Tổng quan luận án

Vấn đề kiểm soát và xử lý các dạng vết nứt phát sinh trong quá trình thi công cũng như khai thác các công trình bê tông cốt thép (BTCT) là một yêu cầu kỹ thuật quan trọng trong điều kiện vật liệu xây dựng, công nghệ và môi trường tại Việt Nam. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng nứt ở các cấu kiện bê tông xuất phát từ cường độ chịu kéo thấp của vật liệu, tác động của hiện tượng co ngót, từ biến, hoặc tại các vị trí tập trung ứng suất cục bộ phức tạp. Điển hình cho các vị trí này là bản mặt cầu bằng BTCT, vùng neo cáp của cầu dây văng, cùng khu vực đầu neo và mối nối giữa các đốt dầm trong các cầu thi công theo công nghệ đúc hẫng hoặc lắp hẫng.

Để giải quyết các vấn đề trên, các biện pháp kỹ thuật truyền thống thường được áp dụng bao gồm căng kéo cốt thép dự ứng lực (DƯL), sử dụng phụ gia chống co ngót, hoặc gia tăng mật độ cốt thép thường tại các vị trí chịu lực cục bộ. Tuy nhiên, các giải pháp này bộc lộ những hạn chế nhất định trong việc phân bố lại ứng suất và ngăn ngừa phá hoại giòn. Mặc dù các kết cấu bê tông chất lượng cao DƯL đã khắc phục được một phần hiện tượng nứt, vật liệu này lại có xu hướng gia tăng tính giòn. Nhằm cải thiện khả năng chịu kéo, tăng cường độ dẻo dai và hạn chế sự phát triển của vết nứt sau khi hình thành, giải pháp bổ sung cốt sợi phân tán vào bê tông đã được triển khai nghiên cứu. Tại Việt Nam, việc ứng dụng bê tông cường độ cao gia cường cốt sợi thép (BTCĐCCST) cho kết cấu công trình cầu, đặc biệt là tại khu vực đầu neo cáp DƯL, vẫn còn là một khoảng trống kỹ thuật cần được khảo sát và xác lập cơ sở thực nghiệm cụ thể.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu xác định thành phần cấp phối và các tính chất cơ học cơ bản của bê tông cường độ cao cốt sợi thép (BTCĐCCST) dựa trên nguồn vật liệu sẵn có tại Việt Nam.
  2. Đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng và đặc trưng hình học của cốt sợi thép đến khả năng chịu lực, độ bền dai, cùng ứng xử cơ học sau nứt của vật liệu bê tông.
  3. Nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi thép tại khu vực đầu neo dầm bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) có xét đến hàm lượng cốt sợi nhằm giảm ứng suất cục bộ và hạn chế mật độ cốt thép thường.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu bê tông xi măng cường độ cao gia cường cốt sợi thép phân tán ngẫu nhiên và kết cấu vùng neo dầm cầu BTCT DƯL. Sợi thép được lựa chọn do giá thành hợp lý hơn sợi cacbon, sợi thủy tinh, đồng thời có cường độ chịu lực và mô đun đàn hồi vượt trội so với sợi tổng hợp polyme hay sợi thực vật, đảm bảo tính tương thích biến dạng cao khi làm việc chung với ma trận bê tông.

Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào:

  • Không gian và đối tượng kết cấu: Khu vực đầu neo cáp DƯL kéo sau của công trình cầu, cụ thể là dầm giản đơn chữ I khẩu độ 33 m và kết cấu dầm hộp.
  • Nội dung kỹ thuật: Khảo sát cấp phối bê tông mác 70 MPa (cường độ thiết kế 70 MPa) kết hợp cốt sợi thép Dramix với các tỷ lệ thể tích và tỷ số kích thước khác nhau; phân tích ứng xử chịu uốn, tải trọng nứt ban đầu, độ mở rộng vết nứt và độ võng.
  • Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm cơ học trong phòng thí nghiệm và lập ví dụ tính toán thiết kế cho kết cấu vùng neo thực tế.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử phát triển của bê tông cốt sợi bắt nguồn từ việc sử dụng các loại sợi tự nhiên để tăng cường tính liên kết cho vật liệu giòn từ thời kỳ cổ đại tại Ai Cập và Babylon. Đối với vật liệu gốc xi măng, sợi amiăng từng được đưa vào sử dụng trong vữa xi măng pooclăng. Những nghiên cứu khoa học đầu tiên về sợi thép phân tán ngẫu nhiên được thực hiện bởi Romualdi, Batson và Mandel. Tiếp theo đó, các nghiên cứu của Shah và Swamy tại Mỹ, Anh và Nga đã đặt nền móng cho việc ứng dụng bê tông cốt sợi thép (BTCST) vào kết cấu mặt đường từ những năm 1960. Trong giai đoạn 1971 - 1977, Nawy và các cộng sự đã công bố các kết quả nghiên cứu về sự làm việc lâu dài của các thanh và lưới sợi thủy tinh như cốt gia cường chính.

Từ năm 1989 đến 1999, Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI) đã ban hành hệ thống tiêu chuẩn ACI 544 gồm 4 tập: ACI 544.1R (tổng quan), ACI 544.2R (các tính chất), ACI 544.3R (công nghệ thi công) và ACI 544.4R-99 (hướng dẫn thiết kế bê tông gia cường cốt sợi thép). Tiêu chuẩn ASTM C1018-97 được ban hành nhằm hướng dẫn thí nghiệm xác định độ dai của BTCST. HSu LS và HSu CCT (1994) đã phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng của vật liệu. Wyliam và Sharama (1978) công bố các kết quả về khả năng chịu cắt; Naaman (1992) nghiên cứu về bê tông cốt sợi chất lượng cao; Bayashi (1992) khảo sát ứng dụng sợi cacbon trong sửa chữa kết cấu; Richard (1992) công bố về bê tông độ bền cao dùng sợi thép. Tại Đức, các nghiên cứu của Bernhard R. Maidl và Torrenti (1995) đã cung cấp cơ sở phân tích trên quan hệ tải trọng - độ võng.

Vấn đề độ dai của bê tông cốt sợi giai đoạn 2000 - 2007 được tiếp tục làm rõ qua các nghiên cứu so sánh tiêu chuẩn ASTM C1018 và tiêu chuẩn Nhật Bản JSCE SF-4 bởi Yu Cheng Kan (Đài Loan) và Piti Sukontasukkul (Bangkok) trên mẫu dầm kích thước 100 x 100 x 350 mm. Al-Ghamdy (Đại học Michigan, Mỹ) khảo sát quan hệ giữa độ dai với hàm lượng cốt sợi thể tích $v_f$ từ 0,75% đến 1,5%, tỷ lệ N/X từ 0,42 đến 0,6 trên mẫu 100 x 100 x 400 mm, rút ra kết luận ứng xử sau nứt của vật liệu mang tính đàn hồi dẻo. Jean Francois (1994, Đại học Nova Scotia, Canada) nghiên cứu tính dai trên mẫu 100 x 100 x 350 mm với cường độ bê tông 40 - 85 MPa để xác định mô đun đàn hồi và mô đun cắt ở độ võng 0 - 0,4 mm. Job Thomas (2007, Ấn Độ) nghiên cứu tính chất cơ học của BTCST cường độ 35 - 65 MPa với hàm lượng sợi 0,5 - 1,5%, ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để lập công thức dự báo mô đun đàn hồi. Các nghiên cứu về tải trọng va chạm động học tốc độ cao trên tấm BTCST được thực hiện bởi Đại học Munchen (1998) và K. Krauthamer (2006). Khung lý thuyết về cơ học phá hủy của vật liệu được Rossi và Casanova (1998, Trường Cầu Đường Paris), Yong zhi Lin (1999, Trường Karlsruhe), Konig, Holschemacher, Dehn (2002) và tiêu chuẩn RILEM TC 162-TDF (2002) hệ thống hóa.

Về phương diện làm việc của kết cấu vùng neo và cấu kiện BTCT DƯL:

  • Sanders (1990), Stone (1983) và Haroon (2003, 2006) chỉ ra rằng hư hỏng nứt vỡ tại vùng neo cáp DƯL xảy ra phổ biến do ứng suất tập trung cục bộ quá lớn và hiện tượng cốt thép thường vượt quá giới hạn chảy dẻo.
  • Libby (1976) nhận định việc bố trí mật độ cốt thép quá dày đặc kết hợp với thiết bị neo (bát neo, ống bơm vữa) trong không gian chật hẹp làm cản trở quá trình đổ và đầm lèn bê tông, dẫn đến suy giảm chất lượng khối đổ đầu neo.
  • Swamy và Al-Ta’an (1982) thực nghiệm 15 dầm bê tông chứng minh sợi thép hạn chế độ mở rộng vết nứt và cải thiện biến dạng cực hạn.
  • Vondran (1991) chỉ ra cốt sợi thép giúp tăng gấp 2 lần cường độ kháng cắt, chống xoắn, chịu mỏi và tăng 1,4 lần khả năng chịu mài mòn.
  • Shaaban và Gesund (1993) kết luận phương pháp đầm rung bên ngoài giúp tăng cường độ chịu kéo của BTCST rõ rệt hơn so với đầm dùi khi hàm lượng sợi tăng.
  • Tan (1994), Chaallal (1996), Harajili và Salloukh (1997), Bayasi, Gebham và Hill (2004) khẳng định cốt sợi làm tăng độ cứng, nâng cao khả năng dính bám của cốt thép thường, giảm năng lượng phát sinh và cho phép giảm mật độ cốt thép đai.
  • Wafa (1992) chỉ ra dầm DƯL chịu xoắn có hàm lượng sợi thép trên 1% mới phát huy hiệu quả kháng xoắn rõ rệt.
  • Junior và Hanai (1999) chứng minh cốt sợi ngắn làm tăng cường độ kháng cắt từ 13% đến 19%, cho phép thay thế một phần cốt thép đai chịu cắt trong dầm BTCT DƯL.

Tại Việt Nam, các công trình đã công bố bao gồm sách chuyên khảo về BTCST của Nguyễn Viết Trung (chủ biên, 2003); luận án tiến sĩ về bê tông cốt sợi polyme của Nguyễn Ngọc Long (2000); bê tông nhẹ cốt sợi hữu cơ của Nguyễn Văn Chánh (2001); bê tông cốt sợi polypropylen của Nguyễn Tiến Bình (2005); các nghiên cứu của Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải và Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết là: Tập trung nghiên cứu thực nghiệm thành phần cấp phối bê tông cường độ cao (mác 70 MPa) kết hợp cốt sợi thép Dramix sản xuất công nghiệp, thiết lập quan hệ định lượng giữa độ võng và bề rộng vết nứt, từ đó ứng dụng tính toán thiết kế giải tỏa ứng suất cục bộ và giảm thiểu cốt thép đai tại khu vực đầu neo cáp DƯL cho dầm chữ I và dầm hộp theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên hệ thống phân loại bê tông cốt sợi theo các tiêu chí:

  • Theo cường độ nén: Bê tông cốt sợi thông thường ($f'_c = 25 - 50\text{ MPa}$); bê tông cốt sợi cường độ cao ($f'_c = 60 - 100\text{ MPa}$); bê tông cốt sợi siêu cường độ ($f'_c = 120 - 800\text{ MPa}$).
  • Theo thể tích cốt sợi: Bê tông cốt sợi hàm lượng thông thường ($v_f = 0,25 - 2,5%$); bê tông nhiều cốt sợi ($v_f = 10 - 25%$).
  • Theo chất kết dính: Bê tông xi măng cốt sợi; bê tông polyme cốt sợi (Epoxy).

Đặc tính kỹ thuật của các loại sợi sử dụng trong bê tông xi măng được văn bản tổng hợp từ các báo cáo của ACI như sau:

Loại sợi Khối lượng riêng (kg/m³) Cường độ chịu kéo (GPa) Mô đun đàn hồi (GPa) Đường kính (mm) Độ dãn dài tương đối (%)
Thép 7,85 0,3 - 2,0 200 0,1 - 1,0 0,5 - 3,5
Thủy tinh 2,5 1,0 - 2,6 70 - 80 0,005 - 0,15 1,5 - 3,5
Graphite (cacbon) 1,9 1,0 - 2,6 230 - 415 0,008 - 0,009 0,5 - 1,0
Kevlar 1,45 3,5 - 3,6 65 - 133 0,01 2,1 - 4,0
Nylon 1,1 0,76 - 0,82 4,1 0,02 - 0,4 16 - 20
Polyester 1,4 0,72 - 0,86 8,3 0,02 - 0,4 11 - 13
Polypropylene 0,95 0,55 - 0,76 3,5 0,02 - 0,4 15 - 25
Acrylic 1,1 0,2 - 0,4 0,3 0,02 - 0,35 1,1
Asbestos 3,2 0,6 - 1,0 83 - 138 0,0015 - 0,02 1 - 2
Amiante 2,6 3,1 164 0,002 - 0,03 2 - 3
Cotton 1,5 0,4 - 0,7 4,8 0,2 - 0,6 3 - 10
Rayon 1,5 0,4 - 0,6 6,9 0,02 - 0,38 10 - 25
Rock wool 2,7 0,5 - 0,76 0,6 0,01 - 0,8 0,5 - 0,7
Sisal 1,5 0,8 - 3,0 - 0,01 - 0,1 -

Khái niệm BTCĐCCST yêu cầu tỷ lệ N/CKD $\le 0,35$, cường độ chịu nén 28 ngày $\ge 60 - 90\text{ MPa}$, cường độ sớm ở 3 ngày đạt $f'{c3} \ge 0,75 f'{c28}$, nhiệt độ hỗn hợp tươi $t < 25^\circ\text{C}$ để khống chế nứt nhiệt khối lớn. Độ sụt đo bằng côn Abrams yêu cầu từ $18 \pm 2\text{ cm}$, giữ được tối thiểu 1 giờ bằng cách sử dụng phụ gia siêu dẻo từ 0,7 đến 1,5 lít/100kg xi măng.

Các công thức cơ học và tính toán cường độ yêu cầu:

  • Theo ACI 318, cường độ yêu cầu trong phòng thí nghiệm khi chưa đủ số liệu thống kê: $$f'_{cr} = \frac{f'c + 1400}{0,9}\quad (\text{đơn vị Psi})$$ Cường độ yêu cầu tại công trường: $$f'{crc} = f'_c + 1400\quad (\text{đơn vị Psi})$$
  • Chiều dài tiêu chuẩn của sợi bị đứt mà không bị kéo tuột: $$l_c = \frac{d_f \cdot f}{4 \cdot v_b}$$ Trong đó: $d_f$ là đường kính sợi, $v_b$ là cường độ dính bám bề mặt, $f$ là cường độ của sợi.
  • Chỉ số độ dẻo theo Fanella, Naaman và Shah: $$TI = 1,421 \cdot RI + 1,035$$ Với $RI = V_f \cdot (l/d_f)$, trong đó $V_f$ là phần trăm thể tích sợi, $l/d_f$ là tỷ số chiều dài trên đường kính sợi.
  • Cường độ chịu kéo khi uốn danh định tại thời điểm nứt ban đầu: $$R_{fl} = \frac{3 \cdot F_{fiss}}{a^2}$$ Trong đó: $F_{fiss}$ tính bằng Newton, cạnh mẫu $a$ tính bằng mm, $R_{fl}$ tính bằng MPa.
  • Quan hệ giải tích giữa độ mở rộng vết nứt $w$ và độ võng $\delta$ (với giả thiết chiều cao vùng nén $x = 0,9h$ và chiều cao mẫu $h = L/3$): $$w = 1,2 \cdot (\delta - 0,05)$$

Phương pháp thực nghiệm xác định cấp phối và cơ lý tính vật liệu:

  • Mẫu thí nghiệm: 18 mẫu dầm kích thước $150 \times 150 \times 600\text{ mm}$, thí nghiệm uốn 4 điểm với khoảng cách giữa hai gối tựa bằng 3 lần chiều cao lăng trụ ($L_0 = 450\text{ mm}$), không xẻ khấc, chế tạo từ khuôn thép và đầm rung.
  • Thiết bị thí nghiệm: Máy nén tích hợp khung gá đo độ võng chuyên dụng gắn cảm biến LVDT với độ chính xác 0,5% để loại bỏ sai số lún tại điểm đặt lực và gối tựa; hệ thống máy tính thu nhận tín hiệu tự động với tần số 5 Hz (tối thiểu 1200 điểm đo). Tốc độ gia tải biến dạng được kiểm soát từ $0,1\text{ mm/ph}$ đến $0,25\text{ mm/ph}$, giảm xuống $0,025\text{ mm/ph}$ khi qua vùng nứt.
  • Nguồn vật liệu chế tạo:
    • Xi măng pooclăng PC40 (tỷ trọng $3,1\text{ g/cm}^3$) và PCB 40 Nghi Sơn có cường độ chịu nén 28 ngày đạt $48,9\text{ N/mm}^2$ (thử theo TCVN 6015-95).
    • Cát sông Lô phù hợp TCVN 7570:2006 (mô đun độ lớn từ 2,3 đến 2,92 tùy cấp phối mác bê tông).
    • Đá dăm $D_{max} = 20\text{ mm}$ (tỷ lệ hạt $5\sim10\text{ mm} / 10\sim20\text{ mm}$ là 45/55), sử dụng đá vôi cho mác 300 và đá xanh Hòa Bình cho mác 500, 700, 800.
    • Phụ gia siêu dẻo Glenium SP 51 (hãng MBT-Degussa) và Polycacbonxilat 3400 (hãng Sika).
    • Phụ gia khoáng siêu mịn: Muội silic ($35\text{ kg/m}^3$), tro trấu nghiền mịn (đáp ứng TCXDVN 311:2004 / ASTM C1240-00), tro tuyển Phả Lại (ASTM C618-00).
    • Cốt sợi thép Dramix BEKAERT ký hiệu RC 65/60-BN sản xuất tại Bỉ: sợi kéo nguội có móc hai đầu, chiều dài $l = 60\text{ mm}$, đường kính $d = 0,9\text{ mm}$, tỷ số $l/d_f = 65$, cường độ chịu kéo đứt $> 1000\text{ MPa}$, mật độ 3200 sợi/kg.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông cốt sợi

Chương này hệ thống hóa lịch sử hình thành, phân loại, các thông số vật liệu và lĩnh vực ứng dụng của bê tông cốt sợi trên thế giới và tại Việt Nam. Văn bản phân loại sợi thép theo hình học, công nghệ chế tạo và quy cách của các nhà sản xuất thương mại:

Loại sợi Chiều dài (mm) Kích thước mặt cắt (mm) Tỉ số kích thước ($l/d_f$) Cường độ vật liệu (MPa) Kiểu neo / Kiểu thép
EE186 18 0,6 x 0,4 38 800 Tấm cắt loe ở đầu
EE256 25 0,6 x 0,4 45 800 Tấm cắt loe ở đầu
EE266HT 25 0,6 x 0,4 45 1000 Tấm cắt loe ở đầu
Dramix 30 0,5 (đường kính) 60 1200 Dây kéo dài có móc
Xorex 38 1,35 x 0,5 43 800 Thép cán gấp mép
Horte 30 0,5 (đường kính) 60 700 Dây kéo dài
Harex 25 2,75 x 0,5 45 800 Thép cán gấp mép
Thép lưới F82 200 mỗi chiều Dây dài 8 mm tại tâm - 550 Lưới hàn
Thép lưới F41 100 mỗi chiều Dây dài 4 mm tại tâm - 550 Lưới hàn
Hình thoi 100 x 1200 4 x 100 - 550 Dây xích

Về ứng dụng thực tế trong kết cấu cầu, văn bản nêu rõ hai hướng chính:

  1. Kết cấu dầm và bản mặt cầu: Thay thế bê tông thường bằng BTCĐCCST giúp giảm chiều dày bản mặt cầu từ quy cách truyền thống xuống còn 16 cm (giảm 30% chiều dày), cải thiện khả năng chịu tải trọng uốn, chống va đập và hạn chế nứt.
  2. Gia cường và chống va chạm: Sử dụng BTCĐCCST làm lớp phủ bảo vệ mặt cầu, thay thế gờ chắn xe, dầm lan can, hoặc bọc bảo vệ các trụ cầu đô thị chống lại va chạm từ phương tiện giao thông.

Chương 2: Nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi thép trong bê tông cốt sợi thép

Nội dung chương tập trung xác định cấp phối BTCĐCCST đạt cường độ thiết kế 70 MPa và phân tích kết quả thí nghiệm cơ lý tính. Thành phần cấp phối thiết kế cho $1\text{ m}^3$ bê tông được xác lập theo bảng sau:

Cường độ thiết kế (MPa) Xi măng (kg) Nước (lít) Tỷ lệ N/CKD Siêu dẻo (lít) Muội silic (kg) Đá (kg) Cát (kg) Cốt sợi thép (kg) Tỷ lệ C/Đ C/(C+Đ)
70 525 162 0,31 6,3 0 906 787 0 1,17 0,46
70 495 162 0,30 6,3 35 910 790 50 1,17 0,46
70 495 162 0,30 6,3 35 897 780 75 1,17 0,46
70 495 162 0,30 6,3 35 883 767 125 1,17 0,46

Quy cách sợi thép Dramix sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm:

Nhóm thông số Giá trị kỹ thuật
Ký hiệu sản phẩm Dramix RC 65/60-BN
Cường độ chịu kéo đứt $> 1000\text{ MPa}$
Chiều dài sợi ($l$) $60\text{ mm}$
Đường kính sợi ($d$) $0,9\text{ mm}$
Tỷ số kích thước ($l/d_f$) 65
Số lượng sợi trên một kg 3200 sợi/kg
Hàm lượng cacbon Thấp

Kết quả thực nghiệm phân tích ứng xử chịu uốn và độ bền dai:

  • Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng thể hiện 3 giai đoạn: Giai đoạn đàn hồi tuyến tính từ gốc tọa độ đến điểm nứt ban đầu A; giai đoạn truyền lực từ ma trận nứt sang cốt sợi đến tải trọng cực hạn B; giai đoạn suy giảm ứng suất sau nứt BC với sự biến dạng và rút sợi dần dần.
  • Tải trọng nứt ban đầu tại điểm A chỉ phụ thuộc vào cường độ nén của ma trận bê tông gốc ($f'_c$), không chịu ảnh hưởng của hàm lượng hay kích thước sợi thép.
  • Sự gia cường sợi thép thể hiện rõ sau khi xuất hiện vết nứt: sợi thép đóng vai trò bắc cầu truyền ứng suất qua khe nứt, biến trạng thái phá hoại giòn thành đàn hồi dẻo với năng lượng phá hủy $G_r = W_0/a^2$ gia tăng đáng kể tại cấp độ võng 15 mm.
  • Khảo sát thực nghiệm đối với các mác bê tông từ 300, 500, 700 đến 800 với 4 loại sợi có tỷ số hướng sợi khác nhau (29; 39,7; 50; 60) cho thấy: Với bê tông mác 300, hiệu quả gia cường của sợi không đáng kể; tuy nhiên với bê tông mác cao (từ mác 500 trở lên), chất lượng liên kết đá xi măng - sợi thép vượt trội kết hợp với diện tích tiếp xúc lớn của sợi mảnh ($8978\text{ cm}^2/\text{kg}$ đối với sợi hướng 60 so với $5340\text{ cm}^2/\text{kg}$ đối với sợi hướng 29,7) đã làm tăng vọt cường độ chịu kéo khi uốn. Bê tông mác 500 đạt cường độ kéo khi uốn $100\text{ daN/cm}^2$ và đạt tới $195\text{ daN/cm}^2$ đối với bê tông mác 800.

Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi thép tại khu vực đầu neo có xét đến hàm lượng cốt sợi

Chương này phân tích các vấn đề kỹ thuật tại vùng đầu neo dầm BTCT DƯL khi căng kéo cáp:

  • Khi kích kéo cáp DƯL tác dụng lực tập trung lớn lên bản đệm neo, tại vùng lân cận xuất hiện trạng thái ứng suất cục bộ phức tạp bao gồm ứng suất ép mặt trực tiếp và ứng suất kéo tách ngang (bursting stress) vuông góc với tim cáp.
  • Thiết kế vùng neo theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 phân chia kết cấu thành hai khu vực: Vùng cục bộ (local zone) bao quanh trực tiếp thiết bị neo và vùng chung (general zone) bao quát toàn bộ chiều cao phân bố ứng suất dầm. Trong dầm BTCT DƯL thông thường, việc bố trí lưới thép gia cường và cốt thép đai chống tách vỡ tại vùng này thường dẫn đến tình trạng mật độ thép quá cao, làm giảm độ đồng nhất của bê tông khi đổ và đầm lèn.
  • Giải pháp sử dụng BTCĐCCST tại vùng neo cho phép tận dụng khả năng chịu kéo khi uốn và khả năng chống cắt vượt trội của vật liệu (cốt sợi giúp tăng khả năng chống cắt từ 45% đến gần 100% tùy cấu tạo móc neo), phân tán ứng suất kéo tách, ngăn chặn sự mở rộng vết nứt ban đầu và cho phép giảm bớt hàm lượng cốt thép thường chịu lực tại đầu dầm.

Chương 4: Thiết kế tính toán vùng neo

Chương này thực hiện các nội dung tính toán kết cấu cụ thể:

  • Thiết lập cơ sở tính toán vùng neo dựa trên mô hình giàn ảo (Strut-and-Tie Model) kết hợp với các tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 và AASHTO LRFD.
  • Thực hiện ví dụ tính toán thiết kế cho vùng đầu dầm BTCT DƯL mặt cắt chữ I khẩu độ nhịp $L = 33\text{ m}$ có gia cường cốt sợi thép Dramix.
  • Tính toán kiểm tra và phân tích đối với vùng neo cầu dầm hộp áp dụng phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm của Robinson và Tawfiq.
  • Kết quả tính toán cho thấy sự tham gia của cốt sợi thép trong bê tông cường độ cao giúp chịu một phần đáng kể ứng suất kéo tách cục bộ, giảm thiểu nguy cơ nứt tách tại vùng truyền lực từ bát neo vào thân dầm, đồng thời tạo điều kiện tiết giảm mật độ thanh cốt thép đai chống nứt trong khu vực chật hẹp này.

Kết quả và những đóng góp mới

Về mặt lý luận và khoa học:

  • Luận án đã hệ thống hóa và làm sáng tỏ cơ chế làm việc của bê tông cường độ cao cốt sợi thép (BTCĐCCST) sau khi nứt, xác nhận ứng xử suy giảm ứng suất dần dần mang tính đàn hồi dẻo thông qua biểu đồ tải trọng - độ võng thu được từ thực nghiệm uốn 4 điểm.
  • Thiết lập công thức giải tích mô tả mối tương quan định lượng giữa độ võng thực tế và bề rộng mở rộng vết nứt: $w = 1,2 \cdot (\delta - 0,05)$, hỗ trợ cho việc phân tích ứng suất - biến dạng vùng kéo của vật liệu.
  • Làm rõ quy luật ảnh hưởng tương hỗ giữa mác bê tông gốc và tỷ số hình học của cốt sợi thép: Sợi thép chỉ phát huy hiệu quả gia cường cường độ kéo khi uốn ở mức cao khi kết hợp với ma trận bê tông mác cao (từ mác 500 trở lên) do khả năng dính bám bề mặt tiếp xúc được tối ưu hóa.

Về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật:

  • Thiết lập thành công thành phần cấp phối BTCĐCCST đạt cường độ chịu nén thiết kế 70 MPa trên cơ sở sử dụng các nguồn nguyên vật liệu sẵn có tại Việt Nam (xi măng PC40, cát sông Lô, đá xanh Hòa Bình, tro trấu, muội silic và phụ gia Polycacbonxilat).
  • Chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của BTCĐCCST trong việc giải quyết vấn đề ứng suất tập trung cục bộ tại khu vực đầu neo cáp DƯL của dầm I 33 m và dầm hộp.
  • Đề xuất giải pháp giảm thiểu hàm lượng và mật độ cốt thép thường tại vùng neo, từ đó hạn chế hiện tượng nghẽn cốt liệu, nâng cao chất lượng thi công đầm lèn và loại bỏ nguy cơ nứt vỡ trong quá trình căng kéo cáp DƯL.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Do điều kiện kỹ thuật phức tạp của thí nghiệm kéo trực tiếp, luận án chỉ đánh giá gián tiếp các chỉ tiêu cường độ chịu kéo và ứng xử sau nứt thông qua mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm trên mẫu lăng trụ kích thước $150 \times 150 \times 600\text{ mm}$.
  • Các chỉ tiêu dài hạn như độ co ngót và từ biến chuyên biệt của hỗn hợp bê tông cường độ cao cốt sợi thép tại vùng neo chưa được tiến hành thí nghiệm dài ngày trong phạm vi của luận án mà được giới hạn chuyển sang các nghiên cứu riêng biệt.
  • Phạm vi ví dụ tính toán thiết kế thực tế mới tập trung vào dầm giản đơn chữ I 33 m và dầm hộp, chưa mở rộng cho các dạng kết cấu đặc biệt khác như khối đỉnh trụ hay vùng neo cáp cầu dây văng.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Triển khai các nghiên cứu thực nghiệm dài hạn để đo đạc chính xác biến dạng từ biến và co ngót của BTCĐCCST dưới tác dụng của lực căng kéo dự ứng lực duy trì liên tục theo thời gian.
  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu tính toán và thử nghiệm trên mô hình thực tế đối với các vị trí chịu ứng suất phức tạp khác như mối nối giữa các đốt dầm đúc hẫng, vùng liên kết trụ dầm và neo cáp cầu dây văng.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp các giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng học thuật và kỹ thuật:

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên sau đại học: Cung cấp phương pháp luận thực nghiệm đồng bộ theo các tiêu chuẩn quốc tế (ASTM C1018, RILEM TC 162-TDF, DIN 1045) về kỹ thuật đo chuyển vị bằng cảm biến LVDT trên khung gá độc lập nhằm loại trừ biến dạng lún gối, cùng phương pháp chuyển đổi quan hệ tải trọng - độ võng sang biểu đồ ứng suất - biến dạng.
  • Đối với kỹ sư thiết kế kết cấu cầu: Cung cấp số liệu cấp phối thực tế cho bê tông mác 70 MPa, các thông số cơ học về mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi uốn và quy trình áp dụng mô hình giàn ảo để tính toán tiết giảm cốt thép vùng neo theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 kết hợp phương pháp của Robinson và Tawfiq.
  • Đối với đơn vị thi công và quản lý dự án: Đưa ra các chỉ dẫn công nghệ về kiểm soát độ sụt hỗn hợp ($18 \pm 2\text{ cm}$ duy trì trên 1 giờ), tỷ lệ phụ gia siêu dẻo, phương pháp rải đều sợi thép trong cối trộn để tránh hiện tượng vón cục, và yêu cầu khống chế nhiệt độ khối đổ tươi dưới $25^\circ\text{C}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng loại cốt sợi thép nào trong các thí nghiệm chế tạo mẫu và thông số hình học của nó ra sao?
Luận án sử dụng sợi thép kéo nguội có móc hai đầu Dramix ký hiệu RC 65/60-BN sản xuất tại Bỉ. Các thông số kỹ thuật gồm: chiều dài sợi $l = 60\text{ mm}$, đường kính sợi $d = 0,9\text{ mm}$, tỷ số kích thước $l/d_f = 65$, cường độ chịu kéo đứt vượt quá $1000\text{ MPa}$, mật độ sợi khoảng 3200 sợi/kg, hàm lượng cacbon thấp.

2. Thành phần cấp phối thiết kế cho 1 m³ bê tông cường độ cao mác 70 MPa có sợi thép được xác định như thế nào?
Cấp phối bao gồm: 495 kg xi măng, 162 lít nước (tỷ lệ N/CKD = 0,30), 6,3 lít phụ gia siêu dẻo Polycacbonxilat, 35 kg muội silic (MS), 910 kg đá dăm, 790 kg cát, và hàm lượng sợi thép Dramix là 50 kg/m³ (trong các phương án biến thiên có khảo sát thêm các mức 75 kg và 125 kg với sự điều chỉnh tương ứng của đá và cát).

3. Tại sao tải trọng nứt ban đầu của bê tông không tăng lên khi bổ sung cốt sợi thép?
Kết quả thực nghiệm trên biểu đồ tải trọng - độ võng chỉ ra rằng điểm nứt ban đầu A (mất ứng xử đàn hồi tuyến tính) chỉ phụ thuộc hoàn toàn vào chất lượng và cường độ chịu nén của ma trận đá xi măng ($f'_c$). Sợi thép chỉ bắt đầu phát huy vai trò truyền lực và khống chế vết nứt (hiệu ứng bắc cầu) sau khi ma trận bê tông đã xuất hiện vết nứt, duy trì khả năng chịu lực đến điểm cực hạn B và kéo dài giai đoạn phá hủy đàn hồi dẻo sau đó.

4. Mác bê tông gốc có ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả làm việc của cốt sợi thép?
Thực nghiệm cho thấy cốt sợi thép không phát huy nhiều hiệu quả gia cường cường độ uốn đối với bê tông mác trung bình (mác 300). Ngược lại, đối với bê tông mác cao (mác 500, 700 và 800), chất lượng hồ xi măng tốt tạo lực liên kết dính bám bề mặt vượt trội giữa đá xi măng và sợi thép. Đồng thời, sợi thép có tỷ số hướng sợi cao (mảnh hơn, số lượng sợi nhiều hơn trên một đơn vị khối lượng) cung cấp diện tích tiếp xúc lớn, giúp cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông tăng vọt (đạt từ $100\text{ daN/cm}^2$ ở mác 500 đến $195\text{ daN/cm}^2$ ở mác 800).

5. Luận án thực hiện tính toán thiết kế kiểm chứng vùng neo cho những kết cấu cầu cụ thể nào và theo phương pháp gì?
Luận án áp dụng phương pháp mô hình giàn ảo (Strut-and-Tie) và tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 để tính toán chi tiết cho vùng đầu neo dầm bê tông cốt thép dự ứng lực mặt cắt chữ I khẩu độ nhịp $L = 33\text{ m}$. Ngoài ra, luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm của Robinson và Tawfiq để tính toán kiểm tra ứng suất và cấu tạo vùng neo cho kết cấu cầu dầm hộp.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán kiểm soát nứt và tập trung ứng suất tại khu vực đầu neo cáp dự ứng lực thông qua việc nghiên cứu thành phần cấp phối và cơ lý tính của bê tông cường độ cao mác 70 MPa gia cường cốt sợi thép Dramix. Các kết quả thực nghiệm uốn 4 điểm với hệ thống đo LVDT đã xác lập định lượng biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng, chỉ số độ bền dai và công thức liên hệ giữa bề rộng vết nứt với độ võng đàn hồi dẻo sau nứt. Trên cơ sở lý thuyết mô hình giàn ảo và các phương pháp giải tích thực nghiệm, công trình đã chứng minh tính hiệu quả của việc ứng dụng bê tông cốt sợi thép nhằm giảm tải ứng suất kéo tách cục bộ và tiết giảm mật độ cốt thép thường tại vùng neo dầm I 33 m và dầm hộp. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho công tác nghiên cứu, thiết kế và thi công kết cấu cầu bê tông cốt thép dự ứng lực tại Việt Nam.