Nghiên cứu đặc tính cơ lý của bê tông cốt sợi và ứng dụng trong xây dựng cầu đường luận văn thạc sỹ cầu hầm

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy, cô Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận án Thạc sỹ Kỹ thuật “Nghiên cứu đặc tính cơ

MAI HOÀNG ANH

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA

BÊ TÔNG CỐT SỢI VÀ ỨNG DỤNG TRONG

XÂY DỰNG CẦU ĐƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI -2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

MAI HOÀNG ANH

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA

BÊ TÔNG CỐT SỢI VÀ ỨNG DỤNG TRONG

XÂY DỰNG CẦU ĐƯỜNG

Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm

Mã số: 60.58.25

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long

HÀ NỘI - 2014

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy, cô Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận án Thạc

sỹ Kỹ thuật “Nghiên cứu đặc tính cơ lý của Bêtông cốt sợi thép và ứng dụng trong xây dựng cầu đường”

Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Cầu hầm - Trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội, các cán bộ quản lý và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy lớp Cao học Xây dựng Cầu hầm K20-1 đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này;

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Ngọc Long đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên cứu đề tài, sửa chữa, hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn

Hà Nội, ngày 12 tháng 4 năm 2014

Học viên

Mai Hoàng Anh

MỤC LỤC Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT SỢI VÀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 3

1.1 Vật liệu bê tông cốt sợi và bê tông cốt sợi thép: 3

1.1.1 Lịch sử phát triển: 3

1.1.2 Các loại bê tông cốt sợi, cốt sợi thép: 6

1.1.3 Các loại sợi trong bê tông cốt sợi: 7

1.2 Đặc điểm của bê tông cốt sợi: 13

1.2.1 Mô hình tương tác giữa sợi và vật liệu nền: 13

1.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt sợi đến đặt trưng của bê tông: 23

1.2.3 Nghiên cứu đặt tính của bê tông cốt sợi: 24

1.3 Khả năng ứng dụng của bê tông cốt sợi 38

1.3.1 Các ứng dụng của bê tông cốt sợi và cốt sợi thép 38

1.3.2 Triển vọng ứng dụng bê tông cốt sợi tại Việt Nam 43

1.4 Kết luận chương 1 43

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT SỢI VÀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 45

2.1 Các nguyên tắc xây dựng thành phần vật liệu 45

2.2 Xác định thành phần vật liệu nền (bê tông, bê tông cường độ cao) và cốt sợi: 46

2.2.1 Nghiên cứu các phương pháp thiết kế thành phần bê tông 46

2.2.2 Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao có sự thanh gia của cốt sợi thép 68

2.2.3 Thử nghiệm xác định các đặt tính cơ học của vật liệu bê tông

cốt sợi thép: 76

2.3 Kết luận chương 2 82

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT SỢI TRONG KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI 84

3.1 Khái niệm về ứng dụng vật liệu bê tông cốt sợi trong dầm bê tông: 84

3.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông cốt sợi: 85

3.2.1 Mô tả chọn mẫu và thí nghiệm mẫu thử: 85

3.2.2 Thí nghiệm uốn trong phòng thí nghiệm: 90

3.2.3 Đánh giá kết quả thí nghiệm: 93

3.3 Phân tích đánh giá trạng thái, đặc tính của dầm ứng dụng vật liệu bê tông cốt sợi 93

3.3.1 Phân tích các trạng thái phá hủy: 93

3.3.2 Cường đô chiu kéo khi uốn: 95

3.3.3 Quá trình nứt và mô men nứt 96

3.4 Nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi thép tại khu vực chịu lực cục bộ 97

3.4.1 Phân tích khu vực chịu lực cục bộ: 97

3.4.2 Thiết kế vùng neo theo 22TCN272-05: 99

3.4.3 Thiết kế tính toán vùng neo gia cường bằng bê tông cường độ cao cốt sợi thép 103

3.5 Kết luận chương 3 121

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

BTCT : Bê tông cốt thép

BTCST : Bê tông cốt sợi thép

BTCĐCCST : Bê tông cường độ cao cốt sợi thép

TCN : Tiêu chuẩn ngành

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

VLXD : Vật liệu xây dựng

GTVT : Giao thông vận tải

AASHTO : American Association of State Highway and

Transportation officials (Hiệp hội các viên chức đường bộ

và vận tải Mỹ) AASHO : American Association of State Highway officials (Hiệp

hội các viên chức đường bộ Mỹ) ACI : American Society for Testing and Materials (Hội thí

nghiệm và vật liệu Mỹ) CEB : Comite Europeen du Béton (ủy ban Bê tông châu Âu) FIP : Federation Internationale de la Precontraninte (Hiệp hội

quốc tế về dự ứng lực) JSCE : Japan Society of Civil Engineers (Hội Kỹ sư Xây dựng

Nhật Bản) RILEM : International Union of Laboratories and Experts in

ConstructionMaterials, Systems and Structures (Hiệp hội quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia về vật liệu xây dựng, hệ thống và kết cấu)

DIN : Deutsches Institut fỹr Normung (Viện tiêu chuẩn Đức)

HPC : High Performance Concrete (bê tông chất lượng cao) CMOD : Biến dạng hoặc độ mở rộng vết nứt danh định

PGSD : Phụ gia siêu dẻo

HRWR : Phụ gia giảm nước cao

N/CKD : Nước/Chất kết dính

L/df : Chiều dài sợi thép/đường kính sợi thép

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thuộc tính của những loại sợi khác nhau 11

Bảng 1.2: Liệt kể kích thước hình học và chất lượng vật liệu của 7 loại sợi thép 12

Bảng 2.1 Độ sụt của hỗn hợp bê tông 48

Bảng 2.2: Lượng nước trung bình (lít) cho 1m3 bêtông 49

Bảng 2.3 Độ sụt đề nghị cho các loại kết cấu công trình khác nhau 53

Bảng 2.4 Quan hệ giữa cường độ nén của bêtông và tỷ lệ N/X 56

Bảng 2.5 Thể tích cốt liệu trong 1 đơn vị thể tích bêtông 57

Bảng 2.6 Bảng xác định theo Dmax theo đặc tính bê tông 59

Bảng 2.7 Bảng xác định Dmax theo chiều dầy tối thiểu của lớp bảo vệ (Cmin) 59

Bảng 2.8 Giá trị của hệ số cốt liệu G 60

Bảng 2.9 Giá trị của hệ số độ chặt c 60

Bảng 2.10 Cỡ hạt lớn nhất Dmax 65

Bảng 2.11: Lượng nước trộn dự kiến trong 1m3 bêtông dùng cát có độ rỗng 35% và chứa đựng phụ gia siêu dẻo 65

Bảng 2.12: Tỷ lệ nước/ chất dính kết đối với bêtông pha PGSD 66

Bảng 2.13 Hàm lượng tro bay được khuyến nghị trong bêtông 66

Bảng 2.14: Hàm lượng đá đầm chặt Vđc 67

Bảng 2.15 Giá trị tối đa N/CDK khuyên dùng đối với bê tông cường độ cao cốt sợi thép được sản xuất có chất giảm nước cao (HRWR) 74

Bảng 2.16 Tỷ lệ thành phần cốt liệu chế tạo bê tông cường độ cao cốt sợi thép 70MPa 78

Bảng 2.17 Kết quả đo độ sụt 79

Bảng 2.18 Cường độ nén bê tông 3 ngày 79

Bảng 2.19 Cường độ nén bê tông 7 ngày 80

Bảng 2.20 Cường độ nén bê tông 28 ngày 80

Bảng 2.21 Kết quả đo mô đun đàn hồi 82

Bảng 3.1 Thành phần bê tông cường độ cao cốt sợi thép 86

Bảng 3.2 Ký hiệu mẫu thí nghiệm 91

Bảng 3.3 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 91

Bảng 3.4 Giá trị tải trọng (F, kN) và cường độ chịu kéo uốn f (N/mm2) ứng với các giá trị độ mở rộng vết nứt đặc trưng 95

Bảng 3.5 Mô men ứng với các giá trị độ võng đặc trưng 97

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình sự kéo tuột sợi tại bề mặt liên kết sợi vật liệu nền của

bê tông cốt sợi 15

Hình 1.2: Mặt phân cách của vật liệu nền - sợi khi vật liệu nền chưa nứt 16

Hình 1.3: Mô tả sợi trong vật liệu nền-biến dạng và ứng suất xung quanh sợi 17

Hình 1.4: Sự phân bố của sợi trong bê tông 18

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn ứng suất trượt - chuyển vị Sự chuyển đổi của ứng suất đàn hồi sang ứng suất trượt ma sát 20

Hình 1.6 Phân bố ứng suất trượt tại mặt phân cách dọc theo giao điểm của vết nứt với sợi ngay sau khi nứt 22

Hình 1.7 Hình dạng sợi bị mất bám dính một phần và ứng suất trượt tại mặt phân cách 23

Hình 1.8 Sự định hướng sợi 28

Hình 1.9 Thi công đường sân bay ở Bỉ 39

Hình 1.10 Mặt đường bến cảng (Tây Ban Nha) 39

Hình 1.11 Hầm đường sắt (Anh) 40

Hình 1.12 Nền nhà kho (Pháp) 40

Hình 1.13 Hệ thống thoát nước (Đức) 41

Hình 1.14 Nền nhà kho (Anh) 41

Hình 1.15 Thi công đường sắt (Đức) 42

Hình 1.16 Bản nền đường sắt 42

Hình 3.1 Mô hình kéo và kéo khi uốn 87

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm theo DIN 1045 (Đức) 89

Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm theo RILEM TC162TDF 89

Hình 3.4 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 3 ngày 92

Hình 3.5 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 7 ngày 92

Hình 3.6 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 28 ngày 92

Hình 3.7 Tổng hợp quan hệ giữa tải trọng và độ võng đến 15mm 93

Hình 3.8 Các dạng phá hoại mẫu 94

Hình 3.9 Chỉ tiết vùng chung và vùng cục bộ khu vực đầu neo 100

Hình 3.10 Ứng suất kéo và lực kéo tại khu vực đầu neo 101

Hình 3.11: Cấu tạo khu vực đầu dầm I, L=33m 104

Hình 3.12: Mặt cắt ngang bố trí cốt thép dự ứng lực 112

Hình 3.13: Bố trí cốt thép vùng neo (không sử dụng cốt sợi thép) 115

Hình 3.14: Bố trí cốt thép vùng neo (sử dụng cốt sợi thép 5%) 116

MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới các công trình có qui mô lớn đã và đang được xây dựng với việc ứng dụng các vật liệu và công nghệ tiên tiến Thực tế này yêu cầu các vật liệu và kết cấu công trình phải thỏa mãn các tính năng mới để đảm bảo cường độ và độ bền của công trình trong điều kiện chịu tác động của tải trọng phát triển và môi trường phức tạp Ở Việt Nam, hàng loạt các công trình lớn đang được xây dựng Các công trình này đã được ứng dụng các vật liệu và công nghệ tiên tiến trên thế giới và đạt được các thành tựu nổi bật

Bê tông là một loại vật liệu chịu nén tốt nhưng có cường độ chịu kéo chưa cải thiện được nhiều Bê tông cường độ cao với cường độ chịu đã ra đời

và được dùng chủ yếu trong các công trình nhà cao tầng, cầu lớn và các công trình ngoài biển Khi tăng cường độ bê tông ngoài các tính năng tốt có được thì bê tông trở nên dòn và bị phá hoại đột ngột Bê tông cốt sợi là một vật liệu đáp ứng được các yêu cầu về tăng độ dẻo của bê tông truyền thống Bê tông cường độ cao cốt sợi thép ra đời nhằm tăng tính dẻo cho bê tông nhờ khả năng hút năng lượng của cốt sợi thép Ngoài ra bê tông cường độ cao cốt sợi thép giúp cho kết cấu bê tông có ứng xử tốt hơn với các vết nứt bằng cơ chế khâu các vết nứt và truyền ứng suất qua vết nứt Các loại bê tông cốt sợi polyme cũng có tính chất tương tự Bê tông cường độ cao cốt sợi thép có cường

độ đến 40MPa đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trên thế giới và bắt đầu được sử dụng tại Việt Nam Bê tông cường độ cao cốt sợi thép chưa được quan tâm nhiều ở Việt Nam Bê tông cường độ cao cốt sợi thép và rất cao đã được nghiên cứu từ những năm 2000 và đang được nghiên cứu tiếp theo

Luận án nghiên cứu về bê tông cốt sợi thép, về khả năng chịu lực tĩnh theo các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng và năng lượng phá hoại

Luận án đã được thực hiện tại bộ môn Cầu hầm, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông Vật tải dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long

Tôi xin bày tỏ sự cám ơn bộ môn Cầu hầm, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vật tải và đặc biệt bởi những sự hướng dẫn sâu sắc và khoa học của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long trong quá trình thực hiện luận án Mục tiêu nghiên cứu:

 Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần bê tông cốt sợi thép cường độ 70MPa trên cơ sở xi măng, cốt liệu, phụ gia ở Việt Nam và cốt sợi thép Dramix

 Thí nghiệm xác định các tính chất của vật liệu trên phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành

 Phân tích ứng xử uốn tĩnh của dầm bê tông cốt sợi thép đe xác định

hệ số về mô men và năng lượng phá hủy

 Lựa chọn mô hình vật liệu và phương pháp thiết kế kết cấu dầm Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

 Xác định các tính năng kỹ thuật mà Bê tông cốt sợi thép sẽ phải thể hiện khi được sử dụng trong ngành cầu đường bộ

 Khảo sát phạm vi ứng dụng tốt nhất của Bê tông cốt sợi thép trong ngành cầu đường bộ

 Xác định các tính năng cơ lý chủ yếu cũng như độ bền của Bê tông cốt sợi thép và ứng dụng

Nội dung của đề tài:

Nội dung của đề tài bao gồm:

Mở đầu: Trình bày vấn đề nghiên cứu và tóm tắt kết quả

Chương 1: Tổng quan về nghiên vật liệu bê tông cốt sợi và bê tông cốt

sợi thép

Chương 2: Nghiên cứu xác thành phần vật liệu bê tông cốt sợi và bê

tông cốt sợi thép

Chương 3: Nghiên cứu đánh giá ứng dụng của bê tong cốt sợi trong kết

cấu dầm bê tông cường độ cao cốt sợi

Kết luận - Kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT SỢI

VÀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 1.1 Vật liệu bê tông cốt sợi và bê tông cốt sợi thép:

1.1.1 Lịch sử phát triển:

Từ cổ xưa những loại sợi đã được sử dụng để tăng cường cho những vật liệu giòn, quay trở lại thời kỳ Ai Cập và Babylonian, người ta vẫn thường sử dụng những loại sợi hoặc vải lông ngựa để tăng cường cho gạch thô để ngoài trời, những bức tường trát bằng bùn, thạch cao Với vữa ximăng portland người ta sử dụng sợi amiăng Những nghiên cứu đầu tiên về sợi thép phân tán

là của Romualdi, Batson, Mandêl Những nghiên cứu tiếp theo được thực hiện bởi Shah và Swamy và một vài những nghiên cứu khác ở Mỹ, Anh và Nga Vào những năm 1960, bê tông cường độ cao cốt sợi thép đã bắt đầu được sử dụng vào kết cấu mặt đường

Từ năm 1971-1977, Nawy và cộng sự của ông ta đã chỉ đạo nghiên cứu

về sự làm việc lâu dài của những bó có nhiều thanh nhỏ, lưới thuỷ tinh và những thanh bị biến dạng như là thanh tăng cường chính trong kết cấu Từ đó cho đến nay quá trình sử dụng những sợi tăng cường vào khối bê tông được nghiên cứu rất nhiều nhằm mục đích cải thiện một số thuộc tính cơ học của bê tông, nhưng nó không thay thế cho những thanh thép tăng cường chính trong kết cấu bê tông cốt thép Khoa học của bê tông cốt sợi và sợi composites đã được phát triên từ đó cho tới nay

Vào những năm 1989-1999 các tiêu chuẩn của ACI 544 về bê tông cốt sợi ra đời Gồm có 4 tập, tập 1R tổng quan, tập 2R các tính chất, tập 3R giới thiệu về công nghệ, tập 4R-99 hướng dẫn thiết kế bê tông được tăng cường cốt sợi thép Tiêu chuẩn ASTM C1018-97 hướng dẫn về thí nghiệm xác định

độ dai của bê tông cường độ cao cốt sợi thép

Năm 1994 HSu LS và HSu CCT đã phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của bê tông cường độ cao cốt sợi thép Các công bố của Nawy năm 1996

về tăng cường bê tông bằng cốt sợi Năm 1978 Wyliam và Sharama công bố

về khả năng chịu cắt của cốt sợi

Năm 1992 Naaman đã thông báo về bê tông cốt sợi chất lượng cao Bayashi, 1992 đã công bố về việc ứng dụng sợi cacbon trong công tác tăng cường sửa chữa kết cấu Richard, 1992 công bố về bê tông có độ bền cao sử dụng cốt sợi thép Năm 1995-2000 F.De Larrard và J.M Torrenti đã có những công bố về bê tông chất lượng cao và bê tông cường độ cao cốt sợi thép Bernhard R Maidl Steel Fibere RC, 1995, Đức, giới thiệu về kiến thức căn bản về bê tông cốt sợi và các phương pháp phân tích trên quan hệ lực và

độ võng

Vấn đề độ dai của bê tông được gia cường cốt sợi đã được quan tâm nghiên cứu từ năm 2000 đến 2007 với những công bố việc so sánh giữa những tiêu chuẩn ASTM C1018 và tiêu chuẩn Nhật Bản JSCE SF-4 của các tác giả Yu Cheng Kan- Taiwan và Piti Sukontasukkul- Bangkok Các tác giả cho rằng sử dụng tiêu chuẩn ASTM thích hợp với cả thí nghiệm kéo và thí nghiệm uốn trên mẫu 100x100x300mm Năm 1997, D.O.Al- Ghamdy ở đại học Michigan-USA đã công bố những nghiên cứu quan hệ giữa độ dai với thành phần vật liệu có hàm lượng cốt sợi vf từ 0.75 đến 1.5% với các biến thay đổi và đường kính lớn nhất của cốt liệu là 1/4in (0.635mm), tỷ lệ N/X từ 0.42 đến 0.6, hàm lượng cốt liệu biến đổi từ 35% đến 47%, mẫu thử có kích thước 4x4x16in (100x100x400mm) và rút ra các kết luận là năng lượng phá hủy phụ thuộc vào thành phần của bê tông cốt sợi, lượng sợi thép, loại sợi thép và sự làm việc của bê tông cốt sợi sau nứt là đàn hồi dẻo Năm 1994 tác giả Jean Francois ở trường đại học Nova Scotia- Canada đã nghiên cứu và mô tải tính dai của vật liệu bê tông cường độ cao cốt sợi thép trên mẫu

100x100x350mm với cường độ bê tông từ 40MPa đến 85MPa (mẫu 150x150mm) xác định trị số về mô đun đàn hồi và mô đun cắt ở vùng độ võng từ 0 đến 0.04mm tính toán năng lượng đàn hồi và năng lượng tổng thể Vào tháng 5 năm 2007, Job Thomas ở Ấn Độ có trình bày nghiên cứu về tính chất cơ học của bê tông cường độ cao cốt sợi thép có cường độ trên mẫu hình lập phương từ 35-:-65MPa với hàm lượng cốt sợi thép từ 0.5-:-1.5% và xem xét tính chất của bê tông cốt sợi tương quan với hệ số L/df ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để lập ra các công thức đơn giản để dự báo mô đun đàn hồi và các tính chất khác

Các nghiên cứu về bê tông polyme cũng đã được trình bày của các công trình nghiên cứu của Shin Hwang và T Budi Aulia vào năm 2003

Các nghiên cứu về động học của bê tông cường độ cao cốt sợi thép cũng được các tác giả K Fullard và P Barr (Anh) công bố M.Zineddin và T Krauthamer (Viện hàn lâm khoa học Hoa Kỳ) công bố vào năm 2006 Đại học Munchen Đức đã công bố về các nghiên cứu thí nghiệm va chạm vào tấm bê tông với tốc độ rất cao Jensen J.J và Tomaszevicz A cũng đã công bố năm

1998 về các nghiên cứu phân tích va chạm đối với kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng sợi thép Trong cuốn sách Les Bestons dê fibres metalliques tác giả Rossi-Casanova-1998 - trường cầu đường Paris đã trình bày đầy đủ các cơ sở để nghiên cứu bê tông cường độ cao cốt sợi thép Vào năm 1999 tại Berlin tác giả Yong zhi Lin trường Karlsruhe công bố cuốn sách

về bê tông được gia cường cốt sợi trong đó có trình bày phân tích kết cấu của

bê tông cốt sợi trên cơ sở cơ học phá hủy

Các cơ sở để thí nghiệm và thiết kế bê tông gia cường bằng cốt sợi chủ yếu dựa trên tiêu chuẩn RILEM TC 162TDF được công bố tháng 6 năm 2002 trong đó hướng dẫn các phương pháp phân tích theo mặt cắt và theo cơ học phá hủy Tác giả Konig, Holschemacher, Dehn tháng 11 năm 2002 tại Leipzig

(Đức) đã xuất bản cuốn sách Faserbeton Sách hướng dẫn về cách thí nghiệm

và phân tích các tính chất, phân tích về cơ học phá hủy và phương pháp thiết

kế theo mặt cắt, đặc biệt ông có giới thiệu kết quả nghiên cứu ứng dụng tà vẹt

bê tông cốt sợi

Ngày nay, các nghiên cứu về các bê tông siêu cường độ (150-:-800MPa) cũng đã được công bố trên thế giới bởi các tác giả Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp, Đức tại hội nghị về bê tông chất lượng cao thế giới năm 2005

Tại Việt Nam vấn đề bê tông cốt sợi và bê tông cường độ cao cốt sợi thép

đã bước đầu được quan tâm và công bố năm 2003 với cuốn sách bê tông cường độ cao cốt sợi thép do GS.TS Nguyễn Viết Trung chủ biên Các luận

án tiến sĩ về bê tông cốt sợi polyme của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long năm

2000 Tác giả Nguyễn Văn Chánh, 2001 về bê tông nhẹ cốt sợi hữu cơ Nguyễn Tiến Bình, 2005, bê tông cốt sợi polypropylên và nhiều công trình nghiên cứu khoa học của Viện khoa học kỹ thuật giao thông Báo cáo tổng kết

đề tài nghiên cứu và chế tạo bê tông cốt sợi chất lượng cao bằng cốt sợi nhân tạo của Viện khoa học công nghệ xây dựng là một công trình nghiên cứu nhiều vấn đề đặc biệt có nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt thép kết hợp với sợi

và khẳng định vai trò của sợi trong việc tăng cường khả năng chịu kéo khi uốn của bê tông

1.1.2 Các loại bê tông cốt sợi, cốt sợi thép:

Hỗn hợp bê tông xi măng cốt sợi được sản xuất từ quá trình nhào trộn hỗn hợp gồm: ximăng, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và những sợi nhỏ từ thép, thuỷ tinh, hoặc những sản phấm polyme, sợi đay hoặc sợi sơ dừa và các phụ gia

1.1.2.1 Theo cường độ:

 Bê tông cốt sợi (Rn=25-:-50MPa);

 Bê tông cốt sợi cường độ cao (Rn=60-:-100MPa);

 Bê tông cốt sợi siêu cường độ (Rn=120-800MPa)

1.1.2.2 Theo thể tích sợi:

 Bê tông cốt sợi (0,25-:-2,5%);

 Bê tông nhiều cốt sợi (10-:-25%)

1.1.2.3 Theo loại sợi:

 Bê tông cường độ cao cốt sợi thép;

 Bê tông cốt sợi tổng hợp, bê tông cốt sợi thủy tinh;

 Bê tông cốt sợi cacbon;

 Bê tông cốt sợi xơ dừa, vải;

 Các cốt sợi tự nhiên khác

1.1.2.4 Theo chất kết dính (pha nền):

 Bê tông xi măng cốt sợi;

 Bê tông polyme cốt sợi (Epoxy)

1.1.3 Các loại sợi trong bê tông cốt sợi:

1.1.3.1 Sợi thép:

Sợi thép được sản xuất từ thép cacbon hay thép không gỉ, cường độ chịu kéo trong khoảng 345-:-1380 MPa, môđun đàn hồi khoảng 200 GPa, tiết diện sợi thép có thể là tròn, vuông, chiều dài sợi thép thường nhỏ hơn 75 mm và tỉ

số chiều dài sợi trên đường kính sợi l/df từ 30-:-100 sử dụng để gia cường cho BTXM

Sợi thép nhỏ hạn chế được tính dòn và đã gia tăng tính dẻo dai của BTXM đã được sử dụng để sản xuất các tấm sàn phẳng cho sân bãi và các lớp

sự của ông đã dùng các loại phụ gia dẻo giảm nước cho với một lượng nhỏ để điều chỉnh tính dẻo của hỗn hợp bê tông

1.1.3.2 Sợi thuỷ tinh:

Sợi thủy tinh được sử dụng chủ yếu để sản xuất các tấm bê tông phẳng cốt sợi Những loại sợi thủy tinh E sử dụng trong bê tông đều bị phân hủy trong môi trường kiềm của xi măng pooclăng Chính vì vậy, một loại sợi thủy tinh bền kiềm được sản xuất để thay thế có sợi thủy tinh E trong BTCS thủy tinh

1.1.3.3 Sợi tổng hợp polyme:

Sợi tổng hợp polyme được sản xuất từ các sản phấm của công nghệ dầu

mỏ và công nghệ dệt Những loại sợi polyme đã sử dụng với vật liệu nền xi măng gồm: acrylic, aramid, nylon, polyester, polyethylen và polypropylen Chúng có cường độ chịu kéo cao, nhưng hầu hết các sợi này có môđun đàn hồi thấp Đường kính của sợi rất nhỏ nên tỉ số chiều dài trên đường kính sợi là cao, như vậy, chúng rất có ích đối với sự gia cường bê tông

Những thuận lợi của các loại sợi polyme là khả năng bền trong môi trường kiềm của xi măng Tuy nhiên, bất lợi là môđun đàn hồi thấp, tính bám dính với vật liệu nền kém, nhạy cảm với bức xạ mặt trời và bị oxy hóa

Hạn chế cơ bản của các loại sợi này là giá thành cao hơn so với một số sợi khác

Các tác giả Balaguru, Bohra, Khajuria đã nghiên cứu độ bền sau l0 năm của các tấm xi măng gia cường bằng các sợi polypropylene, nylon, polyester Mẫu thử được chế tạo với sợi có độ dài 19 mm, hàm lượng xi măng 307 kg/m3 và tỉ số N/X 0,57, bảo dưỡng sau 28 ngày và sau đó thử độ bền theo các chu kỳ 0; 4; 8; 16; 32; 52 tuần lễ, điều kiện mẫu thử ngâm trong nước vôi bão hòa ở nhiệt độ 50oC

1.1.3.4 Sợi cacbon:

Sợi cacbon có giá thành cao hơn sợi polyme nên việc sử dụng chúng để gia cường cho vật liệu nền xi măng bị hạn chế Sợi cacbon có môđun đàn hồi cao như sợi thép, chúng rất nhẹ, tỉ trọng khoảng l,9 và đặc biệt là bền vững trong hầu hết các môi trường hóa học Sợi cacbon được sản xuất thành bó sợi,

có trên 12.000 sợi nhỏ riêng biệt Sợi cacbon có cường độ và môđun đàn hồi cao hơn so với các loại sợi polyme

Một số công trình tại Nhật đã dùng các tấm bê tông sợi cacbon làm vật liệu bao chê cho các tòa nhà cao tầng

Sợi cacbon có bề mặt riêng cao nên việc nhào trộn thường khó khăn, chúng có khuynh hướng cuộn tròn và phân tán không đồng nhất, đặc biệt khi hàm lượng theo thể tích sợi lớn hơn 3% Ngày nay ngoài việc sử dụng sợi cacbon làm cốt cho bê tông cốt sợi nhiều nước đã sản xuất các tấm polyme sợi cacbon để gia cường cầu và chế tạo các thanh cốt polyme sợi cacbon thay thế cho cốt thép Các thanh này có hình dáng giống như cốt thép, có cường độ chịu kéo cao hơn nhưng giòn hơn trong ứng xử uốn

1.1.3.5 Sợi bazan:

Theo Tiến sĩ Djcgiric và Makhôva, sợi bazan và các vật liệu từ sợi bazan

có tính cách ấm, cách nhiệt, tính kết cấu cao Sợi bazan hơn hẳn sợi thủy tinh

và các loại sợi khác về độ bền nhiệt Giới hạn nhiệt sử dụng của sợi bazan từ

269OC-:-900OC, trong khi đó sợi thủy tinh là 60OC-:-450OC Độ hút ấm của sợi bazan nhỏ hỏn l %, còn của sợi thủy tinh tới 10-:-20 % về tính bền thủy phân sợi bazan được xếp vào nhóm đầu, còn về tính bền xít, bazơ và hơi nước, sợi bazan hơn hẳn sợi thủy tinh và các sợi khác

Do những tính chất cơ lý cao, sợi bazan dùng để sản xuất các loại bê tông

sẽ đểm lại hiệu quả cao

1.1.3.6 Sợi xenlulô:

Sợi thực vật được chú ý sử dụng là sợi xenlulô Qua nghiên cứu sử dụng dạng sợi xênlulô đã gặp phải khó khăn là sự thay đổi độ ấm trong sợi xênlulô Trong những năm 1970, ở Na Uy và Phần Lan, những nhà sản xuất đã thành công trong việc sử dụng sợi xênlulô cùng với một lượng nhỏ sợi polypropylene

P Soroushian và S Marikunte đã tiến hành nghiên cứu xi măng - xenlulô (sử dụng 2% khối lượng bột kraft) Thí nghiệm cường độ chịu uốn được thực hiện tại các chu kỳ nhiệt ấm khác nhau Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng, các chu kỳ ấm nhiệt được lặp đi lặp lại có ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ chịu uốn của xi măng - bột giấy kraft, nhưng lại làm giảm tính dẻo

và làm vật liệu trở nên dòn hơn

Bảng 1.1, tổng hợp từ một số những nguồn tài liệu bao gồm các báo cáo của ACI, mô tả các tính chất hình học và cơ học của các loại sợi khác nhau được sử dụng như là những sợi phân tán ngẫu nhiên trong đá ximăng Do có một phạm vi khá rộng về các loại sợi nên người thiết kế có thể phải sử dụng

các số liệu của nhà sản xuất cho mỗi loại sản phấm và kinh nghiệm đã có trước khi quyết định lựa chọn một loại sản phấm

Bảng 1.1: Thuộc tính của những loại sợi khác nhau

Loại sợi

Đường kính (mm)

Khối lượng riêng (kg/m3)

Cường độ chịu kéo (GPa)

Môđun đàn hồi (GPa)

Độ dãn dài tương đối (%)

Polyester 0.02-:-0.4 1.4 0.72-:-0.86 8.3 11-:-13 Polypropylene 0.02-:-0.4 0.95 0.55-:-0.76 3.5 15-:-25

Thép sợi đã và đang được sử dụng rộng rãi để gia cường cho bê tông trên khắp thế giới trong nhiều năm nay Thép sợi có ký hiệu "EE" hay còn gọi là thép sợi "đầu loê" bắt đầu được sản xuất từ năm 1976 và chỉ có duy nhất một kích thước là 18mm theo chiều dài Các nghiên cứu thừa nhận rằng các đặc tính của thép sợi tăng lên khi tăng tỷ số kích thước - tỷ số của chiều dài so với đường kính Trong năm 1993 hãng BHP đã bắt đầu sản xuất thép sợi dài 25mm từ loại thép có cùng cường độ 800MPa được sử dụng để sản xuất thép sợi dài 18mm Sau đó trong năm 1995 hãng này đã bắt đầu sản xuất loại thép sợi dài 25mm từ các loại thép có cường độ cao hơn (khoảng 1000MPa)

Ngày nay, trên thị trường có nhiều loại thép sợi khác nhau Các nhà sản xuất đưa ra những đặc tính khác nhau và chú dẫn một vài tỷ lệ phối trộn khác nhau cho từng tính năng cụ thể

Bảng 1.2: Liệt kể kích thước hình học và chất lượng vật liệu của

7 loại sợi thép

Kiểu thép Chiều dài

(mm)

Kích thước mặt cắt (mm)

Tỉ số kích thước

Cường độ vật liệu (MPa)

Thép lưới F82 Dây dài 8mm tại tâm 200mm

Thép lưới F41 Dây dài 4mm tại tâm 100mm

Hình thoi kích thước 4mm x

Các thông số kỹ thuật của sợi là: hình dáng, tính chất cơ học và hóa học, khối lượng, chiều dài và đường kính hợp lý Căn cứ vào 4 thông số trên để lựa chọn loại sợi sử dụng vào các công trình

1.2 Đặc điểm của bê tông cốt sợi:

1.2.1 Mô hình tương tác giữa sợi và vật liệu nền:

1.2.1.1 Đặt vấn đề:

Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền là vấn đề cơ bản tạo ra chất lượng của bê tông cốt sợi Hiểu biết về sự tương tác này sẽ đánh giá được chất lượng của vật liệu nền, vai trò của sợi và dự đoán khả năng cơ học của bê tông cốt sợi Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền:

- Điều kiện, trạng thái cùa vật liệu nền: khi chưa nứt hay đã nứt

- Hỗn hợp: thành phần vật liệu nền

- Hình dạng, loại sợi, đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của sợi

- Hướng sợi: đẳng hướng hay bố trí ngẫu nhiên

- Tỉ lệ thể tích sợi sử dụng

- Tính bền của sợi khi làm việc lâu dài trong bê tông cốt sợi

Hiệu quả của sợi là nâng cao tính chất cơ học trong vật iiệu nền xi măng trong hai quá trình:

- Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu nền sang sợi

- Sự ảnh hưởng bắc cầu của sợi qua vết nứt xuất hiện khi tăng tải trọng của vật liệu nền

- Cơ chế truyền ứng suất sẽ cho phép dự đoán đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông cốt sợi và dạng phá hủy dẻo hay phá hủy giòn và cũng

ià đặt nền tảng cho sự phát triển vật liệu bê tông cốt sợi Việc cải biến các khả

năng cơ học của bê tông cốt sợi đều thông qua sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền

1.2.1.2 Sự tương tác giữa sợi - vật liệu nền:

Bê tông đặc là hỗn hợp không đồng nhất của:

Phản ứng thuỷ hoá giữa xi măng và nước dẫn đến sự co ngót rõ rệt của

hồ xi măng đông cứng Hàm lượng cốt liệu thô hợp lí mang tính hai mặt vừa tiết kiệm được khối lượng hổ xi mãng, vừa là một thành phần chống lại sự co ngót do thuỷ hoá

Hsu, Slate, Sturman & Winter trong bài viết "Microcracking of Plain Concrete and the Shape of the Stress» Strain Curve" [Journal of the ACI tháng 2/1963 trang 209 đã chỉ ra rằng có những vết nứt vi mồ tại bề mặt của các phần tử cốt liệu thô kích thước ỉớn Các vết nứt này tồn tại ở trạng thái không tảí

Khi bê tông bị kéo dưới các tảì trọng khác nhau, bao gồm cả quá trình mỏi, các vết nứt vi mô sẽ lan rộng theo bề mặt của cốt liệu và một phần ở khối bê tông xung quanh cốt liệu

Vì khối bê tông chứa hồ xi măng và các cốt liệu nhỏ hơn nên trong đó các sợi thép được trộn và sắp xếp thẳng hàng một cách ngẫu nhiên dù chúng

có thể bị thay đổi bởi vị trí tương đối của cốt liệu thô

Khối bê tông trở thành hỗn hợp được tăng cường bởi sợi thép Các sợi

thép tăng cường giới hạn chịu kéo có thể gây ra nứt ban đầu trong hỗn hợp tuy nhiên mức độ tăng cường còn phụ thuộc số lượng và sự hiệu quả của sợi thép tại vùng có thể xuất hiện đỉnh vết nứt

Mô phỏng sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền dựa trên hình dạng của lực kéo tuột đơn giản (hình 1.1)

Hình 1.1 Mô hình sự kéo tuột sợi tại bề mặt liên kết sợi vật liệu nền của

bê tông cốt sợi Các quá trình ỉiên quan đến sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền chủ yếu xảy ra trong vùng tương đối nhỏ xung quanh sợi và vật liệu nền

Vật liệu nền là giòn nên ảnh hưởng sự truyền ứng suất sẽ được nghiên cứu cho cả hai trường hợp: trước khi nứt và sau khi nứt, vì thế các quá trình cũng hoàn toàn khác nhau tương ứng với hai trường hợp

Trước khi xảy ra bất cứ vết nút nào, sự truyền ứng suất đàn hồi là một cơ chế quan trọng đầu tiên, sự chuyển vị theo phưang dọc giữa sợi và vật liệu nền tại mặt phân cách được thể hiện rõ rệt Sự truyền ứng suất trượt đàn hồi là

cơ chế çhinh, được dùng để dự đoán giá trị: ứng suất tại vết nứt đầu tiên Sự phân bố ứng suất trượt đàn hồi dọc theo mặt phân cách giữa sợi và vật liệu nền là không đồng nhất

1.2.1.3 Tương tác giữa sợi - vật liệu nền chưa nứt:

Dạng tương tác này xảy ra trong hầu hết bê tông cốt sợi suốt giai đoạn tác dụng tải trọng ban đầu Trong một số trường hợp, chẳng hạn các dạng tấm mỏng, bê tông cốt sợi vẫn chưa nứt suốt quá trình đưa vào sử dụng, còn trong hầu hết các trường hợp vật liệu nền sỗ nứt trong quá trình sử dụng

Sự tương tác sợi “vật liệu nền chưa nứt có giới hạn trong úng dụng thực tế” Một hệ sợi “vật liệu nền đơn giản có chứa một sợi đơn” được biểu diễn ởhình 1.2

(a) (b) (c)

Hình 1.2: Mặt phân cách của vật liệu nền - sợi khi vật liệu nền chưa nứt:

a) Chưa chất tải; b) Vật ỉiệu nền chịu kéo; c) Vật ỉiệu nền chịu nén

Trong giai đoạn không có tải trọng, ứng suất trong cả sợi và vật liệu nền được giả thiết bằng không Đặt tải gây kéo hay nén ỉên bê tông cốt sợi đẫn đến tâng ứng suất và mất liên kết

Trong vật liệu nền xi mãng, sự hydrat hóa của xi măng sẽ gây ra tãng ứng suất trong sợi - vật liệu nền Khi vật liệu nền chịu tải trọng, một phần tải trọng được truyền qua sợi Bởi vì sợi và vật liệu nền có độ cứng khác nhau nên ứng suất trượt phát triển đọc theo bề mặt sợi Nếu sợi có độ cứng lớn hơn

độ cứng của vật liệu nền thì sự mất mát liên kếi trên bề mặt sợi và xung quanh sợi sẽ nhỏ như trên hình 2.2a, 2.2b, 2.2c Trường hợp này chỉ xảy ra với thép và sợi khoáng vật Nếu mô đun của sợi nhỏ hơn mô đan của vật liêu

nền, sự mất liên kết xung quanh sợi sẽ cao hơn, điều này xảy ra đối với sợi polyme và sợi thiên nhiên

Sự truyền ứng suất đàn hồi hiện diện trong bê tông cốt sợi chưa nứt cũng như có trong vật liệu nền và sợi trong giai đoạn đàn hồi Hiệu ứng, ứng suất - biến dạng đối với vật ỉiệu nền có thể đưa ra khả năng phi đàn hồi và phi tuyến tính trước khi vật liệu phá hỏng Phương trình toán học đã phát triển cho cả ứng suất trượt tại mặt phân cách  và ứng suất dọc f theo chiều dài sợi Dựa vào một số giả thuyết để đơn giản hóa vấn đề là:

- Vật liệu nền và sợi cả hai đều ở giai đoạn đàn hổi

- Mặt phân cách giữa vật liệu nền và sợi là mỏng

- Bề mặt phân cách được xem như là liên kết hoàn hảo

- Sợi được sắp xếp có quy luật

- Biến dạng kéo của vật liệu nềnm tại vùng bám dính chứa sợi là tương đương biến dạng kéo của bê tông cốt sợi



Hình 1.3: Mô tả sợi trong vật liệu nền-biến dạng và ứng suất

xung quanh sợi

a) Dạng hình học biển dạng của vật liệu nền xung quanh sợi trước và sau khi tải tác dụng; b) Phân hố ứng suất trượt đàn hồi tại mặt phân cách và phân bố

ứng suất kéo

Sự phân bố ứng suất trượt tại khoảng cách x tính từ đầu sợi được diễn tả:

(x) = E1 m{[Gm/2Ef r2.ln(R/r)1/2

x sin1(1/2-x) / cos1(1/2)]}

1 = [2Gm/(2Ef r2.ln(R/r)1/2

trong đó:

Em, Ef: Mô đun đàn hồi của vật liệu nền, sợi

Gm : Mô đun đàri hồi trượt của vật liệu nền tại mặt phần cách

l : Chiều dài sợi

R : Bán kính của vật liệu nền xung quanh sợi

r : Bán kính của sợi,

sm : Biến dạng kéo của vật liệu nền

Tỉ số giữa R/r tùy thuộc vào tỉ lệ thể tích sợi và sự sắp xếp sợi (hình 1.4)

a) Sợi dài phân bố tiên tục 1 phương;

b) ,c) Sợi phân bố theo 2 phương;

d) Sợi phân bố theo 3 phương

Hình 1.4: Sự phân bố của sợi trong bê tông

Phân bố sợi 1 và 2 phương: ln(R/r) = 0.5ln(/Vr)

Phân bố sợi 3 phương: ln(R/r) = 0.5ln[/sqrt(3Vf)]

Ứng xuất dọc trục trong sợi f (x) được tính theo công thức:

Những thông số như ứng suất và biến dạng của bê tông cốt sợi có liên quan đến quá trình truyền ứng suất này

Ứng suất trượt bám dính (fu) được đề cập đến, nếu vượt quá giới hạn thì bắt đầu xảy ra mất tính bám dính giữa sợi và vật liệu nền, khi đó ứng suất trượt ma sát cực đại (fu) xuất hiện trong vùng bị mất liên kết Giá trị (fu) và (au) là không bằng nhau, giá trị (fu) rất nhạy với ứng suất và biến dạng

Giả thiết rằng ỉực kéo tuột là hằng số thì đường cong tải trọng - chuyển vị

là lý tưởng Tuy nhiên, trong thực tế (fu) giảm khi gia tải (hình 1.5)

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn ứng suất trượt - chuyển vị

Sự chuyển đổi của ứng suất đàn hồi sang ứng suất trượt ma sát

Chuyển đổi từ sự truyền ứng suất đàn hồi trước khi mất liên kết sang sự truyền ứng suất ma sát sau khi mất liên kết là một quá trình diễn ra chậm và hai quá trình trên cùng có ảnh hưởng lẫn nhau Sự mất liên kết có thể xảy ra trước khi có vết nứt đầu tiên của vật liệu nền và vì vậy ảnh hưởng kết hợp của hai quá trình này tác động đến hình dạng của đường cong ứng suất - biến dạng trước khi vật liệu nền nứt

Một loạt hiện tượng tiếp diễn đều phụ thuộc vào ứng suất trượt bám dính

và ứng suất kéo của vật liệu nền: riếu ứng suất kéo lớn thì việc mất liên kết có thể xảy ra trước khi vật liệu nền nứt, nếu ứng suất kéo nhỏ thi quá trình nứt vật liệu nền sẽ xảy ra trước khi mất ìiên kết

Như vậy, mọi vấn đề truyền ứng suất đều bị ảnh hựởng của các hiện tượng: truyền ứng suất trượt đàn hồi, ứng suất trượt ma sát, sự mất liên kết và ứng suất biến dạng bình thường

1.2.1.4 Tương tác giữa sợi - vật liệu nền đã nứt:

Tác dụng chủ yếu của sợi trong bê tông cốt sợi sau khi vật liệu nền nút là sợi sẽ bắc cầu qua vết nứt và vì vậy ngăn ngừa được sự phá hủy

Sự bắc cầu của sợi xuyên qua vết nứt để truyền tải trọng thông thường được đánh giá bởi thí nghiệm về kéo tuột nhằm mục đích:

- Làm nền tảng cho dự đoán tính chất của bê tông cốt sợi trong vùng đã nứt

- Phân tích cơ chế bám dính và xác định sự liên quan của cơ chế truyền ứng suất trượt ma sát và đàn hồi

Khi bê tông cốt sợi có chứa sợi chịu kéo (hình 1.6; 1.7), ở trạng thái vật liệu nền nứt Ngay sau khi vật liệu nền nứt, sợi bắc cầu qua vết nứt, truyền tải trọng qua vết nứt Giai đoạn tăng tải này được gọi là giai đoạn phát triển vết nứt

Ứng suất trượt đàn hồi được xác định bằng công thức:

(X) = (P ß2/2r) [sinß2x - cotg(ß2l)cos(ß2x)]

2 = [2Gm/(bi r Ef)1/2

Trong đó:

r : Bán kính của sợi

bi : Bề rộng của vùng ảnh hưởng

Ef : Mô đun đàn hồi của sợi

Gm: Mô đun trượt của vật liệu nền ở mặt phân cách

1: Chiều dài sợi nằm trong vật liệu nền

a) Mất bám dính trước khỉ nứt

b) Trước khi nứt khỏng bị mất liên kế

Hình 1.6 Phân bố ứng suất trượt tại mặt phân cách dọc theo giao điểm

của vết nứt với sợi ngay sau khi nứt

Ứng suất trượt đàn hồi lớn nhất:

(max) = (x) = 0) = (P ß2/2r) cotg(2l) Ứng suất trượt đàn hồi trung bình:

tb = P ß2/2rl

1.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt sợi đến đặt trưng của bê tông:

Bê tông cốt sợi là loại vật liệu hỗn hợp của hai hay nhiều thành phần khác nhau, có các tính chất đặc biệt mà các vật liệu thành phần khổng có và giữ nguyên một số tính chất có ích khác của chúng

Trong lĩnh vực bê tông cốt sợi, các vật liệu nền có chất kết dính từ vữa xi măng được gia cường bằng vật liệu cốt (dạng sợi, dạng hạt ), gọi là vật liệu composit hay vật iiệu tổ hợp Sự kết hợp đó nhằm hạn chế khuyết điểm của vật liệu này bằng ưu điểm của vật liệu kia, tạo ra sản phẩm mới có tính năng

cơ lí hơn hẳn vật liệu ban đầu và ngoài ra còn có thể hạ giá thành sản phẩm khi sử dụng vật liệu truyền thống có tính năng cơ học tương đương

Thông thường vật liệu cốt có các tính chất cơ, hoá và lí cao hơn vật liệu nền Vì vậy việc đưa vật liêu cốt vào nền nhằm mục đích phân tán các điểm chịu ứng suất tập trung trên nền sang cho cốt, làm tăng khả năng chịu lực của vật liệu Còn vật liệu nền bê tông đóng vai trò chất liên kết các cốt liệu độn, chuyển chất độn từ dạng rời rạc thành vật liệu liên tục, làm tăng tính năng sử dụng

Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền là tính chất cơ bản có ảnh hưởng đến sự hoàn thiện cho vật liệu nền của bê tông cốt sợi Phân tích về sự tương tác giữa chúng sẽ đánh gíá sự tham gia, gia cường của sợi và để dự đoán khả

năng cơ học của bê tông cốt sợi Một số nhà khoa học đã nghiên cứu trên các khía cạnh của sự tương tác này Nhiều yếu tố có ảnh hưởng đến sự tương tác giữa sợi với vật liệu nền:

- Điều kiện, trạng thái của vật liệu nền: khi chưa nút hay đã nút;

- Hỗn hợp: thành phần vật liệu nền;

- Hình dạng sợi, chiều dài sợi, loại sợi;

- Hướng sợi: đẳng hướng hay phân bố ngẫu nhiên;

- Tỷ lệ thể tích sợi sử dụng

- Hiệu quả của sợi là nâng cao tính chất cơ học trong vật liệu nền được thông qua 2 quá trình:

 Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu nền sang sợi

 Sự ảnh hưởng bắc cầu của sợi qua vết nứt của vật liệu nền phát sinh khi tăng tải trọng

Nghiên cứu, đánh giá mối quan hệ tương tác giữa vật liệu cốt và vật liệu nền là cơ sở để tìm kiếm tỉ lệ pha trộn vật liệu hợp lý và các đặc trưng cơ lý của vật liệu composit phục vụ cho việc sử dụng cũng như tính toán sự làm việc của vật liệu này

1.2.3 Nghiên cứu đặt tính của bê tông cốt sợi:

1.2.3.1 Kiểu sợi:

Các loại sơi rất đa dạng và phong phú Tuỳ thuộc vào quá trình sử dụng

mà người ta đã sản xuất ra cấc loại sợi có sự khác về cường độ kéo, hình dạng

và đặc tính bề mặt

Vì vết nứt phát triển qua khối, như đã trình bày ở trên, bề rộng các vết nứt sẽ tăng Đối với các sợi thép đi qua và chống lại sự mở rộng của vết nứt,

sự phát triển của ứng suất trong sợi được hình thành bởi hai yếu tố:

- Liên kết bề mặt giữa hồ xì măng và cốt sợi

- Sự neo cơ học do hình dạng của sợi thép làm tăng cường liên kết giữa xi măng và sợi thép có tác động khi ứng súất trong bê tông lớn hơn sức liên kết

bề mặt được đánh giá vào khoảng 3MPa

Với các sợi thẳng, chiều dài cần thiết của sợi thép để cung cấp đủ diện tích tiếp xúc phát triển ứng suất kéo trong sợi thép có thể trở nên quá lớn Điều này có dẫn đến các sợi thép bị rối và khổ bố trí trong bê tông công như các khó khăn khi đổ và đầm bê tông

Những nhà sản xuất sợi cũng cố gắng cải thiện hiệu ứng của sợi, tạo các

cơ cấu neo cờ hoc khác nhau thông qua những tính chất đặc biệt, có thể xếp thành hái loại: uốn cong (đập lượn sóng) liên tục và loại có neo (bẻ móc) ở đầu và cuối sợi

Ví dụ, Công ty Radmix đã nghiên cứu cả hai loại trên và đã lựa chọn hướng phát triển các sợi uốn cong liên tục Dạng này được lựa chọn vì khả năng xuất hiện vết nứt ban đầu ở vùng chính giữa của phần tử sợi ỉà thấp như vậy thì khoảng cách từ vết nứt đến cuối sợi trong nhiều trường hợp là rất ngắn, điều này gây ra sự giảm ứng suất do mất mát ở mặt tiếp xúc và sợi bị kéo tụt ra ngoài

Sợi uốn cong liên tục cung cấp một cơ cấu neo cơ học rõ ràng quanh vị trí phát triển vết nứt, dẫn đến một sức kháng lớn hơn và sự phân bố lại ứng suất trong khối bê tông bao quanh

Những hiệu ứng như trên ảnh hưởng đáng kể đến những đặc trưng của bê tông gia cường cốt sợi thép và cần phải được tính đến khi lựa chọn kiểu sợi

1.2.3.1.1 Tỷ lệ giữa chiểu dài sợi và đường kính sợi (l/d):

Tỷ lệ này là tham số tiêu biểu của mỗi kiểu sợi và có một ảnh hưỏng quan trọng đối với sự làm việc của sợi trong bê tông Nhìn chung, tỷ lệ l/d ngày càng cải thiện sự có hiệu lực của sợi nhưng làm cho việc trộn bê tông tươi khó khăn hơn Thông thường, tỷ lệ l/d nằm trong khoảng 50-:-100 là thích hợp

1.2.3.1.2 Tính chất liên kết:

Tải trọng kéo tuột sợi hoặc đut gãy trực tiếp bị ảnh hưởng bởi sự truyển ứng suất ỉiên kết từ vật liệu nền đến sợi và độ dài neo của sợi Như vậy, ứng suất liên kết ảnh hưởng đến qua trình xuất hiện vết nứt đầu tiên và sự làm việc của bê tông cốt sợi thép trong cơ chế phấ huỷ

Khả năng chịu ứng suất liên kết của sợi phụ thuộc vào trạng thái tự nhiên của bề mặt sợi Bề mặt sợi xù xì (nhám) làm tâng khả nắng liên kết giữa sợi

và nền bê tông Các nhà sản xuất cốt sợi thép đã nghiên cứu và làm tăng tính chất liên kết giữa sợi và vật liệu nền bằng cách tạo nhám bề mặt sợi Sợi làm chậm sự hình thành vết nứt và ngăn chặn quá trình mở rộng vết nứt

1.2.3.1.3 Uốn móc hai đầu và thay đổi đường kính sợi:

Một giải pháp khác để làm tâng khả năng làm việc của sợi ỉà việc uốn móc đầu sợi hoặc thay đổi đường kính sợi trong kết cấu Giải pháp này đã làm tâng khả năng làm việc ở trạng thái biến dạng dẻo của sợi khi chịu lực kéo

Việc uốn móc đầu sợi không làm chậm quá trinh hình thành vết nứt Tác dụng của việc uốn móc đầu sợi không bắt đầu cho đến khi cường độ liên kết vượt quá giới hạn cho phép và xuất hiện sự chuyển dịch giữa nền bê tông và sợi Như vậy, việc uốn móc đầu sợi có thể tăng thêm đáng kể tính dẻo của bê tông cốt sợi thép

Ta có công thức tính chiều dài sợi tới hạn:

lcrk = d z/ 2.m

trong đó:

pz: Cường độ chịu kéo của cốt sợi;

về hàm lượng sợi khi nó ảnh hưởng đến tính công tác cùa bê tông và những khó khăn khi tính công tác của bê tông không được đảm bảo, làm thay đổi các tính chất khác của bê tông đông cứng Giới hạn hàm lượng sợi trong những ứng dụng phổ biến là vào khoảng 50 - 100 kg/m3 phụ thuộc vào phương pháp thi công và kiểu sợi

1.2.3.3 Sự định hình hướng sợi:

Các sợi thép có nhiệm vụ ngăn ngừa sự hình thành và phát triển vết nứt Nguyên nhân của vết nút là do tác động của tải trọng (kéo, nén hoặc cắt) và đặc trưng hình học bủa các thành phần kết cấu Tương tự như Cốt thép, sợi sẽ phát huy tôl đa khả năng chịu lực của chúng nếu chúng nằm dọc theo phương ứng suất kéo tại vị trí vết nút

Nếu sợi chéo qua vết nứt ở tại một góc xiên thì sợi thép ít có hiệu quả hơn Sự mất mát này được xét đến trong quá trình tính toán thông qua các điều kiện sử dụng và hệ số định hướng

Hình 1.8 Sự định hướng sợi

Chúng ta biết rằng tròng quá trình tăng cường bê tông thì vị trí và phương hướng của sự tăng cường phải phụ thuộc vào lực tác động và khả năng chịu lực của sợi thép Tuỳ nhiên, làm cách nào để sắp xếp các sợi và định hướng sợi thì chưa có phương pháp nào hợp lf Người ta có thể giả thiết tầng các sợi thì phân tán hoàn toàn ngẫu nhiên trong kết cấu, những kết quả thí nghiệm trên một cấu kiện này có thể là áp dụng cho những cấu kiện khác Tuy nhiên, điều đó là không đúng Sự định hướng sợi (cũng là tính chất bê tông cốt sợi thép) bị ảnh hưởng bởi những điều kiện ngoài Như Vậy, những sợi ở cạnh và mép những mẫu thí nghiệm có thể chỉ định hướng theo một hoặc hai chiều Tương tự, vị trí và điều kiện sử dụng có thể cũng ảnh hưởng

sự định hướng sợi

1.2.3.4 Cốt liệu lớn nhất:

Kích thước của những hạt cốt liệu ảnh hưởng đến sự phân phối của sợi và

sự định hướng sợi Như vậy, sợi trong vữa chỉ được phân ra bởi vật liệu mịn

có thể đi chuyển tự do giữa các sợi Trong bê tông, tất cả các hạt cốt liệu lớn hơn khoảng cách trung bình giữa những sợi sẽ làm cho sợi bị vón cục và là nguyên nhân gây ra sự phân bố không đều của sợi Hiệu ứng này tăng tỉ ỉệ trực tiếp với kích thước hạt và gây tác động không tốt đối với tính chất của cả

bê tông tươi lẫn bê tông rắn

1.2.3.5 Tính chất của bê tông tươi (có trộn sợi thép):

Hiểu rõ tính chất của quá trình trộn bê tồng là rất quan trọng và tạo điều kiện thuận lợi trong các công tác liên quan trong quắ trình sử dụng bê tông

Bê tông cốt sợi khó trộn lẫn và khó đổ hơn bê tông thường Tuy nhiên, chúng

ta dễ dàng khắc phục bằng nhiều phương pháp Tuy nhiên các phương pháp vẫn phải đảm bảo tính chất của bê tông cốt sợi thép Sự sai lầm có thể dẫn đến kết quả là phá hoại thành phần bê tông và như vậy sẽ gây mất mát cường độ

và tính dẻo của bê tông Những tham số ảnh hưởng tới sự thay đổi trong tính chất của quá trình trộn bê tông tươi: