Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi thép cường độ chịu uốn cao trong điều kiện Việt Nam

Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi thép cường độ chịu uốn cao trong điều kiện Việt Nam

Viện Khoa học công nghệ Xây dựng

-oOo -

Nguyễn Thanh Bình

Nghiên cứu chế tạo

bê tông cốt sợi thép cường độ chịu uốn cao

trong điều kiện Việt Nam

Chuyên ngành: Vật liệu và Công nghệ Vật liệu Xây dựng

Mã số: 62.58.80.01

tóm tắt luận án tiến sỹ kỹ thuật

hμ nội, 2007

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Trần Bá Việt - Viện KHCN Xây dựng

2 TS Trần Minh Đức - Viện KHCN Xây dựng

Phản biện 1: GS.TSKH Phừng Văn Lự

Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên

Phản biện 3: GS.TS Dương Đức Tín

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà

nước họp tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng vào hồi:

14 giờ ngày 03 tháng 08 năm 2007

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện - Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

2 Thư viện Quốc gia

1 Nguyễn Thanh Bình, Trần Bá Việt (2007), ảnh hưởng của sợi thép

phân tán đến tính chất của bê tông mác cao trong điều kiện khí hậu nóng ẩm việt nam, T/c Khoa học Công nghệ Xây dựng,

Viện KHCN Xây dựng, quý I/2007, trang 22-29, 15

2 Nguyễn Thanh Bình, Trần Bá Việt (2006), ảnh hưởng của sợi thép

đến tính chất của bê tông cường độ cao, T/c Xây dựng, Bộ Xây

dựng, Hà Nội 07/2006, trang 48-51

3 Nguyễn Thanh Bình, Trần Bá Việt (2006), Bê tông trang trí cốt sợi

thép phân tán để tu bổ lớp mặt đường công trình di tích, T/c Người

Xây dựng, Cơ quan Tổng hội Xây dựng Việt Nam, Hà Nội 07/2006, trang 47-49

4 Nguyễn Thanh Bình, Trần Bá Việt (2006), Nghiên cứu ảnh hưởng

của tỷ lệ hướng sợi đến cường độ của bê tông cốt sợi thép, T/c Khoa

học Công nghệ Xây dựng, Viện KHCN Xây dựng, quý III/2006, trang 40-43

sợi thấp với cùng mác BT

- Sợi thép có tỷ lệ hướng sợi càng cao thì hệ số bền nứt của BTCST càng

cao ở tuổi 1 năm: Hệ số bền nứt của BT không sợi mác 700 là 0,97 và

mác 500 là 1,07; Hệ số bền nứt của BTCST từ 1,4ữ2 với cả mác 500 và

700

Đây là kết quả mới của luận án

7 Đã ứng dụng thử nghiệm BTCST làm lớp mặt công trình, đạt được

những kết quả tốt, kiểm chứng công nghệ thi công, các tính chất trong

điều kiện thực, mở ra triển vọng sử dụng rộng rãi BTCST làm lớp mặt

công trình chịu tải trọng trong điều kiện khí hậu Việt Nam BTCST đáp

ứng được các yêu cầu kỹ thuật mà bê tông thường không đáp ứng được

Từ yêu cầu về cường độ chịu kéo khi uốn của công trình đã tính toán

cho phép lựa chọn loại sợi thép, tỷ lệ hướng sợi, hàm lượng sợi và mác

bê tông gốc cho BTCST hiệu quả nhất về kỹ thuật - kinh tế Khi sử

dụng BTCST đúng mục đích sẽ đem lại hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật

cho công trình

Kiến nghị

1 BTCST có cường độ chịu kéo khi uốn cao có thể dùng làm lớp mặt

vừa chịu lực vừa phải kháng nứt, có độ bền dẻo dai cao, chống bào

mòn, bề mặt chịu tác động trực tiếp của điều kiện nóng ẩm Việt Nam,

tăng tuổi thọ, cho phép giảm chiều dày lớp mặt

2 Cần biên soạn chỉ dẫn thiết kế và thi công BTCST cường độ chịu kéo

khi uốn cao làm mới và sửa chữa lớp mặt kết cấu từ kết quả nghiên

cứu luận án

Phần mở đầu Tính cấp thiết của đề tài: Các công trình xây dựng hạ tầng giao thông,

công nghiệp như: cầu, đường cao tốc, cầu cảng, đường băng sân bay, sàn nhà công nghiệp v.v đang và sẽ được xây dựng nhiều Lớp mặt các công trình này thường được thiết kế, thi công bằng bê tông (BT) có cường độ chịu kéo khi uốn từ 30-50 daN/cm2 [14, 22], với chiều dày 20-40cm, khoảng cách giữa các khe co dãn bị hạn chế Khi chịu tác động của tải trọng (biến đổi, va đập v.v ) và tác động của điều kiện khí hậu (ĐKKH) nóng ẩm, bề mặt BT thường: xuất hiện các vết nứt; các vết nứt có xu hướng tăng dần về số lượng, chiều rộng và chiều sâu, BT bị bong tróc v.v làm giảm tuổi thọ công trình Những hạn chế này là do BT có cường

độ chịu kéo khi uốn không thể tăng cao, độ bền dẻo dai thấp, tính kháng nứt thấp Sử dụng bê tông cốt sợi thép (BTCST) cường độ chịu kéo khi uốn cao sẽ làm tăng khả năng chịu tải trọng, tăng độ bền dẻo dai, tăng khả năng kháng nứt, tăng bền khí hậu, giảm chiều dày BT lớp mặt, tăng

khoảng cách khe co dãn và kéo dài tuổi thọ công trình Đề tài "Nghiên

cứu chế tạo bê tông cốt sợi thép cường chịu uốn cao trong điều kiện Việt Nam" sẽ góp phần làm rõ cơ chế ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép, tỷ lệ

hướng sợi và ảnh hưởng của ĐKKH nóng ẩm Việt Nam tới các tính chất của BTCST (cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ chịu nén, độ bền dẻo dai, chống ăn mòn, Modun đàn hồi, hệ số Poatxong, bền nứt, bền khí hậu ) và góp phần giải quyết nhu cầu xây dựng ở Việt Nam hiện nay

Mục tiêu nghiên cứu: Chế tạo được BTCST cường độ chịu kéo khi uốn (Rk.uốn) cao từ lựa chọn vật liệu sẵn có kết hợp vật liệu nhập ngoại, lựa chọn thành phần BTCST đáp ứng yêu cầu thiết kế, xác định tính chất và thông số công nghệ chế tạo BTCST dùng cho thi công mới và sửa chữa lớp mặt công trình chịu tải trọng trong ĐKKH nóng ẩm Việt Nam

Nhiệm vụ nghiên cứu: Luận án cần giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCST nhằm xác định hướng nghiên cứu

- Thiết kế, lựa chọn thành phần BT gốc và BTCST mác 500 và 700, BTCST

có cường độ chịu kéo khi uốn cao (Rk.uốn ≥ 100 daN/cm2) từ ứng dụng

một số loại sợi thép chế tạo công nghiệp với vật liệu tại Việt Nam dùng

cho làm mới và sửa chữa lớp mặt công trình chịu tải trọng

- Xác định nguyên tắc lựa chọn loại cốt sợi thép, hàm lượng sợi hợp lý,

tỷ lệ hướng sợi hợp lý với BT mác cao đáp ứng yêu cầu của thiết kế sao

cho hiệu quả nhất

- Xác định quy trình chế tạo và bảo dưỡng BTCST trong điều kiện khí

hậu nóng ẩm Việt Nam

- ảnh hưởng của loại sợi thép, hàm lượng sợi, tỷ lệ hướng sợi, ảnh hưởng

của điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam đến các tính chất của BTCST

- Khả năng ứng dụng của BTCST có Rk.uốn cao làm lớp mặt công trình

chịu tải trọng trong ĐKKH nóng ẩm Việt Nam

ý nghĩa khoa học của luận án:

- Đã luận cứ về hướng nghiên cứu BTCST có Rk.uốn cao trên nền BT gốc

mác cao, tính công tác tốt trong điều kiện Việt Nam

- Bằng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đã đề xuất việc thiết

kế, lựa chọn thành phần BTCST, lựa chọn hàm lượng sợi và loại sợi phù

hợp cho BT có cường độ chịu kéo khi uốn cao theo yêu cầu thiết kế

trong điều kiện Việt Nam

- Xác định được các tính chất quan trọng của BTCST trong điều kiện tiêu

chuẩn và điều kiện thực tiễn khí hậu Việt Nam

- Kết quả nghiên cứu của luận án dựa trên các nghiên cứu so sánh giữa

BTCST và BT không sợi đối chứng và sự làm việc của chúng trong điều

kiện tiêu chuẩn với điều kiện thực tiễn khí hậu Việt Nam

- Kết quả nghiên cứu đã chỉ rõ sợi thép có tỷ lệ hướng hướng sợi cao sẽ

phát huy khả năng càng lớn khi sử dụng với BT mác càng cao

Những đóng góp mới của luận án

- Chế tạo được BTCST mác 500 và 700 có cường độ chịu kéo khi uốn cao

cao (Rk.uốn≥ 100 daN/cm2

) từ vật liệu sẵn có tại Việt Nam kết hợp một số loại sợi thép sản xuất công nghiệp; lựa chọn thành phần BTCST, quy trình

chế tạo với thiết bị thi công sẵn có tại Việt Nam

Rk.uốn cao từ 100ữ150 daN/cm 2 Đã xác định quy trình chế tạo và bảo dưỡng BTCST trong ĐKKH nóng ẩm Việt Nam Đây là kết quả nghiên

cứu của luận án

4 Đã luận cứ được yếu tố quan trọng quyết định Rk.uốn của BTCST là tỷ

lệ hướng sợi, hàm lượng sợi thép hợp lý với mỗi mác BT:

- Đối với BT mác càng cao, sợi thép càng làm tăng cường độ chịu kéo khi

của tỷ lệ hướng sợi (từ 29ữ60; x = 0ữ31); hệ số a và b xác định trong

bảng 4.5

- Sợi thép có tỷ lệ hướng sợi càng cao càng làm tăng độ bền dẻo dai của

BTCST Bê tông mác cao cho phép đồng thời sử dụng sợi thép có tỷ lệ hướng sợi cao và hàm lượng sợi thép hợp lý cao; làm tăng cao cường độ chịu kéo khi uốn và cải thiện nhiều nhất quan hệ ứng suất - độ võng, tăng cao chỉ số bền dẻo dai

Đây là kết quả mới của luận án về nghiên cứu sử dụng sợi thép trên nền bê tông mác cao

5 Mô đun đàn hồi và hệ số Poatxong của BTCST ít chịu ảnh hưởng của sợi thép khi hàm lượng sợi dưới 2% theo thể tích Trong điều kiện mài

mòn ma sát khô, khả năng chống mài mòn của BTCST mác cao được

quyết định bởi cường độ của BT gốc Sợi thép không ảnh hưởng đến khả

6 Đã luận cứ được những vấn đề mới về sự phù hợp của BTCST cường độ chịu kéo khi uốn cao dùng làm mới và sửa chữa lớp mặt công trình trong điều khí hậu Việt Nam:

- Sợi thép không làm ảnh hưởng tới độ mất nước, song lại làm giảm co

mềm Với cùng hàm lượng sợi, sợi thép có tỷ lệ hướng sợi cao, tiết diện sợi nhỏ làm giảm co mềm và tăng lớn nhất kháng nứt do co mềm

- Sợi thép luôn làm tăng hệ số bền khí hậu của BTCST Sợi có tỷ lệ hướng

sợi cao cho hệ số bền khí hậu của BTCS thép cao hơn sợi có tỷ lệ hướng

thành rẻ hơn nếu sử dụng đá tấm Thanh Hoá, công trình sau 3 năm sử

dụng BT lớp mặt vẫn đảm bảo chất lượng tốt

- Làm lớp mặt đường chịu tải trọng của xe tải nặng, va đập của thiết bị

khi cẩu tại Viện KHCN Xây dựng, đáp ứng được với các yêu cầu kỹ

thuật khác nhau (khu vực1 và khu vực 2), chiều dày lớp mặt 10 và 20

cm, khoảng cách giữa các khe co dãn 7 và 12 m, sau khi thi công 3

ngày đưa vào sử dụng bình thường

5.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật đối với ứng dụng BTCST làm

lớp mặt công trình trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam

ứng dụng BTCST có Rk.uốn cao sẽ giả quyết được các vấn đề kỹ

thuật mà BT thông thường không đáp ứng được Đã phân tích các chỉ tiêu

kinh tế-kỹ thuật đối với yêu cầu về Rk.uốn của BTCST (Rk.uốn: 100ữ150

daN/cm2), để lựa chọn loại sợi thép, tỷ lệ hướng sợi, hàm lượng sợi và

mác bê tông gốc sao cho hiệu quả nhất về kỹ thuật - kinh tế Khi sử dụng

đúng mục đích BTCST sẽ đem lại hiệu quả về mặt kinh tế, kỹ thuật cho

công trình

kết luận chính của luận án

1 Đã luận chứng về yêu cầu thiết kế thành phần BTCSTcó cường độ chịu

kéo khi uốn cao đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, cho phép giảm chiều dày

cần thiết của BT lớp mặt dùng làm mới và sửa chữa lớp mặt công trình

chịu tải trọng dưới tác động trực tiếp của ĐKKH nóng ẩm Việt Nam

2 Đã lựa chọn vật liệu và thiết kế, lựa chọn thành phần BT gốc vàBTCST

mác 500 và 700, hỗn hợp BT đảm bảo phân tán tốt 4 loại sợi thép với

daN/cm2) Sợi thép đã làm tăng Rk.uốn cao nhất đạt 70ữ80% so với BT

gốc không sợi Tỷ số (R k.uốn /R nén ) của BTCSTở tuổi 28 ngày cao nhất

đạt 20ữ21% Đây là kết quả nghiên cứu của luận án

3 Đã xác định nguyên tắc thiết kế, lựa chọn thành phần BTCST (lựa

chọn hợp lý: loại sợi, tỷ lệ hướng sợi, hàm lượng sợi và mác BT gốc) có

- Xác định ảnh hưởng của loại sợi, hàm lượng sợi, tỷ lệ hướng sợi và ảnh hưởng của điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam tới các tính chất của BTCST (cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ chịu nén, ăn mòn, bền dẻo dai, bền nứt, bền khí hậu v.v )

- Đã ứng dụng thử nghiệm BTCST làm lớp mặt công trình ở miền Bắc và miền Trung, đạt được những kết quả tốt, kiểm chứng công nghệ thi công, các tính chất trong điều kiện thực, cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi BTCST làm mới và sửa chữa lớp mặt công trình chịu tải trọng

trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam

Nội dung chính của luận án đã được báo cáo trong các hội thảo: Hội

thảo khoa học “Sản phẩm mới, công nghệ mới ngành XD trong hội nhập

và phát triển” Triển lãm Quốc tế Vietbuild 2 lần là năm 2006 và 2007 tại

Hà Nội, Hội nghị Khoa học cán bộ trẻ lần thứ XI-Viện KHCNXD, 8/2006

và đăng trên các tạp chí chuyên ngành

Kết cấu luận án: Luận án gồm phần mở đầu, 5 chương, kết luận chính

và tài liệu tham khảo được trình bày trong 156 trang A4 với các kết quả nghiên cứu được minh họa trong 60 bảng, 56 đồ thị và hình ảnh

Chương 1 tổng quan về bê tông cốt sợi thép

BTCST đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới và đem lại hiệu quả cao trong các ứng dụng đòi hỏi cường độ chịu kéo khi uốn cao,

độ bền dẻo dai cao, chịu va đập, chống nứt và các tính năng khác Để làm lớp mặt chịu tải trọng và có thể giảm chiều dày BT lớp mặt yêu cầu quan trọng nhất là tăng cao cường độ chịu kéo khi uốn của BT

Đặc điểm nguồn vật liệu, thiết kế, lựa chọn thành phần BTCST theo các chỉ tiêu của thiết kế BT lớp mặt, quy trình chế tạo và ảnh hưởng của

ĐKKH nóng ẩm Việt Nam tới tính chất của hỗn hợp BTCST và BTCST hiện tại chưa có nghiên cứu về vấn đề này Nghiên cứu về BTCST ở Việt Nam hiện nay chưa thành hệ thống, nhất là trên nền BT gốc mác cao có tính công tác tốt cùng lúc với 4 loại sợi và tạo ra BTCST có cường độ chịu kéo khi uốn cao (Rk.uốn ≥ 100 daN/cm2) Nhu cầu ứng dụng BTCST có

Rk.uốn cao dùng cho làm mới và sửa chữa lớp mặt công trình trong điều

kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam như: mặt cầu, mặt đường cao tốc, mặt

cầu cảng, mặt đường băng, mặt sàn công nghiệp v.v ở Việt Nam hiện

tại và trong tương lai là cấp thiết Vì vậy ảnh hưởng của loại sợi thép, tỷ

lệ hướng sợi, hàm lượng sợi, ảnh hưởng của ĐKKH nóng ẩm Việt Nam

đến các tính chất của BTCS thép (cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ

chịu nén, ăn mòn, độ bền dẻo dai, bền nứt, bền khí hậu v.v ) cần được

nghiên cứu để làm chủ ở Việt Nam

ứng dụng BTCST có cường độ chịu kéo khi uốn cao trong điều kiện

Việt Nam có tính khả thi cao Với vật liệu và thiết bị thi công trong nước

có thể chế tạo được BTCST đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề ra

Chương 2 Vật liệu vμ phương pháp nghiên cứu

2.1 Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu

• Xi măng: PCB 40 Nghi Sơn, đáp ứng TCVN 6260:1997;

• Cát: Cát sông Lô có mô đun độ lớn là 2,72, đáp ứng TCVN 7570:2006;

• Đá dăm: Đá Hoà Bình có dmax = 20mm, tỷ lệ cỡ hạt: d= 5ữ10mm và

d=10ữ20mm là 45% và 55% theo [27] đáp ứng TCVN 7570:2006;

• Phụ gia siêu dẻo: Glenium SP 51 của hãng MBT-Degussa;

• Phụ gia khoáng mịn:

- Phụ gia khoáng hoạt tính mạnh: Tro trấu đáp ứng TCXDVN 311: 2004;

- Chất độn mịn: Tro tuyển Phả Lại theo ASTM C618-00;

• Sợi thép: 4 loại sợi theo ASTM A820-01;

• Nước: Theo TCXDVN 302: 2004

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu áp dụng là kết hợp giữa nghiên cứu lý

thuyết và nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với điều kiện

tiêu chuẩn và điều kiện khí hậu về tính chất của hỗn hợp BTCST và

BTCST, kiểm chứng qua áp dụng thử nghiệm Cơ sở khoa học của phương

pháp luận là sự làm việc đồng thời giữa sợi thép và vật liệu nền Các

phương pháp thí nghiệm áp dụng gồm: phương pháp thí nghiệm tiêu

chuẩn và phương pháp thí nghiệm không tiêu chuẩn

Bảng 4.23 Hệ số bền nứt của BT và BTCST trong ĐKKH nóng ẩm Việt Nam

Bê tông mác 500 Bê tông mác 700 Chỉ

tiêu

Ngày

28 1,66 21,0 2,72 2,98 1,46 2,07 2,56 2,82

Hệ số bền nứt 360 1,07 1,36 1,87 2,01 0,96 1,36 1,76 1,90 BTCST có khả năng bền nứt rất tốt Hệ số bền nứt của BTCST cao hơn rất nhiều hệ số bền nứt của BT gốc không sợi:

- ở tuổi 1 năm: Hệ số bền nứt của BT gốc không sợi là 1,07 với BT mác

500 và 0,97 với BT mác 700; Hệ số bền nứt của BTCS thép từ 1,4 ữ 2 với cả mác 700 và 500, tuỳ theo loại sợi

- Sợi thép có tỷ lệ hướng sợi cao thì hệ số bền nứt của BTCST cao

- Chiều dài tối thiểu với sợi dẹt (đường kính tương đương 1,31mm) phải

là 24 mm và 33 mm tương ứng với mác 500 và 700

Chương 5 ứng dụng BTCS thép lμm lớp mặt công

trình trong điều kiện việt nam 5.1 Khả năng ứng dụng BTCST làm lớp mặt công trình trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam

BTCST có cường độ chịu kéo khi uốn cao, chịu tải trọng nén cao,

có độ bền dẻo dai cao khi chịu tác tải trọng (biến đổi, va đập), khi làm việc trong ĐKHK nóng ẩm Việt Nam có khả năng kháng nứt tốt, bền khí hậu cao từ đó làm tăng tuổi thọ của công trình, đồng thời cho phép giảm chiều dày lớp mặt và tăng khoảng cách giữa các khe co dãn

5.2 ứng dụng BTCST làm lớp mặt công trình trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam

Kết quả nghiên cứu của luận án đã ứng dụng thử nghiệm làm lớp mặt

đường chịu tại trọng dưới tác động trực tiếp của ĐKKH nóng ẩm Việt Nam ở hai vùng khí hậu miền Bắc và miền Trung:

- Làm lớp mặt đường giao thông khu vực Lăng Thiên Thọ (Lăng Gia Long) trên BT gốc mầu trang trí sử dụng sợi thép phân tán thay thế đá tấm Thanh Hoá Đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của công trình với giá

độ chịu nén và giảm 6 ữ 6,4% với cường độ chịu kéo khi uốn)

- BTCS thép: ở tuổi 60 ngày hệ số bền khí hậu KKH ≥1 Từ tuổi 60 đến

360 ngày, hệ số bền khí hậu của BTCST luôn cao hơn so BT không sợi

cùng cấp mác ở từng tuổi mẫu

- Sợi có tỷ lệ hướng sợi cao cho hệ số bền khí hậu của BTCST lớn hơn

loại sợi có tỷ lệ hướng sợi thấp với cùng cấp mác BT Hệ số bền khí hậu

của BTCST mác 500 và 700, sử dụng sợi có tỷ lệ hướng sợi 60 với hàm

lượng sợi hợp lý ở tuổi 1 năm là KKH ≅ 1

4.8 ảnh hưởng điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam đến khả năng

kháng nứt của BTCST theo thời gian

4.8.1 Biến dạng cứng

Từ kết quả nghiên cứu, có thể thấy rằng:

- Sợi thép cải thiện không nhiều biến dạng cứng của BTCST Sợi thép đã

làm giảm biến dạng cứng khoảng 8-9% (với sợi có tỷ lệ hướng sợi 60) ở

hàm lượng hợp lý với BT mác 500 và 700;

- Khi tăng tỷ lệ hướng sợi thép thì biến dạng cứng của BTCST giảm, song

mức độ chênh lệch giữa các loại sợi là không nhiều

4.8.2 Hệ số bền nứt

2,0

1,4

1,6

1,2

Tuổi 360 ngày Tuổi 28 ngày

ô 2,8

3,2

0,8

20

3,0

1,0

2,6

1,8

2,2

2,4

Tỷ lệ hướng sợi của sợi thép

BT vμ BTCST (sợi 50kg/m 3 ) mác 500

1,2 1,0 0,8

Tuổi 28 ngày

Tuổi 360 ngày

3,2

3,0

2,6 2,8

2,0 1,8 2,2 2,4

1,4 1,6

Tỷ lệ hướng sợi của sợi thép

Hình 4.31: ảnh hưởng của sợi thép đến hệ số bền nứt của BTCST trong

điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam

Chương 3 Nghiên cứu thiết kế thμnh phần BTCS thép

3.1 Yêu cầu kỹ thuật của BTCST làm lớp mặt công trình

BTCST có cường độ chịu kéo khi uốn cao dùng làm mới và sửa chữa lớp mặt chịu tải trọng trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam

Yêu cầu đối với hỗn hợp BTCST: Cần có tính công tác cao, với tỷ lệ

N/X không cao, đảm bảo phân tán sợi đồng đều Chọn độ sụt của hỗn hợp BTCST cần đạt 16-18cm

Yêu cầu đối với BTCST:

• Cường độ chịu kéo khi uốn (R k.uốn ): Đảm bảo khả năng chịu tải

trọng (biến đổi, va đập v.v ), giảm chiều dày lớp mặt, tác động trực tiếp của ĐKKH nóng ẩm, phát huy hiệu quả của sợi thép, tăng tuổi

thọ, chọn R k.uốn của BTCST cần đạt ≥ 100 daN/cm2

• Cường độ chịu nén: Chọn BT gốc với hai mác 500 và 700

• Tỷ số cường độ chịu kéo khi uốn/cường độ chịu nén (R k.uốn /R nén ):

Cao nhất ở mức có thể, nhưng phải đảm bao yêu cầu phân tán sợi và giá

thành, tỷ số này cần đạt 16-20%

3.2 Thiết kế thành phần BTCST 3.2.1 Thiết kế thành phần bê tông gốc (không sợi)

Thành phần của BT gốc mác 500 và 700, với hàm lượng xi xăng (XM) tối thiểu đảm bảo đạt mác, hàm lượng bột mịn đảm bảo

đủ cho hỗn hợp BT phân tán cốt sợi thép với giới hạn hàm lượng dự kiến.Tỷ lệ cát/cốt liệu chọn theo ACI 544.1R-96 [27] là: 45% Kết quả nghiên cứu thành phần BT gốc mác 500 và 700 cho trong bảng 3.6

Bảng 3.6 Thành phần bê tông gốc mác 500 và 700

Số

tt

Ký hiệu

XM (kg)

Tro trấu (kg)

Tro bay (kg)

SD (lít)

Cát (kg)

Đá

(kg)

N (lít)

Sợi thép (kg)

Độ sụt (cm)

3.2.2 Lựa chọn thành phần BTCST

Hàm lượng sợi thép trong nghiên cứu từ 25-75kg/m3 cho BT mác

500 và 50-100kg/m3 cho BT mác 700 Trên cơ sở thành phần BT gốc mác

500 (CP50) và mác 700 (CP70), đưa 4 loại sợi thép (tỷ lệ hướng sợi: 29;

39,7; 50 và 60) vào hỗn hợp BT Điều chỉnh lượng phụ gia siêu dẻo đạt

tính công tác cho hỗn hợp BTCST, giữ nguyên tỷ lệ N/X, đảm bảo hỗn

hợp BTCST không tách nước, không phân tầng Thành phần BTCST sau

khi điều chỉnh có độ sụt của hỗn hợp BTCST đạt từ 16-18cm Ký hiệu các

cấp phối BTCST nghiên cứu cho trong bảng 3.8

Bảng 3.8 Ký hiệu các cấp phối BTCST nghiên cứu

Bê tông mác 500 Bê tông mác 700

Số

tt

Loại sợi

Ký hiệu

Sợi thép,

kg/m 3 Loại BT Ký

hiệu

Sợi thép,

kg/m 3 Loại BT

1 không sợi CP50 0 BT gốc CP70 0 BT gốc

4

Sợi dẹt lượn sóng,

dài 38mm, tỷ lệ

hướng sợi 29 CP53A 75 BTCS thép CP73A 100 BTCS thép

7

Sợi dẹt lượn sóng,

dài 52mm, tỷ lệ

hướng sợi 39,7 CP53B 75 BTCS thép CP73B 100 BTCS thép

10

Sợi tròn 2đầu neo

SF-35/0,7 (mm),

tỷ lệ hướng sợi 50 CP53C 75 BTCS thép CP73C 100 BTCS thép

13

Sợi tròn 2 đầu neo

SF-30/0,5 (mm),

tỷ lệ hướng sợi 60 CP53D 75 BTCS thép CP73D 100 BTCS thép

3.2.2.1 ảnh hưởng của loại sợi và hàm lượng sợi thép tính chất của

hỗn hợp BTCST

• ảnh hưởng của loại sợi và hàm lượng sợi thép đến tính công tác của

hỗn hợp BTCST:

- Cùng mác BT, cùng thành phần và cùng hàm lượng sợi, tính công tác

của hỗn hợp BT giảm khi tỷ lệ hướng sợi tăng

- Tính công tác của hỗn hợp BTCST giảm khi tăng hàm lượng sợi Hàm

lượng sợi thép hợp lý sẽ càng cao khi tăng mác BT gốc càng cao

• ảnh hưởng của loại sợi và hàm lượng đến khả năng phân tán sợi

thép trong hỗn hợp bê tông:

- Cùng hàm lượng sợi, loại sợi thép có tỷ lệ hướng sợi cao, số lượng sợi

lớn có khả năng phân tán đồng đều hơn sợi có tỷ lệ hướng sợi thấp, số

4.7.2 ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu kéo khi uốn và hệ số bền khí hậu khi uốn của BTCST theo thời gian

40 60 80 100 120 140 160 180

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Tuổi mẫu, ngμy

CP50(c) CP50(tn) CP52A(c) CP52A(tn) CP52D(c) CP52D(tn)

60 80 100 120 140 160 180 200

Tuổi mẫu, ngμy

Bê tông vμ BTCST mác 500 Bê tông vμ BTCST mác 700

Hình 4.30: Sự phát triển cường độ chịu kéo khi uốn của BT và BTCST theo thời gian trong điều kiện chuẩn và trong điều kiện tự nhiên

Bảng 4.21 ảnh hưởng của sợi thép đến hệ số bền khí hậu đối với cường

độ chịu kéo khi uốn của BTCST theo thời gian

Hệ số bền khí hậu đối với cường độ chịu kéo khi uốn KKH,

Bê tông mác 500 Bê tông mác 700 Loại sợi thép

Từ kết quả nghiên cứu sự phát triển cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và hệ số bền khí hậu của BTCST và BT gốc không sợi thấy rằng dưới tác động của ĐKKH nóng ẩm BT vẫn tiếp tục phát triển cường độ theo thời gian Tuy nhiên BT thường xuyên chịu các tác động của co ngót, nở thể tích diễn ra trong suốt quá trình phát triển với chu kỳ lặp lại nhiều lần, dẫn tới BT bị mỏi Bằng sự liên kết và làm việc đồng thời rất tốt giữa sợi thép và BT dẫn tới làm tăng khả năng chịu mỏi của BTCST, từ đó làm tăng hệ số bên khí hậu của BTCST, cụ thể:

- BT gốc không sợi: ở tuổi 60 ngày hệ số bền khí hậu KKH <1 Từ tuổi 60 ngày trở đi hệ số bền khí hậu giảm dần theo thời gian (ở tuổi 1 năm,

K của BT gốc không sợi mác 500 và 700 giảm 4,6 ữ 5,5% với cường

Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam thời gian bảo dưỡng

cần thiết T BD

ct

của BTCST tương tự như bê tông gốc không sợi

4.7 ảnh hưởng điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam đến cường độ

và độ bền khí hậu của BTCST theo thời gian

Các cấp phối nghiên cứu được bảo dưỡng và đánh giá kết quả đồng

thời theo 2 điều kiện là: 1/ Bảo dưỡng mẫu và kiểm tra kết quả cường độ

(Rc) của mẫu ở các tuổi trong điều kiện tiêu chuẩn; 2/ Bảo dưỡng ẩm mẫu

ngoài tự nhiên (với T BD ct), sau đó để ngoài tự nhiên trên nền cao 2m

không bảo dưỡng và kiểm tra kết quả cường độ (Rtn) của mẫu ở các tuổi

Hệ số bền khí hậu được đánh giá: KKH = Rtn/Rc

4.7.1 ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu nén và hệ số bền khí

hậu khi nén của BTCST theo thời gian

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Tuổi mẫu, ngμy

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Tuổi mẫu, ngμy

Bê tông vμ BTCST mác 500 Bê tông vμ BTCST mác 700

Hình 4.29: Sự phát triển cường độ chịu nén của BT và BTCST theo thời gian

trong điều kiện chuẩn và trong điều kiện tự nhiên Bảng 4.19 ảnh hưởng của sợi thép đến hệ số bền khí hậu đối với cường

độ chịu nén của BTCST theo thời gian

Hệ số bền khí hậu đối với cường độ chịu nén KKH,

Bê tông mác 500 Bê tông mác 700 Loại sợi thép

lượng sợi ít

- Hàm lượng sợi thép hợp lý đảm bảo phân tán tốt trong cho hỗn hợp BT trong khoảng 50 kg/m3 với BT mác 500 và khoảng 75 kg/m3 với BT mác 700 ở hàm lượng 75 kg/m3 với BT mác 500 và 100 kg/m3 với BT mác 700 khả năng vón cục sợi thường dễ xảy ra

- Hàm lượng sợi hợp lý đảm bảo phân tán tốt tăng cùng với tăng mác BT

3.2.2.2 Lựa chọn cấp phối BTCST đáp ứng các chỉ tiêu cơ lý

Kết quả nghiên cứu cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn

và tỷ số Rk.uốn/Rnén của BT gốc không sợi và BTCST với 4 loại sợi, mỗi

loại sợi với 3 hàm lượng tương ứng với từng cấp mác BT như sau:

a Lựa chọn cấp phối BTCST đáp ứng yêu cầu về cường độ chịu nén

- Sợi thép đã làm tăng cường độ chịu nén của BTCST so với BT gốc ở tuổi 28 ngày, tăng từ 1,8-11% (10-57daN/cm2) với BT mác 500 và từ 3,5-11,1% (26- 80daN/cm2) với BT mác 700

- Loại và hàm lượng sợi có ảnh hưởng không nhiều đến mức độ tăng cường độ chịu nén của BTCST ở tuổi 28 ngày

b Lựa chọn cấp phối BTCST đáp ứng yêu cầu về cường độ chịu kéo khi uốn: Từ kết quả nghiên cứu có kết luận sau:

- Các cấp phối BTCST đều có cường độ chịu kéo khi uốn (Rk.uốn) ở tuổi

28 ngày cao hơn so với BT gốc ở cùng cấp mác Rk.uốn ở tuổi 28 ngày của BTCST so với BT gốc tăng từ 7,2-70% (5,4-52,3daN/cm2) với BT mác 500 và tăng từ 19,8- 80,4% (18-73,2 daN/cm2) với BT mác 700

- Cùng 1 hàm lượng, sợi thép có tỷ lệ hướng sợi càng cao có mức tăng cường độ chịu kéo khi uốn càng cao

- Hàm lượng sợi thép tăng, Rk.uốn của BTCST tăng lên, hàm lượng sợi thép hợp lý trong khoảng 50kg/m3 với BT mác 500 và 75kg/m3 với BT mác

700 Hàm lượng sợi hợp lý tăng khi tăng mác BT gốc

Với BT mác 500 (sợi 50kg/m3) có 2 loại sợi (tỷ lệ hướng sợi: 50 và 60) và BT mác 700 (sợi 75kg/m3) cả 4 loại sợi đạt yêu cầu về Rk.uốn đề ra

Từ kết quả nghiên cứu đưa ra bảng thiết kế, lựa chọn thành phần BTCST (lựa chọn hợp lý: loại sợi, tỷ lệ hướng sợi và mác BT gốc) có R cao từ

100-150 daN/cm2 cho trong bảng 3.16

50

70

90

110

130

150

170

Sợi dẹt dài 38mm, tỷ lệ hướng sợi 29 Sợi dẹt dài 52mm, tỷ lệ hướng sợi 39,7 Sợi tròn SF-35/0,7(mm), tỷ lệ hướng sợi 50 Sợi tròn SF-30/0,5(mm), tỷ lệ hướng sợi 60

BT mác 500

50 70 90 110 130 150 170

Sợi dẹt dài 38mm, tỷ lệ hướng sợi 29 Sợi dẹt dài 52mm, tủ lệ hướng sợi 39,7 Sợi tròn SF-35/0,7(mm), tỷ lệ huớng sợi 50 Sợi tròn SF-30/0,5(mm), tỷ lệ hướng sợi 60

BT mác 700 Hình 3.8: ảnh hưởng của loại và hàm lượng sợi thép đến cường độ chịu

kéo khi uốn của BTCST mác 500 và 700 ở tuổi 28 ngày

Bảng 3.16 Định hướng thiết kế thành phần BTCST theo cường độ chịu

kéo khi uốn từ lựa chọn loại sợi, hàm lượng sợi và mác bê tông gốc

Cường độ chịu kéo khi uốn (daN/cm2

) Mác BT Loại sợi

100 110 120 130 140 150

Sợi A (tỷ lệ hướng sợi 29) - - - - - -

Sợi B (tỷ lệ hướng sợi 39,7) - - - - - -

Sợi C (tỷ lệ hướng sợi 50) 50 - - - - -

BT mác 500;

Hàm lượng

sợi (kg/m3

)

Sợi D (tỷ lệ hướng sợi 60) 50 50 - - - -

Sợi A (tỷ lệ hướng sợi 29) 75 100 - - - -

Sợi B (tỷ lệ hướng sợi 39,7) 50 75 100 - - -

Sợi C (tỷ lệ hướng sợi 50) 50 50 75 75 100 -

BT mác 700;

Hàm lượng

sợi (kg/m3

)

Sợi D (tỷ lệ hướng sợi 60) 50 50 50 75 75 100

Ghi chú: Hệ số an toàn đối với cường độ chịu kéo khi uốn của BTCST trong bảng

3.16 chọn K = 1,1 (tuỳ theo yêu cầu của thiết kế để lựa chọn hệ số an toàn)

Để phát huy hiệu quả về Rk.u và hiệu quả sử dụng sợi thép, trong các

ứng dụng nên sử dụng với sợi thép có tỷ lệ hướng sợi 50 và 60

c Tỷ số cường độ chịu kéo khi uốn/cường độ chịu nén (R k.u /R nén )

Sợi thép đã làm tăng tỷ số Rk.uốn/Rnén của BTCST so với BT gốc Sợi

thép có tỷ lệ hướng sợi cao cải thiện tỷ số Rkuốn/Rnén của BT là rõ rệt Với

BT mác 500 (sợi 50kg/m3) và BT mác 700 (sợi 75kg/m3) tỷ số Rk.uốn/Rnén

tăng khả năng kháng nứt do co mềm của BTCST Sợi thép có tỷ lệ hướng

sợi cao, tiết diện sợi nhỏ làm giảm co mềm và tăng khả năng kháng nứt

do co mềm của BTCST nhiều hơn sợi thép có tỷ lệ hướng sợi thấp, tiết diện sợi lớn

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 60 120 180 240 300 360 420 480 (Thời gian, phút)

0 C

t, 0C

W, %

9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 17h00(giờtrong ngày)

70

80

60 50 40

30

10

0

-2,8 -2,4 -2,0 -1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0,0

CP50 CP52A CP52C CP52D

0 60 120 180 240 300 360 420 480 Thời gian, phút 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 17h00 (giờ trong ngày)

-2,8 -2,4 -2,0 -1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0,0

CP70 CP72A CP72C CP72D

0 60 120 180 240 300 360 420 480 Thời gian, phút 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 17h00 (giờ trong ngày)

Hình 4.24: Biến dạng mềm của BT và BTCST mác 500, 700 (mùa hè) Bảng 4.16 Kết quả xác định độ mất nước và biến dạng mềm của BT và

BTCST sau 1 ngày đóng rắn (modun hở M h = 30m -1 )

Bê tông mác 500 Bê tông mác 700

Chỉ tiêu

Độ mất nước, % 48,25 47,09 45,39 44,47 45,18 43,73 41,69 40,81

ε, mm/m 2,20 2,00 1,87 1,77 2,55 2,15 1,98 1,88 Biến dạng

mềm ∆ε/ε, % - -9,09 -15,00 -19,54 - -15,68 -22,35 -26,27