Nghiên cứu tính toán ảnh hưởng của từ biến co ngót trong kết cấu cầu khi sử dụng vật liệu bê tông chất lượng cao có mác tới 80 MPa TS.. nguyễn ngọc long Bộ môn Cầu hầm - ĐH GTVT Tóm tắ
Trang 1Nghiên cứu tính toán ảnh hưởng của từ biến co ngót trong kết cấu cầu khi sử dụng vật liệu bê tông
chất lượng cao có mác tới 80 MPa
TS nguyễn ngọc long
Bộ môn Cầu hầm - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu về bê tông chất lượng cao vμ các tính toán trị số biến dạng
cuối cùng của co ngót vμ từ biến trong kết cấu cầu khi sử dụng bê tông chất lượng cao
Summary: The article presents concrete of high performance and calculation of the final
straine factor of shinkage and creep in bridge structure when concrete of high performance is used as the material
I đặt vấn đề
Theo định nghĩa của ACI (Viện nghiên cứu bê tông Mỹ), bê tông cường độ cao là bê tông
có cường độ nén vượt quá 6000 psi (41,4 MPa) trên khuôn hình trụ 15 x 30 cm (cường độ nén mẫu lập phương sẽ là 41,4x1,2 = 50 MPa) Còn bê tông chất lượng cao ngoài cường độ nén cao còn có các tính chất khác tốt nữa như mô đun đàn hồi lớn, độ chống thấm, độ bền cao Nói chung bê tông cường độ cao thường có các khả năng tốt về các mặt khác và có thể trở thành bê tông chất lượng cao
Bê tông chất lượng cao (BHP) đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh trên thế giới trong những năm của thập kỷ 70 để xây dựng các công trình nhà cao ốc ở Mỹ cũng như Châu Âu nhằm làm giảm nhẹ kết cấu, tạo độ thanh mảnh về kiến trúc Trong ngành cầu nó cũng được áp dụng phổ biến từ cuối những năm 70 trở lại đây và ngày nay là một loại vật liệu không thể thiếu nhất là đối với các công trình cầu lớn ở châu Âu và thế giới
Tuy nhiên ở Việt Nam ta thì loại vật liệu này hầu như chưa được áp dụng mà mới chỉ ở trong giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm
Để đạt được cường độ cao, trong bê tông ngoài các thành phần chính thông thường (xi măng, cát, đá và nước) còn dùng phụ gia siêu dẻo hoặc dẻo cao và các phụ gia khoáng nghiền mịn hoặc siêu mịn Phụ gia siêu dẻo (hoặc dẻo cao) có tác dụng tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng nước hoặc giữ nguyên độ dẻo nhưng giảm nước nhiều và làm cho bê tông đặc chắc Phụ gia khoáng mịn hoặc rất mịn ngoài tác dụng với vôi (phản ứng puzolen) trong xi măng, còn nhét vào các khe kẽ trong bê tông và tăng độ đặc chắc Độ đặc chắc cao là nguyên nhân chính làm tăng cường độ, độ chống thấm của bê tông Phụ gia khoáng có thể là tro bay còn phụ gia rất mịn là muội Silic
Theo quy ước người ta phân biệt từ ngữ bê tông chất lượng cao có pha muội Silic là những
bê tông có tỷ lệ trọng lượng muội Silic/ximăng ít nhất bằng 5%
Trang 2II Các đặc tính của bê tông chất lượng cao
So với bê tông thường (có mác thiết kế < 40 MPa) bê tông chất lượng cao do có cường độ cao dẫn đến sự cải thiện của phần lớn các tính chất sử dụng đối với bê tông Sự cải thiện đã
được suy đoán dựa trên phép nội suy các quy luật diễn tả các tính chất ấy, khi chúng được chỉ
số hoá bởi cường độ bê tông các tính chất nổi bật của bê tông chất lượng cao bao gồm
- Sự làm việc khi bị phá hoại do nén của nó khác với sự làm việc của bê tông thông thường
- Cường độ kéo tăng lên không nhanh như quy luật tương tự được dự kiến liên quan đến cường độ kéo và cường độ nén của bê tông thông thường
- Độ co ngót của chúng ít phụ thuộc vào độ ẩm và kích thước của cấu kiện
- Từ biến của chúng có giá trị cuối cùng nhỏ hơn từ biến của bê tông thông thường, đặc biệt
là khi chúng chứa muội Silic
- Thành phần của bê tông chất lượng cao tuân thủ các quy tắc chính xác và việc kiểm tra chất lượng của chúng có yêu cầu cao
- Cuối cùng bê tông chất lượng cao khi gặp hoả hoạn có nguy cơ nổ bề mặt cao hơn kết cấu cổ điển Về mặt này cần có biện pháp phòng ngừa khi sử dụng vật liệu này
Các đặc tính cơ học của vật liệu bê tông chất lượng cao được xác định như sau:
1 Cường độ đặc tính chịu kéo
Đối với trường hợp cường độ chịu nén Rn ≥ 60 MPa, cường độ chịu kéo (Rk) được biểu thị bởi:
3 2 n
k 0,275(R )
R =
Đối với trường hợp 40 ≤ Rn < 60 MPa, có thể áp dụng công thức thường dùng là:
n
k 0,6 0,06R
Việc đạt được bê tông cường độ cao đòi hỏi dùng vật liệu thích hợp (cốt liệu có chất lượng,
xi măng mác 42,5 (trước đây là 55) hoặc cao hơn, thể hiện sự tương hợp tốt với các phụ gia) và thiết bị sản xuất chính xác, có khả năng vận hành tốt Ngoài ra với các cường độ cao (B70/B80) luôn đòi hỏi dùng các phụ gia đặc biệt như là muội Silíc
2 Môđun biến dạng khác nhau
a Môđun đμn hồi chịu nén
Môđun đàn hồi chịu nén của bêtông chất lượng cao được xác định như đối với bêtông thông thường có nghĩa là:
Enj = 11000.(Rnj)1/3
b Môđun đμn hồi chịu cắt
Môđun đàn hồi chịu cắt của bêtông chất lượng cao được lấy tuỳ theo thành phần vật liệu có hoặc không có muội silíc:
Trang 3- Trường hợp không có muội Silíc:
Ecj = 4400 (Rnj)1/3
- Trường hợp có muội Silíc:
Ecj = 6100 (Rnj)1/3
III Tính toán biến dạng do co ngót vμ từ biến của bêtông BHP
1 Tính toán biến dạng của co ngót
Bắt đầu từ lúc bêtông đông cứng xảy ra sự co ngót ngẫu nhiên của vật liệu không chịu tải
Nó gồm hai phần:
- Co ngót nội sinh hoặc bản thân được tạo ra bởi sự cứng hoá của bêtông
- Co ngót khi gắn liền với sự trao đổi độ ẩm giữa vật liệu và môi trường bên ngoài Co ngót khô có thể là ẩm (trường hợp nở khi bêtông trong môi trường nước) Độ co tổng cộng là tổng số của hai độ co đó
Trong trường hợp các cấu kiện lớn, co ngót do nhiệt độ không thể bỏ qua có thể cộng vào
co ngót nội sinh và co ngót khô Nó xảy ra trong một thời gian và phụ thuộc vào chiều dày của cầu kiện
a Co ngót nội sinh
Động học của co ngót nội sinh phụ thuộc vào tốc độ của phản ứng thuỷ hoá Người ta định lượng nó bằng cách tính đến tốc độ hoá cứng của vật liệu, điều đó cho phép tính đến các đặc
điểm của loại bêtông
Như vậy, đối với kết cấu khối lớn mà sự cứng hoá nhanh hơn, một phần quan trọng hơn của
co ngót nội sinh xảy ra ở tuổi ít ngày Diễn biến của độ co ngót nội sinh sau 28 ngày được biểu thị bởi một hàm số của thời gian:
- Đối với t < 28 ngày
Nếu Rn(t)/R28 < 0,1, khi đó εre (t,R28) = 0
28
n 28
28
R
) t ( R 2 , 2 )(
20 R ( ) R ,
ε
Trong đó εre là độ co ngót nội sinh xảy ra giữa thời gian đông kết của bêtông vào thời điểm t (được biểu thị bằng ngày) và Rn (t) cường độ đặc tính ở cùng thời điểm đó
- Đối với t > 28 ngày:
6 28
28
96
t exp(
1 , 1 8 , 2 )(
20 R ( ) R ,
ε
b Co ngót khô (bị khô)
Bêtông chất lượng cao tự khô đi khi không có sự trao đổi với môi trường bên ngoài, độ ẩm bên trong giảm đi theo thời gian và ổn định trong một vài tuần ở mặt giá trị càng thấp thì cường
Trang 4độ 28 ngày càng cao Sự co ngót khô là một hiện tượng khuếch tán, sự tiêu biểu của quá trình biến đổi theo đại lượng (t - t0)/r2
m Trong đó t là tuổi của bêtông ở thời điểm xem xét, t0 là tuổi từ
đó bắt đầu khô đi và rm là bán kính trung bình của cấu kiện
Các công thức cho phép đánh giá độ co ngót khô như sau:
Bêtông không chứa muội Silíc:
6
0
2 m
h 28
28 h
m 28 0
) t t (
r 4 , 8 1
] 75 ) R 046 , 0 exp(
72 [ x ) R ( K ) , r , R , t t
ư +
ρ
ư +
ư
= ρ ε
Bêtông chứa muội Si líc:
6
0
2 m
h 28
28 h
m 28 0
) t t (
r 28 , 2 1
] 75 ) R 046 , 0 exp(
72 [ x ) R ( K ) , r , R , t t
ư +
ρ
ư +
ư
= ρ ε
K(R28) = 30 - 0,21R28 nếu R28 ≥ 57 MPa
ρh - độ ẩm của môi trường xung quanh
c Độ co ngót tổng cộng
Thông thường, người ta tính đến độ giảm co ngót do sự có mặt của cốt thép dính kết (cốt thép thụ động hoặc cốt thép ứng suất trước do kéo trước) Độ co ngót tổng cộng xảy ra từ lúc bêtông đông kết đến thời gian đã cho và trở thành:
s
rd re rd
n
1+ ρ
ε + ε
= ε
trong đó: n = 15 khi 40 ≤ R28 < 60 MPa; n = 9 khi 60 ≤ R28 < 80 MPa;
ρs - tỉ lệ phần trăm cốt thép dính bám
2 Tính toán biến dạng do từ biến
A Từ biến dưới ứng suất cố định
Nếu tác dụng lên bêtông chưa chịu tải ở tuổi t ngày một ứng suất σ và sau đó giữ không
đổi, có thể thấy rằng từ biến ở thời điểm đã cho tỉ lệ thuận với ứng suất σ, chừng nào ứng suất
đó vẫn thấp hơn khoảng 0,6R28 Ngoài ra từ biến có thể phân ra thành hai thành phần:
- Từ biến riêng xảy ra khi bê tông không trao đổi độ ẩm với môi trường xung quanh, hiện tượng này, về nguyên tắc độc lập với kích thước của cấu kiện
- Từ biến do khô là từ biến phụ thêm gắn với sự khô của bêtông trong khi chịu lực, nó phụ thuộc vào kích thước của kết cấu
a Từ biến riêng
Từ biến riêng xảy ra trong khoảng thời gian (t1, t) trong đó T1 là thời gian chịu tải, dưới tác
động của một ứng suất có thể được tính theo các biểu thức sau:
Trang 5Đối với bê tông không chứa muội Silíc:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
ư
ư σ
= σ ε
) R
) t ( R 1 , 3 exp(
4 , 0 t t
t t x
E x 4 , 1 ) , E , R , t (
28
1 1
1 28
28 28 1 fp
Đối với bêtông chứa muội Silíc:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ +
ư
ư σ
= σ ε
) R
) t ( R 1 , 3 exp(
4 , 0 t t
t t x
E
x ) t ( R
6 , 3 ) , E , R , t t (
28
1 1
1 28
37 , 0 1 28
28 1 fp
b Từ biến do khô
Từ biến do khô dựa vào độ co khô xảy ra khi chịu lực Đối với bêtông chất lượng cao có chứa muội Silíc có từ biến do khô rất nhỏ, coi như có thể bỏ qua
Các biểu thức sau:
+ Đối với bê tông không chứa muội Silíc:
28
3 1
rd rd
m h 28 1 0
fd(t t t ,R , ,r , ) 3,2 ,(t, ) (t , )x10 E
σ ε
ư ε
= σ ρ ε
Đối với bêtông chứa muội Silíc:
28
3 1
rd rd
m h 28 1 0 fd
E 10 x , ) t ( , ) t ( , ) , r , , R , t t t
ε
ư ε
= σ ρ ε
c Từ biến tổng cộng:
Như đối với co ngót, từ biến tổng cộng được xác định bằng cách cộng hai từ biến thành phần có xét đến sự cản trở của cốt thép
s
fd fp 0
fl
n 1
t
ρ +
ε + ε
= ε
Hệ số n lấy như đối với hệ số n trong co ngót tổng cộng
B Từ biến dưới tác dụng của sự gia tăng ứng suất liên tiếp
Trong trường hợp có sự liên tiếp gia tăng ứng suất (thường xảy ra đối với kết cấu nhịp thi công theo công nghệ đúc đẩy hay đúc hẫng, lắp hẫng), người ta có thể chấp nhận sự cộng tác dụng của mỗi biến đổi ứng suất Như vậy từ biến ở thời điểm t được tính theo công thức:
( ) ( 0 j 28 ( )j j m h s)
n
1 i fl
t = ε t t ,R ,Rt , σ,σ ,ρ ,ρ
=
Trong đó những biến đổi ứng suất σj được áp dụng cho thời gian tj.
IV kết luận
Việc mở rộng lĩnh vực áp dụng đối với quy định tính toán ảnh hưởng của co ngót, từ biến bêtông trong kết cấu cầu khi sử dụng vật liệu bêtông chất lượng cao là một vấn đề hết sức quan
Trang 6trọng, giúp người thiết kế giải quyết hàng loạt các bài toán phức tạp trong đó dầu tiên phải kể
đến vấn đề xuất sứ phân bố lại ứng suất và biến dạng theo thời gian do từ biến và co ngót nhất
là trong thiết kế và thi công cầu bêtông dự ứng lực khẩu độ lớn theo phương pháp đúc hẫng hoặc lắp hẫng cân bằng
Tài liệu tham khảo
[1] Quy trình thiết kế công trình và kết cấu bêtông ứng suất trước theo trạng thái giới hạn - Cộng hoà Pháp BPEL 83
[2] LE P-YR, de LARRARDF (1994), be'tons ā hautes performences, propositions de formules pour le calcul du retrait et du fluage
[3] MENEZES N.C, PASGUIGNON M 91993), be'tons ā hautes performences - effet d'echelle sur le retrait
et fluage de be'tons
[4] LCPC-SPECIAL XIX (1996) Extensim du domaine d'application des re'glements de calcul BAEL/BPEL aux be'tons ā 80 MPa
[5] Francois Toutlemonde (2002), comportement me'canique du BHP durci et BTHP
[6] La collection de L'IREX 2001, les be'tons hautes performences Ă