BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.2 Các nghiên cứu về đặc tính cơ học của bê tông cốt lưới dệt
TRC được xem là một loại vật liệu mới, có tiềm năng ứng dụng trong các công trình xây dựng nhờ việc khai thác hiệu quả khả năng chịu kéo cao của cốt lưới dệt (Brameshuber et al. [20]). Do đó, TRC đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu trong hơn một thập kỷ qua, tập trung vào những vấn đề như cường độ, độ bền, ứng xử dính bám và phương pháp thiết kế v.v. Hiện nay, một số hiệp hội chuyên ngành đang xây dựng các chỉ dẫn kỹ thuật về thiết kế, thi công kết cấu sử dụng bê tông cốt lưới dệt, với mục tiêu đẩy nhanh việc ứng dụng vật liệu này trong thực tế xây dựng. ACI 549.4R-13 [12] của Hiệp hội Bê tông Mỹ
ACI được xem là tài liệu dạng chỉ dẫn kỹ thuật đầu tiên được công bố về ứng dụng TRC trong tăng cường kết cấu bê tông và kết cấu gạch. Năm 2018, Liên hiệp quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia vật liệu (RILEM) cũng đã đưa ra một số hướng dẫn về quy trình thí nghiệm xác định tính chất cơ học của TRC ([55], [54]). Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề liên quan đến các tính chất của cốt lưới dệt chưa được nghiên cứu một cách thấu đáo, được Hegger [37] liệt kê như sau: đường kính sợi cơ bản, các hư hỏng nứt gãy trong quá trình sản xuất sợi, đặc tính dính bám giữa các sợi cơ bản và giữa chất nền với bó sợi, sự phân bố và hướng của sợi v.v.
1.2.1 Cốt lưới dệt
Cốt lưới dệt là một dạng vật liệu tổ hợp có cấu trúc không đồng nhất, thường được chia ở3 cấp độ kết cấu, bao gồm: sợi cơ bản, bó sợi và lưới sợi. Hình 1.6 thể hiện các cấp độ kết cấu của lưới sợi nằm trong bê tông, từ vi mô đến vĩ mô. Lưới sợi dệt được sản xuất từ những sợi nhỏ (sợi cơ bản) có chiều dài, về lý thuyết là, không giới hạn. Nghiên cứu của Brameshuber [20] cho thấy, sợi cơ bản cú kớch thước từ 7 ữ 27 àm, tựy thuộc vào loại vật liệu làm sợi. Các sợi cơ bản được tập hợp thành bó được gọi là bó sợi (roving), dệt thành tấm lưới. Mỗi bó sợi gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn sợi cơ bản nằm song song hoặc xoắn lại với nhau, có đường kính từ 0,5 tới 1,5 mm. Diện tích của bó sợi được xác định thông qua độ mịn, tex (1 tex = 1g / 1000 m), và trọng lượng riêng của sợi. Độ mịn của bó sợi phụ thuộc vào số lượng sợi cơ bản, đường kính trung bình của sợi và trọng lượng của sợi. Số lượng sợi cơ bản trong mỗi bó sợi được lựa chọn tùy thuộc vào khả năng chịu kéo, loại ứng dụng và chiều dày mong muốn. Trong một số loại lưới sợi có diện tích tiết diện lớn, số lượng sợi trong mỗi bó có thể lên đến 24000 sợi cơ bản, với khối lượng riêng của sợi dao động trong khoảng 1,77 g/cm3 đối với sợi các bon đến 2,68 g/ cm3 với sợi thuỷ tinh.
a) Sợi cơ bản b) Bó sợi trong bê tông hạt mịn c) Lưới sợi dệt
Hình 1.6 Các cấp độ kết cấu của cốt lưới dệt 11
Hiện nay, lưới sợi dệt được sản xuất dưới nhiều dạng sản phẩm khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng, phụ thuộc vào đặc tính cơ học như: cường độ chịu kéo, biến dạng dài kéo đứt, mô đun đàn hồi, diện tích bó sợi (độ mịn). Loại sợi, tính chất, hàm lượng và cấu trúc của lưới sợi dệt cũng ảnh hưởng lớn đến các đặc tính cơ học của TRC [20]. Các sợi cơ bản có thể được sản xuất từ vật liệu tự nhiên, nhân tạo, kim loại v.v. Trên thị trường hiện nay, các sản phẩm từ sợi nhân tạo bao gồm: sợi vô cơ (bazan, thủy tinh) hay sợi polymer tổng hợp (các bon, aramid, polyethylene v.v.) được sử dụng nhiều, trong đó sợi carbon và sợi thủy tinh là hai loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất. Sợi các bon có khả năng kháng kiềm nhưng sợi thủy tinh không có khả năng này. Vì thế, trong quá trình sản xuất sợi cơ bản, thủy tinh nóng chảy được bổ sung hợp kim ziriconi (Zr) để tạo khả năng kháng kiềm cho lưới sợi [2]. Các bó sợi được dệt thành lưới sợi và được phủ lớp bọc polymer kích thước nano có nguồn gốc từ lefasol hoặc styrene butadine để làm tăng khả năng dính bám các sợi cơ bản với nhau và giữa các bó sợi với bê tông hạt mịn [35]. Quy trình tạo lớp phủ này được thể hiện ở Hình 1.7. Lớp phủ còn làm tăng khả năng chịu kéo và độ cứng của các bó sợi và góp phần cố định vị trí các nút lưới [2]. Tuy nhiên, khi hàm lượng lớp phủ lớn, các bó sợi trở nên cứng hơn, gây khó khăn khi sử dụng cho các tiết diện phức tạp như tiết diện chữ U hay quấn bọc xung quanh tiết diện cột.
Hình 1.7 Quy trình tẩm lớp phủ cho lưới sợi
Hình 1.8 Một số cấu trúc điển hình của lưới sợi dệt
Kích thước và cấu trúc của một số lưới sợi các bon và thủy tinh được thể hiện ở Hình 1.8. Các lưới sợi này có thể được dệt theo cấu trúc 0°/90° hoặc ±45°, với khoảng cách giữa các mắt lưới thường thay đổi trong khoảng từ 8 ÷ 30 mm. Bên cạnh lưới sợi theo 2 phương (2D), một số loại lưới sợi dệt 3 chiều (3D) được sản xuất, phù hợp với các dạng kết cấu đúc sẵn. Các loại lưới sợi 3D có khả năng phân tán năng lượng cao, khả năng chống nứt và chống va đập tốt [61].
Hình 1.9 Tính chất cơ học của một số loại sợi cơ bản [20]
Khi chịu kéo, bó sợi có ứng xử chịu lực gần như đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại. Do bó sợi có mức biến dạng lớn, các sợi cơ bản chịu lực không đều, một số sợi cơ bản phía ngoài bị kéo đứt trước, làm giảm độ cứng chịu kéo của bó sợi. Đến mức biến dạng gây phá hoại, bó sợi bị kéo đứt gần như ngay lập tức, không có thềm chảy. Theo Abdkader [68], lưới sợi các bon thường có độ cứng, cường độ chịu kéo và khả năng chống ăn mòn lớn hơn so với lưới sợi thủy tinh kháng kiềm. Do đó độ cứng sau khi nứt của cấu kiện sử dụng sợi các bon lớn hơn nhiều so với sợi thủy tinh. Hình 1.9 so sánh một số đặc trưng cơ học quan trọng của một số loại lưới sợi. Các loại lưới sợi dệt được thí nghiệm có độ mịn khác nhau nhưng khối lượng xấp xỉ nhau. Hiện nay, trên thị trường đã có một số sản phẩm lưới sợi các bon có độ mịn lên đến 3200 tex, có cường độ chịu kéo xấp xỉ 5000 MPa, với mô đun đàn hồi khi chịu kéo xấp xỉ 300 GPa [56].
1.2.2 Bê tông hạt mịn
Bê tông hạt mịn là thành phần rất quan trọng, quyết định đến sự làm việc của hỗn hợp TRC. Ví dụ như, để khai thác hết khả năng chịu kéo cao của lưới sợi (có thể đến 3000 MPa), bê tông hạt mịn cần dính bám tốt với lưới sợi. Nếu chất lượng dính bám giữa 2 loại
13
vật liệu kém, dẫn đến yêu cầu chiều dài neo của lưới sợi trong bê tông lớn, sẽ không khả thi khi áp dụng để chế tạo các kết cấu mới cũng như sử dụng để tăng cường cho kết cấu cũ. Bên cạnh đó, việc thiết kế cấp phối của bê tông hạt mịn còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: phương pháp thi công (phương pháp phun hoặc “trát”), các thông số về đặc trưng cơ học, ứng xử dính bám với bê tông nền và độ bền [3]. Do đó, tùy theo yêu cầu sử dụng khác nhau mà lựa chọn cấp phối khác nhau cho bê tông hạt mịn.
Bảng 1.1 Thành phần của các hỗn hợp bê tông hạt mịn của Brockmann [21]
Vật liệu Xi măng CEM I 52,5
Tro bay Silic Tổng lượng bột Phụ gia siêu dẻo (% chất
kết dính) Cốt liệu mịn 0 – 0,125
mm
Cốt liệu 0,2 – 0,6 mm Nước
Tỷ lệ nước / xi măng Tỷ lệ nước / bột Hàm lượng không khí
Khối lượng thể tích Độ chảy lan (10 phút) Độ chảy lan (30 phút) Cường độ chịu nén Cường độ chịu kéo khi
uốn Mô đun đàn hồi Biến dạng tại ứng suất
nén lớn nhất Biến dạng nén cực hạn
Hệ số poisson Nhìn chung, bê tông hạt mịn sử dụng trong TRC có nhiều điểm khác với bê tông thông
thường. Để kết hợp với lưới sợi dệt, bê tông hạt mịn đòi hỏi phải có khả năng dính bám tốt cũng như khả năng chịu tải trọng tốt. Đầu tiên, bê tông hạt mịn thường sử dụng cốt liệu có đường kính thường nhỏ hơn 1 mm, nên còn được gọi là bê tông cát hoặc hỗn hợp vữa.
Tính tự đầm và độ chảy loang cao là một trong những đặc tính quan trọng của để đảm bảo
14
lực dính bám tốt với lưới sợi dệt và tạo ra cấu kiện có kích thước nhỏ và chiều dày mỏng. Với các yêu cầu cơ bản kể trên, ngoài những thành phần cơ bản là xi măng, nước, cốt liệu (Dmax ≤ 1mm) thì bê tông hạt mịn còn sử dụng thêm một số loại phụ gia khoáng (tro bay, muội silic) và phụ gia siêu dẻo.
Thành phần cấp phối và các phương pháp thí nghiệm, đánh giá đặc trưng cơ học của bê tông hạt mịn đã được nghiên cứu tại nhiều trung tâm khoa học lớn trên thế giới ([48], [20]).
Xét theo kích thước hạt, bê tông hạt mịn được xem là như một loại vữa nên cường độ chịu nén thường được xác định trên mẫu lăng trụ (40 × 40 × 160 mm) áp dụng theo tiêu chuẩn vữa [1]. Brockmann [21] đã xây dựng cấp phối cho 3 hỗn hợp bê tông hạt mịn (PZ-0899-01, FA-1200-01, RP-03-2E), đồng thời xác định một số đặc tính cơ học như: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi và quan hệ ứng suất – biến dạng khi chịu nén của các cấp phối này (Bảng 1.1). Cường độ chịu nén lớn nhất là 135 MPa, tương ứng với cấp phối RP-03-2E có tỷ lệ nước / bột ( w / b ) nhỏ nhất.
Hình 1.10 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông hạt mịn khi chịu nén [21]