Phần mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về bê tông hạt mịn cốt lưới dệt: nội dung chƣơng 1 tổng hợp, tóm tắt các nghiên cứu về bê tông hạt mịn cốt lƣới dệt trên thế giới cũng nhƣ tại Việt Nam. Các nội dung chính bao gồm: thành phần, tính chất và ứng dụng của bê tông hạt mịn cốt lƣới dệt. Chƣơng 2: Chế tạo bê tông hạt mịn cốt lưới dệt: chƣơng 2 trình bày về vật liệu chế tạo và lựa chọn thành phần của bê tông hạt mịn có f’c = 60MPa kết hợp cùng lƣới dệt sợi các bon để chể tạo bê tông hạt mịn cốt lƣới dệt. Chƣơng 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu kéo của tấm bê tông hạt mịn cốt lưới dệt: chƣơng này trình bày về việc xác định ứng xử chịu kéo của tấm bê tông hạt mịn cốt lƣới dệt bằng thực nghiệm với các nội dung chính: mô hình thí nghiệm kéo tấm bê tông hạt mịn cốt lƣới dệt, bố trí thí nghiệm, thực nghiệm và kết quả thực nghiệm.
Phần kết luận và kiến nghị. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CỐT LƢỚI DỆT 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Bê tông hạt mịn cốt lƣới dệt, hay gọi tắt là bê tông cốt lƣới dệt (BTCLD), với tên tiếng Anh: Textile Reinforced Concrete – TRC, là một vật liệu mới, sáng tạo bằng việc kết hợp hai thành phần gồm: cốt lƣới sợi dệt và bê tông xi măng hạt mịn [1].1 - Bê tông hạt mịn cốt lƣới dệt Các loại cốt sợi, thanh tăng cƣờng trong bê tông xi măng bao gồm: cốt thép thƣờng, cốt thép dự ứng lực, cốt thanh bằng vật liệu polyme (vd: thanh GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer – Polyme gia cƣờng sợi thủy tinh), cốt sợi ngắn và phân tán có bản chất khác nhau (sợi thép, sợi tổng hợp, sợi tự nhiên,…). Khác với các loại cốt kể trên, lƣới sợi dệt trong BTCLD đƣợc dệt từ thành phần cơ bản là những sợi nhỏ (sợi cơ bản), có nguồn gốc từ carbon hoặc thủy tinh, với chiều dài không giới hạn. Các sợi cơ bản này sẽ đƣợc bó lại thành các bó sợi nhỏ.
Mỗi bó sợi chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn sợi cơ bản nằm song song hoặc xen kẽ nhau, đƣợc dính kết với nhau bằng chất kết dính nền (vd: keo Epoxy) [6]. Sau đó, các bó sợi đƣợc dệt thành tấm lƣới và đặt vào bê tông hạt mịn thay thế thép làm cốt. Lƣới sợi dệt đƣợc phủ lớp bọc polymer kích thƣớc nano giúp làm tăng khả năng dính bám các sợi cơ bản với nhau và giữa các bó sợi với bê tông hạt mịn trên bề mặt tiếp xúc [6].2 - Các loại cốt sử dụng trong bê tông xi măng [7] Thành phần chính thứ 2 của BTCLD, đóng vai trò là chất nền của vật liệu Composite này, là bê tông xi măng hạt mịn (fine grained concrete) với kích thƣớc hạt lớn nhất của cốt liệu (Dmax) là < 1 mm [8]. Các vật liệu thành phần cơ bản của bê tông xi măng hạt mịn gồm: xi măng, các loại phụ gia khoáng nhƣ tro bay, muội silic – đóng vai trò chất kết dính phụ thêm, nƣớc, cốt liệu nhỏ (cát có Dmax < 1mm) và phụ gia hóa học (trong trƣờng hợp cần thiết).
Để đảm bảo sự làm việc chung giữa bê tông xi măng hạt mịn và cốt lƣới dệt, bê tông xi măng hạt mịn cần có một số đặc tính cơ học nhƣ: cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, dính bám với cốt lƣới dệt, … phù hợp. Các nghiên cứu bƣớc đầu của 2 dự án SFB 532 và SFB 528 tại Đức về BTCLD cũng tập trung vào việc xác định các tính chất cơ lý cơ bản của bê tông xi măng hạt mịn [9-11]. Đây là hai dự án lớn nghiên cứu về BTCLD đƣợc tài trợ bởi Quỹ nghiên cứu của Cộng hòa Liên bang Đức (DFG). Dự án SFB 528 đƣợc thực hiện tại Đại học Kỹ thuật tổng hợp – TU Dresden và dự án SFB 532 đƣợc thực hiện tại Đại học RWTH Aachen bắt đầu từ năm 1999.
Sự kết hợp giữa hai vật liệu thành phần này tạo nên một vật liệu composite có các đặc tính cơ học và độ bền nổi trội. Việc sử dụng các loại lƣới dệt, chủ yếu đƣợc làm từ sợi thủy tinh kháng kiềm và các loại vật liệu khác nhƣ carbon hoặc aramid, đƣợc đặt một cách có chủ đích theo hƣớng chịu lực chính của kết cấu, mang đến hiệu quả sử dụng cao khi so sánh với bê tông cốt sợi ngắn phân tán. Với đặc điểm không bị ăn mòn điện hóa nhƣ cốt thép, BTCLD đem lại khả năng thiết kế các kết cấu bê tông có dạng thành mỏng có cƣờng độ cao ở cả vùng chịu nén cũng nhƣ chịu kéo.2 THÀNH PHẦN CỦA BÊ TÔNG CỐT LƢỚI DỆT 1.1 Lƣới sợi dệt 1.1 Giới thiệu chung Lƣới sợi dệt là sản phẩm đã đƣợc ứng dụng trong một số các lĩnh vực nhƣ: địa kỹ thuật, vật liệu FRP dạng tấm dùng để tăng cƣờng, sửa chữa kết cấu,…. Công nghệ sản xuất lƣới sợi dệt, có thể gọi chung là công nghệ dệt, đã đƣợc phát triển và hoàn thiện từ sớm.
Về cơ bản, lƣới sợi dệt sử dụng trong BTCLD, có chiều dài liên tục, có thành phần cơ bản là những sợi đơn – sợi cơ bản (filament) có nguồn gốc từ các bon, thủy tinh, aramid hoặc một số loại vật liệu tổng hợp khác. Các sợi đơn có chiều dài không giới hạn này đƣợc bó thành các bó sợi (strand/rovings); sau đó, các bó sợi này đƣợc dệt thành dạng lƣới 1D, 2D hay 3D (Hình 1.3 - Cấu trúc điển hình của lƣới sợi dệt Loại sợi, tính chất, hàm lƣợng và sự sắp xếp (arrangement) của lƣới sợi dệt ảnh hƣởng lớn đến đặc tính cơ học của BTCLD [6]. Do đó, vật liệu lƣới sợi dệt đƣợc sản xuất dƣới nhiều dạng sản phẩm khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng. Điều kiện tiên quyết cho một loại cốt chịu lực (reinforcement) hiệu quả đó là: có độ bền cao, biến dạng dài kéo đứt (breaking elongation), mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông hạt mịn.
Nếu không thỏa mãn các điều kiện này, khi vết nứt xảy ra sẽ làm giảm đáng kể độ cứng của cấu kiện BTCLD. Để đảm bảo sự làm việc lâu dài của cốt lƣới dệt chịu lực trong BTCLD, các vật liệu chế tạo sợi cơ bản phải chịu đƣợc môi trƣờng kiềm vĩnh viễn trong bê tông xi măng hạt mịn mà không bị suy giảm tính chất. Một số yêu cầu khác của lƣới sợi dệt: ít bị chùng dƣới tác dụng của tải trọng thƣờng xuyên, khả 6 năng dính bám tốt và liên tục giữa cốt chịu lực và bê tông, chi phí thấp và khả năng sản xuất dễ dàng trên các thiết bị dệt. Các loại sợi · Sợi tự nhiên · Sợi khoáng (mineral) · Bazan (Basalt) · Amiăng (Asbestos) · Sợi thực vật · Sợi động vât · Sợi nhân tạo · Sợi vô cơ · Bazan (Basalt) · Thủy tinh kháng kiềm (AR-Glass) · Z-glass · Polymer tổng hợp · Aramid · Carbon · Acrylic · Polyethylene · Polypropylene · Polyvinyl alcohol · Gốm (ceramic) · Kim loại (metal) Hình 1.4 - Các loại vật liệu chế tạo sợi [6] Có thể sử dụng rất nhiều loại vật liệu để chế tạo sợi cơ bản (Hình 1.4), tuy nhiên, sợi carbon, sợi thủy tinh kháng kiềm (alkali-resistant glass fiber – AR-glass) và sợi aramid là những loại vật liệu phù hợp nhất, thỏa mãn các yêu cầu sử dụng đã nêu phía trên.
Sợi carbon và sợi aramid có khả năng kháng kiềm nhƣng sợi thủy tinh đơn thuần thì không có khả năng này. Vì thế, trong quá trình sản xuất sợi cơ bản, thủy tinh nóng chảy đƣợc bổ xung hợp kim ziriconi (Zr) để tạo khả năng kháng kiềm cho sợi thủy tinh thành phẩm.5 - Mặt cắt cốt sợi thủy tinh gồm 400 sợi cơ bản đặt trong bê tông xi măng hạt mịn [5] 7 Đƣờng kính của sợi cơ bản làm từ thủy tinh dao động trong khoảng từ 14μm tới 28μm, còn từ các bon là khoảng 7μm [12], nhỏ hơn so với đƣờng kính trung bình của tóc ngƣời (khoảng 90 μm) [13] (Hình 1. Các sợi cơ bản đƣợc tập hợp thành bó đƣợc gọi là bó sợi (roving). Mỗi bó sợi gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn sợi cơ bản nằm song song có đƣờng kính từ 0,5 tới 1,5 mm.6 cho thấy sự khác biệt về kích thƣớc của sợi các bon, sợi thủy tinh, cốt thép (Φ = 14 mm) và cốt thép dự ứng lực (A = 150 mm2) theo thứ tự từ trên xuống dƣới.6 - So sánh bó sợi thủy tinh, bó sợi các bon, cốt thép thƣờng có gờ và tao thép dự ứng lực [5] Thông số cơ bản của bó sợi là độ mịn hay mật độ theo chiều dài là tex.
Tex đƣợc tính bằng khối lƣợng (đơn vị là gram) trên 1000 mét chiều dài của bó sợi. Ví dụ, một bó sợi độ mịn 1000 tex và khối lƣợng riêng của sợi là 1,8 g/cm3 sẽ có diện tích là 1000 (tex) x 103 / 1,8 (g/cm3) = 0,44 mm2. Độ mịn của bó sợi phụ thuộc vào số lƣợng sợi cơ bản, đƣờng kính trung bình của sợi và trọng lƣợng của sợi. Ví dụ, bó sợi các bon có độ mịn 800 tex bao gồm 12000 sợi cơ bản, hoặc độ mịn 3300 tex có tới 50000 sợi cơ bản [14].
Hiện nay, bó sợi các bon có độ mịn lên tới 3300 tex đƣợc sản xuất bởi Toho Tenax Europe GmbH và SGL Carbon SE. Bó sợi thủy tinh kháng kiềm (AR-glass) đƣợc sản xuất bởi một số công ty nhƣ Nippon Electric Glass Co Ltd và Saint Gobain Vetrotex Deutschland GmbH. Sau đó, các bó sợi sẽ đƣợc dệt thành lƣới sợi bằng các máy đặc biệt [15]. Cuối cùng, lƣới sợi này đƣợc phủ lớp bọc polyme kích thƣớc nano có nguồn gốc từ styrene butadine để làm tăng khả năng dính bám các sợi cơ bản với nhau và giữa các bó sợi với bê tông mịn [16].
Lớp phủ còn làm tăng khả năng chịu kéo và độ cứng của các bó sợi và góp phần cố định vị trí các nút lƣới. Về mặt lý thuyết, lƣới sợi dệt có thể đƣợc chết tạo với chiều dài không giới hạn. Tuy nhiên, thông thƣờng lƣới sợi thành phẩm có kích thƣớc: rộng 1,25 m và dài 100 m đƣợc cuộn tròn với trọng lƣợng từ 40 tới 70 kg (Hình 1. Kích thƣớc và khối lƣợng này giúp cốt lƣới dệt khá linh hoạt và phù hợp trong việc áp dụng trên kết cấu có bề mặt cong.
Mặt khác, việc vận chuyển và thi công bằng biện pháp thủ 8 công dễ dàng hơn: công nhân có thể cắt bằng kéo tại chỗ, không cần các thiết bị gia công nặng nề nhƣ cốt thép.