CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT ĐỂ TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.2 Các nghiên cứu về đặc tính cơ học của bê tông cốt lưới dệt
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]
21
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
22
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.
Vết nứt đầu tiên
Giai đoạn I (không nứt)
Giai đoạn II (hình thành vết nứt)
Giai đoạn III (cấu trúc vết nứt ổn định)
Giai đoạn IV
Ứng suất [MPa]
Biến dạng [‰]
Lưới sợi
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
23
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.