thí nghiệm vμ tính toán các đặc trưng nứt của các loại bê tông dùng Trong xây dựng các công trình giao thông ThS.. nguyễn viết trung Bộ môn Công trình giao thông thμnh phố Trường Đại h
Trang 1thí nghiệm vμ tính toán các đặc trưng nứt
của các loại bê tông dùng Trong xây dựng
các công trình giao thông
ThS TRần thế truyền
PGS TS nguyễn ngọc long
Bộ môn Cầu hầm
GS TS nguyễn viết trung
Bộ môn Công trình giao thông thμnh phố Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu về thí nghiệm vμ tính toán các đặc trưng nứt cơ bản của các
loại bê tông thông thường được dùng trong xây dựng các công trình giao thông Hệ số cường độ
ứng suất giới hạn K IC , độ bền nứt giới hạn G c , năng lượng nứt G f vμ các chiều dμi đặc trưng của
vùng phá huỷ bê tông (FPZ) l ch (hay c f ) của 6 loại bê tông có cường độ chịu nén từ 20 MPa đến
50 MPa được thống kê vμ tính toán từ thí nghiệm uốn trên 3 điểm các mẫu dầm có đường nứt
mồi Kết luận về phương pháp thí nghiệm phù hợp với điều kiện Việt nam vμ kiến nghị giải pháp
để kết quả thí nghiệm đầy đủ vμ chính xác hơn
Summary: This paper presents the testing and identification process of principal fracture
parameters of concretes used in traffic work Critical stress intensity factors K IC , critical fracture
toughness G c , fracture energy G f and characteristic lengths of fracture process zone (FPZ) l ch
(c f ) of 6 class of concrete with the compression resistance varying from 20 MPa to 50 MPa
being collected and treated from the experiment of three - points bending notched beams
Concludes about the fracture testing method according to vietnamese conditions and proposes
the solution to obtain in complete and accurate way of experimental results
CT 2
i Đặt vấn đề
Hiện nay, việc ứng dụng các phương pháp phân tích mới trong đánh giá phá hoại các bộ
phận kết cấu công trình giao thông là cấp thiết để nâng cao tính chính xác, độ tin cậy tính toán
và tuổi thọ của chúng Phương pháp sử dụng lí thuyết cơ học rạn nứt và phá huỷ bê tông để
phân tích phá hoại các bộ phận kết cấu các công trình như cầu, vỏ hầm hay tường chắn bê tông
do xuất hiện và lan truyền mất ổn định của các đường nứt là một hướng đi mới và đã khẳng định
nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp phân tích phá hoại truyền thống Khi áp dụng
phương pháp này đòi hỏi phải tiến hành rất nhiều thí nghiệm để xác định các đặc trưng cơ học
của bê tông làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế và chẩn đoán phá hoại, đặc biệt là các đặc
trưng nứt cơ bản của vật liệu bê tông như hệ số cường độ ứng suất giới hạn (KIC), độ bền nứt giới
hạn (Gc) hay năng lượng phá huỷ GF … ở các nước phát triển, cơ sở dữ liệu về các đặc trưng
nứt của các loại bê tông có cấp hạng khác nhau, thành phần cốt liệu khác nhau, ứng dụng khác
nhau đã được nhiều tác giả nghiên cứu và công bố, kết quả này là cơ sở cho các nghiên cứu
sâu hơn cũng như phục vụ thiết kế và chẩn đoán phá hoại của các công trình bằng bê tông ở
Việt nam, theo điều tra thì hầu như trong các quy trình về bê tông trong các lĩnh vực xây dựng,
giao thông, thuỷ lợi thì các kết quả tính toán về các đặc trưng nứt của các loại bê tông xây dựng
Trang 2là chưa có Vì thế, đối với riêng ngành giao thông việc xây dựng một bộ dữ liệu về các được trưng nứt của các loại bê tông thông thường là cần thiết, quy trình thí nghiệm chuẩn và mẫu thí nghiệm cũng cần thống nhất để có thể sử dụng các kết quả tính toán này trong các trường hợp khác nhau Kết quả thí nghiệm có được sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu về phá huỷ và lan truyền nứt của các bộ phận kết cấu công trình như cầu, vỏ hầm hay tường chắn, ngoài ra các kết quả này còn có thể áp dụng đối với các bộ phận kết cấu công trình khác trong lĩnh vực xây dựng dân dụng hay thuỷ lợi sử dụng các loại bê tông tương tự
ii Cơ sơ đề xuất phương pháp thí nghiệm
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN18-79
- TCVN 3121 – Tiêu chuẩn Việt nam, tập 10
- Các tiêu chuẩn về vật liệu và kết cấu bê tông và tiêu chuẩn chuyên ngành khác trong nước và nước ngoài
- Các quy định và gợi ý của RILEM (1) về tiến hành các thí nghiệm xác định các đặc trưng nứt của các loại bê tông (RILEM Recommendation 1985 và RILEM Draft Recommendation1991)
- Điều kiện cơ sở vật chất, nhân lực hiện có của các phòng thí nghiệm trong nước có thể sử dụng để tiến hành các thí nghiệm Đặc biệt là của phòng thí nghiệm LAS-XD125, Trường ĐHXD
- Các tài liệu về cơ học rạn nứt và cơ học phá huỷ bê tông, các bài báo, công trình đã công
bố trên thế giới về thực hiện các thí nghiệm xác định các đặc trưng nứt của các loại bê tông
- Gợi ý GS Z P BAZANT (Trường đại học Northwestern, Mỹ) dành cho các tác giả bài báo
về thực hiện các mẫu thí nghiệm xác định các đặc trưng nứt của bê tông theo mô hình SEM (size effect model)
CT 2
iii lựa chọn dạng mẫu thí nghiệm vμ quy trình thí nghiệm
Cho đến nay, để tiến hành thí nghiệm xác định các đặc trưng nứt của bê tông có nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp sử dụng mẫu thí nghiệm, quy trình thí nghiệm khác nhau và thường là phù hợp với một môt hình phân tích nứt tương ứng
Qua phân tích cách xác định các đặc trưng nứt của bê tông theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau chúng ta thấy tựu trung lại có các đặc trưng chủ yếu cần xác định đối với các loại bê tông sử dụng trong xây dựng cầu gồm:
- Cường độ ứng suất giới hạn KIC hoặc năng lượng phá huỷ Gc có thể được xác định từ các thí nghiệm giống như đối với các vật liệu dòn của cơ học rạn nứt thuần tuý hoặc theo phương pháp ECM (Effective crack model – Bushan Karihaloo)
- Năng lượng phá huỷ toàn phần GF được xác định từ công phá huỷ WF có được trực tiếp từ biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng (P - v)
- Năng lượng phá huỷ một phần Gf được xác định theo mô hình SEM (size effect model – Bazant Z) có được từ giá trị tải trọng lớn nhất gây lan truyền nứt trong dầm Pmax Từ đây có thể suy ra GF theo quan hệ giữa Gf và GF
Các mẫu thí nghiệm có thể là mẫu dầm có hoặc không đường nứt mồi uốn trên 3 hay 4 điểm, mẫu dầm hẫng kép, mẫu dầm xoắn kép, mẫu kéo compact, mẫu dạng tấm, mẫu dạng khối Trong
đó mẫu dầm uốn trên 3 điểm có hoặc không đường nứt mồi được đánh giá là đơn giản và hiệu quả nhất, đặc biệt phù hợp với các kết cấu chịu uốn như dầm hay bản (Bazant & al 2003) Theo
Trang 3RILEM Recommendation (1985) và RILEM draft Recommendation (1991), mẫu dầm uốn trên 3
điểm có đường nứt mồi được lựa chọn như là mẫu chuẩn để thí nghiệm các đặc trưng nứt
Vì thế chúng tôi cũng sử dụng mẫu dầm uốn trên 3 điểm có đường nứt mồi làm mẫu chuẩn
để thí nghiệm xác định các đặc trưng nứt của các loại bê tông trong xây dựng giao thông
Quy trình thí nghiệm các đặc trưng nứt trên được lấy theo đề nghị của các tác giả của các
mô hình nứt tương ứng có xem xét đến điều kiện cơ sở vật chất và nhân lực của các phòng thí
nghiệm hiện có trong nước cũng như là có tham chiếu các tiêu chuẩn về bê tông và các tiêu
chuẩn chuyên ngành về xây dựng các công trình giao thông và xây dựng của Bộ GTVT và Bộ
XD như ở trên
iv Thí nghiệm vμ phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm
4.1 Chuẩn bị thí nghiệm
• Yêu cầu chung về thí nghiệm
+ Bê tông thí nghiệm:
Sáu cấp bê tông được lựa chọn theo cường độ chịu nén của mẫu nén hình trụ 15 x 30cm từ
20MPa đến 50 MPa (20,25,30,35,40,50 MPa) Các thí nghiệm nén mẫu trụ được thực hiện với
bê tông cùng loại với bê tông đúc mẫu dầm trong các thí nghiệm lan truyền nứt (D1 đến D4)
Các đặc trưng chính của cốt liệu như tỷ lệ N/X, tỷ lệ thành phần cốt liệu, đường kính cốt liệu
lớn nhất (Dmax) không quá 20mm Cấp phối bê tông tương ứng với từng cấp bê tông được cung
cấp bởi phòng thí nghiệm LAS - XD125 - ĐHXD Hà nội
Sử dụng phụ gia siêu dẻo SIKA – R4 khi đổ bê tông từ cấp 40 trở lên, với tỷ lệ pha trộn là
0.8 đến 1.2l cho một 100kg xi măng
Bê tông được bảo dưỡng trong 28 ngày trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm tiêu chuẩn
+ Mẫu thí nghiệm: Kích thước và số lượng các bộ mẫu thí nghiệm được lấy như bảng 1 dựa
trên các cơ sở thí nghiệm ở trên
Bảng 1
CT 2
Kích thước
Dầm có tạo
nứt mồi
(4 bộ dầm)
B - chiều rộng dầm
W - chiều cao dầm
l - chiều dài nhịp dầm
L - chiều dài toàn dầm
ao - Chiều dài đường nứt mồi
• Yêu cầu tới nước trong 24 giờ đầu tiên để bảo dưỡng Đo lại kích thước mẫu trước khi
chuẩn bị thí nghiệm
Đúc 5 mẫu để thí nghiệm trước khi đúc hàng loạt
Tổng số mẫu dầm có vết nứt mồi là: 4 x 5 x 6 = 120 mẫu (4 bộ tương ứng với 4 kích thước
từ D1 đến D4 với 6 cấp bê tông khác nhau, mỗi bộ đúc 5 mẫu dầm)
Trang 4+ Thiết bị thí nghiệm Ván khuôn chuẩn bị đồng bộ cho các kích thước và hình dạng mẫu thí nghiệm khác nhau Máy nén có khống chế được gia tăng tải trọng trong quá trình chất tải
Thiết bị đo biến dạng, độ võng (tensometres, indicateur, dattrích …)
Thiết bị đo độ mở rộng đường nứt (CMOD)
Các loại máy khác…
Hình 1 Thiết bị thí nghiệm
+ Bố trí thí nghiệm:
Sử dụng một thanh treo để treo đồng hồ đo võng sao cho vị trí kim đồng hồ trùng với trục trung hoà của mẫu dầm để loại bỏ các hiệu ứng của gối lún
Sử dụng hai đồng hồ đo thiên phân kế được gắn như hình 2 để đo độ võng dầm và đo độ
mở rộng của đường nứt
CT 2
A
CMOD Ho
ao
A
W
B L
S ao
P
Hình 2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Sử dụng thêm một tensomét cơ hoc và đatrich đo biến dạng (dùng máy đo 602) để kiểm tra kết quả tính toán
• Quy trình thí nghiệm: Thí nghiệm được tiến hành trên máy trong điều kiện khống chế biến dạng để đảm bảo lan truyền nứt là ổn định, thời gian gia tải trong khoảng từ 1 đến 10 phút
• Kết quả cần đo: Các kết quả yêu cầu đo gồm:
+ Tải trọng giới hạn phá huỷ Pmax
+ Thời gian gia tải t (cho từng cấp tải)
+ Quan hệ ứng suất biến dạng tải trọng - độ võng (ở mặt cắt giữa nhịp) (P - δ)
+ Quan hệ tải trọng - độ mở rộng đường nứt (P - CMOD)
4.2 Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm về lan truyền nứt được thực hiện với các mẫu dầm từ D1 đến D4 trên máy uốn mẫu dầm của phòng thí nghiệm LAS - XD125, Trường ĐHXD với sự hợp tác của KS Lê Huy Như, trưởng phòng thí nghiệm và các cộng sự Thời gian thí nghiệm từ 4 đến 13/10/2006 Cấp gia tải được chọn phụ thuộc vào kích thước dầm sao cho thu được số liệu cần thiết
Trang 5Hình 3 Mẫu dầm thí nghiệm trước vμ sau khi phá huỷ
4.3 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm
4.3.1 Phân tích xử lí kết quả thí nghiệm
Kết quả chính của thí nghiệm thu được gồm tải trọng Pmax làm lan truyền các đường nứt mồi
(bảng 2) của các mẫu dầm Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng (P - v) và tải trọng - CMOD của
các cấp bê tông có cường độ chịu nén nhỏ hơn 25MPa (ví dụ đối với dầm D4, f’c = 20MPa như
hình 4), đối với các cấp bê tông có cường độ cao hơn các quan hệ này không thu được
Bảng 2
Tải trọng lan truyền nứt Pmax (N) cho từng kích thước dầm Các cấp bê tông
thí nghiệm
D1 D2 D3 D4
Ký hiệu
oi(20)
oi(25)
oi(30)
CT 2
oi(35)
oi(40)
oi(50)
Hình 4 Quan hệ P - v vμ P - CMOD của dầm D4 (f’ c = 20MPa)
Từ các kết quả thí nghiệm trên tính ra được giá trị các đặc trưng nứt của bê tông thí nghiệm gồm:
- Hệ số cường độ ứng suất giới hạn (KIC) và độ bền nứt giới hạn (Gc) Các kết quả này được
biểu diễn theo cường độ chịu nén f’c, chiều cao dầm W của bê tông như hình 5, 6 và 7
- Năng lượng nứt giới hạn Gf theo mô hình SEM của Bazant, và chiều dài đặc trưng (cf tính
theo Bazant và lch tính theo Hillerborg) của vùng phá huỷ (FPZ) như hình 8
Trang 6
Hình 5 Biến đổi hệ số cường độ ứng suất K IC vμ độ bền nứt G c theo f’ c
Hình 6 Biến đổi hệ số cường độ ứng suất K IC vμ độ bền nứt G c theo kích thước dầm W
CT 2
Hình 7 Biến đổi hệ số cường độ ứng suất K e
IC theo f’c vμ theo kích thước dầm W (Đặc trưng nút nμy tính theo mô hình ECM của Karihaloo)
Hình 8 Biến đổi các giá trị năng lượng nứt (G f ) vμ chiều dμi đặc trưng nứt (c f vμ l ch ) theo f’ c
Trang 74.3.2 Đánh giá về quá trình vμ kết quả thí nghiệm
- Thí nghiệm để xác định được quan hệ tải trọng - độ võng (P - v) đầy đủ (có cả phần ứng
xử mềm hoá của bê tông) để từ đó xác định năng lượng nứt toàn phần GF theo phương pháp
công phá hoại là tương đối khó vì để đo được quan hệ này thì điều kiện thí nghiệm đòi hỏi phải
rất hiện đại và đầy đủ máy móc thiết bị cần thiết Với cơ sở vật chất và năng lực của các phòng
thí nghiệm ở Việt nam hiện nay, việc tiến hành đo quan hệ tải trọng - độ võng (P - v) hoặc tải
trọng - độ mở rộng đường miệng đường nứt (CMOD) là rất khó khăn Thực tế đã chứng minh là
các tác giả đề tài này chỉ đo được quan hệ này với mẫu dầm bê tông cấp từ 25 MPa trở xuống
khi bê tông có đủ tính dẻo, còn từ cấp 30 MPa trở lên thì không thể đo được các quan hệ này
- Xác định năng lượng nứt trước đỉnh phá hoại Gf tương đối dễ dàng vì chỉ cần các giá trị
Pmax Từ đây có thể tính được GF Đây là phương pháp phù hợp với điều kiện Việt nam, từ đó
suy ra GF thông qua mối quan hệ giữa chúng và có thể ngoại suy được dạng đường cong ứng xử
mềm hoá (softening behavior) Hiện tại, có rất nhiều nghiên cứu của các tác giả nổi tiếng trên
thế giới về mối quan hệ giữa Gf và GF cho các loại bê tông, đặc biệt là các nghiên cứu của Z.P
Bazant đã chỉ ra rằng GF ≈ 2.5Gf Vì thế thay vì tiến hành đo đạc GF thì chỉ cần đo Gf
- Việc lựa chọn mẫu thí nghiệm và quy trình thí nghiệm trên cơ sở các gợi ý của RILEM có
tham khảo các quy trình về bê tông và quy trình thiết kế của Bộ GTVT và Bộ XD như trên là tối
ưu nhất trong điều kiện hiện có của các phòng thí nghiệm ở Việt nam hiện nay
- So sánh với các kết quả nghiên cứu tương tự ở nước ngoài (Bazant 1984 - 2002;
Karihaloo 1986 - 1995…) cho thấy: Phạm vi biến đổi của các đặc trưng nứt của bê tông theo
các cấp hạng bê tông hay theo kích thước các mẫu thí nghiệm là gần như nhau Biến thiên của
các giá trị thí nghiệm thu được có dạng như các nghiên cứu của tác giả trên
v kết luận vμ kiến nghị
Một bộ dữ liệu về các đặc trưng nứt cơ bản như hệ số cường độ ứng suất giới hạn KIC, độ
bền nứt giới hạn Gc và năng lượng nứt Gf của các loại bê tông thường dùng trong xây dựng các
công trình giao thông có cường độ chịu nén f’c thay đổi từ 20 MPa đến 50 MPa đã được tính
toán, đánh giá và có so sánh với các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác trên thế giới Kết
quả này hoàn toàn có thể là số liệu tham khảo cho những người quan tâm Đây cũng mới chỉ cơ
sở đầu tiên đặt nền móng cho của các nghiên cứu khác của các tác giả bài báo liên quan đến
việc sử dụng lí thuyết rạn nứt và phá huỷ bê tông trong tính toán thiết kế và chẩn đoán phá hoại
của các công trình như cầu, vỏ hầm hay tường chắn Một kiến nghị nhỏ của chúng tôi là cần
phải có chính sách đầu tư hơn nữa cho các phòng thí nghiệm trọng điểm nói chung và các
phòng thí nghiệm về bê tông nói riêng để có đầy đủ các máy móc thiết và nhân lực để đáp ứng
được các yêu cầu đo đạc phức tạp và theo kịp với các yêu cầu nghiên cứu hiện nay
CT 2
Tài liệu tham khảo
[1] Trần Thế Truyền Nghiên cứu xây dựng bộ cơ sở dữ liệu về các đặc trưng nứt của các loại bê tông
dùng trong xây dựng cầu Đề tài KHCB, ĐHGTVT, 2006
[2] Trần Thế Truyền Etude du model de rupture par propagation des fissures dans les poutres en beton
arme, Memoire de fin d’etude, Ulg, 2004-2005
[3] Trần Thế Truyền Góp phần tính toán các bộ phận kết cầu theo lí thuyết cơ học rạn nứt bê tông Đề tài
KHCT, ĐHGTVT, 2005
[4] Bhushan Karihaloo, fracture mechanics & structural concrete, Longman Scientific & Technical; New
York : Wiley, 1995
[5] Bazant Z & Drahomir N Propose for standard test of modulus of rupture, ACI material journal, 2001
[6] Bazant Z Concrete fracture model: testing & practice, Eng F.M, 69, 2002
[7] Bazant Z & Os Crack band theory for fracture of concrete, Material & Struct (RILEM) 16, 1983
[8] Bazant Z & Qiang Yu, Goangseupzi Choice of standard fracture test for concrete and its statistical
evaluation, Int J Fract, 2003Ă
