MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Mặc dù vật liệu thép ngày càng được sử dụng ở phổ biến ở Việt Nam, bê tông vẫn là một trong những vật liệu xây dựng chính 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 bê tông cốt thép (BTCT) có độ cứng và ổn định tốt hơn kết cấu thép, ít chịu ảnh hưởng xung kích và đặc biệt ít bị tác động bởi môi trường xâm thực hơn so với vật liệu thép. Những năm gần đây, bê tông tính năng cao cốt sợi, bao gồm ultra-high-performance concrete (UHPFRC), hoặc high-performance concrete (HPFRC) được các nhà nghiên cứu tìm hiểu, phát triển sâu rộng do chúng có tính chất cơ học tốt. Đường cong ứng xử điển hình của FRC và HPFRC Vật liệu HPFRC có tính năng vượt trội so với bê tông truyền thống như cường độ nén cao (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].
Tính chất cơ học của HPFRC tùy thuộc rất lớn vào thông số cốt sợi sử dụng như loại sợi, hình dáng, cường độ sợi, hàm lượng sử dụng, phân bố sợi [2-6]. Nếu sử dụng sợi phù hợp, HPFRC có thể tạo ra ứng xử tăng cứng cơ học (strain-hardening). Đây là tính chất rất quan trọng của HPFRC so với bê tông thường vốn có sức kháng kéo trực tiếp cực thấp. Hình 1-1 thể hiện đường cong kéo điển hình của 1 Luan van HPFRC có ứng xử tăng cứng cơ học.
Rõ ràng, cường độ, khả năng chịu biến dạng, năng lượng hấp thu của HPFRC lớn hơn rất nhiều lần so với FRC, vật liệu cũng đã tốt so với bê tông thường. Park và các công sự [2] thí nghiệm mẫu UHPFRC kéo trực tiếp, tác giả dùng nhiều loại sợi to khác nhau (với hàm lượng cố định 1.%) kết hợp với sợi nhỏ (với hàm lượng thay đổi là 0. Tác giả kết luận rằng sợi thép to ảnh hưởng đến đường cong ứng xử kéo trực tiếp của UHPFRC nhiều hơn sợi thép nhỏ. Khi hàm lượng sợi nhỏ tăng thì cường độ sau nứt và số lượng vi nứt tăng.
Ngoài ra trong các loại sợi thép thí nghiệm, sợi thép xoắn tạo hiệu quả cao nhất. Như vậy sự phối hợp giữa sợi to và sợp nhỏ có thể mang lại tính hiệp đồng nâng cường độ vật liệu. Tính hiệp đồng này sẽ được nghiên cứu trong đề tài cho vật liệu HPFRC. Ngoài khả năng chịu tải lớn, HPFRC còn có tính chất đặc biệt là khả năng tự cảm biến, khả năng tự hàn vết nứt, khả năng tự đầm [3-6].
Hình 1-2 mô tả khả năng tự cảm biến của HPFRC. Theo Hình 1-2 ta thấy giữa đường cong ứng suất kéo (nét liền) và đường cong điện trở suất (nét liền) có mối liên hệ từ lúc gia tải đến lúc đạt đỉnh. Từ mối liên hệ này ta có thể tìm được ứng suất nếu biết được điện trở suất qua vật liệu HPFRC. Đồ thị điển hình ứng xử kéo trực tiếp – cảm biến của HPFRC Hình 1-3.
Hình ảnh minh họa quá trình tự hàn vết nứt của HPFRC 2 Luan van Hình 1-4. Độ chảy xòe của vữa HPFRC Bên cạnh đó, HPFRC còn thể hiện tính thông minh tự hàn vết nứt [6]. Cơ chế của sự tự hàn vết nứt như sau: Cao trong bê tông và CO2 ngoài khí quyển kết hợp sẽ hình thành CaCO3 trám các vi nứt. Thời gian trám các Cơ chế tự đầm của HPFRC dựa trên tính linh động lớn của vữa HPFRC: độ chảy xòe của HPFRC có đường kính khoảng 65-75 cm như minh họa ở Hình 1-4.
Tại Việt Nam, bê tông tính năng cao được ứng dụng ngày một phổ biến trong cả xây dựng dân dụng, công nghiệp và giao thông. Các kết cấu công trình giao thông gần đây sử dụng HPFRC có thể kể đến: sửa chữa mặt cầu Thăng Long ở Hà Nội (Hình 1-5), xây dựng trụ tháp cầu dây văng Extradosed thuộc tuyến Mê trô số 1 (Bến Thành – Suối Tiên) ở Tp. HCM sử dụng HPFRC tại neo yên ngựa của trụ tháp dây văng (Hình 1-6). (a) Thi công đổ mặt cầu bằng bê tông HPFRC 3 Luan van (b) Chi tiết HPFRC Hình 1-5.
Cải tạo mặt cầu Thăng Long sử dụng HPFRC (a) Trộn vữa bê tông HPFRC dùng sợi thép nhỏ 4 Luan van (b) Tháp cầu sử dụng bê tông HPFRC tạo neo yên ngựa Hình 1-6. Cầu Extradosed thuộc tuyến Mê trô số 1 – Tp. HCM sử dụng HPFRC Ngoài nước, một số công trình ở nước ngoài dùng HPFRC như sân ga Shawnessy Light Rail Transit ở Calgary, Canada [7], (xem Hình 1-7), tòa nhà Museum of Civilizations in Europe and the Mediterranean ở Marseille, Pháp [8] (xem Hình 1-8). Nhà ga Shawnessy Light Rail Transit (Calgary, Canada) 5 Luan van Hình 1-8.
Tòa nhà Museum of Civilizations in Europe and the Mediterranean (Marseille, Pháp) 1.2 Tính cấp thiết Nghiên cứu và phát triển vật liệu xây dựng để công trình bền chắc hơn, đạt thẩm mỹ cao hơn đồng thời có những tính năng thông minh luôn cuốn hút các nhà nghiên cứu. Trong ngành kỹ thuật xây dựng, bê tông chiếm vai trò quan trọng vì khối lượng sử dụng lớn trong các công trình xây dựng. Tuy nhiên, loại vật liệu bê tông truyền thống 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, dễ bị ăn mòn cốt thép trong môi trường xâm thực và khả năng chịu kéo rất kém.
Xuất phát từ nhu cầu sử dụng và những hạn chế của bê tông truyền thống, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã phát triển bê tông tính năng cao (high-performance fiber- reinforced concrete, HPFRC). Đây là loại bê tông có tính chất cơ học tốt như cường độ nén và kéo đều cao, hấp thu năng lượng lớn, bền cơ học, kháng nứt của HPFRC tốt hơn bê tông thường rất nhiều do cấu trúc tinh thể rất đặc và có cốt sợi gia cường chằng vết nết. Vật liệu HPFRC còn có khả năng tạo tăng cứng cơ học (strain-hardening) và các tính chất thông minh như: tự hàn vết nứt (self-healing), tự cảm ứng (self-sensing), tự đầm (self- compacting). Với những tính chất ưu việt nêu trên, HPFRC được mong đợi sẽ được phát triển và ứng dụng phổ biến.
Tuy đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về HPFRC, nhưng một sốt tính chất cơ lý của HPFRC vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu để có thêm thông tin, đặc biêt là so sánh, phân tích ứng xử kéo trực tiếp và gián tiếp của HPFRC. Xuất phát từ nhu cầu đó, đề tài này tập trung vào nghiên cứu ứng xử kéo trực tiếp và gián tiếp của HPFRC; hiểu biết rõ các ứng xử này của HPFRC sẽ giúp ứng dụng vật liệu này một cách đúng đắn, hiệu quả.3 Mục tiêu Thông qua chế tạo, thí nghiệm và phân tích, nghiên cứu ứng xử kéo trực tiếp và gián tiếp của bê tông tính năng cao khi sử dụng loại sợi thép khác nhau.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Bê tông tính năng cao dưới tải trọng kéo trực tiếp và gián tiếp.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1.1 Cách tiếp cận - Tìm hiểu các nghiên cứu đã có trong và ngoài nước về ứng xử của bê tông tính năng cao dưới tải trọng kéo trực tiếp và gián tiếp; - Tìm hiểu lý thuyết cơ chế phá hoại kéo trực tiếp và gián tiếp của vật liệu bê tông tính năng cao khi có gia cường cốt sợi; - Xác định các vấn đề và thông tin còn chưa rõ, cần thiết phải nghiên cứu bổ sung, từ đó xác định mục tiêu nghiên cứu; - Tiến hành thực nghiệm để xác định cụ tính chất cơ học của bê tông tính năng cao.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê, tổng hợp: thu thập, phân tích các nghiên cứu về ứng xử cơ học của bê tông tính năng cao đã thực hiện ở Việt Nam và trên thế giới; - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu thử ở trong phòng thí nghiệm dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành; kết quả thí nghiệm trong phòng được xử lý thống kê và quy hoạch thực nghiệm nhằm đảm bảo độ tin cậy cần thiết; - Phương pháp phân tích, so sánh: phân tích, so sánh các kết quả có được với kết quả từ lý thuyết, so sánh thực nghiệm; xây dựng mô hình lý thuyết phù hợp từ kết quả thực nghiệm.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.
7 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 kéo trực tiếp và gián tiếp HPFRC. Có 4 nhiệm vụ trong nghiên cứu đề tài: (1) Tìm hiểu ứng xử kéo trực tiếp của HPFRC Trong nhiệm vụ này, cốt sợi để so sánh gồm có: i) không có sợi thêm vào (đối chứng); ii) 1.% sợi 2 đầu móc to (LH); iii) 1.% sợi phẳng nhỏ (SS); iv) 1.% sợi móc to trộn chung 0.% sợi phẳng nhỏ (Hyb). (2) Tìm hiểu ứng xử kéo gián tiếp của HPFRC (kéo uốn) Trong nhiệm vụ này, cốt sợi để so sánh gồm có: i) không có sợi thêm vào (HPFRC1); ii) hỗn hợp gồm 1.% sợi móc to cùng 0.% sợi phẳng nhỏ (Hyb); 2.2 Vật liệu và đúc mẫu Hình 2-1 thể hiện các vật liệu dùng để chế tạo HPFRC trong khi Bảng 2-1 cung cấp thành phần cấp phối của vữa bê tông tính năng cao chưa có cốt sợi. Tính chất cơ lý của hai loại sợi thép sử dụng thể hiện trong Bảng 2-2.
Kích thước 2 loại sợi thép như sau: sợi móc to tiết diện tròn dài 35 mm có đường kính 0.5 mm, sợi phẳng nhỏ dài 13 mm có đường kính 0. Bảng 2-3 cung cấp thành phần hóa học của xi măng, silica fume, tro bay. Hình 2-2 thể hiện hình chụp các loại sợi thép sử dụng trong nghiên cứu này. Thành phần hạt của cát và đá dăm được thể hiện trong Bảng 2-4.
Cát sử dụng nghiên cứu là cát mịn, đường kính hạt từ 0. 8 Luan van a) Cát b) Tro bay c) Xi măng d) Nước e) Phụ gia siêu dẻo f) Silica fume Hình 2-1. Hình chụp các vật liệu dùng chế tạo vữa HPFRC Bảng 2-1. Thành phần vữa bê tông và cường độ nén Loại bê Silica Phụ gia f 'c tông Xi măng fume Cát Tro bay hóa dẻo Nước Đá dăm (MPa) HPFRC 0.30 Cường độ nén dùng mẫu lăng trụ kích thước 150x300 mm.