- Yêu cầu cao hơn; giám sát chặt chẽ hơn
2.5.Cơ chế biến dạng thể tích của BTK trong quá trình rắn chắc
d) Sử dụng cốt sợi phân tán
2.5.Cơ chế biến dạng thể tích của BTK trong quá trình rắn chắc
Trong quá trình đông kết và rắn chắc của bê tông có sự biến đổi thể tích, mà điển hình là sự co ngót. Theo bản chất hoá lý, có ba loại biến dạng co cơ bản: co tự sinh và co hoá học; co khô; co các bô nát [52]. Bản chất biến dạng của bê tông đã đ−ợc nhiều nhà khoa học quan tâm và đã vận dụng nhiều lý thuyết để nghiên cứu và giải thích hiện t−ợng. Với co hoá học, có lý thuyết thuỷ hoá, lý thuyết gel-keọ Với co khô có lý thuyết sức hút mao quản, lý thuyết n−ớc hấp phụ bề mặt, n−ớc liên kết bên trong. Đối với từ biến có lý thuyết đàn - nhớt, lý thuyết thấm qua và lý thuyết chảy nhớt. Tất cả các hiện t−ợng trên của bê tông đều liên quan mật thiết với độ ẩm, độ rỗng, cấu trúc rỗng và phân bố lỗ rỗng trong bê tông.
Theo giai đoạn hình thành và phát triển c−ờng độ, có biến dạng mềm và biến dạng cứng. Biến dạng mềm là hiện t−ợng bê tông bị thay đổi thể tích khi ch−a có c−ờng độ hoặc c−ờng độ còn rất bé, khi bê tông còn mềm. Ng−ợc lại biến dạng cứng xảy ra sau khi bê tông đã rắn chắc. Trong thời gian đóng rắn, quá trình biến dạng mềm của bê tông phụ thuộc vào các yếu tố môi tr−ờng khí hậu bên ngoài, tính chất và thành phần vật liệu trong bê tông. Theo Neville [78] quá trình co mềm của bê tông phụ thuộc vào độ lớn của cốt liệu, hàm l−ợng xi măng, tỷ lệ N/CKD, ... Cốt liệu có đ−ờng kính càng lớn thì co mềm càng ít. Hàm l−ợng xi măng và thể tích hồ xi măng càng nhiều, tỷ lệ N/CKD càng cao độ co càng lớn.
T.C.Powers đã mô tả sự co ngót của hệ xi măng – n−ớc bằng mô hình thể hiện trên hình 2.2 [80].
(i) (ii) (iii)
(i) - Tr−ớc khi tạo hình (ii) - Đông kết ban đầu (iii) - Sau khi rắn chắc
C - Thể tích ximăng ch−a hydrat Hy - Thể tích sản phẩm hydrat W - Thể tích n−ớc mao quản
Wg - Thể tích nuớc trong gel XM P - Thể tích lỗ rỗng
Hình 2.2. Mô hình co ngót của hệ xi măng – n−ớc
Theo ẸTazawa (1998) co hoá học của xi măng đ−ợc mô tả bằng ph−ơng trình (2.11) [60]: % 100 ) ( wi ci hy w c hy V V V V V S (2.11) hy
S : tỉ lệ co hoá học Vwi: thể tích n−ớc tr−ớc khi hoà trộn
c
V : thể tích xi măng bị hyđrat Vci: thể tích ximăng tr−ớc khi hoà trộn
w
V : thể tích n−ớc hoá học Vhy: thể tích các sản phẩm hydrat
Khối l−ợng riêng và thể tích riêng của các pha trong hệ xi măng – n−ớc ở 25
o
C đ−ợc trình bày trong bảng 2.4 [45], [85]. Từ số liệu ở bảng 2.2 và các ph−ơng trình thuỷ hoá của các khoáng xi măng, có thể tính toán độ co hoá học của các khoáng theo thể tích hoặc theo khối l−ợng (Bảng 2.3).
Bảng 2.2. Tính chất vật lý của các khoáng và sản phẩm thuỷ hoá XM
TT Tên khoáng Khối l−ợng
riêng (g/cm3) Thể tích riêng (cm3/mole) 1 A-lit C3S 3,12-3,21 71,1 2 B-lit C2S 3,28 52,5 3 C-lit C3A 3,03 89,1 4 C-lit C4AF 3,73 130,3 5 Thạch cao 2 n−ớc (dihydrat)- CaSO4.2H2O 2,32 74,21
6 Thạch cao nửa n−ớc (hemihydrat) -
CaSO4.0,5H2O 2,74 52,97
7 Thạch cao khan (anhydrite) 2,61 52,16
8 Silica fume 2,22 27,0 9 Ca(OH)2 -hydroxitcanxi (CH) 2,24 33,08 10 C1.75SH4.0 1,90 2,11 121,1 107,8 11 C3AH6 2,52 150,12 12 Ettringite (C6AS3H32) 1,7 735,0 13 C4ASH12 1,99 312,8 14 C3S2H3 2,71 126,4 15 N−ớc (H) 0,9971 18,07
Bảng 2.3. Độ co hoá học của các khoáng chính trong xi măng pooclăng.
TT Tên khoáng vật (pha) của xi măng Hệ số co hoá học (g n−ớc/g pha rắn) 1 A-lit C3S 0,0704 2 B-lit C2S 0,0724 3 C-lit C3A 0,171(*) 0,115(**) 4 C-lit C4AF 0,117(*) 0,086(**) 5 Silica fume 0,20 Ghi chú:
(*) - Nếu đủ sulfate để khoáng aluminat chuyển đổi thành ettringitẹ (**) - Nếu khoáng aluminat chuyển đổi thành monosulfate
Ẹ Holt và M. Leivo (2003) đã đề xuất công thức (2.12) với các hệ số không hoàn toàn đồng nhất với bảng 2.3 để tính toán co hoá học của xi măng từ thành phần khoáng theo khối l−ợng và độ co riêng phần của chúng [60]:
(2.12) Bằng thực nghiệm, từ năm 1958, T.C.Power đã tìm đ−ợc tổng l−ợng co hoá học của ximăng khi thuỷ hoá 100% trong khoảng 6,25 6,80ml/100g XM [60]. Hiện nay độ co hoá học của xi măng đ−ợc xác định theo tiêu chuẩn ASTM C
1608 – 07 [36]. Theo một số tác giả độ co hoá học của các loại xi măng pooclăng chiếm khoảng 10 15% tổng giá trị co ngót [5], [6].
Co tự sinh của bê tông xảy ra do tác dụng của sự tự khô khi vữa ximăng đông kết, cũng nh− sự hình thành hệ gel-keo và kết tinh của tinh thể ettringite và các tinh thể C-S-H. Quá trình hyđrat hóa tiếp tục và việc hình thành kết nối C-S- H đã tạo thành những lỗ nhỏ mịn trong toàn bộ khối bêtông. Những lỗ mịn và dầy đặc nh− gel này chứa hơi ẩm hấp thụ từ hơi n−ớc hoặc dung dịch n−ớc. G.Hoff (2002) [60] cho rằng, trong bêtông chất l−ợng cao với tỷ lệ N/X thấp “sự xốp mịn” này tạo ra sức hút mao quản lớn hơn và do đó có sự tự co lớn khi vữa bơm đầy vào hệ thống lỗ rỗng nàỵ Đối với bêtông có tỷ lệ N/X nhỏ hay tỷ lệ chất kết dính cao, chẳng hạn nh− BTK tự lèn hay bêtông có c−ờng độ cao, biến dạng thể tích dạng do tự co có thể trong khoảng 200 400.10-6, và chất l−ợng của chúng th−ờng bị ảnh h−ởng nhiều bởi tự co ngót.
Tỷ lệ N/X càng thấp thì độ ẩm t−ơng đối (RH) bên trong ximăng đông kết ban đầu càng nhỏ. RH bên trong tiếp tục giảm khi ximăng thuỷ hoá. Thời gian đông kết ban đầu của hồ ximăng th−ờng đ−ợc xem là điểm bắt đầu của quá trình tự co (ẸTazawa,1998) [60]. Việc bảo d−ỡng bên ngoài th−ờng không giảm đi sự biến dạng do tự co, bởi nếu tỷ lệ N/X của bêtông thấp ngay từ đầu thì khả năng độ ẩm thâm nhập vào bêtông sẽ khó hơn và cần nhiều thời gian hơn do sự đông kết của vữa ximăng và sự gián đoạn của cấu trúc lỗ rỗng.
Bê tông chịu sự biến dạng thể tích đáng kể đặc biệt là trong giai đoạn tuổi sớm, phần lớn những biến dạng này xảy ra trong nền vữa do l−ợng n−ớc mất vào môi tr−ờng và bởi các phản ứng hoá học. Khô nhanh do n−ớc bay hơi là nguyên nhân chính gây ra co ngót của bêtông. Sự mất n−ớc tự do gây co các mao quản trong nền xi măng chiếm khoảng 80% 90% tổng co [6], [23].
Co ngót của bêtông sẽ không gây ra bất kì tác động nào đáng kể nếu vật liệu là đồng nhất và có thể biến dạng tự dọ Tuy nhiên bêtông là một vật liệu hỗn hợp và trong thực tế nó bị cản co cả ở bên trong lẫn bên ngoài: sự cản trở của khuôn mẫu cốp pha, của các kết cấu liền kề, cản trở của cốt thép và của cốt liệu
[23], [78], [82]. Độ co của bê tông nhẹ không những phụ thuộc môi tr−ờng bảo d−ỡng, thành phần bê tông và tuổi của nó mà còn chịu ảnh h−ởng mạnh bởi loại cốt liệu, khối l−ợng thể tích hạt, kích th−ớc và thành phần hạt. BTK có độ co thấp hơn đáng kể so với các loại BTCLR khác. Khối l−ợng thể tích hạt CLR càng lớn, độ co của bê tông càng giảm [52].
Co ngót kết hợp cùng biến dạng nhiệt không đồng nhất của các thành phần trong bê tông làm xuất hiện các vết nứt vi mô hay vĩ mô trong kết cấụ Co ngót trong điều kiện này sẽ làm xuất hiện ứng suất kéo đủ lớn trong nền đá xi măng làm nứt cấu kiện. Baikob đã mô tả trạng thái ứng suất trong kết cấu bê tông cốt thép khi có sự co của nền bê tông bằng ph−ơng trình 2.13 [23].
co.Ean.. . k ; k t (2.13)
k: ứng suất kéo trong bê tông; t: ứng suất nén trong cốt thép. co = ch.lệch = (t - bt) t : độ co t−ơng đối của bê tông so với cốt thép; t và bt : hệ số nở nhiệt t−ơng ứng của thép và bê tông.
Ea : mô đun đàn hồi của cốt thép; Eb: mô đun đàn hồi của BT. : hệ số biến dạng đàn hồi khi kéo( 0,5).
: mật độ cốt thép trong kết cấu; t : chênh lệch nhiệt độ. n = Ea/Eb : tỷ lệ giữa mô đun đàn hồi của cốt thép và bê tông.
Nh− vậy khi co và tăng thì ứng suất kéo do biến dạng trong bê tông tăng. Đối với BTCLR, chỉ số n trong ph−ơng trình 2.13 cao hơn so với BT nặng cùng mác, có nghĩa là ứng suất kéo do biến dạng trong BTCLR sẽ thấp hơn khi có cùng mật độ cốt thép.
2.6. Các ph−ơng pháp giảm co ngót cho BTK chịu lực 2.6.1. Điều chỉnh thμnh phần bê tông vμ chất kết dính