Lựa chọn bê tông cốt sợi thi công cống khu 6, 7 đô thị phía nam, thành phố bắc giang

Có rất nhiều nguyên nhân gây ra vết nứt đối với các công trình, cấu kiện bê tông như:cường độ chịu nén của Bê tông cao nhưng khả năng chịu kéo kém, hiện tượng co ngót, từ biến hoặc tại c

LỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài luận văn: “Lựa chọn bê tông cốt sợi thi công cống khu 6,7 - Đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang”.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung và kếtquả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ côngtrình khoa học nào Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ cáchình thức kỷ luật nào của Nhà trường

Học viên

Hoàng Văn Hoan

Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Phó Uyênngười đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa học cần thiếttrong quá trình thực hiện luận văn.

Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Đàotạo Đại học và sau Đại học, Viện thủy công, Trung tâm Quy hoạch xây dựng BắcGiang đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về tài liệu, thông tin và đóng góp nhiều ý kiếnquý báu cho bài luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 01 năm 2018

Học viên

Hoàng Văn Hoan

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài

1 2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

2 3 Kết quả đạt được

2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI 3

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi trên Thế giới 3

1.2 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi tại Việt Nam 9

1.3 Đặc điểm về Bê tông cốt sợi

13 1.3.1 Khái niệm 13

1.3.2 Các loại cốt sợi 13

1.3.3 Phân loại bê tông cốt sợi 20

1.3.4 Những đặc trưng cơ bản của bê tông cốt sợi 21

1.4 Sự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi và giải pháp khắc phục 22

1.4.1 Sự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi 22

1.4.2 Một số giải pháp khắc phục sự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi 27

* Kết luận Chương 1 29

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ CƠ SỞ NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CỐT SỢI 30

2.1 Tiêu chuẩn về vật liệu xây dựng

30 2.2 Tiêu chuẩn về thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của bê tông

30 2.3 Các loại vật liệu sử dụng trong bê tông cốt sợi

31 2.3.1 Xi măng 31

2.3.2 Tro bay 31

2.3.3 Cốt liệu mịn (Cát) 32

2.3.4 Cốt liệu thô ( Đá dăm ) 33

2.3.5 Nước 33

2.3.6 Phụ gia hóa học 33

2.3.7 Cốt sợi thủy tinh 34

2.4 Thiết kế thành phần bê tông cốt sợi

34 2.5 Thí nghiệm các tính chất cơ lý của bê tông cốt sợi

34 2.5.1 Thí nghiệm kiểm tra độ lưu động (độ sụt) của hỗn hợp bê tông 34

2.5.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông 36

2.5.3 Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông 37

* Kết luận Chương 2 39

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN BÊ TÔNG CỐT SỢI M30 THI CÔNG CỐNG KHU 6,7 – ĐÔ THỊ PHÍA NAM, THÀNH PHỐ BẮC GIANG 40

3.1 Tổng quan về dự án và công trình cống khu 6,7- Đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang 40

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 40

3.1.2 Điều kiện về hạ tầng kỹ thuật 42

3.1.3 Đánh giá chung về địa điểm xây dựng dự án 43

3.3 Phân tích kết quả thí nghiệm bê tông cốt sợi

44 3.3.1 Kết quả thí nghiệm độ lưu động 44

3.3.2 Kết quả thí nghiệm cường độ nén 45

3.3.3 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi uốn 46

3.4 Tính toán kết cấu cho cống khu 6,7 – Đô thị phía Nam – Thành phố Bắc Giang 48

3.4.1 Sơ đồ bố trí lực lên cống 48

3.4.2 Phương pháp tính toán 52

* Kết luận chương 3: 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

1 Kết luận 61

2 Kiến nghị 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cầu đi bộ Sherbrooke ở Sherbrooke, Quebec, Canada 7

Hình 1.2 Cầu Bourg-les-Valence ở Đông nam nước Pháp 7

Hình 1.3 Thi công đường sân bay ở Bỉ 8

Hình 1.4 Thi công mặt đường bến cảng tại Tây Ban Nha 8

Hình 1.5 Thi công hầm đường sắt tại Anh 8

Hình 1.6 Kênh bê tông cốt sợi thành mỏng đúc sẵn 10

Hình 1.7 Bờ kè kênh Tham Lương, TP Hồ Chí Minh sử dụng sản phẩm BTCS trong dự án chống ngập, ứng phó thiên tai, biến đổi khí hậu 10

Hình 1.8 Thủ tướng Nguyễn Xuân Phúc thăm quan các sản phẩm bê tông cốt sợi đúc sẵn, thành mỏng như các loại mương máng thủy lợi, hào kỹ thuật, hố ga thu nước mưa và ngăn mùi kiểu mới, các loại cấu kiện lắp ghép bảo vệ bờ sông, hồ và đê biển… 11

Hình 1.9 Thép polyme được sử dụng tại một hạng mục thuộc khu tưởng niệm Đại tướng Võ Nguyên Giáp, Vũng Chùa - Quảng Bình 11

Hình 1.10 Tuyến kênh tưới Nam Gò Đậu, hệ thống tưới Tháp Mão thuộc xã Phước Hưng, huyện Tuy Phước, tỉnh Bình Định sử dụng công nghệ bê tông cốt sợi thành mỏng đúc sẵn 12

Hình 1.11 Công trình Hầm đường bộ Hải Vân là công trình nổi bật tại Việt Nam ứng dụng công nghệ bê tông cốt sợi 12

Hình 1.12 Thi công đổ bê tông sợi thép sàn công nghiệp tại Visip Bắc Ninh 12

Hình 1.13 Sợi thủy tinh trong sản xuất bê tông cốt sợi Thủy tinh 15

Hình 1.14 Mô phỏng sợi cacbon phóng to .18

Hình 1.15 Sợi bazan dạng xắt nhỏ dùng cho sản xuất bê tông cốt sợi bazan BFRC 19

Hình 1.16 Khả năng chịu kéo của bê tông cốt sợi 21

Hình 1.19 Thẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà (hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 24

Hình 1.20 Hiện trạng xâm thực và phá huỷ kết cấu BTCT cống Bình Cát - Bến Tre(hình ảnh do viện thủy công cung cấp) .24Hình 1.21 Xâm thực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòncốt

thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển (hình ảnh do viện thủy công cungcấp)

25Hình 1.22 Xâm thực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2 - HảiPhòng

25(Bê tông luôn luôn trong trạng thái trương nở-congót) 25 (hình ảnh do viện thủy công cungcấp) 25

Hình 1.23 Hiện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê tông kèbiển Cát Hải - Hải Phòng (hình ảnh do viện thủy công cungcấp) .25

Hình 1.24 Xâm thực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn - Bến Tre

cấp) 26

Hình 1.25 Xâm thực bê tông do bị các vi sinh vật ăn mòn 26 (hình ảnh do viện thủy công cungcấp) 26

Hình 1.26 Xâm thực bê tông cửa ra bể tiêu năng do hiện tượng khíthực 26 (hình ảnh do viện thủy công cungcấp) 26

Hình 1.27 Xâm thực bê tông mũi phun tràn xả lũ do hiện tượng khíthực 27

Hình 2.3 Thiết bị thí nghiệm kéo khi uốn 37

Hình 3.1 Quy hoạch khu đô thị khu dân cư khu số 6,7 khu đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang 40

Hình 3.3 Thí nghiệm kiểm tra độ lưu động của hỗn hợp bê tông 44

Hình 3.4 Thí nghiệm xác định cường độ nén của bê tông 45

Hình 3.5 Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông 47

Hình 3.6 Sơ đồ bố trí các lực tác dụng lên cống 48

Hình 3.8 Phân bố ứng suất S22 bê tông cốt sợi 57

Hình 3.9 Chuyển vị của cống bê tông cốt sợi 57

Hình 3.10 Kết quả ứng suất S22 với bê tông thường 58

Hình 3.11 Kết quả ứng suất S11 với bê tông thường 58

Hình 3.12 Kết quả chuyển vị bê tông thường 58

Hình A Mô hình tính toán cống hộp bằng phần tử Shell 65

Hình B Kết quả ứng suất S11 với bê tông thường 65

Hình C Kết quả ứng suất S22 với bê tông thường 66

Hình D Kết quả ứng suất Smax với bê tông thường 66

Hình E Kết quả ứng suất Smin với bê tông thường 67

Hình F Kết quả chuyển vị bê tông thường 67

Hình G Kết quả ứng suất S11 với bê tông cốt sợi 68

Hình H Kết quả ứng suất S22 với bê tông cốt sợi 68

Hình I Kết quả ứng suất Smax với bê tông cốt sợi 69

Hình J Kết quả ứng suất Smin với bê tông cốt sợi 69

Hình K Kết quả chuyển vị bê tông cốt sợi 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi tổng hợp đối với các tính chất của

hỗn hợp bê tông .4

Bảng 1.2 Kết quả nghiên cứu sử dụng BTCS cho công trình giao thông ở Mỹ .5

Bảng 1.3 Một số loại sợi thép được sử dụng trên Thế giới 14

Bảng 1.4 Cường độ chịu uốn tối đa của bê tông cốt sợi tổng hợp theo các chu kỳ thử độ bền.16 Bảng 1.5 Cường độ chịu uốn của bê tông cốt sợi cacbon 17

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn về vật liệu xây dựng 30

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của bê tông 30

Bảng 2.3 Tính chất cơ lý của xi măng 31

Bảng 2.4 Tính chất kỹ thuật của tro bay Phả Lại 31

Bảng 2.5 Tính chất cơ lý của cát 32

Bảng 2.6 Tính chất cơ lý của đá dăm 33

Bảng 2.7 Thành phần vật liệu cho 1 m3 bê tông cốt sợi 34

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm độ lưu động các hỗn hợp bê tông 45

Bảng 3.2 Kết quả cường độ nén ở 3, 7 và 28 ngày tuổi 46

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi uốn ở 3, 7 và 28 ngày tuổi 47

Bảng 3.4 Thành phần vật liệu cho 1 m3 bê tông cốt sợi 48

Bảng 3.4 Thông số vật liệu của bê tông thường và bê tông cốt sợi 49

Bảng 3.5: Thông số hình học của cống 49

Bảng 3.6: Thông số đất xung quanh cống 50

Bảng 3.7 Kết quả tính toán tải trọng tác dụng lên cống 51

Bảng 3.8: Kết quả tính toán bê tông cốt sợi và bê tông thường 59

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ khi ra đời đến nay, Bê tông cốt thép đã và đang trở thành loại vật liệu xây dựng phổbiến trong thiết kế thi công các công trình xây dựng dân dụng, công trình giao thông,thủy lợi đối với Việt Nam nói riêng và trên toàn Thế giới nói chung Tuy nhiên, vớiđiều kiện khoa học công nghệ, vật liệu xây dựng và môi trường ở Việt Nam hiện nay,nhiều công trình hoặc bộ phận kết cấu bằng bê tông cốt thép đã phát sinh vết nứt ngaytrong giai đoạn thi công hoặc chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng Điều đó đặt ra câuhỏi lớn cho các nhà khoa học về việc phòng tránh và xử lí các dạng vết nứt phát sinhtrong quá trình thi công và khai thác các công trình bằng bê tông cốt thép

Có rất nhiều nguyên nhân gây ra vết nứt đối với các công trình, cấu kiện bê tông như:cường độ chịu nén của Bê tông cao nhưng khả năng chịu kéo kém, hiện tượng co ngót,

từ biến hoặc tại các vị trí đặc biệt trong kết cấu chịu ứng suất phức tạp làm cho vậtliệu bê tông thông thường không đủ khả năng chịu lực ví dụ như bản mặt cầu bằng bêtông cốt thép, ụ neo cáp của cầu dây văng; các mối nối quan trọng giữa các đốt dầmtrong các cầu ứng dụng công nghệ đúc hẫng hoặc lắp hẫng vv

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu về Vật liệu xây dựng đã sử dụng rấtnhiều biện pháp như: căng kéo cốt thép dự ứng lực, dùng các chất phụ gia chống congót, bố trí các loại cốt thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết…vv Tuy nhiên, sau khi ápdụng, người ta nhận ra rằng các giải pháp này không phải trường hợp nào cũng có thểphát huy được tác dụng của nó Bên cạnh đó các nhà khoa học còn tìm các giải pháp

để tăng cường khả năng chịu lực của bê tông thông qua việc thay đổi một số tính chấtcủa vật liệu này bằng việc cho thêm vào bê tông một số cốt liệu muội silic và đặc biệt

là việc chế tạo, thiết kế bê tông sử dụng cốt sợi

qua các vật liệu dạng sợi Đối với ngành xây dựng công trình nói chung và xây dựngcông trình Thủy lợi nói riêng ở Việt Nam thì nghiên cứu thiết kế, sử dụng Bê tông cốt

sợi trong các công trình là một vấn đề khá mới mẻ Có khá nhiều đề tài nghiên cứu về

Bê tông cốt sợi của nhiều đơn vị như: Đại học Xây dựng Hà Nội, Đại học Giao thôngvận tải Hà Nội, Đại học Bác khoa Tp Hồ Chí Minh…vv, nhưng phần lớn các nghiêncứu chỉ tập trung vào lĩnh vực xây dựng dân dụng, giao thông vận tải Trong khi đó,những nghiên cứu Bê tông cốt sợi phục vụ cho thiết kế công trình Thủy lợi còn rất hạnchế

Đứng trước nhu cầu thực tiễn, kế thừa và phát triển từ những đề tài nghiên cứu đã có

từ trước, tác giả đã nghiên cứu đề tài “lựa chọn bê tông cốt sợi thi công cống khu 6,7 –

Đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang”, nhằm tìm ra loại cốt sợi phù hợp và thiết kế

Bê tông cốt sợi tối ưu, khắc phục những nhược điểm của Bê tông thông thường, từ đóđưa ra kiến nghị và một số giải pháp áp dụng vào thi công công trình Thủy lợi để đạthiệu quả cao

2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

* Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng bê tông cốt sợi tại Việt Nam và trên thếgiới

- Nghiên cứu sử dụng vật liệu chế tạo bê tông cốt sợi

- Lựa chọn các loại vật liệu, phụ gia khoáng và phụ gia hoá học phù hợp, cũng nhưlượng dùng thích hợp để sản xuất bê tông cốt sợi

- Ứng dụng bê tông cốt sợi cho cống khu 6,7 - Đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang

* Phương pháp nghiên cứu:

- Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về bê tông cốt sợi cho một số công trình đãđược xây dựng ở Việt Nam và nước ngoài

- Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu chế tạo bê tông cốt sợi Thiết kếcấp phối bê tông cốt sợi Thí nghiệm một số tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và bêtông cốt sợi đã rắn chắc

Lựa chọn được vật liệu, thiết kế cấp phối bê tông cốt sợi M30, áp dụng cấp phối đã đượcthiết kế cho công trình cống khu 6,7 – Khu đô thị phía Nam – Thành phố Bắc Giang.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi trên Thế giới

Từ thời kỳ Ai Cập và Babylon, người ta đã biết dùng một số loại sợi từ thân cây haylông ngựa để tăng cường mức độ liên kết cho gạch thô, tường trát bùn, thạch cao…vv.Những năm đầu 1960, người ta bắt đầu nghiên cứu về bê tông cốt sợi Bê tông cốt sợi(BTCS) đã được nghiên cứu rộng khắp trên thế giới trong nhiều thập kỷ qua, đã cónhiều nhà khoa học nghiên cứu về khả năng ứng xử của bê tông cốt sợi từ trạng tháihỗn hợp đến rắn chắc và cả độ bền của bêtông cốt sợi trong những điều kiện làm việckhác nhau

Về khả năng ứng xử của bê tông cốt sợi ở trạng thái hỗn hợp, tại Mỹ đã nghiên cứuảnh hưởng của sợi tổng hợp đến hỗn hợp bê tông Bê tông không gia cường sợi có mácthiết kế là 20 MPa, hàm lượng sợi sử dụng trong bê tông thay đổi từ 0,075% đến 0.5%tính theo thể tích của bê tông Những loại sợi tổng hợp được nghiên cứu bao gồm : sợiNylon 6, sợi Poly-propylene (PP), sợi Polyester Những loại sợi này có chiều dài 19

mm, 25 mm và 38 mm Sợi PP ở dạng bó sợi, sợi Nylon 6 và sợi Polyester ở dạng đơnmảnh

Qua kết quả nghiên cứu các nhà khoa học đưa ra kết luận: độ dẻo của hỗn hợp bê tônggiảm xuống khi sợi được đưa vào trong hỗn hợp bê tông, sự giảm xuống về độ dẻocàng tăng khi hàm lượng sợi tăng lên Sự suy giảm về độ dẻo của hỗn hợp bê tông sửdụng các loại sợi tổng hợp khác nhau sẽ khác nhau Độ dẻo (độ sụt) của hỗn hợp bêtông cốt sợi giảm xuống khi chiều dài sợi tăng lên (Bảng 1.1) Khảo sát sự thay đổi vềcường độ chịu nén của bê tông khi hàm lượng sợi Nylon 6 thay đổi từ 0% đến 0,1%tính theo thể tích của bê tông thấy rằng: cường độ bê tông hầu như không bị thay đổikhi hàm lượng sợi dùng ít hơn 0,1% theo thể tích của bê tông Khi nghiên cứu ảnhhưởng của sợi tổng hợp đối với sự dẻo dai và khả năng chống va đập của bê tông thông

đơn mảnh, hàm lượng sợi thay đổi từ 0,075% đến 0,5% thấy rằng: độ dẻo dai và khảnăng chống va đập của bêtông tăng lên khi sử dụng 0,5% cốt sợi tổng hợp phân tán.

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi tổng hợp đối với các tính chất của

K h ố i

Đ

ố

17

N N

y 45

14

30 và 50 mm Sợi PP có chiều dài 12 và 19 mm với đường kính sợi là 0,095 mm.Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng và loại sợi đến các tính chất cơ học của bêtông như: cường độ chịu kéo, nén và uốn và độ dẻo dai

Kết quả nghiên cứu kết luận rằng: yêu cầu về cường độ đạt 35MPa trong 1 ngày thườngkhó đạt được khi sử dụng sợi PP Sợi PP dùng với hàm lượng 1% và 2% làm chocường độ của bê tông giảm xuống đáng kể Trái lại, cường độ của bê tông có thể đạt

2% Môđun đàn hồi của bê tông giảm xuống khi hàm lượng sợi PP tăng lên, và tăng lênkhi hàm lượng sợi thép tăng Tuy nhiên, khi sử dụng kết hợp sợi thép dài 30 mm và sợi

PP thì cường độ và môđun đàn hồi của bê tông cốt sợi ở 1 ngày giảm xuống gần 50%

Bê tông cường độ cao gia cường cốt sợi PP cho kết quả cường độ chịu uốn thấp hơnnhiều so với sợi thép và gần bằng với bê tông cường độ cao không gia cường sợi Tuynhiên, sợi PP làm cho tính dẻo dai của nền bê tông cường độ cao được cải thiện rấtnhiều so với lúc không gia cường sợi.

Bảng 1.2 Kết quả nghiên cứu sử dụng BTCS cho công trình giao thông ở Mỹ

Trong nhiều năm qua ở trên thế giới, người ta đã ứng dụng Bê tông cốt sợi phân tánvào trong nhiều lĩnh vực xây dựng Vào năm 1970, nhà xe sân bay Lockbourne bangOhio ở Mỹ được xây dựng từ những tấm bê tông cốt sợi đúc tại chỗ, những tấm bêtông cốt sợi này có kích thước là (10,7x14x0,15) m và (1,5x6,7x0,15) m Loại sợiđược sử dụng trong công trình này là sợi thép, hàm lượng sợi sử dụng là 106 kg/m3.Sau khi đã đổ xong tấm bê tông cốt sợi, người ta phủ lên mặt của những tấm bê tôngcốt sợi này bằng những lớp lưới sợi PP có bề dày 0,2 mm để làm lớp đệm chống màimòn trong quá trình sử dụng công trình.

Năm 1970 ở Michigan của Mỹ, đường Niles dẫn vào khu công nghiệp được xây dựngbằng bê tông cốt sợi thép phân tán với chiều dày của đường là 100 mm Sợi thép thẳngđược sử dụng với hàm lượng là 120 kg/m3 Sau khi đưa công trình vào sử dụng, người

ta tiến hành so sánh đường làm bằng bê tông cốt sợi và đường làm bằng bê tông bìnhthường thì thấy rằng: mặc dù đường làm bằng bê tông cốt sợi có chiều dày (100 mm)nhỏ hơn so với đường làm bằng bê tông thông thường (180 mm) nhưng khả năng chịutải, chịu mài mòn và chống nứt tốt hơn so với đường bê tông thông thường không có

sử dụng cốt sợi

Năm 1983 tại Frankfurt ở Đức, người ta tiến hành xây dựng sân bay Frankfurt Sânbay này có lớp phủ mặt đường băng làm bằng bê tông cốt sợi thép phân tán, hàmlượng sợi sử dụng là 60 kg/m3 để góp phần làm tăng khả năng chống mài mòn vàchống co ngót cho đường băng

Bên cạnh những lĩnh vực ứng dụng như trên, từ những năm 1980 trở lại đây, sợi thép

và sợi Poly-propylene được sử dụng rất phổ biến cho bê tông bơm phụt theo cả quytrình khô và quy trình ướt Bê tông bơm phụt gia cường cốt sợi được sử dụng để ổnđịnh mái dốc tự nhiên của những công trình đường hầm, để bao phủ bề mặt nền đáchống lại hiện tượng hoá mềm của đá bùn trong khi xây dựng đập, bao phủ bề mặt củanhững hố chứa rác để giảm thiểu sự xâm nhập của nước và sự rò rỉ của chất độc có hại

ra bên ngoài……

Cầu đi bộ Sherbrooke thuộc tỉnh bang Quebec của Canada là công trình kiến trúc kỹthuật đầu tiên xây dựng bằng Bê tông cốt sợi thép cường độ rất cao trên thế giới vào

năm 1997 Với khẩu độ 60 m, kết cấu dành cho người đi bộ này được đúc sẵn và ứnglực trước, mặt cầu làm bằng Bê tông cốt sợi thép cường độ cực cao.

Hình 1.1 Cầu đi bộ Sherbrooke ở Sherbrooke, Quebec, Canada

Cầu Bourg-les-Valence ở Đông nam nước Pháp Cầu được làm bằng Bê tông cốt sợithép cường độ cao, gồm 2 nhịp dài khoảng 20 m và hoàn thành năm 2001 Thông số kỹthuật của cầu: Chiều dài 22,5 m, chiều rộng 2,4 m, chiều cao 0,9 m, bề dày 11 cm, chịutải 37 tấn Ngoài ra, bê tông cốt sợi còn được thi công tại đường sân bay ở Bỉ, thi côngmặt đường bến cảng tại Tây Ban Nha, thi công hầm đường sắt tại Anh … Dưới đây làmột số hình ảnh về công trình xây dựng ở nước ngoài ứng dụng bê tông cốt sợi trong thicông và đạt hiệu quả rất cao

Hình 1.3 Thi công đường sân bay ở Bỉ

Hình 1.4 Thi công mặt đường bến cảng tại Tây Ban Nha

Hình 1.5 Thi công hầm đường sắt tại Anh

1.2 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi tại Việt Nam

Tại Việt Nam vấn đề bê tông cốt sợi tổng hợp, bê tông cốt sợi thép đã bước đầu đượcquan tâm nghiên cứu và công bố tại Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Đại học Xâydựng Hà Nội, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng quốc gia,Viện Khoa học công nghệ Giao thông vận tải…

Tại trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, TS.Nguyễn Văn Chánh cùng cáccộng sự đã tiến hành nghiên cứu về bê tông cốt sợi dựa trên nền vật liệu địa phươngđược gia cường với nhiều loại sợi khác nhau như: bê tông nhẹ cốt sợi sơ dừa, bê tôngcốt sợi tổng hợp, bê tông cốt sợi thép và bê tông cốt sợi Bazan Các tính chất của bêtông cốt sợi được nghiên cứu gồm: Cấp phối thành phần hỗn hợp, tính chất của hỗnhợp, tính chất cơ học và đặc biệt là tính dẻo dai của bê tông cốt sợi

Tại Viện Thủy công, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, PGS.TS.Hoàng Phó Uyên vànhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công bê tông cốt sợi thép làm cửa van cho các cốnglấy nước vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Một số công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi đã được thi công bằng bê tông cốt sợitại Việt Nam như: Công ty BUSECO - Vũng Tàu đang áp dụng thử nghiệm dùngthanh GFRP cho sản xuất nắp cống và cọc bê tông cốt thép Công trình công viên PhùĐổng tại Trần Phú - Nha Trang sử dụng thanh GFRP làm bản đáy tầng hầm Côngtrình đê biển Cà Mau sử dụng thanh GFRP để thi công thử nghiệm hệ thống rọ đá làm

kè biển Hạng mục nhà chiến sỹ cảnh vệ thuộc khu tưởng niệm Đại Tướng Võ NguyênGiáp tại Vũng Chùa - Quảng Bình

Ngoài ra, một số tuyến kênh tưới, công trình hầm, sàn nhà công nghiệp ở trong nướccũng đã được sử dụng bê tông cốt sợi

Dưới đây là một số hình ảnh đặc trưng về các công trình sử dụng bê tông cốt sợi tạiViệt Nam

Hình 1.6 Kênh bê tông cốt sợi thành mỏng đúc sẵn

(Tổng cục Thuỷ lợi - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn có quyết định số TCTL-KHCN về việc công nhận tiến bộ kỹ thuật, công nghệ mới đối với sản phẩm

94/QĐ-“Kênh bê tông cốt sợi thành mỏng đúc sẵn”)

Hình 1.7 Bờ kè kênh Tham Lương, TP Hồ Chí Minh sử dụng sản phẩm BTCS trong

dự án chống ngập, ứng phó thiên tai, biến đổi khí hậu

Hình 1.8 Thủ tướng Nguyễn Xuân Phúc thăm quan các sản phẩm bê tông cốt sợi đúcsẵn, thành mỏng như các loại mương máng thủy lợi, hào kỹ thuật, hố ga thu nước mưa

và ngăn mùi kiểu mới, các loại cấu kiện lắp ghép bảo vệ bờ sông, hồ và đê biển…

Hình 1.9 Thép polyme được sử dụng tại một hạng mục thuộc khu tưởng niệm Đại

tướng Võ Nguyên Giáp, Vũng Chùa - Quảng Bình

Hình 1.10 Tuyến kênh tưới Nam Gò Đậu, hệ thống tưới Tháp Mão thuộc xã Phước Hưng,

huyệnTuy Phước, tỉnh Bình Định sử dụng công nghệ bê tông cốt sợi thành mỏng

đúc sẵn

Hình 1.11 Công trình Hầm đường bộ Hải Vân là công trình nổi bật tại Việt Nam ứng

dụng công nghệ bê tông cốt sợi

Hình 1.12 Thi công đổ bê tông sợi thép sàn công nghiệp tại Visip Bắc Ninh

Tuy nhiên, tại Việt Nam phạm vi ứng dụng còn hạn chế, chưa có nhiều công trình xâydựng thi công bằng bê tông cốt sợi Đây chính là câu hỏi đặt ra cho các nhà thiết kế,

nghiên cứu bê tông cốt sợi và ứng dụng vào thi công các công trình nói chung và cáccông trình Thủy lợi nói riêng Đặc biệt là ứng dụng chế tạo bê tông cốt sợi có cường

độ chịu kéo uốn tốt, khả năng chống thấm và chống xâm thực tốt, khả năng kháng nứttốt, chịu va đập và mài mòn cao, sử dụng cho các công trình Thủy lợi là rất cần thiết

và cần được nghiên cứu trong thời gian tới

1.3 Đặc điểm về Bê tông cốt sợi

1.3.1 Khái niệm

Bê tông cốt sợi là loại vật liệu composite trong đó phần vật liệu nền là bê tông thôngthường, phần vật liệu cốt là các loại sợi nhỏ Sự có mặt của cốt sợi làm cho bê tông cókhả năng chống lại sự co ngót và nứt trong quá trình rắn chắc; đồng thời làm tăngcường độ kéo, uốn và nâng cao độ mềm dẻo của các kết cấu bê tông khi chịu lực Haynói cách khác, bê tông cốt sợi là loại bê tông tươi đặc biệt được chế tạo từ hỗn hợp ximăng, cốt liệu, nước, phụ gia và sợi gia cường riêng rẽ Sợi phân tán ngẫu nhiên hoặcsợi liên tục, phân bố theo một hoặc hai phương được đưa vào trong bê tông nhằm cảithiện và tăng cường các tính chất cho bê tông, phù hợp sử dụng cho các công trình cóyêu cầu cao về khả năng chịu kéo, chịu uốn, chịu va đập, dẻo dai và ít co ngót

1.3.2 Các loại cốt sợi

1.3.2.1 Cốt sợi Thép

Sợi thép được sản xuất từ thép cacbon hay thép không gỉ, cường độ chịu kéo trongkhoảng 345 ÷ 1380 MPa, môđun đàn hồi khoảng 200 GPa, tiết diện sợi thép có thể làtròn, vuông, chiều dài sợi thép thường nhỏ hơn 75 mm Tỉ số chiều dài sợi trên đườngkính sợi từ 30 ÷ 100 thường hay sử dụng để gia cường cho bê tông xi măng Sợi thépnhỏ hạn chế được tính giòn và gia tăng tính dẻo dai của bê tông xi măng đã được sửdụng để sản xuất các tấm sàn phẳng cho sân bãi và các lớp mặt trong đường hầm

Bảng 1.3 Một số loại sợi thép được sử dụng trên Thế giới

Đầu tiên, các nhà khoa học chỉ dùng những sợi thép nhỏ và thẳng để tăng khả năng chịuuốn và chống nứt cho bê tông Shah và Rangan đã nghiên cứu bê tông sợi thép nhỏ vớiđường kính 0,25 ÷ 0,75 mm, để chế tạo cấp phối hỗn hợp bê tông dẻo Lượng sợi sửdụng và tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi của sợi thép thẳng là yếu tố chính để thínghiệm kiểm tra các tính chất của bê tông cốt sợi thép Khối lượng sợi thép dùng trongkhoảng từ 90 ÷ 120 kg/m3 bê tông Với mật độ sợi cao, khó khăn chính gặp phải là sợi

sẽ cuộn lại thành cục trong quá trình trộn, nhất là khi dùng sợi dài.

Bê tông khi sử dụng cốt sợi thép có ưu điểm làm tăng khả năng kháng uốn và cường

độ nén cao hơn bê tông thông thường Tuy nhiên, nhược điểm của việc dùng cốt sợithép là làm cho độ dẻo của hỗn hợp bê tông giảm, gây khó khăn trong thi công, làmtăng trọng lượng của bê tông, không phù hợp với những công trình yêu cầu bê tôngnhẹ Khuynh hướng này ảnh hưởng đến chất lượng của bê tông, đặc biệt, với một sốlượng cao Để khắc phục hiện tượng này Ramakrishman và các cộng sự của ông đãdùng các loại phụ gia dẻo giảm nước cho với một lượng nhỏ để điều chỉnh tính dẻo

1.3.2.2 Cốt sợi Thủy tinh

Sợi thủy tinh được sử dụng chủ yếu để sản xuất các tấm bê tông phẳng cốt sợi Nhữngloại sợi thủy tinh E - Glass sử dụng trong bê tông đều bị phân hủy trong môi trườngkiềm của xi măng Poóclăng Chính vì vậy, một loại sợi thủy tinh bền kiềm (sợi thủytinh kháng kiềm AR - Glass Fiber) được sản xuất để thay thế sợi thủy tinh E - Glasstrong bê tông cốt sợi thủy tinh

Khi sử dụng cốt sợi thủy tinh, bê tông sẽ có ưu điểm hơn so với các loại bê tông cốtsợi khác như Poly-Propylene Fiber, Steel Fiber đó là: Cường độ uốn, kéo và va đậpcao hơn; sợi thủy tinh nhẹ hơn làm giảm sức nặng của công trình, làm tăng khả năngchống lại sự phá hủy của môi trường có các tác nhân hóa học, đặc biệt là không xảy rahiện tượng ăn mòn cốt thép của ion Clo; bê tông cốt sợi thủy tinh không bị gỉ, không

bị ăn mòn, bền trong môi trường nước và thân thiện với môi trường Đây là loại bêtông cốt sợi rất phù hợp với đặc điểm, tính chất làm việc của các công trình Thủy lợi,cần được nghiên cứu kĩ để áp dụng vào thực tiễn

Hình 1.13 Sợi thủy tinh trong sản xuất bê tông cốt sợi Thủy tinh

1.3.2.3 Cốt sợi tổng hợp Polyme

Sợi tổng hợp Polyme được sản xuất từ các sản phẩm của công nghệ dầu mỏ và côngnghệ dệt Những loại sợi Polyme đã sử dụng với vật liệu nền xi măng gồm: Acrylic,Aramid, Nylon, Polyester, Polyethylen và Polypropylen

Các loại sợi tổng hợp Polyme có cường độ chịu kéo cao, nhưng hầu hết các sợi này cómôđun đàn hồi thấp Đường kính của sợi rất nhỏ nên tỉ số chiều dài trên đường kính sợi

là cao, chúng rất có ích đối với sự gia cường bê tông Những thuận lợi của các loại sợiPolyme là khả năng bền trong môi trường kiềm của xi măng Tuy nhiên, điểm bất lợi làmôđun đàn hồi thấp, tính bám dính với vật liệu nền kém, nhạy cảm với bức xạ mặt trời

và bị oxy hóa

Theo Balaguru, Bohra, Khajuria đã nghiên cứu độ bền sau 10 năm của các tấm ximăng gia cường bằng các sợi Polypropylen, Nylon, Polyester Mẫu thử được chế tạovới sợi có độ dài 19 mm, hàm lượng xi măng 307 kg/m3, tỉ lệ nước/xi măng N/X =0,57; mẫu được bảo dưỡng sau 28 ngày và sau đó thử độ bền theo các chu kỳ 0; 4; 8;16; 32; 52 tuần lễ, điều kiện mẫu thử ngâm trong nước vôi bão hòa ở nhiệt độ 50oC.Cường độ chịu uốn tối đa của bê tông cốt sợi tổng hợp theo các chu kỳ thử độ bềnđược giới thiệu trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Cường độ chịu uốn tối đa của bê tông cốt sợi tổng hợp theo các chu kỳ thử

o P ol

hồi thấp, tuổi thọ công trình giảm khi chịu tác nhân từ bức xạ mặt trời và oxy hóa Mặtkhác, giá thành bê tông sử dụng cốt sợi này cao hơn so với một số loại sợi khác.

1.3.2.4 Cốt sợi Cacbon

Sợi Cacbon có giá thành cao hơn sợi Polyme nên việc sử dụng chúng để gia cường chovật liệu nền xi măng bị hạn chế Sợi Cacbon có môđun đàn hồi cao như sợi thép,chúng rất nhẹ, tỉ trọng khoảng 1,9 g/cm3 và đặc biệt là bền vững trong hầu hết các môitrường hóa học Sợi Cacbon được sản xuất thành bó sợi, có trên 12.000 sợi nhỏ riêngbiệt Sợi Cacbon có cường độ và môđun đàn hồi cao hơn so với các loại sợi Polyme.Một số công trình tại Nhật đã dùng các tấm bê tông sợi Cacbon làm vật liệu bao checho các tòa nhà cao tầng Tuy nhiên, sợi Cacbon nhào trộn thường khó khăn, chúng cókhuynh hướng cuộn tròn và phân tán không đồng nhất, đặc biệt khi hàm lượng theo thểtích sợi lớn hơn 3% Cường độ chịu uốn của bê tông cốt sợi cacbon được giới thiệutrong bảng 1.5

Bảng 1.5 Cường độ chịu uốn của bê tông cốt sợi cacbon

C ư ờ n g

C ư ờ n g

30Khi sử dụng sợi Cacbon, Bê tông cốt sợi sẽ có ưu điểm: khả năng kháng uốn tăng,cường độ chịu nén và chịu kéo cao hơn bê tông thường, kéo dài tuổi thọ công trìnhtrong điều kiện môi trường bất lợi, hạn chế hiện tượng nứt gãy, phù hợp với các côngtrình yêu cầu bê tông nhẹ Tuy nhiên, nhược điểm của bê tông cốt sợi Cacbon là giá

Hình 1.14 Mô phỏng sợi cacbon phóng to.

1.3.2.5 Cốt sợi Bazan

Theo Tiến sĩ Djcgiric và Makhova, sợi Bazan và các vật liệu từ sợi Bazan có tính cách

ẩm, cách nhiệt, tính kết cấu cao Sợi Bazan hơn hẳn các loại sợi khác về độ bền nhiệt.Giới hạn nhiệt sử dụng của sợi Bazan từ 269°C - 900°C, trong khi đó sợi thủy tinh là60°C - 450°C Độ hút ẩm của sợi Bazan nhỏ hơn 1%, còn của sợi thủy tinh tới 10 ÷20% Về tính bền thủy phân sợi Bazan được xếp vào nhóm đầu, còn về tính bền axít,bazơ và hơi nước, sợi Bazan hơn hẳn một số loại sợi khác Do những tính chất cơ lýcao, sợi Bazan dùng để sản xuất các loại bê tông sẽ đem lại hiệu quả cao Sợi Bazanlàm cốt cho bê tông với vai trò như đối với sợi thủy tinh và sợi Cacbon, nhưng sợiBazan có cơ tính tổng hợp tốt hơn sợi thủy tinh, trong khi chi phí thấp hơn so với sợiCacbon Loại sợi này cũng được dùng rất tốt trong các sản phẩm Composite Polymecốt sợi Bazan (BFRP) chống cháy nổ cho công nghiệp hàng không, công nghiệp ô tô,công nghiệp dầu khí và kỹ thuật quân sự

Ưu điểm của loại sợi này là: Độ bền cao, mô đun đàn hồi cao, khả năng chống chịu vachạm tốt, chi phí cho sửa chữa bê tông thấp và có thể thay thế sợi Cacbon trong nhiềuứng dụng, chịu nhiệt độ cao và khả năng chống chịu tác động của ánh sáng tốt, độ bềnmỏi cao và chống ăn mòn hóa học tốt, dễ dàng kiểm soát quá trình sử dụng, thân thiệnvới môi trường, không có vấn đề ô nhiễm khi phải hủy sợi Bazan và có thể tái chếđược, an toàn cho sức khỏe con người và động vật, tương thích với nhiều loại nhựa -

Polyester không no, Vinyl ester, Epoxy, Phenol, chống chịu hóa chất tốt hơn so với sợithủy tinh E - Glass.

Bê tông cốt sợi Bazan có những ưu điểm hơn một số loại bê tông khác về điều kiệnbền nhiệt, kéo dài tuổi thọ công trình, tăng khả năng kháng uốn và cường độ kéo caohơn bê tông thông thường Tuy nhiên, nhược điểm của loại bê tông này đó là: cường

độ chịu nén của bê tông giảm, đặc biệt giảm mạnh với hàm lượng thể tích sợi 4%;cường độ chịu kéo không tăng khi sử dụng 1% - 2% và giảm khi sử dụng 3% - 4% cốtsợi Bazan; gây khó khăn trong công tác thi công bởi sợi Bazan phân bố không đồngđều, làm tăng độ xốp của bê tông

Hình 1.15 Sợi bazan dạng xắt nhỏ dùng cho sản xuất bê tông cốt sợi bazan BFRC

1.3.2.6 Cốt sợi Xenlulo

Sợi thực vật được chú ý sử dụng là sợi Xenlulo, loại sợi này có tính bền cơ học khácao Sợi Xenlulo tồn tại ở dạng sợi Polyme mạch zic zac, khi có tác dụng cơ học vàothì lập tức sợi Polyme dạng này sẽ co lại để chống lại lực tác dụng bên ngoài, sự co lạinày hình thành nên dạng xoắn khi mạch Xenlulo có xu hướng bị tương tác lực theohướng xoắn Quá trình co rút của sợi Xenlulo sẽ được khôi phục trong tình trạngnguyên thủy một cách dễ dàng hơn khi ta thay đổi các điều kiện bên ngoài Sợi

Qua nghiên cứu sử dụng, dạng sợi Xenlulo đã gặp phải khó khăn là sự thay đổi độ ẩmtrong sợi Xenlulo Trong những năm 1970, ở Na Uy và Phần Lan, những nhà sản xuất

đã thành công trong việc sử dụng sợi Xenlulo cùng với một lượng nhỏ sợi Polypropylen.Theo P Soroushian và S Marikunte đã tiến hành nghiên cứu Xi măng - Xenlulo (sửdụng 2% khối lượng bột giấy Kraft) Thí nghiệm cường độ chịu uốn được thực hiện tạicác chu kỳ nhiệt ẩm khác nhau Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng, các chu kỳ ẩmnhiệt được lặp đi lặp lại có ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ chịu uốn của Ximăng - bột giấy Kraft, nhưng lại làm giảm tính dẻo và làm vật liệu trở nên giòn hơn

Bê tông sử dụng cốt sợi Xenlulo có ưu điểm làm tăng cường độ kéo và khả năng khánguốn, giá thành hợp lý do tận dụng được các loại cốt sợi nền vật liệu địa phương Tuynhiên, bê tông cốt sợi Xenlulo có nhược điểm: Tuổi thọ công trình giảm do cốt sợiXelulo của bê tông bị phá hủy dưới tác nhân nhiệt độ và độ ẩm thay đổi, tính dẻo của

bê tông bị giảm và bê tông trở nên giòn hơn (cường độ nén giảm)

1.3.3 Phân loại bê tông cốt sợi

Theo cường độ nén bê tông:

- Bê tông cốt sợi có cường độ nén trung bình: Rn = 25 ÷ 50 MPa

- Bê tông cốt sợi cường độ cao: Rn = 60 ÷ 100 MPa

- Bê tông cốt sợi siêu cường độ: Rn = 120 ÷ 800 MPa

Theo hàm lượng cốt sợi:

- Bê tông cốt sợi từ 0,25 ÷ 2,5 %

- Bê tông nhiều cốt sợi từ 10 ÷ 25 %

Theo chất kết dính:

- Bê tông xi măng cốt sợi

- Bê tông polyme cốt sợi

Theo các loại cốt sợi được sử dụng:

- Bê tông cốt sợi Thép - Bê tông cốt sợi Thủy tinh.

- Bê tông cốt sợi Polyme - Bê tông cốt sợi Bazan

- Bê tông cốt sợi Xenlulo - Bê tông cốt sợi Cacbon

1.3.4 Những đặc trưng cơ bản của bê tông cốt sợi

1.3.4.1 Tính năng kỹ thuật

Khả năng chịu kéo: Bê tông thông thường chịu kéo kém, khi sử dụng một phần cốt sợithay thế trong thành phần bê tông sẽ cải thiện đặc tính của bê tông đó là tăng cườngkhả năng chịu kéo cho bê tông

Hình 1.16 Khả năng chịu kéo của bê tông cốt sợiTính dẻo dai: Bê tông là vật liệu giòn nên sự có mặt của cốt sợi trong cấu trúc bêtông sẽ

làm tăng cường tính dẻo dai cho bê

tông

Hình 1.17 Tính dẻo dai của bê tông cốt sợi