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
1.2.3 Tính chất dính bám giữa lưới sợi dệt với bê tông hạt mịn
Tương tự như ở các vật liệu liên hợp khác, lực dính bám giữa bê tông hạt mịn và lưới sợi dệt đóng vai trò rất quan trọng đối với tính chất cơ học của TRC. Lực dính bám này quyết định chiều dài neo của cốt lưới dệt trong bê tông hạt mịn, cũng như bề rộng và khoảng cách giữa các vết nứt. Các bó sợi không có gờ nên giữa lưới sợi và bê tông hạt mịn chỉ còn thành phần dính bám hóa học và ma sát [20]. Tính chất dính bám của lưới sợi dệt hoàn toàn khác với các vật liệu chịu lực khác, ví dụ như thép, bởi lưới sợi dệt không phải là vật liệu đồng nhất trên toàn bộ tiết diện, mà các bó sợi được tổ hợp từ các hàng nghìn sợi cơ bản.
Mỗi bó sợi bao gồm các sợi ở bên ngoài tiếp xúc với bê tông và các sợi ở bên trong không tiếp xúc trực tiếp với bê tông (Hình 1.11). Do đó, có thể chia dính bám giữa bê tông hạt mịn và lưới sợi thành dính bám trong và dính bám ngoài [20].
Hình 1.11 Dính bám trong và dính bám ngoài của lưới sợi dệt [43]
Dính bám ngoài là dính bám trên vùng tiếp xúc giữa bê tông và các sợi phía ngoài (Hình 1.12). Các sợi bên ngoài được “nhúng” vào trong bê tông hạt mịn, và có khả năng neo vào hỗn hợp bê tông hạt mịn này. Kích thước hạt trong bê tông hạt mịn, chu vi sợi và lớp phủ trên bó sợi là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến loại dính bám này. Jesse [43] đã thực hiện thí nghiệm với nhiều loại lưới sợi khác nhau và nhận thấy lưới sợi có đường kính và khoảng cách giữa các bó sợi càng nhỏ thì sẽ có dính bám với bê tông hạt mịn càng tốt. Các sợi bên trong không tiếp xúc trực tiếp với bê tông hạt mịn, và do đó không thể neo trực tiếp
17
vào bê tông hạt mịn. Lực ma sát giữa các sợi cơ bản phía trong tương đối nhỏ, và các sợi này có thể dễ dàng bị trượt nếu lực ma sát nhỏ. Có thể cải thiện lực dính bám này bằng cách sử dụng lớp phủ bằng epoxy hoặc keo vinyl, ngấm sâu vào các sợi cơ bản trong quá trình sản xuất (Hình 1.13). Lớp phủ này khiến ma sát trong tăng lên, lực tác dụng phân bố nên các sợi đều hơn [43]. Trong trường hợp này, có thể coi tất cả các sợi cơ bản đều được neo vào bê tông hạt mịn, và các sợi cơ bản phía trong không bị trượt khi chịu lực. Báo cáo của Krüger [46] cho thấy đối với lưới sợi không sử dụng lớp phủ polymer, các sợi cơ bản phía trong bị kéo tuột hoàn toàn, trong khi các sợi phía ngoài có dính bám trực tiếp với bê tông hạt mịn sẽ bị kéo đứt. Hiệu ứng này càng rõ ràng khi độ mịn của bó sợi tăng lên.
Hình 1.12 “Neo” của cốt lưới dệt trong bê tông hạt mịn
Ứng suất dính bám Ứng suất dính bám
Sử dụng lớp phủ
Hình 1.13 Các sợi phía trong sử dụng keo epoxy làm tăng dính bám [43]
Do sử dụng vật liệu không bị ăn mòn như sợi các bon, sợi thủy tinh kháng kiềm, chiều dày lớp bê tông bảo vệ của TRC thường chỉ ở mức mm để đảm bảo dính bám giữa các bó sợi với bê tông hạt mịn. Theo Shiping Yin [57], chiều dày lớp bê tông bảo vệ cần thiết là từ 2 đến 3 mm để đảm bảo yêu cầu neo cốt lưới dệt chắc chắn vào bê tông. Phần thừa của lớp bê tông bảo vệ không chỉ làm gia tăng tĩnh tải cho cấu kiện mà còn làm tăng bề mở rộng vết nứt, dẫn đến giảm ý nghĩa chống nứt của lưới sợi dệt. Theo chỉ dẫn của Hiệp hội bê tông Hoa Kỳ nêu trong ACI 549.4R-13 [12], chiều dày lớp bê tông hạt mịn bảo vệ được khuyến cáo từ 4 ÷ 5 mm, để đảm bảo dung sai trong quá trình thi công.
18
1.2.3.2 Ứng xử dính bám của lưới sợi dệt với bê tông hạt mịn khi chịu kéo
Hình 1.14 Mẫu thí nghiệm và kết quả thí nghiệm kéo tuột bó sợi [20]
Banholzer [20] đã phát triển thí nghiệm kéo tuột bó sợi thủy tinh dính bám với bê tông hạt mịn, sử dụng camera tốc độ cao để quan sát sự phá hoại của các sợi cơ bản ở các mực tải trọng khác nhau trong quá trình thí nghiệm (Hình 1.14). Các sợi cơ bản chưa bị phá hoại được thể hiện bằng màu trắng. Đường lực – chuyển vị trượt tăng gần như tuyến tính trong giai đoạn đầu, nối tiếp bởi một đoạn phi tuyến trước khi đạt đến giá trị lớn nhất. Sau khi lực kéo đạt giá trị cực hạn, lực tác dụng giảm xuống đột ngột và duy trì mức ở tải trọng do thành phần dính bám ma sát gây ra. Cùng với sự gia tăng của chuyển vị kéo trượt, số lượng sợi cơ bản giảm dần. Tuy nhiên, quá trình phá hoại không xảy ra đồng thời trên toàn bộ tiết diện mà xảy ra đối với từng nhóm sợi cơ bản. Kết quả này một lần nữa khẳng định giả thiết về ứng xử kéo trượt của bó sợi được không chế bởi lực dính bám lớn của các sợi bên ngoài và sự trượt của các sợi bên trong. Đồng thời, sự thấm nhập một cách ngẫu nhiên của chất nền vào lõi của bó sợi làm ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất trên tiết diện bó sợi. Về mặt lý thuyết, các hạt xi măng và cốt liệu mịn có đường kính xấp xỉ 10 μm khó có thể xâm nhập vào không gian giữa các sợi cơ bản (chiều rộng khoảng 3 μm) [20]. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, các bó sợi được sản xuất có dạng dẹt, do đó trong quá trình thi công, chất nền có thể xâm nhập vào phần lõi của bó sợi ở mức độ nhất định.
1.2.3.3 Chiều dài neo của lưới sợi dệt
Trong thực tế, các bài toán thiết kế yêu cầu phải xác định được chiều dài neo của lưới sợi dệt để đảm bảo ứng suất kéo trong các bó sợi được truyền đầy đủ lên bề mặt lớp bê tông được tăng cường. Đa số các nghiên cứu về chiều dài neo cần thiết của cốt lưới dệt
19
trong bê tông hạt mịn đã được thực hiện dựa trên cơ sở các thí nghiệm kéo tuột bó sợi (pull- out test). Ortlepp [52] phát triển một loại thí nghiệm khác có thể nhanh chóng và trực tiếp xác định chiều dài neo của lưới sợi dệt (Hình 1.15). Ý tưởng của Ortlepp là thí nghiệm sẽ kiểm tra một loạt các chiều dài dính bám của nhiều bó sợi ngay trong một mẫu thí nghiệm có tiết diện hình nón, với góc nghiêng 45° (Hình 1.15). Chiều dài neo của lưới sợi là chiều dài cần thiết để truyền toàn bộ lực kéo từ bó sợi vào bê tông hạt mịn xung quanh, được xác định bằng cách đo chiều dài lớn nhất của các sợi nhô ra sau khi các mẫu thí nghiệm bị phá hoại. Các bó sợi có chiều dài dính bám lớn sẽ bị phá hoại do kéo đứt, còn các bó sợi có chiều dài dính bám ngắn sẽ bị tuột hoàn toàn. Nguyên nhân là do các bó sợi có chiều dài dính bám lớn, ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo đứt của các bó sợi, dẫn đến các sợi bị đứt.
Hình 1.15 Thí nghiệm xác định chiều dài neo [52]
Báo cáo của Ortlepp [52] cho thấy, khi sử dụng lớp phủ polymer, khả năng dính bám của lưới sợi tăng lên đáng kể. Đối với lưới sợi không sử dụng lớp phủ, các bó sợi có chiều dài 200 mm đều bị kéo tuột khỏi bê tông hạt mịn. Điều này có nghĩa là, chiều dài neo của lưới sợi không sử dụng lớp phủ lớn hơn 200 mm, thường không phù hợp để tăng cường cho các vị trí kết cấu mà đoạn chiều dài dính bám của lưới sợi nhỏ. Trong khi đó, khi các lưới sợi tương tự có cùng khả năng chịu kéo và có sử dụng lớp phủ, chiều dài neo giảm rõ rệt. Tuy nhiên, bên cạnh việc cải thiện dính bám, lớp phủ này cũng làm độ cứng của lưới sợi tăng lên đáng kể, nghĩa là lưới sợi trở nên “giòn” hơn, các sợi cơ bản dễ bị phá hoại khi bị uốn, gấp. Điều này cần được lưu ý khi lưới sợi được quấn xung quanh các mép tiết diện, cạnh của cấu kiện được tăng cường. Với các kết cấu tăng cường này, lưới sợi dệt thường được phủ với hàm lượng polymer nhỏ 30%. Ortlepp [52] khuyến cáo, chiều dài neo của lưới sợi có thể chấp nhận được với lớp phủ có hàm lượng khoảng 15% .
20
Hình 1.16 Ảnh hưởng lớp phủ polymer đến chiều dài neo [52]
Ứng xử dính bám của các lưới sợi có lớp phủ bị ảnh hưởng bởi sự phân bố của các bó sợi ngang. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, khoảng cách giữa các bó sợi ngang càng ngắn sẽ làm giảm lực dính bám giữa các bó sợi dọc chịu lực với bê tông hạt mịn. Các bó sợi ngang này có vai trò như các lỗ rỗng tại vị trí giao với các bó sợi theo phương chịu lực, làm giảm diện tích tiếp xúc của bó sợi với bê tông hạt mịn. Do đó, chiều dài neo cần thiết của các bó sợi dọc chịu lực sẽ tăng lên. Nói cách khác, chiều dài neo không chỉ phụ thuộc vào đặc tính của các bó sợi theo phương chịu lực mà còn chịu ảnh hưởng của cấu trúc toàn bộ lưới sợi. Theo Ortlepp [52], khả năng dính bám của lưới sợi carbon kém hơn đáng kể so với lưới sợi thủy tinh, do đó cần chiều dài neo lớn hơn so với lưới sợi thủy tinh.