CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.2 Nghiên cứu về bê tông có sử dụng cốt liệu sợi
Ngược lại với cường độ nén cao, bê tông có cường độ kéo thấp, cấu trúc giòn và hình thành vết nứt là những vấn đề cần phải giải quyết để xây dựng được những công trình an toàn. Theo ACI 213R-14 (2014) định nghĩa bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu (SLWAC) là bê tông có cường độ nén tối thiểu 28 ngày là 17 MPa và khối lượng thể tích trong khoảng từ 1120 đến 1920 kg/m3. Tuy nhiên, bê tông nhẹ thường dễ bị phá hủy hơn khi chịu ứng suất so với bê tông thông thường với cùng tỷ lệ hỗn hợp và cường độ nén, do khả năng biến dạng dẽodẻo và biên dạng đàn hồi kém. Hơn nữa, tính chất cơ học của bê tông nhẹ nhìn chung thấp hơn so với bê tông thông thường. Như đã biết, cách phổ biến nhất để tăng cường độ và độ dẻo của bê tông là thêm các loại sợi khác nhau vào hỗn hợp bê tông (Guler, 2018).
Trong số tất cả các loại sợi, sợi thép được sử dụng thường xuyên nhất để nâng cao tính chất cơ học của SLWAC. Tuy nhiên, việc bổ sung sợi thép vào SLWAC, đặc biệt ở thể tích lớn hơn 1% sẽ làm tăng khối lượng thể tích của SLWAC do trọng lượng riêng của sợi thép cao. Hơn nữa, sợi thép có khả năng chống ăn mòn thấp và ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền lâu dài và hiệu suất của bê tông. Do đó, để thay thế cho sợi thép, các loại sợi tổng hợp khác nhau như carbon, aramid, polyester, polypropylen (PP), polyetylen (PE) và rượu polyvinyl hiện được sử dụng phổ biến ở dạng đơn hoặc dạng hỗn hợp trong hỗn hợp bê tông (Guler, 2018).
Trong nghiên cứu của mình, Doğan & Demir, (2021) cũng đã nêu rằng sợi Polymer mang lại hiệu suất tốt hơn sợi thép hoặc sợi thủy tinh. Khả năng dễ bị ăn mòn của sợi thép là một trong những yếu tố làm giảm độ bền của bê tông cốt sợi thép, dẫn đến nứt vỡ. Trong khi đó, sợi polymer có khả năng chống lại các phản ứng kiềm, rỉ sét, clo và muối cao hơn, giúp cấu kiện bền hơn. Do đó, việc sử dụng sợi polymer làm cốt liệuthép bê tông sẽ cải thiện tính chất cơ học của bê tông cũng như giảm trọng lượng kết cấu. Mô đun đàn hồi thấp của các loại sợi như PA và polypropylene (PP) có hiệu quả trong việc giảm vết nứt trong quá trình co ngót, ngay cả ở tỷ lệ thể tích rất thấp. Ngoài việc giảm nứt do co ngót, người ta còn phát hiện ra rằng sợi polymer cải thiện tính chất cơ học của bê tông. Sợi polymer cũng có thể được sử dụng để tăng cường độ bền cho các sản phẩm gốc xi măng dưới tải trọng uốn/kéo.
Hỗn hợp bê tông từ sợi PP với tỷ lệ khối lượng (0,1%, 0,3% và 0,5%) và chiều dài sợi (12,7mm và 19mm) khác nhau. Kết quả thử nghiệm (i) Khả năng làm việc của hỗn hợp chỉ bị ảnh hưởng đáng kể với tỷ lệ sợi 0,5% và kích thước sợi 12,7mm; (ii) Với tỷ lệ nhỏ hơn 0,5% sợi PP dài 12,7 mm đã cải thiện cường khả năng hấp thụ năng lượng và các đặc tính dẻo dai của bê tông khi chịu nén;
(iii) Đối với khả năng chống va đập và ứng xửhành vi uốn dẻo, sợi dài 19 mm hiệu
hơn đối với tỷ lệ 0,5; (iv) Các sợi PP đã phần nào làm tăng tính thấm của bê tông và có xu hướng làm giảm thể tích của các khoảng rỗng dễ thấm (Bayasi & Zeng, 1993). Kết quả này tương tự với báo cáo của ACI Committee 544 (2001), độ bền, độ cứng của sợi và khả năng liên kết của sợi với bê tông là những đặc tính quan trọng của cốt sợi. Liên kết phụ thuộc vào tỷ lệ khung hình của sợi. Tỷ lệ hướng sợi L/D điển hình nằm trong khoảng từ khoảng 20 đến 100, trong khi kích thước chiều dài nằm trong khoảng từ 0,25 đến 3 inch (6,4mm đến 76 mm).
Ngoài ra, tỷ lệ nước/xi măng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các tính chất của hỗn hợp bê tông. Hỗn hợp của bê tông cốt liệu nhẹ polyethylene terephthalate phế thải (WPLAC) với tỷ lệ w/c là 45%, 49% và 53%, và tỷ lệ thay thế của cốt liệu nhẹ polyethylene terephthalate (PET) là 0%, 25%, 50% và 75%
theo khối lượng của cốt liệu mịn. Kết quả: (i) Khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông giảm khi hàm lượng WPLAC tăng lên; (ii) Độ sụt của WPLAC tăng lên cải thiện khả năng thi công lần lượt là 52%, 104% và 123% với tỷ lệ nước/xi măng là 45%, 49% và 53% do không chỉ hình cầu và hình dạng nhẵn mà còn do sự hấp thụ nước kém của cốt liệu; (iii) cường độ nén và kéo của hỗn hợp bê tông giảm khi tăng lượng cốt liệu PET và đối với một hàm lượng cốt liệu PET cụ thể, cường độ nén tăng lên khi giảm tỷ lệ w/cm; (iv) Môđun đàn hồi của hỗn hợp bê tông giảm khi lượng cốt liệu PET tăng lên (Choi et al., 2005).
Với việc thêm sợi PA có các kích thước khác nhau vào SLWAC với tỷ lệ thể tích sợi tương ứng là 0,75% sẽ giúp tăng cường độ nén lớn nhất của hỗn hợp bê tông lần lược là 1,2%, 4,7% và 11,9%, trong khi con số này là không đáng kể đối với tỷ lệ 0,25% và 0,5%. Độ bền kéo lần lượt là 22,2, 30,2 và 37,3% và cường độ uốn lớn nhất lần lượt là 26,9%, 34,4% và 47,6% đối với các mẫu được gia cố bằng sợi PA với tỷ lện lần lượt là 0,25%, 0,5% và 0,75%. Bên cạnh đó các thí nghiệm cũng cho thấy độ sụt của SLWAC sẽ giảm đáng kể khi hàm lượng sợi PA tăng lên, tuy nhiêm khối lượng thể tích bê tông sẽ không bị ảnh hưởng nhiều chủ yếu bởi việc bổ sung sợi tổng hợp PA do trọng lượng riêng của chúng thấp hơn nhiều (Guler, 2018).
Furlan & de Hanai (1997) đã trình bày kết quả thí nghiệm cấu kiện dầm bê tông cốt thép kích thước 100mm x 100mm x 1000mm có sử dụng sợi thép và sợi polypropylene. Các kết quả thí nghiệm đều cao hơn nhiều so với đánh giá về mặt lý thuyết vì cường độ được cung cấp bởi các cơ chế thay thế. Độ bền cắt tăng từ 9% đến 37% đối với các cấu kiện dầm có sử dụng sợi. Việc kiểm soát vết nứt do ứng suất bình thường có hiệu quả hơn ở các dầm có gia cố bằng sợi và nhiều vết nứt có khoảng cách gần nhau hơn. Tương tự nghiên cứu trên, Abdul-Zaher at.et (2016) đã tiến hành thí nghiệm khảo sát độ bền cắt của các dầm kích thước 120mm x 300mm x 1300mm có sử dụng 0%, 0,2%, 0,4% và 0,6 % tỷ lệ thể tích của cốt liệu sợi thủy tinh và sợi thép.
Kết quả thử nghiệm cho thấy sự hiện diện của sợi dẫn đến giá trị cường độ cắt, độ
cứng, độ dẻo cao hơn và kiểm soát được hiện tượng nứt bê tông đối với tỷ lệ 0,6%.
Trong đó việc sử dụng sợi thép đã cải thiện khả năng cắt tổng thể của bê tông tốt hơn sợi thủy tinh. Tải trọng tại đó vết nứt đầu tiên của cấu kiện cũng được cải thiện đáng kể từ 5,88% đến 11,76% đối với sợi thủy tinh và từ 17,65% đến 23,53% đối với sợi thép. Bên cạnh đó, sự xuất hiện của sợi cũng giúp tăng 10,76% đến 29,17% giá trị độ vừng cực đại. Tuy nhiờn, cỏc nghiờn cứu tập trung vào ứng xử cắt trong khi cỏc kết quả về uốn không được kết luận chắc chắn.
Trong nghiên cứu của mình, Hiệp (2023) đã chế tạo khối phá sóng tetrapod thay hoàn toàn cốt liệu lớn bằng cốt liệu nhân tạo kết hợp với sợi thép. Kết quả về độ sụt của bê tông có chiều hướng giảm khi hàm lượng sợi thép tăng, khối lượng thể tích khô của bê tông giảm từ 13 % ÷15 % so với bê tông đối chứng Kết quả thử tải và chuyển vị các cấu kiện khối phá sóng tetrapod cho thấy khi sử dụng sợi thép trong khối phá sóng giúp tăng khả năng chịu nén, chịu uốn và giảm chuyển vị của cấu kiện.
Hình 2.2 Một số công trình có sử dụng sợi trong bê tông
(a) Tòa nhà CCTV ở Bắc Kinh, Trung Quốc (nguồn: https://vnexpress.net/trung-quoc-sap- lap-sieu-co-quan-truyen-thong-de-cai-thien-hinh-anh-toan-cau-3726243.html);
(b) Công viên Hải dương học Valencia (nguồn:https://en.wikipedia.org/wiki/File:%22l_
%27oceanographic_%22_a_valence_-_panoramio.jpg);
(c) Đường hầm tàu điện ngầm Đại lộ số 2, NY (nguồn: https://www.ennomotive.com/fiber-
(a) (b)
(c) (d)
cong-ty-bi-world-bank-cam-cua-3177410.html).