Bài giảng bê tông cốt thép Chương 2

Chương 2: Vật liệu 2.1. Bêtông. a. Phân loại bêtông. Các loại bêtông sau được sử dụng phổ biến:  Bêtông nặng: (hay bêtông thường) có khối lượng riêng từ 2200 đến 2500 kgm3  Bêtông hạt nhỏ: Khối lượng riêng lớn hơn 1800kgm3, chia làm 3 nhóm A( đóng rắn tự nhiên, cốt liệu cát có môđun độ lớn từ 2 trở lên), B (đóng rắn tự nhiên, cốt liệu cát có môđun độ lớn từ 2 trở lên) và C (được chưng áp).  Bêtông nhẹ: Khối lượng riêng từ 800 đến 1800 kgm3, hoặc có cấu trúc đặc chắc hoặc rỗng (tỷ lệ rỗng lớn hơn 6%).  Bêtông tổ ong: Chưng áp và không chưng áp.  Bêtông đặc biệt: Như bêtông tự ứng suất. b. Cường độ của bêtông.  Cường độ là đặc trưng cơ bản, cho biết khả năng chịu lực của bêtông. Để xác định cường độ bêtông, người ta cần tiến hành các thí nghiệm.  Cường độ chịu nén: Có được khi dùng máy nén dọc trục các mẫu hình lập phương, hoặc mẫu lăng trụ đáy vuông cạnh 10, 15 hay 20 cm, hoặc khối trụ tròn. Nếu lực tác động làm mẫu bị phá hoại là Pn và diện tích mẫu là A, thì cường độ chịu nén của mẫu sẽ là: n n P R A  Thông thường Rn có giá trị trong khoảng 10 – 60 MPa.

Chương 2: Vật liệu 2.1 Bêtông

a Phân loại bêtông

Các loại bêtông sau được sử dụng phổ biến:

 Bêtông nặng: (hay bêtông thường) có khối lượng riêng từ 2200 đến 2500 kg/m3

 Bêtông hạt nhỏ: Khối lượng riêng lớn hơn 1800kg/m3, chia làm 3 nhóm A( đóng rắn tự nhiên, cốt liệu cát có môđun độ lớn từ 2 trở lên), B (đóng rắn tự nhiên, cốt liệu cát có môđun độ lớn từ 2 trở lên) và C (được chưng áp)

 Bêtông nhẹ: Khối lượng riêng từ 800 đến 1800 kg/m3, hoặc có cấu trúc đặc chắc hoặc rỗng (tỷ lệ rỗng lớn hơn 6%)

 Bêtông tổ ong: Chưng áp và không chưng áp

 Bêtông đặc biệt: Như bêtông tự ứng suất

b Cường độ của bêtông

 Cường độ là đặc trưng cơ bản, cho biết khả năng chịu lực của bêtông Để xác định cường độ bêtông, người ta cần tiến hành các thí nghiệm

 Cường độ chịu nén: Có được khi dùng máy nén dọc trục các mẫu hình lập phương, hoặc mẫu lăng trụ đáy vuông cạnh 10, 15 hay 20 cm, hoặc khối trụ tròn Nếu lực tác động làm mẫu bị phá hoại là Pn và diện tích mẫu là A, thì cường độ chịu nén của mẫu

sẽ là:

n n

P R A

 Thông thường Rn có giá trị trong khoảng 10 – 60 MPa

Hình 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tơng

c Cường độ chịu kéo

Thơng thường người ta làm mẫu chịu kéo tiết diện vuơng, cạnh a, hoặc chịu uốn: Tiết

diện bxh, chiều dài L=6h (hình 2.1), hoặc cĩ thể nén chẻ mẫu lăng trụ trịn (hình 2.2.a)

Hình 2.2: Thí nghiệm kéo mẫu bê tơng

a

a

a

d=16cm

N

N

Bàn máy nén

a

L

P

P

4a

a

L=6h

h

M

a)

b)

c)

 Cường độ chịu kéo với mẫu (a)

2

k

P R

LD



 Trong đó: P: tải trọng tác dụng làm chẻ mẫu

L: chiều dài mẫu

D: đường kính mẫu

 Cường độ chịu kéo với mẫu (b)

k k

N R F



 Cường độ chịu kéo với mẫu (c)

3,5

k

M R

bh



d Quan hệ giữa cường độ chịu kéo và cường độ chịu nén

Thông thường người ta có thể tính cường độ chịu kéo thông quan cường độ chịu nén bằng công thức thực nghiệm mà không cần làm thí nghiệm chịu kéo Đơn giản nhất là quan hệ đường thẳng, theo công thức:

R(t) = 0,6 + 0,06R Hoặc quan hệ đường cong:

150

60 1300

t

R

R







e Sự tăng cường độ theo thời gian

Hình 2.3 Đồ thị tăng cường độ theo thời gian

R

t

Cường độ của bêtông tăng theo thời gian Cường độ lúc đầu tăng khá nhanh, sau đó chậm dần, đến một vài năm sau thì hầu như là dừng lại

Để xác định cường độ của bêtông theo thời gian có thể dùng công thực nghiệm sau:

lg 0.7 lg

lg 28

t

t

R R x  xR x t

Trong đó : t - tuổi của bêtông tính theo ngày

Công thức trên của tác giả Liên xô - Skrantaep (1935) chỉ cho kết quả phù hợp với thực tế khi tuổi của bêtông từ 7-300 ngày, tùy theo mỗi nước có qui định khác nhau

f Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bêtông

 Thành phần và phương cách chế tạo

 Tuổi của bêtông (thời gian từ khi đúc bêtông) và điều kiện bảo dưỡng

 Điều kiện thí nghiệm: Kích thước và hình dạng mẫu ( các mẫu lăng trụ có cường

độ nhỏ hơn và càng nhỏ cho mẫu có chiều cao lớn so với mẫu lập phương); mặt tiếp xúc giữa bê tông và mầm nén ( nếu bôi trơn sẽ làm mẫu phá hoại nhanh hơn do biến dạng nở ngang), và tốc độ gia tải

g Cấp độ bền của bêtông

 Số liệu biểu thị chất lượng của bêtông

 Là thuật ngữ mới sử dụng trong TCXDVN 356:2005 Kết cấu bêtông và bêtông cốt thép, thay cho mác bêtông đã được sử dụng trong các tiêu chuẩn trước đó Đễ thuận tiện đối chiếu trong thưc tế, mác bêtông có thể được chú thích trong ngoặc bên cạnh cấp độ bền Tùy theo các ứng dụng cụ thể mà có các qui định cấp độ khác nhau

 Cấp độ bền chịu nén: Ký hiệu bằng chử B, là giá trị trung bình thống kê với xác suất đảm bảo trên 95% của cường độ chịu nén tức thời, tính theo đơn vị MPa, xác định trên mẫu bêtông lập phương cạnh 15 cm, được chế tạo và dưỡng hộ và thí nghiệm theo điều kiện chuẩn (mẫu 28 ngày tuổi, trong nhiệt độ 2050 và độ ẩm lớn hơn 90%; thí nghiệm không bôi trơn bề mặt tiếp xúc ở tốc độ gia tải 2KG/cm2 mỗi giây) Qui phạm nhà nước qui định các cấp độ thiết kế cho bê tông nặng: B3.5, 5, 7.5,

10, 12.5, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, và 60 Đối với kết cấu BTCT yêu cầu cấp

độ bền chịu nén tối thiểu là B7.5

 Cấp độ bền chịu kéo: Ký hiệu bằng chữ Bt, là giá trị trung bình thống kê với xác suất đảm bảo trên 95% của cường độ chịu kéo tức thời, tính theo đơn vị MPa, xác định trên mẫu kéo tiêu chuẩn Các mác thiết kế theo qui định: Bt0.8, 1.2, 1.6, 2.0, 2.4, 2.8, và 3.2

h Biến dạng của bêtông

 Co ngót:

Co ngót là hiện tượng bêtông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí, có liên quan đến sự biến đổi lý hóa của quá trình thủy hóa xi măng và sự bốc hơi nước Co ngót gây ra những biến đổi bất lợi cho bêtông, làm kết cấu cong vênh, xuất hiện vết nứt, giảm khả năng chịu lực Thực nghiệm cho thấy độ co ngót của bêtông tăng theo hàm lượng ximăng sử dụng và tỷ lệ nước/ximăng Cốt liệu có độ rỗng lớn hoặc các loại phụ gia tăng cường độ đông kết cũng làm tăng co ngót Để tránh hiện tượng này, cần hạn chế lượng nước sử dụng kết hợp với đầm nén cẩn thận khi đúc bêtông, và thường xuyên giữ ẩm trong giai đoạn đầu đông cứng Các biện pháp cấu tạo cốt thép tại các vị trí cần thiết hoặc khe co giãn cũng cần được quan tâm

Hình 2.4: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bêtông

 Biến dạng dưới tác dụng của tải trọng ngắn hạn

Khi nén một mẫu lăng trụ, biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng (-) sẽ có dạng đường cong Điểm tương ứng lúc mẫu bị phá hoại, với giới hạn cường độ chịu nén Rb và





b







b

Rb

ch

b

dhd



0

A

D

biến dạng cực hạn ch Nếu gia tải đến một mức nhất định (b, b) rồi giảm tải thì đường cong giảm tải sẽ không trở về gốc, nghĩa là biến dạng bêtông không được hồi phục hoàn toàn Kết quả này do bêtông không phải là vật liệu đàn hồi mà là vật liệu đàn dẻo Theo đó biến dạng tại một điểm thuộc đường cong có thể biểu diễn như sau:

b ch d

   Trong đó d là phần biến dạng dẻo không phục hồi được và dh là phần biến dạng đàn hồi tuân theo định luật hooke Nếu kí hiệu dh

b







 là hệ số đàn hồi, có thể thấy khi bắt đầu gia tải  gần bằng 1 và sau đó giảm dần, đến gần thời điểm phá hoại thì biến dạng dẻo là chủ yếu

Gọi Eb là môđun đàn hồi ban đầu của bêtông, có thể thấy:

b

dh



Môđun đàn hồi-dẻo, hay môđun biến dạng, *

b

E khi đó xác định như sau:

*

tan

b

b dh

Tương tự môđun khi chịu nén, môđun biến dạng khi kéo sẽ là:

*

bt k b

E  E trong đó klà hệ số đàn hồi khi kéo

Môđun đàn hồi ban đầu của bêtông nặng phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bêtông, cho trong Bảng( theo TCXDVN 356:2005)

Điều kiện đóng rắn/

Dưỡng hộ nhiệt ở áp

 Biến dạng dưới tác dụng tải trọng dài hạn – từ biến

Nếu mẫu bêtông được nén đến (b, b) rồi giữ nguyên tải tác dụng trong một thời gian

thì biến dạng sẽ tiếp tục tăng lên Đây là hiện tượng từ biến, minh họa trong Hình với

phần biến dạng tăng lên trong khi ứng suất không đổi gọi là biến dạng từ biến

Từ biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố ở thời điểm đặt tải Từ biến sẽ ít hơn với bêtông

tuổi càng cao, nhưng sẽ tăng theo (i) Mức độ ứng suất trong bêtông, (ii) tỷ lệ

nước/ximăng sử dụng, và (iii) độ khô hanh của môi trường xung quanh Trong những

điều kiện chịu nén lệch tâm, hiện tượng từ biến có thể gây tăng độ lệch tâm, từ đó làm

tăng uốn dọc trong cấu kiện, do đó cần được kể đến trong tính toán Hiện tượng từ

biến cũng quan trọng khi thiết kế cấu kiện bê tông ứng lực trước

Hình 2.5: Từ biến của bêtông

2.2 Tính chất cơ lý của cốt thép

a Phân loại cốt thép

Theo công nghệ chế tạo: Cốt thép thanh cán

nóng ( đường kính  12mm, chiều dài

L13m)





b

B

O



t B

O A

Hình 2.6: Các loại cốt thép có gân bề mặt

Thép sợi kéo nguội ( 12mm)

Theo hình thức: Thanh thép tiết diện tròn mặt ngoài nhẵn hoặc có gân bề mặt

Có thể dùng các loại thép hình I, U, L

Làm cốt chịu lực trong những kết cấu chịu tải lớn

Cốt thép dùng ở Việt Nam có từ nhiều xuất xứ: Sản xuất trong nước theo TCVN, sản xuất theo tiêu chuẩn nước ngoài hay nhập từ nước ngoài

Theo tiêu chuẩn nhà nước TCVN 1651:1985 Thép cốt bêtông cán nóng, có các loại cốt thép tròn trơn CI và cốt thép có gân CII, CIII, CIV Trong tiêu chuẩn này cũng kể đến các loại thép nhập của Nga ký hiệu AI (trơn), và AII, AIII, AIV (gân) Đặc trưng

cơ học của các nhóm cốt thép này cho trong bảng sau

Bảng 2.2 Đặc trưng cơ học của các nhóm thép cơ bản

Nhóm cốt thép Đường kính

mm

Giới hạn chảy Mpa

Giới hạn bền Mpa

Môđun đàn hồi

Es Gpa

Các đường kính danh nghĩa của cốt thép gồm 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25,

28, 32, 36, và 40mm Đối với các loại thép không theo TCVN, cần căn cứ vào các tiêu chuẩn cơ học, quan trọng nhất là giới hạn chảy thực tế hoặc giới hạn chảy qui ước ( Đối với thép không có thềm chảy rõ rệt), để qui về cốt thép tương đương khi thiết kế theo tiêu chí này, Phụ lục của TCXDVN 356:2005 đưa ra bảng phân loại thép có trên thị trường Việt Nam mà người thiết kế có thể căn cứ vào đó để qui đổi và vận dụng các hệ số tính toán

b Biểu đồ ứng suất – biến dạng

Hình 2.7 Biểu đồ ứng suất – biến dạng

Hình bên trình bày biểu đồ ứng suất - biến dạng của các loại cốt thép khác nhau, cĩ được từ thí nghiệm kéo các mẫu thép Biểu đồ cho thấy hai giai đoạn làm việc đàn hồi (phần thẳng đứng) và chảy dẻo ( phần nằm ngang và cong) của thép trước khi bị phá hoại Đối với một số loại thép dẻo như thép cán nĩng, biểu đồ (-) cĩ phần thềm chảy rõ ràng (đoạn nằm ngang): biến dạng tăng trong khi ứng suất khơng đổi Riêng các loại thép giịn, thường là các loại thép sợi cường độ cao, giới hạn chảy khơng rõ,

xuất hiện ở biến dạng tương đối bé (3-4%)

2.3 Bêtơng cốt thép

a Lực dính giữa bêtơng và cốt thép

 Lực dính là nhân tố cơ bản đảm bảo sự làm việc chung (cùng biến dạng) giữa cốt thép, cũng như sự truyền lực qua lại giữa hai vật liệu



 l/l

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Thép cán nóng CT3 Thép cán nóng CT5 Thép kéo nguội

Thép hợp kim Dây thép kéo nguội

 Lực dinh được tạo thành trước tiên do ximăng có tác dụng kết dính và do ảnh hưởng co ngót gây ma sát khi bêtông khô cứng bám chặt cốt thép Đối với cốt thép gân, lực dính được tăng cường do bề mặt gồ ghề ngăn cản cốt thép trượt trong bêtông

 Lực dính có thể xác định từ thí nghiệm kéo hay nén cho cốt thép tụt khỏi bêtông

Thí nghiệm cho thấy lực dính phân bố không đều dọc theo đoạn cốt thép chôn trong bêtông Lực dính trung bình xác định bởi

tb

P dl







Trong đó: P = Lực kéo hay nén cốt thép, l = chiều dài cốt thép chon trong bêtông và d

= đường kính cốt thép Lực dính tối đa khoảng 2.0 – 4.5 MPa, tùy theo loại bêtông và cốt thép

b Sự hư hỏng của bê tông cốt thép và biện pháp bảo vệ

 Kết cấu bê tông cốt thép có thể hư hỏng trong tác động cơ ( dòng chảy bào mòn), hóa (xâm thực bê tông do các axít, muối), sinh (vi khuẩn ăn mòn bề mặt) của môi trường xung quanh Phần cốt thép cũng có thể bị rỉ sét do tác dụng hóa học và điện phân của môi trường Khi bị rỉ, cốt thép có thể phồng rộp, chèn ép bêtông tạo vết nứt

N

 max



N

trong lớp bê tông bảo vệ hoặc phá vở lớp đó, khiến cho quá trình xâm thực xảy ra nhanh hơn Do vậy cần đảm bảo bề mặt bêtông đặc chắc và chống rỉ cho cốt thép, tăng lực dính bám với bêtông