CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. SƠ LƯỢC VỀ VẤN ĐỀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ UỐN CONG CỦA BÊ TÔNG TRUYỀN THỐNG Bê tông truyền thống chủ yếu bao gồm ba thành phần chính là xi măng, cát, và đá dăm. Các thành phần này tạo thành một cấu trúc mạng lưới không đồng nhất, làm cho bê tông có khả năng chịu lực nén tốt nhưng rất yếu khi chịu lực kéo và uốn.
Bê tông không có khả năng tự kháng lực kéo vì không có cấu trúc đàn hồi, dẫn đến việc hình thành và lan rộng các vết nứt khi chịu uốn hoặc kéo. Theo nghiên cứu của Nguyễn Hữu Đoàn (2010), khi bê tông chịu lực uốn, phần phía trên của cấu trúc sẽ bị nén, trong khi phần phía dưới chịu kéo dãn. Do bê tông chỉ có khả năng chịu lực nén tốt nhưng lại yếu khi chịu lực kéo, các vết nứt sẽ dễ dàng hình thành tại phần trên của cấu trúc, đặc biệt là trong các ứng dụng chịu tải trọng uốn lớn như dầm, cầu, hoặc các kết cấu hạ tầng khác. Các vết nứt này sẽ lan rộng theo thời gian, 18 SVTH: Lê Phước Thành – 1915138 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS.
Nguyễn Ngọc Thành làm giảm khả năng chịu lực và dẫn đến sự suy giảm độ bền của bê tông [1] .1 – Mô phỏng ứng xử của bê tông khi chịu uốn 1. Cơ chế nứt và sự hình thành vết nứt trong bê tông Khi bê tông chịu uốn, các vết nứt hình thành chủ yếu do sự phân bổ lực không đều trong cấu trúc bê tông. Bê tông truyền thống không thể duy trì tính toàn vẹn dưới tác động của lực kéo, vì vậy khi chịu tải trọng uốn, bê tông dễ bị vỡ ở vùng chịu kéo. Hơn nữa, các vết nứt này có thể làm nước và các chất ăn mòn thấm vào trong bê tông, tạo điều kiện cho sự ăn mòn cốt thép bên trong, dẫn đến giảm độ bền của kết cấu.
19 SVTH: Lê Phước Thành – 1915138 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Thành Hình 1.2 – Vết nứt hình thành trong nền bê tông [2] Đối với các công trình có cường độ chịu lực cao và yêu cầu độ bền lâu dài, các vết nứt này gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Chúng không chỉ làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu mà còn ảnh hưởng đến độ an toàn và tuổi thọ công trình. Theo Lê Văn Khoa và Nguyễn Thái Hà (2017), trong các công trình chịu tải trọng lớn và biến dạng liên tục như cầu, tòa nhà cao tầng, hoặc các công trình giao thông, khả năng chịu lực uốn và kéo của bê tông truyền thống là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ổn định và hiệu quả sử dụng [3].
Tác động của việc thiếu khả năng chịu lực kéo và uốn Vấn đề nứt và giảm độ bền của công trình: Khi bê tông không đủ khả năng chịu lực uốn và kéo, các vết nứt hình thành và lan rộng là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất trong xây dựng. Các vết nứt làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, từ đó dẫn đến sự suy giảm độ bền của công trình. Điều này đặc biệt quan trọng trong các công trình chịu tải trọng động như cầu, đường giao thông, hoặc các kết cấu chịu tải trọng lớn. 20 SVTH: Lê Phước Thành – 1915138 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS.
Nguyễn Ngọc Thành Theo nghiên cứu của Nguyễn Xuân Quang (2019), các công trình như cầu và các tuyến đường giao thông luôn chịu các tác động từ tải trọng động và môi trường. Việc bê tông thiếu khả năng chịu lực uốn và kéo sẽ làm các vết nứt phát triển, từ đó tạo điều kiện cho sự ăn mòn của cốt thép bên trong. Điều này không chỉ làm giảm tính toàn vẹn của kết cấu mà còn làm tăng chi phí bảo trì và sửa chữa trong tương lai.3 - Vết nứt bê tông trên bên Hình 1.4 – Vết nứt dọc trên bề mặt mặt đường Mất ổn định kết cấu và ảnh hưởng đến an toàn: Khi các vết nứt trong bê tông không được khắc phục kịp thời, chúng có thể dẫn đến mất ổn định kết cấu. Trong các công trình cầu, dầm nhà cao tầng hoặc các công trình giao thông, một khi các vết nứt này mở rộng, khả năng chịu lực của toàn bộ kết cấu sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Nếu không có các biện pháp bảo trì và gia cố kịp thời, các vết nứt có thể dẫn đến sự sụp đổ của kết cấu, gây nguy hiểm cho an toàn của người sử dụng và làm tăng chi phí sửa chữa. 21 SVTH: Lê Phước Thành – 1915138 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Thành Ngoài ra, các vết nứt còn làm giảm khả năng chịu tải trọng của bê tông, khiến kết cấu không còn đáp ứng đủ yêu cầu thiết kế. Điều này có thể làm giảm khả năng chống chịu các tác động từ tải trọng động hoặc môi trường khắc nghiệt.
GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ UỐN CONG CỦA BÊ TÔNG Bê tông cốt sợi (FRC) là một giải pháp hiệu quả giúp khắc phục những hạn chế của bê tông truyền thống trong khả năng chịu lực uốn và kéo. FRC được sản xuất bằng cách bổ sung các loại sợi như sợi thép, sợi thủy tinh, hoặc sợi polymer vào bê tông để tăng cường độ bền và khả năng chống nứt. Các sợi này giúp phân tán các ứng suất trong bê tông và làm giảm sự phát triển của vết nứt khi bê tông chịu uốn hoặc kéo. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của bê tông cốt sợi Khi bê tông chịu tải trọng, ứng suất sẽ phân bổ khắp bề mặt cấu trúc.
Tuy nhiên, bê tông truyền thống dễ bị nứt khi chịu lực kéo, bởi vì nó có tính giòn và không có khả năng đàn hồi để phục hồi hình dạng ban đầu sau khi bị kéo căng. Đây là lúc các sợi trong bê tông cốt sợi phát huy tác dụng. 22 SVTH: Lê Phước Thành – 1915138 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Thành Hình 1.5 – Trạng thái giòn sang trạng thái dẻo của bê tông khi gia cường bằng sợi thép [5] Cản trở sự phát triển của vết nứt: Khi bê tông chịu lực kéo hoặc uốn, các sợi cốt sẽ phân tán và truyền tải các lực từ các vùng có ứng suất cao đến các vùng khác trong khối bê tông.
Điều này giúp làm giảm sự tập trung ứng suất tại các điểm yếu, ngăn chặn sự phát triển của các vết nứt. Các sợi sẽ hoạt động như các "mạch nối" giúp liên kết các phần bê tông lại với nhau, cản trở sự lan truyền của các vết nứt. Khi vết nứt bắt đầu hình thành, sợi cốt sẽ tạo ra một lực kháng lại sự mở rộng của vết nứt, giữ cho kết cấu bê tông không bị phá vỡ [3]. Tăng cường tính dẻo dai và khả năng chịu lực kéo: Một đặc điểm quan trọng của bê tông cốt sợi là tính dẻo dai.
Khi bê tông truyền thống chịu lực kéo, vết nứt thường phát triển và mở rộng nhanh chóng, làm giảm khả năng chịu lực của toàn bộ kết cấu. Tuy nhiên, khi các sợi được bổ sung vào bê tông, các sợi này sẽ "kéo dài" và hấp thụ phần lớn lực kéo trước khi vết nứt phát triển mạnh. Các sợi đóng vai trò như các "cây cầu" kết nối các phần bê tông bị nứt, giữ cho các mảnh bê tông không bị tách rời 23 SVTH: Lê Phước Thành – 1915138 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Thành hoàn toàn.
Điều này làm tăng khả năng chịu lực kéo và uốn của bê tông cốt sợi. Khả năng phân tán ứng suất và chống mỏi: Các sợi trong bê tông cốt sợi có tác dụng phân tán ứng suất trong khối bê tông, làm cho bê tông có khả năng chịu tải trọng lớn hơn mà không bị vỡ hoặc hình thành các vết nứt lớn. Các sợi cũng giúp giảm sự tập trung ứng suất tại các điểm yếu của cấu trúc. Khi bê tông cốt sợi chịu tải trọng động hoặc chu kỳ, các sợi cốt sẽ hấp thụ và phân tán ứng suất, làm giảm nguy cơ mỏi và nứt do tải trọng thay đổi hoặc thay đổi nhanh [1].
Tác dụng của sợi đối với độ bền lâu dài: Các sợi bổ sung vào bê tông không chỉ giúp tăng cường tính cơ học ngay lập tức mà còn giúp bảo vệ bê tông trong suốt tuổi thọ công trình. Các sợi có tác dụng ngăn chặn sự phát triển của vết nứt dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ thay đổi, sự ăn mòn của cốt thép và tác động của nước. Sợi thủy tinh hoặc polymer còn có khả năng kháng hóa chất và ăn mòn, giúp bê tông cốt sợi chịu được môi trường khắc nghiệt, đặc biệt là trong các công trình cầu đường hoặc các công trình tiếp xúc với nước biển hoặc hóa chất (Nguyễn Xuân Quang, 2019) [6]. TỔNG HỢP TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI 1.
Một số nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới Bê tông cốt sợi, được biết đến như một loại bê tông gia cường với sợi vật liệu, là sản phẩm của nhu cầu cải tiến bê tông thông thường nhằm cải thiện khả năng chịu lực và độ bền. Lịch sử hình thành bê tông cốt sợi có thể chia thành nhiều giai đoạn. Bê tông đã được phát triển từ thời La Mã 24 SVTH: Lê Phước Thành – 1915138 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Thành cổ đại, nhưng phải đến đầu thế kỷ 20, các kỹ sư mới bắt đầu nghĩ đến việc gia cường bê tông để cải thiện các yếu tố như tính chịu kéo yếu và dễ bị nứt.
Bê tông thông thường có khả năng chịu nén tốt nhưng lại dễ bị phá vỡ khi chịu lực kéo hoặc uốn. Chính vì vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu các phương pháp gia cường, trong đó có việc sử dụng các sợi vật liệu. Tại đại học Tun Hussein Onn Malaysia ở Batu Pahat, Johor, Malaysia đã nghiên cứu về ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ nén và uốn của bê tông. Trong nghiên cứu này, bê tông cấp M20 được gia cố bằng sợi thép được thêm vào theo tỷ lệ thể tích là 1%, 2%, 3%, 4% và 5% và được so sánh với mẫu đối chứng không có sợi thép.
Sợi thép được sử dụng có chiều dài sợi thép dao động từ 5 mm đến 50 mm. Tác động đến khả năng làm việc của bê tông với cốt sợi thép đã được xác định bởi khả năng uốn và cường độ nén bê tông và có kết luận như sau: - Sợi thép khi được sử dụng làm cốt thép trong bê tông làm giảm đáng kể khả năng thi công của nó. Khi tỷ lệ thể tích sợi thép tăng, khả năng thi công giảm.