MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Bê tông là một trong những vật liệu phổ biến nhất trong ngành xây dựng với các ưu điểm là dễ tạo hình, dùng được nguồn vật liệu địa phương, giá thành thường thấp hơn vật liệu thép hình. Kết cấu dầm bê tông cốt thép (BTCT) có độ cứng và ổn định tốt hơn dầm thép, ít chịu ảnh hưởng xung kích. Tuy nhiên nhược điểm của bê tông truyền thống là tính dòn, khả năng chịu cắt và kéo kém nên thường bị nứt dẫn đến thấm nhập nước và khí ăn mòn cốt thép và bê tông, giảm tuổ thọ công trình. Bê tông tính năng cao cốt sợi (ultra-high-performance concrete, UHPFRC hoặc high-performance concrete, HPFRC) được phát triển những năm gần đây có tính năng vượt trội so với bê tông truyền thống như cường độ nén cao (UHPFRC đạt cường độ nén trên 150 MPa, HPFRC nén trên 90 MPa), cường độ kéo đạt trên 10 MPa nhờ cốt sợi liên kết các vết nứt, khả năng chịu biến dạng và độ bền rất cao [1-11].
Bê tông tính năng cao được ứng dụng ngày một rộng rãi, một số công trình cầu ở Hàn Quốc, Hoa Kỳ và Canada đã dùng bê tông tính năng cao cho toàn cấu kiện như dầm cầu, bản mặt cầu… Hình 1-1 mô tả cầu Wapello County, Iowa, Hoa Kỳ dùng vật liệu UHPFRC [12]. Hình 1-1 Cầu Wapello County, Iowa, Hoa Kỳ Ngoài khả năng chịu cơ học lớn, gần đây cả UHPFRC lẫn HPFRC được phát hiện có tính chất thông minh là khả năng tự cảm biến [5-7] để phục vụ quan trắc sức khỏe công trình. Trong khai thác và quản lý các công trình lớn (cầu lớn, cao ốc…), công tác quan trắc sức khỏe công trình rất quan trọng vì giúp đánh giá khả năng chịu tải hiện tại của kết cấu sau một thời gian khai thác, từ đó có biện pháp duy tu, nâng cấp hay hạn chế tải trọng tránh sụp đổ công trình [13]. 1 Luan van Hình 1-2 Sơ đồ bố trí sensor quan trắc sức khỏe cầu dây văng [14] Phương cách quan trắc sức khỏe công trình truyền thống là dùng hệ thống cảm biến (sensor) chôn hay gắn vào kết cấu, ví dụ Hình 1-2 mô tả sơ đồ bố trí sensor để quan trắc sức khỏe cầu dây văng; phương pháp này có những nhược điểm là giá thành cao, tuổi thọ không cao, việc chôn các sensor vào kết cấu cũng làm giảm khả năng chịu tải của công trình.
Vật liệu thông minh tự cảm biến giúp khắc phục được những nhược điểm này. Khả năng tự cảm biến của vật liệu HPFRC phụ thuộc nhiều vào loại cốt sợi trộn vào [5], vào hàm lượng cốt sợi [6] hay loại bê tông nền [7]. Mặc dù đã có những nghiên cứu ban đầu về tính tự cảm biến của bê tông tính năng cao, tuy nhiên vẫn cần những hiểu biết sâu rộng về tính chất thông minh này để áp dụng phù hợp. Trong nước, tác giả đề tài này cũng có một số báo cáo ban đầu [15,16] về phát triển tính tự cảm biến của bê tông tính năng cao.
Đề tài này là bước tiếp theo nghiên cứu sâu hơn tính tự cảm biến trong giai đoạn đàn hồi, so sánh với giai đoạn tăng cứng cơ học. Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin hữu ích cho các độc giả, các nhà nghiên cứu về lĩnh vực này.2 Tính cấp thiết Quan trắc sức khỏe công trình (structural health monitoring) là một trong những công việc quan trọng trong quản lý - khai thác công trình. Kết quả quan trắc sức khỏe công trình cung cấp thông tin hữu ích về ứng xử, khả năng khai thác phục vụ của công trình thời điểm hiện tại; từ đó, các hạng mục kết cấu công trình có thể được đề xuất giảm tải hoặc sửa chữa, tăng cường, thay thế của chúng kịp thời. 2 Luan van Theo phương pháp truyền thống, việc quan trắc sức khỏe công trình được thông qua các cảm biến (sensor) gắn hay chôn sẵn vào kết cấu.
Phương pháp này có nhược điểm là chi phí cao, tuổi thọ các cảm biến thấp, việc chôn vào kết cấu cũng ảnh hưởng ít nhiều đến khả năng chịu tải của cấu kiện. Bê tông tính năng cao (high performance fiber reinforced concretes – HPFRC) được biết đến là một trong những vật liệu xây dựng triển vọng trong tương lai với các tính chất ưu việt như cường độ cao, độ bền cao, kháng nứt cao so với bê tông truyền thống. Hơn thế, ngoài khả năng kháng cơ học cao, HPFRC bước đầu được phát hiện có một số tính chất thông minh như tự hàn vết nứt (self healing, mô tả ở Hình 1-3), tự cảm biến hư hỏng (self damage-sensing, mô tả ở Hình 1-4), tự đầm lèn (self compacting, mô tả ở Hình 1-5) do có độ linh động lớn với đường kính sụt tới 70 cm [17]. Cơ chế của tính tự cảm biến hư hỏng được diễn giải như sau: ứng suất, biến dạng, nứt của HPFRC có mối liên hệ với điện trở suất (electrical resistivity), do vậy xác định điện trở suất có thể xác định các thông số cơ học nêu trên.
Đề tài nghiên cứu muốn phát triển tính tự cảm biến của HPFRC, kết quả nghiên cứu đóng góp cho việc ứng dụng tính chất thông minh của HPFRC trong việc phát triển xây dựng cơ sở hạ tầng hướng đến sự bền vững, các đô thị thông minh.3 Mục tiêu Thông qua chế tạo, thí nghiệm và phân tích, tác giả nghiên cứu ứng xử và phát triển tính tự cảm biến của bê tông tính năng cao (SFRCs) dưới tải trọng kéo trực tiếp.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Bê tông tính năng cao dưới tải kéo trực tiếp. Hình 1-3 Minh họa quá trình tự hàn vết nứt của HPFRCs 3 Luan van Hình 1-4 Mối quan hệ giữa ứng suất-biến dạng – điện trở suất của HPFRCs Hình 1-5 Đường kính sụt của HPFRCs lên đến 60-70 cm cho phép tự đầm lèn 1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1.1 Cách tiếp cận Thực nghiệm.2 Phương pháp nghiên cứu - Chế tạo và thí nghiệm mẫu kéo trực tiếp. - Phân tích tính tự cảm tại vết nứt đầu (first crack, thời điểm bắt đầu xuất hiện nứt) và vết nứt cuối (post crack, thời điểm kết thúc xuất hiện nứt) khi thay thế một phần xi măng bằng CB hay GGBS. 4 Luan van - Phân tích đánh giá năng lượng phá hủy của các bê tông tính năng cao.
- Các khuyến nghị được đúc kết.6 Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu và tổng hợp tính năng cơ-lý cùng tính năng tự cảm biến của bê tông tính năng cao. Chế tạo và thí nghiệm mẫu. Phân tích, kết luận. 5 Luan van Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 2.1 Sơ đồ thí nghiệm Toàn bộ thí nghiệm và nhiệm vụ nghiên cứu được hoạch định để tìm hiểu ứng xử điện trở suất (electrical resistivity behaviors) và ứng xử kéo – cảm biến (electro-tensile behaviors) của vật liệu bê tông tính năng cao cốt sợi thép (Steel fiber-reinforced concretes, SFRCs), đây là một dạng cụ thể của HPFRCs.
Hình 2-1 thể hiện sơ đồ thí nghiệm trong nghiên cứu này. Có 4 nhiệm vụ trong nghiên cứu đề tài: 1) Tìm hiểu ứng xử kéo - cảm biến (electro-tensile behaviors) của vữa bê tông SFRCs không sợi 2) Đánh giá độ nhạy của các loại cốt sợi thép thêm vào đến ứng xử kéo - cảm biến của các SFRCs Trong nhiệm vụ này, cốt sợi để so sánh gồm có: i) không có sợi thêm vào (đối chứng); ii) 1.% sợi xoắn to (macro twisted fibers, T30/0.% sợi phẳng to (macro smooth fibers, S30/0.% sợi móc to (macro hooked fibers, H30/0.% sợi xoắn vừa (meso twisted, T20/0.% sợi phẳng vừa (meso smooth fibers, S19/0.% sợi phẳng nhỏ (micro smooth fibers, S13/0. 3) Tìm hiểu ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi thép thêm vào đến ứng xử kéo – cảm biến của SFRCs Trong nhiệm vụ này, sợi thép sử dụng là xoắn to (T30/0.3) có hàm lượng thay đổi như sau: 0. 4) Phát triển tính tự cảm biến của SFRCs bằng cách thay một phần xi măng bằng muội than đen (CB) hay xỉ lò cao (GGBS).
Trong nhiệm vụ này, lượng thay thế xi măng lần lượt là 1% và 25% tương ứng với trường hợp dùng muội than đen và xỉ lò cao. 6 Luan van 5) Đánh giá năng lượng phá hủy của các SFRCs nghiên cứu dưới tải trọng kéo. (*) No fiber Effect of plain matrix 1.375 Effect of fiber type 1.2 Electro‐tensile behavior and fracture energy of SFRCs 0.3 M1 control M2 with CB 1.375 (*) Effect of matrix M3 with GGBS (*) Experimental test conducted in this study Hình 2-1 Sơ đồ thí nghiệm 2.2 Vật liệu và đúc mẫu Bảng 2-1 cung cấp thành phần cấp phối 3 loại vữa bê tông tính năng cao sử dụng gồm: cấp phối đối chứng (M1), cấp phối dùng muội than đen thay thế 1% khối lượng xi măng (M2), cấp phối dùng xỉ lò cao thay thế 25% khối lượng xi măng (M3). Cường độ nén của 3 loại vữa bê tông (không có cốt sợi) lần lượt là 89 MPa (M1), 92 MPa (M2) và 109 MPa (M3).
Hình 2-2 thể hiện ảnh chụp vật liệu muội than đen và xỉ lò cao sử dụng trong nghiên cứu. Hình 2-3 thể hiện ảnh chụp các loại cốt sợi trong khi Bảng 2-2 cung cấp thông tin về tính chất vật lý của cốt sợi. Cát sử dụng trong nghiên cứu là cát mịn, đường kính hạt từ 0. 7 Luan van Bảng 2-1.
Thành phần vữa bê tông theo khối lượng và cường độ nén Cấp Xi Silica Cát Tro Phụ gia f 'c m CB GGBS Nước phối măng fume trắng bay hóa dẻo (MPa) (kΩ -cm) 89 168.16) Giá trị trong ngoặc đơn là độ lệch chuẩn. Cường độ nén dùng mẫu lăng trụ kích thước 100x200 mm. Hỗn hợp vật liệu được trộn bằng máy trộn cưỡng bức có dung tích thùng trộn 20 lít. Xi măng, cát, silica fume, tro bay và muội than đen (hoặc xỉ lò cao) được trộn khô trong khoảng 10 phút, sau đó nước được thêm vào và trộn tiếp khoảng 5 phút.
Phụ gia siêu dẻo được bổ sung từ từ thêm vào từng đợt để có thể điều chỉnh đạt độ dẻo phù hợp. Sau đó sợi thép được cho vào trộn đều. Mẫu vữa được dưỡng hộ 14 ngày trong nước 25 °C, sau đó mẫu được vớt ra làm khô khoảng 12 giờ trong lò sấy ở nhiệt độ 70 °C. Tất cả mẫu được thí nghiệm ở tuối 18 ngày.
Vật liệu muội than đen và xỉ lò cao (a) Xoắn to (T30/0.3) 9 Luan van (c) Móc to (H30/0.2) 10 Luan van (f) Phẳng nhỏ (S13/0. Hình chụp các loại sợi thép sử dụng trong nghiên cứu Bảng 2-2. Tính chất cơ lý của các loại sợi thép Cường Điện trở suất Đường Chiều Tỉ lệ hình độ kéo f (k-cm) Ký hiệu Hình dáng kính dài dạng đứt (mm) (mm) (L/D) (MPa) T30/0.94×10-8 Sợi xoắn to S30/0.06×10-8 Sợi phẳng to H30/0.94×10-8 Sợi xoắn vừa S19/0.06×10-8 Sợi phẳng vừa S13/0.