33l và 0,65l gần với bề mặt của vật mẫu khi trát bằng tay hoặc san bằng cĩ thể làm thay đổi hướng của thớ sợi.
Ảnh hưởng của loại sợi với bê tơng: Khả năng truyền tải trọng của cốt sợi phụ thuộc vào mơ đun đàn hồi của sợi. Nếu mơ đun đàn hồi của sợi lớn hơn mơ đun đàn hồi của hồ lúc nứt nẻ, khi đĩ sợi cĩ tác dụng hạn chế biến dạng tương ứng với một độ mở rộng vết nứt nhỏ. Ngược lại nếu mơ đun đàn hồi của sợi nhỏ hơn mơ đun đàn hồi của phần hồ thì việc hạn chế các vết nứt khơng chấp nhận được. Như vậy, khi lựa chọn các loại sợi thì tùy theo mục đích sử dụng việc xem xét mơ đun đàn hồi của sợi là rất quan trọng.
Ảnh hưởng của sợi thép lên vết nứt cắt (bề rộng và khoảng cách vết nứt): Sợi thép ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng hiệu ứng chốt, kìm hãm, kiểm sốt sự lan truyền và mở rộng vết nứt. Do bề rộng bết nứt giảm sự đan cài của cốt liệu tốt hơn và làm gia tăng độ bền của kết cấu.
Sự tăng hàm lượng cốt sợi làm cho vết nứt nhiều nhưng nhỏ hơn, các vết nứt nhỏ thay vì vết nứt lớn và tập trung. Các vi vết nứt giúp ứng suất trong vùng chịu cắt phân phối lại, giúp cảnh báo được nguy hiểm trước khi phá hoại [48]. Sợi thép bắt đầu tác dụng sau khi vết nứt hình thành, kháng lại lực kéo cho đến khi sợi bị kéo tuột hoặc chảy dẻo tại vết nứt.
Cốt sợi thép cĩ khả năng làm tăng thuộc tính chịu kéo của bê tơng như làm tăng khả năng kháng nứt, tăng khả năng chống kéo tuột của cốt thép thanh chịu kéo. Do đĩ tăng cường độ chịu kéo của bê tơng CST [48], [70]. Cốt sợi thép đĩng vai trị truyền ứng suất kéo trên suốt chiều dài vết nứt nghiêng. Cốt sợi thép cải thiện đáng kể sức kháng kéo trên cả phạm vi sườn dầm cũng như ở miền chịu kéo của tiết diện dầm [48]
Ảnh hưởng của cốt sợi thép lên độ cứng khi kéo. Độ cứng khi kéo được phản ánh ở chỗ khả năng chịu ứng suất kéo của bê tơng cốt sợi thép ngay tại vết nứt. Chính độ cứng chịu kéo của BTCST làm tăng khả năng chịu lực kéo của dầm BTCST trước khi cốt thép thanh chảy dẻo [48], [70], [91]. Độ cứng kéo của bê tơng CST phụ thuộc ở cả hai phạm vi đĩ là giữa khoảng cách các vết nứt và ngay tại vết nứt. Độ cứng kéo cải thiện việc kiểm sốt vết nứt và cho phép sử dụng được bê tơng cốt thép cường độ cao mà vẫn việc kiểm sốt được bề rộng vết nứt. Kết quả của độ cứng kéo cho phép ta xác định được cường độ chịu kéo trung bình của bê tơng cốt sợi thép khi nứt, tượng trưng cho ứng xử trong khoảng giữa của các vết nứt của dầm bê tơng CST.
1.3. Tổng quan về nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BT CST và BTCĐC CST trong nước và thế giới trong nước và thế giới
Trên thế giới, từ những năm 80 thế kỷ thứ 20 tới nay đã cĩ nhiều cơng trình