Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan Chương 3: Thiết lập thí nghiệm Chương 4: Kết quả thí nghiệm và thảo luận Chương 5: Kết luận và kiến nghị 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC 2. Tổng quan về bê tông tính năng cao Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến có từ lâu đời. Rất nhiều công trình kiến trúc, lịch sử nổi tiếng có từ thời cổ đại cho đến hiện đại có giá trị cao sử dụng vật liệu bê tông. Thực tế hiện nay vật liệu bê tông rất quan trọng trong sự phát triển của cơ sở hạ tầng, các toà nhà cao tầng, đập thuỷ lợi, … thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa của đất nước.
Nhờ sự tiến bộ trong khoa học và kỹ thuật, các nhà nghiên cứu đã và đang tiếp tục nghiên cứu và khám phá các loại bê tông mới, nhằm xây dựng các công trình vững chắc, tăng thẩm mỹ và tích hợp các đặc tính thông minh hướng đến sự phát triển bền vững. Một số loại bê tông đang áp dụng có thể kể đến như: bê tông cường độ cao (HSC), bê tông tính năng cao (HPFRC), bê tông tính năng siêu cao (UHPFRC, một hình thức của HPFRC) và nhiều loại bê tông khác với nhiều tính năng hữu ích nhằm tăng cường giá trị ứng dụng. So với NC và HSC, HPFRC được phát triển để có tính chất cơ học cao hơn, độ bền được cải thiện, từ đó có thể được dùng cho nhiều loại kết cấu như cột, dầm, sàn… nhằm cải thiện khả năng chịu lực và giúp tiết kiệm vật liệu do giảm kích thước cấu kiện. HPFRC được chế tạo với tỷ lệ nước so với ximăng rất thấp (N/X < 0,25), kết hợp bổ sung các phụ gia khoáng như muội silic (silica fume), tro bay (fly ash) giúp cấu trúc HPFRC được lèn chặt, lỗ rỗng ít.
Điều này dẫn đến cường độ HPFRC cao cũng như giảm thiểu sự xâm nhập của chất xâm thực như ion clorua hay sunfat khi so sánh với bê tông truyền thống. Sợi thép gia cường cũng là thành phần thiết yếu được mong đợi trong việc cải thiện tính chất cơ học của bê tông tính năng cao, đặc biệt cường độ và khả năng biến dạng trong kết cấu chịu kéo hay uốn. Nhờ hiệu ứng chằng vết nứt của cốt sợi (fiber bridging mechanism), việc phát triển vết nứt của HPFRC bị hạn chế, sự giảm ứng suất sau đỉnh đường cong mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng ít đột ngột, tức vật liệu phá hoại ít giòn hơn. Bên cạnh đó, tính chất chịu biến dạng lớn của HPFRC giúp vật liệu này hấp thụ năng lượng cơ học lớn và độ bền cực kì cao.
Cơ sở lý thuyết Luận văn này sử dụng cùng loại bê tông HPFRC đã được nghiên cứu các tính chất cơ học bao gồm cường độ chịu nén, kéo và uốn ở luận văn Thạc sỹ Nguyễn Trí Thông [2]. Do đó, trong luận văn này chỉ tóm tắt các tính chất cơ học chính của HPFRC sử dụng để khẳng định bê tông nghiên cứu trong luận văn này là bê tông HPFRC. Theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Trí Thông [2], mẫu bê tông tính năng cao hình lăng trụ tròn, có đường kính d=100 mm và d=150 mm, chiều cao mẫu bằng 2 lần đường kính, chịu tác dụng của tải trọng nén dọc trục lần lượt đạt cường độ chịu nén là f c' = 79,10 MPa và f c' = 77. Mẫu bê tông tính năng cao với rộng × cao × chiều dài là 40 × 40 × 160 mm3 dạng lăng trụ (chiều dài nhịp 120 mm) dưới tải trọng uốn 3 điểm đạt cường độ chịu uốn là f r = 36,83 MPa.
Mẫu bê tông tính năng cao có dạng hình quả tạ với kích thước làm việc 30 x 50 x 100 mm (chiều dày ×chiều rộng × chiều dài đo) dưới sơ đồ kéo trực tiếp có cường độ chịu kéo và biến dạng tương đối tại vết nứt đầu tiên (cũng là giới hạn đàn hồi) là cc =3,41 Mpa và cc =0,044%. Tại nứt cuối cường độ kéo phá hoại là pc =9,81 MPa tương ứng với biến dạng kéo tương đối là pc =0,37%. Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn tĩnh Dưới tải uốn tĩnh, ứng xử HPFRC có thể là giảm mềm cơ học hoặc tăng cứng cơ học tùy thuộc vào loại và hàm lượng thể tích của sợi được sử dụng trong vữa bê tông HPFRC [2-4]. Tăng cứng cơ học là một trong những tính chất cơ học ưu việt nhất của vật liệu HPFRC, tính chất này luôn đi kèm với nhiều vi nứt xuất hiện trong suốt quá trình gia tăng tải trọng.
Kết quả là, HPFRC có độ bền cao, độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng cực kì lớn.1 mô tả biểu đồ ứng xử tăng cứng cơ học điển hình của vật liệu HPFRC dưới tải trọng uốn tĩnh [5].1, có 2 điểm quan trọng là A và B: điểm A ( LOP , f LOP ), là giới hạn đàn hồi (LOP) và được định nghĩa là điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên; điểm B ( MOR , f MOR ) là đỉnh của đường cong và được định nghĩa là điểm xuất hiện vết nứt cuối cùng (MOR) [5]. Điều kiện để vật liệu tăng cứng cơ học là cường độ kéo uốn tại MOR lớn hơn hoặc bằng cường độ kéo uốn tại LOP, 8 tức là f MOR f LOP. Giai đoạn OA là giai đoạn đàn hồi tuyến tính, giai đoạn AB là giai đoạn hình thành các vi nứt và giai đoạn BC là giai đoạn mở rộng vết nứt chủ. Mối liên hệ giữa mô men, tải trọng uốn và ứng suất kéo uốn tại MOR lần lượt được xác định theo các phương trình (2.2) dưới sơ đồ uốn 3 điểm.
Trong phương trình (2.2), thông số L , b và h lần lượt là chiều dài nhịp, chiều rộng và chiều cao của mẫu thí nghiệm; PMOR là tĩnh tải tập trung lớn nhất; M MOR mô men tại giữa nhịp ứng với PMOR. 6M MOR 3 PMOR L f MOR = = (2.1) bh 2 2 bh 2 PMOR L M MOR = (2.2) 4 Cần lưu ý rằng, cường độ chịu uốn f MOR được lấy làm thông số đầu vào để xác định biên độ tải lặp ( Pmax ) trong nghiên cứu này. Ứng suất kéo uốn A - LOP (giới hạn tuyến tính) B - MOR (điểm phá hoại) fMOR > fLOP fMOR B Tăng cứng cơ học Tạo nhiều vi nứt Giảm mềm cơ học fLOP A Mở rộng vết nứt Tuyến tính Chưa nứt C O LOP/L MOR/L Độ võng tương đối, /L Hình 2. Ứng xử kéo uốn điển hình của vật liệu HPFRC dưới tải trọng tĩnh Độ võng của vật liệu HPFRC dưới tải trọng uốn ba điểm bao gồm độ võng do lực cắt ( V ) và độ võng do mômen ( M ).
Theo Nguyen và cộng sự [6], biểu đồ của độ cong và biến dạng trượt phân bố dọc theo dầm của vật liệu HPFRC với ứng xử tăng cứng cơ học được thể hiện ở Hình 2. Độ võng giữa nhịp tại MOR ( MOR ) được xác định theo phương trình (2. 9 PLOP PLOP 2 MOR 2 − − L2 PMOR PMOR (1 + ) L2 h 2 + MOR MOR = (2.3) 24 PLOP 6 L + LOP 1 + PMOR Trong đó, PLOP và PMOR lần lượt là tải trọng tại LOP và MOR; LOP và MOR là độ cong của dầm tại LOP và MOR; h / L là tỷ số giữa chiều cao và chiều dài nhịp của mẫu; là hệ số Poisson. L/2 L/2 d P R = 1/ R = 1/ M h dx Trục trung M=PL/4 hoà Biểu đồ M do P Do M LOP LOP MOR M 2 M Biểu đồ tại MOR MOR 2 − LOP − LOP L2 MOR MOR M M MOR = V=P/2 24 M LOP + + LOP 1 + M MOR V=P/2 - Biểu đồ V do P MOR (1 + ) L2 h 2 + MOR 6 L + MOR - Do V Biểu đồ tại MOR Hình 2.
Phân bố mô men - độ cong và lực cắt - biến dạng trượt của dầm HPFRC dưới thí nghiệm uốn ba điểm 2. Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn lặp Đường cong mỏi với mối quan hệ S − N (xem Hình 2.3), được biết đến với tên gọi đường cong Wöhler, được áp dụng để phân tích ứng xử mỏi của vật liệu khi chịu tải trọng uốn lặp. Trong mối quan hệ này, N là số chu kỳ tải trọng khi vật liệu bị phá 10 hoại, trong khi S được áp dụng theo nhiều dạng khác nhau. Dạng điển hình ban đầu của S liên quan đến thông số f a.
Thông số f a là biên độ ứng suất ( f a = ( f max − f min ) / 2 ), với f max và f min được kí hiệu là ứng suất mỏi lớn nhất và nhỏ nhất [7,8]. Dạng thứ hai của S liên quan đến f max / f MOR [9-11], dạng này theo hàm số tuyến tính, được thể hiện ở phương trình (2. Có một số tài liệu đã xuất bản đưa ra phương trình mỏi với hệ số điều chỉnh ( R ). Biểu thức tuyến tính được điều chỉnh bằng hệ số R được biểu diễn tại phương trình (2.
Để sử dụng phương trình (2.5), R có giá trị dao động trong khoảng (0,1), nhưng f min hoặc f max = f max − f min phải thay đổi. Trong đó, a , b và là các hệ số liên quan đến tính chất vật liệu.5) f MOR Trong luận văn này, để duy trì ứng suất kéo ở thớ dưới trong quá trình chịu tải trọng lặp, các mẫu thử uốn HPFRC được thiết kế thí nghiệm sao cho f max > f min > 0. Thông số S sẽ được sử dụng dưới dạng tỷ số như sau: tử số là biên độ ứng suất mỏi, f max = ( f max − f min ) , và mẫu số là cường độ uốn tĩnh tại MOR, như được trình bày trong biểu thức (2.6) f MOR f MOR Trong đó, f max là ứng suất uốn lớn nhất và f min là ứng suất uốn nhỏ nhất dưới tải trọng lặp; f MOR là cường độ uốn tĩnh tại MOR. 11 S Sk S0 Nk N0 N Hình 2.