Giáo trình kết cấu bê tông cốt thép phần 1 cấu kiện cơ bản

KHAI NIEM VE BETONG COT THEP Bêtông cốt thép BTCT là loại vật liệu hỗn hợp, trong đó bêtông có khả năng chịu kéo và tính đẻo thấp được phối hợp cùng với cốt thép có khả năng chịu kéo và

Chương I

KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 KHAI NIEM VE BETONG COT THEP

Bêtông cốt thép (BTCT) là loại vật liệu hỗn hợp, trong đó bêtông có khả năng

chịu kéo và tính đẻo thấp được phối hợp cùng với cốt thép có khả năng chịu kéo và

tính đẻo cao Thông thường, cốt thép được gia công đặt vào ván khuôn trước khi hỗn hợp bêtông đóng rắn Cốt thép được bé tri tại những vùng bêtông xuất hiện ứng suất kéo có thể gây ra những vết nứt có bê rộng vượt quá giới hạn cho phép Bêlông có thể được đuy trì ứng suất nén trước nhằm nâng cao khả năng chịu

lực, hạn chế độ võng, vết nứt đối với kết cầu bêtông cốt thép

Để tìm hiểu vai trò của cốt thép trong cấu kiện bêtông cốt thép, ta khảo sát sự

làm việc của một dầm được làm từ vật liệu bêtông và bêtông cốt thép chịu tác

dụng của cùng ngoại lực như được minh họa ở hình 1.1

- Trường hợp dâm không đặt cốt thép (trwéng hop a): khi tăng lực tác dung P thì ứng suất trong bêtông tăng lên, khi ứng suất kéo Ø, trong bêtông vùng kéo vượt quá khả năng chịu kéo của bêtông R,,, thi vết nứt xuất hiện và phát triển,

sau đó dầm bị phá hoại ngay khi ứng suất nén Ø, trong bêtông vùng nén còn khá

bé so với khả năng chịu nén tối đa của bêtông #, Do đó, đầm chỉ chịu được tải

trọng ? khá nhỏ, trong khi chưa tận dụng hết khả năng chịu nén của bêtông

- Trường hợp dam đặt cốt thép (trường hợp b): nêu đặt một lượng cốt thép

thích hợp vào vùng bêtông chịu kéo thì ứng suất kéo Ø, sẽ được lượng cốt thép

nảy tiếp nhận Dâm có thể chịu được tải trọng lớn hơn P cho đến khi ung suất nén trong bêtông o, đạt đến khả năng chịu nén tối đa của bêtông #, và ứng suất kéo trong cốt thép ơ, đạt đến khả năng chịu kéo tối đa của cốt thép #®, Điều đó cho thấy: đầm bêtông có cốt thép có thể chịu được tải trọng 'P lớn hơn nhiều lần so với dầm bêtông không cốt thép có cùng cấp độ bền và kích thước hình hợc

Mặt khác cốt thép cũng chịu nén tốt nên có thể đặt thép vào cả vùng chịu nén để tăng khả năng chịu lực của vùng bêtông chịu nén trong cấu kiệu chịu

uốn, chịu nén hoặc để chịu các lực kéo xuất hiện ngẫu nhiên Thực tẾ bêtông

và cốt thép có thể cùng làm việc được với nhau là nhờ các nguyên nhân chính

e Lực dính giữa bêtông và cốt thép: Bêtông khi ninh kết thì dính chặt với cốt

thép nên ứng lực có thể truyền từ bê(ông sang cốt thép và ngược lại, giúp khai thác

hết khả năng chịu lực của cốt thép, hạn chế bề rộng khe nứt của cấu kiện bêtông

e Giữa bêtông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học Đồng thời, bêtông

còn bao bọc cốt thép, bảo vệ cốt thép chống lại các tác dụng ăn mòn của môi

trường (tạo nên các phản ứng kiềm, trung hòa quá trình oxy hóa cốt thép) Tuy vậy, khi thi công kết cấu bêtông có dùng phụ gia (hóa dẻo, đông cứng nhanh )

- cần phải cần thận vì các phụ gia này có thể gây ra phản ứng hóa học bắt lợi

e Hệ số giãn nở vì nhiệt của bêtông và cốt thép là gần như nhau (bÊêtông

a, =1x10° +1,5x10°va thép ø, =1,2x10”), do vậy khi nhiệt độ thay đổi

bêtông và cốt thép có cùng biến dạng, không xuất hiện các ứng suất làm phá hoại

1.2 PHAN LOAI BETONG COT THÉP

1.2.1 Theo bién phap thi cong _- Bêtông cốt thép toàn khối: Khi thi công người ta tiến hành lắp ghép các loại

ván khuôn, đặt côt thép và đô bêtông ngay tại vị trí làm việc của kêt cầu

12 |

(hình 1.2) Ưu và khuyết điểm của loại câu kiện được thi công theo phương pháp

e Ưu điểm: Các cấu kiện liên kết toàn khối nên hệ kết cầu có độ cứng lớn,

chịu tải trọng động tốt, ngoài ra có thể chế tạo cầu kiện theo hình dáng bắt kỳ

e Nhược điểm: Tốn vật liệu làm khuôn đúc bêtông, hệ chống đỡ chịu lực

(ông, giăng, chống, đà, giáo ), khi thi công bị ảnh hưởng thời tiết, Hiện có nhiều biện pháp khắc phục các nhược điểm này bằng cách: sử dụng loại ván

khuôn luân chuyển, di động, hay ván khuôn trượt; dùng phụ gia giúp bêtông ninh kết nhanh, dùng bêtông thương phẩm sản xuất theo cấp phối tại nhà máy

==

Hinh 1.3 Bétong cét thép lắp ghép kết cấu nhà nhiễu tằng dé xe 6t6 [2]

- Bêtông cốt thép lắp ghép: Từng câu kiện bêtông cốt thép riêng biệt được chế tạo sẵn ở nhà máy hay sân bãi, rồi sau đó được vận chuyển, lắp ghép tại công trường thành các kết cầu chịu lực tại vị trí thiết kế (hình 1.3) Ưu và khuyết điểm của loại cầu kiện này như sau:

e Ưu điểm: Dé dàng công nghiệp hóa trong sản xuất, thi công xây dựng, tiết kiệm vật liệu làm ván khuôn, rút ngắn thời gian thi công, đảm bảo chất lượng sản phẩm bêtông cốt thép,

e Nhược điểm: Cần sử dụng các phương tiện vận chuyền, câu lắp các loại cầu kiện được chế tạo trước đến công trường thi công, xử lý các mối nối giữa các cau

kiện phúc tạp, độ cứng của kết cầu được hình thành từ việc lắp phép các cấu kiện

- Bêtông cốt thép mửa lắp ghép: Các câu kiện bêtông cốt thép được chế tạo sẵn

nhưng chưa hoàn chỉnh, sau đó đặt thêm cốt thép, lắp dựng hệ chống đỡ, lắp ghép ván khuôn và đô bêtông tại chỗ để hoàn chỉnh kết cầu theo yêu cầu thiết kế

(hình 1.4) Ưu và khuyết điểm của loại cấu kiện này như sau:

e Ưu điểm: Độ cứng của kết cầu lớn, giảm khối lượng hệ chống đỡ, các loại vấn khuôn

14

e Nhược điểm: Cần giải quyết tốt mối liên kết giữa bêtông cũ và mới, tổ chức thi công kết cầu bêtông cốt thép phức tạp

“1 2 2 Theo trang thai ứng suat

- Bêtông cốt thép thường: Khi chế tạo cấu kiện, cốt thép sử dụng trong bêtông

ở trạng thái bình thường, không có ứng suất kéo Ngoài các ứng suất sinh ra đo

hiện tượng co ngót và sự thay đổi nhiệt độ, trong cấu kiện bêtông cốt thép chỉ

xuất hiện ứng suất khi có tải trọng tác dụng lên kết cấu

- Bêtông cốt thép ứng suất trước: Khi chế tạo câu kiện bêtông cốt thép, trong cốt thép xuất hiện ứng suất kéo do được kéo căng, ứng xử của cốt thép trong giai đoạn đàn hồi Nhờ sự liên kết giữa cốt thép với bêtông, nên sau khi bỏ đi lực kéo

buông ra cốt thép co lại gây nén trong bêtông (hình 1.5) Nhờ có ứng suất nén trước trong bêtông, người ta có thể khống chế không cho xuất hiện vết nứt hoặc hạn chế bề rộng khe nứt

1.2.3 Theo trọng lượng riêng

- Bêtông nặng: Là loại bêtông có trọng lượng thể tích 7„„ > 1800 KG/m°

- Bêtông nhẹ: Là loại bêtông có trọng lượng thể tích y,, <1800 KG/m’

‘15

1.2.4 Theo cường độ chịu nén của bêtông |

- Bêtông cường độ thường: Là loại bêtông có cấp độ bền chịu nén đưới B45

- Bêtông cường độ cao: Là loại bêtông có cấp độ bền chịu nén từ B45

1.3 ƯU NHƯỢC ĐIẾỄM CỦA BÊTÔNG CÓT THÉP

1.3.1 Ưu điểm

Tận dụng vật liệu tại chỗ như cát, sỏi, đá, tiết kiệm thép để sản xuất, bêtông cốt

thép sẽ rẻ hơn so với kết cầu thép đối với trường hợp kết cầu có nhịp vừa và nhỏ

Kết cấu bêtông cốt thép chịu lực tốt hơn kết cấu gỗ và gạch đá, làm việc tốt

trong điều kiện các loại tải trọng động, động đất tác dụng lên công trình

Bêtông cốt thép chịu lửa tốt hơn gỗ và thép do: bêtông bảo vệ cho cốt thép không bị nung nóng sớm Theo khảo sát, chỉ với lớp bêtông dày 25zzzz sẽ giúp hạn chế nhiệt độ trong cốt thép chỉ là 55 ”C sau khi bị nung nóng th ở nhiệt

Khả năng cách âm và cách nhiệt của bêtông cốt thép kém hơn: gỗ và à gạch đá

Khắc phục bằng cách sử dụng dạng cầu kiện bêtông cốt thép có lỗ rỗng

1.3.2 Nhược điểm

— Do bêtông cốt thép có trọng lượng ` bản thân lớn, sẽ gây khó khăn đối với kết câu có nhịp lớn Nhưng có thể khắc phục bằng cách sử dụng: vật liệu bêtông nhẹ, bêtông ứng lực trước, kết cầu tắm vỏ

Thi cong kết cấu bêtông cốt thép nhức tạp, nhiều công đoạn, khó kiểm tra chất

lượng, chịu ảnh hưởng c của thời tiết và trình độ thi công Khắc phục bằng cách sử

Sửa chữa và gia cố kết cầu bêtông cốt thép rất phức tạp Tuy vậy, có thể khắc

phục bằng cách thiết kế cần chú ý yêu cầu sử dụng hiện tại và dự kiến phát triển

Sau này

Hình 1.6 Câu Can Thơ — hoàn thành 2010 [5)

1.4 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHAT TRIEN

Bêtông đã được sử dụng phổ biến từ nhiều thế ký trước Trước lúc ra đời của

Chúa Giêsu, người La Mã đã sử dụng loại xi măng gọi là Pozzolana, có nguồn

gốc từ các mỏ cát tro núi lửa gần núi Mt Vesuvius thuộc nước Ý khi trộn

Pozzolana với vôi và nước hoặc với cát và sỏi, tạo nên hợp chất cứng giống như,

đá và được sử dụng như một vật liệu xây dựng

Bêtông được sản xuất từ loại vật liệu xây dựng trên có độ bên thấp, tuy vậy một số công trình kiến trúc xây dựng bởi kết cấu bêtông từ thời La Mã vẫn còn

tồn tại đến ngày nay; chang han dén Pantheon (một công trình kiến trúc dành để

thờ các vị thần), năm Ở 7 Rome (nước Y) va được, hoàn thành vào năm 1 126 sau

18 "`.

Hình 1.7 Tòa Tháp Keangnam Hanoi Landmark — hoàn thanh 2011 [7]

Tuy vậy, kỹ thuật làm bêtông từ xi măng Pozzolana đã bị thất lạc trong thời

Trung Cổ Đến thế kỷ XVIII và XIX, hợp chất đá xi măng tự nhiên được phát

mỉnh ở Anh vào năm 1796 và được xem là xi măng La Mã, ngoài ra nhiều hop

chất đá xi măng tự nhiên khác được phát minh ở châu Âu và Mỹ

Bước đột phá thực sự trong lĩnh vực sản xuất bêtông xảy ra vào năm 1824, khi Joseph Aspdin (thợ nề người Anh) sáng chế quy trình sản xuất xi măng Portland

(vì màu sắc rất giống màu của đá khai thác ở mỏ trên đảo Portland ngoài khơi bờ biển Anh) sau khi thực hiện nhiều thí nghiệm Ông đã chế tạo hỗn hợp xỉ măng

bằng cách lấy số lượng nhất định đất sét và đá vôi, đem trộn lẫn và xay nhỏ, sau

đó đốt trong lò bếp và nghiền hỗn hợp sau khi nung thành một loại bột mịn

19

Ban dau, xi mang Portland da được sử dụng chủ yếu trong trang trí tường, trần nhà Sản phẩm xi măng Portland đã được ứng dụng trong ngành công nghiệp xây dựng rất muộn và thậm chí đến năm 1870 mới được giới thiệu tại nước Mỹ |

Việc ứng dụng vật liệu bêtông trong kết cầu công trình lần đầu tiên được thực

hiện bởi những người Pháp Francois, Le Brun, Joseph Lambot va Joseph Monier Năm 1832, Le Brun xây dựng một ngôi nhà và sau đó xây dựng trường học và nhà thờ với cùng một loại vật liệu bêtông |

Nam 1850, Lambot ché tao-mét chiéc thuyén str dung vật liệu bêtông lưới thép

có mạng lưới dây thép căng song song với nhau Năm 1867, Monier sang chế việc sử dụng bêtông lưới sắt để xây dựng các bổn, ống chứa chất lỏng Mục đích

của việc sử dụng lưới sắt để cho kết cấu nhẹ hơn, nhưng không làm giảm đi khả năng chịu lực của kết cấu

Từ năm 1867 đến 1881, Monier đã sáng chế thanh bêtông tà vẹt đường ray xe lửa, tấm sàn, vòm mái, cầu đành cho người đi bộ, xây các tòa nhà và kết cầu khác

Năm 1861, Francois Coignet (Pháp) xuất bản cuốn sách trình bày vài ứng dụng tính toán thiết kế Ông là người đầu tiên nhận ra răng sử dụng lượng nước quá nhiêu trong hỗn hợp bêtông sẽ giảm đáng kể cường độ của bêtông sau khi đã

William Fairbairn (Anh) va William B Wilkinson (Dirc), GA Wayss (Pháp) là

những người đầu tiên đã thực hiện các thí nghiệm với các mẫu bêtông cốt thép

Năm 1875, William E Ward đã xây dựng tòa nhà bêtông cốt thép đầu tiên ở Port

Thaddeus Hyatt (Mỹ) là người đầu tiên phân tích chính xác ứng suất trong

dầm bêtông cốt thép Năm 1877, ông xuất bản một cuốn sách với 28 trang với tựa

đề: “Một số thí nghiệm với bêtông xi măng Portland, kết hợp với sắt như một

vật liệu xây dựng” Trong cuốn sách này, ông cho rằng cốt thép cần phải được

sử dụng để tăng độ tin cậy cho kết cầu và nhấn mạnh khả năng chống cháy cao

Nam 1884, EL Ransome (M¥) đề nghị các thanh thép xoắn khi đặt vào trong

bêtông tại các góc của tiết diện ngang của dầm nhằm tăng khả năng làm việc

chung giữa cốt thép và bêtông Năm 1890, Ransome đã xây dựng bảo tàng Leland Stanford Jr tai San Francisco Đây là một tòa nhà bêtông cốt thép dài khoảng 95m, cao 2 tầng, tận dụng các dây cáp từ một.hệ thống cáp treo để làm

tăng độ bền kéo cho kết cấu bêtông của tòa nhà

20

Kể từ năm 1900, lý thuyết tính toán kết cấu bêtông cốt thép theo ứng suất cho phép đã được công bố Năm 1939, Giáo sư Loeit (Nga) đề xuất phương pháp tính kết cầu bêtông theo trạng thái phá hoại Năm 1955, phương pháp tính toán kết

cầu bêtông theo trạng thái giới hạn được sử dụng tại Nga và các nước trên thế

Hinh 1.8 Thuy dién Son La — hoan thanh 2012 [9]

Ngày nay, kết cấu bêtông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng ở các nước trên thế giới Nhiều công trình đạt những kỷ lục thế giới được xây dựng từ kết cấu bêtông cốt thép chắng hạn như: tháp Burj Khalifa ở Dubai

(Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất) là công trình cao nhất thế giới hiện

nay, được khánh thành năm 2010 với chiều cao 828z, bao gồm 164 tâng Cau

trên vịnh Giao Châu (Trung Quéc) 6 téng chiéu dai 42,5km là cây cầu trên biển

dài nhất thế giới được đưa vào sử dụng năm 2011 Đập thủy điện Rogun có độ cao 335m cao nhất thế giới trên sông Vakhsh (Tajikistan) được khánh thành vào

Ở Việt Nam, bêtông cốt thép đã được sử dụng để làm kết cấu cầu, đập nước, nhà cửa vào đầu thế kỷ XX Một trong những công trình lớn sử dụng vật liệu

21

bêtông cốt thép đầu tiên được xây dựng ở nước ta là khu liên hợp gang thép Thái Nguyên được khánh thành năm 1963 Hiện nay, có rất nhiều công trình xây

dựng dân dụng, hầm, cầu đường, thủy lợi đều được xây dựng băng vật liệu bêtông cốt thép Chang hạn, cầu Cần Thơ bắc qua sông Hậu nối liền hai tỉnh Cần Thơ và Vĩnh Long được khánh thành vào năm 2010 - cây cầu dây văng có

tổng chiêu đài 2,75/n với nhịp chính đài 550zn - được xem là dài nhất tại khu

vực Đông Nam Á tại thời điểm hoàn thành (hình 1.6) Tòa tháp Keangnam

có tổng dién tich 609,673m? va cao 350m— được xem là tòa nhà cao nhất Việt Nam lúc khánh thành vào năm 2011 (hình 1.7) Thủy điện Sơn La có chiều cao 138m, chiéu dai 1000m có công suất 2400A⁄4W Sau 7 năm xây dựng, thủy điện Sơn La được khánh thành vào năm 2012, sớm hơn kế hoạch 3 năm, trở thành nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam và cả khu vực Đông Nam Á

(hình 1.8) Tòa nhà quốc hội Việt Nam gồm 2 tầng hầm và 5 tầng nổi kích thước

mặt băng 102x102, chiều cao công trình khoảng 39z, tổng diện tích sàn Khoảng 63240mˆ năm 2014 (hình 1.9)

Bêtông là một loại vật liệu đá nhân tạo mà thành phan nguyén vat liệu chế tạo

bao gồm: Cốt liệu, chất kết đính và nước Cốt liệu: gồm cốt liệu nhỏ là cát có

kích thước từ :0,14 + 5zwzn và cốt liệu lớn là đá dăm hoặc sỏi có kích thước từ

5+ 70mm hoặc lớn hơn Chất kết dính: thường dùng ximăng Nước để hóa hợp

với ximăng và nước để đảm bảo độ đẻo cần thiết cho hỗn hợp bêtông lúc trộn, đồ

khuôn và đầm chắc Sau khi bêtông khô cứng, lượng nước này sẽ trở thành nước thừa và bị bay hơi đi, để lại các lỗ rỗng trong bêtông, làm giảm độ đặc chắc và cường độ của bêtông

Ngoài các thành phần trên, còn có thể sử dụng thêm phụ gia để cải thiện một

số tính chất của hỗn hợp bêtông trong lúc thi công và của bêtông trong quá trình

sử dụng, như: nâng cao độ dẻo, kéo dài hoặc rút ngăn thời gian đông kết của

ximăng, tăng cường độ, tăng khả năng chông thấm, Các thành phần trên được

lựa chọn dựa vào yêu cầu chất lượng của bêtông |

Nguyên lý tạo nên bêtông: dùng cốt liệu lớn làm bộ xương chịu lực, cốt liệu

nhỏ để lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu lớn Hồ chất kết dính và nước

bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu, tạo độ dẻo cho hỗn hợp bêtông Khi hỗn hợp răn lại thành một khối đặc có khả năng chịu lực, chống lại các biễn dạng

2.1.1.2 Cấu trúc

Cấu trúc của betong khong déng nhat 1a do cốt liệu có hình dáng, kích thước khác nhau, sự phân bố cốt liệu và chất kết dính không đồng đều và còn tồn tại

một ít nước thừa và các lỗ rỗng nhỏ (do nước thừa bay hơi) Câu trúc của bêtông

được hình thành là do quá trình thủy hóa của ximăng, đó là quá trình giảm chất

23

Theo dạng cốt liệu gồm bêtông cốt liệu đặc (sỏi, đá dăm); bêtông cốt liệu

rong (da bot, hat keramzit, peclit, .); béténg cét liệu đặc biệt (quặng kim loại, đá chứa quặng, .)

Theo phạm vi sử dụng: bêtông dân dụng; bêtông thủy công; bêtông mặt

đường, sân bay, bến bai, lát vỉa hè; bêtông trang trí; bêtông chịu nhiệt; chịu

axít; chông xâm thực; chông phóng xạ;

Giáo trình này chủ yếu trình bày về bêtông nặng thông thường và dùng chất

kêt dính là ximăng

2.1.2 Cường độ của bêtông

Là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của bêtông Cường độ của

bêtông phụ thuộc vào thành phân và câu trúc của nó

Mẫu bêtông được đúc thành hình khối lập

phuong canh a =100; 150; 200mm, hay khéi

hình trụ đáy vuông “hoặc tròn (hình 2.1) Mẫu

thử chuân là mẫu hình khối lập phương có

điều kiện tiêu chuẩn Hoặc dùng thiết bị <

chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn, — + —

thường lấy mẫu trụ tròn có đ= 50+150mmn, P

h=(1+2)d Đối với thí nghiệm nén, mẫu

P Bàn nén

bêtông được đặt vào máy nén, tăng lực nén từ

từ cho đến khi mẫu bị phá hoại

Khi đó, cường độ chịu nénR(MPa) | xác định theo phương pháp phá hoại

mẫu là:

Trong đó: P là lực nén phá hoại mẫu, 4 là diện tích tiết diện ngang của mẫu

Thông thường: R = 10:40MPa, R >40MPa là loại bêtông cường độ cao Khi chịu nén, bêtông vừa bị biến dạng co ngăn theo phương tác dụng của lực, vừa bị

nở ngang Bêtông bị nứt và bị phá vỡ chủ yếu là do sự nở ngang này

Bôi trơn

không đêu ngang đêu

Hình 2.3 Sự phá hoại của mẫu thử khối lập phương:

_ (g) Có ma sát trên mặt tiếp xúc; (b) Không có ma sát trên mặt tiếp xúc

1- ma sát; 2- phần bêtông bị ép vỡ; 3- hình tháp phá hoại; 4- vết nứt doc

Do đó, đê làm tăng khả năng chịu nén của bêtông thì cân hạn chê mức độ nở

ngang Nêu không bôi trơn mặt tiêp xúc giữa mẫu thử và bàn nén thì tại đó sẽ

xuât hiện lực ma sát có tác dụng cần trở sự nở ngang Khi đó, mẫu sẽ bị phá hoại

25

độ giảm

2.1.2.2 Cường độ chịu kéo

Để có thể xác định cường độ chịu kéo của bêtông, có thể thực hiện thí nghiệm

trên các mâu như ở hình 2:4 Cường độ chịu kéo của bêtông ®# được xác định

Hình 2.4 Mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo

Với thí nghiệm uốn mẫu dầm bétong, sử dụng mẫu thử chuẩn có kích thước 150x150x600mm Khi đó, cường độ chịu kéo của mẫu được xác định [12]

_ 2P ' 1D Trong dé: P la tai trong tac dung lam ché mau (luc bửa); / là chiều dài mẫu;

là đường kính mẫu (thường thí nghiệm voi mau c6 D=150mm ) Bêtông có

(2.4)

I of cường độ chiu kéo R, kha bé, thường chi bang khoang | —+— |R

10 20 Ngoài ra, có thể xác định được Cường độ chịu kéo ®, dựa vào cường độ chịu nén # mà không cần làm thí nghiệm [8], bang cach str dung các công thức thực

Trong các công thức trên, R dugc tinh theo don v1 MPa

2.1.2.3 Cúc nhân tỗ ảnh hưởng đễn cường độ bêtông - ˆ

Cường độ của đá ximăng: nhan tố này lại phụ thuộc vào mác ximăng, lượng xImăng và độ đặc của đá ximăng, tức là phụ thuộc vào tỉ lệ Nước/Ximăng

Su phan bé giữa các hạt cốt liệu, tính chất bề mặt cốt liệu, thành phan cỡ hạt, chất lượng cốt liệu, cường độ côt liệu, đều có ảnh hưởng đên cường độ của bêtông

Nếu sử dụng phụ gia tăng dẻo sẽ làm tăng tính đẻo cho hỗn hợp DbÊtông, nên

có thể giảm bớt lượng nước nhào trộn và cường độ bêtông sẽ tăng Nếu sử dụng

phu gia rắn nhanh sé day nhanh quá trình thủy hóa của ximang nén lam tang

nhanh sự phát triển cường độ của bêtông

Cường độ của bêtông phụ thuộc vào độ đặc của bêtông, nghĩa là phụ thuộc vào

sự lựa chọn thành phần và phương pháp thi công thích hợp Cường độ chịu lực của bêtông tăng dân theo thời gian Từ 7+14 ngày sau khi đồ bêtông, cường độ phát triển nhanh, sau 28 ngày cường độ phát triển chậm dần và sau đó thì ngừng phát triển

Thực nghiệm cho thấy, sự phát triển cường độ của bêtông gân như tuân theo quy luật lôgarit nên theo [13], công thức thực nghiệm gần đúng xác định cường

độ chịu nén của bêtông sau ø ngày tuổi, được áp dụng khi ø = 3+90 ngày là:

ign Ig28 =0,7R„lgn „= (2.8)

là =fạ—=—

Nếu bêtông được bảo dưỡng trong môi trường nhiệt độ thích hợp, độ âm cao,

sự tăng cường độ có thể kéo dài trong nhiều năm, còn trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp, sự tăng cường độ về sau không đáng kể Nếu dùng phụ gia tăng cường độ hoặc dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng bêtông thì sẽ làm tăng cường độ bêtông rất nhanh trong giai đoạn dau Nhưng so với bêtông được bảo dưỡng trong điều kiện tự nhiên và không dùng phụ gia thì bêtông sẽ giòn hơn và

có cường độ cuối cùng thấp hơn

Điều kiện thí nghiệm (Tốc độ gia tải, thời _gian tác dụng của tải trọng, tính chất mặt tiếp xúc, hình dáng, kích thước mâu ): Tốc độ gia tải quy định là 0,2 MPa/s Nếu tốc độ gia tải càng lớn thì cường độ thu được càng lớn do biến dạng dẻo không tăng kịp với sự tăng tải trọng và ngược lại Chang han, néu ép

mẫu đến giá trị (90+95) cường độ của nó và giữ nguyên lực ép Sau một thời

gian mẫu bị phá hoại, đó là hiện tượng bêtông bị giảm cường độ dưới tác dụng lâu đài của tải trọng

2.1.2.4 Các giá trị của cường độ

- Cường độ trung bình: thí nghiệm với m mẫu thử của cùng một loại

bêtông ta sẽ có các giá trị cường độ tương ứng của từng mẫu, và cường độ

đu — >», /m (2.9)

Trong đó: #,(¡= 1+ m) là giá trị cwdng 46 cha cdc mau thir, m là số mẫu thử

- Cưởng độ đặc trưng: Hay còn gọi là giá trị đặc trưng của cường độ, được xác

định theo xác suất bảo đảm 95% (Có thể hiểu như sau: Giả sử làm thí nghiệm

với 100 mâu, sẽ có 95 mâu có ®#, > „) Nhưng thực tê thường làm thí nghiệm với số mẫu ít hơn, nên cần dùng lý thuyết xác suất thống kê để tìm giá trị R,,

28

Dé tim duoc hé sé v dang tin cdy thi sé lvong n mau thử phải đủ lớn Nếu

thiếu số liệu, có thể lấy w theo các nghiên cứu thống kê có sẵn Chắng hạn, lấy giá tri = 0,135 đôi với công nghệ ôn định, có kiêm tra chặt chẽ vê thành phân của bêtông và chất lượng thi công Tuy vậy, giá trị v có thể giảm xuống 0,/2 hoặc 0,70 với công nghệ tôt hơn; Có thê lây giá trị y=0,15 với điêu kiện thì

- Cường độ tiêu chuẩn: Được lẫy băng cường độ đặc trưng của mẫu thử nhân

với hệ số kết cầu Z⁄„¿ (Z„¿ =0,7z0,8) Hệ số này xét đến sự làm việc của bêtông

thực tế trong kết cầu có khác với sự làm việc của mẫu thử Cường độ chịu nén

tiêu chuẩn của bêtông tính như sau: -

Giá trị của cường độ chịu nén tiêu chuẩn R,„ Và cường độ chịu kéo tiêu chuẩn

Ron duoc cho 6 phu luc 1 Cé thé lay R,, bằng cường độ chịu nén đặc trưng của

mẫu lăng trụ (" = 4a) và thường được gọi là cường độ lăng trụ |

2.1.3 Các chỉ tiêu chất lượng của bêtông -

2.1.3.1 Mác | SỐ

Mác bÊtông có thê được phân loại dựa trên cường độ chịu nén, chịu kéo, theo

khả năng chồng thâm, theo khối lượng thể tích của mẫu bêtông

a4) Theo cường độ chịu nén |

Mác bêtông (Ä⁄) được xác định bởi cường độ chịu nén trung bình của các mẫu

thử chuẩn hình khối lập phương cạnh 150, được bảo dưỡng 28 ngày đêm ở điều

kiện chuẩn và được tính theo đơn vị &G/cm? Vật liệu bêtông thường được phân

29

loại theo mác nhu sau: M50; M75; M100; M150; M200; M250; M300; M350; M400; M450; M500; M600 Chang han, Bét6éng M200 cd cudng dé

chịu nén trung bình của các mẫu thử chuẩn không nhỏ hơn 200 kG/cm”

Khi khả năng chịu kéo của bêtông quyết định đến sự làm việc của kết cấu thì cần quy định thêm mác theo cường độ chịu kéo (K) Theo TCVN 5574-1991, có

e) Theo khả năng chống thấm, theo khối lượng thể tích

Mác theo khả năng chống thấm (W7), được xác định bằng áp suất lớn nhất

(atm) ma mau chịu được để nước không thấm qua [11] Béténg có các mác (cấp)

chồng thấm sau: W2; W4; W6; W8; W10; W12 Cần quy định về mác theo

khả năng chống thấm cho bêtông có yêu cầu hạn chế độ thấm như công trình thủy lợi, thủy điện Mác theo khối lượng thể tích (Ð), được chỉ định với kết cấu

có yêu cầu về cách nhiệt

2.1.3.2 Cấp độ bên

a Cap dé bén chiu nén

Theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 [11], bêtông được phân loại dựa vào cấp độ

bên Khái niệm này, được xác định bằng cường độ đặc trưng của mẫu thử chuẩn, tinh theo don vi MPa Hon nita, tigu chuẩn TCVN 5574:2012 [11] quy định rõ

bêtông có các câp độ bên chịu nén: B3,5; B5; B7,5; B10; B12,5; B15; 520; -

B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; B60

b) Cấp độ bên chịu kẻo

Được lấy bằng cường độ đặc trưng về kéo của béténg, tinh theo don vi MPa

Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 quy định bêtông có các cấp độ bền chịu kéo:

B.08; B.L2: B16; B20: B,24; B28; B,3,2

©) Tương quan giữa mác và cấp độ bên Tương quan giữa mác M và cấp độ bền B của cùng một loại bêtông:

Trong d6: a 1a hé số chuyên đổi đơn vị từ KG/cm? sang MPa; cé thé lay

a=0,1 Con # 1a hé sé chuyén déi từ cường độ-trung bình sang cường độ đặc trung Chang hạn, lay v = 0,735; § = 1,64 thì B =1-Sv =0,779

30

Khi thiết kế, trước tiên cần chỉ định cấp độ bên của bêtông, sau đó theo (2.14) tính được cường độ trung bình và quy đối về mác bêtông gần nhất Ví dụ, nếu chọn bêtông có cấp độ bền 25 quy đổi tương ứng về mác M = 321,1kG/ cm”,

do đó bêtông cấp độ bên B25 tương đương với bêtông mác ÄZ350 Trong thực

tế, ngoài việc chỉ định cấp bông, có thể ghi thêm mác bêtông để thuận tiện trong

việc sử dụng

2.1.4 Biến dạng của bêtông

2.1.4.1 Biến dạng do co ngói

Co ngót là hiện tượng bêtông bi giảm thể tích trong không khí do sự bốc hơi

lượng nước thừa khi bêtông khô cứng, hay do chất keo sinh ra trong quá trình thủy hóa ximăng có thể tích nhỏ hơn thể tích chất sinh ra nó Co ngót xảy ra chủ yếu trong giai đoạn khô cứng đầu tiên Trong điều kiện bình thường sau vài năm, bêtông sẽ hết co Biến dạng tỷ đối do co ngót của béténg có thé dat đến

(3+5 ) x10"

Có hai dạng kết cấu cần quan tâm đến hiện tượng co ngót, đó là bêtông khối lớn như đài móng và bêtông có mặt thoáng lớn như sàn bêtông cốt thép toàn khối Các nhân tố ảnh hưởng đến biến dang do co ngót bao gồm: Số lượng và

loại ximăng, nếu dùng lượng ximăng nhiều, thì co ngót bêtông tăng: nếu ximăng

có hoạt tính cao, thì co ngót bêtông tăng Ngoài ra, nếu sử dụng tỷ lệ N /X cao,

thì sự co ngót sẽ tăng Hoặc dùng cát nhỏ hạt, cốt liệu rỗng thì co -ngót bêtông sẽ

tăng: dùng chất phụ gia làm bêtông ninh kết nhanh, cũng dẫn đến việc tăng sự co

ngót bêtông Tuy vậy, nếu bêtông chưng hấp ở nhiệt độ cao thì sự co ngót sẽ ít hơn Co ngói là một hiện tượng có hại vì làm thay đối hình dang và kích thước cầu kiện, gây ra khe nứt trên bề mặt bêtông, làm thay đổi cầu trúc của bêtông,

giảm độ chống thắm, giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của công trình

Các biện pháp khắc phục biến dạng do co ngót, có thể là chọn thành phan vat

liệu hợp lý, han chế lượng nước trộn, tỉ lệ N/X hop ly Dam chic béténg, bao

dưỡng bêtông thường xuyên âm trong giai đoạn đầu Có các biện pháp cau tao

như bố trí khe co dãn, đặt cốt thép cầu tạo ở những nơi cần thiết dé chiu ung suat

đo co ngót gây ra, hoặc tao mạch ngừng khi thi cong

2.1.4.2 Bién dang do trong no ~

Trong quá trình rắn chắc trong nước, bêtông bị nở thể tích Biến dạng tỉ đối do

trương nở của bêtông khoảng (6+1 5 ) xi 0”, Ở một giới hạn nào đó, độ trương nở

có thể làm tốt hơn câu trúc của bêtông (xem thêm ở tài liệu tham khảo [13])

3]

2.1.4.3 Biễn dạng do tải trọng

a) Tải trọng tác dụng ngắn hạn

Xét mẫu lăng trụ có chiều dài 7, diện tích tiết diện 44, chịu nén bởi lực P

Theo phương tác dụng lực, mẫu bị biến dạng (co ngắn) một đoạn A (hình 2.6) Biên dạng tỷ đôi: ø, = A//, và ứng suất tương ứng: ơ, = P/4 Với mỗi giá trị

của ? ta có một cặp e,, øơ, và tương ứng một điểm Ö trên đồ thị Khi P tăng

dần, điểm B chuyên từ Ó sang vị trí C (ứng với vị trí mẫu bị phá hoại) Tại đó,

ứng suất đạt cường độ của mẫu lăng trụ (ơ, = #„) và biển dang đạt đến biến dạng

cực hạn 8, Với mẫu hình trụ chịu nén đúng tâm, Ey, đạt giá trị khoảng 2 x 107

Hình 2.7 Thí nghiệm và đồ thị thể hiện biễn dạng đàn hồi - dẻo của bêtông

Khi dỡ bỏ tải trọng, mẫu sẽ khôi phục lại biến đạng nhưng không trở về kích -

thước như ban đâu (hình 2.7a) A, là phần biến dạng được hồi phục (biến dang

32

dan hdi), A, là phần biến dạng không được hồi phục (biến dang déo).-Diéu này chứng tỏ bêtông là vật liệu đàn hôi - dẻo Hình 2.7b thể hiện quan hệ (ơ — £) khi

tăng và giảm tai trong Duong OB tng voi qua trinh tăng tải, đường BÙ ứng với quá trình giảm tải (đường cong giảm tải không trở vê @) Ta có: |

Trong đó: #„= Ai]; €,, = A, /1(là các biến dạng tỉ đối đàn hồi và dẻo) Goi:

v=e£„j/e, là hệ số đàn hồi Khi ứng suất còn bé, biến dạng chủ yếu là đàn hồi, hệ

số v7, quan hệ (ơ— £) gần như là đường thắng Khi ứng suất lớn, biến dạng -

đẻo tăng lên, hệ số giảm dân: Ở giai đoạn phá hoại, biến dạng chủ yếu là biến

Hinh 2.8 Dé thi biểu diễn từ biến của bêtông

Thí nghiệm nén mẫu với lực P =(85+100)% cường độ của mẫu, lúc này mẫu

vẫn chưa bị phá hủy và có biến dạng là A Giữ nguyên lực tác dụng trong một thời gian đài, mẫu tiếp tục biễn dạng thêm một lượng A„ và bị phá hủy Hiện tượng này gọi là hiện tượng từ biến, tức là biễn đạng tăng theo thời gian mặc dù tải trọng (hay ứng suất) không thay đổi (hình 2.8) Biến dạng tỉ đối: 6, =A, / ¡, được gọi là biến

dang từ biến Khi ứng suất bé (ơ, <0,7) thì biến dạng từ biến có giới hạn Khi

ơ, > 0,85R, từ biến phát triển không ngừng và mẫu sẽ dẫn đến phá hoại Đó là sự giảm cường độ của bêtông khi tải trọng tác dụng lâu dài

Các nhân tố ảnh hưởng đến biến dạng do từ biến có thể là ứng suất trong

'bêtông, tỷ lệ N⁄X, độ cứng của côt liệu, tuôi bêtông, độ âm môi trường Chăng

hạn, khi ứng suất tăng thì biến dạng từ biến tăng; tý lệ N⁄X tăng thì biến dạng từ

33

biến tăng: độ cứng của cốt liệu bé thì biến dạng từ biến tăng Tuổi bêtông khi

chịu tải cao thì biến dạng từ biên giảm Độ âm môi trường cao thì biên dạng từ biên giảm :

c) Tai trong lặp

Nếu mẫu bêtông chịu tải trọng lặp (tải trọng được đặt vào rồi đỡ ra nhiều lần),

- thì biễn dạng dẻo sẽ được tích lũy và tăng dần Đến một lúc nào đó, mẫu sẽ bị

phá hoại khi ứng suất trong bêtông đạt đến cường độ mỏi

2.1.4.4 Biến dạng do nhiệt

Khi nhiệt độ thay đổi thì thể tích của bêtông cũng thay đổi, thông qua hệ số giãn

no nhiét a, = (0,7+1,5) x1 0” Khi tính toán ở khoảng nhiệt độ từ Ø+/00°C có thể lay a, =1 0” Để hạn chế biến dang do nhiét nên bố trí các khe nhiệt độ

2.1.5 Môđun đàn hồi - Môđun biến dạng - Môđun chống cắt

Khi tải trọng nhỏ, bêtông làm việc trong giới hạn đàn hồi Môđun đàn hồi ban

a): goc lập bởi tiếp tuyến tại gốc của biểu đồ (z—£) với trục ø (xem hình

2.7b) Giá trị J„ phụ thuộc vào cấp độ bên và loại bêtông, được cho ở phụ lục 3

Khi chịu kéo, giá trị môđun đàn hồi của bêtông giống như khi chịu nén

2.1.5.2 Médun bién dang (médun dan héi - déo) Bêtông là vật liệu đàn hồi - dẻo, nên ngoài môđun đàn hồi Z„ còn có môđun

đàn hôi - dẻo, Z; được định nghĩa như sau:

1 On |

a: g6c lap béi cat tuyén OB cia biéu dé (ơ — #) với trục £ (xem hình 2.7b)

Tr v=e,,/é,, suy ra médun bién dang của bêtông khi chịu nén:

Médun biến dạng của bêtông khi chịu kéo: Ey, =v,E,, trong do v, 1a hé sé

đàn hồi khi kéo, có giá trị trung bình: w, = 0,5

34

2.1.5.3 Médun chong cat

Lấy hệ số nở ngang (hệ số Poátxông) của bêtông: z„ = 0,2 Môđun chong cat của bêtông thường lấy giá trị như sau: Œ, =0, 4hy

Kết câu bêtông cốt thép sử dụng bêtông nặng và bêtông B7.5

hạt nhỏ °

nhẹ khi tính toán chịu tải trọng lặp

Cau kiện bêtông cốt thép chịu nén dạng thanh B]15

Cấu kiện bêtông cốt thép chịu nén dạng thanh chịu tải

trọng lớn (như: cột chịu tải trọng cầu trục, cột các tầng - 525

dưới của nhà nhiều tầng, .)

Để chèn các mối nối cấu kiện bêtông cốt thép lắp ghép:

+ Đối với mối nỗi không có cốt thép | B7,5

Với kết cấu bêtông cốt thép ứng lực trước, khi sử dụng

là 3o và 5o Nêu tăng hàm lượng cacbon thì cường độ của thép tăng nhưng

35