Lực Dính Bám Giữa Sợi Thép Và Chất Nền Bt, Dính Bám Của Cốt Thép Và Btcst

phát triển loại vật liệu này ở Việt Nam. Các nghiên cứu về sự làm việc mỏi của bê tông cốt sợi phân tán đã được tác giả Bùi Thiên Lam [16] trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng công bố. Các nghiên cứu vê những loại sợi khác như sợi các bon, sợi Ba zan, sợi sơ dừa, sợi thủy tinh được chỉ ra trong [18], [19]. [16]

Ở Việt nam, vấn đề nâng cao chất lượng và tính năng của bê tông đang được quan tâm. Nhiều công trình nghiên cứu khoa học và ứng dụng của BT CĐSC đã được thực hiện [20], [80], [103]. BT CĐSC có sự tham gia của cốt sợi thép giúp cải thiện đáng kể tính năng của nó. Vật liệu này thường đã được dùng trong ngành xây dựng giao thông như: cầu đường bộ, cầu dành cho người đi bộ, cầu có khẩu độ lớn, mái vòm, kết cấu vỏ hầm... Gần đây, TS Trần Bá Việt và các công sự đã nghiên cứu tính toán sử dụng BT CĐSC vào thết kế cầu nhịp giản đơn, tải trọng HL93 [111] và đã nghiên chế tạo được cầu BT CĐSC cho phương tiện 2 bánh, nhịp giản đơn 18m tại Hậu Giang [5].

1.2. Tính năng cơ học của bê tông cốt sợi thép

1.2.1. Lực dính bám giữa sợi thép và chất nền BT, dính bám của cốt thép và BTCST

Bê tông cốt sợi thép là vật liệu hỗn hợp dạng composite, được cải thiện ứng xử của vật liệu bê tông thông thường sau nứt. Các thuộc tính của bê tông sau nứt phụ thuộc rất lớn vào lực dính bám giữa cốt sợi và bê tông. Vai trò chủ đạo của cốt sợi thép là khâu vết nứt, hạn chế độ mở rộng vết nứt, làm cho BTCST có tính dẻo dai, hấp thu năng lượng lớn hơn bê tông thường. Cốt sợi thép làm tăng cường độ chịu kéo của bê tông. Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông càng lớn thì cường độ chịu kéo của BTCST càng lớn do cốt thép khó bị kéo tuột ra khỏi bê tông. Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông phụ thuộc rất lớn vào hình dạng và loại cốt sợi thép. Theo [22] và

[70] sợi thép có bề mặt tiếp xúc lớn sẽ có lực dính bám với bê tông cao hơn. Sợi có tiết diện hình vuông sẽ dính bám tốt hơn tiết diện tròn khi có cùng chiều dài sợi. Sợi có đường kính nhỏ, độ co của sợi lớn có khả năng dính bám tốt hơn. Cường độ dính bám của cốt sợi được cải thiện đáng kể khi sợi được chế tạo sao cho hình dạng không thẳng mà có dạng uốn cong đầu sợi, dạng lượn sóng, xoắn, mở rộng ở đầu... Sợi thép Dramix có uốn móc 2 đầu tăng lực dính bám tốt hơn các loại sợi thép khác do ma sát giữa sợi và bê tông tốt hơn (Hình 1.1).

Hình 1.1 Ứng xử của cốt sợi thép Dramix trong bê tông

Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông còn phụ thuộc vào đặc điểm của bê tông xi măng. Cường độ bê tông càng lớn lực dính bám càng lớn [6], [22], [37], [48], [49], [93], như vậy với bê tông cường độ cao thì lực dính bám với sợi thép sẽ lớn hơn so với bê tông thường. Thí nhiệm xác định lực dính bám (pull out test) đã được Naaman và Nawy (1991) thực hiện và đã có kết luận rằng: Cường độ pha nền (vữa xi măng) lớn thì lực dính bám lớn. Thí nghiệm chỉ ra rằng cốt sợi có uốn móc ở đầu thì lực dính bám tăng gấp 4 lần so với cốt sợi thẳng trơn khi cùng đường kính và chiều dài, cùng loại bê tông nền.

Lực dính bám giữa cốt thép và bê tông cốt sợi thép rất lớn. Sợi thép giúp làm tăng dính bám giữa cốt thép thanh và bê tông do tăng khả năng chống kéo tuột và khả năng chống phân tách của bê tông.

Khi thí nghiệm xem xét yếu tố dính bám giữa bê tông cốt sợi và cốt thép thanh, theo [105] chỉ ra có hai loại phá hủy: do kéo tuột và do bê tông bị tách vỡ. Theo nghiên cứu này, khi tăng hàm lượng cốt sợi cả lực dính bám và cường độ chịu tách vỡ đều tăng đáng kể. Theo nghiên cứu này thì khi chiều dài dính bám bằng 10 lần đường kính thanh thì cốt thép sẽ không tuột mà bị kéo chảy. Trong khi con số đó với bê tông cốt thép thường là (20-30) lần đường kính thanh.

Hình 1.2 Thí nghiệm kéo cốt thép trượt khỏi bê tông[105]

Trong thí nghiệm kéo làm tách bê tông như Hình 1.2. Các tác giả đã khẳng định rằng hàm lượng cốt sợi làm tăng đáng kể cường độ chịu kéo tách bê tông. Với hàm lượng sợi là 1% cường độ tăng tải trọng khi phá hủy tăng 100%, với hàm lượng sợi là 2% thì lực kéo lớn nhất tăng 157%. Đồng thời cũng kết luận với hàm lượng sợi 2%, chiều dài neo gấp 3,25 lần đường kính thanh thì cốt thép sẽ bị chảy dẻo trước khi bê tông bị phân tách. Như vậy khi có mặt của cốt sợi thép, bê tông sẽ khó bị tách vỡ hơn và khả năng kéo tuột khó xảy ra hơn. Khi đó cốt thép chỉ có thể bị chảy dẻo.

1.2.2. Cường độ chịu kéo trực tiếp của BTCST.

Cường độ chịu kéo trực tiếp là một thuộc tính quan trọng ảnh hưởng đến sự làm việc cắt của dầm BTCST. Thí nghiệm kéo trực tiếp để xác định cường độ chịu kéo của BTCST được lấy theo ACI 544 2R 99 [27] và RILEM TC 162 TDF [104].

Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo trực tiếp của BTCST là quá trình khó thực hiện. Vấn đề là kích thước mẫu không đủ lớn để các sợi có thể sắp xếp, phân bố giống với dầm có kích thước thật [70]. Các thí nghiệm không có sự thống nhất, khó đánh giá chính xác được sự làm việc thực của BTCST. Khi thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu được kẹp giữ chặt vị trí cuối mẫu nên mẫu dễ bị vỡ hoặc bị trượt do kẹp không đủ chặt. Nói chung, rất khó thực hiện thí nghiệm này. Chính vì vậy các thí nghiệm kéo trực tiếp hiếm khi được thực hiện. Trước đây, một số nghiên cứu đã dùng thí nghiệm này để đánh giá độ rộng vết nứt giới hạn, biến dạng tương đối của mẫu BTCST và biến dạng mềm thông thường của vật liệu.

Sợi thẳng

Sợi uốn móc

Sợi mở rộng hai đầu

Biến dạng kéo dọc trục, mm

Cường độ chịu kéo, psi

Shah (1978) đã thí nghiệm kéo trực tiếp các mẫu bê tông xi măng cốt sợi thép thẳng, sợi móc câu và sợi có đầu mở rộng. Kết quả được sử dụng trong tiêu chuẩn ACI544-4R88 [32] như Hình 1.3.

Hình 1.3. Biểu đồ úng xuất- biến dạng của thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu BTCST [32]

Sử dụng mẫu thử tiêu chuẩn, với chiều dài tính toán là 200mm, chiều rộng tính toán tại đoạn đo là 70mm, Lim và các cộng sự [83] đã thí nghiệm đánh giá tính chất của bê tông cốt sợi thép với hai loại sợi là sợi thẳng và sợi uốn móc ở hai đầu, bê tông có cốt liệu kích thước lớn nhất là 10mm, không rõ chiều dày mẫu. Kết quả cho thấy, cùng loại sợi móc câu, khi hàm lượng sợi tăng lần lượt 0,5%, 1%, 1.5% thì lực kéo khi phá hủy lần lượt là: 6KN, 12 KN, 18 KN. Tương tự thí nghiệm giữ nguyên hàm lượng sợi 1%, tăng chiều dài sợi từ 300mm lên 500 mm thì lực kép phá hủy lần lượt là 12 và 17 KN

Biến dạng dọc.mmm

Ứng xuất kéo,MPa

Noghabai [97] đã thí nghiệm mẫu chịu kéo hình trụ có cắt khấc kích thước: đường kính 70mm, cao 85mm như Hình 1.4. Sợi thép được sử dụng là loại sợi uốn móc 2 đầu, bê tông có cường độ cao, vết nứt được đo trên đoạn chiều dài 30 mm giữa mẫu. Cường độ chịu kéo sau nứt và cường độ khi bắt đầu nứt tăng.

Hình 1.4. Mẫu thử và đồ thị mối quan hệ giữa ứng suất- độ biến dạng sau nứt [32]

+ Cường độ khi bắt đầu nứt và mô đun đàn hồi của vật liệu BTCST phụ thuộc vào hàm lượng cốt sợi, khi hàm lượng cốt sợi tăng thì có sự gia tăng không đáng kể cường độ ở vết nứt đầu tiên và mô đun đàn hồi, khoảng 5%.

+ Cường độ chịu kéo sau nứt của BTCST với sự sắp xếp sợi theo hai hoặc ba hướng: Sau khi pha nền bị nứt, lực dính bám mất đi, sợi thép có xu hướng kéo tuột ra khỏi chất nền. Naaman and Reinhardt [34] đã đề xuất cường độ chịu kéo sau nứt có thể tính toán dựa theo lực dính bám trung bình, chiều dài dính bám và số sợi cắt ngang qua đơn vị diện tích như phương trình(1-1)



V L

 (L D ) f V f pc 1 f f 2 3 D 2 3 2 3 f D

f f



(1-1)

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 184 trang tài liệu này.

Trong đó:

1 , 2 là hệ số ảnh hưởng chiều dài và hướng sợi tương ứng ở

trang thái sau nứt; 3 là hệ số kết hợp của số sợi cắt ngang qua đơn vị diện tích, ví dụ như theo Naaman, 1972 và Aveston cùng các cộng sự, 1974, nếu chiều dài neo

của sợi thép là Lf/4 thì 1 là 0,25; 2

số lượng sợi đi qua một đơn vị diện tích tương

ứng là

2Vf

D 2

cho trường hợp phân bố ba phương; λ3 bằng 2, hệ số hướng sợi sau

khi nứt bằng 1,2 theo Naaman and Reinhardt; τ là lực dính bám giữa sợi thép và bê tông; Lf là chiều dài sợi thép; Df là đường kính cua cốt sợi thép; Vf là hàm lượng sợi thép.

Cường độ tới hạn sau nứt của BTCST được xác định như(1-2).

 0, 6Vf Lf pc D

(1-2)

1.2.3. Cường độ chịu nén

Cường độ chịu nén của BTCST được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C39.Tác động của cốt sợi thép đối với độ bền nén của bê tông dường như không đáng kể. Tuy nhiên, độ dẻo được tăng cường một cách đáng kể do sự tăng thể tích và tỉ lệ của cốt sợi đã được sử dụng. Fanella và Naaman mô tả một xu hướng tương tự với cả tỉ lệ thể

tích lên tới 3%. Shah cũng thể hiện sự ảnh hưởng của việc tăng hàm lượng sợi liên quan tới độ dẻo của cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén.

Độ dẻo là số đo khả năng hấp thụ năng lượng trong quá trình biến dạng. Nó có thể được ước tính từ diện tích bên dưới đồ thị biến dạng - tải trọng. Chỉ số độ dẻo (TI) được tính theo công thức sau.

TI = 1,421 RI + 1,035

(1-3)

Trong đó:

RI - Chỉ số cốt sợi thép, RI = Vf (Lf/Df);

Vf - Hàm lượng cốt sợi theo thể tích, %;

Lf/Df - Hệ số tỷ lệ kích thước

Lf - Chiều dài sợi, mm

Df - Đường kính sợi, mm

Hệ số Lf/Df thể hiện tương quan giữa chiều dài sợi và đường kính sợi. Với sợi thép tỷ lệ này có thể là 45/35, 65/60, 65/35, 80/60 với Lf/Df =45, 65, 80. Khi thể tích của cốt sợi thép là cố định, nếu thay đổi loại thép (Lf/Df thay đổi) thì độ dai của mẫu thử cũng tăng theo tỷ lệ Lf/Df.

1.2.4. Cường độ chịu uốn

Độ võng (mm)

Ứng xuất uốn,

Các mẫu được thí nghiệm uốn 4 điểm (gối tròn) với hình lăng trụ không có khấc. Chiều dài giữa các gối bằng 3 lần chiều cao của lăng trụ. Nguyên tắc này thích ứng với các đề xuất của tiêu chuẩn RILEM-162-TDF (Pháp) phù hợp với tiêu chuẩn NBN B15238 (Anh), JSCE-SF4 (Nhật Bản). Theo hướng dẫn của ASTM C1018 khẳng định mô hình làm việc của dầm sau khi nứt có ứng xử đàn hồi dẻo. Những nhận xét này là cơ sở cho việc khẳng định sự làm việc của BTCST sau nứt là ứng suất giảm dần.

Hình 1.5. Ứng xử uốn của bê tông cốt sợi thép [40]

Cốt sợi tăng cường tác động đến độ lớn của cường độ chịu uốn của bê tông. Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn tải trọng gây nứt trong đồ thị độ võng tải trọng và giai đoạn kiểm soát thứ 2 là giai đoạn tải trọng cực hạn. Cả tải trọng gây nứt đầu tiên và tải trọng cực hạn đều bị ảnh hưởng do hàm lượng sợi (Vf)và tỉ lệ kích thước (Lf/Df). Nếu hàm lượng sợi ít hơn 0,5% thể tích khối vữa và tỉ lệ kích thước ít hơn 50 thì cốt sợi ảnh hưởng nhỏ đến cường độ chịu uốn mặc dù chúng vẫn có thể có ảnh hưởng đến độ dẻo của bê tông.

Các kết quả nghiên cứu ở trường Đại học Giao thông Vận tải trên kết cấu dầm BTCST cho thấy cường độ chịu kéo uốn tăng lên từ 15-20 % [15].

1.2.5. Độ bền cắt

Do sợi phân bố ngẫu nhiên trong khối vữa tăng cường ứng suất chủ của dầm bê tông. Khi sử dụng 1,66% sợi thép thẳng thay cho cốt thép đai, khả năng chịu cắt tăng lên 45% [22]. Khi sử dụng cốt sợi thép với 2 đầu được làm biến dạng với hàm lượng theo thể tích là 1,1%, khả năng chịu cắt tăng lên 45-67%. Sử dụng cốt sợi 2 đầu uốn cong làm tăng khả năng chịu cắt gần như 100% [15].

Theo Estefanía Cuenca [48] cốt sợi thép làm tăng cường độ chịu cắt của bê tông. Khi sử dụng cốt sợi thép, khả năng chịu tải trọng của dầm tương ứng với vết nứt đầu tiên. Ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu cắt phụ thuộc vào các yếu tố như: thuộc tính của pha nền, thuộc tính của sợi, lực dính bám giữa sợi và chất nền, hàm lượng sợi…

Narayanan và Darwish [95] cho rằng lực cắt tới hạn tăng khi tỷ số hình dạng sợi tăng, đồng thời cũng khẳng định rằng hàm lượng sợi tăng thì cường độ chịu cắt được cải thiện không nhiều. Các tác giả khác như Lim và Oh [99] đã chỉ ra rằng cường độ chịu cắt tăng đáng kể với chỉ hàm lượng sợi thép rất nhỏ. Thậm chí sợi còn làm thay đổi mô hình phá hủy do cắt. Nhiều tác giả khác như đã phân tích ở phần trước đã khẳng định rằng cường độ chịu cắt tăng khi hàm lượng sợi tăng. Lim và các cộng sự còn khẳng định rằng với hàm lượng sợi thép từ 0%-2% cường độ chịu cắt của BTCST tăng đến 100% so với BT thường.

1.2.6. Co ngót và từ biến

Không có tiến triển nào trong việc làm co ngót và từ biến bê tông xảy ra khi cho thêm sợi nhưng có lẽ có một sự giảm nhẹ do nhu cầu về vữa trong hỗn hợp khi sợi được sử dụng. Gãy nứt do co ngót khô trong các nhân tố giới hạn có thể được tăng nhẹ bởi vì các vết gãy nứt bị hạn chế phát sinh do ảnh hưởng bắc cầu của cốt sợi phân bố ngẫu nhiên.

1.2.7. Ảnh hưởng của cốt sợi thép đến tính chất cơ học BTCST

Các thuộc tính cơ học của bê tông cốt sợi chịu ảnh hưởng của một số thông số chủ yếu như: Loại sợi; chiều dài sợi; hình dạng sợi; hàm lượng sợi tính theo thể tích (Vf); khoảng cách giữa các cốt sợi (s); độ bền của khối vữa hoặc bê tông; kích cỡ, hình dạng của mẫu.

 Chiều dài sợi tiêu chuẩn: Thông số chiều dài

Nếu Lf là chiều dài tiêu chuẩn của một sợi bị đứt và không bị kéo tuột khi vết nứt chia cắt sợi ở điểm giữa của nó thì nó có thể được tính gần đúng bằng công thức sau:

L Df 

f 2f

(1-4)

Trong đó:

Df - đường kính sợi;

νb - cường độ dính bám bề mặt của cốt sợi thép và bê tông;

σf - cường độ chịu kéo của sợi.

 Ảnh hưởng chiều dài cốt sợi thép đến ứng xử của BTCST

Yếu tố chiều dài sợi là thông số liên quan đến biến dạng (Ɛ) và độ mở rộng vết nứt (w). Chiều dài cốt sợi là biểu thị khoảng cách vết nứt được đưa vào công thức tính toán. Chiều dài sợi phụ thuộc vào các yếu tố như loại sợi, hàm lượng sợi, cường độ của chất nền, hình dạng mặt cắt dầm, sự tham gia của cốt thép dọc, loại tải trọng vì vậy khó có thể đạt được sự thống nhất khi tính toán chiều dài đó [48].