BÊ TÔNG CỐT THÉP
và 4. Độ mảnh của mẫu thử có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ của những mẫu thử bị kiềm chế biến dạng ngang, độ mảnh càng nhỏ thì cường độ chịu nén càng lớn. Khi chiều
1.2.4 Ứng xử chịu kéo dọc trục của tấm TRC
Trong các ứng dụng tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông, TRC có dạng tấm mỏng thường được dính vào bề mặt chịu kéo của kết cấu. Do đó, ứng xử chịu kéo một trục của TRC bao gồm: ứng suất và biến dạng kéo cực hạn, mô đun đàn hồi là thông tin rất quan trọng đối với kỹ sư thiết kế, thu hút nhiều nghiên cứu về nội dung này (Hegger et al.
[41]; De Felice et al. [29], Colombo et al. [23], D’Antino et al. [27]).
a) Quan hệ lực – biến dạng của tấm TRC chịu kéo b) Biến dạng của các sợi cơ bản phía trong và ngoài
Hình 1.17 Ứng xử của tấm của TRC chịu kéo dọc trục [41]
20
Hegger [41] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử chịu kéo một trục của tấm TRC, sử dụng lưới sợi carbon và sợi thủy tinh kháng kiềm (Hình 1.17) Ở giai đoạn đầu tiên khi chưa bị nứt, cấu kiện làm việc gần như đàn hồi tuyến tính. Khi có vết nứt xuất hiện, độ cứng của cấu kiện giảm đột ngột. Cùng với sự gia tăng của lực kéo, các vết nứt khác liên tục xuất hiện. Ở giai đoạn này, lực kéo tăng lên từ từ cùng sự tăng nhanh của biến dạng.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ cứng của cấu kiện khi chưa bị nứt hầu như không phụ thuộc của loại lưới sợi. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên, mẫu sử dụng lưới sợi carbon có độ cứng cao gấp 3 lần mẫu sử dụng sợi thủy tinh, nguyên nhân là do mô đun đàn hồi của sợi carbon cao hơn. Khoảng cách giữa các vết nứt của các mẫu thí nghiệm đều xấp xỉ từ 10 đến 15mm. Tuy nhiên, bề rộng vết nứt trung bình của sợi thủy tinh (khoảng 0,07 mm) lớn gần hai lần bề rộng vết nứt của sợi carbon (khoảng 0,04 mm). Đến giai đoạn phá hoại, bề rộng vết nứt vào khoảng 0,32 mm. Theo De Felice [29], khoảng cách và bề rộng vết nứt phụ thuộc vào số lượng, loại lưới sợi, cũng như phụ thuộc vào dính bám giữa lưới sợi với bê tông. Theo D’Antino [27], việc sử dụng lớp phủ polymer trên lưới sợi dệt sẽ làm tăng sự phân bố đều của lực tác dụng lực lên các sợi cơ bản, từ đó, cải thiện các tính chất cơ học của lưới sợi dệt. Theo Hegger [41], bề rộng vết nứt ở 2 đầu lớn hơn bề rộng vết nứt đo được ở giữa, đồng thời, phá hoại cũng thường xảy ra ở khu vực này. Nguyên nhân được Hegger [41] giải thích là do sự khác biệt về ứng xử dính bám của các sợi cơ bản, phụ thuộc vào vị trí trên mặt cắt của bó sợi. Như đã trình bày ở mục 1.2.3.1, các sợi cơ bản bên ngoài được “nhúng” vào trong vữa xi măng, và có khả năng neo vào hỗn hợp vữa này, dẫn đến lực dính bám tốt hơn các sợi phía trong. Do đó, sự phân bố ứng suất trên toàn bộ tiết diện của bó sợi là không đồng nhất, các sợi phía ngoài có biến dạng lớn hơn, dẫn đến có ứng suất tại các vết nứt lớn hơn các sợi phía trong (Hình 1.17-b).
Ứng xử chịu kéo một trục của TRC cho thấy nhiều điểm tương đồng với ứng xử của BTCT thông thường [20], được mô tả trên Hình 1.18. Đường cong ứng xử phi tuyến này có thể được chia làm 4 giai đoạn. Ở giai đoạn đầu tiên (giai đoạn I), cấu kiện chưa bị nứt, cấu kiện làm việc gần như đàn hồi tuyến tính. Mô đun đàn hồi của cấu kiện xấp xỉ mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn. Sự chênh lệch mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn và của cấu kiện phụ thuộc vào độ cứng của cốt sợi, hàm lượng lưới sợi theo thể tích, hình dạng cấu trúc của lưới sợi và hướng của lưới sợi (góc giữa lưới sợi và tải trọng). Do khả năng chịu kéo của bê tông là rất nhỏ nên, khi ứng suất kéo lớn hơn cường độ chịu kéo, vết nứt đầu
tiên xuất hiện và lực kéo trong cấu kiện tại vị trí vết nứt sẽ do cốt lưới dệt chịu. Cùng với sự gia tăng của lực kéo, các vết nứt khác liên tục xuất hiện (giai đoạn II – nhiều vết nứt hình thành). Do lực dính giữa bó sợi và bê tông, lực kéo lại tiếp tục được truyền đi, cho đến khi cường độ chịu kéo của bê tông đạt đến một lần nữa. Sự phân bố vết nứt, bao gồm khoảng cách giữa các vết nứt và bề rộng vết nứt, được quyết định bởi cốt lưới dệt, tính chất dính bám giữa cốt chịu lực và bê tông, và biến dạng phá hoại khi chịu kéo của bê tông nền.
Trong giai đoạn vết nứt ổn định (giai đoạn III), hầu như không có vết nứt xuất hiện thêm.
Khả năng chịu lực tăng nhanh cho đến khi ứng suất trong bó sợi đạt đến cường độ chịu kéo. Trước khi tiến hành các thí nghiệm này, độ cứng của mẫu thử trong giai đoạn III được dự đoán bằng độ cứng chịu kéo của cốt lưới dệt. Tuy nhiên, trong hầu hết các thí nghiệm, độ cứng của mẫu thử thấp hơn khoảng từ 10 đến 30%. Đường cong ứng suất – biến dạng vẫn là đường thẳng, nhưng không song song với đường ứng suất – biến dạng khi chịu kéo của cốt lưới dệt. Sự khác biệt ở đây được giải thích là bởi hiệu ứng cứng hóa chịu kéo (tension stiffening effect). Đây là một trong những điểm khác biệt về ứng xử chịu kéo dọc trục giữa bê tông cốt lưới dệt với vật liệu polymer cốt sợi FRP. Ở giai đoạn IV, cấu kiện bị phá hoại giòn, do các bó sợi bị kéo đứt đột ngột.
Giai đoạn I (không nứt)
Giai đoạn II (hình thành vết nứt)
Ứng suất [MPa]
Vết nứt đầu tiên
Hình 1.18 Sơ đồ minh họa ứng suất – biến dạng của tấm TRC khi chịu kéo một trục [20]
Colombo et al. [23] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng chịu kéo của
22
tấm TRC. Các mẫu thí nghiệm được đặt trong buồn nhiệt độ cao và được làm nguội sau 2 giờ. Kết quả thí nghiệm cho thấy, dưới tác động nhiệt đến 200 °C, mẫu TRC vẫn giữ được cường độ chịu kéo. Trong khi đó, ứng suất và biến dạng giảm mạnh khi mẫu thí nghiệm được gia nhiệt đến 400°C và 600°C, bởi sự suy thoái của lớp phủ polymer trên lưới sợi.
1.2.5 Cường độ chịu kéo của lưới sợi khi chịu lực cùng bê tông hạt mịn
Nghiên cứu của Curbach [48] cho thấy, cường độ chịu kéo lớn nhất của bó sợi thấp hơn nhiều so với tổng cường độ chịu kéo của từng sợi cơ bản thành phần. Ví dụ với lưới sợi thủy tinh 310 tex không có lớp phủ, cường độ chịu kéo trung bình của sợi đơn là 2300 MPa, của bó sợi là 1300 MPa và lưới sợi đặt trong bê tông chỉ là 1100 MPa (Hình 1.19). Đồng thời, giá trị cường độ chịu kéo được xác định từ thí nghiệm của Curbach [48] tương đối phân tán, với cường độ chịu kéo của sợi cơ bản có thể thay đổi từ 1600 MPa đến 2600 MPa.
Nguyên nhân dẫn đến cường độ của lưới sợi bị suy giảm là do các sợi cơ bản trong bó sợi và các bó sợi trong lưới cốt sợi chịu tải trọng không đều nhau. Một số sợi cơ bản trong bó sợi bị phá hoại trước trong quá trình sản xuất lưới cốt sợi hoặc trong quá trình vận chuyển hoặc khi đổ bê tông. Đồng thời, khi bê tông bị nứt, các sợi cơ bản trên bề mặt bó sợi bị phá hoại trước khi ứng suất kéo trong sợi đạt tới cường độ chịu kéo [3].
2500
2000
1500
1000
500
Hình 1.19 Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo của sợi cơ bản, bó sợi trần và bó sợi thủy tinh 310 tex nằm trong bê tông hạt mịn, theo
Curbach [48]
Papanicolaou [50] đã nghiên cứu với một số loại lưới sợi các bon và sợi thủy tinh, từ đó 23
đưa ra một số hệ số xét đến các yếu tố ảnh hưởng tới cường độ chịu kéo của lưới sợi dệt khi làm việc trong kết cấu. Cường độ chịu kéo có hiệu của lưới sợi được xác định:
f eff k r k b k s fu (1.1) Trong đó: fu là cường độ chịu kéo cực hạn của sợi đơn. k r là hệ giảm cường độ do hư hỏng các bó sợi cơ bản tại mép vết nứt. Hệ số k r được lấy bằng 0,65 với sợi các bon và 0,75 với sợi thủy tinh.
Ảnh hưởng của khả năng dính bám giữa bó sợi với bê tông hạt mịn được xét đến thông qua hệ số kb và k s (Hình 1.20). Hệ số kb xét đến phần diện tích cốt lưới dệt phía ngoài dính bám tốt với bê tông hạt mịn, và hệ số k s xét đến sự chênh lệch biến dạng giữa các sợi cơ bản phía trong và phía ngoài (đối với bó sợi không có lớp phủ). Cụ thể, đối với bó sợi có sử dụng lớp phủ, hệ số kb và k s được lấy bằng 1. Đối với bó sợi không có lớp phủ, hệ số kb và k s lần lượt được lấy bằng 0,25 và 0,4. Điều này có nghĩa là, chỉ có một phần tư diện tích bó sợi dính bám tuyệt đối với tông tông hạt mịn.
(a) Phân bố biến dạng đều của bó sợi có lớp phủ
(b) Phân bố biến dạng (c) Đơn giản hóa sự phân thực tế của bó sợi bố biến dạng của bó sợi
không có lớp phủ không có lớp phủ
Hình 1.20 Sự phân bố biến dạng trên tiết diện của bó sợi [50]
Voss và Hegger [37] nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị cường độ chịu kéo thiết kế của cốt lưới dệt với nhiều loại vật liệu sợi khác nhau. Các tác giả này có xét đến ảnh hưởng của khả năng dính bám giữa cốt lưới dệt với bê tông hạt mịn, phụ thuộc vào đường kính sợi đơn, chiều dày bó sợi, phương pháp dệt v.v. Đồng thời, cường độ chịu kéo phụ thuộc vào góc nghiêng giữa bó sợi với phương chịu lực (Hình 1.21), bởi sự xuất hiện của các vết nứt bê tông có thể gây hư hỏng cho các bó sợi, và do đó làm giảm cường độ chịu kéo của bó sợi. Voss và Hegger [37] cũng nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt lưới dệt đến cường độ của cốt lưới dệt khi tăng cường sức kháng cho dầm BTCT. Kết quả
thí nghiệm cho thấy, cường độ chịu kéo được xác định từ tính toán của lưới sợi thủy tinh kháng kiểm hầu như không phụ thuộc vào hàm lượng cốt sợi. Tuy nhiên, cường độ chịu kéo của lưới sợi các bon tăng từ xấp xỉ 1100 MPa với hàm lượng 1% đến 1400 MPa với hàm lượng 1,9%. Điều này được Voss và Hegger [37] giải thích là khi hàm lượng cốt lưới dệt tăng, cấu trúc vết nứt sẽ phần tán hơn (bề rộng vết nứt giảm, số lượng vết nứt tăng lên), làm tăng độ cong của dầm. Điều này dẫn đến ứng suất theo phương ngang tăng lên tác động vào bó sợi, và do đó làm tăng khả năng dính bám của lưới sợi với bê tông hạt mịn.
Bên cạnh đó, số lượng vết nứt tăng lên làm tăng biến dạng vùng kéo của dầm trước khi phá hoại, kéo theo sự tăng biến dạng của các sợi cơ bản phía trong. Điều này làm cho cường độ chịu kéo của lưới sợi các bon tăng lên khi tăng hàm lượng cốt lưới dệt.
1 0,8 k 0,6
0,
0,4 0,2
0
Áp lực ngang
Lõi
Sợi bên trong lõi:
Sự phân bố ứng suất Áp lực ngang Bán kính cong chưa xác định a) Ảnh hưởng của việc thay đổi phương của b) Ảnh hưởng mép vết nứt đến bó sợi nghiêng
bó sợi đến khả năng chịu lực
Hình 1.21 Ảnh hưởng của góc nghiêng đến khả năng chịu lực của bó sợi [37]
1.2.6 Dính bám giữa TRC với bê tông nền
Trong các ứng dụng tăng cường cho kết cấu BTCT, TRC thường được sử dụng bằng cách “trát” lên bề mặt chịu kéo của kết cấu để tăng khả năng chịu uốn, hoặc vào mặt bên của dầm để tăng khả năng chịu cắt. Do đó, hiệu quả tăng cường sức kháng cho kết cấu thường bị khống chế bởi khả năng dính bám giữa TRC và bê tông nền. Sau khi tăng cường, lực kéo sẽ phát triển từ lớp TRC đến bề mặt bê tông nền nhờ lực dính bám. Dạng phá hoại giòn có thể xảy ra từ các khuyết tật ở bề mặt tiếp xúc, gây bong tách lớp TRC tại các điểm dính bám “yếu”. Cường độ dính bám của lớp TRC với bê tông nền phụ thuộc vào dính bám bề mặt, ma sát, cài khóa cốt liệu, và một số yếu tố dài hạn khác [44]. Nghiên cứu của Orosz [44] cho thấy, ứng xử dính bám của TRC với bê tông nền còn phụ thuộc vào loại tải trọng tác dụng lên kết cấu. Đối với kết cấu được tăng cường sức kháng uốn, lực kéo truyền đến
25
bê tông nền trên diện tích tiếp xúc tương đối lớn. Ngược lại, đối với kết cấu được tăng cường sức kháng cắt ở mặt bên của dầm, lực kéo chỉ truyền ở trong khoảng nhỏ xung quanh vết nứt xiên, làm giảm đáng kể khả năng dính bám của TRC. Do đó, có thể phải sử dụng thiết bị neo bổ sung cần trong một số trường hợp tăng cường sức kháng cắt ([9], [30]).
Ortlepp [53] và Tommaso [62] đã thực hiện nghiên cứu xác ứng xử dính bám giữa bê tông nền và TRC bằng thí nghiệm kéo trượt với tấm TRC dính lên mặt của khối bê tông hình lăng trụ, với vị trí gia tải là ở lưới sợi. Theo Ortlepp [53], do trong các kết cấu tăng cường, ví dụ như tăng cường sức kháng uốn cho dầm, lưới sợi nằm ở thớ chịu kéo phía dưới, làm việc gần như chịu kéo dọc trục. Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông, vết nứt sẽ xuất hiện và phát triển dần lên phía trên theo chiều cao cấu kiện. Lúc này, toàn bộ lực kéo sẽ do cốt thép dầm và các lưới sợi chịu. Tại vị trí có vết nứt, lưới sợi có xu hướng bị kéo tuột ra khỏi bê tông hạt mịn. Do đó, mô hình thí nghiệm này có thể phản ánh cơ chế truyền lực giữa lưới sợi, với bê tông hạt mịn và bê tông thường. Các nghiên cứu của Ortlepp [53], D'Antino [28] và Tommaso [62] đều cho thấy, ứng xử dính bám giữa TRC và bê tông thường là rất phức tạp, do có sự truyền lực từ lưới sợi vào bê tông hạt mịn, giữa bê tông hạt mịn với bê tông thường. Nghiên cứu của D'Antino [28] chỉ ra rằng, ứng xử dính bám giữa TRC với bê tông khác với ứng xử dính bám giữa bê tông với các vật liệu tăng cường khác như FRP hoặc bản thép, do sự phức tạp của ứng xử dính bám giữa lưới sợi và chất nền bê tông hạt mịn. Với vật liệu FRP, cơ chế phá hoại thường xảy ra do bong tách lớp mặt bê tông, tại vị trí cách lớp epoxy dính bám vài milimet.
Hội đồng kỹ thuật của RILEM 250-CSM [55] cũng đưa ra chỉ dẫn thí nghiệm xác định đặc trưng dính bám giữa tấm TRC với bê tông nền thông qua thí nghiệm kéo trượt. Mô hình thí nghiệm được bố trí như trên Hình 1.22, trong đó các kích thước của mẫu thí nghiệm thay đổi phụ thuộc vào đặc tính hình học và cơ học của lưới sợi dệt [55]. Lực kéo được gia tải thông qua đoạn lưới sợi không dính bám, bằng phương pháp khống chế theo chuyển vị.
Chiều dài đoạn dính bám được khuyến cáo lớn hơn đoạn chiều dài neo có hiệu giữa lưới sợi và bê tông hạt mịn. Theo RILEM 250-CSM [55], có 6 dạng phá hoại có thể xảy ra, bao gồm: (A) Phá hoại lớp bê tông nền; (B) Phá hoại bong tách giữa mặt bê tông nền và bê tông hạt mịn; (C) Phá hoại bong tách giữa mặt lớp lưới sợi và bê tông hạt mịn; (D) Tuột lưới sợi ra khỏi bê tông hạt mịn; (E1) Lưới sợi bị kéo đứt bên ngoài đoạn sợi trần; (E2) Lưới sợi bị kéo đứt bên trong lớp bê tông hạt mịn. Nếu bề mặt bê tông nèn được xử lý tốt
trước khi tăng cường, dạng phá hoại tại vị trí tiếp xúc giữa bê tông mới – bê tông cũ (dạng B) ít khi xảy ra, do khả năng cài khóa tốt (interlocking) giữa lớp bê tông cũ và lớp tăng cường. Dạng phá hoại do tuột lưới sợi (dạng D) có thể xảy ra khi chiều dài dính bám của TRC lên bê tông cũ không đủ dài, dẫn đến lưới sợi không đảm bảo chiều dài neo vào bê tông hạt mịn. Kết quả thí nghiệm của Tommaso cho thấy, hầu hết các mẫu bị phá hoại do tuột sợi, xảy ra tại mặt tiếp xúc giữa lưới sợi và chất nền [62]. Không giống như dính bám giữa FRP với bê tông, chiều rộng dính bám hầu không ảnh hưởng đến dính bám giữa TRC với bê tông, do chỉ có các bó sợi dọc tham gia chịu lực.
Hình 1.22 Thí nghiệm dính bám giữa TRC và bê tông nền theo chỉ dẫn của RILEM 250-CSM [55]
Theo chỉ dẫn của Hiệp hội bê tông Hoa Kỳ, nêu trong ACI 549.4R-13 [12], yêu cầu về cường độ dính bám tối thiểu giữa bê tông hạt mịn với bê tông nền là 1,38 MPa (200 psi) [12].Theo chỉ dẫn kỹ thuật của Đức, nêu trong Zulassung Z-31.10-182 [69], cường độ dính bám tối thiểu là 1,5 MPa. Các chỉ dẫn này đều yêu cầu xử lý bề mặt bê tông nền trước khi gia cường để đảm bảo dính bám tốt giữa bê tông nền và lớp TRC.