Đặt vấn đề: Ngày nay, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học và kỹ thuật nói chung, khoa học và công nghệ vật liệu cũng đang trên đà chiếm lĩnh đỉnh một phần quan trọng. Những thành tựu của khoa học và công nghệ vật liệu đang có những bước phát triển quan trọng tạo ra nhiều loại vật liệu có tính ưu việt ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống. Việc sử dụng vật liệu như thế nào cho thích hợp với yêu cầu và điều kiện làm việc là vấn đề hết sức quan trọng. Mỗi loại vật liệu lại có những đặc điểm riêng về tính chất và giá thành, do đó để có thể lựa chọn vật liệu cho phù hợp, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra là vấn đề không hề đơn giản.
Trong ngành kỹ thuật xây dựng, bê tông chiếm vai trò quan trọng và khối lượng lớn trong các công trình xây dựng. Tuy nhiên, loại vật liệu bê tông truyền thống này có nhiều điểm hạn chế gây ra những ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng công trình. Dễ nhận thấy nhất là bê tông thông thường dễ phát sinh vết nứt và khả năng chịu uốn rất kém. Việc phát sinh vết nứt không chỉ làm ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cấu kiện mà còn dễ dàng bị nước xâm thực vào làm 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 và chất lượng, tuổi thọ công trình bị giảm xuống.1: Vết nứt trên bề mặt bê tông (ảnh chụp hiện trường) 1 Xuất phát từ tầm quan trọng và những hạn chế của bê tông truyền thống, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã không ngừng nghiên cứu thành phần, tính chất và tìm ra những giải pháp tối ưu nhất để cải thiện chất lượng bê tông. Ngoài việc chú trọng công tác bảo dưỡng đúng quy trình kỹ thuật và sử dụng phụ gia để tăng cường độ, rút ngắn thời gian thi công bê tông thì việc cải thiện chất lượng cốt liệu, sử dụng cốt liệu mịn trong bê tông là một trong những phương pháp được nghiên cứu và ứng dụng trong bê tông thời gian gần đây. Thành phần chủ yếu của bê tông là cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, chất kết dính vô cơ và các thành phần hạt mịn.
Ưu điểm của loại bê tông sử dụng các loại hạt mịn này không chỉ ở việc các hạt nhỏ lèn chặt vào lỗ rỗng làm tăng cường độ chịu nén mà còn giảm khả năng bị phá hủy của cấu kiện. Mặc dù cải thiện được những nhược điểm của bê tông thông thường, khả năng chịu uốn của bê tông hạt mịn còn kém. Giải pháp được đưa ra ở đây là tăng cường các loại sợi vào trong thành phần của bê tông hạt mịn. Các nghiên cứu cho thấy việc bổ sung các loại sợi vào bê tông hạt mịn giúp tăng cường cường độ chịu uốn của bê tông.
Giúp cấu kiện làm việc hiệu quả và tránh được phá hủy, kéo dài tuổi thọ cho công trình [1]. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng vẫn còn một vài điểm hạn chế như: cốt sợi phân tán không đều, sử dụng một loại sợi chưa tối ưu, trong quá trình thủy hóa xi măng hút nước làm bê tông bị co khô, phải sử dụng phụ gia làm giá thanh cao. Sợi thép Sợi xơ d Sợi polypropylene Sợi B Hình 1.2: Các loại sợi có thể dùng cho vật liệu xây dựng [1] 2 Bảng 1.1: Tính chất một số loại cốt sợi dùng trong bê tông Các tính chất Sợi thép Sợi Polypropylene Sợi Bazan Chiều dài(mm) 40 20 20 Đường kính(mm) 0,5 0,1 0,05 Cường độ chịu 345-1350 310-760 484 kéo(Mpa) Mo đun đàn hồi 200 3,5-4,9 8,9 (Gpa) Độ giãn dài tối đa (%) - 15 3,5 Từ đó, một yếu tố đáng quan tâm trong nâng cao chất lượng bê tông hạt mịn chính là việc tận dụng nguồn nguyên liệu tại địa phương và nguồn phế phẩm công nghiệp. Việc đó không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn giảm đáng kể giá thành của bê tông trong các công trình xây dựng.
Các nghiên cứu cho thấy nguồn tro bay, một loại phế thải thu được từ quá trình sản xuất công nghiệp khi được bổ sung vào bê tông không chỉ khống chế nhiệt độ ban đầu, giảm ứng suất nhiệt trong khối bê tông, tăng độ bền, kéo dài tuổi thọ công trình, giá thành có thể rẻ hơn đến 30%, và giảm 10% nước trộn bê tông. Tuy nhiên, việc sử dụng tro bay chưa phát huy được tính đặc chắc của bê tông nền, để tạo nền bê tông đặc chắc với các hạt silicafume rất mịn và có hoạt tính cao tham gia phản ứng pozolan với hydroxyt canxi hình thành khi xi măng thủy hóa; do vậy làm tăng sản phẩm thủy hóa và giảm lượng hydroxyt canxi. Vậy khi sử dụng hàm lượng silicafume hợp lý sẽ làm tăng cường độ và giảm khả năng thấm của bê tông làm bê tông trở nên bền lâu hơn. Sau khi, bộ khung cốt liệu của bê tông nền đã được gia cường tốt bằng các thành phần hạt mịn (tro bay và silicafume).
Theo [42] việc bổ sung sợi thép vào 3 trong bê tông thay đổi tính chất của bê tông đáng kể vì chúng ảnh hưởng đến tính chất của bê tông cả ở trạng thái tươi lẫn trạng thái rắn. Đóng góp chính của các sợi thép là sự cải thiện tính chất của bê tông đông cứng. Tuy nhiên, sự cải thiện đạt được khi sử dụng cốt sợi thép đã kéo theo một số công việc bổ sung khi xử lý nó. Phạm vi cải thiện bởi việc thêm cốt sợi làm thay đổi tính chất của bê tông bị phụ thuộc kiểu sợi, đặc trưng hình học của sợi, hàm lượng sợi trong bê tông và sự định hướng sợi trong bê tông cũng như bởi sự liên kết giữa nền bê tông và cốt sợi.
Cái lợi chủ yếu là do sợi thép phân tán một cách ngẫu nhiên trong khối bê tông làm cho bê tông sợi thép có khả năng chống nứt tốt hơn và tăng một số tính năng sau khi nứt. Sử dụng kết hợp các loại sợi thép và nguồn nguyên liệu phế thải tro bay kết hợp silicafume là hạt nhân tạo siêu mịn để tăng cường độ bê tông hạt mịn còn tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác và chất lượng cốt liệu của bê tông. Để tìm ra cấp phối tối ưu của bê tông hạt mịn chất lượng cao và đánh giá về sự ảnh hưởng của các loại vật liệu đến chất lượng bê tông hạt mịn, có thể sử dụng phương pháp thực hiện các thí nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu được và tuân thủ theo các Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Cụ thể đối với đề tài này, bằng phương pháp thực hiện các thí nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết tìm ra cấp phối tối ưu cho bê tông hạt mịn sử dụng tro bay, silicafume kết hợp với tro bay và cốt sợi thép hỗn hợp không chỉ làm tăng độ bền nén, mà còn làm tăng các độ bền khác (kéo, uốn, xoắn, cắt) và thay thế một phần chất kết dính (xi măng), hoàn thiện nâng cao cấp phối bê tông nền bằng hạt mịn (tro bay, silicafume) có sử dụng sợi thép và tận dụng được nguồn phế phẩm trong sản xuất công nghiệp giải quyết vấn đề môi trường.3: So sánh kích thước của các hạt mịn [2] Hình 1.4: Sự phân bố của sợi thép trong bê tông nền [3] 5 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Tình hình nghiên cứu bê tông sợi thép trên thế giới Bê tông sợi thép được nghiên cứu từ những năm 1960.
Tác giả Romualdi và Batson (1963) [4] đã dùng sợi thép để đánh giá khả năng gia cường sợi đến cường độ của bê tông. (1974) [5] nghiên cứu ứng dụng sợi khác nhau như sợi thép, sợi thủy tinh, polypropylene để gia cường các tính chất của vật liệu bê tông, đánh giá khả năng chịu va đập, khả năng chịu kéo của bê tông. Các nghiên cứu của tác giả Charlie, H. Henage (1976), Shah and Naaman (1976) và Hughes and Fattuhi (1976) [6-8] đã bắt đầu nghiên cứu về khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông cốt sợi thép, ảnh hưởng của chiều dài sợi, tỷ lệ sợi, hàm lượng sợi đến các tính chất cơ lý của bê tông sợi thép.
Krishna, Raju et al. (1977) [9] nghiên cứu ảnh hưởng của sợi thép và cho thấy với hàm lượng thích hợp từ 0 - 3% sẽ làm tăng cường độ của bê tông. Tác giả RamaKrishna et al. (1980) [10-11] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sợi có móc 2 đầu (Hook) và sợi thẳng (Straight) về cơ học phá hủy, tính chất cơ lý và cho thấy sợi Hook sẽ gia cường tốt hơn sợi Straight.
Khảo sát về ảnh hưởng của tỷ lệ chiều dài và đường kính sợi thép đến các tính chất của bê tông. Tác giả Narayanan and Palanyial (1982) [12] khảo sát ảnh hưởng của sợi đến khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông, đặc biệt là hỗn hợp bê tông cứng. Tác giả Ghosh et al. (1989) [13] xây dựng khái niệm hàm lượng sợi thấp từ 0.7% để khảo sát ảnh hưởng của sợi thép đến các tính chất của bê tông.
Các tác giả SP Shah et al. (1986) , NagarKar et al. (1987) và Nakagawa et al. (1989) [14-16] đã sử dụng nhiều loại sợi khác nhau như sợi thép, sợi cacbon, sợi 6 polymer để đánh giá và so sánh ảnh hưởng của các loại sợi đến tính chất của bê tông.
Các tác giả Saluja et al. Balaguru et al (1992), Faisal., Wafa & Samir, et al. (1992), Agarwal et al (1996), Singh et al (1998) [17-21] đã khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của sợi thép khác nhau như sợi Hook, sợi dài, sợi thẳng với các tỷ lệ sợi, tỷ lệ chiều dài – đường kính khác nhau. Bindiganavalie V and Banthia N (2002) O.Kayali et al.K (2006) [22-24] so sánh về ảnh hưởng của sợi thép và các loại sợi khác đến các tính chất cơ học của bê tông, tập trung vào khả năng chịu va đập của bê tông sợi.
Pande et al. (2012) và Patil Shweta, Rupali Kavilkar et al. (2014) [25-26] đã nghiên cứu sử dụng hàm lượng sợi đến 3% và nhận thấy cường độ nén có thể tăng đến 24%, cường độ uốn tăng đến 49%, cường độ bổ tăng đến 41%. Zemei Wua, Caijun Shi et al.
(2016) và Juan Navarro-Gregori et al. (2016) [27-28] nghiên cứu ảnh hưởng của sợi đến bê tông cường độ cao và nhận thấy khả năng gia cường sợi thép đến các tính chất cơ học của bê tông. Các nghiên cứu về bê tông sợi thép có thể tổng quan thành 3 loại sợi thép chính là sợi thẳng (Straight), sợi lượn sóng (Crimpt) và sợi có 2 đầu móc (Hook).