Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia hóa dẻo và phụ gia khoáng đến hệ số cường độ ứng xuất của bê tông cường độ cao

Kết hợp thực nghiệm v i kết quả tính toán từ các mô hình nứt: Mô hình vết nứt ảo FCM, mô hình nứt hai ham s TPM và các lý thuyết liên quan t i vấn đề nứt, trạng thái ứng suất và biến dạn

GI O O O ƯỜNG I HỌ MỞ H NH PHỐ HỒ H MINH

-

PH M THỊ HỒNG H NH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG PH GIA HÓA DẺO VÀ

PH GIA KHO NG ẾN HỆ SỐ ƯỜNG ỨNG SUẤT

CỦA Ê ÔNG ƯỜNG CAO

L N N H XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN D NG VÀ

CÔNG NGHIỆP

TP Hồ Chí Minh, Năm 2015

GI O O O ƯỜNG I HỌ MỞ H NH PHỐ HỒ H MINH

-

PH M THỊ HỒNG H NH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PH GIA HÓA DẺO VÀ

PH GIA KHO NG ẾN HỆ SỐ ƯỜNG ỨNG SUẤT

CỦA Ê ÔNG ƯỜNG CAO

Chuy n ng nh : Xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp

M s huy n ng nh : 60 58 02 08

L N N H ỰNG

Ng i h ng n kho h :

Ts Lê Anh Tuấn

TP Hồ Chí Minh, Năm 2015

LỜI AM OAN

Tôi m đo n rằng luận văn n y “Nghi n ứu ảnh h ởng của phụ gia hóa dẻo

và phụ gi khoáng đến hệ s ng độ ứng suất củ b tông ng độ o” l b i nghiên cứu của chính tôi

Ngoài trừ những tài liệu tham khảo đ ợc trích d n trong luận văn n y, tôi m đo n rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn n y h từng đ ợc công b hoặc

đ ợc sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khá

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào củ ng i khá đ ợc sử dụng trong luận văn

n y m không đ ợc trích d n theo đúng quy định

Luận văn n y h b o gi đ ợc nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại á tr ng đại

h c hoặ ơ sở đ o tạo khác

Tp, Hồ Chí Minh, 2015

Phạm Thị Hồng Hạnh

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu ảnh h ởng của phụ gia đến ơ hế rạn nứt của bê tông

ng độ o Điển hình là ảnh h ởng của phụ gia hóa h c siêu dẻo và phụ gia khoáng đến hệ s tập trung ứng suất ngay tại đỉnh vết nứt trong dầm b tông ng

độ cao Kết hợp thực nghiệm v i kết quả tính toán từ các mô hình nứt: Mô hình vết nứt ảo FCM, mô hình nứt hai ham s TPM và các lý thuyết liên quan t i vấn đề nứt, trạng thái ứng suất và biến dạng, lý thuyết Bazant…Đề t i đ ợc thực hiện v i mục

ti u tính toán á đặ tr ng nứt củ b tông nh : Hệ s tập trung ứng suất, độ bền nứt, năng l ợng nứt, độ mở rộng đầu đ ng nứt, chiều dài vết nứt ảo bằng công thức thực nghiệm Từ đó rút r kết luận v đánh giá ảnh h ởng củ h m l ợng phụ

gi đến hệ s ng độ ứng suất tại đỉnh vết nứt trong dầm b tông ng độ cao

Để gi tăng tính đúng đắn của kết quả tính toán, phần mềm Ansys 15.0 đ ợc dùng

để mô phỏng lại m u dầm chịu u n v i vết nứt đ ợc ấn định sẵn ngay giữa dầm và chịu lực u n bằng v i giá trị thực nghiệm Các kết quả đ ợc ghi lại và so sánh v i giá trị tính toán theo công thức có sẵn Cu i cùng là lựa ch n thành phần cấp ph i

t i u ho b tông ng độ cao có sử dụng phụ gia ứng v i cấp độ bền B45 sao cho á đă tr ng ơ lý đạt giá trị t t nhất và giảm thiểu khả năng vết nứt tiếp tục

phát triển khi đi v o hịu tải, góp phần nâng cao khả năng hịu lực của kết cấu

M C L C

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lục iii

Danh mục bảng viii

Danh mục hình ix

Danh mục từ viết tắt ixiii

Chương 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Cơ sở hình thành luận văn 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi v đ i t ợng nghiên cứu 2

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu 2

1.3.2 Đ i t ợng nghiên cứu 3

1.4 Ph ơng pháp nghi n ứu 3

1.5 Nghiên cứu trong v ngo i n c 3

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế gi i 3

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong n c 5

Chương 2: Ơ Ở TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 8

2.1 Cơ h c hóa h c 8

2.2 Cơ h c vật lý 10

2.3 Cơ h c sở khoa h c về rạn nứt của bê tông 10

2.3.1 Các dạng rạn nứt của vật liệu 10

2.3.2 Phân tích gi i hạn củ đ ng nứt 12

2.3.2 Phân loại đ ng nứt 15

2.4 Mô hình vết nứt ảo FCM 20

2.4.1 Phân b ứng suất theo lý thuyết của Bazant 22

2.4.2 Mô hình hai tham s TPM (Two Parameter Model) 24

Chương 3: V T LIỆ PHƯƠNG PH P HỰC NGHIỆM 25

3.1 Nguyên vật liệu 25

3.1.1 Xi măng 25

3.1.2 Cát 25

3.1.3 Đá 26

3.1.4 Phụ gia siêu dẻo 27

3.1.5 Phụ gia khoáng silicafume 27

3.1.6 Ph ơng pháp huẩn bị m u và thí nghiệm 29

3.2 Thành phần cấp ph i của bê tông 34

Chương 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35

4.1 Ảnh h ởng củ á đặ tr ng ơ lý đến á đặ tr ng nứt của bê tông 35

4.1.1 M i quan hệ giữa á đặ tr ng nứt và các tính chất ơ lý ủa bê tông khi không sử dụng phụ gia 36

4.2 Ảnh h ởng của của phụ gia hóa h đến các tính chất ơ lý ủa bê tông 41

4.2.1 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến ng độ chịu nén của bê tông 42

4.2.2 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến ng độ chịu u n của bê tông 43

4.2.3 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến ng độ chịu kéo của Bê tông 45

4.2.4 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến hệ s nở hông của bê tông

46

4.2.5 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến mô đun đ n hồi 47

4.2.6 M i quan hệ giữ ng độ chịu nén v mo un đ n hồi khi dùng phụ gia hóa h c 49

4.2.7 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến hệ s tập trung ứng suất bê tông 50

4.2.8 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến độ bền nứt của Bê tông 50

4.2.9 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến chuyển vị mở đầu đ ng nứt CTOD 49

4.2.10 Ảnh h ởng của phụ gia hóa h đến năng l ợng nứt của bê tông 49

4.2.11 Ảnh h ởng của phụ gi đến chiều i đặ tr ng của vết nứt ảo 52

4.3 Ảnh h ởng của của phụ gi khoáng Sili fume đến các tính chất ơ lý v đặc tr ng nứt của bê tông 53

4.3.1 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến ng độ chịu nén của

bê tông 54 4.3.2 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến ng độ chịu u n của

bê tông 55 4.3.3 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến ng độ chịu kéo của

Bê tông 56 4.3.4 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến hệ s nở hông của bê tông 57 4.3.5 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến mô đun đ n hồi của Bê tông 58 4.3.6 M i quan hệ giữ ng độ chịu nén v mo un đ n hồi khi dùng phụ gia khoáng Silicafume 58 4.3.7 Ảnh h ởng của phụ gi khoáng đến hệ s tập trung ứng suất của bê tông 58 4.3.8 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến độ bền nứt của Bê tông 60 4.3.9 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến chuyển vị mở đầu đ ng nứt 60 4.3.10 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến năng l ợng nứt của bê tông 60 4.3.11 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume đến chiều i đặ tr ng của vùng FPZ đ ợ xá định 62 4.4 Ảnh h ởng của của phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia hóa h c siêu dẻo đến các tính chất ơ lý v đặ tr ng nứt của bê tông 62 4.4.1 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume kết hợp v i phụ gia hóa h c đến ng độ chịu nén của bê tông 64 4.4.2 Ảnh h ởng của phụ gia khoáng Silicafume kết hợp v i phụ gia hóa h c đến ng độ chịu u n của bê tông 64 4.4.3 Ảnh h ởng của hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo đến ng độ chịu kéo của Bê tông 65 4.4.4 Ảnh h ởng của hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo đến hệ s nở hông của bê tông 66

4.4.5 Ảnh h ởng của hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo

đến mô đun đ n hồi của Bê tông 66

4.4.6 M i quan hệ giữ ng độ chịu nén v mo un đ n hồi khi dùng hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo 67

4.4.7 Ảnh h ởng của hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo đến hệ s tập trung ứng suất bê tông 68

4.4.8 Ảnh h ởng của hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo đến độ bền nứt của Bê tông 68

4.4.9 Ảnh h ởng của hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo chuyển vị mở đầu đ ng nứt CTOD 69

4.4.10 Ảnh h ởng của hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo đến năng l ợng nứt của bê tông 70

4.4.11 Ảnh h ởng của hỗn hợp phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo đến chiều i đặ tr ng củ vùng FPZ đ ợ xá định 70

Chương 5: MÔ PHỎNG ANSYS 71

5.1 Mô tả hình h c kết cấu 71

5 2 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 71

5 3 Đặt tải v điều kiện biên 73

5 4 Phân tích kết cấu 74

5 5 Xử lý kết quả 74

5 6 Tính toán hệ s tập trung ng độ ứng suất ngay tại đỉnh vết nứt: 75

hương 6: KẾT LU N 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PH L C 84

PHỤ LỤC A: Kết quả thí nghiệm 84

PHỤ LỤC B: Tính toán á đặ tr ng ơ lý ủa bê tông 90

PHỤ LỤC C: Mô phỏng Ansys 98

DANH M C BẢNG Chương 3

Bảng 3.1 Thành phần ơ lý ủa xi măng 25

Bảng 3.2 Thành phần ơ lý ủa cát 25

Bảng 3.3.Thành phần tính chất củ đá 26

Bảng 3.4 Kết quả ng độ chịu nén của bê tông 34

Bảng 3.5 Kết quả ng độ chịu kéo của bê tông 35

Bảng 3.6 Thành phần cấp ph i b tông ng độ cao 34

Chương 4 Bảng 4.1 Các tính chất ơ lý v đặ tr ng nứt củ b tông ng độ cao khi không sử dụng phụ gia 35

Bảng 4.2 Hệ s tập trung ng độ ứng suất 38

Bảng 4.3 So sánh v i kết quả thực nghiệm v i nghiên cứu tr c 39

Bảng 4.4 Độ bền nứt gi i hạn GC (J/m2) 40

Bảng 4.5 So sánh v i kết quả thực nghiệm v i nghiên cứu tr c 41

Bảng 4.6 C ng độ của bê tông khi dùng phụ gia hóa h c 42

Bảng 4.7 Giá trị mo un đ n hồi và hệ s nở hông của bê tông khi dùng phụ gia hóa h c 42

Bảng 4.8 So sánh ng độ chịu u n giữa tính toán thực nghiệm và theo ACI 363 45 Bảng 4.9 Giá trị mô đun đ n hồi tính theo ACI 318 49

Bảng 4.10 Giá trị tập trung ứng suất củ b tông ng độ cao 50

Bảng 4.11 Giá trị độ bền nứt củ b tông ng độ cao 50

Bảng 4.12 C ng độ của bê tông khi dùng phụ gia khoáng Silicafume 53

Bảng 4.13 Giá trị mo un đ n hồi của bê tông khi dùng phụ gia khoáng Silicafume 53 Bảng 4.14 Chênh lệ h ng độ chịu u n giữa thực nghiệm và tính theo ACI 363 56 Bảng 4.15 Giá trị tập trung ứng suất củ b tông ng độ cao 59

Bảng 4.16 Giá trị độ bền nứt củ b tông ng độ cao sử dụng Silicafume 60

Bảng 4.17 C ng độ của bê tông khi dùng hỗn hợp phụ gia 62

Bảng 4.18 Giá trị mo un đ n hồi và hệ s nở hông của bê tông khi dùng hỗn hợp

DANH M C HÌNH Chương 2

Hình 2.1 Phản ứng hóa h c củ xi măng 8

Hình 2.2 Hồ Xi măng rắn chắc 8

Hình 2.3 Rạn nứt dòn 11

Hình 2.4 Quan hệ tải tr ng và chiều i đ ng nứt 13

Hình 2.5 Sự th y đổi của chiều dài vết nứt theo th i gian 13

Hình 2.6 Sơ đồ chịu tải 15

Hình 2.7 Sự phân b ứng suất xung qu nh đ ng nứt 15

Hình 2.8 Các kiểu nứt ơ bản của vật liệu 17

Hình 2.9 Mô tả thí nghiệm dầm v i giá trị a, b tại vết nứt 18

Hình 2.10 Mô hình vết nứt không liên tục 21

Hình 2.11.Bế mặt tiếp xúc giữa các hạt c t liệu v xi măng 21

Hình 2.12 Mô phỏng vùng FPZ trong bê tông 22

Hình 2.13 Phân b tr ng ứng suất trong FPZ xung qu nh đ ng nứt (Bazant, 1984) 23

Hình 2.14: Chuyển vị độ mở đ ng nứt 24

Chương 3: Hình 3.1 Thành phần hạt của cát 26

Hình 3.2 Thành phần hạt củ đá 26

Hình 3.3 Phụ gia hóa h c siêu dẻo 29

Hình 3.4 Phụ gia khoáng Silicafume 30

Hình 3.5 Khâu đú m u và bảo ỡng bê tông 31

Hình 3.6 M u trụ 15 x30 cm 31

Hình 3.7 M u dầm 10 x 10 x 40 cm 32

Hình 3.8 M u dầm xá định hệ s tập trung ứng suất 32

Hình 3.9 Kí h th c m u xá định hệ s tập trung ứng suất 33

Hình 3.10 Máy nén m u trụ 34

Chương 4:

Hình 4.1 Bề mặt tiếp xúc giữa các hạt c t liệu v xi măng 21

Hình 4.2 Mô phỏng vùng FPZ trong bê tông 22

Hình 4.3 M i quan hệ giữ ng độ và hệ s KIC khi không sử dụng phụ gia 36

Hình 4.4 M i quan hệ giữ mô đun đ n hồi và hệ s KIC khi không dùng phụ gia 36

Hình 4.5 M i quan hệ giữ ng độ bê tong và hệ s KIC 38

Hình 4.6 M i quan hệ giữ ng độ v độ bền nứt Gc khi không dùng phụ gia 39

Hình 4.7 M i quan hệ giữ mô đun đ n hồi v độ bền nứt Gc khi không dùng phụ gia 40

Hình 4.8 M i quan hệ giữ ng độ b tông v độ bền nứt GC 41

Hình 4.9 Sự th y đổi C ng độ chịu nén khi sử dụng phụ gia hóa h c 42

Hình 4.10 Sự th y đổi ng độ chịu u n của betong khi sử dụng phụ gia hóa h c 43 Hình 4.11 M i quan hệ giữ ng độ chịu nén u n khi dùng phụ gia hóa h c 44

Hình 4.12 Sự th y đổi ng độ kéo gián tiếp khi sử dụng phụ gia hóa h c 46

Hình 4.13 Sự th y đổi Hệ s nở hông của bê tông khi sử dụng phụ gia hóa h c 47

Hình 4.14 Sự th y đổi Mo un đ n hồi của bê tông khi sử dụng phụ gia hóa h c 48

Hình 4.15 M i quan hệ ng độ chịu nén và modun đ n hồi khi dùng phụ gia hóa h c 49

Hình 4.16 Sự th y đổi hệ s tập trung ứng suất khi sử dụng phụ gia hóa h c 50

Hình 4.17 Sự th y đổi độ bền nứt của bê tông khi sử dụng phụ gia hóa h c 51

Hình 4.18 Chuyển vị mở đầu đ ng nứt CTOD 51

Hình 4.19 Sự th y đổi năng l ợng nứt không toàn phần Gf, toàn phần GF 52

Hình 4.20 Chiều dài FPZ khi không và có sử dụng phụ gia hóa h c 52

Hình 4.21 Sự th y đổi c ng độ chịu nén khi sử dụng phụ gia khoáng Silicafume 54

Hình 4.22 Sự th y đổi ng độ chịu u n khi sử dụng phụ gia khoáng Silicafume 55 Hình 4.23 M i quan hệ giữ ng độ chịu nén u n khi dùng phụ gia khoáng Silicafume 55

Hình 4.24 Sự th y đổi ng độ kéo gián tiếp khi sử dụng phụ gia khoáng Silicafume 56

Hình 4.25 Sự th y đổi hệ s nở hông của bê tông khi sử dụng phụ gia khoáng

Silicafume 57

Hình 4.26 Sự th y đổi Mo un đ n hồi khi sử dụng phụ gia khoáng Silicafume 58

Hình 4.27 M i quan hệ ng độ chịu nén và modun đ n hồi khi dùng phụ gia khoáng Silicafume 58

Hình 4.28 Sự th y đổi hệ s tập trung ứng suất khi sử dụng phụ gia khoáng 59

Hình 4.29 Sự th y đổi độ bền nứt khi sử dụng phụ gia khoáng Silicafume 60

Hình 4.30 Chuyển vị mở đầu đ ng nứt CTOD 61

Hình 4.31 Sự th y đổi năng l ợng nứt không toàn phần Gf, toàn phần GF 61

Hình 4.32 Chiều dài vết nứt ảo FPZ 62

Hình 4.33 Sự th y đổi c ng độ chịu nén khi dùng hỗn hợp phụ gia 63

Hình 4.34 Sự th y đổi ng độ chịu u n 64

Hình 4.35 M i quan hệ giữ ng độ chịu nén u n khi dùng hỗn hợp phụ gia 64

Hình 4.36 Sự th y đổi ng độ kéo gián tiếp khi dùng hỗn hợp phụ gia 65

Hình 4.37 Sự th y đổi hệ s nở hông của bê tông khi sử dụng phụ gia khoáng Silicafume 66

Hình 4.38 Sự th y đổi mô đun đ n hồi khi dùng hỗn hợp phụ gia 66

Hình 4.39 M i quan hệ ng độ chịu nén và modun đ hồi 67

Hình 4.40 Sự th y đổi hệ s tập trung ứng suất khi dùng hỗn hợp phụ gia 68

Hình 4.41 Sự th y đổi độ bền nứt của bê tông khi dùng hỗn hợp phụ gia 69

Hình 4.42 Chuyển vị mở đầu đ ng nứt CTOD khi dùng hỗn hợp phụ gia 69

Hình 4.43 Sự th y đổi năng l ợng nứt không toàn phần Gf, toàn phần GF 70

Hình 4.44 Chiều dài vết nứt ảo FPZ 70

hương 5 Hình 5.1 Các thông s hình h c của m u dầm 71

Hình 5.2 Mô phỏng m u dầm trong Ansys 71

Hình 5.3 Thông s hình h c vết nứt mở 72

Hình 5.4 Chi l i vết nứt mở trong Ansys 72

Hình 5.5 Chi l i phần tử dầm trong Ansys 73

Hình 5.6 Đặt tải v điều kiện biên cho dầm bê tông trong Ansys 73

Hình 5.7 Phân tích dầm bê tông trong Ansys 74

Hình 5.8 Cá b c tải giải bài toán dầm phi tuyến trong Ansys 74

Hình 5.9 Ứng suất Von Mises trong dầm bê tông 75

Hình 5.10 Giá trị KI khi bê tông không sử dụng phụ gia 75

Hình 5.11 Giá trị KI khi bê tông sử dụng 0.5% phụ gia hóa h c 76

Hình 5.12 Giá trị KI khi bê tông sử dụng 1% phụ gia hóa h c 76

Hình 5.13 Giá trị KI khi bê tông sử dụng 1.5% phụ gia hóa h c 76

Hình 5.14 Giá trị KI khi bê tông sử dụng 5% phụ gia Silicafume 77

Hình 5.15 Giá trị KI khi bê tông sử dụng 10% phụ gia Silicafume 77

Hình 5.16 Giá trị KI khi bê tông sử dụng 15% phụ gia Silicafume 77

Hình 5.17 Giá trị KI khi bê tông sử dụng 20% phụ gia Silicafume 78

Hình 5.18 Giá trị KI ứng thành phần bê tông có sử dụng 5% phụ gia khoáng kết hợp 1% phụ gia hóa 78

Hình 5.19 Giá trị KI ứng thành phần bê tông có sử dụng 10% phụ gia khoáng kết hợp 1% phụ gia hóa 78

DANH M C TỪ VIẾT TẮT

ĐHBK TPHCM: Đại h c Bách Khoa Thành Ph Hồ Chí Minh

FCM: Fictious Crack Model

TPM: Two – Parameter Model

SEM: Size Effect Model

ECM: Effective Crack Model

CTOD: Crack tip Opening Displacement

HƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU 1.1 ơ sở hình thành luận văn:

V i sự phát triển xây dựng và yêu cầu của các kết cấu xây dựng ngày càng cao nên tính chất của bê tông ũng phải đ ợc yêu cầu o hơn v ho n thiện hơn Bê tông ng độ cao là một đặc tính cần thiết của vật liệu nhằm đáp ứng yêu cầu của các kết cấu xây dựng hiện đại

Bê tông là vật liệu có khả năng hịu kéo thấp vì vậy khi vết nứt của bê tông xảy ra thì có rất nhiều khả năng ó thể xuất hiện v i các hình thức khác nhau, vết nứt sẽ xuất hiện khi có ứng suất kéo trong bê tông và có thể phát triển rộng ra hoặc phát sinh thêm khi chịu tá động của tải lặp hoặc xâm thực từ môi tr ng bên ngoài: nhiệt độ, độ ẩm, ăn mòn Sunf t Ngo i r b tông òn l vật liệu không luôn

đ n hồi trong su t quá trình chịu tải, s u gi i đoạn đ n hồi là sự xuất hiện vùng phá hoại dòn, vùng dẻo cục bộ v á đ ng nứt làm mất tính liên tục của vật liệu

Nứt b tông l hiện t ợng th ng gặp trong ông trình xây ựng trong uộ

s ng Cá vết nứt trong b tông ó thể phát triển từ nhiều nguy n nhân, phụ thuộ

v o nhiều yếu t trong đó ó yếu t hủ qu n l đặ tính ơ h ủ be tông Cá vết nứt th ng gặp khi ứng suất u n l n hơn khả năng bền u n ủ b tông Khi đó, tùy

v o đặ điểm ơ h ủ bê tông khi thiết kế b n đầu m vết nứt sẽ phát triển Cá vết nứt n y tạo điều kiện ễ ng ho sự xâm nhập ủ á tá nhân xâm thự v o

bê tông và tiếp ận t thép h y á th nh phần ủ ấu trú xây ựng v n đến huỷ hoại ấu trú ông trình

Cơ h c rạn nứt trong bê tông là một phần củ ơ h c rắn biến dạng, nó liên

qu n đến ứng xử của vật liệu ở vùng lân cận v ng y đầu vết nứt Cơ h c rạn nứt trong b tông đ v đ ng phát triển nhanh chóng và là vấn đề thiết yếu không thể bỏ qua khi thiết kế các công trình xây dựng Vấn đề n y đ ng l xu h ng tính toán

m i trên thế gi i trong việ phân tí h ơ hế xuất hiện và lan truyền đ ng nứt trong bê tông Những vật liệu nh xi măng, đá, sợi thép omposites th ng đ ợc

bê tông là vật liệu đ ợc sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, nó chịu tác động của tải tr ng lặp đi lặp lại trong su t quá trình kết cấu đ ợ đ v o sử dụng

Bê tông ng độ cao có tính chất nâng cao về ơ h tuy nhi n tính giòn ũng o, đặc tính này làm cho bê tông dễ xuất hiện vết nứt Do đó, sự phát triển bê tông

ng độ cao cần có nghiên cứu khảo sát về tính chất củ ơ h c nứt kèm theo

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu thực nghiệm hệ s tập trung ứng suất khi dầm bê tông

ng độ cao cấp độ bền B45 (t ơng ứng Mac 600Mpa) bị nứt và ảnh h ởng của phụ gi đến ơ hế rạn nứt củ b tông ng độ cao, từ đó đánh giá v i trò trong việc sử dụng phụ gia sao cho cực tiểu hóa khả năng vết nứt phát triển khi công trình

đi v o hịu tải

Nghiên cứu các tính chất ơ h c rạn nứt nh ng độ chịu nén, mo un đ n hồi, hệ s nở hông, năng l ợng nứt, độ bền nứt của bê tông có cấp độ bền B45 Nghiên cứu ảnh h ởng của phụ gia hóa h c siêu dẻo tăng ng độ và phụ gia khoáng đến tính chất ơ h c rạn nứt của bê tông ng độ cao

Đánh giá m i quan hệ giữa các tính chất ơ h c và hệ s tập trung ứng suất, năng l ợng nứt v độ bền nứt trong bê tông có sử dụng phụ gia

Đánh giá ảnh h ởng của các yếu t phụ gia hóa h c và phụ gi khoáng đến hệ

s tập trung ứng suất trong bê tông ng độ cao

1.3 Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu:

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài này tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ơ hế rạn nứt củ b tông ng

độ cao ứng v i hệ s tập trung ứng suất khi dầm có vết nứt hở, dự đoán sự phát triển của vết nứt của dầm chịu tải tr ng tập trung giữa nhịp (v i vết nứt vuông góc v i mặt phẳng ứng suất chính đ đ ợc ấn định từ tr c) ứng v i bê tông B45 Nghiên cứu sử dụng phụ gia hóa dẻo và phụ gi khoáng để khảo sát ảnh h ởng đến bê tông

ng độ cao

1.3.2 ối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu thực nghiệm trên m u dầm chữ nhật ó kí h th c 10 x 10 x 40

cm M u dầm b tông ng độ cao B45 đ ợ đú sẵn v i vết nứt ó kí h th c

20 x 0.1 mm ngay tại giữa dầm

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu sử dụng ph ơng pháp thực nghiệm để xá định các tham s nứt của m u dầm S u đó kiểm chứng tính đúng đắn của kết quả thực nghiệm bằng các công thức tính toán của mô hình nứt phi tuyến

1.5 Nghiên cứu trong và ngoài nước:

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Vấn đề nứt đ đ ợc các nhà nghiên cứu n c ngoài khai thác từ rất lâu , tuy nhi n đây v n còn là nguồn đề tài thu hút v i những h ng nghiên cứu m i, những phát minh m i li n qu n đến nứt trong bê tông

Trong tính toán kết cấu bê tông, bê tông c t thép, mục tiêu thiết kế an toàn và hiệu quả hơn đ i v i tất cả các dạng phá hoại đ đạt đ ợc nhận kết quả nhất định và

đ ợc ghi nhận bằng nhiều nghiên cứu gần đây về sự phá hủy của các kết cấu bê tông nổi tiếng trên thế gi i Theo Bazant (2003) có thể kể đến sự phân tích phá hoại của các công trình sau (Trần & Nguyễn, 2011):

Sụp đổ của cầu Hanshin (Kobe, Nhật) năm 1995 o động đất gây ra các phá hủy dòn và lan truyền nứt ở các vùng chịu nén l n do sự u n l n của các trụ toàn

kh i Mặ ù nguy n nhân b n đầu là do không b trí đủ c t thép nh ng o nguy n nhân hính l o không tính đến hiệu ứng kí h th khi đánh giá về ng độ chịu nén của bê tông trong phòng thí nghiệm và khi tính toán v i kết cấu thực (nhỏ hơn 38% so v i thí nghiệm)

Những tr ng hợp t ơng tự ũng ó thể kể đến sự sụp đổ của một s cầu ở Los Angeless năm 1994, ầu Cypress Okland ở California (Mỹ) năm 1989 o động đất gây ra Sự phá hủy củ đập Malpasset ở Pháp (1959) và một s đập ở Los

Vật liệu bê tông là vật liệu đóng v i trò qu n tr ng không thể thiếu và có ảnh

h ởng rất l n đến khả năng hịu lực Ứng xử của bê tông là yếu t hính khi xét đến

ơ h c phá hủy của kết cấu bê tông, bê tông c t thép Các nghiên cứu về bê tông

ng độ o đ ho thấy việc sử dụng b tông ng độ cao có thể tạo ra các sản phẩm có tính kinh tế và có khả năng giải quyết đ ợc nhiêu vấn đề kỹ thuật hơn Việc sử dụng betong ng độ cao có thể tiết kiệm đ ợc 30% kh i l ợng bê tông, giảm 30% tr ng l ợng kết cấu, giảm 10 – 15% tổng giá trị công trình

Các tác giả Thom s G Chon ros, Dimos, Ji ngfeng Y o đ nghi n ứu về vết nứt liên tục trong dầm o động (Chondros, Dimos, & Jiangfeng Yao , 1998) Trong nghiên cứu này các tác giả đ sử dụng lý thuyết ơ h c rạn nứt để phân tích vết nứt trong dầm Bernoulli chịu o động Trong khi đó, á tá giả Kim Meow Liew, Qu n W ng đ ứng dụng lý thuyết W velet để nhận ra vết nứt trong vật liệu betong (Kim & Wang, 1998)

Ứng xử động và sự xuất hiện vết nứt của dầm đ đ ợ đề cập đến bởi Steve Jiang và các tác giả khác trong (Qian, Gu, & Jiang, 1990) Bằng cách sử dụng

Ph ơng Pháp Phần Tử Hữu Hạn để khảo sát vết nứt trên dầm đ ó từ tr c, từ đó

đ r ph ơng pháp đơn giản v hính xá để xá định vị trí vết nứt dựa trên m i

t ơng qu n giữa vết nứt Các nhà nghiên cứ tr ng đại h c Aalborg ở Đ n Mạch đ tổng qu n v đ r lý thuyết động lực h c và nứt của bê tông Trong khí đó, á kỹ

s tại Đại h c kỹ thuật N nY ng (2000) đ ho r đ i bài viết vế khảo sát thực nghiệm hệ s tập trung ứng suất của bê tông

Tính chất nứt và giòn củ b tông ng độ o đ đ ợc các tác giả Ravindra Gettu, Zdenek P Bazant và Martha E Karr trình bày trong nghiên cứu của mình (Ravindra , Zdenek , & Martha) Trong đó, á tá giả n y xá định những đặc trung ơ h c rạn nứt củ b tông ng độ cao bằng ph ơng pháp thực nghiệm Từ

đó so sánh tính hất rạn nứt củ b tông ng độ cao so v i b tông th ng và

đ ng cong R dự đoán huyển vị do tải tá động đ ợc rút ra từ kết quả thí nghiệm những m u thử khác nhau

Tác giả Wittmann đ ứng dụng Ph ơng Pháp S để dự đoán nứt, hình thức nứt v đ r những điều chỉnh có thể cho nứt trong b tông ng độ cao (F) M i quan hệ giữ ng độ chịu nén v mo un đ n hồi cùa bê tông ng độ o đ ợc

đề cập trong các nghiên cứu bởi các tác giả T Noguchi – ĐH Tokyo, Nhật Bản và K.M Nemati – ĐH W shington, Ho Kỳ

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Hiện nay, vấn đề nứt trong b tông đ ng l xu h ng đ ợc các nhà nghiên cứu

ở Việt Nam rất quan tâm V i nhiều h ng tiếp cận khác nhau, nứt đ trở thành nguồn đề t i đ ạng và phong phú

Dựa trên lý thuyết ơ h c rạn nứt của bê tong, tác giả Trần Thế Truyền và GS.TS Nguyễn Viết Trung đ tổng hợp và phân tích mô hình ứng xử của vật liệu

bê tong (Trần & Nguyễn, Các mô hình ứng xử củ b tông, đánh giá mô hình t i u dùng trong mô phỏng các kết cấu bê tông) Các nhà nghiên cứu: Nguyễn Quang Phú, Ji ng Linhu , Liu Ji ping, Đỗ Viết Thắng đ viết b i báo đánh giá o ngót b n đầu của bê tông chất l ợng cao cho hai tỉ lệ n c/chất kết dính (W/B = 0.22 và 0.40) bằng cách sử dụng thí nghiệm vòng bị kiềm chế (Nguyễn, Linhua, Jiaping, & Đỗ)

Đánh giá vết nứt thông qua hệ s ng độ ứng suất (SIF) đ ợ xá định bằng

kỹ thuật t ơng qu n huyển vị (DCT) v tr ng ứng suất đ ợc tính toán thông qua phép ngoại suy từ kết quả phân tích FEM trong bài báo (Nguyễn & Lâm, 2009) Trong luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành vật liệu và công nghệ vật liệu, Vũ Hải N m đ nghiên cứu ảnh h ởng của tro tuyển Phả Lại h m l ợng cao trong bê tông kh i l n thông th ng ùng ho đập tr ng lực (Vũ, 2012)

PGS TS Nguyễn Nh O nh đ nghi n ứu về nguyên nhân gây nứt và một s biện pháp nhằn nâng cao khả năng h ng nứt củ b tông đầm lăn (Nguyễn O N., 2013) Dùng kết quả phân tích củ b i toán tr ng phân b nhiệt và ứng suất theo

th i gian, do quá trình hydrat hóa củ xi măng trong ấu trúc của bê tông bằng

ph ơng pháp phần tử hữu hạn để kiểm soát nguyên nhân gây nứt do nhiệt hydrat

đ i v i công trình trong bài viết (Bùi, Nguyễn, & Chu) do tác giả Bùi Đức Vinh, Nguyễn Văn Chánh, Chu Qu c Thắng

Tác giả Phạm To n Đức trình bày nghiên cứu về vấn đề nứt trong bê tông ở trạng thái dẻo (Phạm Đ T., 2009) Tác giả Tr ơng Tí h Thiện, Trần Kim Bằng -

Tr ng Đại H c Bách Khoa - ĐHQG HCM đ ó b i báo đề cập t i việc dự đoán

h ng lan truyền của vết nứt trong vật liệu Việc áp dụng phần tử hữu hạn vào bài toán ơ h c nứt để tính toán, mô phỏng ứng xử tải đỉnh vết nứt trong không gian hai chiều và sử dụng Ansys, Fr nC2D để tính toán hệ s ng độ ứng suất, mô phỏng

tr ng ứng suất, chuyển vị gần đỉnh vết nứt, hiện t ợng vết nứt lan truyền (Tr ơng

"Nghiên cứu ứng dụng công nghệ chế tạo b tông ng độ o (đến 100MPa) cho các kết cấu xây dựng" o Đặng Hoàng Huy - Hội công nghiệp bê tông Việt Nam làm chủ nhiệm đề tài (2010): " Nghiên cứu sản xuất oxit silic tinh khiết vô định hình cao từ nguồn trấu và tro trấu để làm phụ gi ho b tông ng độ cao và siêu

o đạt ng độ 110Mpa" của Trần Bình (2008)

Bên cạnh đó, b tông ng độ o ũng đ ợc nghiên cứu ứng dụng cho các kết cấu hạ tầng kỹ thuật đô thị nói chung, hệ th ng thoát n nói ri ng trong đề tài Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông c t thép thành mỏng cho hệ th ng cấp thoát

n c o Ho ng Đức Thảo (Công ty thoát n c và phát triển đô thị tỉnh Bà Rịa- Vũng T u) hủ trì đ đ ợc trao giải th ởng Sáng tạo khoa h c công nghệ Việt Nam (nh ng giữ bản quyền, không phổ biến rộng r i) Ngo i r , b tông ng độ cao có thể thay thế các cấu kiện bê tông c t thép lắp ghép nh ng bê tong dự ứng lực dùng trong hệ th ng m ơng c, h ga bê tong c t thép, các cấu kiện b tông ng độ

cao (không c t thép) cho hệ th ng thoát n c d c trên vỉa hè, cấu kiện chịu lực trong phạm vi có xe chạy nh ng qu đ ng, h g i đ ng

Tác giả Nguyễn Quang Phú và Nguyễn Thái Huy đ ó b i báo nghi n ứu về ảnh h ởng của phụ gia hóa h c giảm o ngót đến các tính chất ơ lý ủa betong

ng độ o Cá đặ tr ng nứt của bê tông ng độ o đ đ ợc thực nghiệm và tính toán bởi Nguyễn Th nh Vũ, PGS.TS Bùi Công Th nh, TS Hồ Hữu Chỉnh –

ĐH Bá h Kho v TS Trần Thế Truyền – ĐH GTVT trong (Nguyễn, Bùi, & Hồ, 2014)

Khi nh o trộn xi măng v i n ở gi i đoạn đầu xảy r phản ứng thủy hó giữ á khoáng trong xi măng v i n Trong đó phản ứng v i n xảy r nh sau:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H 2O + 3Ca(OH)2 (1) 2(2CaO.SiO2) + 4H2O →3C O.2SiO2.3H2O + C (OH)2 (2) 3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3C O Al2O3.6H2O (3) 4CaO.Al2O3.Fe2O3+mH2O→3C O.Al2O3.Fe2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.nH2O (4)

- Khi xi măng rắn hắ , á quá trình vật lý v hó lý phứ tạp đi kèm theo á phản ứng hó h ó một ý nghĩ rất l n v tạo r sự biến đổi tổng hợp, khiến ho

xi măng khi nh o trộn v i n , lú đầu hỉ l hồ ẻo v s u đó biến th nh đá ó

ng độ Tất ả á quá trình tá ụng t ơng hỗ ủ từng khoáng v i n để tạo

r á sản phẩm m i xảy r đồng th i, xen kẽ v ảnh h ởng l n nh u.Cá sản phẩm

m i ũng ó thể tá ụng t ơng hỗ v i nh u v v i á khoáng khá ủ l nke để hình th nh á li n kết m i Do đó hồ xi măng l một hệ phứ tạp ả về ấu trú

th nh phần ũng nh sự biến đổi Để giải thí h quá trình rắn hắ ủ xi măng

ng i t ùng thuyết B ikor – Rebin er Theo thuyết n y, quá trình rắn hắ ủ xi măng đ ợ hi l m 3 gi i đoạn:

- Gi i đoạn hò t n: Khi nh o trộn xi măng v i n á th nh phần khoáng

ủ l nke sẽ tá ụng v i n ng y tr n bề mặt hạt xi măng Những sản phẩm tạo

đ ợ [Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ t n r Nh ng vì độ t n ủ nó không l n v

l ợng n ó hạn n n ung ị h nh nh hóng trở n n quá b o hò

- Gi i đoạn hó keo: Trong ung ị h quá b o hò , á sản phẩm C (OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O) m i tạo th nh sẽ không t n nữ m tồn tại ở trạng thái keo Còn các sản phẩm etringit, C-S-H v n không tan nên tồn tại ở thể keo phân tán N

v n tiếp tụ mất đi (b y hơi, phản ứng v i xi măng), á sản phẩm m i tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn/lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể

- Gi i đoạn kết tinh: N c ở thể ng ng keo v n tiếp tục mất đi, á sản phẩm

m i ngày càng nhiều Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho hỗn hợp betong hình th nh ng độ và phát triển dần về sau

2.2 ơ học vật lý:

Theo Trần & Nguyễn, (2011): Hỗn hợp bê tông sau khi chế tạo đ ợc thi công bằng các tạo áp lực tạo hình, khi đó á ấu tử của hỗn hợp b tông đ ợc sắp xếp lại chặt chẽ hơn, ùng v i sự thuỷ hoá củ xi măng ấu trúc củ b tông đ ợc hình

th nh Gi i đoạn này g i là hình thành cấu trúc Các sản phẩm m i đ ợc hình thành

o xi măng thuỷ hoá dần dần tăng l n, đến một lú n o đó, húng tá h r khỏi dung dịch quá bão hoà S l ợng sản phẩm m i tá h r tăng l n đến 1 mứ n o đó thì ấu trúc keo tụ chuyển hoá cấu trúc tinh thể, l m ho ng độ của bê tông tăng l n Sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ sinh ra 2 hiện t ợng ng ợ nh u: tăng ng độ và hình thành nội ứng suất trong mạng l i tinh thể Đó l nguy n nhân sinh r vết nứt

và giảm ng độ của bê tông

Trong th i gi n đầu là khoảng th i gian hình thành cấu trú , ũng nh ng

độ b n đầu của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hoá h c Hỗn hợp bê tông cứng và kém dẻo v i tỷ lệ n c – xi măng không

l n ó gi i đoạn hình thành cấu trúc ngắn.Việ ùng xi măng v phụ gia rắn nhanh

Sự lan truyền của vết nứt đ ợc sinh ra bởi á tá động của ngoại lực Những

tá động gây ra sự lan truyền nứt nh :

- Mỏi do chịu tải tr ng lặp

- Sự ăn mòn o tải tr ng kéo dài liên tục

- Do hiện t ợng từ biến

- Do hiện t ợng ăn mòn hy ro

- Do hiện t ợng chảy của kim loại

Sự lan truyền của vết nứt gây ra sự rạn nứt Ng i ta chia rạn nứt làm 2 dạng chính: rạn nứt dòn và rạn nứt dẻo Ngo i r , đ i v i một s vật liệu (điển hình là một s hợp kim) còn tồn tại dạng rạn nứt trung gian hai dạng tr n Để phân biệt hai dạng rạn nứt chính tr n, ng i ta dựa vào 3 yếu t ơ bản sau:

- Dựa vào chỉ s biến dạng nứt

- Dựa vào giá trị năng l ợng rạn nứt

- Dựa vào bề mặt rạn nứt

Rạn nứt dẻo xảy ra khi vật liệu bị rạn nứt có biến dạng dẻo rất l n Năng

l ợng của rạn nứt dẻo rất l n, sự phá hủy có thể diễn ra trong một th i gian dài

Ng ợc lại, rạn nứt dòn t n rất ít năng l ợng T độ rạn nứt dòn rất cao, gần bằng

t độ âm thanh (khoảng 330mm/s) Vật liệu tr c khi rạn nứt dòn gần nh không

có biến dạng dẻo

Hình 2.3 Rạn nứt dòn (Trần & Nguyễn, 2011)

2.3.2 Phân tích giới hạn của đường nứt:

V i sự tá động của các tải tr ng, các vết nứt phát triển l n dần theo th i gian Vết nứt khi phát triển đến mứ độ nhất định sẽ làm giảm độ bền của vật liệu d n đến sự h hỏng rồi phá hủy kết cấu Việc phân tích gi hạn của vết nứt nhằm mục

đí h trả l i hai câu hỏi chính:

- Vết nứt ảnh h ởng nh thế n o đến độ bền của vật liệu?

- Vết nứt phát triển nh thế nào theo th i gian?

Giả thiết chiều dài một vết nứt là a Một kết cấu ở trạng thái b n đầu đ ợc coi

nh h ó vết nứt (a = 0) Kết cấu ở trạng thái b n đầu này có sức kháng t i hạn

là Pu, nghĩ l , nếu có một tải tr ng P > Pu tác dụng lên kết cấu, độ bền của kết cấu

sẽ ở ngoài gi i hạn cho phép Trong các tiêu chuẩn thiết kế, hệ s n to n đều đ ợc

sử dụng ở những hình thức khác nhau Vì nếu tải tr ng sử dụng l n nhất tá động lên kết cấu là Ps, hệ s an toàn sẽ đ ợ xá định bởi:

j = Giá trị hệ s n to n th ng đ ợc lấy trong khoảng 1.5 (đ i v i lĩnh vực hàng không) đến 3 (đ i v i lĩnh vực công trình xây dựng, giao thông) Trong thực tế, tải

tr ng tác dụng lên kết cấu rất ít khi đạt t i giá tri Ps, nghĩ l hệ s an toàn của kết cấu còn l n hơn j nhiều lần

Tuy vậy khả năng rạn nứt của kết cấu không phải hoàn toàn bằng không Nếu trong kết cấu đ ó sẵn vết nứt có chiều dài a>0, sức kháng gi i hạn sẽ nhỏ hơn Pu Sức kháng gi i hạn lúc này, kí hiệu là Pres, g i là tải tr ng gi i hạn Nh vậy hệ

s an toàn của kết cấu: j = sẽ nhỏ hơn so v i hệ s n to n b n đầu j = Mặt khác khi có một vết nứt xuất hiện, độ bền của kết cấu sẽ không còn ổn định so v i trạng thái b n đầu Kết cấu chịu tá động của tải tr ng bất kỳ (dù nhỏ hay bằng Pres) sẽ làm cho vết nứt lan truyền và phát triển Sự lan truyền này không phải do tải tr ng v ợt quá tải tr ng gi i hạn mà do nhiêu nguyên nhân khác (ví dụ mỏi, ăn mòn h y từ biến) và khi vết nứt tiếp tục lan truyền và phát triển thì giá trị

Pres giảm dần d n đến khả năng phá hủy của kết cấu ng y ng tăng l n Sẽ đến một

th i điểm n o đó giá trị gi i hạn Pres sẽ bằng giá trị sử dụng Ps và có khi bằng giá trị

tải tr ng sử dụng trung bình Pa Sự phân tích trên cho thấy cần phải ngăn hặn vết nứt ngay từ th i điểm b n đầu để giá trị Pres không nhỏ hơn giá trị Ps, phải kh ng chế, sửa chữa hoặc thay thế tr c khi vết nứt trở nên nguy hiểm cho kết cấu

Hình 2.4 Quan hệ tải tr ng và chiều i đ ng nứt Chiều dài cho phép hay còn g i là chiều dài nguy hiểm của vết nứt phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau Giá trị cho phép ap này của vết nứt t ơng ứng v i một giá trị tải trong Pp tác dụng vào kết cấu

Hình 2.5 Sự th y đổi của chiều dài vết nứt theo th i gian

Hình 2.5 mô tả đ ng cong lan truyền của chiều dài vết nứt theo th i gian Ta nhận thấy H là th i gian trong gi i hạn an toàn Trong khoảng th i gian H, khi vết nứt lan truyền từ chiều i b n đầu a0 đến chiều dài nguy hiểm ap, cần thiết phải có biện pháp thay thế, sửa chữ để ngăn hặn sự lan truyền nứt n y Thông th ng th i điểm can thiệp phải tr c khoảng th i gian H/2

Việc phân tích sự rạn nứt của vật liệu dựa trên việ xá định tr ng ứng suất tại chóp đ ng nứt Tuy vậy, việc tính toán giá trị gi i hạn rạn nứt n y l h đủ

Sự phân b ứng suất xung quanh vết nứt l điều cần tìm hiểu để nắm rõ hơn ơ hế lan tỏ đ ng nứt S u đây l á ví ụ làm sáng tỏ vấn đề này:

Cho hai tấm phẳng có cùng kí h th đặt sát nhau, cấu tạo bởi cùng một loại vật liệu:

Hai tấm phẳng chịu lực kéo P ở h i đầu D i tác dụng của lực kéo P, hai tấm phẳng bị kéo dãn một khoảng nh nh u ΔL Giả sử tấm phẳng trái bị cắt đôi tr c khi chịu tác dụng của lực kéo P, hai tấm phẳng sẽ bị kéo dãn một khoảng 2ΔL Trạng thái ứng suất tại tấm phẳng phía trái hoàn toàn bằng không

Tiếp theo ta thay hai tấm phẳng trên bởi một tâm phẳng duy nhất có chiều rộng bằng tổng hai tấm phẳng ũ ghép lại (Hình 2.6) Nếu có một lực kéo P về phía

h i đầu của tấm phẳng duy nhất này, nó ũng sẽ bị kéo ãn một khoảng ΔL Gi ng

nh tr ng hợp đầu tiên, ta sẽ cắt một nửa bên trái của tấm phẳng Lúc này trạng thái ứng suất của tấm phẳng sẽ không còn gi ng nh tr ng hợp tr c Tấm phẳng

sẽ bị kéo dãn một khoảng ΔL1, trong đó ΔL < ΔL1 < 2ΔL Sự phân b ứng suất tại các vị trí quanh mặt cắt trở nên phức tạp hơn rất nhiều: sẽ có sự tập trung ứng suất tại đ ng cắt

Hình 2.6 Sơ đồ chịu tải (Trần & Nguyễn, 2011) Việ xá định tr ng ứng suất trên bề mặt tấm phẳng l điều cần thiết để hiểu

rõ ơ hế ứng xử ũng nh ảnh h ởng của vết nứt khi chịu tác dụng của ngoại lực

Hình 2.7 Sự phân b ứng suất xung qu nh đ ng nứt (Trần & Nguyễn, 2011)

2.3.2 Phân loại đường nứt:

Vết nứt xuất hiện trong kết cấu bê tông là thể hiện một mặt phân cách trong một vật thể rắn làm cho trạng thái ứng suất biến dạng tại mặt phân á h đó bị gián đoạn Mặt phân á h đó đ ợc g i là mặt vết nứt v thông th ng ng i ta coi mặt vết nứt là phẳng Nếu mặt vết nứt đ ợc bắt đầu từ mặt biên của vật rắn, ng i ta g i

đó l vết nứt cạnh hay vết nứt hở (trái v i vết nứt kín) và khoảng cách xa nhất trong mặt vết nứt hở đến biên g i l độ sâu vết nứt

D i tá động của tải tr ng h y trong quá trình o động của vật thể, mặt vết nứt có thể th y đổi tăng hoặc giảm kí h th Khi kí h th c vết nứt ó xu h ng tăng l n đ ợc g i là vết nứt phát triển Tr ng hợp kí h th c vết nứt ó xu h ng

cả tăng v giảm th y phi n nh u đ ợc g i là vết nứt thở (breathing) Nếu kí h th c của mặt vết nứt không th y đổi trong quá trình biến dạng của vật rắn g i là vết nứt dừng

Hiện nay có rất nhiều luật ứng xử đ ợ đề nghị để mô phỏng ơ h c ứng xử của bê tông khi chịu tải Đầu tiên là các luật đ n hồi đơn giản, s u đó để mô phỏng

ở cấp cục bộ và phi tuyến về sự làm việc của các kết cấu bê tông là luật dẻo, luật dòn và lan truyền nứt Mỗi mô hình đều ó u nh ợ điểm và phạm vi áp dụng hợp

lí cho từng tr ng hợp cụ thể khi chịu tải của bê tông Các cách tiếp cận mô phỏng ứng xử ơ h b tông đ ợ sơ l ợ s u đây:

Mô phỏng ứng xử của bê tông trong gi i hạn đ n hồi dựa trên lý thuyết đ n hồi v i 2 tham s ơ bản l mô đun đ n hồi E và hệ s nở hông v Tính đơn giản

củ mô hình n y l không xét đến tính phi tuyến tr c phá hủy Tuy nhiên, kết quả tính toán không đáp ứng đ ợc yêu cầu cần thiết đ i v i các kết cấu trong thực tế khi làm việ i tải tr ng l n, điều n y ho n to n không đúng v i ứng xử thực của vật liệu Luật ứng xử này chỉ phù hợp trong mô phỏng ứng xử v i các thành phần thanh không gi n để tính giá trị nội lực ở các mặt cắt đặ tr ng i tác dụng của tải

tr ng, và v i các kết cấu dạng th nh nh ầm hay cột nói chung

Ứng xử của bê tông theo lý thuyết ơ h c rạn nứt củ b tông ũng ó h i

h ng tiếp cận nh s u: Tiếp cận theo ơ h c rạn nứt đ n hồi tuyến tính phù hợp

v i giả thiết b tông ho n to n òn, khi đó á đặ tr ng nứt v điều kiện lan truyền nứt hoàn toàn mô phỏng theo lý thuyết ơ bản củ môn ơ h c rạn nứt ó xét đến

đặ điểm hình h v đ ợc suy ra từ thực nghiệm Các tiếp cận phi tuyến về lan truyền nứt có xét đến sự phát triển của một vùng có ứng xử phi tuyến cục bộ đầu

đ ng nứt có thể là vùng dẻo (Dugdale Barenblatt, 1960 – 1962) hoặc vùng phá hủy dòn ( Hillerborg, 1984), Bazant, 1983) cho phép mô tả hính xá hơn về điều kiện

lan truyền nứt và sự tập trung biến dạng trong vùng phá hủy Do đó kết quả tính toán hính xá hơn so v i các mô hình tuyến tính

Hai mô hình phi tuyến điển hình nhất l mô hình đ ng nứt ảo FCM (Hillerborg) và mô hình dải nứt CBM v i giả thiết tr ng chuyển vị không liên tục hoặc liên tục yếu Nh ợ điểm của mô hình này là phải sửa dụng các phần tử phức tạp khi lập trình Do đó một s tác giả đ phát triển các mô hình xấp xỉ nh mô hình nứt hai tham s TPM (Hillerborg), mô hình hiệu ứng kí h th c SEM (Bazant), hay

mô hình nứt có hiệu ECM (K rih loo)…V i mụ đí h khắc phụ khó khăn khi lập trình s hoặc làm cho kết quả không phụ thuộ v o l i phần tử hữu hạn đ m ng lại sự đơn giản và hiệu quả khi áp dụng luật ứng xử này vào tính toán các kết cấu bê tông Ngoài ra còn một s cách tiếp cận khá đ i v i ứng xử củ b tông nh : Tuân theo luật đ n hồi – dẻo, luật đ n hồi – dòn, luật kết hợp

Mô hình tính toán đ ợc ứng dụng trong việ tính toán á đặ tr ng nứt của bê tông là sự kết hợp giữa các mô hình: Mô hình hiệu ứng kí h th c SEM ( Bazant),

mô hình đ ng nứt ảo FCM và mô hình nứt hai tham s TPM (Hillerborg) Sự kết hợp n y đ giúp đơn giản hóa công thức, kế thừ đ ợc các kết quả từ các nghiên cứu tr c và tiết kiệm th i gian tính toán

Trạng thái ứng suất biến dạng tại vết nứt th ng tập trung ở ranh gi i của vết nứt v i phần vật rắn h bị nứt v đ ợc mô tả bằng hệ s tập trung ứng suất tại đầu vết nứt Theo lý thuyết ơ h c phá hủy, một vết nứt hở có thể có ba dạng chính và

đ ợc g i là các kiểu (Mode) vết nứt :

Mode I: Mode mở rộng á đ ng nứt do các hiệu ứng pháp tuyến gây ra Mode II: Mode cắt phẳng do các hiệu ứng cắt gây ra

Mode III: Mode cắt ngoài mặt phẳng do các hiệu ứng xoắn gây ra

Trong thực tế mode hỗn hợp là mode kết hợp 3 mo e ơ bản nói trên là

th ng gặp hơn Ví ụ, trong ơ hế rạn nứt do ứng suất kéo chính trong các dầm chịu u n l o mo e I v mo e II gây r Để xá định trạng thái ứng suất trong những tr ng hợp phức tạp (kết hợp các dạng), tr c hết cần phải tính toán cho từng dạng ơ bản riêng biệt

Đ i v i các kiểu vết nứt ơ bản n y, ng i ta có thể tính đ ợc các hệ s tập trung ứng suất tại á đầu vết nứt t ơng ứng kí hiệu (KI, KII, KIII) Do đó, ó thể nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng tại vết nứt Đ i v i th nh đ n hồi, lú đầu vết nứt đ ợ xét nh sự th y đổi tiết diện ngang trong một đoạn có chiều dài rất nhỏ

b v i độ sâu a

Hình 2.9 Mô tả thí nghiệm dầm v i giá trị a, b tại vết nứt (Trần & Nguyễn, 2011) Khi đó, quá trình tính toán đ ợc tiến hành bằng ph ơng pháp phần tử hữu hạn Tuy nhi n, tr ng hợp này d n đến s l ợng phần tử chia quá l n hoặc kích

th c phần tử quá nhỏ, đều cho ta kết quả không hính xá S u đó v i mô hình vết nứt mở hình chữ V Độ sâu vết nứt v đầu vết nứt đ ợc mô tả bằng thí nghiệm và tính toán đ ợ xá định cụ thể hơn

- Quan hệ giữa K và tiêu chuẩn phá hoại:

Khi ứng suất tại chóp vết nứt v ợt quá gi i hạn chảy, lý thuyết ơ h c rạn nứ dẻo sẽ đ ợc sử dụng Tuy nhiên nếu sự phân b lại ứng suất có ảnh h ởng nhỏ đến

tr ng ứng suất đ n hồi ngay tại đầu chóp vết nứt thì sử dụng chỉ s ng độ ứng

suất K trong lý thuyết ơ h c rạn nứt đ n hồi là chấp nhận đ ợ để giải quyết vấn

đề

Việc sử dụng đại l ợng ứng suất t i hạn v tr ng biến dạng tại vùng lân cận đầu chóp vết nứt trở nên quan tr ng bởi đó hính l nguy n nhân n đến sự phá hủy dòn rất nguy hiểm trong thực tế Trạng thái nguy hiểm nhất xảy r khi đầu chóp vết nứt chỉ có biến dạng dẻo nhỏ h y năng l ợng giải phóng bởi biến dạng dẻo đ ợc giảm t i giá trị nhỏ nhất và chủ yếu tiêu hao do sự phát triển của vết nứt Trạng thái

gi i hạn này có thể xá định thông qua hệ s ng độ ứng suất t i hạn KC:

K = KCPhía vế trái thể hiện sự ảnh h ởng của tải tr ng nghĩ l phụ thuộc tải tr ng tác dụng v kí h th c hình h c vật thể Vế phải củ ph ơng trình thể hiện độ bền rạn nứt của vật liệu tạo nên vật thể Độ bền rạn nứt ở trạng thái biến dạng phẳng là một tính chất của vật liệu và phụ thuộc vào dạng phá hoại Đề tài nghiên cứu dạng phá hoại I, v i kí hiệu KC là KIC. Sự lan truyền nứ diễn ra khi K = KIC

Từ các kết quả thực nghiệm tr c cho thấy rằng độ bền rạn nứt còn phụ thuộc vào chiều dày của vật thể Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này, vật thể đ ợc lựa

ch n thí nghiệm là mẩu dầm v i kí h th không đổi và biến th y đổi là hàm

l ợng phụ gia Từ đó, á đặ tr ng nứt củ b tông ng độ o đ ợc tính toán và

so sánh v i các kết quả nghiên cứu tr c và rút ra kết luận

Hệ s tập trung ứng suất Kc v i m u dầm ó đ ng nứt mồi u n tr n 3 điểm

đ ợc tính toán theo công thức: (Karihaloo,1995)

v n không luôn luôn đ n hồi trong quá trình chịu tải Sau gi i hạn đ n hồi, sự xuất hiện các vùng phá hủy dòn, vùng dẻo cục bộ v á đ ng nứt làm mất tính liên tục

củ môi tr ng tính toán đặc biệt l không xét đến phần ứng xử s u đỉnh phá hoại

đ l m ho ph ơng pháp tính toán truyền th ng không đ lại đ ợc một kết quả tính toán hính xá ũng nh gây l ng phí vật liệu khi thiết kế các kết cấu công trình bằng bê tông Vì vậy, các tiếp cận m i về ứng xử phi tuyến của bê tông là cần thiết Tiếp cận theo lý thuyết ơ h c phá hủy đ ợc lựa ch n nh h ng tính toán m i hiện nay trên thế gi i v đ ợc sử dụng phổ biến để phân tí h ơ hế xuất hiện và lan truyền á đ ng nứt trong bê tông Mô hình vết nứt ảo của Hillerborg, từ đó đ r

á đặ tr ng ơ h c của bê tông ảnh h ởng đến sự hình thành và phát triển vết nứt

Mô hình vết nứt ảo FCM của Hillerborg giả thiết tồn tại một đ ng nứt ảo ở đầu vùng phát triển nứt mà ở đó tr ng ứng suất v n đ n hồi tuyến tính tr c vết nứt này Sự khép lại củ đ ng nứt ảo đ ợc kh ng chế bởi ứng suất khép nứt σ(w)

có giá trị bằng 0 ở đầu đ ng nứt thự v đạt giá trị l n nhất ở đầu đ ng nứt ảo Ứng suất này là một hàm củ độ mở rộng củ đ ng nứt w: σ = σ(w) ó giá trị giảm mạnh đến 1 giá trị ng ỡng nằm trong khoảng σ~(0,15 ft' - 0,33 ft'), s u ng ỡng này,

ứng suất giảm dần đến 0 Nh vậy không có sự kỳ dị củ tr ng ứng suất ở đầu

đ ng nứt Chiều dày của FPZ có thể bỏ qua Chiều i đặ tr ng ủa FPZ có thể tính toán đ ợc và nằm trong khoảng giữ đầu đ ng nứt thự v đầu đ ng nứt ảo

Hình 2.8 Mô hình vết nứt không liên tục (Trần & Nguyễn, 2011)

Khi tiếp cận bằng các khái niệm vùng phát triển nứt FPZ thì á đặc tính phi tuyến có bản chất nội tại của vật liệu, điều này khác v i tiếp cận phi tuyến củ ơ

h c rạn nứt nói chung Tính phi tuyến hình h không đ ợc xem xét trong các tính toán nứt Vùng FPZ đ ợ xem nh l một vùng phá hủy ng y phí tr đ ng nứt mồi (đ đ ợc tạo r tr c v i m u thí nghiệm)

M i quan hệ giữa thành phần cấu trúc vật liệu của bê tông ảnh h ởng đến

ng độ bê tông đ ợc tổng kết từ các nghiên cứu tr đây

Hình 2.11 Bề mặt tiếp xúc giữa các hạt c t liệu v xi măng Khi đó vùng bề mặt tiếp xúc giữa hồ xi măng và c t liệu sẽ ảnh h ởng đến khả năng l m việc chung giữa các thành phần trong cấp ph i bê tông Bề mặt tiếp xúc của hồ ximang và c t liệu trong bê tông thực nghiệm có mật độ lỗ rỗng cao sẽ làm giảm vai trò của vùng tiếp xúc và gián tiếp làm giảm ng độ của bê tông Bên

cạnh đó, bề mặt tiếp xúc còn ảnh h ởng đến khả năng hình th nh vết nứt của bê tông, ảnh h ởng đến tính chất ơ h c rạn nứt của bê tông

Hình 2.12 Mô phỏng vùng FPZ trong bê tông

Chiều i đặ tr ng củ vùng FPZ đ ợc tính toán nh một hàm củ mô đun

đ n hồi E, năng l ợng nứt GF v độ bền kéo :

Sự có mặt của FPZ cho thấy bê tông ứng xử nh vật liệu gần dòn

2.4.1 Phân bố ứng suất theo lý thuyết của Bazant:

Xét một tấm chữ nhất có bề rộng LP (Hình) chịu ứng suất kéo σN Đ ng nứt mồi b n đầu có chiều i b n đầu là a0 v đ ợc bao b c bởi một vùng phá hủy FPZ

có bề rộng h Sự phát triển của vùng phát triển nứt FPZ sẽ làm giảm thế năng biến dạng trên vùng gạch chéo (vùng bị mềm hóa)

Hình 2.9 Phân b tr ng ứng suất trong FPZ xung qu nh đ ng nứt (Bazant,1984) FPZ v độ d c k (Hình 2.13) độc lập v i kí h th c kết cấu Do đó ó thể giả thiết á đ ng nứt t i hạn tỷ lệ v i kí h th c kết cấu LP Sự phát triển FPZ cần một năng l ợng nứt Gf Giá trị n y ũng tỉ lệ v i kí h th c kết cấu LP Điều kiện bảo to n năng l ợng đ ợ đảm bảo khi năng l ợng tiêu tán kết cấu bằng v i năng

l ợng nứt cần thiết để lan truyền đ ng nứt:

- Đ i v i kết cấu ó kí h th c l n, chiều rộng FPZ có thể đ ợc bỏ qua so v i

kí h th c kết cấu Chúng ta giả thiết l năng l ợng tiêu tán duy nhất trong phần gạch chéo và tỷ lệ v i Năng l ợng tiêu tán vì thế tỷ lệ v i E Điều kiện bảo to n năng l ợng d n đến E LPGf hay LP Điều kiện này giả thích hiệu ứng kí h th trong ơ h c rạn nứt tuyến tính (LEFM)

- Đ i v i những kết cấu ó kí h th c nhỏ, vùng triết giảm ứng suất có thể bỏ qua so v i FPZ Năng l ợng đ ợc giả thiết tiêu tán duy nhất trê FPZ và tỷ lệ v i

E Điều kiện cân bằng năng l ợng đ ợc d n đến E LPGf Ứng suất

σN nh vậy độc lập v i kí h th c kết cấu LP Hiệu ứng kí h th c có thể đ ợc bỏ

qu trong tr ng hợp này

- V i các kết cấu ó kí h th c trung bình, dạng th ng gặp trong thực tế, ảnh

h ởng củ á kí h th đến á đặ tr ng ơ h c của bê tông không tuân theo luật hiệu ứng kí h th trong ơ h c rạn nứt tuyến tính, nh ng ũng không thể bỏ

qu đ ợc Vì thế, cần thiết phải thiết lập một luật hiệu ứng kí h th c nh mô hình

2.4.2 Mô hình hai tham số TPM:

Mô hình hai tham s TPM hay còn g i là mô hình hiệu chỉnh đ n hồi đ ợ đề nghị bởi Jenq v Sh h (1985) Mô hình n y đ r một s hiệu chỉnh của mô hình

đ n hồi tuyến tính để phản ánh tính phi tuyến của quá trình rạn nứt

Các tác giả đề xuất 2 tham s của mô hình là:

- Chỉ s ng độ ứng suất t i hạn KC

- Giá trị t i hạn wt (hay là CTOD)

Trong mô hình này, sự lan truyền á đ ng nứt trong kết cấu thực bắt đầu khi tải

tr ng P đạt giá trị l n nhất PU = Pmax Khi đó KI = và CTOD = CTODC Chiều

i đ ng nứt có hiệu là ae t ơng ứng v i tải tr ng P = Pmax CTODC đ ợc tính v i

a = a0, (a0: chiều i đ ng nứt b n đầu)

Hình 2.10: Chuyển vị độ mở đ ng nứt (Trần & Nguyễn, 2011)

- Chuyển vị mở vết nứt tại đầu chóp CTOD: là bề rộng của vết nứt tại vị trí bắt đầu của vùng dẻo Trong ơ h c rạn nứt đ n hồi tuyến tính, o xá định vùng lân cận vết nứt l đ n hồi tuyệt đ i, chuyển vị độ mở của vết nứt có giá trị bằng không CTOD đ ợ đề cập lần đầu tiên trong những nghiên cứu của Cotterell và Wells vào những năm 1960 Có nhiều ph ơng pháp v á h tiếp cận khá nh u để

xá định CTOD

Chuyển vị mở đầu đ ng nứt CTOD đạt giá trị t i hạn CTODC Chuyển vị mở đầu đ ng nứt:

wt = CTODC = (9) Trong đó: vt(α, α 0) : Giá trị của hàm dạng vx khi x = a0 Giá trị α =

Hình 3.1 Thành phần hạt của cát

3.1.3 á

Bê tông sử dụng đá ó hí ti u ơ lý trình b y trong bảng 3.3

Bảng 3.3.Thành phần tính chất củ đá Tính chất Tỷ tr ng riêng Tỷ tr ng tự nhiên D max