NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP DÙNG LÀM NỀN NHÀ XƯỞNG CÔNG NGHIỆP

Thí nghiệm xác định các tính chất của bê tông cốt sợi thép như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ dẻo dai thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu và thiết kế hỗn hợp bê tông cốt sợi thép ứng dụng làm nền nhà xưởng công nghiệp. So sánh rút ra kết luận cho những tính chất vượt trội bê tông cốt sợi thép so với bê tông thông thường. Kết luận và kiến nghị. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 012019 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 052019 5. Họ và tên giảng viên hướng dẫn: PGS. TS TRẦN VĂN MIỀN Nội dung và yêu cầu luận văn tốt nghiệp đã được thông qua bộ môn. Ngày…… tháng…… năm…… Thí nghiệm xác định các tính chất của bê tông cốt sợi thép như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ dẻo dai thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu và thiết kế hỗn hợp bê tông cốt sợi thép ứng dụng làm nền nhà xưởng công nghiệp. So sánh rút ra kết luận cho những tính chất vượt trội bê tông cốt sợi thép so với bê tông thông thường. Kết luận và kiến nghị. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 012019 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 052019 5. Họ và tên giảng viên hướng dẫn: PGS. TS TRẦN VĂN MIỀN Nội dung và yêu cầu luận văn tốt nghiệp đã được thông qua bộ môn. Ngày…… tháng…… năm……

Trang 1

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGÀNH : CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT VẬT LIỆU

1 Đầu đề luận văn:

“NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP DÙNG LÀM NỀN NHÀ XƯỞNG CÔNG NGHIỆP ”.

2 Nhiệm vụ luận văn:

Thí nghiệm xác định các tính chất của bê tông cốt sợi thép như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ dẻo dai thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Nghiên cứu và thiết kế hỗn hợp bê tông cốt sợi thép ứng dụng làm nền nhà xưởng công nghiệp So sánh rút ra kết luận cho những tính chất vượt trội bê tông cốt sợi thép so với bê tông thông thường Kết luận và kiến nghị

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01/2019

5 Họ và tên giảng viên hướng dẫn: PGS TS TRẦN VĂN MIỀN

Nội dung và yêu cầu luận văn tốt nghiệp đã được thông qua bộ

môn Ngày…… tháng…… năm……

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) TS Bùi Phương Trinh PGS TS Trần Văn Miền PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ):

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Trang 2

Sau khoảng thời gian học tập 4 năm tại trường Đại học Bách Khoa TpHCM, trước hết em xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ tận tình của các thầy

cô trong bộ môn Vật Liệu Xây Dựng đã truyền đạt cho chúng em những kiến

thức nền tảng và chuyên sâu rất quý giá của ngành.

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Văn Miền, người đã

hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất về cả vật chất lẫn chuyên môn để chúng em có thể thực hiện và hoàn thành tốt Luận Văn Tốt Nghiệp này.

Bài Luận Văn Tốt Nghiệp này được hoàn thành dưới sự nỗ lực tối đa của nhóm nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tân tụy của thầy hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn, bạn bè và gia đình Vì đây là đề tài khoa học cấp kỹ sư, tính chuyên môn cao, đòi hỏi sự hiểu biết tổng quát trong nhiều lĩnh vực và kinh nghiệm nghiên cứu phong phú nên sẽ có nhiều sai sót mà chúng em khó tránh được Chúng em mong nhận được sự góp ý thẳng thắn và nhận xét của các thầy cô trong hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp.

Ngày 26 tháng 12 năm 2018 Nhóm nghiên cứu

Nguyễn Trung Tín

Nguyễn Văn Chiến

Trang 3

Giảng viên hướng dẫn

Trang 4

Giảng viên phản biện

Trang 9

Tỷ lệ L/D Tỷ lệ chiều dài sợi thép trên đường kính sợi.

Tỷ số N/X Tỷ số giữa nước trên chất kết dính

SFRC Steel Fibre Reinfored Concrete

JSCE Hiệp hội kỹ sư dân dụng Nhật Bản

Trang 11

Chương II TỔNG QUAN

II.1 Tổng quan về bê tông cốt sợi thép

Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam nhu cầu xây dựng ngày cànggia tăng, các công trình qui mô ngày càng lớn đòi hỏi phải có loại bê tông có tínhnăng cao Các loại bê tông này phải đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật như cường độcao, độ dẻo dai cao, ổn định kích thước, bám dính tốt, không phân tầng, khôngtách nước, không rạn nứt, chịu được uốn, chịu kéo, chịu cắt

Với điều kiên môi trường tại Việt Nam khí hậu nhiệt đới ẩm hiện nay, nhiềucông trình hoặc các bộ phận kết cấu đã phát sinh vết nứt ngay trong giai đoạn thicông hoặc chỉ sau một thời gian sử dụng rất ngắn Như vậy có một nhu cầu rấtquan trọng đó chính là phòng tránh và xử lí các dạng vết nứt phát sinh trong quátrình thi công và khai thác các công trình bê tông cốt thép

Hình I-1 Các vết nứt phát sinh sau một thời gian đưa vào sử dụng

[1]

Những nguyên nhân gây ra vết nứt đối với cấu kiện bê tông có thể đượcbiết như là cường độ chịu kéo kém của bê tông, co ngót, từ biến hoặc tại các vịtrí đặc biệt trong kết cấu chịu ứng suất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thôngthường không đủ khả năng chịu lực, ví dụ như bản mặt cầu bằng bê tông cốtthép, ụ neo cáp của cầu dây văng… Việc phát sinh vết nứt không chỉ làm ảnhhưởng đến khả năng chịu lực của cấu kiện mà còn dễ dàng bị nước xâm thực vàolàm phá vỡ các liên kết và hư hỏng cấu kiện Bên cạnh đó, bê tông thông thường

dễ bị mài mòn cao và khả năng chống va đập kém Do đó bê tông dễ bị phá hủy

SVTH: NGUYỄN TRUNG TÍN – 1513498 Trang 11 NGUYỄN VĂN CHIẾN – 1510299

Trang 12

và chất lượng tuổi thọ công trình bị giảm xuống Điều này rõ ràng là đều khôngmong muốn đối với bất kỳ kết cấu công trình xây dựng nào.

Để giải quyết vấn đề này, người ta đã sử dụng rất nhiều biện pháp như: sửdụng cốt thép dự ứng lực để gia cường cho bê tông, dùng các chất phụ gia chống

co ngót, hay bố trí các loại cốt thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết… Tuy nhiêncác giải pháp trên không phải trường hợp nào cũng có thể phát huy được tácdụng của nó Bên cạnh đó các nhà khoa học còn tìm các giải pháp tăng cườngkhả năng chịu lực của bê tông thông qua việc thay đổi một số tính chất của vậtliệu này như thêm vào bê tông một số cốt liệu muội silic, các loại sợi…

Trong các giải pháp trên giải pháp tăng cường bê tông bằng các vật liệudạng sợi là một ý tưởng được các nhà nghiên cứu trên thế giới đặc biệt quan tâm.Riêng đối với ngành xây dựng ở Việt Nam thì đây là một vấn đề khác mới mẻ.Trong rất nhiều các loại sợi sử dụng cho mục đích gia cường bê tông thì sợithép là lựa chọn khá hợp lý vì giá thành rẻ hơn so với sợi cacbon, sợi thủy tinh

và khả năng chịu lực lớn hơn so với sợi chất dẻo, sợi thực vật

Bên cạnh đó, bê tông và thép là hai loại vật liệu đã được ứng dụng rộng rãi,khả năng làm việc chung với nhau của chúng rất hợp lý đã được nghiên cứu đầy

đủ Sợi thép có thể thay thế phần nào các thanh cốt thép trong kết cấu bê tông cốtthép và đem lại một số tính chất ưu việt

Bê tông cốt sợi thép (BTCST) ở đây được định nghĩa như là một hỗn hợpgồm hai thành phần chính bê tông thông thường và vật liệu cốt sợi thép Trong

đó các tính chất cơ bản của vật liệu bê tông vẫn được đảm bảo và cốt sợi đượcxem như vật liệu gia cường trong hỗn hợp bê tông Nhiều nghiên cứu đã chứng

tỏ hiệu quả dùng cốt sợi trong việc tăng cường độ, tăng tính dẻo của bê tông.Giúp cho cấu kiện làm việc hiệu quả hơn và kéo dài tuổi thọ của công trình

Trang 13

Hình I-2 Bê tông cốt sợi thép [2]

Chi phí sửa chữa khi sử dụng cốt thép tông thường có thể được tiết kiệmkhi sử dụng bê tông cốt sợi Cũng có thể có lợi ích về sức khỏe và an toàn dogiảm xử lý cốt thép Ngoài ra, có thể tránh được các sai lầm bởi thi công sai cốtthép ở dưới sàn

Tác dụng của sợi đối với bê tông phụ thuộc vào hàm lượng sợi được sửdụng [10]:

• Hàm lượng sợi thấp có tác dụng giảm phát sinh các vết nứt, phù hợpkhi dùng cho những kết cấu có bề mặt rộng và mỏng (tấm sàn, bãi đểhàng, bãi đậu xe…)

• Hàm lượng sợi trung bình có tác dụng làm tăng độ dẻo dai, tăng khảnăng chống va chạm, làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng và tăngkhả năng chịu mỏi cho bê tông khi chống chịu tải trọng động

• Hàm lượng sợi cao có tác dụng làm thay đổi tính chất ứng sử của vậtliệu bê tông cũng như thay đổi hình thức phá hủy của bê tông theohướng có lợi Cho phép sản xuất các sản phẩm bê tông chất lượng cao(dùng gia cố công trình, chống chịu tải trọng động, chấn động hayđộng đất, chống chịu cháy nổ

Trang 14

Hình I-3 Mô hình làm việc khi chịu uốn của mẫu dầm bê tông cốt sợi thép [3]

II.2 Ứng dụng của bê tông cốt sợi thép.

Dù có nhiều ưu điểm nhưng trong một số trường hợp, bê tông cốt sợi thépkhông thể thay thế hoàn toàn bê tông cốt thép thông thường, như trong trườnghợp chịu ứng suất kéo lớn Bê tông cốt sợi thép cũng không thể thay thế được bêtông cốt thép dự ứng lực nhưng lại có thể kết hợp tạo thành bê tông cốt thép dựứng lực pha sợi thép với những tính năng chịu lực đặc biệt

Sử dụng bê tông cốt sợi thép sẽ cải tiến các đặc tính chịu lực của bê tông.Trong những trường hợp có yêu cầu riêng về độ ổn định, về hạn chế cốt théphoặc trong những công trình cần phải gia cường (bê tông phun làm vỏ hầm, vỏtàu thủy), bê tông cốt sợi thép là giải pháp hợp lý

Những ưu điểm khác của bê tông cốt sợi thép:

• Giảm biến dạng do từ biến và biến dạng do co ngót

• Tiết kiệm chi phí nhân công và trang thiết bị

• Giảm nguy cơ nứt, hạn chế phát triển các vết nứt nhỏ hay vết nứt tế vi

• Tăng các giá trị độ bền kéo, uốn, nén, xoắn, cắt

• Tăng khả năng chống chịu va chạm, va đập

• Tăng khả năng chịu mỏi, tăng độ bền mỏi

• Tăng cường độ dẻo dai và hấp thụ năng lượng Nhờ đó tăng khả năngchống chịu chấn động và tải trọng động

Trang 15

• Tăng khả năng chống mài mòn, giảm thiểu hiện tượng nứt vỡ ở khu vựcdọc theo gờ mép sàn (sân, bãi, ).

• Tăng tuổi thọ phục vụ của bê tông

Bê tông cốt sợi thép còn ứng dụng cho các cấu kiện chịu lực tập trung lớn,khu vực chịu lực cắt lớn, sàn trên nền đất, sàn trên nền cọc, làm nền vỉa hè Tiềmnăng của bê tông cốt sợi thép vào công trình xây dựng, đặc biệt là sàn nhà trênnền đất yếu nơi bị ảnh hưởng bởi sự tương tác của cấu trúc đất, như là sự lúnkhác nhau của nền đất, nứt, khả năng chịu lực lâu dài,… có thể được cải thiệnkhi sử dụng sợi thép gia cường vào trong bê tông

II.2.1 Tổng quan về sử dụng bê tông cốt sợi thép trong công trình [10]

 Kết cấu và cấu kiện đúc sẵn

Bê tông cốt sợi thép ứng dụng trong nhiều dạng kết cấu

Ứng dụng cả 2 dạng vật liệu:

• Gia cường bê tông kết hợp sợi thép và cốt thép thanh

• Gia cường bê tông bằng sợi thép

• Có tải trọng gây uốn diện tích không lớn

• Những chỗ không thể phân bố co ngót hoặc bố trí cốt thép

Sử dụng bê tông cốt sợi thép cho các cấu kiện dẫn đế việc giảm cốt thép,đồng thời đáp ứng đủ yêu cầu về gia cường cấu kiện khi chịu các ứng suất lớnnhất

Những ưu điềm của bê tông cốt sợi thép đặc biệt phù hợp với sản xuất tấmtường mỏng, cấu kiện nhỏ và vừa

Ứng dụng bê tông cốt sợi thép làm giảm kích thước cấu kiện, giảm khốilượng các cấu kiện

Bê tông cốt sợi thép có cường độ sớm lớn phù hợp với quá trình sản xuấthàng loạt

Bê tông cốt sợi thép có khả năng chống cắt lớn nên có thể giảm hoặc thậm chíloại bỏ cốt xiên trong cấu kiện không chịu lực lớn

Trang 16

Giảm co ngót và giảm nứt đáng kể nên bảo vệ cốt thép tốt hơn khi chịu tácđộng của điều kiện môi trường.

Hình I-4 Tấm sàn bê tông đúc sẵn cốt sợi thép [4]

 Kết cấu mặt đường và tấm sàn công nghiệp:

Khi sử dụng bê tông cốt sợi thép do không phải đặt các lưới thép nên có thểgiảm chiều dày các lớp bê tông bảo vệ, dẫn đến chiều dày tấm bản có thể giảm sovới kết cấu bê tông thông thường Chiều dài trung bình của tấm sàn bê tông cốtsợi thép là 15 - 25cm Với diện tích sử dụng lớn, chịu được tải trọng lớn nênđược ứng dụng rộng rãi làm tấm sàn cho bãi chứa hàng, bãi chứa container hạngnặng

Với những đặc tính cơ học đặc biệt: độ nhám, khả năng chống va chạm vàkhả năng chống ăn mòn bề mặt, bê tông cốt sợi thép là một giải pháp thực thếhơn so với bê tông cốt thép

Để giảm hiện tượng nứt trong các tấm sàn gây ra bởi các hiện tượng như thayđổi thời tiết, ta cần phải sử sụng một lượng tương đối lớn cốt thép, nhưng vấn

đề này có thể giải quyết ổn thỏa khi sử dụng bê tông cốt sợi thép

Trang 17

Hình I-5 Thi công sàn bê tông cốt sợi thép [5]

 Đường ống:

Gia cường sợi thép có thể giảm các vết nứt sinh ra do ảnh hưởng của nhiệt

độ và co ngót

Các ưu điểm được khai thác:

• Cải thiện khả năng chịu uốn

• Không cần sử dụng cốt thép

• Hạn chế sai sót trong quá trình chế tạo

• Tạo cường độ cao sớm

• Giảm lỗi chế tạo

Khả năng chống phá hoại bề mặt và độ bền kéo của bê tông cốt sợi thép đãđược dùng để sửa chữa và bảo dưỡng kết cấu

Trang 18

Hình I-6 Đường ống bằng bê tông cốt sợi thép [6]

 Ổn định mái dốc

Khi sử dụng tường chắn xây dựng bằng đá trong trong thới gian lâu dài,dưới tác động của môi trường và điều kiện tự nhiên sẽ dẫn đến hiện tượng phonghóa

Tường chắn phải luôn ổn định và bền vững trong các trường hợp chịu tácđộng của môi trường Vì vậy phải sử dụng loại vật liệu có khả năng chịu lực hợp

lý và độ bền cao

Bê tông cốt sợi thép được sử dụng để cho ổn định mái dốc vì :

• Thuận lợi trong mọi địa hình thi công

• Tăng độ dính bám, liên kết giữa bê tông và đá

• Chống va chạm và chống phá hủy bề mặt cao phù hợp bảo vệ đá khỏi sự ảnh hưởng của nước mưa, lũ đồng tời tăng tính kiền khối và giảm sự phong hóa của đá

Trang 19

Hình I-7.Ổn định mái dốc bằng bê tông phun cốt sợi thép [7]

 Sửa chữa và gia cố công trình

Bê tông cốt sợi thép phù hợp cho công việc duy tu và sửa chữa các côngtrình, được ứng dụng dưới 2 dạng:

• Bê tông phun

• Bê tông tông thường

Bê tông phun sử dụng cốt sợi có ưu điểm về chất lượng, tiết kiệm nguyênliệu, đảm bảo tốc độ phun cao, dễ dàng và an toàn trong thi công

Bê tông cốt sợi thép có thể kết hợp bê tông cốt thép thông thường để duy

tu, sửa chữa

Hình I-8 Hầm thi công bằng công nghệ phun vảy [8]

Trang 20

Một số công trình ở Việt Nam đã ứng dụng bê tông cốt sợi thép.

• Dự án Inax Vietnam 2009- Bình Dương Nhà thầu chính Shimizu –Nhật Bản

• Dự án Nissho Precision Factory tại Singapore Industrial Park

• Dự án Kyoshin Vietnam-Nội Bài Nhà thầu chính Maeda – Nhật Bản

• Hầm đường bộ Hải Vân là công trình nổi bật ứng dụng công nghệ bêtông cốt sợi

Hình I-9 Hầm Hải Vân [9]

• Dự án Fukoku - Khu công nghiệp Nội Bài Nhà thầu chính Maeda

Hình I-10 Khu công nghiệp Nội Bài [9]

Trang 21

• Nhà máy Diana tại Bắc Ninh- UNICON

Hình I-11 Nhà máy Diana [9]

II.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

II.3.1 Trong nước

Tại Việt Nam trong 20 năm trở lại đây các nhà khoa học trong nước đã cónhiều công trình nghiên cứu về bê tông cốt sợi thép nhằm đưa sản phẩm này vào

áp dụng thị trường Việt Nam có thể kể đến một số nhóm nghiên cứu chính củaViện KHCN Xây dựng, Viện KHCN GTVT, Trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội,Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Tác giả PGS.TS Nguyễn Văn Chánh và PGS.TS Trần Văn Miền [10] đãnghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi trên nền vật liệu xây địa phương, trong đó đãnghiên cứu tính chất hỗn hợp của bê tông phụ thuộc nhiều vào loại sợi và hàmlượng sợi sử dụng, áp dụng thí điểm bê tông có sử dụng cốt sợi để chế tạo nhữngcấu kiện lớn, và nghiên cứu các tính chất của những cấu kiện này trong điều kiệnlàm việc cụ thể của công trình xây dựng Với cùng tỉ số N/X, cường độ chịu néncủa mẫu SFRC cao hơn so với mẫu bê tông thường Cường độ chịu nén của bêtông tăng lên khi hàm lượng sợi thép tăng từ 60 lên 120kg/m3 Sự chênh lệchcường độ chịu nén giữa bê tông thường và SFRC ở những ngày đầu là chưa caotuy nhiên càng về sau thì sự chênh lệch này khá lớn và tăng dần lên

Trang 22

Hình I-12 Ảnh hưởng của lượng sợi thép đến cường độ chịu nén của SFRC [10]

Hình I-13 Ảnh hưởng của lượng sợi thép đến cường độ chịu uốn của SFRC [10]Tác giả PGS TS Nguyễn Viết Trung, TS Nguyễn Ngọc Long và ThS.Phạm Duy Anh [11] đã nghiên cứu các tính chất vật lý và ứng dụng của bê tôngcốt sợi thép với nhiều hàm lượng sợi khác nhau với loại sợi sử dụng là sợi 3D, bêtông mác 40, từ đó đưa ra nhận xét và ứng dụng bê tông cốt sợi thép vào cáccông trình xây dựng và cấu kiện bê tông đúc sẵn, đồng thời tác giả đã đưa ra các

cợ sở tính toán cho bê tông cốt sợi thép Từ những nghiên cứu đó, tác giả đã đưa

ra các biểu đồ

Trang 23

Hình I-14 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu nén và ngày tuổi với các hàm

lượng sợi khác nhau [11]

Hình I-15 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi uốn Rku và hàm lượng

cốt sợi thép theo nhóm ngày tuổi [11]

Tác giả Hồ Đức Duy, Hồ Hữu Chỉnh, Bùi Công Thành [12], đã nghiên cứuthực nghiệm khả năng chịu uốn của kết cấu bê tông cốt thép có gia cường sợithép có chiều dài L = 38mm, d =1.2mm và có tỷ lệ L/D = 32 với hàm lượng sửdụng là 0, 30, 60, 90 kg/m3 Từ đó đưa ra phương pháp tính toàn khả năng chịu

Trang 24

lực uốn của kết cấu bê tông cốt thép có gia cường sợi thép Kết quả thí nghiệmcho thấy việc gia cường sợi thép vào trong bê tông sẽ nâng cao tính chất cơ lýcho bê tông, đặc biệt làm cho bê tông dẻo dai hơn,ảnh hưởng rất nhiều đến sựhình thành và phát triển của khe nứt Khi so sánh hàm lượng sợi thép thay đổitrong khoảng 30 – 90 kg/m3 với bản bê tông cốt thép thường, cường độ chịu néntăng 7 - 17%, cường độ chịu kéo khi uốn tăng 11 – 24%, dẫn đến khả năng chịuuốn bản sàn tăng 11 – 34%.Trong thí nghiệm uốn dầm, mẫu không có sợi pháhoại đột ngột khi bê tông bị nứt, còn với mẫu có sợi, khe nứt hình thành chậm,phát triển từ từ và mẫu không bị gãy rời Độ võng cực hạn tại giữa nhịp khi mẫuphá hoại tăng hơn 6 lần so với bê tông thường.

Tác giả Nguyễn Mạnh Phát có nghiên cứu về sự tương tác giữa vật liệu nền

và cốt sợi trong chế tạo bê tông xi măng cốt sợi phân tán lên Tạp chí xây dựng sốtháng 10/2007

Phạm Duy Anh Đại học Giao Thông Vận Tải [13] nghiên cứu thành phần,tính chất cơ học vật liệu và ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao dùng cốtsợi thép loại Dramix có đường kính 0.2mm, chiều dài 13mm, giới hạn chảy 2000MPa với hàm lượng sợi thép dùng là 2% theo thể tích bê tông để ứng dụng dùngtrong kết cầu Nội dung nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cường độ cao cốtsợi thép, nghiên cứu cường độ nén, cường độ kéo khi uốn, mô đun đàn hồi Từcác kết quả thí nghiệm được tổng hợp và phân tích tìm ra công thức thử nghiệm,

mô hình cơ học và điều chỉnh phù hợp trong việc để nghiên cứu thiết kế bê tôngcường độ cao cốt sợi thép dùng cho kết cấu cầu

Trang 25

số lượng sợi thép tham gia làm việc chưa đủ, nên ứng suất tiếp tục giảm theođường 2 Khi lượng sợi tham gia làm việc đủ, BTCST chịu lực uốn hoàn toànthông qua lực ma sát của sợi và lực chịu kéo của sợi thép Lúc này, thiết kế 2 đầuneo và cường độ chịu kéo lớn 1100 MPa phát huy tác dụng Khả năng chịu uốncủa cấu kiện tăng theo đường

Khả năng chịu lực của BTCST – đỉnh của đường 3 thậm chí còn có thể lớnhơn khả năng chịu lực của bê tông thông thường – đỉnh đường 1 Khi ứng suấtcủa BTCST đạt tới giới hạn, cấu kiện bắt đầu xuất hiện phá hoại, ở các vết nứtxuất hiện điểm phá vỡ tại ngay chân của sợi thép - secondary crack Biểu đồ từ

từ đi xuống theo đường 4, đây là sự phá hoại dẻo khi độ võng tại thời điểm pháhoại là rất lớn Ưu điểm lớn nhất của BTCST là năng lượng phá hoại có thể lớnhơn gấp 40 lần so với bê tông thường Năng lượng phá hoại là tích của ứng suất

và chuyển vị, đơn vị là J/kJ Diện tích vùng màu vàng – đặc trưng cho nănglượng phá hoại BTCST lớn hơn gấp 40 lần so với diện tích vùng gạch chéo của

bê tông thường Nhờ tính chất này nên khi các cấu kiện sàn nền bê tông chịu lực,

Trang 26

xuất hiện sự luân chuyển ứng suất ra các khu vực lân cận, giúp giảm và khôngxuất hiện vết nứt phá hoại (như hình) [14].

Cả 2 giai đoạn đều bị ảnh hưởng thể tích sợi Vf và tỉ lệ l/df

Vf < 0,5% và l/df < 50, sợi có ảnh hưởng nhỏ đến cường độ chịu kéo khiuốn của bê tông mặc dù chúng vẫn có thể có ảnh hưởng đến độ dẻo của bê tông.Nguyễn Trung Hiếu [15] đã đăng bài nghiên cứu của mình trên tạp chí khoahọc công nghệ xây dựng số 22 (12/2014) trình bày về nội dung nghiên cứu hiệuquả sử dụng cốt sợi thép trong việc hạn chế vết nứt kết cấu bê tông do biến dạng

co ngót Để phục vụ nghiên cứu tác giả dùng sợi thép tròn có chiều dài l =50mm, d = 0.75mm và có móc hai đầu để tăng độ bám dính với bê tông, hàmlượng sợi thép nghiên cứu là 40 kg/m3 sau đó đúc mẫu bê tông cốt sợi thép đểtiến hành thí nghiệm đo co ngót bê tông bằng vòng kiềm chế

Hình I-17 Biến dạng của vòng kiềm chế [15]

Trang 27

Bê tông cốt sợi thép là một vật liệu gần đây được trang bị tốt cho các ứng dụngtrong sàn công nghiệp trên nền đất Chi phí sợi được bù đắp bởi quá trình xây dựngnhanh hơn và giảm số lượng khe co giãn Độ mỏi, va đập và cường độ uốn được cảithiện đáng kể khi sợi thép được thêm vào hỗn hợp bê tông Sàn công nghiệp là loạikết cấu trong đó ứng dụng bê tông cốt sợi thép (SFRC) là lợi thế.

Tất cả các công trình nghiên cứu được công bố đã chứng minh rằng việc bổsung các sợi thép vào bê tông giúp cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chịu tảitrọng động, tuần hoàn và va đập, và giảm độ rộng vết nứt và khoảng cách Mức độcải thiện phụ thuộc vào loại và tỷ lệ hình học (tỷ lệ L/D) của sợi thép So với giảipháp bê tông thông thường, mặt đường SFRC có thể mỏng hơn 30 - 40%, dẫn đếntiết kiệm hơn nữa

Những năm 70, những đường ống gia cường bằng sợi thép có đường kính

1000 – 1500 mm sản xuất hàng loạt tại Hungary Gia cường sợi thép có thể giảmcác vết nứt sinh ra do ảnh hưởng của nhiệt độ và co ngót

Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc bổ sung sợi thép đã cải thiệnđáng kể khả năng bền chịu cắt của bê tông Noghabai, 2000; Oh và cộng sự, 1999;Narayanan và Darwish, 1987; Barr, 1987 [16] Độ bền cắt tới hạn có bổ sung 1% sợithép làm tăng đến 170% độ bền chịu cắt so với bê tông cốt thép thông thường màkhông có bổ sung sợi thép (Narayanan và Darwish, 1987) Sự gia cố cốt thép chống

SVTH: NGUYỄN TRUNG TÍN – 1513498 Trang 27

NGUYỄN VĂN CHIẾN – 1510299

Trang 28

cắt truyền thống có thể được thay thế bằng việc sử dụng sợi thép như một phương

án thay thế hiệu quả (Noghabai, 2000; Williamson, 1978)

Thay vì sử dụng một loại sợi thép đơn lẻ có thể tiến nhành sử dụng nhiều loạIsợi với thù hình khác biệt sẽ giúp cải thiện hiệu quả cơ học của bê tông cốt sợi thépphân tán (Noghabai, 2000)

Hình I-18 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến đường cong nén-cắt của BTCST [16]

Hartman (1987) [18] đã tìm ra rằng sự ảnh hưởng của sợi thép lên cường độchịu uốn của bê tông là đáng kể hơn rất nhiều so với việc ảnh hưởng lên cường độchịu nén hoặc kéo Oh et al (1997) đã báo cáo rằng cường độ chịu uốn của bê tôngcốt sợi thép phân tán đã tăng khoảng 55% chỉ với sự bổ sung của 2% sợi thép theokhối lượng thể tích

Hartman (1999) [17] đã tiên hành thử nghiệm với 12 dầm bê tông cốt sợi thép

khác nhau sử dụng sợi Dramix RC-65/35-BN với 2 tỷ lệ khác nhau là 60 kg/m3 và

100 kg/m3 và kết luận rằng tỷ lệ tải trọng cuối cùng thực tế so với tải trọng tính toánhóa ra là lớn hơn nhiều đối với các dầm sử dụng tỷ lê sợi là 60 kg/m3

Những trình bày phía trên đã nêu được tổng quan về tính chất cơ học, những

ưu điểm và khả năng ứng dụng của bê tông cốt sợi thép phân tán (Steel FiberReinforced Concrete) Trong những thập kỷ vừa qua, ngành công nghệ chế tạo bêtông đã có những phát triển đáng kinh ngạc Một trong những tiến bộ đó chính là bêtông cốt sợi thép (SFRC) Khác với bê tông cốt thép thông thường cốt thép chỉ đượcthiết kế đặt trong vùng chịu kéo của bê tông, cấu trúc bê tông cốt sợi được cấu thành

từ các sợi thép mỏng, ngắn, rời rạc và phân bố ngẫu nhiên đã cho thấy được sự cảithiện đáng kể về độ bền uốn và độ dẻo dai tổng thể của toàn bộ các cấu kiện

C ườn

Trang 29

Vasudev R, Dr B G Vishnuram [19] nghiên cứu thực hiện đúc mẫu bê tông vàthử nghiệm các mẫu với hình dạng khối vuông, hình trụ và dầm được thực hiện dựatrên các khuyến nghị của mã IS Tỷ lệ thành phần hỗn hợp bê tông bao gồm việcxác định chính xác số lượng các thành phần tương ứng cần thiết, đủ nhưng khôngquá dư thừa, độ linh động của hỗn hợp và cường độ của bê tông đối với tải nhấtđịnh Nhấn mạnh việc sản xuất hỗn hợp bê tông với chi phí tối thiểu bằng việc sửdụng những vật liệu sẵn có Giả định cơ bản được thực hiện trong việc thiết kế cấpphối đó chính là cường độ bê tông có thể điều chỉnh bởi tỉ lệ N/X Hỗn hợp bê tôngđược áp dụng là M20 và M30 được phối trộn với tỷ lệ phần trăm sợi thép khác nhau

từ 0, 0.25, 0.5, 0.75 và 1% theo thể tích bê tông Trong khi mẫu M20 sử dụng thànhphần vật liệu thông thường thì mẫu M30 có áp dụng thêm tro bay – phụ gia vô cơhoạt tính vốn đang được sử dụng rộng rãi

Trang 30

dưỡng cần thiết và tiến hành thực hiện các thí nghiệm về cường độ chịu nén cũngnhư là cường độ chịu kéo đứt thì kết quả được tổng hợp qua các bảng 3, bảng 4,bảng 5 và bảng 6 phía bên dưới.

Bảng 3 Cường độ chịu nén mẫu M20 [19]

Hàm lượng

sợi thép (%)

Tải trọng(kN)

Cường độchịu nén(N/mm2)

Tải trọng (kN)

Tải trọng(kN)

Bảng 5 Cường độ chịu kéo đứt mẫu M20 [19]

Trang 31

Bảng 6 Cường độ chịu kéo đứt mẫu M30 [19].

Hàm lượngsợi thép(%)

Tải trọng (kN)

Cường độchịu kéo đứt(N/mm2)

Tải trọng(kN)

Trang 32

Bài nghiên cứu trên chỉ ra rằng:

• Cường độ chịu nén của bê tông không tăng thêm đáng kể dù hàm lượngsợi thép thêm vào trong hỗn hợp bê tông lớn

• Cường độ chịu kéo đứt của bê tông đều được cải thiện đồng thời ở cả 2mẫu so với mẫu bê tông đối chứng Cải thiện 20% đối với M20 và ởM30 là 22%

• Hàm lượng xi măng thiết kế hỗn hợp bê tông M30 đã được thay thếmột phần bởi tro bay

A.M Shende, M Gulfam Pathan [20] tiến hành nghiên cứu đối với bê tông

M40 với tỷ lệ N/X là 0.35 Hàm lượng sợi sử dụng củ nghiên cứu này là 0%, 1%,2%, 3% theo khối lượng thể tích bê tông Sợi thép với tỷ lệ hình học là 50, 60 và 67

đã được sử dụng Mối quan hệ giữa tỷ lệ hình học so với cường độ nén, tỷ lệ hìnhhọc so với cường độ uốn, tỷ lệ hình học so với cường độ kéo đứt được biểu thịbằng đồ họa

Bảng 7 Cường độ chịu nén của SFRC với 0% sợi và mác 40 [20]

Cường độ chịu nén (MPa) Cường độ chịu nén trung bình (MPa)

48.89

45.1942.22

44.44Bảng 8 Cường độ chịu nén của SFRC với hàm lượng sợi là 1%, 2%, 3% [20]

Hàm

lượng sợi

SFRC với 1% hàmlượng sợi SFRC với 2% hàmlượng sợi SFRC với 3% hàmlượng sợi

Cường độ chịu nén (MPa)Trung

bình

Trungbình

Trungbình50

Trang 33

48.44 49.33 55.11

Hình I-19 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa cường độ nén và tỷ lệ hình học của sợi [20]

Bảng 9 Cường độ chịu uốn của mẫu 0% sợi mác 40 [20]

Cường độ chịu uốn (MPa) Cường độ chịu uốn trung bình (MPa)

7.6

7.47

7.27.6Bảng 10 Cường độ chịu uốn của SFRC với hàm lượng sợi là 1%, 2%, 3% [20]

Hàm

lượng sợi

SFRC với 1% hàmlượng sợi

SFRC với 2% hàmlượng sợi

SFRC với 3% hàmlượng sợiCường độ chịu uốn (MPa)

Tỷ lệ hình học

Cườ ng độ nén (MP a)

Trang 34

Hình I-20 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa cường độ uốn và tỷ lệ hình học của sợi [20]

Bảng 11 Cường độ chịu kéo của mẫu 0% sợi mác 40 [20]

Cường độ chịu kéo (MPa) Cường độ chịu kéo trung bình (MPa)

2.83

3.073.11

Cường độ chịu kéo (MPa)Trung

Cườ ng độ chịu uốn (MP a)

Trang 35

Hình I-21.Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa cường độ kéo và tỷ lệ hình học của sợi [20]

*Ghi chú: với 1%, 2% và 3% hàm lượng sợi thép tính theo khối lượng thể tích

bê tông

Bài nghiên cứu trên chỉ ra rằng:

• Có thể thấy được rằng cường độ nén, cường độ kéo đứt và cường độuốn cao hơn đối với bê tông sử dụng tỷ lệ sợi là 3% so với sợi được bêtông sợi 0%, 1% và 2%

• Tất cả các đặc tính cường độ được quan sát là ở phía cao hơn cho tỷ lệhình học là 50 so với tỷ lệ 60 và 67.3

• Theo quan sát, cường độ nén tăng từ 11 đến 24% khi bổ sung sợi thép

• Theo nhận thấy cường độ uốn tăng từ 12% đến 49% và độ bền kéo đứttăng từ 3% đến 41% khi có bổ sung sợi thép trong bê tông

Hughes và Fattuhi (1976) [21] đã tiến hành một cuộc điều tra về khả năng làm

việc của bê tông cốt sợi và kết luận rằng khả năng làm việc phụ thuộc vào hàmlượng cát, khối lượng sợi, tỷ lệ L/D của sợi và chiều dài của sợi

Cư ờng độ chịu kéo (M Pa)

Trang 36

Hình I-22 Độ lưu động của SFRC đối với từng loại sợi khác nhau [21]

Từ các nghiên cứu trên đã chỉ ra rằng việc sử dụng sợi thép với hàm lượng, tỷ

lệ hình học khác nhau dẫn đến ảnh hưởng đến các tính chất của nền bê tông của cốtsợi thép như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo đứt, cường độ chịu uốn

Việc không nắm rõ các nguyên tắc sử dụng sợi thép sẽ dẫn đến việc sợi bị rối,vón sợi, không bố trí hiệu quả trong bê tông

Cần chọn lựa sợi thép với các tính chất sợi hợp lý để phát huy tối đa chấtlượng bê tông sau khi đã được gia cường sợi thép

Trang 37

II.4 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

II.4.1 Mục tiêu

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi, tỷ số N/X đến các tính chất của bêtông cốt sợi thép

Thiết kế bản sàn dùng làm nền nhà xưởng ứng dụng các tính năng ưu việt của

bê tông cốt sợi thép

II.4.2 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan về sợi thép và bê tông cốt sợi thép

Cơ sở khoa học, những nghiên cứu về bê tông cốt sợi thép

Thí nghiệm các tính chất cơ lý của hệ nguyên vật liệu

Thí nghiệm xác định các tính chất của bê tông cốt sợi thép như cường độ chịunén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ dẻo dai, thông qua các thí nghiệm trong phòngthí nghiệm

Nghiên cứu thiết kế hỗn hợp bê tông cốt sợi thép dùng làm nền nhà xưởngcông nghiệp

II.4.3 Đối tượng nghiên cứu

Bê tông thông thường và bê tông cốt sợi thép M40-M50

Sợi thép sử dụng trong nghiên cứu là loại sợi DRAMIX® 3D của BEKAERT

II.4.4 Phương pháp nghiên cứu và hướng tiếp cận

Lý thuyết:

• Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông cốt sợi thép

• Phương pháp thiết kế sàn nền nhà xưởng công nghiệp ứng dụng bê tôngcốt sợi thép

37

Trang 38

Thực nghiệm:

• Thí nghiệm theo tiêu chuẩn để xác định cường độ nén, cường độ chịukéo khi uốn, độ dẻo dai, chỉ số dẻo dai của bê tông cốt sợi thép

38

Trang 39

Chương III CƠ SỞ KHOA HỌC

III.1 Tổng quan sợi thép

Sợi thép sản xuất từ thép carbon hay thép không gỉ, cường độ chịu kéo nằmtrong khoảng 345 – 1380 MPa, module đàn hồi khoảng 200 GPa, tiết diện sợi thép

có thể là tròn, vuông, chiều dài sợi thép thường nhỏ hơn 75mm Tỷ lệ hình học (tỷ

lệ L/D) từ 30 – 100 đối với bất kỳ mặt cắt nào và đủ nhỏ để phân tán ngẫu nhiêntrong hỗn hợp bê tông sử dụng các quy trình trộn thông thường

III.1.1 Các loại sợi thép [22].

Theo tiêu chuẩn ASTM A-820 phân loại chung bao gồm bốn loại sợi thép dựatrên sản phẩm được sử dụng:

• Loại 1: Sợi kéo nguội

• Loại 2: Sợi có răng cưa

• Loại 3: Sợi cán nóng

• Loại 4: Các loại sợi khác

Hiệp hội kỹ sư dân dụng Nhật Bản (JSCE) đã phân loại sợi thép dựa trên hìnhdạng mặt cắt ngang của chúng:

• Loại 1: Sợi tiết diện vuông

• Loại 2: Sợi tiết diện tròn

• Loại 3: Sợi tiết diện bán nguyệt

39

Trang 40

Hình II-23 Các dạng hình học khác nhau của sợi thép [22]

III.1.2 Nguyên tắc cấu tạo và tính chất của sợi thép trong nền bê tông.

Nguyên nhân gia cường sợi thép là do khả năng chịu kéo của bê tông rất kém.Sợi thép được bổ sung phân bố không liên tục và ngẫu nhiên trong đá xi măng

ở cả vùng chịu nén và chịu kéo của các bộ phận kết cấu Sự tăng cường sợi phân tán

sẽ nâng cao độ cứng và điều chỉnh vết nứt thông qua ngăn chặn các vết nứt tế vi lantruyền, mở rộng, tăng cường khả năng chịu uốn và độ dai của bê tông thông qua khảnăng hấp thụ năng lượng của sợi thép

III.2 Thuộc tính của sợi thép

Bảng 13 Tính chất của sợi thép

Loại sợi Đường kính

(mm)

Khối lượngriêng(kg/m3)

Cường độchịu kéo(GPa)

Module đànhồi(GPa)

Độ dãn dàitương đối(%)

Bảng 14 Các loại sợi thép thông dụng trên thế giới [11]

40

Định dạng
Số trang	143
Dung lượng	19,47 MB