CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT 1.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CƠ HỌC QUAN TRỌNG Bê tông cốt lưới dệt (TRC) là vật liệu tổng hợp, gồm hai thành phần chính là lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn (Hình 1. Thành phần chính thứ nhất của TRC là bê tông hạt mịn với kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu xấp xỉ 1 mm [15] nhằm đảm bảo dính bám tốt với lưới sợi. Do sử dụng cốt liệu rất mịn, TRC còn có tên gọi khác như vữa cốt lưới dệt (Textile Reinforced Motar, TRM). Lưới sợi dệt được làm từ những sợi nhỏ, thường có nguồn gốc từ carbon hoặc thủy tinh, được tổ hợp lại thành các bó nhỏ.
Sau đó, các bó sợi được dệt thành tấm lưới và đặt vào bê tông hạt mịn thay thế thép làm cốt. Lưới sợi dệt được phủ lớp bọc polymer kích thước 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.1 Bê tông cốt lưới dệt Sự phát triển của TRC dựa trên nguyên tắc cơ bản của bê tông cốt sợi ngắn phân tán. Lý do đưa cốt sợi ngắn vào bê tông là nhằm mục đích phân tán các điểm ứng suất tập trung trên nền sang cho cốt, từ đó làm tăng khả năng chịu lực của vật liệu. Khác với bê tông cốt sợi phân tán, trong TRC, các bó sợi được đặt có định hướng theo phương chịu lực chính của kết cấu, dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng cốt chịu lực.
Khả năng chịu lực của TRC lớn hơn đáng kể so với bê tông cốt sợi ngắn phân tán [15]. Vật liệu này đem lại khả năng thiết kế các kết cấu bê tông có dạng thành mỏng có cường độ cao ở cả vùng chịu nén cũng như chịu kéo. Đồng thời, kết cấu sử dụng TRC mang lại đồ bền môi trường rất cao nhờ việc sử dụng cốt chịu lực không bị ăn mòn, bê tông hạt mịn có cường độ cao, kết cấu thường có bề rộng vết nứt nhỏ .1 Lưới sợi dệt 1.1 Thành phần vật liệu và cấu trúc lưới sợi dệt Lưới sợi dệt là sản phẩm đã được ứng dụng trong một số các lĩnh vực như: địa kỹ thuật, vật liệu FRP dạng tấm dùng để tăng cường, sửa chữa kết cấu,…. Công nghệ sản xuất lưới sợi dệt, có thể gọi chung là công nghệ dệt, đã được phát triển và hoàn thiện từ sớm.
Điểm đặc biệt ở loại lưới sợi dệt được giới thiệu ở đây là loại lưới sợi có khả năng dính bám tốt với bê tông xi măng. Về cơ bản, lưới sợi dệt sử dụng trong TRC, 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 được bó thành các bó sợi (strand/rovings); sau đó, các bó sợi này được dệt thành dạng lưới 1D, 2D hay 3D. Kích thước và cấu trúc của một số lưới sợi các bon và thủy tinh được thể hiện ở Hình 1.
Các lưới sợi này có thể được dệt theo cấu trúc 0°/90° hoặc ±45° tùy theo mục đích sử dụng.Lưới sợi thành phẩm thường có kích thước rộng 1,25 m và dài 100 m, được cuộn tròn với trọng lượng từ 40 tới 70 kg nên có thể vận chuyển dễ dàng và thi công bằng biện pháp thủ công. Kích thước và khối lượng này giúp cốt lưới 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 công dễ dàng hơn: công nhân có thể cắt bằng kéo tại chỗ, không cần các thiết bị gia công nặng nề như cốt thép.2 Cấu trúc điển hình của lưới sợi dệt Loại sợi, tính chất, hàm lượng và cấu trúc của lưới sợi dệt ảnh hưởng lớn đến các đặc tính cơ học của TRC [15]. Do đó, vật liệu lưới sợi dệt được sản xuất dưới nhiều dạng sản phẩm khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng.
Điều kiện tiên quyết cho một loại cốt chịu lực hiệu quả đó là: có độ bền cao, biến dạng dài kéo đứt lớn, mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông hạt mịn. Nếu không thỏa mãn các điều kiện này, khi có vết nứt xuất hiện, độ 5 cứng của cấu kiện TRC sẽ làm giảm đáng kể. Để đảm bảo hiệu quả lâu dài của cốt chịu lực, các vật liệu sợi phải chịu được môi trường kiềm vĩnh viễn mà không bị suy giảm tính chất cơ học. Một số đặc tính cần thiết khác của lưới sợi dệt: ít bị chùng dưới tác dụng của tải trọng thường xuyên, khả 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.
Hiện nay, sợi carbon và sợi thủy tinh là hai loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất. Sợi carbon có khả năng kháng kiềm nhưng sợi thủy tinh không có khả năng này. Vì thế, trong quá trình sản xuất sợi cơ bản, thủy tinh nóng chảy được bổ xung hợp kim ziriconi (Zr) để tạo khả năng kháng kiềm cho lưới sợi [6].3 Mặt cắt cốt sợi thủy tinh và so sánh kích thước với cốt thép [6]. Đường kính của từng sợi cơ bản bằng thủy tinh khoảng từ 14 tới 28 μm, sợi các bon mảnh hơn khoảng 7 μm.
Các sợi cơ bản được tập hợp thành bó được gọi là bó sợi. Mỗi bó sợi gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn sợi cơ bản nằm song song có đường kính từ 0,5 tới 1,5 mm. Diện tích của bó sợi được xác định thông độ mịn, tex (1 tex = 1g / 1000 m), và trọng lượng riêng của sợi. Độ mịn của bó sợi phụ thuộc vào số lượng sợi cơ bản, đường kính trung bình của sợi và trọng lượng 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 được sản xuất bởi Toho Tenax Europe GmbH và SGL Carbon SE. Bó sợi thủy tinh kháng kiềm (AR-glass) được sản xuất bởi một số công ty như Nippon Electric Glass Co Ltd và Saint Gobain Vetrotex Deutschland GmbH. Các bó sợi được dệt thành lưới sợi bằng các máy đặc biệt và được phủ lớp bọc polymer kích thước nano có nguồn gốc từ styrene butadine để làm tăng khả năng dính bám các sợi cơ 6 bản với nhau và giữa các bó sợi với bê tông hạt mịn [26].
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 lưới [6].2 Một số đặc tính cơ học của lưới sợi dệt Bó sợi có ứng xử chịu kéo gần như đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại. Khi bó sợi có mức biến dạng lớn, các sợi cơ bản chịu lực không đều, một số sợi cơ bản phía ngoài bị kéo đứt trước, làm giảm độ cứng chịu kéo của bó sợi. Đến mức biến dạng gây phá hoại, bó sợi bị kéo đứt gần như ngay lập tức, không có thềm chảy. Báo cáo của Abkader cho thấy, cường độ chịu kéo của sợi cơ bản, bó sợi phụ thuộc vào phương pháp thí nghiệm [15].
Về nguyên tắc, lực tác dụng vào vật liệu tổng hợp sẽ được phân phối thông qua lực dính giữa chất nền và sợi cơ bản. Mối quan hệ giữa ứng suất với biến dạng của bó sợi bị ảnh hưởng đáng kể bởi vị trí của sợi cơ bản trong bó sợi và sự tương tác giữa các sợi cơ bản. Trường hợp lý tưởng nhất là tất cả các sợi cơ bản được bố trí song song và kéo duỗi thẳng hoàn toàn. Tuy nhiên, sự phân tán có thể xảy ra phụ thuộc vào phương pháp chế tạo, chất lượng và mục đích sử dụng [15].4 Tính chất cơ học của một số loại sợi cơ bản [15] Lưới sợi các bon thường có độ cứng, cường độ chịu kéo và khả năng chống ăn mòn lớn hơn so với lưới sợi thủy tinh kháng kiềm [15].4 so sánh một số đặc trưng cơ học quan trọng của một số loại lưới sợi.
Các loại lưới sợi dệt được thí nghiệm có độ mịn khác nhau nhưng khối lượng xấp xỉ nhau. Hiện nay, trên thị trường đã có một số sản phẩm lưới sợi các bon có độ mịn lên đến 3200 tex, có cường độ chịu kéo xấp xỉ 5000 MPa, với mô đun đàn hồi khi chịu kéo xấp xỉ 300 GPa.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo của sợi cơ bản, bó sợi và lưới sợi Các kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ chịu kéo lớn nhất của bó sợi thấp hơn nhiều so với tổng cường độ chịu kéo của từng sợi cơ bản thành phần [6]. Ví dụ với lưới sợi thủy tinh 310 tex không có lớp phủ, cường độ chịu kéo trung bình của sợi đơn là 2300 MPa, của bó sợi là 1300 MPa và lưới sợi đặt trong bê tông chỉ là 1100 MPa (Hình 1. Nguyên nhân dẫn đến cường độ của lưới sợi bị suy giảm là do các sợi cơ bản trong bó sợi và các bó sợi trong lưới cốt sợi chịu tải trọng không đều nhau.
Một số sợi cơ bản trong bó sợi bị phá hoại trước trong quá trình sản xuất lưới cốt sợi hoặc trong quá trình vận chuyển hoặc khi đổ bê tông. Đồng thời, khi bê tông bị nứt, các sợi cơ bản trên bề mặt bó sợi bị phá hoại trước khi ứng suất kéo trong sợi đạt tới cường độ chịu kéo [6]. Papanicolaou [14] đã nghiên cứu với một số loại lưới sợi các bon và sợi thủy tinh, từ đó đưa ra một số hệ số xét đến các yếu tố ảnh hưởng tới cường độ chịu kéo của lưới sợi dệt khi làm việc trong kết cấu. Cường độ chịu kéo có hiệu của lưới sợi được xác định: f eff kr kb ks fu (1.1) Trong đó: f u là cường độ chịu kéo cực hạn của sợi đơn.
k r là hệ giảm cường độ do hư hỏng các bó sợi cơ bản tại mép vết nứt. Hệ số k r được lấy bằng 0,65 với sợi các bon và 0,75 với sợi thủy tinh. 8 Ảnh hưởng của khả năng dính bám giữa bó sợi với bê tông hạt mịn được xét đến thông qua hệ số k b và k s .