Giáo trình Bê Tông Cốt Thép 1 - Chương 2

Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng phức hợp do BT và cốt thép cùng cộng tác chịu lực. Bê tông là đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời và chất kết dính. Đặt cốt thép vào vùng n

Chương II: TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU

2.1 Bê tông

2.1.1 Thành phần , cấu trúc và các loại bê tông

Thành phần và cấu trúc của BT

Khái niệm về Bê tông: Bê tông là 1 loại đá nhân tạo được chế từ các loại vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính

- Vật liệu rời được gọi là cốt liệu gồm có:

+ Cốt liêu bé là cát có kích thước hạt từ 1-5 mm;

+ Cốt liệu lớn gồm đá dăm hoặc sỏi có kích thước hạt từ 5 - 40 mm

- Chất kết dính thường là xi măng trộn với nước hoăc các chất dẻo khác Ngoài ra trong BT có thể có chất phụ gia

(Giải thích thêm về chất phụ gia hoá dẻo (tro trấu, tro lò), đông cứng nhanh, tăng tính linh hoạt của xi măng (sika), nâng cao cường độ của BT trong thời gian đầu, tăng khả năng chống thấm…)

*Lưu ý: Nước để trộn BT gồm có 2 phần Một phần để hoá hợp với xi măng Lượng nước này chỉ chiếm 1/5 trọng lượng XM và là cần thiết Phần nước còn lại có tác dụng làm cho hỗn hợp BT có được độ dẻo cần thiết lúc trộn, đổ khuôn và đầm chắc BT Khi BT đã khô cứng lượng nước này trở thành thừa, một phần bốc hơi để lại các lỗ rỗng li ti trong BT làm giảm độ đặc chắc và cường độ của BT

Cấu trúc của BT:

- Bê tông có cấu trúc không đồng nhất

Giải thích: Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng kích thước của các cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại môt ít nước thừa và những lỗ rỗng li ti

- Bê tông là loại vật liệu vừa có tính có tính đàn hồi vừa có tính dẻo

Giải thích: Quá trình khô cứng của BT xảy ra lâu dài đó là quá trình thuỷ hoá xi măng, thay đổi sự cân bằng nước, sự giảm chất keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi mang Quá trình này làm cho BT trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi, vừa có tính dẻo

Phân loại BT:

Theo cấu trúc:

- BT đặc chắc;

- BT có lỗ rỗng (dùng ít cát);

- BT tổ ong

Theo khối lượng riêng:

- BT nặng thông thường:  = 2200  2500 KG/ m3

- BT nặng cốt liệu bé:  = 1800  2200 KG/ m3

- BT đặc biệt nặng:  > 2500 KG/ m

- BT nhẹ:  < 1800 KG/ m3

Theo thành phần:

- BT thường;

- BT cốt liệu bé;

- BT chèn đá hộc

Theo phạm vi sử dụng:

- BT làm kết cấu chịu lực;

- BT chịu nóng;

- BT cách nhiệt;

- BT chống xâm thực v.v

Trong chương trình ta xét BT nặng thông thường, đặc chắc, chất kết dính là XM và dùng cho kết cấu chịu lực

2.1.2 Cường độ của bê tông:

Cường độ là khả năng chịu lực trên một đơn vị diện tích

BT có các loại cường độ:

+ Cường độ chịu nén (Rb) ;

+ Cường độ chịu kéo (Rt ).v.v

trong đó Rb là chỉ tiêu cơ bản nhất (trong kết cấu BTCT : BTchủ yếu chịu nén) Các phương pháp xác định cường độ ( hiện nay):

+ Phương pháp phá hoại mẫu thử ( độ chính xác cao)

+ Phương pháp không phá hoại: Sóng siêu âm; súng bắn BT( ép lõm viên bi lên

bề mặt BT)

Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén:

Mẫu thí nghiệm

Mẫu đúc:

Mẫu lấy từ kết cấu đã có bằng khoan chuyên dùng( khi cần kiểm tra chất lượng công trình)

Phương pháp xác định

7

a a A

A

A

D

1 2

3 3

Tăng lực nén lên từ từ (2KG/cm2 s) đến khi mẫu bị phá hoại P - Lực tương ứng lúc mẫu bị phá hoại Cường độ chịu nén của mẫu thử là:

Rm

b =

A

P

MPa hoặc KG / cm2

1Mpa = 106Pa = 106

2

m

Niuton

mm

Niuton

= 9,81KG/cm2

Các loại BT thông thường có: Rm

b = 5  30 Mpa

BT cường độ cao: Rm

b > 40 MPa

BT đặc biệt: Rm

Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm:

Ảnh hưởng của mặt tiếp xúc:

- Không bôi trơn mặt tiếp xúc: - Bôi trơn mặt tiếp xúc:

+ Kích thước mẫu nhỏ Rm

b tăng + Rm

b không phụ kích thước mẫu + Rblt m  0,8Rm

bkv + Rm

blt = 0,8Rm

bkv

Rm

b không bôi trơn > Rm

b có bôi trơn

- Nhận xét:

+ Khi nén BT nở hông, lực ma sát giữa bàn nén với mẫu tại mặt tiếp xúc có tác dụng như một cái đai ngăn cản sự nở hông.Từ đó làm tăng cường độ của mẫu (R

m

b không bôi trơn > Rm

b có bôi trơn)  Tác dụng của cốt đai trong cột;

+ Càng xa mặt tiếp xúc ảnh hưởng của lực ma sát càng giảm (Kích thước mẫu nhỏ

Rm

b tăng và Rblt m  0,8Rm

bkv )  Căn cứ để quy định bước đai cột

Ảnh hưởng của tốc độ gia tải: Gia tải rất nhanh: cường độ = (1,15  1,2)R

Gia tải rất chậm: cường độ = (0,85  0,9)R

Điều kiện tiêu chuẩn của thí nghiệm:

+ Không bôi trơn mặt tiếp xúc;

+ Tốc độ gia tải: 2KG/cm2 s

Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo:

5

5

6

6

+ Mẫu kéo:

Rm

t = N

A

+ Mẫu chẻ khối lăng trụ:

Rm

t = 2P

Dl



+ Mẫu uốn

Rm

t = 3.5 2

M

b h

Theo kết quả thí nghiệm có

quan hệ giữa cường độ chịu kéo với cường độ chịu nén được thể hiện theo

đồ thị (như hình vẽ).Từ đó người ta có thể xác định Rbt theo R b bằng các bảng lập sẵn hoặc bằng một trong các công thức

Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông

- Ảnh hưởng của thành phần cấp phối, chất lượng vật liệu, chất lượng thi công.

 Lượng XM nhiều  R cao (hiệu quả không lớn, đồng thời làm tăng biến dạng

và co ngót);

 Cấp phối hợp lý; độ cứng và độ sạch của cốt liệu cao  R cao;



X

N

tăng  R giảm

 Chất lượng thi công tốt ( trộn, đổ, đầm, bảo dưỡng tốt)  R cao

- Ảnh hưởng của thời gian và môi trường.

Thời gian đầu cường độ tăng nhanh, sau chậm dần Sự phát triển cường độ theo thời gian phụ thuộc vào loại XM và nhiệt độ, độ ẩm của môi trường

a a

P

P

BT dùng XM Pooclăng, chế tạo và bảo dưỡng bình thường thì cường độ tăng

nhanh trong 28 ngày đầu BT dùng XM Puzolan thì thời gian tăng cường độ ban

đầu là 90 ngày Cường độ BT ở tuổi t ngày có thể được xác định theo một số công thức thực nghiệm tham khảo trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT

t0 < 0; Khô hanh: Cường độ tăng theo thời gian không đáng kể  b =0,9

t0 > 0; độ ẩm lớn: Cường độ tiếp tục tăng trong nhiều năm.

Dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng BT cũng như dùng phụ gia tăng cường độ thì

Rbtăng rất nhanh trong vài ngày đầu, nhưng sẽ làm cho BT giòn và cường độ cuối cùng thấp hơn so với BT được bảo dưỡng bình thường và không dùng phụ gia

Khi BT bảo dưỡng bằng hơi nước nóng hoặc dùng phụ gia tăng cường độ phải

kể đến hệ số kiện làm việc của bê tông <1

Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán của bê tông

Cường độ tiêu chuẩn:

Cường độ trung bình của mẫu thử R m: Từ một loại BT đúc n mẫu thử và thí nghiệm được: R1 , R2 Rn

R

n

R i

m

Cường độ tiêu chuẩn:

Gọi i R  i R m là độ lệch, với số lượng mẫu thử n > 15 ta có:

- Độ lệch quân phương:

1

2









n

i

- Hệ số biến động:

m R



+  nhỏ => Hệ số đồng nhất của BT cao;

+  lớn => Hệ số đồng nhất của BT thấp;

Với chất lượng thi công khá tốt  = 0,135

Với chất lượng thi công bình thường mà thiếu số liệu thống kê, lấy  = 0,15

Cường độ đặc trưng: Cường độ theo một xác suất đảm bảo quy định nào đó gọi là

giá trị đặc trưng của cường độ mẫu thử:

R ch = R m (1- S )

Với bê tông, cường độ đặc trưng được xác định theo xác suất đảm bảo quy định 95% Với xác suất này S = 1,64 Nếu lấy  = 0,135, ta có:

Rch = R m (1- S ) = R m (1 – 1,64 x 0,135) = 0,78 R m

- Cường độ tiêu chuẩn của BT (về nén: Rbn ; về kéo: R btn )

R bn = kc R ch

kc

 ( hệ số kết cấu) = 0,7  0,8 tuỳ thuộc Rch , nó kể đến sự làm việc của BT trong kết cấu khác với sự làm việc của mẫu thử khối vuông Với mẫu thử lăng trụ

(a  a  4a) : kc= 1 Tức là cường độ tiêu chuẩn về nén có thể lấy bằng cường

độ đặc trưng của mẫu thử hình lăng trụ đáy a, h = 4a, thường gọi là cường độ lăng trụ)

Rbnvà Rbtn cho trong các bảng tra

C

ường độ tính toán:

Cường độ tính toán gốc:

bc

bn b

R R



bt

btn bt

R R



 Cho trong PL3

Cường độ tính toán:

bc

bn bi b

R R







bt

btn bi bt

R R





trong đó:

bc ; bt - Hệ số độ tin cậy của BT tương ứng khi nén và khi kéo Khi tính theo

TTGH thứ nhấtbc = 1,3 1,5 và bt = 1,3  2,3 tuỳ loại BT;

bi – Hệ số điều kiện làm việc của BT ( i = 1,2,…10), kể đến kích thước tiết

diện,

tính chất của tải trọng, giai đoạn làm việc của kết cấu,…(cho trong tiêu chuẩn thiết kế)

Khi tính toán theo TTGH thứ hai , cường độ tính toán của BT ký hiệu là Rbser và được xác định với các hệ số  =1 (trừ trường hợp đặc biệt khi tính kết cấu chịu tải trọng trùng lặp)

2.1.3 Cấp độ bền và Mác bê tông

Mác theo cường độ chịu nén:

Theo tiêu chuẩn cũ 5574 – 1991 : Mác theo cường độ chịu nén( ký hiệu bằng chữ M) là trị số lấy bằng cường độ chịu nén trung bình tính theo đơn vị KG/cm2 của các mẫu thử khối vuông cạnh 15cm , có tuổi 28 ngày được dưỡng hộ và tiến hành thí nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn

Có các loại mác:

M600 ;

- Với BT nhẹ: M50 ; M75 ; M100 ; M 150 ; M200 ; M250 ; M300

Chú ý: Trong kết cấu BTCT phải dùng mác từ 150 trở lên.

Cấp độ bền chịu nén:

Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT - TCXDVN 356 – 2005 cũng như TCVN 6025 – 1995 (Bê tông – Phân mác theo cường độ chịu nén): Cấp độ bền chịu nén (ký hiệu bằng chữ B) là trị số lấy bằng cường độ đặc trưng tính theo đơn vị MPa của các mẫu thử khối vuông cạnh 15cm, có tuổi 28 ngày được dưỡng hộ và tiến hành thí nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn

Có các cấp độ bền: B3,5 ; B5 ; B7,5 ; B10 ; B12,5 ; B15 ; B20 ; B25 ; B30 ; B35 ; B40 ; B45 ; B50 ; B55 ; B60

Như vậy, mác chịu nén M với cấp độ bền chịu nén B có quan hệ theo biểu thức:

B =  M

trong đó:

 - Hệ số chuyển đổi đơn vị từ KG/cm2sang Mpa , có thể lấy  = 0,1 ;

 - Hệ số chuyển đổi cường độ trung bình sang cường độ đặc trưng, với  0,135

thì  = 1  S 0 , 78

Cấp độ bền chịu kéo:

Cấp độ bền chịu kéo (ký hiệu bằng chữ Bt) là trị số lấy bằng cường độ đặc trưng về kéo tính theo đơn vị MPa của các mẫu thử tiêu chuẩn

Cần quy định cấp độ bền chịu kéo cho các kết cấu chịu kéo là chủ yếu

Có các cấp độ bền chịu kéo:

Bt0,5 ; Bt0,8 ; Bt1,2 ; Bt1,6 ; Bt2,0 ;Bt2,4 ;Bt2,8 ;Bt3,2 ;Bt3,6 ;Bt4,0

Mác theo khả năng chống thấm:

Mác theo khả năng chống thấm (ký hiệu bằng chữ W) là trị số lấy bằng áp suất lớn nhất tính theo đơn vị (atm) mà mẫu thử chịu được để nước không thấm qua

Cần quy định mác chống thấm cho các kết cấu có yêu cầu chống thấm hoặc có yêu cầu về độ đặc chắc của BT

Có các mác theo khả năng chống thấm: W2 ; W4 ; W6 ; W8 ; W10 ; W12

Mác theo khối lượng riêng:

Đối với các kết cấu có yêu cầu cách nhiệt cần quy định mác theo khối lượng riêng trung bình D

2.1.4 Biến dạng của bê tông

Bê tông có các loại biến dạng:

Biến dạng do tải trọng tác dụng

ngắn hạn

- Biến dạng do tác dụng của tải trọng

(Biến dạng lực) Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn

- Biến dạng khối: Là biến dạng do co ngót và do sự thay đổi của nhiệt độ.

Biến dạng do co ngót:

Co ngót là hiện tượng BT giảm thể tích khi khô cứng trong không khí do nước thừa bay hơi và đá xi măng giảm thể tích sau quá trình thuỷ hoá ;

Co ngót xảy ra chủ yếu ở giai đoạn đông cứng đầu tiên và trong năm đầu Rồi giảm dần và dừng hẳn sau vài năm;

Từ bề mặt vào sâu khối BT, sự co ngót xảy ra không đều,ở ngoài co ngót nhiều hơn;

Cấu kiện có bề mặt lớn so với thể tích (sàn, tường,…) có độ co ngót lớn

* Những nhân tố chính ảnh hưởng đến co ngót:

- Số lượng và loại xi măng:

+ BT nhiều XM => co ngót lớn ;

+ BT dùng XM mác cao => co ngót lớn ;

+ BT dùng XM Alumilat => co ngót lớn

- Tỉ lệ

X

N

lớn => co ngót lớn

- Cát hạt nhỏ, sỏi xốp => co ngót lớn

- BT dùng chất phụ gia đông kết nhanh => co ngót lớn

- BT được chưng hấp ở áp lực cao => co ngót ít

- Trong môi trường khô co ngót nhiều hơn trong môi trường ẩm

* Hậu quả của co ngót:

- Làm thay đổi kích thước và hình dạng cấu kiện ;

- Do co ngót không đều hoặc khi co ngót bị cản trở BT sẽ bị nứt làm giảm cường độ

và tính chống thấm của BT

* Biện pháp hạn chế và khắc phục hậu quả của co ngót:

- Chọn cấp phối, thành phần cỡ hạt và tính năng cơ học của vật liệu thích hợp ;

- Sử dụng loại XM co ngót ít ; chọn tỉ lệ

X

N

thích hợp ;

- Bảo dưỡng đúng yêu cầu kỹ thuật đảm bảo cho BT thường xuyên ẩm ở giai đoạn đông cứng ban đầu ;

- Đầm đúng kỹ thuật đảm bảo cho BTđặc chắc và đồng đều ;

- Đặt thép cấu tạo ở những vị trí cần thiết ;

- Tạo mạch ngừng thi công( thí dụ đổ BT cột xong mới ghép cốp pha sàn) và tổ chức khe co giãn trong kết cấu( làm khe nhiệt độ khi kích thước mặt bằng công trình lớn ; làm khe phân cách trên mặt đường bộ, sân bay)

Biến dạng do sự thay đổi nhiệt độ:

Biến dạng nhiệt là sự thay đổi thể tích của BT khi nhiệt độ thay đổi Nó phụ thuộc vào hệ số dãn nở vì nhiệt của BT t Hệ số t phụ thuộc loại xi măng, cốt liệu ; trạng thái ẩm của bê tông và bằng khoảng t  ( 0 , 7  1 , 5 ) 10  5 /độ

Thông thường khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng 0đến 100oC , lấy t  1 , 5  10  5 /

độ để tính toán

Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn

Thí nghiệm:

Nén mẫu lăng trụ có diện tích tiết diện đáy A, chiều cao l Lập quan hệ ứng suất – biến dạng được:

+ Đồ thị là một đường cong (a)

+ Gia tải đến trị số P, biến dạng tương ứng   Tương ứng vị trí B(b; b) trên

đồ thị rồi giảm tải, quan hệ ƯS – BD là đường cong đứt nét OBC Khi giảm đến P

= 0, có: + Một phần biến dạng phục hồi được ( 1) gọi là biến dạng đàn hồi

+ Một phần biến dạng không phục hồi được2 gọi là biến dạng dẻo

Vậy bê tông là vật liệu đàn hồi - dẻo

Biến dạng đàn hồi tỷ đối:

l

el 1





 Tương ứng  1 ;  2, có b  el pl

Biến dạng dẻo tỷ đối :

l

pl 2





Đặt

b

el





Khi P nhỏ (b nhỏ) :   1 Biến dạng đàn hồi là chủ yếu, quan hệ ứng suất – biến dạng gần như đường thẳng

Khi P tăng ( btăng) :plvà  giảm Ở giai đoạn phá hoại, biến dạng dẻo là chủ



 lt b b

b R  

Với mẫu lăng trụ chịu nén đúng tâm , biến dạng cực hạn  2 10  3





b

Trong các cấu kiện BTCT chịu uốn, ở mép chịu nén 

b

 có thể lớn hơn 3 , 5 10  3



Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn – Tính từ biến của BT :



0

P



pl

1

2

Từ biến là tính biến dạng tăng theo thời gian trong khi ứng suất không thay đổi Thí nghiệm nén mẫu với lực P, biến dạng ban đầu  (tương ứng vị trí B(b; b)) rồi giữ nguyên tải trọng trong một thời gian dài có quan hệ ứng suất – biến dạng thể hiện trên H2.8a

Phần biến dạng tăng trong khi ứng suất không thay đổi gọi là biến dạng từ biến, ký hiệu là c

Đồ thị H 2.8b thể hiện sự tăng biến dạng từ biến theo thời gian



t



b)

0 0

Đặc điểm của từ biến:

- Trong vài ba tháng đầu biến dạng từ biến tăng nhanh, sau chậm dần và có thể kéo dài vài chục năm

- Khi b  70 %R, biến dạng từ biến có giới hạn ( Đồ thị H 2.8b có tiệm cận ngang)

- Khi b > 0,85R , biến dạng từ biến tăng không ngừng và dẫn đến phá hoại mẫu

thử Đó là sự giảm cường độ của BT khi tải trọng tác dụng lâu dài

Xác định từ biến:

Từ biến là hiện tượng phức tạp Có thể xác định từ biến theo một trong hai chỉ tiêu:

- Đặc trưng từ biến:

el

c





  , không thứ nguyên

- Suất từ biến:

b

c

C





 (MPa 1 hoặc 2

/

cm kG )

Cả hai chỉ tiêu đều tăng theo thời gian

2.2 Cốt thép

2.2.1 Các loại thép được dùng làm cốt trong BTCT

Phân theo thành phần hoá học:

- Thép các bon CT3 ; CT5 (tỷ lệ các bon là 3 và 5000) Tỷ lệ các bon tăng thì cưòng

độ của cốt thép tăng, nhưng độ dẻo của cốt thép giảm và khó hàn

- Thép hợp kim thấp: ngoài các bon ra, trong thành phần của nó còn có một lượng

nhỏ các nguyên tố khác như măng gan, crôm, silic, ti tan…nhằm nâng cao cường

độ và cải thiện một số tính chất khác của cốt thép

Phân theo phương pháp chế tạo:

- Cốt cán nóng: Là cốt được chế tạo bằng cách nung chảy phôi thép rồi cán qua các

khuôn có hình dạng và kích thước đính trước