CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT 74
3.2 Nghiên cứu xác định một số tính chất cơ học của bê tông cốt lưới dệt
3.2.1 Đặc trưng cơ học của bê tông cốt lưới dệt sử dụng trong thí nghiệm
Bê tông hạt mịn áp dụng thích hợp cho lưới sợi các bon được chế tạo ở Việt Nam có thể coi là vật liệu mới và do đó, cần được thí nghiệm để xác định có tính kiểm chứng các một số tính chất cơ học để phục vụ cho mục đích tính toán, thiết kế các loại kết cấu sử dụng bê tông cốt lưới dệt. Trong khuôn khổ của luận án, một số tính chất cơ học của bê tông hạt mịn được xác định gồm: Cường độ chịu nén (fc); cường độ kéo uốn (fr); mô đun đàn hồi (Ec). Các nghiên cứu thực nghiệm này được thực hiện tại phòng thí nghiệm VILAS 047 và phòng thí nghiệm Kết cấu và Vật liệu xây dựng thuộc Trường Đại học Giao thông Vận tải.
3.2.1.1.1 Cấp phối của bê tông hạt mịn
Việc thiết kế cấp phối cho bê tông hạt mịn dùng trong TRC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: quy trình thi công (phục vụ cho phương pháp phun hoặc phương pháp trát), các thông số về đặc trưng cơ học, tính công tác, ứng xử dính bám và độ bền v.v. 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. Trong nghiên cứu này, việc thiết kế cấp phối bê tông hạt mịn được tiến hành theo phương pháp kế thừa, phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Đầu tiên, việc thiết kế cấp phối ban đầu dựa vào một số hỗn hợp bê tông hạt mịn phù hợp với lưới sợi dệt loại các bon được phát triển bởi Brockmann [21] (đã được trình bày Bảng 1.1). Brockmann đã thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm để xác định cường độ chịu nén fc, mô đun đàn hồi Ec, biến dạng khi phá hoại εc. Dựa trên nghiên cứu này của Brockmann, trong khuôn khổ luận án này, thành phần cấp phối của bê tông hạt mịn được điều chỉnh để phù hợp với các loại vật liệu sẵn có ở Việt Nam, theo phương pháp lý thuyết đi đôi với thực nghiệm.
Thành phần của hỗn hợp bê tông hạt mịn sử dụng trong luận án được thể hiện trong Bảng 3.1. Hỗn hợp này được phát triển với mục tiêu chế tạo vật liệu bê tông hạt mịn phù hợp với công tác trát, có cường độ chịu nén danh định là 60 MPa. Việc chế tạo bê tông hạt mịn có cường độ cao để đảm bảo: (1) dính bám tốt với lưới sợi, qua đó làm giảm yêu cầu về chiều dài neo của lưới sợi, đặc biệt trong ứng dụng tăng cường sức kháng cắt; (2) có cường độ chịu kéo uốn cao, làm tăng mức tải trọng gây nứt cho kết cấu, làm tăng độ cứng
76
cho hỗn hợp vật liệu TRC và cho kết cấu; (3) đảm bảo mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn đủ lớn, do giá trị mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn thường nhỏ hơn so với bê tông thường có cùng cường độ chịu nén.
Bảng 3.1 Thành phần bê tông hạt mịn Vật liệu Ký
hiệu Nguồn/Mác Loại/Mác Hàm lượng
(kg/m3)
Xi măng X Bút Sơn
PC40 (OPC) Rn28 = 43 (MPa)
Ru28 = 7 (MPa)
480
Muội silic MS Sika Sikacrete PP1 41
Tro bay TB Phả Lại F 154
Cát Quartz C Phú Thọ Thành phần hạt theo Bảng 3.2 920 Bột Quartz B Phú Thọ Thành phần hạt theo Bảng 3.3 460
Nước N Nước máy 211
Phụ gia siêu dẻo PGSD Sika Viscocrete 3000-20M 2% khối lượng chất kết dính Lý thuyết tối ưu độ đặc được sử dụng để thiết kế cấp phối này, dựa trên nguyên tắc cơ bản là tăng độ đặc của vữa xi măng và cải tiến vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và hạt cốt liệu [4]. Để xác định lượng cốt liệu lớn và nhỏ phải dựa vào nguyên tắc đã nêu, tức là thể tích 1m3 (hoặc 1000 lít) hỗn hợp bê tông sau khi đầm chặt bao gồm thể tích hoàn toàn đặc của cốt liệu và thể tích hồ xi măng. Độ đặc của bê tông có thể được nâng cao bằng bằng cách tối ưu hóa thành phần hỗn hợp, và kết hợp việc sử dụng công nghệ trộn và bảo dưỡng thích hợp. Chất kết dính của bê tông hạt mịn bao gồm xi măng, muội silic và dần được thay thế bằng các bột quartz có đường kính trung bình là 10 μm [4]. Thông thường, với bê tông hạt mịn, kích thước lớn nhất của cốt liệu thường thay đổi từ 1 đến 2 mm, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bó sợi, khoảng cách giữa các lớp lưới sợi và kích thước của cấu kiện.
Trong nghiên cứu này, cốt liệu lớn được dùng là cát quartz có cỡ hạt lớn nhất từ 0,5 đến 1 mm. Điều này không chỉ đảm bảo khả năng dính bám tốt với lưới sợi dệt mà còn có thể tạo ra các lớp bê tông có kích thước nhỏ và chiều dày mỏng, phù hợp với dạng kết cấu tăng cường.
Chất kết dính được dùng để chế tạo bê tông hạt mịn là xi măng Pooc Lăng. Ở Việt Nam thường chỉ sản xuất được xi măng PC40 cho nên vật liệu được lựa chọn là xi măng Xi
77
măng Bút Sơn PC40 với các chỉ tiêu kỹ thuật theo giấy chứng nhận chất lượng được cung cấp bởi nhà sản xuất. Cát quartz trong nghiên cứu này được được nghiền từ loại đá quartz tại mỏ Thanh Sơn-Phú Thọ, với có đường kính lớn nhất là 0,63 mm (Hình 3.2). Thành phần cấp phối của cát quartz được thể hiện trên Bảng 3.2.
Hình 3.2 Cát quartz, bột quartz và muội silic (từ trái sang phải) Bảng 3.2 Thành phần cấp phối hạt của cát quartz
Cỡ sàng (mm) 0,63 0,315 0,14 0,075
Lượng lọt trên sàng i, A% 100 67,1 41,6 13,9
Bên cạnh cát quartz, bột quartz cũng được nghiền từ đá quartz, có đường kính hạt nhỏ hơn để lấp đầy các lỗ rỗng cực nhỏ, làm cho đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu trở nên liên tục. Do đó, bột quartz làm cho độ đặc của hỗn hợp được tăng lên. Do sử dụng bê tông có tỷ lệ nước/xi măng thấp nên chỉ có một phần của xi măng được thuỷ hoá, các hạt xi măng không thuỷ hoá nằm trong hỗn hợp và có vai trò như cốt liệu. Các hạt xi măng có độ cứng thấp, khi thay thế một phần xi măng bằng bột quartz trơ, cứng thì sẽ giảm được hàm lượng xi măng trong bê tông [4].
Bảng 3.3 Lượng lọt sang (%) của bột Quartz nghiền
d ( μm) 95 63 46 28 11 1
L 2 (%) 100 84 50 33 16 5
Muội silic được sử dụng để lấp đầy lỗ rỗng của hạt xi măng và độ rỗng trong các gel đá xi măng nhờ đường kính hạt rất nhỏ của phụ gia khoáng siêu mịn này[4]. Muội silic bao gồm các hạt thủy tinh rất mịn với một diện tích bề mặt lên tới 20.000 m2/kg. Muội silic do Sika Việt Nam bán trên thị trường cũng có tính năng đảm bảo các yêu cầu trên, phù hợp với tiêu chuẩn ASTM 1230-95a. Trong nghiên cứu này, phụ gia Sika Viscirate 3000-20 của hãng Sika Việt Nam được sử dụng. Sika Viscirate 3000-20 là phụ gia siêu dẻo loại G,
78
đáp ứng tiêu chuẩn ASTM C494, với hiệu quả tạo độ xốp và cải thiện tính linh động của bê tông [4]. Nước chế tạo bê tông được lấy từ nguồn nước máy của hệ thống cấp nước sinh hoạt của Hà Nội.
3.2.1.1.2 Cường độ chịu nén và chịu kéo uốn
Cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn là các chỉ tiêu cơ học cơ bản và quan trọng của bê tông xi măng. Bê tông hạt mịn được sử dụng trong nghiên cứu này lớp bê tông được trát ngoài có kích thước rất mỏng, do đó ứng xử chịu nén của bê tông hạt mịn thường được xác định trên các mẫu thử có kích thước nhỏ. Bê tông hạt mịn sử dụng cốt liệu có kích thước lớn nhất là 0,6 mm, do đó, xét về mặt vật liệu thì nó cũng có thể được coi như một loại vữa tính năng cao. Theo báo cáo của Brameshuber [20], trong các nghiên cứu về tính chất cơ học của loại bê tông này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mẫu lăng trụ có kích thước 40 × 40 × 160 mm để thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn và cường độ chịu nén của bê tông hạt mịn. Do đó, trong phạm vi nghiên cứu này, cường độ chịu nén của bê tông hạt mịn được xác định trên mẫu lăng trụ có kích thước 40 × 40 × 160 mm áp dụng cho vữa theo tiêu chuẩn TCVN 6016-2011 [7]. Các mẫu thí nghiệm sau khi đổ khuôn sẽ được bảo dưỡng ở điều kiện tiêu chuẩn (T = 27 ± 2°C, W ≥ 90%) đến ngày tuổi thí nghiệm tương ứng.
a) Mẫu thí nghiệm b) Thí nghiệm cường độ kéo uốn c) Thí nghiệm cường độ chịu nén Hình 3.3 Thí nghiệm cường độ kéo uốn và cường độ chịu nén
Để xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo uốn, tổng công 30 tổ mẫu được chế tạo, trong đó mỗi tổ mẫu thí nghiệm gồm 3 mẫu hình lăng trụ có kích thước 40 × 40 × 160 mm. Hình 3.3 giới thiệu một số mẫu thí nghiệm bê tông hạt mịn sử dụng để xác định cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn. Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm này bao gồm:
máy nén ADR 2000 của hãng ELE), bộ dụng cụ thí nghiệm cường độ kéo uốn và cường độ chịu nén. Với từng mẫu thí nghiệm đơn lẻ, thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn được
79
thực hiện trước. Trong nghiên cứu này, phương pháp thí nghiệm uốn ba điểm được lựa chọn để xác định cường độ chịu kéo khi uốn. Sau đó, thí nghiệm xác định cường độ chịu nén sẽ được thực hiện trên hai nửa mẫu thu được từ thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn.
Cường độ chịu nén của mẫu đơn sẽ là giá trị trung bình kết quả cường độ chịu nén của hai nửa mẫu. Sau khi có kết quả thí nghiệm của từng mẫu thử trong các tổ mẫu, các sai số thô được loại bỏ, sau đó thực hiện các phân tích thống kê và đánh giá kết quả. Giá trị cường độ trung bình được xác định từ các tổ hợp mẫu thử liên tiếp liền nhau. Kết quả xác định cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông hạt mịn được trình bày trong Bảng 3.5 và Bảng 3.6. Cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn đặc trưng của loại bê tông hạt mịn này lần lượt là 69,9 MPa và 9,145 MPa. Giá trị cường độ chịu nén đặc trưng phù hợp với mục tiêu thiết kế cấp phối, có cường độ chịu nén danh định 60 MPa.
Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông hạt mịn Tổ mẫu Kết quả của tổ mẫu,
fc (MPa) Giá trị trung
bình, fctb (MPa) Độ lệch chuẩn, S
(MPa) Hệ số biến sai, Cv (%)
1 79,58
76,53 4,0374 5,2759
2 80,64
3 79,93
4 76,6
5 83,17
6 71,34
7 74,56
8 80,25
9 78,95
10 77,87
11 82,68
12 75,14
13 79,52
14 73,9
15 72,77
16 74,47
17 69,11
18 75,14
19 77,32
20 75,07
80
21 82,78
22 82,12
23 71,34
24 73,9
25 68,53
26 79,37
27 76,68
28 74,06
29 77,15
30 71,83
Cường độ chịu nén đặc trưng: f’c = fctb – 1,64xS 69,9 (MPa)
Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn của bê tông hạt mịn Tổ mẫu Kết quả của tổ
mẫu, fr (MPa)
Giá trị trung bình, frtb (MPa)
Độ lệch chuẩn, S (MPa)
Hệ số biến sai, Cv (%)
1 12,19
11,31 1,3201 11,7487
2 11,95
3 9,61
4 11,25
5 9,14
6 12,74
7 12,19
8 14,30
9 13,13
10 12,42
11 9,84
12 13,13
13 9,14
14 11,48
15 10,78
16 12,89
17 9,84
18 11,29
19 10,57
20 9,82
21 9,38
81
22 11,04
23 10,62
24 11,87
25 12,42
26 11,33
27 12,51
28 10,90
29 10,38
30 11,23
Cường độ kéo uốn đặc trưng: f’r = frtb – 1,64xS 9,145 (MPa) 3.2.1.1.3 Mô đun đàn hồi
Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn
Mẫu thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi
Tổ mẫu
Kết quả của tổ mẫu, Ec (MPa)
Giá trị trung bình, Ectb (MPa)
1 33639
33432
2 32398
3 34915
4 34653
5 35467
6 31472
7 35393
8 31287
9 31665
Mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C469 [47].
Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi được thực hiện trên 9 mẫu bê tông hạt mịn hình trụ tròn, kích thước d × h = 15 × 30 cm. Các mẫu thí nghiệm sau khi đổ khuôn sẽ được bảo dưỡng ở điều kiện tiêu chuẩn (T = 27 ± 2oC, W ≥ 90%) đến 28 ngày tuổi. Bịt cả 2 đầu của mẫu trụ trong khuôn bịt mẫu bằng hợp chất sunfat để tạo ra một bề mặt chịu tải bằng phẳng và vuông góc với trục của trụ.
Thiết bị thí nghiệm sử dụng gồm: máy nén ADR 2000, bộ khung và đồng hồ đo mô đun đàn hồi. Kết quả thí nghiệm cho thấy mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn (
82 33432
Ectb MPa), nhỏ hơn so với giá trị mô đun đàn hồi tính toán cho bê tông có cường độ chịu nén fc 21 83 MPa trong báo cáo về bê tông cường độ cao của ACI 363R-10.
Điều này có thể giải thích là do bê tông hạt mịn trong thành phần không có cốt liệu thô mà chỉ có cốt liệu mịn (Dmax1mm) cùng với các hạt siêu mịn khác như xi măng, tro bay, muội silic.
3.2.1.2 Lưới sợi các bon
Hình 3.4 Kích thước lưới sợi carbon và mẫu thí nghiệm tấm TRC chịu kéo dọc trục Bảng 3.7 Đặc trưng hình học và cơ học của lưới sợi carbon
Loại lưới sợi
Kích thước Bó sợi trần Cường độ
của sợi trong bê tông (MPa) Kích
thước mắt lưới (mm)
Trọng lượng riêng
(g/cm3)
Độ mịn (tex)
Diện tích bó sợi (mm2)
Cường độ chịu kéo
(MPa)
Mô đun đàn hồi (GPa) Sigratex
Grid 350 25 x 25 1,80 1600 0,88 3550 225 3320
Lưới sợi dệt loại các bon sử dụng trong nghiên cứu này được sản xuất bởi hãng V.FRAAS (Đức), có mã Sigratex Grid 350, với kích thước mỗi tấm là 2 m × 1,25 m. Lưới sợi có trọng lượng riêng là 1,82 g/cm3 , độ mịn 1600tex (1 tex = 1g / 1000 m). Các bó sợi được phủ lớp bọc polymer có nguồn gốc từ styrene butadine với hàm lượng phủ 15%. Cấu trúc lưới được dệt với các bó sợi theo phương 0°/90°, có kích thước hình học như trên Hình 3.4. Lưới sợi dệt được chọn trong nghiên cứu này phù hợp với mục tiêu tăng cường đồng thời cả sức kháng uốn và sức kháng cắt cho kết cấu dầm BTCT. Đồng thời, lưới sợi có mô
83
đun đàn hồi chịu kéo lớn, đảm bảo phát huy đầy đủ khả năng làm việc của lưới sợi cường độ cao khi khai thác trong giai đoạn sử dụng.
Các bó sợi được tiến hành thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo theo tiêu chuẩn ASTM D6637. Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng điển hình của lưới sợi dệt khi chịu kéo được thể hiện ở Hình 1.9, với giả thiết diện tích tiết diện bó sợi là 0,88 mm2 được cung cấp bởi nhà sản xuất. Có thể thấy, ứng suất kéo tăng gần như tuyến tính cho đến khi đạt đến giới hạn cường độ chịu kéo đứt, rồi giảm đột ngột về không (=0). Mức biến dạng kéo cực hạn của lưới sợi được xác định là xấp xỉ 15,2 ‰. Theo công bố của nhà sản xuất, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của sợi đơn (sợi cơ bản) lần lượt là 5000 MPa và 275 GPa.
Hình 3.5 Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của lưới sợi dệt
Bên cạnh đó, nghiên cứu này còn tiến hành thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của bó sợi nằm trong bê tông hạt mịn, theo khuyến cáo của chỉ dẫn kỹ thuật RILEM Technical Committee 232-TDT [54]. Mẫu thí nghiệm tấm TRC có kích thước 25 × 600 × 8 mm, sử dụng 1 bó sợi nằm ở chính giữa (Hình 3.4). Hai đầu mẫu thí nghiệm được dán với tấm thép bằng keo epoxy Sikadur 731. Mẫu thí nghiệm được gia tải dọc trục cho đến khi phá hoại (bó sợi nằm trong bê tông bị kéo đứt). Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ chịu kéo trung bình của bó sợi nằm trong bê tông hạt mịn bằng 3320 MPa, nhỏ hơn so với cường độ chịu kéo của bó sợi trần (3550 MPa). Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới, đã được trình bày ở Mục 1.2.5 .
0 3 5 8 10 13 15 18 20
Biến dạng (×10-3) 0
1000 2000 3000 4000 5000
84