Giáo trình Bê tông cường độ cao và chất lượng cao - Phạm Duy Hữu

Nội dung text: Giáo trình Bê tông cường độ cao và chất lượng cao - Phạm Duy Hữu

1. GS.TS.Phạm Duy Hữu (Chủ biên) PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long TS. Đo Văn Đông THS. Phạm Duy Anh Bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao H Nội, 2008 0
2. Mục lục Trang Mục lục 1 Lời nói đầu 3 Ch−ơng 1 Các khái quát về bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao 4 1. Về bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao 4 2. Định nghĩa bê tông c−ờng độ cao 5 3. Phân loại bê tông c−ờng độ cao . 7 Ch−ơng 2 Cấu trúc bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao . 9 1. Mở đầu 9 2. Nguyên tắc phối hợp v công thức thnh phần 9 3. Cấu trúc của vữa xi măng . 10 4. Cấu trúc của bê tông c−ờng độ rất cao. 16 5. Các kết quả thực nghiệm về cải tiến cấu trúc bê tông . 16 Ch−ơng 3 Các tính chất của bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao 18 1. Mở đầu 18 2. C−ờng độ chịu nén bê tông c−ờng độ cao 18 3. Mô đun đn hồi tĩnh . . 26 4. Mô đun đn hồi động 29 5. Hệ số Poisson 29 6. C−ờng độ mỏi 30 7. Khối l−ợng đơn vị . 29 8. Các đặc tính về nhiệt . . 30 9. Co ngót . . 30 10. Từ biến . 34 11. Sự dính kết với thép thụ động . 41 12. Các tính chất khác . 42 13. Mô hình hoá để áp dụng cho ng−ời thiết kế các kết cấu . 42 14. Tính công tác . 45 15. Bê tông trong giai đoạn mềm 47 16. Sự tỏa nhiệt khi đông kết 48 Ch−ơng 4 Thiết kế thnh phần bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao 49 1. Mở đầu 49 1
3. 2. Các yêu cầu khi thiết kế bê tông chất l−ợng cao liệu 50 3. Lựa chọn vật liệu 53 4. Thiết kế hỗn hợp bê tông HPC 62 5. Kết quả thiết kế 76 6. Kiểm tra chất l−ợng bê tông 76 7. Thiết kế thnh phần bê tông CĐC với thí nghiệm vữa lỏng 77 Ch−ơng 5 Độ bền của bê tông CĐC v CLC 82 1. Mở đầu . 82 2. Tính thấm v tính lọc 82 3. Phản ứng cacbonat hóa 88 4. Độ thấm Clo 89 5. Thử nghiệm độ thấm Clo bê tông chất l−ợng cao 60, 80MPa từ vật liệu Việt nam (Đại học GTVT) 92 Ch−ơng 6 Nghiên cứu ứng dụng bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao 96 1. Một số đặc tính đ−ợc cải tiến của bê tông CĐC v chất l−ợng cao 96 2. Tổng quát ứng dụng bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao 97 3. Lợi ích cơ bản của bê tông HPC tăng khả năng chiu lực v tuổi thọ khai thác của kết cấu xây dựng . 100 4. Các thiết kế hiệu quả về mặt chi phí 100 5. Các đặc tính vật liệu . 101 6. Các ứng dụng bê tông chất l−ợng cao . 103 7. Nghiên cứu lựa chọn mặt cắt ngang hợp lý cầu sử dụng bê tông HPC ở Việt Nam 114 Ch−ơng 7 Bê tông cốt sợi c−ờng độ cao 124 1. Lịch sử phát triển 124 2. Đặc điểm chung về cốt sợi 124 3. Tỷ lệ hỗn hợp – công thức của composit 128 4. Công nghệ chế tạo 130 5. Các đặc tính cơ học của cốt sợi 130 6. Đánh giá đặc tính của bê tông đ−ợc tăng cứng bằng thép sợi 136 7. Bê tông nhiều sợi composits 137 Ti liệu tham khảo . 140 Phụ lục . 142 2
4. Viện khoa học v công nghệ xây dựng giao thông Tr−ờng đại học GTVT Huuphamduy@gmail.com Lời nói đầu Trong những năm gần đây bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao đ đ−ợc sử dụng trong các công trình xây dựng cầu, đ−ờng, nh v công trình thuỷ có quy mô lớn v yêu cầu độ bền khai thác đến 100 năm. Cuốn sách ny giới thiệu các kết quả nghiên cứu của Việt Nam v thế giới về bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao. Cuốn giáo trình ny trình by về định nghĩa, cấu trúc, c−ờng độ, biến dạng, độ bền, ph−ơng pháp thiết kế, khả năng ứng dụng bê tông c−ờng độ cao, bê tông chất l−ợng cao v bê tông cốt sợi trong xây dựng. Sách đ−ợc dùng lm ti liệu giảng dạy cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh v lm ti liệu tham khảo cho các kỹ s− xây dựng v cán bộ nghiên cứu. Giáo trình gồm 7 ch−ơng do nhóm tác giả của tr−ờng đại học GTVT biên soạn. GS.TS. Phạm Duy Hữu Chủ biên v viết các ch−ơng 1, 2, 4,5. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long viết ch−ơng 6 TS. Đo Văn Đông viết ch−ơng 3. ThS. Phạm Duy Anh viết ch−ơng 7. Các tác giả xin cảm ơn sự đóng góp ý kiến quý báu của các chuyên gia xây dựng v giao thông trong quá trình biên soạn cuốn sách ny. Xin đặc biệt cảm ơn Tr−ờng cầu đ−ờng Paris v Tr−ờng đại học Tokyo đ cung cấp nhiều cho chúng tôi nhiều ti liệu quý báu về bê tông tiên tiến. Cuốn sách đ−ợc viết lần đầu rất mong nhận đ−ợc các ý kiến đóng góp của ng−ời đọc. Các tác giả 3
5. Ch−ơng 1 Các khái quát về bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao Các từ khóa: Bê tông c−ờng độ cao, chất l−ợng cao, cấu trúc, c−ờng độ, độ bền, ứng xử cơ học, ứng dụng, phát triển. 1. Về bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao Bê tông l một loại vật liệu chủ yếu của thế kỷ 20 đ−ợc chế tạo từ hỗn hợp vật liệu đ−ợc lựa chọn hợp lý gồm các thnh phần: Cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính (ximăng ), n−ớc v phụ gia. Cát v đá dăm l thnh phần vật liệu khoáng, đóng vai trò bộ khung chịu lực. Hỗn hợp xi măng v n−ớc (hồ ximăng) l thnh phần hoạt tính trong bê tông, nó bao bọc xung quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu v khi hồ xi măng rắn chắc, nó dính kết cốt liệu thnh một khối đá v đ−ợc gọi l bê tông. Các chất phụ gia rất phong phú v chúng lm tính chất của bê tông trở nên đa dạng v đáp ứng đ−ợc các yêu cầu ngy cng phát triển của bê tông v kết cấu bê tông. Ngy nay bê tông l một trong những loại vật liệu đang đ−ợc sử dụng rất rộng ri trong xây dựng, xây dựng cầu, đ−ờng. Tỷ lệ sử dụng bê tông trong xây dựng nh chiếm khoảng 40%, xây dựng cầu đ−ờng khoảng 15% tổng khối l−ợng bê tông. Bê tông có c−ờng độ chịu nén cao, mô đun đn hồi phù hợp với kết cấu bê tông cốt thép v bê tông cốt thép dự ứng lực. Bê tông bền n−ớc v ổn định với các tác động của môi tr−ờng Công nghệ bê tông ổn định ngy cng phát triển. Giá thnh của bê tông hợp lý do tận dụng đ−ợc các nguyên vật liệu địa ph−ơng, vì vậy kết cấu bê tông chiếm 60% các kết cấu xây dựng. Nh−ợc điểm cơ bản của bê tông l có c−ờng độ chịu kéo ch−a cao v khối l−ợng công trình bê tông cốt thép còn lớn. C−ờng độ chịu nén của bê tông th−ờng chỉ đạt tối đa 50 MPa v độ sụt tối đa 7 cm. Con đ−ờng phát triển của bê tông l cải tiến hệ thống cấu trúc, thnh phần, công nghệ bằng cách sử dụng các phụ gia, các chất hỗ trợ công nghệ (bảo d−ỡng, trợ bơm ) v các ph−ơng pháp công nghệ mới để tìm ra các bê tông chất l−ợng cao. Các bê tông chất l−ợng cao phải đáp ứng các yêu cầu về c−ờng độ, độ bền, tính dễ đổ v tính kinh tế. Những tính chất đ−ợc cải tiến lm chất l−ợng hơn hẳn bê tông truyền thống (c−ờng độ, biến dạng, dễ đổ ). Những tính chất đặc biệt ny tạo ra khả năng sáng tạo ra các kết cấu xây dựng v công nghệ xây dựng mới. Tổng quát về hệ thống phát triển HPC sẽ bao gồm ba bộ phận l vật liệu mới có tính năng mới, công nghệ mới tạo ra kết cấu mới. 4
6. Bê tông chất l−ợng cao bao gồm 5 loại bê tông nh− sau: Bê tông c−ờng độ cao siêu dẻo: l loại bê tông có thnh phần cốt liệu v xi măng truyền thống v phụ gia siêu dẻo. Loại bê tông ny có tỷ lệ N/X khoảng 0,35 0,40, độ sụt đạt đến 15 20 cm, giữ đ−ợc ít nhất 60 phút. C−ờng độ đạt đến 70 MPa v có c−ờng độ sớm (R 7 = 0,85R 28 ). Đây l loại bê tông đ−ợc sử dụng chủ yếu trong các kết cấu cầu đ−ờng ở Việt Nam. Bê tông chất l−ợng cao (HPC): có sử dụng N/X gần đến 0,25, phụ gia siêu mịn l tro nhẹ hoặc muội silic siêu mịn. Đây l loại bê tông có c−ờng độ chịu nén đến 80 hoặc 100 MPa v có các đặc tính vật lý v cơ học đ−ợc cải tiến dẫn đến độ bền cao v tuổi thọ khai thác đến 100 năm. Bê tông siêu nhẹ: có c−ờng độ t−ơng tự nh− bê tông th−ờng, khối l−ợng đơn vị thấp đến 0,8 g/cm 3 Bê tông tự đầm: thnh phần cốt liệu lớn ít, tăng thêm các chất bột v sử dụng phụ gia siêu dẻo đặc biệt. Bê tông có khả năng tự đầm, trong quá trình thi công không cần sử dụng các thiết bị đầm. Loại bê tông ny cho phép thi công các công trình có khối l−ợng rất lớn (20.000 m 3 trở lên ) không cần bố trí mối nối, không cần đầm. Sử dụng bê tông tự đầm tiết kiệm đ−ợc nhân công, thời gian v không gây ồn. Bê tông cốt sợi: trong thnh phần có thêm sợi (kim loại, polyme, các sợi khác). Bê tông cốt sợi cải thiện độ dẻo của bê tông, tăng c−ờng khả năng chống nứt cho bê tông ở trạng thái mềm v trạng thái chịu lực. Bê tông HPC đ−ợc phát triển trên thế giới từ những năm 70. Từ năm 2000 HPC đ đ−ợc nghiên cứu tại các tr−ờng đại học v các Viện nghiên cứu ở Việt Nam. 2. Định nghĩa bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao 2.1. Định nghĩa bê tông chất l−ợng cao Bê tông chất l−ợng cao l một thế hệ bê tông mới có thêm các phẩm chất đ−ợc cải thiện thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu v kết cấu xây dựng. Xét về c−ờng độ chịu nén thì đó l bê tông c−ờng độ cao.(High Strength concrete), xét tổng thể các tính năng thì gọi l bê tông chất l−ợng cao. Bê tông chất l−ợng cao đ−ợc gọi tắt theo ng−ời Anh l HPC (High Performace concretes), theo ng−ời Pháp l BHP (BET0NS A HAUTE PERORMANCES ). Bê tông c−ờng độ cao (High Strength concrete) l loại bê tông có c−ờng độ chịu nén tuổi 28 ngy, lớn hơn 60 MPa, với mẫu thử hình trụ có D = 15 cm , H = 30cm. C−ờng độ chịu nén sau 24 giờ ≥ 35 MPa , c−ờng độ chịu nén ở tuổi 28 ngy ≥ 60 MPa. Mẫu thử đ−ợc chế tạo, d−ỡng hộ, thử, theo các tiêu chuẩn hiện hnh. 5
7. Thnh phần bê tông c−ờng độ cao có thể dùng hoặc không dùng muội silic hoặc dùng kết hợp với tro bay. Khi sử dụng muội silic chất l−ợng bê tông đ−ợc nâng cao hơn. Tiêu chuẩn của Bắc Mỹ qui định bê tông c−ờng độ cao l loại bê tông có c−ờng độ chịu nén ở tuổi 28 ngy ≥ 42 MPa. Theo CEB.FIP qui định bê tông chất l−ợng cao có c−ờng độ nén sau 28 ngy tối thiểu l 60 MPa v có các tính năng vật lý v cơ học cao. Ngy nay trình độ kiến thức về loại bê tông ny đ cho phép ứng dụng bê tông chất l−ợng cao trong công trình lớn, chủ yếu ở ba lĩnh vực: các ngôi nh nhiều tầng, các công trình biển v các công trình giao thông (cầu, đ−ờng, hầm). Các đặc tính cơ học mới của bê tông c−ờng độ cao cho phép ng−ời thiết kế sáng tạo ra loại kết cấu mới có chất l−ợng cao hơn. 2.2. Các nghiên cứu về bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao Trong khoảng 15 năm gần đây các sản phẩm bê tông có c−ờng độ ngy cng cao hơn, đạt c−ờng độ từ 60 đến 140 MPa. Đặc biệt bê tông c−ờng độ siêu cao (Ultra High Strength Concrete) với c−ờng độ lên đến 300MPa (40.000 psi) đ đ−ợc chế tạo trong phòng thí nghiệm. Bê tông c−ờng độ cao bắt đầu đ−ợc sử dụng vo thập kỷ 70, khi đó một loại bê tông có c−ờng độ chịu nén cao hơn hẳn các loại bê tông tr−ớc đó đ−ợc dùng lm cột trong một số to nh cao tầng tại Mỹ. Các công trình ngoi biển từ bê tông chất l−ợng cao đ đ−ợc xây dựng tại Na Uy. Các công trình cầu đ−ờng tại Pháp, Nga, Nhật Bản từ bê tông chất l−ợng cao đ đạt đ−ợc các thnh công nổi bật. Gần đây bê tông chất l−ợng cao đ−ợc sử dụng rộng ri trong xây dựng cầu với nhiều đặc tính quan trọng nh−: c−ờng độ cao, độ bền cao , giúp tạo ra các kết cấu nhịp lớn hơn. Hiện nay, bê tông với c−ờng độ 98 đến 112 MPa đ đ−ợc sản xuất công nghiệp v đ−ợc sử dụng trong ngnh công nghiệp xây dựng ở Mỹ, Nga, Na Uy, Pháp. Các n−ớc nh− Anh, Đức, Thuỵ Điển, Italia, Nhật Bản, Trung Quốc v Việt Nam đ bắt đầu áp dụng bê tông chất l−ợng cao trong xây dựng nh, cầu, đ−ờng, thuỷ lợi. Trong những năm gần đây, đ có rất nhiều ch−ơng trình tầm cỡ quốc gia nghiên cứu các tính chất cơ học của bê tông HPC tại nhiều n−ớc trên thế giới. Trong đó những ch−ơng trình nghiên cứu đáng chú ý gồm có: nghiên cứu của Trung tâm khoa học kỹ thuật về vật liệu xi măng chất l−ợng cao (ACBM – Mỹ), Ch−ơng trình nghiên cứu đ−ờng ôtô (SHRP); Mạng l−ới trung tâm chuyên gia của CANADA với Ch−ơng trình về bêtông tính năng cao; Hội đồng Hong gia Nauy với ch−ơng trình nghiên cứu khoa học v công nghiệp bê tông; Ch−ơng trình quốc gia Thuỵ Điển về 6
8. HPC; Ch−ơng trình quốc gia Pháp tên l “Những con đ−ờng mới cho bê tông”; v Ch−ơng trình bêtông mới của Nhật Bản. Các nghiên cứu về bê tông chất l−ợng cao đ khẳng định việc sử dụng bê tông chất l−ợng cao cho phép tạo ra các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khả năng giải quyết đ−ợc nhiều vấn đề kỹ thuật hơn hoặc vừa đảm bảo cả hai yếu tố trên do khi sử dụng bê tông chất l−ợng cao có các −u điểm sau: Giảm kích th−ớc cấu kiện, kết quả l tăng không gian sử dụng v giảm khối l−ợng bê tông sử dụng, kèm theo rút ngắn thời gian thi công; Giảm khối l−ợng bản thân v các tĩnh tải phụ thêm lm giảm đ−ợc kích th−ớc móng; Tăng chiều di nhịp v giảm số l−ợng dầm với cùng yêu cầu chịu tải; Giảm số l−ợng trụ đỡ v móng do tăng chiều di nhịp; Giảm chiều dy bản, giảm chiều cao dầm; Cần tiếp tục nghiên cứu về c−ờng độ chịu kéo, cắt v biến dạng của bê tông chất l−ợng cao trong điều kiện khí hậu Việt Nam. 3. Phân loại bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao Có thể phân loại bê tông chất l−ợng cao theo c−ờng độ, thnh phần vật liệu chế tạo v theo tính dễ đổ. 3.1. Phân loại theo c−ờng độ nén Căn cứ vo c−ờng độ nén ở ngy 28 mẫu hình trụ D =15 cm, H=30 cm có thể chịa bê tông thnh 4 loại sau: Bảng 1: Phân loại bê tông theo c−ờng độ chịu nén C−ờng độ nén, MPa Loại bê tông 15 ữ 25 Bê tông truyền thống 30 ữ 50 Bê tông th−ờng 60 ữ 80 Bê tông c−ờng độ cao Bê tông c−ờng độ rất cao 100 ữ 150 Bê tông truyền thống v bêtông th−ờng đ−ợc áp dụng chủ yếu trong xây dựng cầu đ−ờng ở Việt Nam. Bêtông c−ờng độ cao đ đ−ợc nghiên cứu v có đủ điều kiện để phát triển ở Việt Nam. 3.2. Phân loại theo thnh phần vật liệu chế tạo Bêtông c−ờng độ cao không sử dụng muội silic: l loại bêtông không sử dụng silic siêu mịn, chỉ cần giảm tỷ lệ N/X v sử dụng các chất siêu dẻo tăng tính công tác. Bêtông chất l−ợng cao sử dụng muội silic: trong thnh phần có l−ợng muội silic từ (5 ữ 15) % so với l−ợng xi măng v chất siêu dẻo. 7
9. Bê tông chất l−ợng cao sử dụng tro bay: loại bê tông ny sử dụng tro bay với liều l−ợng từ (15 ữ 30) % so với l−ợng xi măng để tăng độ bền n−ớc, giảm nhiệt độ của bê tông t−ơi v giảm giá thnh của bê tông. Bê tông chất l−ợng cao hỗn hợp: để đảm bảo chất l−ợng của bê tông v giảm giá thnh có thể sử dụng kết hợp cả tro bay v muội silic với các liều l−ợng tối −u. Bê tông c−ờng độ cao cốt sợi: l bê tông c−ờng độ cao có hoặc không có muội silic nh−ng có thnh phần cốt sợi. Cốt sợi có thể l kim loại, sợi thủy tinh, sợi carbon hoặc các loại sợi khác tùy theo yêu cầu về tính năng v giá thnh. Các loại bê tông trên đ−ợc sử dụng trong các kết cấu khác nhau v cho các tính năng khác nhau. Tuy nhiên, khi tính toán thiết kế kết cấu v thiết kế thi công cũng có những l−u ý khác nhau. Trong thực tế các quy luật về bê tông chất l−ợng cao th−ờng đ−ợc thnh lập trên cơ sở các quy luật của bê tông c−ờng độ thấp. Vì vậy cần l−u ý khi sử dụng các công thức ny, nếu cần thiết thì phải tiến hnh các thử nghiệm thích hợp với vật liệu v phạm vi sử dụng. Câu hỏi: 1. Phân biệt bê tông th−ờng v bê tông c−ờng độ cao? 2. Các khác biệt giữa bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao? 3. Phạm vi sử dụng của 3 loại bê tông trên? 8
10. Ch−ơng 2 Thnh phần v cấu trúc Bê tông CHấT LƯợNG CAO 1. Mở đầu Bêtông chất l−ợng cao (HPC) l một trong những loại bê tông mới. Theo qui −ớc bê tông HPC l bê tông có c−ờng độ nén ở 28 ngy > 60 MPa. Bê tông HPC có thnh phần hỗn hợp cốt liệu v vữa chất kết dính đ−ợc cải thiện bằng cách dùng một vi sản phẩm mới có phẩm chất đặc biệt nh− chất siêu dẻo v muội silic hoặc các khoáng siêu mịn khác. Ch−ơng ny trình by một cách tổng quan về các nguyên tắc phối hợp, logic công thức, cấu trúc của bê tông HPC. 2. Nguyên tắc phối hợp v công thức thnh phần Trong thực tế bê tông cần có độ đặc rất cao, vì đó l đặc điểm chính của cấu tạo bê tông. ý kiến đầu tiên của vật liệu bê tông l cố gắng tái tạo lại một khối đá đi từ các loại cốt liệu. Độ đặc chắc của hỗn hợp nh− vậy đ−ợc tạo nên sẽ đ−ợc điều ho bởi dải cấp phối của nó, nghĩa l phụ thuộc đối với độ lớn cực đại v cực tiểu của cốt liệu. Kích th−ớc lớn nhất của cốt liệu lớn khoảng 20 25 mm. Các hạt nhỏ do đặc tính vật lý bề mặt gây nên sự vón tụ tự nhiên của các hạt xi măng. Sự vón tụ hạt xi măng cng ít chất l−ợng bê tông cng cao. Từ ý t−ởng đó những nghiên cứu đầu tiên l sử dụng một vi sản phẩm hữu cơ để khôi phục xi măng lơ lửng trong n−ớc ở thnh phần hạt ban đầu của bê tông (bao gồm từ 1 80 m). Sau đó có thể lm cho các tinh thể của hỗn hợp di ra bằng cách thêm vo một sản phẩm cực mịn, có phản ứng hoá học, nó tiến tới lấp đầy các khe của hỗn hợp hạt m xi măng không lọt đ−ợc. Việc áp dụng các nguyên tắc đơn giản nêu trên cho phép đ−a ra công thức bê tông HPC. Công thức thnh phần tổng quát của bê tông HPC l: Đ = 1000 1200 kg; C = 600 700 kg; X = 400 520 kg; MS = 5 15%; tỷ lệ N/X = 0,22 0,35; chất siêu dẻo từ 0,8 2,0 lít/100 kg xi măng v một phần chất lm chậm (Đ đá; X xi măng; C cát; N n−ớc; MS muội silic). Các thnh phần truyền thống (cốt liệu, xi măng v n−ớc) phải có phẩm chất tốt, có sự lựa chọn chặt chẽ cần thiết nếu muốn v−ợt qua c−ờng độ trung bình ở 28 ngy l 100 MPa. Ngoi ra do sự giảm tỷ lệ N/X m có thể chuyển bê tông xi măng c−ờng độ cao (c−ờng độ nén từ 50 đến 100 MPa) sang bê tông c−ờng độ rất cao đến 300 MPa. 9
11. Mục tiêu của các nghiên cứu hiện đại l cải thiện cấu trúc của hồ xi măng để đạt đến độ rỗng đá xi măng nhỏ nhất, đồng thời cải thiện cấu trúc chung để bê tông có độ rỗng nhỏ nhất, khi đó bê tông sẽ có c−ờng độ chịu nén l lớn nhất. Con đ−ờng đó chỉ cho phép tăng c−ờng độ nén v chất l−ợng của bê tông, tuy nhiên c−ờng độ kéo đ−ợc tăng chậm hơn. Để cải thiện khả năng chịu kéo của bê tông phải sử dụng các vật liệu mới l cốt sợi kim loại, cốt sợi pôlime hoặc cốt sợi carbon. Về mặt cấu trúc, bê tông xi măng poóc lăng l một vật liệu không đồng nhất v rỗng. Lực liên kết các cốt liệu (cát v đá) đ−ợc tạo ra do hồ xi măng cứng. Cấu trúc của hồ xi măng l những hyđrat khác nhau trong đó nhiều nhất l các silicát thủy hóa CSH dạng sợi v Ca(OH) 2 kết tinh dạng tấm lục giác khối, chồng lên nhau v các hạt xi măng ch−a đ−ợc thủy hoá. Độ rỗng của vữa xi măng poóc lăng l 25 đến 30% về thể tích với N/X = 0,5. Thể tích rỗng ny gồm hai loại: (a) lỗ rỗng của cấu trúc CSH, kích th−ớc của nó khoảng vi m, (b) lỗ rỗng mao quản giữa các hyđrát, bọt khí, khe rỗng; kích th−ớc của chúng khoảng vi m đến vi mm. Khi bê tông chịu lực trong cấu trúc xuất hiện vết nứt cũng lm tăng độ rỗng của bê tông. Sự yếu về đặc tính cơ học của bê tông l do độ rỗng mao quản v n−ớc cho thêm vo bê tông để tạo tính công tác của bê tông t−ơi. Sự cải thiện c−ờng độ có thể đạt đ−ợc nhờ nhiều ph−ơng pháp lm giảm độ rỗng (nén, ép, rung ), giảm tỉ lệ N/X (phụ gia) v sử dụng sản phẩm mới l xi măng không có lỗ rỗng lớn v xi măng có hạt siêu mịn đồng nhất. Loại thứ nhất chứa pôlime, loại thứ hai chứa muội silic. Mối quan hệ trên có thể tạo ra những loại bê tông c−ờng độ cao bằng cách cải tiến cấu trúc của vữa xi măng lm đặc vữa xi măng, cải thiện độ dính kết của xi măng cốt liệu v các giải pháp công nghệ khác. 3. Cấu trúc của bê tông chất l−ợng cao Bê tông l một vật liệu composit không đồng nhất, các tính chất của nó phụ thuộc vo ba cấp cấu trúc sau: Cấu trúc vĩ mô (macro): l tỷ lệ lớn, xét các ứng xử cơ học để suy ra c−ờng độ của vật liệu. Bê tông đ−ợc xem l hệ 3pha: cốt liệu, hồ xi măng v cấu trúc vùng chuyển tiếp (theo lý thuyết đa cấu trúc của V.I.Xalomatov, Larad). Khi tính toán theo mô hình cấu trúc ny có thể giả thiết bê tông l vật liệu đần hồi v tính toán theo các công thức của sức bền vật liệu. Cấu trúc Meso: l tỷ lệ mili mét trong đó các hạt cát đ−ợc phân biệt với các hạt xi măng v hạt cốt liệu. Việc quan sát trên kính hiển vi hoặc kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại nhỏ (300 ữ 1000 lần) cho thấy các khuyết tật của cấu trúc l các vết nứt v các vùng bị phá hủy. Theo mô hình Meso bê tông đ−ợc tính toán nh− các vật liệu phi tuyến. 10
12. Cấu trúc vi mô (micro): l tỷ lệ 1/100 mm để quan sát các hydrat (CSH, CH, CH Sulfo – aluminat), các hạt bụi, các hạt clinke ch−a thủy hóa, các vết nứt vi mô, sự định h−ớng của các hạt CH trong vùng chuyển tiếp, mặt tiếp xúc giữa xi măng v cốt liệu, sự biến đổi của các hydrat trong môi tr−ờng xâm thực (etrigit thứ cấp, phản ứng kiềm cốt liệu). 3.1. Cấu trúc của hồ xi măng Để cải tiến cấu trúc của bê tông đầu tiên cải tiến cấu trúc của vữa xi măng. Có thể cải tiến cấu trúc vữa xi măng bằng cách lm đặc vữa xi măng, giảm l−ợng n−ớc thừa (tỷ lệ N/X nhỏ) sử dụng phụ gia siêu dẻo v các biện pháp công nghệ rung ép đặc biệt. Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc của hồ xi măng v ảnh h−ởng rất lớn tới tính bền của cấu trúc ny. Các lỗ rỗng tồn tại d−ới hai dạng: lỗ rỗng mao dẫn v lỗ rỗng trong khoảng giữa các hạt xi măng. Lỗ rỗng mao dẫn tạo ra do l−ợng n−ớc d− thừa để lại các khoảng không trong hồ xi măng. Để hạn chế độ rỗng trong bê tông thì tỷ lệ N/X thích hợp l một vấn đề quan trọng. Trong bê tông c−ờng độ cao tỷ lệ N/X đ−ợc hạn chế d−ới 0,35 m kết hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo để giải quyết tính công tác cho bê tông. Kết quả l tăng khối l−ợng các sản phẩm hydrat trong quá trình thuỷ hoá xi măng, đồng thời giảm đáng kể tỷ lệ các lỗ rỗng mao quản trong bê tông. Hiện t−ợng vón cục các hạt xi măng v bản thân kích thức hạt xi măng vẫn lớn v tạo ra độ rỗng đáng kể cho bê tông. Một sản phẩm siêu mịn, ít có phản ứng hoá học (muội silic, tro bay) đ−ợc bổ sung vo thnh phần của bê tông c−ờng độ cao. L−ợng hạt ny sẽ lấp đầy lỗ rỗng m hạt xi măng không lọt vo đ−ợc. Đồng thời với kích th−ớc nhỏ hơn hạt xi măng nhiều, nó bao bọc quanh hạt xi măng tạo thnh lớp ngăn cách không cho các hạt xi măng vón tụ lại với nhau. D−ới đây xin trình by một số loại hồ xi măng cải tiến 3.1.1. Hồ xi măng c−ờng độ cao Lm nghẽn lỗ rỗng mao quản hay loại bớt n−ớc nhờ đầm chặt hoặc giảm tỉ lệ X/N nhờ phụ gia l các ph−ơng pháp lm đặc vữa xi măng, lm cho nó đồng nhất hơn v có cấu trúc đặc biệt hơn vữa xi măng thông th−ờng. Vữa xi măng c−ờng độ cao cũng có thể đạt đ−ợc bằng cách sử dụng xi măng có c−ờng độ cao hơn. 3.1.2. Hồ xi măng với tỉ lệ N/X nhỏ Féret, năm 1897, đ biểu thị c−ờng độ nén của vữa xi măng bằng công thức sau: 2 Rb = A. {X/( X + N + K)] Với X, N, K t−ơng ứng l thể tích của xi măng, n−ớc v không khí. Theo công thức ny, sự giảm tỉ lệ N/X dẫn đến tăng c−ờng độ vữa xi măng. Tuy nhiên có 11
13. một giới hạn của tỉ lệ ny, liên quan tính công tác của bê tông t−ơi. Vì nếu dùng l−ợng n−ớc quá thấp sẽ khó tạo ra độ dẻo đủ cho vữa xi măng. Cấu trúc của loại vữa xi măng ny sẽ có độ rỗng nhỏ hơn v l−ợng n−ớc thừa ít hơn. Nh− vậy, khả năng tách n−ớc khi rắn chắc l thấp (không tách n−ớc trên mặt bê tông ). 3.1.3. Hồ xi măng có phụ gia giảm n−ớc: Phụ gia siêu dẻo gốc naphtalene sulphonate, mêlamine, lignosulphonate hoặc viseo sử dụng để phân bố tốt hơn các hạt cốt liệu cho phép giảm n−ớc đến 30% v tỉ lệ N/X = 0.21. Những nghiên cứu về cộng h−ởng từ tính hạt nhân proton đ chứng minh rằng phụ gia hấp thụ trên các hạt xi măng tạo thnh những mng, trong đó các phân tử n−ớc vẫn chuyển động mạnh. D−ới tác động của mng cộng với sự phân tán của các hạt rắn hạt xi măng tạo ra một độ l−u biến tốt hơn. C−ờng độ nén 200 MPa nhận đ−ợc trong các loại vữa dùng phụ gia siêu dẻo. Độ rỗng l 5% về thể tích, vữa đồng nhất v bề mặt vô định hình. Độ sụt bê tông đo bằng côn Abram có thể đạt tối đa đến 20 cm, trung bình l 10 12 cm. 3.1.4. Hồ xi măng chịu ép lớn v rung động Vữa xi măng có c−ờng độ nén 600 MPa đ đạt đ−ợc nhờ lực ép lớn ở nhiệt độ cao (1020 MPa, 150 0C). Tổng lỗ rỗng chỉ còn 2%. Phần lớn các hyđrát đ−ợc chuyển thnh l gen. Độ thủy hoá của xi măng l 30% v silicát CSH gồm cả hạt xi măng, anhyđrit nh− một chất keo giữa các hạt cốt liệu. Các hyđrát của xi măng v các hạt clinke đồng thời tạo ra c−ờng độ cao cho vữa đông cứng. Sự rung động loại bỏ các bọt khí tạo ra khi nho trộn. 3.1.5. Hồ xi măng sử dụng các hạt siêu mịn Hệ thống hạt siêu mịn đ−ợc ng−ời Đan Mạch đề xuất đầu tiên. Hệ thống ny gồm xi măng poóclăng, muội silic v phụ gia tạo ra c−ờng độ cao tới 270 MPa. Muội silic l những hạt cầu kích th−ớc trung bình 0.5 m, chui vo trong các không gian rỗng kích th−ớc từ 30 100 m để lại bởi các hạt xi măng. Tr−ớc hết, muội silic đóng vai trò vật lý, l các hạt mịn. Mặt khác chúng chống vón cục hạt xi măng, phân tán hạt xi măng lm xi măng dễ thủy hoá, lm tăng tỉ lệ hạt xi măng đ−ợc thủy hoá. Trong quá trình thủy hoá, muội silic tạo ra những vùng hạt nhân cho sản phẩm thủy hoá xi măng (Mehta) v sau một thời gian di, phản ứng nh− một pu zô lan, tạo thnh một silicát thủy hoá CSH có độ rỗng nhỏ hơn l CSH của xi măng poóc lăng v có cấu trúc vô định hình. Cấu trúc vữa xi măng poóc lăng có N/X = 0,5 bao gồm (1) CSH sợi, (2) Ca(OH) 2, (3) lỗ rỗng mao quản . Cấu trúc vữa xi măng có muội silic bao gồm (1) Ca(OH) 2, (2) CSH vô định hình, (3) lỗ rỗng rất ít. 12
14. a. Cấu trúc của muội silic b. Cấu trúc của hồ xi măng Hình 2.1. Cấu trúc của muội silic v xi măng Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống hạt xi măngHạt siêu mịn 3.1.6. Hồ xi măng pôlime Khi lm đặc vữa xi măng, tạo ra khả năng tăng c−ờng độ nén của bê tông bằng cách bịt các lỗ rỗng bằng vật liệu pôlime thích hợp. Trong vữa xi măng độ rỗng thấp, một pôlyme tan trong n−ớc (xenlulô hyđrô propylmethyl hoặc polyvinylacetat thủy phân) phân tán v bôi trơn các hạt xi măng trong vữa xi măng. Pôlyme tạo thnh một gen cứng. Khi ninh kết v rắn chắc, pôlyme không thủy hoá trong khi đó, ximăng thủy hoá. Trong vật liệu đông cứng, pôlyme vẫn liên kết tốt với các hạt xi măng v độ rỗng cuối cùng d−ới 1% về thể tích. 13
15. Hỗn hợp vữa xi măng pôlyme gồm: 100 phần xi măng (về khối l−ợng), 7 phần pôlyme v 10 phần n−ớc. Cấu trúc vi mô gần với cấu trúc vữa xi măng có tỉ lệ N/X thấp. Tính chất chủ yếu l một gen đặc v vô định hình bao quanh các hạt clinke. Các tinh thể Ca(OH) 2 ở dạng lá mỏng phân tán trong vữa, trái với các tinh thể lớn chất đống trong vữa xi măng poóc lăng th−ờng. Khoảng không gian rất hẹp dnh cho sự tạo thnh các tinh thể lớn tránh đ−ợc sự hình thnh các sợi di theo mặt thớ của các tấm Ca(OH) 2 chồng lên nhau. C−ờng độ l 150 MPa ứng với sự vắng mặt của các lỗ rỗng mao quản v vết nứt. Vữa xi măng pôlyme có thể đ−ợc đổ khuôn, ép, định hình nh− các vật liệu dẻo. Nó có thể đ−a vo trong các vật liệu composit chứa cát, bột kim loại, sợi để tăng độ bền v c−ờng độ chống mi mòn. 3.2. Cấu trúc của cốt liệu bê tông c−ờng độ cao. Cấu trúc của cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực cho bê tông, nó phụ thuộc vo c−ờng độ bản thân cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) v c−ờng độ liên kết giữa các hạt. Thông th−ờng, c−ờng độ bản thân cốt liệu có cấp phối hạt hợp lý đ giải quyết đ−ợc các lỗ rỗng trong bê tông v tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu (giữa các hạt với nhau v các hạt xung quanh một hạt). Trong bê tông chất l−ợng cao nên sử dụng các cốt liệu có nguồn gốc đá vôi, đá granit, đá quắc, đá bazan. Các loại đá đó có c−ờng độ cao v cho các tính năng cơ học v vật lý ổn định. Cấp phối hạt của đá cần phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hnh. Đ−ờng kính lớn nhất của đá, D, quyết định c−ờng độ v độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông. Nên chọn D từ 1925mm cho bê tông có c−ờng độ yêu cầu không lớn hơn 62MPa v D từ 9.512.5mm cho bê tông có c−ờng độ nén yêu cầu >62MPa. 3.3. Cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xi măng – cốt liệu Cấu trúc của vùng tiếp xúc hồ xi măng cốt liệu có ý nghĩa quyết định cho loại bê tông c−ờng độ cao. Cấu trúc thông th−ờng của bê tông gồm ba vùng: cấu trúc cốt liệu, cấu trúc hồ xi măng v cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xi măng cốt liệu. Vùng tiếp xúc hồ xi măng cốt liệu trong bê tông th−ờng, gọi l “vùng chuyển tiếp”, vùng ny có cấu trúc kết tinh, rỗng nhiều hơn v c−ờng độ nhỏ hơn vùng hồ do ở vùng ny chứa n−ớc tách ra khi hồ xi măng rắn chắc. ở vùng ny còn chứa các hạt xi măng ch−a thủy hoá v các hạt CaO tự do. Các đặc tính của vùng liên kết hồ xi măng cốt liệu trong bê tông th−ờng gồm mặt nứt, vết nứt, cấu trúc CSH v bề mặt các hyđrat. Ví dụ các vết nứt xuất hiện bao quanh các hạt silic v phát triển v−ợt qua hồ xi măng. Trên mặt tr−ợt của cốt liệu, các hyđrat gồm tấm Ca(OH) 2 v các sợi silicát (sợi CSH). Chúng chỉ 14
16. đ−ợc liên kết rất yếu vo cốt liệu v tách ra dễ dng. Sự kết tinh có định h−ớng Ca(OH) 2 cũng quan sát thấy trên các hạt cốt liệu silic. Vùng liên kết giữa hồ ximăng cốt liệu có độ rỗng lớn v đ đ−ợc cải thiện nhờ muội silic. Biến đổi cấu trúc của bê tông theo c−ờng độ phát triển theo ba cấp độ sau: Trong bê tông th−ờng vùng liên kết xi măng cốt liệu l vùng tiếp xúc rỗng có các mặt nứt v các vết nứt. Cấu trúc C H H có dạng sợi. Vùng tiếp xúc hồ xi măng cốt liệu ở bê tông c−ờng độ cao có cấu trúc CS H vô định hình v tinh thể Ca(OH) 2 định h−ớng (P) trên các hạt cứng, các vết nứt giảm rõ rng . Vùng tiếp xúc của bê tông c−ờng độ cao tỉ lệ N/X ≤ 0,3, do tỉ diện tích hạt muội silic rất cao nên vùng ny không chứa n−ớc, không tồn tại CaO tự do, vữa xi măng có độ đặc rất lớn v lực dính bám với cốt liệu cao. Bê tông c−ờng độ rất cao vùng liên kết chuyển thnh đá, hồ xi măng cốt liệu đồng nhất. Không có vết nứt trên bề mặt. Hiện nay, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (MEB) một vi mảnh bê tông c−ờng độ cao đ cứng rắn, thấy rằng bê tông CĐC v CĐRC có cấu trúc rất đặc, chủ yếu vô định hình v bao gồm một thể tích không bình th−ờng của các hạt không có n−ớc, đó l phần còn lại của xi măng ch−a liên kết do thiếu n−ớc sử dụng đ−ợc. Ngoi ra, các mặt tiếp xúc vữa xi măng/cốt liệu rất ít rỗng v không thể hiện sự tích tụ thông th−ờng của các tinh thể vôi. Điều đó l do hoạt động của muội silic bắt nguồn từ phản ứng pôzulan giữa silic v vôi tự do sinh ra bởi xi măng khi thủy hoá. Việc đo độ xốp bằng thủy ngân chỉ ra sự mất đi của độ xốp mao quản. Cuối cùng ng−ời ta có thể đo đ−ợc độ ẩm của môi tr−ờng trong các lỗ rỗng của bê tông theo tuổi của vật liệu. Trong khi đối với bê tông thông th−ờng luôn luôn bằng 100% (khi không có sự trao đổi với môi tr−ờng xung quanh), nó giảm tới 75% ở tuổi 28 ngy đối với bê tông c−ờng độ cao. Cuối cùng, từ các nhận định khác nhau cho phép trình by về cấu trúc của bê tông c−ờng độ cao nh− sau: Tỉ lệ phần hồ xi măng trong bê tông giảm đi, các hạt không đ−ợc thủy hoá đ−ợc bổ sung vo thnh phần cốt liệu của bê tông đ cứng rắn. Nh− vậy trong bê tông c−ờng độ cao không nhất thiết phải dùng l−ợng xi măng cao (X = 380 450 kg/m 3 với c−ờng độ nén của xi măng từ 400 500 daN/cm2 ). Hồ xi măng có độ rỗng tổng cộng nhỏ Rất ít n−ớc tự do, các lỗ rỗng nhỏ nhất cũng bị bo ho n−ớc. 15
17. Các mặt tiếp giáp hồ xi măng cốt liệu đ đ−ợc cải thiện v hóa đá, từ đó mất đi một vùng th−ờng yếu về cơ học của bê tông. C−ờng độ bê tông tăng lên. Vết nứt của bê tông khi phá hoại sẽ đi qua các hạt cốt liệu. Hm l−ợng vôi tự do nhỏ Trong bê tông xuất hiện trạng thái ứng suất mới đ−ợc minh hoạ một cách vĩ mô bằng co ngót nội tại v chắc chắn nó sinh ra một sự siết chặt mạnh vo các cốt liệu, lm tăng lực dính giữa cốt liệu v hồ xi măng, cải tiến c−ờng độ chịu kéo v mô đun đn hồi cho bê tông c−ờng độ cao. 4. Cấu trúc của bê tông c−ờng độ rất cao (CĐRC) Bê tông c−ờng độ rất cao, c−ờng độ nén từ 100 ữ 150 MPa tạo thnh từ: 400 500 kg xi măng poóc lăng mác 55 + (15 ữ 20)% muội silic 1 ữ 4 % phụ gia siêu dẻo , 0,3 0,4 % chất lm chậm. N/X = 0,16 0,18; N = 100 lít/m 3 Sự phá hủy của bê tông CĐRC cho thấy vữa xi măng đ chuyển thnh đá do sự đông đặc rất cao của vữa xi măng khác với vữa xi măng có độ rỗng xung quanh cốt liệu của bê tông th−ờng. Điều ny đ−ợc thể hiện qua nghiên cứu [4], trong đó ta không thể quan sát đ−ợc vết nứt cũng nh− sự định h−ớng tinh thể Ca(OH) 2 ở mặt tiếp xúc. Nứt vi mô v nứt vi mô cơ học của bê tông CĐRC có thể đ−ợc đánh giá bằng kính hiển vi v th−ờng ít hơn so với bê tông truyền thống. Đặc tính cấu trúc rất quan trọng l vữa xi măng có cấu trúc vô định hình v đồng nhất. Vữa xi măng có độ rỗng nhỏ hơn bê tông xi măng poóc lăng, do tăng đ−ợc mức hoạt tính pu zô lan của muội silic. Muội silic phản ứng lý học nhờ dạng hạt cực mịn v phản ứng hoá học nhờ độ hoạt tính của muội si líc với vôi. Độ rỗng của bê tông dùng muội silic đ−ợc đo bằng rỗng kế thuỷ ngân có thể thấy độ rỗng giảm từ 5060% L−ợng tối −u của muội silic l 15 ữ 20% khối l−ợng xi măng. Với số l−ợng lớn hơn, ví dụ 40%, bê tông trở nên giòn v các hạt silic vẫn ch−a thủy hoá. 5. Các kết quả thực nghiệm về cải tiến cấu trúc bê tông Các kết quả nghiên cứu trong năm gần đây ở Pháp v ở tr−ờng Đại học GTVT H Nội đ đạt đ−ợc các kết quả về bê tông c−ờng độ cao có cải tiến cấu trúc bằng cách dùng muội si lic, chất siêu dẻo, l−ợng n−ớc rất ít v cốt liệu địa ph−ơng. Các kết quả nghiên cứu đ đạt đ−ợc các bê tông có mác từ M60, M70, M100 ghi ở bảng d−ới đây: 16
18. Bảng 2.1. Bê tông M70 (mẫu hình trụ D = 15cm) có độ dẻo lớn Thnh phần C70 Pháp (NICE) Việt Nam (ĐHGTVT) N−ớc 160 lít 160 lít Xi măng C50 425 Kg 480 kg Cát 767 Kg 670 kg Đá (520 mm) 1107 Kg 1150 kg C−ờng độ, MPa 78 MPa 75 MPa Muội silic, kg 40 48 Chất siêu dẻo, lít 9,08 t 6,75 Bảng 2.2. Bê tông M80, M100. M100 M80 Thnh phần M90 (Đức) ĐHGTVT Đá (520 mm) , Kg 1020 1265 1150 Cát 0.5 , Kg 698 652 660 XM , Kg 456 421 520 Muội silic , Kg 36 42.1 52 N−ớc , lít 121 112 135 Siêu dẻo R B , lít 8.5 7.59 6.75 Chất lm chậm , lít 1.7 1.8 1,4 Tỷ lệ N/CKD 0.25 0.24 0.28 C−ờng độ 28 ngy ,MPa 94 101 73,5 Tỷ lệ Đ/C 1.46 2.02 1.74 Câu hỏi: 1. Phân loai cấu trúc bê tông? 2. Cấu trúc cốt liệu, hồ xi măng v cấu trúc của vùng tiếp giáp? 3. ảnh h−ởng của cấu trúc đến c−ờng độ v độ bền của bê tông? 17
19. Ch−ơng 3 các tính chất của bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao 1. Mở đầu Bêtông c−ờng độ cao v bêtông chất l−ợng cao có c−ờng độ chịu nén từ 60 100MPa v lớn hơn. Tính chất của bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao ở trạng thái t−ơi l tính dễ đổ (độ sụt) hoặc còn gọi l tính công tác. Tuy sử dụng l−ợng xi măng cao, tỷ lệ N/X thấp nh−ng độ sụt của bê tông c−ờng độ cao vẫn đạt từ 1020 cm, giữ đ−ợc ít nhất l 60 phút. ở trạng thái mềm co ngót dẻo lớn v ổn định thể tích cao so với bê tông th−ờng. Các tính chất của bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao khi rắn chắc nh− c−ờng độ nén, c−ờng độ ép chẻ, biến dạng, mô đun đn hồi đ−ợc thể hiện theo tỷ số với c−ờng độ nén đơn trục của mẫu thử hình trụ có kích th−ớc 15x30 cm hoặc mẫu thử hình lập ph−ơng 15x15x15 cm (theo tiêu chuẩn Anh) tuổi 28 ngy. Các tính chất khác nh− c−ờng độ chịu kéo, co ngót, từ biến, sự dính bám với cốt thép cũng đ−ợc cải tiến khi c−ờng độ nén tăng lên. 2. C−ờng độ bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao 2.1. C−ờng độ chịu nén C−ờng độ chịu nén của bê tông l tính chất quan trọng để đánh giá chất l−ợng của bê tông mặc dù trong một số tr−ờng hợp thì độ bền v tính chống thấm còn quan trọng hơn. C−ờng độ của bê tông liên quan trực tiếp đến cấu trúc của hồ xi măng đ đông cứng, cấu trúc của bê tông. C−ờng độ nén của bê tông phụ thuộc rất lớn vo tỷ lệ n−ớc/ximăng trong bê tông. Có nhiều công thức để dự báo c−ờng độ nén của bê tông ở các tuổi 3, 7, 28, 56 ngy theo tỷ lệ N/X hoặc N/CKD hoặc X/N. Công thức BôlômâyCkramtaep cải tiến. Công thức BK đ đ−ợc lập để dự báo c−ờng độ của bê tông th−ờng. Rb=ARx (X/N+0.5) Chúng tôi đề nghị cải tiến bằng cách dùng các trị số hệ số A l: 0.4 thay cho 0.45 cho bê tông th−ờng. ở Pháp th−ờng lựa chọn tỷ lệ N/CDK theo ph−ơng pháp của Faury hoặc theo công thức của Feret. Ngoi ra còn có công thức của Suzuki1 v Suzuki 2, công thức Hatori. 18
20. Tổng hợp các công thức trên với 2 loại xi măng th−ờng (PC40) v xi măng c−ờng độ cao (PC50) đ−ợc ghi ở bảng 3.1. BK40 0.4*40*(X/N+0.5) 88.00 72.00 61.33 53.71 48.00 (1) BK50 0.4*50*(X/N+0.5) 110.00 90.00 76.67 67.14 60.00 (2) B40 0.6*40*(X/N0.5) 108.00 84.00 68.00 56.57 48.00 (3) B50 0.6*50*(X/N0.5) 135.00 105.00 85.00 70.71 60.00 (4) GT1 0.50*50*(X/N0.5) 112.50 87.50 70.83 58.93 50.00 (5) S1 Suzuki 1 98.00 82.00 70.00 63.00 58.00 (6) Ha1 Hatori 120.00 95.00 79.00 68.00 58.00 (7) S2 Suzuki 2 110.00 90.00 80.00 72.00 65.00 (8) GT2 0.45*40*(X/N+0.5) 99.00 81.00 69.00 60.43 54.00 (9) 140 130 f 'c,MPa f 120 4 110 BK401 BK502 100 7 B403 B504 90 2 GT15 80 S16 6 8 Ha17 70 S28 3 GT29 60 1 5 50 9 40 5 4 3.33 2.86 2.5 CKD/N Hình 3.1. Quan hệ giữa c−ờng độ bê tông với tỷ lệ CKD/N 19
21. 130 120 110 100 S11 Ha12 90 S23 GT24 GT35 Cuong do, MPa 80 ACI6 70 60 50 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 N/CKD Hình 3.2. Quan hệ giữa c−ờng độ bê tông v tỷ lệ N/X với xi măng tiêu chuẩn Ghi chú: S1= Biểu đồ Suzuki 1 S2= Biểu đồ Suzuki 2 Ha Công thức Hatori GT2=0.45x50x(X/N0.5) GT3=0.45x40x(X/N+0.5) ACI= đ−ờng biểu diễn quan hệ trên theo bảng tra của ACI Nhận xét: Các kết quả theo ACI v công thức GT3 v S1 rất gần nhau vì vậy khi lựa chọn tỷ lệ X/N có thể tra theo bảng của ACI hoặc tính theo công thức sau: X  Rb= AR X  + 0.5  N  X  Rb =0.45 ì 40. + 0.5  N  Tỷ lệ n−ớc/ximăng lại ảnh h−ởng rất lớn đến các độ bền, độ ổn định thể tích v nhiều tính chất khác liên quan đến độ rỗng của bê tông. Do đó c−ờng độ chịu nén của bê tông đ−ợc qui định sử dụng trong thiết kế, h−ớng dẫn công nghệ v đánh giá chất l−ợng bê tông. 20
22. C−ờng độ nén của bê tông phụ thuộc vo nhiều yếu tố nh−: Loại, chất l−ợng v hm l−ợng của các vật liệu chế tạo bê tông: cốt liệu, xi măng v các phụ gia, ph−ơng pháp thiết kế thnh phần v thời gian nho trộn hỗn hợp vật liệu, môi tr−ờng sản xuất v khai thác bê tông. Các tính chất của các vật liệu thnh phần ảnh h−ởng đến c−ờng độ bê tông l: Loại, chất l−ợng của cốt liệu nhỏ v cốt liệu lớn, hồ xi măng v tính dính bám của hồ xi măng với cốt liệu (tính chất của vùng chuyển tiếp). C−ờng độ nén l tính chất sử dụng quan trọng nhất của vật liệu. Đó cũng l tính chất m sự cải thiện của nó l li kỳ nhất: ng−ời ta đ có thể thực hiện ở phòng thí nghiệm, sử dụng thnh phần tối −u bê tông có thể đạt c−ờng độ bê tông v−ợt quá 200 MPa. Tuy nhiên trong thực tế không yêu cầu về c−ờng độ quá cao v giá thnh của bê tông l quá đắt (do sử dụng nhiều muội silic v chất siêu dẻo). Chế tạo loại bê tông dễ đổ với các cốt liệu thông th−ờng, giá thnh không quá cao, c−ờng độ nằm trong khoảng từ 60 đến 120 MPa, sẽ có ý nghĩa thực tế cao hơn, điều đó cũng thể hiện một b−ớc tiến lớn so với bê tông th−ờng (bảng 3.2.). Bảng3.2. Sự diễn biến của các tính chất cơ học của bê tông c−ờng độ cao 1 3 7 14 28 90 1 ngy ngy ngy ngy ngy ngy năm C−ờng độ nén trung 27,2 72,2 85,6 85,6 92,6 101,0 114,1 bình (MPa) C−ờng độ bửa 2,2 5,4 6,4 6,4 6,1 (MPa) Module Young 34,9 48,7 52,4 52,4 53,4 53,6 56,8 (GPa) C−ờng độ chịu nén của bê tông c−ờng độ cao đ−ợc xác định trên mẫu bê tông tiêu chuẩn, đ−ợc bảo d−ỡng 28 ngy trong điều kiện tiêu chuẩn, theo tiêu chuẩn Việt Nam hoặc Quốc Tế thích hợp. Theo tiêu chuẩn của Việt Nam, mẫu tiêu chuẩn để xác định c−ờng độ bê tông l mẫu hình hộp lập ph−ơng có cạnh 150x150x150 mm, bảo d−ỡng trong điều kiện t = 2025 oC, W = 90 100%. Hoặc mẫu hình trụ D = 15, H =30 cm, lấy mẫu v bảo d−ỡng theo TCVN Theo ACI thì mẫu tiêu chuẩn để xác định c−ờng độ bê tông c−ờng độ cao l mẫu hình trụ tròn có kích th−ớc: d = 6 in v h = 12 in (150x300 mm), v đ−ợc bảo d−ỡng ẩm. 21
23. 2.2. Tốc độ tăng c−ờng độ chịu nén theo thời gian Bêtông c−ờng độ cao có tốc độ tăng c−ờng độ ở các giai đoạn đầu cao hơn so với bê tông th−ờng nh−ng ở các giai đoạn sau sự khác nhau l không đáng kể. Parrott đ báo cáo các tỉ số điển hình của c−ờng độ sau 7 ngy đến 28 ngy l 0,8 0,9 đối với bê tông có c−ờng độ cao, từ 0,7 0,75 đối với bê tông th−ờng, trong khi đó Carrasquillo, Nilson v Slate đ tìm ra đ−ợc tỉ số điển hình của c−ờng độ sau 7 ngy l 0,6 đối với bê tông có c−ờng độ thấp, 0,65 đối với bê tông có c−ờng độ trung bình v 0,73 đối với bê tông có c−ờng độ cao. Tốc độ cao hơn của sự hình thnh c−ờng độ của bê tông c−ờng độ cao ở các giai đoạn đầu l do sự tăng nhiệt độ xử lý trong mẫu bê tông vì nhiệt của quá trình hidrát hoá, khoảng cách giữa các hạt đ đ−ợc hidrát hoá trong bê tông c−ờng độ cao đ đ−ợc thu lại v tỉ số n−ớc/ xi măng thấp nên lỗ rỗng do n−ớc thuỷ trong bê tông c−ờng độ cao l thấp hơn. Sự tăng c−ờng độ nhanh hơn nhiều so với bê tông cổ điển (bảng 3.1.), l do sự xích gần sớm của các hạt bê tông t−ơi, cũng nh− l vai trò lm đông cứng của muội silic. Sự phát triển sớm của c−ờng độ trong thực tế phụ thuộc vo bản chất (hm l−ợng Aluminat, độ mịn) v l−ợng dùng xi măng, hm l−ợng có thể có của chất lm chậm ninh kết, cũng nh− l chắc chắn phụ thuộc vo nhiệt độ của bê tông. Quan hệ giữa bê tông chịu nén ở ngy thứ j (f cj ) v c−ờng độ bê tông ngy 28 (f c28 ) có thể sử dụng công thức BAEL v BPEL (Pháp) nh− sau: fcj = 0,685 log (j’+1)f c28 Hoặc công thức ở dạng tuyến tính nh− sau: Hình 3.3. Quan hệ giữa c−ờng độ v thời gian j ' f = f cj a + bj c28 Trong đó: a =28(1b) 22
24. 0 < j < 28 j ' f = f cj 28 1( − b) + bj c28 Trong đó: b = 0,95 j ' Vậy f = f cj 4,1 + ,0 95 j c28 Khi j tiến tới ∞ c−ờng độ bê tông cũng chỉ tăng theo công thức sau: fc∞ = 1,2 fc28 C−ờng độ chịu kéo tại ngy j cũng có qua hệ với c−ờng độ chịu nén tại ngy j nh− sau: ftj =0,6+0,06 f cj 2/3 Hoặc ftj =k k(f cj ) Hệ số k k =0,3 theo BAELBPEL k k =0,24 theo CEBIT 2.3. Biểu đồ ứng suất biến dạng. Mô đun đn hồi (độ cứng) đ−ợc thể hiện ở độ dốc của đ−ờng cong quan hệ ứng suất biến dạng tr−ớc khi đạt c−ờng độ lớn nhất. Độ dai đ−ợc thể hiện ở độ dốc của đ−ờng cong quan hệ ứng suất biến dạng sau khi đạt c−ờng độ l−ớn nhất. Bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao có mô đun đn hồi v độ dai khác biệt so với bê tông th−ờng Trên hình 3.4. l quan hệ giữa ứng suất theo chiều trục v biến dạng đối với bê tông có c−ờng độ nén lên tới 100 MPa. Dạng đồ thị ở phần đầu của đ−ờng ứng suất – biến dạng khá tuyến tính v dốc hơn đối với bê tông th−ờng. Nh− vậy bê tông chất l−ợng cao có mô đun đn hồi cao hơn hẳn so với bê tông th−ờng (đến 45MPa). Biến dạng t−ơng đ−ơng ứng với điểm ứng suất lớn nhất th−ờng từ 0.02 0.03 (với bê tông th−ờng từ 0.020.035). Đối với bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao độ dốc ở phía giảm trở nên dốc hơn. Điều đó chứng tỏ bê tông c−ờng độ cao sẽ bị phá hoại đột ngột hơn so với bê tông th−ờng (ròn). Điều ny cũng cho thấy độ dai của bê tông c−ờng độ cao thấp hơn so với bê tông truyền thống. 23
25. 100 90 3 80 70 2 60 50 C401 40 C702 Cuongdo, MPa C803 30 1 20 10 0 0 0.002 0.003 0.004 Bien dang,% Hình 3.4. Quan hệ ứng suất biến dạng của 3 loại bê tông Độ ròn của bê tông c−ờng độ cao Đối với kim loại v đặc biệt l thép, sự phát triển c−ờng độ luôn luôn đi đôi với độ ròn lớn hơn. Điều đó đ−ợc thể hiện bằng các dạng phá hoại đặc biệt v bằng độ dai (đại l−ợng biểu thị khả năng của vật liệu chống lại sự lan truyền của vết nứt) v tốc độ phá hoại. Chúng ta quan sát các dạng ny đối với bê tông chất l−ợng cao v rất cao. Các dạng phá hoại: Các bề mặt vỡ của bê tông bê tông c−ờng độ cao l đặc tr−ng tiêu biểu của vật liệu. Các vết nứt đi qua không phân biệt hồ v cốt liệu (hình 3.5). Nh− vật sự phá huỷ của bê tông c−ờng độ cao có quan hệ gần gũi với dạng chẻ theo thớ của kim loại ròn. Với bê tông th−ờng vết nứt có đi qua biên cốt liệu không đi qua cốt liệu. Không phải l giống nhau khi ng−ời ta quan tâm đến độ dai hoặc nhân tố độ mạnh của ứng suất cực hạn. Khi đo thông số ny trên ba loại bê tông, l bê tông th−ờng, bê tông c−ờng độ cao không có muội silic v bê tông c−ờng độ cao. Các giá trị tìm đ−ợc lần l−ợt bằng 2,16; 2,55; 2,85 MPa trong khi đó năng l−ợng phá vỡ đ−ợc xác định ở mức độ 131; 135; 152 J/m 2. Điều đó có nghĩa l để lan truyền trong bê tông c−ờng độ cao một vết nứt có chiều di v môi tr−ờng xung quanh đ cho cần thiết năng l−ợng gia tải lớn hơn so với bê tông thông th−ờng. Nguyên nhân cơ bản l sự tăng mật độ của hồ v cải thiện liên kết giữa hai pha hồ v cốt liệu. 24
26. a. Vết nứt của bê tông th−ờng b. Vết nứt của bê tông c−ờng độ cao Hình 3.5. Các dạng vết nứt 2.4. C−ờng độ chịu kéo: 2.4.1. Tổng quát C−ờng độ chịu kéo của bê tông khống chế vết nứt v ảnh h−ởng đến các tính chất khác của bê tông nh−: độ cứng, khả năng dính bám với cốt thép, độ bền. C−ờng độ chịu kéo còn liên quan đến ứng xử của bê tông d−ới tác dụng của lực cắt. Bê tông có c−ờng độ cao thì c−ờng độ chịu kéo cũng cao hơn. Tất cả các thử nghiệm mẫu đều xác nhận điều đó từ 30 60% tuỳ theo thnh phần của bê tông c−ờng độ cao. Việc cải thiện chất l−ợng của vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng v cốt liệu có thể đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng ny. Tuy nhiên c−ờng độ chịu kéo của bê tông c−ờng độ cao tăng chậm hơn so với tốc độ tăng c−ờng độ chịu nén. (f tj /f cj =1/15:1/20 ) trị số chịu kéo khi biến dạng đến 6 MPa l có ý nghĩa sử dụng có lợi cho kết cấu. C−ờng độ chịu kéo của bê tông đ−ợc xác định bằng thí nghiệm kéo dọc trục hoặc thí nghiệm gián tiếp nh− kéo uốn, kéo bửa. 2.4.2. C−ờng độ chịu kéo dọc trục: C−ờng độ chịu kéo dọc trục của bê tông rất khó xác định, do đó các số liệu rất hạn chế v th−ờng rất khác nhau. Nh−ng ng−ời ta cho rằng c−ờng độ chịu kéo dọc trục của bê tông bằng khoảng 10% c−ờng độ chịu nén. Các nghiên cứu của tr−ờng đại học Delft trên mẫu đ−ờng kính 120mm (4.7 inch), chiều di 300mm (11.8 inch), có cùng c−ờng độ với điều kiện bảo d−ỡng khác nhau. Kết quả cho thấy c−ờng độ chịu kéo của mẫu đ−ợc bảo d−ỡng ẩm cho kết quả cao hơn khoảng 18% so với mẫu bảo d−ỡng khô. Các nghiên cứu khác tại Tr−ờng Đại học Northwestern với các loại bê tông khác nhau có c−ờng độ đến 48MPa cho thấy c−ờng độ chịu kéo dọc trục có thể biểu diễn theo c−ờng độ chịu nén nh− sau: ' f’ t = 6.5 fc (psi) ' Hay: f’ t = 0.54 fc (Mpa) 25
27. Theo tiêu chuẩn Anh (BS 8007: 1987) thì: 0.7 f’ t = 0.12 (f’ c) Ch−a có số liệu no về c−ờng độ chịu kéo dọc trục của bê tông có c−ờng độ chịu nén đạt 55Mpa. 2.4.3. C−ờng độ chịu kéo gián tiếp C−ờng độ chịu kéo gián tiếp đ−ợc xác định thông qua thí nghiệm kéo bửa (splitting tension ASTM C496) hoặc thí nghiệm kéo uốn (ASTM C78). C−ờng độ kéo bửa (f ct ) Theo ACI 363, c−ờng độ kéo bửa của bê tông nặng có quan hệ với c−ờng độ chịu nén theo công thức [6]: ' fct = 7.4 fc (psi) với bê tông có c−ờng độ 3000 – 12000 psi ' Hay: fct = 0.59 fc (MPa) với bê tông có c−ờng độ 21 – 83 MPa Theo Shah v Ahmad thì công thức l: 0.55 fct = 4.34(f’ c) (psi) với bê tông có c−ờng độ < 1200 (psi) 0.55 Hay: fct = 0.462(f’ c) (MPa) với bê tông có c−ờng độ < 83MPa. C−ờng độ chịu kéo của bê tông dùng muội silíc cũng có quan hệ với c−ờng độ chịu nén nh− đối với các loại bê tông khác. C−ờng độ kéo uốn (mô đun gy): C−ờng độ chịu kéo uốn đ−ợc xác định bằng thí nghiệm uốn mẫu dầm tiêu chuẩn. Các kết quả thí nghiệm cho thấy c−ờng độ kéo uốn bằng khoảng 15% c−ờng độ chịu nén của bê tông. Đối với bê tông c−ờng độ cao ACI kiến nghị: ' f r = k. fc (psi) (ACI 363) Hệ số k từ 7,512 ' fr =11.7 f c (psi) ' Hay: f r = 0.94 fc (MPa) với bê tông có c−ờng độ chịu nén ≤ 83 MPa Các kết quả thí nghiệm uốn một trục v hai trục cho thấy c−ờng độ chịu kéo uốn một trục cao hơn c−ờng độ chịu kéo uốn hai trục khoảng 38%. Đối với bê tông dùng muội silic, tỉ lệ giữa c−ờng độ chịu kéo v c−ờng độ chịu nén cũng t−ơng tự nh− các loại bê tông c−ờng độ cao khác. 3. Mô đun đn hồi tĩnh: Khi tính toán biến dạng đn hồi tuyến tính của kết cấu bê tông đều phải chọn một giá trị của mô đun đn hồi. Nh− vậy, mô đun đn hồi chính l một đặc tính chỉ dẫn trực tiếp về độ cứng của kết cấu bê tông. Mô đun đn hồi lớn thì độ cứng kết cấu lớn v kết cấu cng ít bị biến dạng. Với kết cấu dầm khi sử dụng bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao có thể giảm đ−ợc độ võng. 26
28. Mô đun đn hồi của bê tông c−ờng độ cao lớn hơn so với bê tông th−ờng, tuy nhiên, mô đun đn hồi chịu kéo tăng yếu hơn. Thật vậy, ng−ời ta có thể trông đợi vo những mô đun cao hơn 20 ữ 40% đối với bê tông c−ờng độ cao tuỳ theo thnh phần của nó v bản chất của loại cốt liệu. Mô đun đn hồi của bê tông chịu ảnh h−ởng lớn của các vật liệu thnh phần v tỷ lệ phối hợp các vật liệu. Việc tăng c−ờng độ chịu nén kèm theo mô đun đn hồi cũng tăng, độ dốc của biểu đồ σ~ε tăng lên. Đối với bê tông có khối l−ợng thể tích (γ) từ 1440 đến 2320 kg/m 3, v c−ờng độ 42MPa. ACI 363 kiến nghị công thức quan hệ E c ~ f' c đ−ợc biểu diễn theo công thức: 1.5 γ  E = (3,32 'f +6895) ì  (MPa) c c 2320  Theo Shah v Ahmad thì công thức biểu diễn l: 2.5 0.65 Ec = γ ( 'f c ) (psi) 2.5 0.315 Ec = γ ( 'f c ) (psi) Cook kiến nghị công thức: 2.5 0.315 Ec = γ ( 'f c ) (psi) 2.5 0.315 Ec = 0.0125. γ ( 'f c ) (MPa) Biều đồ quan hệ giữa mô đun đn hồi v c−ờng độ chịu nén của bê tông c−ờng độ cao với c−ờng độ bê tông đến 117 MPa. Thoman v Raeder cho biết các giá trị môdun đn hồi đ−ợc xác định nh− l độ dốc của đ−ờng tiếp tuyến với đ−ờng cong ứng suất sức căng trong nén đơn trục ở 25% của ứng suất tối đa từ 4.2 x 10 6 đến 5.2 x 10 6 psi (29 đến 39 GPa) đối với bê tông có c−ờng độ nén nằm trong phạm vi từ 10,000 psi (69 MPa) tới 11,000 psi (76 MPa). Mối t−ơng quan giữa mô đun đn hồi E c v c−ờng độ nén fc' đối với bê tông có trọng l−ợng thông th−ờng. 3/2 Theo ACI 318 l E c=33w c(f’ c) psi 6 Hoặc E c = 40,000 f c ' + 1.0 x 10 psi Đối với: 3000 psi < fc' < 12,000 psi E( c = 3320 f c ' + 6900 MPa 27
29. Đối với: 21 MPa < fc' < 83 MPa ) Các ph−ơng trình thực nghiệm khác để dự đoán mô đun đn hồi đ đ−ợc đề xuất. Sai số từ các giá trị dự đoán phụ thuộc rất nhiều vo các đặc tính v các tỉ lệ của cốt liệu thô. Biểu đồ 3.6. Quan hệ giữa mô đun đn hồi v c−ờng độ chịu nén của bê tông c−ờng độ cao Khi tốc độ biến dạng tăng thì kết quả mô đun đn hồi cũng tăng. Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm đối với bê tông có c−ờng độ đến 48 MPa, Shah v Ahmad kiến nghị công thức xác định mô đun đn hồi d−ới khi tốc độ biến dạng nhanh nh− sau: (E c)ε’ = E c[0.96 +0.38(log ε/log εs)] Với ε’ l tốc độ biến dạng ( ε/s). * Các yếu tố ảnh h−ởng đến môđun đn hồi của bê tông c−ờng độ cao: Cốt liệu Trong các nhân tố của cốt liệu ảnh h−ởng tới mô đun đn hồi của bê tông thì lỗ rỗng d−ờng nh− l nhân tố quan trọng nhất bởi vì lỗ rỗng của cốt liệu quyết định sự rắn chắc của nó. Cốt liệu có độ chặt cao sẽ có mô đun đn hồi cao. Nói chung đối với bê tông sử dụng cốt liệu có mô đun đn hồi cao thì sự ảnh h−ởng của nó tới mô đun đn hồi của bê tông l đáng kể hơn cả. Các nhân tố khác của cốt liệu ảnh h−ởng tới mô đun đn hồi của bê tông l: kích th−ớc hạt max, hình dáng, cấu trúc bề mặt, cấp phối hạt, v mô đun đn hồi của đá gốc. Chúng có thể ảnh h−ởng tới những vết nứt vi mô ở khu vực chuyển tiếp v vì vậy ảnh h−ởng tới hình dạng của đ−ờng cong biến dạng ứng suất. Đá xi măng. 28
30. Mô đun đn hồi của đá xi măng bị ảnh h−ởng bởi chính lỗ rỗng của nó. Các nhân tố có thể điều chỉnh lỗ rỗng trong xi măng l: tỉ lệ N−ớc/ xi măng, hm l−ợng khí, phụ gia khoáng, v mức độ thuỷ hoá của xi măng. Vùng chuyển tiếp. Nói chung, vùng lỗ rỗng, vết nứt vi mô, v xu thế kết tinh calcium hydroxide l t−ơng đối phổ biến ở vùng chuyển tiếp hơn so với chất kết dính xi măng rời vì vậy chúng giữ một vai trò quan trọng trong việc xác định mối quan hệ ứng suất – biến dạng trong bê tông. 4. Mô đun đn hồi động Giá trị của mô đun động lớn hơn giá trị của mô đun tĩnh khoảng từ 2040% v phụ thuộc vo c−ờng độ v tuổi của mẫu thử. Theo nghiên cứu của Phillo thì tỷ số giữa mô đun đn hồi tĩnh v động l 0,4 0,8 biến đổi trong thời gian từ 16 tháng v sau đó giữ nguyên tỷ lệ 0,8. Pacovic cho rằng mô đun đn hồi tĩnh lớn hơn mô đun đn hồi động Có thể tính mô đun đn hồi động theo công thức sau: Ec=1,25Ed19, Gpa HJoặc khi l−ợng xi măng v−ợt quá 500kg/m 3 Ec=1,04Ed4,1, Gpa 5. Hệ số Poisson Các số liệu thực nghiệm về các giá trị của tỉ số Poisson đối với bê tông c−ờng độ cao l rất hạn chế. Shideler v Carrasquillo đ báo cáo các giá trị của tỉ số Poisson đối với bê tông c−ờng độ cao dùng cốt liệu nhẹ có c−ờng độ nén tới 10,570 psi (73 MPa) sau 28 ngy l 0,2 không tính đến tuổi c−ờng độ nén v hm l−ợng ẩm. Mặt khác, Perenchio v Klieger đ báo cáo các giá trị tỉ số Poisson của bê tông có trọng l−ợng thông th−ờng với c−ờng độ nén nằm trong phạm vi từ 8000 đến 116000 psi (55 80 MPa) l từ 0,20 0,28. Họ kết luận rằng hệ số Poisson có khuynh h−ớng giảm khi tỉ lệ n−ớc xi măng tăng. Kaplan đ tìm ra các giá trị cho tỉ số Poisson của bê tông từ 0,23 đến 0,32 đ−ợc xác định bằng cách dùng phép đo động học l không phụ thuộc vo c−ờng độ nén cốt liệu thô, đối với bê tông có c−ờng độ đến 11500 psi (79 MPa). Trên cơ sở các thông tin có sẵn, hệ số Poisson của bê tông c−ờng độ cao trong phạm vi đn hồi d−ờng nh− có thể t−ơng đ−ơng với giá trị của bê tông truyền thống. 6. C−ờng độ mỏi (độ bền mỏi) Các số liệu về quan hệ mỏi của bê tông c−ờng độ cao l rất hạn chế. Bennett v Muir đ nghiên cứu c−ờng độ mỏi bằng cách nén đồng trục một khối bê tông c−ờng độ cao có kích th−ớc 4" (102 mm) có c−ờng độ nén tới 11.155 psi (76.9 MPa) v 29
31. nhận ra rằng sau một triệu chu trình c−ờng độ của mẫu thử chịu tải trọng lặp lại khác nhau từ 66 71% so với c−ờng độ tĩnh cho một mức ứng suất tối thiểu l 1250 psi (8.6 MPa). Giá trị thấp hơn đ−ợc tìm thấy đối với bê tông c−ờng độ cao v đối với bê tông đ−ợc lm bằng cốt liệu thô có kích th−ớc nhỏ, nh−ng phần tăng thực tế của sự khác nhau l rất nhỏ. 7. Khối l−ợng đơn vị Giá trị đo đ−ợc của khối l−ợng đơn vị của bê tông có c−ờng độ cao lớn hơn chút ít so với bê tông có c−ờng độ thấp đ−ợc cùng lm từ một loại nguyên vật liệu. ( γ = 2,4 ữ2,6 g/m 3) 8. Các đặc tính về nhiệt Các đặc tính về nhiệt của bê tông c−ờng độ cao nằm trong phạm vi đúng đối với bê tông có c−ờng độ thấp. Các đại l−ợng đo đ−ợc l nhiệt l−ợng riêng, tính dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt, hệ số gin nở nhiệt, hệ số khuyếch tán. Các thí nghiệm gần đây cho thấy rằng tốc độ giảm c−ờng độ của bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao nhanh hơn so với bê tông th−ờng. Điểm bắt đầu giảm c−ờng độ thấp hơn (ở nhiệt độ 300 0C). Tính ổn định thể tích ở nhiệt độ cao cũng kém hơn. Bê tông c−ờng độ cao th−ờng dễ bị nứt v phá hủy do nhiệt độ cao nhanh hơn bê tông th−ờng. 9. Co ngót: Các biến dạng tự do của bê tông (co ngót v nở) l những tính chất quan trọng nhất đối với ng−ời xây dựng. Việc kiểm tra chính xác công trình đòi hỏi tính đến các biến dạng ny. Hơn nữa, các biến dạng tự do không đồng nhất trong các khối th−ờng dẫn đến các vết nứt, các rnh đặc biệt thấm nhập các tác nhân gây hại. Do đó, việc thiết kế công trình có độ bền cao cần lm chủ đ−ợc các biến dạng tự do v các ảnh h−ởng cơ học của chúng. Tr−ớc hết cần nhắc lại các cơ cấu chính của co ngót bê tông. Sau đó rút ra xu h−ớng chung của co ngót ở bê tông c−ờng độ cao từ thnh phần của chúng. Tiếp đó xem xét một số các bê tông c−ờng độ cao v rất cao có thnh phần khác nhau đ−ợc thí nghiệm gần đây ở LCPC. Cuối cùng rút ra kết luận về việc không có quan hệ trực tiếp giữa co ngót v c−ờng độ bê tông: giữa bê tông th−ờng v bê tông c−ờng độ cao, tồn tại một lựa chọn tự do cho ng−ời thiết kế, cùng một c−ờng độ có thể có nhiều tổ hợp chất kết dính (xi măng, muội silic, phụ gia ) Cơ chế lý – hoá của co ngót bê tông th−ờng Hai chỉ tiêu nội tại kiểm soát các biến dạng tự do của bê tông: nhiệt độ v hm l−ợng n−ớc tự do. Ta biết rằng nhiệt độ bê tông có thể biến đổi theo thời gian, hoặc do thủy hóa (các phản ứng th−ờng tỏa nhiệt v đóng vai trò l nguồn gây nhiệt nội tại), hoặc do 30
32. trao đổi nhiệt với phần còn lại của cấu kiện hay môi tr−ờng. Sự biến đổi nhiệt độ ny dẫn đến các biến dạng tự do tỉ lệ với chúng theo một hệ số quen thuộc (hệ số gin nỡ nhiệt, giảm dần khi tăng phản ứng thủy hóa). Cũng nh− vậy, hm l−ợng n−ớc tự do có thể thay đổi bên trong do thủy hoá mất một phần n−ớc, hay bên ngoi do biến đổi độ ẩm. Cũng nh− vậy, một hằng số vật lý (hệ số giảm n−ớc) cho phép tính toán biến dạng tự do liên quan. ở tỉ lệ cấu trúc vi mô, lý thuyết mao dẫn cho phép hiểu đ−ợc lm thế no sự lấp đầy một phần của n−ớc trong môi tr−ờng rỗng với độ phân bố rộng có thể dẫn tới một trạng thái nội ứng suất. Từ ái lực của n−ớc với bề mặt rắn (hấp phụ), các lỗ rỗng nhỏ nhất đ−ợc lấp đầy tr−ớc tiên. Do đó, với một l−ợng n−ớc cho tr−ớc, tồn tại một kích th−ớc lỗ rỗng giới hạn, m v−ợt qua đó các khoang rỗng không bo hòa. Bên trong mỗi khoang, bề mặt phân chia pha lỏng v khí chịu kéo tức thời v ứng suất cng lớn khi độ cong cng lớn, t−ơng ứng với lỗ rỗng nhỏ. Cũng nh− vậy, khi l−ợng n−ớc tự do giảm, kích th−ớc lỗ rỗng, liên quan tới sức căng mao quản, cũng giảm, v kết quả vĩ mô của hiện t−ợng (co cấu trúc rắn d−ới ảnh h−ởng của một loại “tiền ứng suất ẩm”) tăng. ứng xử của hệ thay đổi phụ thuộc không chỉ vo sự phân bố kích th−ớc lỗ rỗng m còn vo khả năng biến dạng tổng thể, liên quan tới độ rỗng tổng cộng. Do sự thiếu hụt thể tích của phản ứng thủy hóa, vữa xi măng trở thnh một cấu trúc ba pha ( rắn – lỏng – khí) trong suốt quá trình thủy hóa. Có thể chia (không chính xác lắm) co ngót thnh 3 giai đoạn sau: Tr−ớc khi ninh kết co ngót dẻo; trong khi ninh kết v rắn chắc – các hiện t−ợng nhiệt v co ngót nội tại; ở tuổi muộn – co ngót do mất n−ớc. Chính sự co ngót do khô l đáng quan tâm v lo lắng. Đó l sự co ngót của một mẫu đ−ợc tháo khuôn ở 24 giờ sau khi đ−ợc lm khô ở trong phòng với độ ẩm t−ơng đối 50 ±10% v nhiệt độ 20 ±10C đ−ợc khống chế. Độ co ngót do khô đ−ợc lấy một cách quy −ớc bằng hiệu số giữa độ co tổng cộng v độ co của cùng một mẫu không bị mất n−ớc chút no. Trong khi độ co ngót nôi sinh cuối cùng gần gấp đôi, độ co khô giảm đi, vật liệu chỉ bao gồm rất ít n−ớc tự do sau khi thuỷ hoá. Độ co tổng cộng của bê tông c−ờng độ cao đ−ợc đo trên các mẫu φ16 cm, vo khoảng hai lần nhỏ hơn trên những mẫu bê tông đối chứng. Chú ý đến những động học đặc biệt nhanh của độ co của bê tông bê tông c−ờng độ cao, nó có thể tạo ra các sai số trong tr−ờng hợp so sánh trên các thí nghiệm ngắn ngy. Có nên lo ngại ảnh h−ởng của độ co nội tại của bê tông c−ờng độ cao đối với qui mô của kết cấu không? Đối với các công trình cầu hầm, phần lớn của biến dạng ny xảy ra sau khi tháo ván khuôn v khi đó các ảnh h−ởng của nó giống nh− ảnh 31
33. h−ởng của một biến dạng thuần nhất do nhiệt. Các điểm tiếp xúc của kết cấu với nền đ−ợc dự kiến để loại biến dạng đó không cần cấu tạo đặc biệt. Bảng 3.3. Các số liệu thí nghiệm co ngót bê tông th−ờng v bê tông c−ờng độ cao. Bê tông đối Bê tông c−ờng độ Độ co ngót tổng cộng ( m/m) chứng cao Lúc kết thúc thí nghiệm 470 320 Trong thời hạn di 650 340 Độ co ngót nội tại Lúc kết thúc thí nghiệm 120 200 Trong thời hạn di 120 220 Độ co ngót do mất n−ớc Lúc kết thúc thí nghiệm 350 120 Trong thời hạn di 530 120 Tính toán co ngót Từ khi bê tông rắn chắc (đông đặc lại), sự co bê tông đ−ợc hiểu l sự tự nhiên của vật liệu m ch−a chịu tải. Có hai loại co: Sự co nội sinh hay co do khô tự nhiên, gây ra do việc bê tông cứng dần lên. Sự co do sự sấy khô, gây ra do sự trao đổi n−ớc giữa chất liệu trong bê tông v môi tr−ờng bên ngoi. Chú ý rằng, độ co do bị sấy khô ny có thể l số âm (trong tr−ờng hợp ny bê tông bị phồng lên ). Nh− vậy, tổng độ co l phép cộng của hai loại độ co nói trên. Trong tr−ờng hợp các khối bê tông đặc, nhiệt cũng có thể ảnh h−ởng đáng kể đến độ co nội sinh hay độ co do khô. Tính động của độ co nội sinh phụ thuộc vo tốc độ phản ứng hydrat hoá. Khi tính toán mức độ co, tr−ớc tiên, ng−ời ta dựa vo tốc độ cứng của vật liệu v nh− vậy phải tính đến các đặc tính của từng loại bê tông. Tỷ số fc (t) f c28 , tuổi của bê tông non, đ−ợc coi l biến kiểm tra tr−ớc 28 ngy. Vì vậy, đối với khối bê tông đặc có độ đông cứng nhanh hơn thì tuổi bê tông có ảnh h−ởng lớn đến độ co nội sinh. Sau 28 ngy, độ co nội sinh đ−ợc tính căn cứ vo thời gian. Nếu f c(t)f c28 ≥ 0,1 thì có thể tính độ co theo đề nghị của Pháp nh− sau: f )t(c −5 ε rd f,t( c28 ) − f( c28 − 20)( 2,2 − 2,0 ).10 f c28 Trong đó, εr0 l độ co nội sinh tính từ khi bê tông đặc (kết dính đến một thời điểm no đó tính bằng ngy). f 28 l đặc tính ứng suất vo cùng thời điểm. 32
34. Để có thể miêu tả rõ hơn tính động của độ co nội sinh tr−ớc 28 ngy, ta có thể chấp nhận qui luật hyperbôn về độ cứng đ−ợc phân chia dựa theo các dữ liệu thực nghiệm về ứng suất đang hiện hnh. Với t > 28 ngy thì, 6 εr0 (t,f c28 ) = (f c28 20) [2,8 1,1exp(1/96)].10 Trong tr−ờng hợp ứng suất thực tế đến 28 ngy rõ rng cao hơn đặc tính ứng suất yêu cầu, sẽ chỉ cho phép −ớc tính độ co nội sinh. Bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao chịu sự sấy khô tự nhiên. Độ ẩm trong của nó, nếu không có sự trao đổi n−ớc với môi tr−ờng bên ngoi, sẽ giảm dần theo thời gian v trong vòng vi tuần sẽ ổn định ở giá trị thấp (trong khi m ứng suất nén đến 28 ngy thì tăng). Sự co do khô sấy th−ờng có tính động chậm hơn v phụ thuộc vo sự chênh lệch giữa độ ẩm trong v độ ẩm ngoi môi tr−ờng, Sự co do khô sẽ nhanh hơn nếu bê tông có kích thích của silic. Các công thức cho phép tính toán theo đề nghị của Pháp nh− sau: *Bê tông không có kích thích của silic. K(f )[720xp(0,046f + 75 ⋅ p )] E ()t,t t, p p, = c280 c280 h ⋅10−3 uv uv 280 u b t 2 t + 0,1 m ()t − t 0 * Bê tông có kích thích của silic. K(t )[720xp(0n046 f ) + 75 + p ] E ()t + t + t + p = c28 c28 h ⋅10 −3 uv 0 c28 h t 2 t + 8,2 m ()t − t0 Với K (f c28 ) = 18 nếu 40 MPa < f c28 < 57 MPa K ( f c28 ) = 30 0,21 f c28 nếu f c28 = 57MPa. Trong các tr−ờng hợp thông th−ờng ng−ời ta dự tính độ giảm của sự co ngót có các khung thép gắn liền. Tổng độ co đ−ợc tính trong khoảng thời gian từ khi đổ bê tông đến một thời điểm xác định no đó. Trong đó n = 15 khi 40 ≤ f c28 < 60 MPa. V n = 9 khi 60 ≤ f c28 ≤ 80 MPa. Tuy nhiên trong các kết cấu m cốt thép không cân đối, có thể cần thiết phải tính toán độ co theo vùng, căn cứ vo vị trí của các khung thép. Độ co giữa hai ngy t v t' bằng với sự chênh lệch của tổng độ co tính toán vo cho từng ngy. E + E cd E cd = 1+ np0 Trong tr−ờng hợp tính gần đúng có thể tham khảo số liệu sau: 4 εco ngót = 2.10 với khí hậu rất ẩm; 33
35. 4 εco ngót = 4.10 với khí hậu nóng v khô; 4 Với điều kiện Việt Nam có thể εco ngót = 3.10 10. Từ biến: 10.1. Cơ chế của từ biến Nếu đặt tải trọng không đổi theo thời gian lên một mẫu bê tông th−ờng (thí nghiệm từ biến), thì nhận đ−ợc biến dạng gấp đôi sau vi tuần, gấp ba sau vi tháng v có thể gấp năm sau vi năm trong những điều kiện cực đại. Có thể nhận thấy một hiện t−ợng t−ơng tự khi đặt tải trọng kéo, hoặc uốn. Từ biến của bê tông phụ thuộc vo nhiều thông số sau: bản chất của bê tông, tuổi đặt tải v nhất l các điều kiện môi tr−ờng. Trong tr−ờng hợp bỏ tải, ta quan sát thấy sự giảm tức thời của biến dạng (giá trị tuyệt đối rất gần với biến dạng dạng của một mẫu tham khảo chịu tải ở tuổi ny), gọi l biến dạng phục hồi. Tuy nhiên biến dạng ny nhỏ hơn nhiều từ biến t−ơng ứng, xét về giá trị tuyệt đối, v ổn định sau vi tuần. 10.2. Các yếu tố ảnh h−ởng đến từ biến. Tải trọng: Với các tải trọng thay đổi, ng−ời ta có thể xét rằng từ biến tỉ lệ với tải trọng đặt vo, tuy nhiên từ 50% tải trọng phá hủy, nó tăng nhanh hơn ứng suất ( quan hệ phi tuyến). Bản chất bê tông: Từ biến biến đổi giống biến dạng tức thời, trừ các loại bê tông đặc biệt có các đặc tr−ng riêng với chỉ số động học về quá trình mất n−ớc khác biệt: đó l tr−ờng hợp bê tông nhẹ có cốt liệu rỗng, chứa n−ớc, từ biến nhỏ hơn bê tông th−ờng có cùng c−ờng độ; Các điều kiện môi tr−ờng: khi không có sự trao đổi n−ớc với bên ngoi, từ biến, khi đó gọi l từ biến riêng, gần tỉ lệ với l−ợng n−ớc có thể bay hơi, v một loại bê tông sấy khô ở 105 0C th−ờng không có hiện t−ợng từ biến, nh−ng trên thực tế, bê tông bị mất n−ớc ít nhiều tùy theo khí hậu v sự thay đổi ny dẫn đến từ biến lớn, hơn hai đến ba lần từ biến riêng: ta có thể giải thích hiện t−ợng từ biến do mất n−ớc ny bằng ảnh h−ởng của cấu trúc liên quan đến co ngót do mất n−ớc: trong một mẫu không chịu tải, quá trình mất n−ớc dẫn đến các biến dạng tự do trên bề mặt nhanh hơn v lớn hơn so với ở tâm, điều ny dẫn đến bề mặt chịu kéo v có vết nứt; trong một mẫu chịu tải nén, ta lm giảm nứt v sự mất n−ớc thể hiện bởi các biến dạng lớn hơn; hiệu ứng ny không hon ton đ−ợc định l−ợng nh−ng chắc chắn giải thích một phần quan trọng hiện t−ợng từ biến do mất n−ớc; ngoi ra nó cho phép giải thích rõ rng hiệu ứng tỉ lệ vì trong các cấu kiện dầy, sự mất n−ớc bị giới hạn ở bề mặt v do đó gần với từ biến riêng, chịu kéo v nứt bề mặt. 34
36. Hình 3.7. Biến dạng đn hồi v từ biến của bê tông Hình 3.8. Biến dạng từ biến của bê tông th−ờng trong các điều kiện độ ẩm khác nhau I – Mẫu mất n−ớc tự nhiên II – Mẫu có bề mặt đ−ợc bôi một lớp nhựa cách n−ớc ngay sau khi tháo khuôn III – Mẫu đ−ợc sấy khô ở 40 0C trong 35 ngy, sau đó bôi một lớp nhựa cách n−ớc. 10.3. Bản chất của từ biến Từ biến v phục hồi từ biến l hiện t−ợng liên quan, nh−ng bản chất của chúng thì không rõ rng. Sự thực l từ biến chỉ phục hồi một phần do đó phần ny có thể gồm có một phần chuyển động đn hồidẻo có thể phục hồi (gồm có pha nhớt thuần tuý v pha dẻo thuần tuý) v có thể l do bién dạng dẻo không phục hồi. 35
37. Biến dạng đn hồi th−ờng đ−ợc phục hồi khi dỡ tải. Biến dạng dẻo không phục hồi đ−ợc, có thể phụ thuộc vo thời gian, v không có tỷ lệ giữa biến dạng dẻo v ứng suất tác dụng, hay giữa ứng suất v tốc độ biến dạng. Biến dạng nhớt không bao giờ phục hồi khi dỡ tải, nó luôn luôn phụ thuộc vo thời gian v có tỷ lệ giữa tốc độ biến dạng nhớt v ứng suất tác dụng, v do đó giữa ứng suất v biến dạng tại một thời điểm cụ thể. Những loại biến dạng khác nhau ny có thể đ−ợc tổng kết nh− trong bảng 3.4. Bảng 3.4. Các loại biến dạng Loại biến dạng Tức thời Phụ thuộc vo thời gian Có thể phục hồi Đn hồi Đn hồimuộn Không thể phục hồi Dẻo Nhớt Một cách xử lý hợp lý phần phục hồi từ biến quan sát đ−ợc bằng cách sử dụng nguyên tắc tổng hợp biến dạng, đ−ợc phát triển bởi McHenry. Những trạng thái ny có biến dạng đ−ợc tạo ra trong bê tông tại thời điểm t bất kỳ bởi sự tăng lên của ứng suất tại thời điểm bất kỳ t 0 v độc lập với những tác động của bất kỳ ứng suất tác dụng sớm hơn hay muộn hơn t 0. Sự tăng lên của ứng suất đ−ợc hiểu l tăng lên của ứng suất nén hoặc ứng suất kéo, cũng có thể l sự giảm nhẹ của tải trọng. Sau đó nếu ứng suất nén trên mẫu thử đ−ợc loại bỏ tại thời điểm t 1, sự phục hồi từ biến sẽ giống nh− từ biến của mẫu thử t−ơng tự chịu cùng tải trọng ứng suất nén tại thời điểm t 1. Phục hồi từ biến l sự khác nhau của biến dạng thực tại thời điểm bất kỳ v biến dạng dự kiến nếu mẫu thử tiếp tục chịu ứng suất ban đầu. So sánh của biến dạng thực v biến dạng tính toán (giá trị tính toán thực tế l sự khác nhau giữa hai đ−ờng cong thực nghiệm) đối với “bê tông bị bịt kín”, chỉ có từ biến gốc. D−ờng nh−, trong mọi tr−ờng hợp, biến dạng thực sau khi dỡ tải cao hơn biến dạng d− đ−ợc dự đoán theo nguyên tắc tổng hợp từ biến. Do đó từ biến thực nhỏ hơn giá trị tính toán. Sai sót t−ơng tự cũng đ−ợc tìm thấy khi nguyên tắc ny áp dụng cho mẫu thử chịu ứng thay đổi. D−ờng nh− nguyên tắc ny không hon ton thoả mn hiện t−ợng từ biến v phục hồi từ biến. Tuy nhiên nguyên tắc tổng hợp biến dạng, có vẻ thuận tiện. Nó ngụ ý rằng từ biến l hiện t−ợng đn hồi chậm m sự phục hồi hon ton nói chung bị ngăn cản bởi quá trình hydrat hoá của xi măng. Bởi vì đặc tính của bê tông ở tuổi muộn thay đổi rất ít theo thời gian, từ biến của bê tông do tải trọng lâu di tác dụng lên ở thời điểm sau khoảng vi năm có thể phục hồi hon ton, điều ny vẫn ch−a đ−ợc thực nghiệm khẳng định. Cần nhớ rằng nguyên tắc tổng hợp ny gây ra sai sót nhỏ có thể bỏ qua trong điều kiện bảo d−ỡng dạng khối, nơi m chỉ có từ biến gốc. Khi từ biến khô xảy ra, sai sót lớn hơn v phục hồi từ biến bị đánh giá sai đáng kể. 36
38. Vấn đề về bản chất của từ biến vẫn còn đang đ−ợc tranh luận v không thể bn thêm ở đây. Vị trí từ biến xảy ra l vữa xi măng đ thuỷ hoá, v từ biến gắn liền với sự dịch chuyển bên trong do dính bám hay kết tinh của n−ớc, ví dụ quá trình thấm hay rò rỉ n−ớc. Các thí nghiệm của Glucklich đ chứng tỏ rằng bê tông không có sự bay hơi của n−ớc thì thực tế l không có từ biến. Tuy nhiên, sự thay đổi mức độ từ biến tại nhiệt độ cho thấy trong hon cảnh đó, n−ớc ngừng ảnh h−ởng v bản thân chất gel gây ra biến dạng từ biến. Bởi vì từ biến có thể xảy ra trong khối bê tông, v sự rò rỉ n−ớc ra bên ngoi đóng vai trò không quan trọng đến quá trình từ biến gốc, mặc dù những quá trình nh− vậy có thể cũng diễn ra trong từ biến khô. Tuy nhiên, sự rò tỉ n−ớc bên trong từ các lớp chứa n−ớc sang lỗ rỗng nh− l lỗ rỗng mao dẫn l có thể xảy ra. Một chứng cứ gián tiếp thể hiện vai trò của lỗ rỗng nh− vậy l mối liên hệ giữa từ biến v c−ờng độ của vữa xi măng đ thuỷ hoá: nên có công thức liên hệ giữa từ biến v số l−ợng t−ơng đối của lỗ rỗng tự do, v có thể thấy rằng lỗ rỗng trong cấu trúc gel có thể ảnh h−ởng đến c−ờng độ v từ biến; ở tuổi muộn lỗ rỗng có thể gắn liền với hiện t−ợng rò rỉ n−ớc. Thể tích của lỗ rỗng l hm số của tỷ lệ n−ớc/xi măng v bị ảnh h−ởng của mức độ thuỷ hoá. Lỗ rỗng mao quản không thể chứa đầy n−ớc ngay cả khi chịu áp lực thuỷ tĩnh nh− trong bể n−ớc. Do vậy, sự rò rỉ n−ớc bên trong l có thể d−ới bất kì điều kiện l−u trữ no. Hiện t−ợng từ biến của mẫu thử không co ngót không bị ảnh h−ởng của độ ẩm t−ơng đối của môi tr−ờng cho thấy nguyên nhân cơ bản gây ra từ biến “trong không khí” v “trong n−ớc” l giống nhau. Đ−ờng cong từ biến theo thời gian cho thấy sự giảm từ biến l không xác định theo độ dốc của nó, v có một câu hỏi l liệu có hay không một sự giảm từ từ, theo cơ chế của từ biến. Có thể hiểu rằng tốc độ giảm với cơ chế giống nhau liên tục v rộng khắp, nh−ng có lý để tin rằng sau nhiều năm d−ới tác dụng của tải trọng, chiều dầy của lớp có thể bị thấm n−ớc có thể giảm đến một giá trị giới hạn v mới chỉ có thí nghiệm ghi lại từ biến sau nhiều nhất l 30 năm. Do đó, có thể rằng phần từ biến chậm, di hạn l do nguyên nhân khác chứ không phải do rò rỉ n−ớc nh−ng biến dạng có thể phát triển chỉ khi có sự tồn tại của một số n−ớc có thể bay hơi. Nguyên nhân ny có thể l chảy nhớt hay tr−ợt giữa các phần gel . Cơ chế nh− vậy phù hợp với ảnh h−ởng của nhiệt độ đối với từ biến v cũng có thể giải thích phần từ biến lớn không thể phục hồi ở tuổi muộn. Các quan sát về từ biến d−ới tác dụng của tải trọng thay đổi, v đặc biệt l khi tăng nhiệt độ d−ới điều kiện tải trọng nh− vậy, đ dẫn đến một giả thuyết sửa đổi về từ biến. Nh− đ đề cập, từ biến d−ới ứng suất thay đổi lớn hơn từ biến d−ới ứng suất tĩnh m có cùng giá trị so với giá trị trung bình của ứng suất thay đổi. ứng suất thay 37
39. đổi cũng lm tăng phần từ biến không thể phục hồi v lm tăng tốc độ từ biến do lm tăng sự tr−ợt nhớt của cấu trúc gel, v lm tăng từ biến do số l−ợng giới hạn các vết nứt nhỏ tại tuổi sớm trong quá trình rắn chắc của bê tông. Số liệu thực nghiệm khác về từ biến khi kéo v khi nén gợi ý rằng các biến đổi đ−ợc giải thích tốt nhất bởi sự tổng hợp của các lý thuyết về rò rỉ n−ớc v chảy nhớt của bê tông. Nói chung, vai trò của vết nứt nhỏ l thấp, không kể từ biến d−ới tác dụng của tải trọng thay đổi l có giới hạn, từ biến do các vết nứt nhỏ hầu nh− có giới hạn đối với bê tông đ−ợc chất tải ở tuổi sớm hoặc đ−ợc chất tải với tỷ số ứng suất/c−ờng độ v−ợt quá 0.6. Nói tóm lại, chúng ta phải chấp nhận rằng cơ chế thực của từ biến vẫn ch−a đ−ợc xác định. 10.4. Các ảnh h−ởng của từ biến đến kết cấu bê tông Từ biến lm ảnh h−ởng đến biến dạng, độ võng v sự phân bố ứng suất, nh−ng các ảnh h−ởng thay đổi tuỳ thuộc vo loại kết cấu. Từ biến của bê tông dạng khối thực chất không ảnh h−ởng đến c−ờng độ, mặc dù d−ới ứng suất rất cao từ biến đẩy nhanh quá trình đạt đến biến dạng giới hạn m tại đó sự phá huỷ xảy ra; điều ny xảy ra khi tải trọng di hạn v−ợt quá 85 hay 95% tải trọng tĩnh giới hạn gia tải nhanh. D−ới ứng suất di hạn nhỏ, thể tích của bê tông giảm (nh− theo từ biến có hệ số Poisson nhỏ hơn 0.5) v điều ny có thể lm tăng c−ờng độ của bê tông. Tuy nhiên tác động ny rất nhỏ. Từ biến có ảnh h−ởng lớn đến tính chất v c−ờng độ của kết cấu bê tông cốt thép v bê tông ứng suất tr−ớc. Từ biến gây ra hiện t−ợng truyền dần tải trọng từ bê tông sang cốt thép. Khi cốt thép biến dạng lớn, phần tăng lên của tải trọng lại truyền sang bê tông, do đó c−ờng độ tối đa của cả thép v bê tông tăng tr−ớc khi bị phá hoại đ có công thức thiết kế về vấn đề ny. Tuy nhiên, trong kết cấu cột lệch tâm, từ biến tăng tạo ra sự mất ổn định v có thể dẫn đến oằn gẫy. Trong kết cấu siêu tĩnh, từ biến có thể lm giảm sự tập trung ứng suất gây ra bởi co ngót, nhiệt độ thay đổi, hay sự dịch chuyển gối. Trong tất cả các kết cấu bê tông, từ biến lm giảm nội ứng suất do co ngót không đều của các bộ phận kết cấu, do đó lm giảm nứt. Khi tính toán ảnh h−ởng của từ biến đến kết cấu, cần nhận thấy rằng biến dạng thực theo thời gian không phải l từ biến “tự do” của bê tông v giá trị của từ biến bị ảnh h−ởng bởi số l−ợng v vị trí các thanh thép. Mặt khác, trong khối bê tông, từ biến, có thể l nguyên nhân gây ra nứt khi trong khối bê tông chịu sự thay đổi theo chu kỳ của nhiệt độ gây ra bởi sự tăng nhiệt độ của phản ứng thuỷ hoá v sự giảm nhiệt từ từ. Sẽ có ứng suất nén gây ra bởi sự tăng nhanh nhiệt độ của khối bê tông bên trong. ng suất ny thấp vì mô đun đn hồi của bê tông ở tuổi sớm thấp. C−ờng độ của bê tông ở tuổi rất sớm cũng 38
40. thấp do đó từ biến rất cao; điều ny giảm nhẹ ứng suất nén v ứng suất nén biến mất ngay khi sự lm lạnh xảy ra. Trong quá trình lm lạnh tiếp theo, ứng suất kéo phát triển v bởi vì tốc độ từ biến giảm theo thời gian, các vết nứt có thể xảy ra thậm chí tr−ớc khi nhiệt độ giảm xuống tới nhiệt độ ban đầu (khi thi công). Vì lý do ny, sự tăng lên của nhiệt độ bên trong của khối lớn bê tông phải đ−ợc kiểm soát. Từ biến có thể dẫn đến sự mất ổn định của kết cấu v gây ra các vấn đề khác khi sử dụng, đặc biệt l trong các công trình nh cao tầng v cầu lớn. Sự mất mát dự ứng lực do từ biến đ đ−ợc biết đến rất nhiều v thực vậy, nó dùng để tính toán ứng suất phá hoại khi dự ứng lực. ảnh h−ởng của từ biến có thể nguy hiểm nh−ng nói chung từ biến không giống nh− co ngót, từ biến có thể lm giảm tập trung ứng v nó góp phần đáng kể vo sự thnh công của bê tông với vai trò l vật liệu xây dựng kết cấu. Các ph−ơng pháp thiết kế hợp lý đối với bê tông có xét đến từ biến trong các loại kết cấu khác nhau cần đ−ợc phát triển. Ta có thể thấy các biến dạng của mẫu theo thời gian, các biến dạng của mẫu giống với co ngót. Từ biến riêng về nguyên tắc đạt đ−ợc theo sự chênh lệch giữa biến dạng của mẫu gia tải đ−ợc quét nhựa v biến dạng của mẫu t−ơng đ−ơng nh−ng không đ−ợc gia tải. Đối với mẫu không gia tải (đ−ợc giữ d−ới một lớp polyme cho đến 28 ngy sau đó trong môi tr−ờng đ−ợc khống chế cùng một tính toán cho một từ biến tổng cộng, tổng cộng của một từ biến riêng v một biến dạng phụ gọi theo quy −ớc l từ biến do khô, ngay cả khi nó thể hiện một phần co ngót do khô, m tác dụng vi mô của nó rất rõ đối với mẫu chịu tải, vì khi đó sự nứt nẻ lớp mặt do khô bị hạn chế bởi sự nén bên ngoi. Trong các thí nghiệm ny cái chắn độ ẩm cũng không hiệu quả nh− trong các phép đo co ngót, vì không có một lá nhôm đặt ở giữa hai lớp nhựa. Từ biến riêng của đối chứng nh− vậy có thể đ−ợc đánh giá hơi quá mức tuy nhiên bê tông c−ờng độ cao thể hiện một từ biến giống nhau trên hai mẫu. Nh− vậy nó không bị ảnh h−ởng bởi giả t−ợng trên đây. Từ biến của bê tông c−ờng độ cao đ−ợc đặc tr−ng cuối cùng bởi: Một động học nhanh (ở 7 ngy gia tải, một tỷ lệ 67% của biến dạng ở một năm đ đ−ợc thực hiện trong khi đối chứng chỉ có 41%). Một biên độ rất yếu (Kn ≤ 0,60, hai ngy gia tải. Điều ny có thể l ít thuận lợi đối với các gia tải ở tuối ít ngy. Một sự độc lập với các tác dụng của độ ẩm v của dạng hình học của kết cấu, một cái lợi thực tế đối với ng−ời thiết kế các kết cấu sử dụng các vật liệu, tạo sự tin cậy vo sự hợp thức cho tính toán của họ. 39
41. Tính toán từ biến. Từ biến l các biến dạng theo thời gian di ( muộn) của bê tông d−ới ảnh h−ởng của các ứng lực. Nếu bê tông ch−a chịu tải ở tuổi t chịu một ứng lực liên tục, có thể chấp nhận biến dạng do từ biến ở một thời điểm xác định tỷ lệ với ứng lực (thấp hơn khoảng 0,6). Từ biến có thể đ−ợc chia lm 2 phần: Từ biến tự nhiên xuất hiện khi bê tông không trao đổi ẩm với môi tr−ờng bên ngoi. Hiện t−ợng ny về mặt nguyên tắc độc lập với kích cỡ của kết cấu. Từ biến khô trong khi bê tông chịu tải, phụ thuộc vo kích cỡ của kết cấu. Biên độ từ biến tự nhiên cuối cùng phụ thuộc vo ứng lực tác dụng, vo mođun đn hồi đến 28 ngy của bê tông E i28 , v đối với các bê tông có kích thích của silic, nó còn phụ thuộc vo ứng suất của bê tông vo thời điểm chịu tải t chịu tải lúc còn non v có kích thích của silic thì tính động cng nhanh. Biến dạng từ biến tự nhiên xuất hiện trong khoảng thời gian (t 1, t), t 1 có thể đ−ợc tính toán bởi các biểu thức sau: Đối với bê tông không có kích thích của silic. σ (t − t1 ) ε tp (),tt 1 ,tc28 , E12b ,σ = 4,1   f (t )  − + ,0 10exp 1,3 c 1  E12  t t1     fc28  Đối với bê tông có kích thích của silic: σ (t − t ) 6,3 1 ε tp (),tt 1 ,t c28, E12b ,σ = . f ()t ,0 37   f ()t  0 1  c 1  Ei28  t − t1 + ,0 37exp 8,2    f c28  Từ biến do khô đ−ợc xác định bằng cách tham chiếu độ co do khô xảy ra quá trình chịu tải. Ta nhận thấy l các bê tông sức bền cao có kích thích của silic từ biến khô không đáng kể. Đ−ợc tính nh− sau: σ 3 ε fd = []ε nd (t) − ε nt (t1 ) ì10 Ei28 Cũng nh− độ co, tổng từ biến l phép cộng của hai biến dạng thnh phần, v có tính đến lực cản của các khung thép. Thnh phần muội silic: ε + ε ε = tp fd f ln 1+ nfs Trong đó n = 15 khi 40 ≤ f c28 < 60 MPa n = 9 khi 60 ≤ f c28 ≤ 80 MPa Tuy nhiên trong các kết cấu m mật độ cốt thép trong các vùng l rất khác nhau thì cần thiết phải tính độ ro của từng vùng v có tính đến vị trí của các khung thép. 40
42. Trị số E i28 – Mô đun biến dạng sau đ−ợc tính nh− sau: 11000 E = ì R 3/1 i28 1+ φ 28 Nếu R28 60 MPa thì có muội silic : φ =0,8 Biểu đồ ứng suất biến dạng hình chữ nhật với trị số c−ờng độ bê tông v biến dạng cuối cùng đ−ợc điều chỉnh có thể áp dụng cho việc tính toán c−ờng độ kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông c−ờng độ cao đến 80 MPa. Các trị số tính toán co ngót từ biến, mođun đn hồi có thể áp dụng trong tính toán về c−ờng độ, về nứt, biến dạng cho kết cấu bê tông cốt thép v bê tông cốt thép dự ứng lực sử dụng bê tông có c−ờng độ chịu nén cao. 11. Sự dính kết với thép thụ động: Về vấn đề ny ti liệu còn ch−a có nhiều lắm. Rosenberg v những ng−ời khác trình by các kết quả thí nghiệm nhô lên (ống tuýp có thnh phần nhẵn đặt vo trong một hình trụ bằng bê tông c−ờng độ cao) trên hai loại bê tông có v không muội silic. Sự dính kết trung bình tăng lên 40%, đối với một tăng thêm c−ờng độ nén khoảng 50% Burger đ so sánh sự dính kết của vật liệu với tỷ lệ n−ớc/xi măng không đổi. Khi đó cũng vậy có v không có muội silic. Sự dính kết biến đổi trong một tỷ số 3,2 v 1,5 lần l−ợt đối với các thí nghiệm trên hồ tinh (N/X=0,20) trên vữa (N/X=0,30) v trên bê tông (N/X=0,35). Wecharatana v những ng−ời khác cũng tiến hnh những thí nghiệm trên một loại bê tông BHP có c−ờng độ trung bình năm vo khoảng 75 v 80 MPa, nh−ng không có bê tông đối chứng, so sánh với các thí nghệm tìm thấy trong ti liệu, chúng ghi lại sự hoạt động của mối liên hệ rất kém tức l những sự tr−ợt yếu hơn tr−ớc khi giảm lực dính kế. Cuối cùng Lorran v những ng−ời khác l tác giả của các ti liệu hon chỉnh hơn lớp phủ bằng một mẫu đ−ợc đổ trong một hình trụ bằng kim loại lm nhiệm vụ của ván khuôn v thí nghiệm kéo, trong đó ng−ời ta rút trên cốt thép đ−ợc gắn trong một hình trụ bằng bê tông bởi hai đầu của chúng. Sự dính kết thể hiện mối t−ơng quan tốt với c−ờng độ kéo của bê tông. Các thông số lực cực đại, độ cứng, tính hồi phục hoạt động theo một h−ớng có lợi khi tuổi của bê tông, chiều di tiếp xúc của bê tông cốt thép hoặc các tỉ số chất dính kết/n−ớc tăng lên. Những lực cắt đạt đ−ợc trong dầm bằng bê tông c−ờng độ cao lớn hơn nhiều so với các lực cắt đạt đ−ợc trong dầm đối chứng. Thể hiện một hiệu ứng tỉ lệ khá lớn có lẽ có thể giải thích đ−ợc bằng co ngót nội tại, nó tạo nên một sự xiết chặt cng lớn khi tỉ lệ % của thép trong dầm cng nhỏ. Với sự dính kết của các cốt thép lớn l thấp hơn sự dính kết của các cốt thép nhỏ, tuy nhiên ng−ời ta có thể ghi nhận với sự gần đúng đầu tiên l tỉ số các lực cắt 41
43. trung bình (giá trị trung bình của các ứng suất đối với sự tr−ợt bằng 10 v 100 m, đối với các tập hợp các đ−ờng kính thử) l nh− tỉ số của c−ờng độ kéo, đó còn l kết quả cổ điển của các loại bê tông thông th−ờng, có thể nội suy đ−ợc cho bê tông c−ờng độ cao. Một hiệu quả tức thì của sự cải thiện lực dính kết l giảm t−ơng quan các chiều di neo. Ngoi ra một tác dụng thuận lợi phát sinh từ đó để định kích th−ớc các dầm bê tông cốt thép bị uốn, khi sự nứt nẻ đ−ợc đánh giá l có hại hoặc rất có hại. Thật vậy trong các tr−ờng hợp nh− vậy ng−ời thiết kế tiến tới giảm ứng suất lm việc của cốt thép để hạn chế độ mở của các vết nứt của bê tông th−ờng. Một tính toán so sánh khi đó chỉ ra l trong một tấm đan bị uốn theo một h−ớng đ−ợc định kích th−ớc để chịu đ−ợc tải trọng đ cho, đối với tấm đan bằng bê tông c−ờng độ cao, cho cốt thép lm việc ở cực đại vẫn đạt đ−ợc độ mở rộng lý thuyết của vết nứt nhỏ hơn vết nứt của kết cấu t−ơng tự bằng bê tông th−ờng. Việc sử dụng bê tông c−ờng độ cao đồng thời thể hiện bằng việc giảm chiều dy của tấm đan v giảm tiết diện thép để có đ−ợc tổng giá cả vật liệu tại chỗ rẻ hơn. 12. Các tính chất khác: C−ờng độ mi mòn l đối t−ợng của một vi ti liệu xuất bản liên quan đến cách cải thiện khả năng của mặt bê tông chống lại sự xâm thực cơ học cục bộ. Nh− vậy Holland đ nghiên cứu một vật liệu dùng cho bể trn của đập (đập Kinzua USA) trong tr−ờng hợp n−ớc lên nó bị chảy rất mạnh có chức phù sa v các mảnh khác. Bê tông có sợi đ tỏ ra không có phẩm chất tốt hơn bê tông th−ờng, cuối cùng đ chọn bê tông c−ờng độ cao, theo chủ nhiệm công trình thì bê tông ny đạt mọi yêu cầu. Gjover đ quan tâm đến loại vật liệu ny dùng cho lớp phủ mặt đ−ờng v đ thử một loại tổ hợp có đ−ờng độ khác nhau trên một vòng quay thử độ mỏi. Chuẩn mực về phẩm chất l bề dy của phần vật liệu đ−ợc nhổ từ vật liệu theo số chu kỳ, sự t−ơng quan, (ng−ợc lại) của yếu tố ny với c−ờng độ nén l khá tốt, với bê tông c−ờng độ cao có c−ờng độ 150 MPa, hoạt động của nó so sánh đ−ợc với khối đá Granit, do chất l−ợng liên kết tốt hơn giữa hồ v cốt liệu. Nh− đ nêu ở trên, các kết cấu bằng bê tông có c−ờng độ rất cao tiến gần đến các kết cấu bằng kim loại một cách logic bởi hình thể, tính nhẹ nhng v mềm dẻo của chúng. Khi đó có thể l các vấn đề về mỏi xuất hiện, một vi ti liệu nói về vấn đề ny, đ−ợc nghiên cứu đặc biệt để áp dụng trong xây dựng khai thác dầu khí ngoi khơi. Về mặt kéo cũng nh− nén phẩm chất của bê tông c−ờng độ cao hình nh− không khác bê tông cổ điển, đối với các tỉ lệ ứng suất lm việc/ứng suất phá hoại có thể t−ơng đ−ơng. 13. Mô hình hoá vật liệu để áp dụng cho thiết kế các kết cấu Trong phần ny mô tả tổng hợp các tính chất của bê tông c−ờng độ cao gắn với 42
44. tinh thần của những qui tắc của BAEL/BPEL, các qui tắc đó đ đ−ợc mở rộng cho bê tông c−ờng độ cao (f c 28 ≥ 60 MPa), lm cơ sở cho các tính toán kết cấu bê tông cốt thép v bê tông cốt thép DƯL sử dụng bê tông c−ờng độ cao. Mô hình vật liệu Về biến dạng cần xem xét đến việc tính toán các biến dạng tức thời v biến dạng về sau bởi sự co, từ biến của các bê tông có c−ờng độ chịu nén cao từ 60 đến 80 MPa. Khi tính toán giới hạn sử dụng, thông th−ờng chỉ cần chọn mô hình đn hồi v tuyến tính. Đối với bê tông c−ờng độ cao v bê tông chất l−ợng cao, mô đun v mô đun tiếp tiếp tuyến ban đầu đ−ợc coi l nh− nhau do đ−ờng biến dạng có độ dốc lớn. Khi tính toán giới hạn biến dạng cuối ( εb2), bê tông chịu biến dạng lớn thì ứng lực phải chịu sẽ đạt tối đa bằng ứng suất nén của bê tông v rồi giảm cho tới khi bị ngắt c−ờng độ nén (điều ny phụ thuộc vo građien của biến dạng v việc có hay không có cốt thép đai). Kể từ thời điểm lực tác dụng, tr−ờng của biến dạng không còn đồng nhất nữa. Bề mặt của bê tông bị bóc ở chỗ biến dạng lớn nhất v việc ngắt diễn ra bởi việc định vị các biến dạng trong các bề mặt trơn. Sau đó, khả năng chịu tải của kết cấu không còn phụ thuộc vo ứng suất ban đầu của bê tông nữa. Để đơn giản, ta coi rằng ứng xử của vật liệu có thể đ−ợc mô tả qua biểu thức ứng suất biến dạng, ngay cả sau khi cho lực tác dụng. Trong tr−ờng hợp thông th−ờng, nếu không cần tính toán cụ thể, chi tiết các biến dạng, ta có thể chấp nhận biểu đồ parabol tứ giác trong đó phần nằm ngang trải di trên các honh độ từ εb1 đến εb2 với (Hình 3.6.). 3 εb1 = 2.10 3 εb2 = ( 4,5 – 0,025 f cj ) 10 Khi cần tính toán chính xác các biến dạng, nhất l trong các tính toán độ bền vững về hình dạng, thì mô hình parabol tứ giác ch−a đủ. Lúc ny cần xét đến tính không đn hồi của BCĐC v sử dụng các mô hình phi tuyến. Trị số c−ờng độ tính toán của bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao đ−ợc ký hiệu l f’ ct v đ−ợc tính nh− sau: ' fc f’ ct = 0,8 θ.γ b Trong đó: c−ờng độ chịu nén f’ ct đ−ợc thí nghiệm ở ngy t (3,7, 14, 28 ngy hoặc lớn hơn) 43
45. σ 0,8 f ci θγb 0 εb1 εb2 ε 0,001 0,002 0,003 0,004 Hình 3.9. Biểu đồ quan hệ c−ờng độ – biến dạng theo đề nghị BAEL Theo đề nghị của Pháp γb = 1,5; θ = 0,8 hoặc 1 Hiện nay đ đ−ợc thống nhất hệ số 0,8 đ−ợc thay bằng hệ số 0,75, hệ số γb = 1,5; θ = 1. Nh− vậy: ' fc f’ = 0,75 ct 1,5 Trong tr−ờng hợp đơn giản hoá biểu đồ Paraboltứ giác có thể chuyển biểu đồ đ−ờng thẳng cho bê tông th−ờng (hình 3.10.) thnh biểu đồ đ−ờng thẳng cho bê tông c−ờng độ cao (hình 3.11.) nh− sau: 0,85f ' f' = c ct 1,5 0 0 2 3,5 ε ( /00 ) Hình 3.10. Biểu đồ ứng suất biến dạng cho bê tông th−ờng ’ C−ờng độ tính toán của bê tông c−ờng độ cao ký hiệu f c đ−ợc tính theo hệ số 0,75. f ' f' =0,75 c ct 1,5 0 0 εb1 =2 εb2 =3 ε( /00 ) Hình 3.11. Biểu đồ ứng suất biến dạng hình chữ nhật cho bê tông CĐC 44
46. Trị số ε b2 theo BAEL lấy theo bảng 3.5. Bảng 3.5. Rbt 40 50 60 708 80 −3 ε b2.10 3,5 3,25 3 2,75 2,5 Trị số λ theo BAEL lấy theo bảng 3.6. Bảng 3.6. Rbt 40 50 60 70 80 λ 0,8 0,78 0,77 0,75 0,78 Khi xem xét mô hình vật liệu có thể tham khảo hai mô hình sau: Mô hình của Larrard Mô hình của GS Phạm Duy Hữu Vật liệu Bê tông B90 Vật liệu Bê tông B70 Mô đun tính năng, MPa Mô đun tính năng, MPa f’ c 1 ngy 20 f’ c 3 ngy 57 ft 1 ngy 2 ft 3 ngy 4 E 1 ngy 35.000 E 3 ngy 38.000 f’ c 7 ngy 75 f’ c7 ngy 62 ft 7 ngy 5.5 ft 7 ngy 4.6 E 7 ngy 51.000 E 7 ngy 42.000 f’ c 28 ngy 90 f’ c 28 ngy 77 ft 28 ngy 6.0 ft 28 ngy 5.7 E 28 ngy 53.000 E 28 ngy 43.500 Biểu đồ ứng suất biến dạng qui −ớc Biểu đồ ứng suất biến dạng qui −ớc σ σ 0. 8f’c 0. 75 f’c 1.5 1.5 ε ε 0 0 2.5 3.5( /00 ) 2.5 3.0( /00 ) Co ngót: 23.10 4 Co ngót: 23.10 4 Hệ số từ biến: 0.8 Hệ số từ biến: 0.8 14. Tính công tác Sau khi nho trộn, bê tông cần có độ dẻo nhất định để đảm bảo việc vận 45
47. chuyển, đổ khuôn, đầm chặt dễ dng không bị phân tầng tạo ra đ−ợc bê tông có độ đặc cần thiết. Độ dẻo của hỗn hợp bê tông c−ờng độ cao đ−ợc xác định bằng độ sụt, đo bằng côn Abram. Bê tông c−ờng độ cao yêu cầu có độ đặc cao, do đó hỗn hợp bê tông cần có tính công tác thích hợp. Độ sụt 10 ữ12 cm có thể cung cấp đầy đủ tính công tác cho hỗn hợp bê tông mặc dù có nhiều loại bê tông c−ờng độ cao sử dụng độ sụt 20 ữ25 cm. Bê tông c−ờng độ cao có tỷ lệ N/X thấp (từ 0,35 0,25), do đó để đảm bảo tính công tác phải sử dụng phụ gia siêu dẻo. Ngoi yêu cầu về độ sụt cao (15 ữ 20 cm), hỗn hợp bê tông c−ờng độ cao cần giữ đ−ợc độ sụt trong khoảng thời gian tối thiểu 45 ữ 60 phút. Mặc dù l−ợng n−ớc dùng rất thấp so với liều l−ợng thông th−ờng (khoảng 100 – 170 lít/m 3), các bê tông c−ờng độ cao luôn cho độ sụt côn Abram vo khoảng 20cm khi ra khỏi máy trộn. Sự cách ly các hạt có đ−ợc bởi các chất siêu dẻo, từ đó có đ−ợc một loại bê tông chảy d−ới tác dụng của trọng lực, với một tốc độ phụ thuộc độ nhớt của hỗn hợp. Đối với tỷ lệ n−ớc/xi măng d−ới 0,3 độ sệt mặc dù rất cao bê tông vẫn nhớt v “dính”. Bê tông đ−ợc đổ tốt, nh−ng để đ−ợc nh− vậy cần chấn động nh− bê tông thông th−ờng có độ sệt đ−ợc gọi l “dẻo”. Khi tháo ván khuôn đôi khi có bọt xuất hiện l hậu quả của độ nhớt của vật liệu t−ơi. Tính dễ đổ có thể chỉ giữ đ−ợc trong thời gian ngắn, nếu thực tế cần xét tr−ớc vấn đề ny khi định ra công thức bê tông. Tuy nhiên việc đạt đ−ợc một thời gian thực tế sử dụng cao hơn một giờ hon ton có thể đạt đ−ợc, bằng cách dùng một chất lm chậm ninh kết. Trong bê tông M 70 khi dùng chất siêu dẻo có thể giữ đ−ợc độ dẻo sau 4060 phút khoảng 0,7 độ so với ban đầu (814cm). Yêu cầu phụ gia siêu dẻo phải hạn chế đ−ợc sự mất mát độ sụt, đồng thời tăng đ−ợc độ bền v khả năng chịu ăn mòn sunphát của bê tông. Hiện nay một loại phụ gia siêu dẻo mới gốc Cacboxyl Acrylic Ester (CAE) có khả năng đạt đ−ợc yêu cầu ny. Các yếu tố ảnh h−ởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông: − L−ợng n−ớc nho trộn: l nhân tố quan trọng tạo ra tính dẻo của hỗn hợp bêtông. Khi l−ợng n−ớc đủ lớn xuất hiện một l−ợng n−ớc tự do thì l−ợng n−ớc ny sẽ lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt vật liệu, v đẩy xa các hạt tạo điều kiện cho các hạt vật liệu dịch chuyển dễ dng. Khi l−ợng n−ớc tăng thì độ dẻo của hỗn hợp bê tông cũng tăng lên nhanh chóng. Tuy nhiên với bê tông c−ờng độ cao, tỷ lệ X/N lớn, nếu l−ợng n−ớc nho trộn lớn sẽ yêu cầu l−ợng xi măng lớn. Do đó l−ợng n−ớc nho trộn chỉ dùng để tạo ra tính dẻo cho hỗn hợp bê tông, còn để có tính dẻo cao 46
48. thì phải sử dụng phụ gia tăng dẻo. ACI kiến nghị độ sụt của hỗn hợp bê tông do n−ớc nho trộn < 5cm. − Xi măng: Nếu hỗn hợp bê tông có đủ xi măng để cùng với n−ớc lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu, bọc v bôi trơn bề mặt của chúng thì độ l−u động sẽ tăng lên. Nh−ng khi l−ợng xi măng quá lớn thì độ dẻo của hỗn hợp bê tông lại giảm xuống do nồng độ ximăng tăng lm thay đổi các đặc tr−ng l−u biến của hồ xi măng. Xi măng có l−ợng n−ớc tiêu chuẩn cao sẽ cho hỗn hợp bê tông có tính công tác thấp hơn, với cùng một thnh phần vật liệu. − Vữa xi măng: Nếu vữa xi măng (hồ xi măng + cốt liệu nhỏ) chỉ đủ để lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu lớn thì hỗn hợp bê tông rất cứng. Để tạo cho hỗn hợp có độ l−u động thì phải đẩy xa các hạt cốt liệu lớn v bọc xung quanh chúng một lớp vữa xi măng. − Cốt liệu: Độ lớn của cốt liệu: cốt liệu cng lớn thì tổng diện tích bề mặt giảm, l−ợng n−ớc hấp thụ nhỏ, l−ợng n−ớc tự do lớn thì độ dẻo tăng. − Phụ gia tăng dẻo: Đây l yếu tố quan trọng để có đ−ợc hỗn hợp bê tông có độ dẻo cao. Khi dùng với một l−ợng phụ gia hợp lý sẽ tăng đ−ợc đáng kể độ l−u động của hỗn hợp bê tông. Tuy nhiên khi sử dụng phụ gia tăng dẻo cần phải tuân thủ các chỉ dẫn của nh sản xuất. − Chấn động: d−ới tác động của ngoại lực (rung động), độ dẻo của hỗn hợp bêtông tăng. Tuy nhiên nếu thời gian rung động lớn sẽ lm khuấy động hỗn hợp bê tông gây phân tầng v mất tính đồng nhất. 15. Tính chất của bê tông trong giai đoạn mềm( ngủ): Giai đoạn ngủ l thời gian giữa khi đổ v khi kết thúc đông kết. Thời gian ny có thể biến đổi nhiều từ một bê tông c−ờng độ cao ny sang bê tông c−ờng độ cao khác. Phản ứng thuỷ hoá l một loại tự hoạt hoá, cần phải có một sự tăng nhiệt độ nhỏ để khơi mo. Ng−ợc lại khí hậu lạnh v hoặc một l−ợng nhỏ chất phụ gia không hợp lý có thể lm chậm sự ninh kết đến 48 giờ thậm chí đến 72 giờ v lâu hơn. Sự có mặt của các hạt cực mịn, nếu có số l−ợng đủ (trong thực tế khoảng 7 10% của trọng l−ợng xi măng), cho phép sự ổn định của bê tông ở trạng thái −ớt. Dung dịch bê tông đông lại v có dạng “gen” sau một thời gian sau khi trộn. Độ chảy sau khi trộn (khi không xét hiệu quả của chất tăng dẻo) có kết quả ng−ợc lại với hồ xi măng cổ điển; D−ới tác dụng của trọng lực lm chặt cấu trúc hạt bằng cách đẩy n−ớc thừa (hiện t−ợng tiết n−ớc) nh−ng trong bê tông c−ờng độ cao không thấy tiết n−ớc trên các bề mặt tự do của các bê tông c−ờng độ cao. 47
49. Các hiện t−ợng phân tầng hầu nh− ít xuất hiện với bê tông c−ờng độ cao v bê tông c−ờng độ rất cao do liên kết mạnh hơn giữa các hạt của chất dính kết. Tuy nhiên sự ổn định cũng có hai mặt kém thuận lợi. Sự không tiết n−ớc của bê tông lm cho bê tông khô sớm, điều quan trọng l phải bảo d−ỡng tốt bê tông nếu không sẽ có nguy cơ nứt nẻ do co mền (sự do diễn ra tr−ớc khhi bê tông ninh kết). 16. Sự toả nhiệt khi đông kết: Sự toả nhiệt khi đông kết phụ thuộc vo tổng l−ợng chất dính kết trong bê tông. Trong đó phần xi măng l quan trọng (trong tr−ờng hợp các bê tông cấu trúc cổ điển). Muội silic tác dụng trong phản ứng nh− l chất xúc tác, lm cho sự tăng nhiệt độ ban đầu khá “mạnh”. Kết quả l một sự tăng nhiệt độ nhiều ngy trong những cấu kiện mỏng (chúng ta có thể đo đ−ợc tới 8 0C độ tăng nhiệt trong các hình trụ đ−ờng kính φ16cm). Laplante v những ng−ời khác kể lại một sự tăng nhiệt độ 40 0C trong các cột có cạnh bằng 1m. Nh− vậy nhiệt độ trong các cấu kiện bê tông c−ờng độ cao có thể đạt đến 60 70 0C. Trong những cấu kiện lớn nh− vậy, nguy cơ nứt nẻ do nguồn nhiệt không tỏa đ−ợc tăng lên mạnh, có tính đến sự xuất hiệu nhanh c−ờng độ kéo. Những tr−ờng hợp có thể đ−ợc nghiên cứu bằng cách giả thuyết về tr−ờng nhiệt độ v biến dạng bị ngăn cản trong thời gian ninh kết. Câu hỏi: 1. C−ờng độ, mô đun gy, c−ờng độ kéo uốn v mô đun đn hồi của HSC? 2. Co ngót, từ biến của bê tông HPC? 3. Các đặc tr−ng cơ học v độ bền đ−ợc cải tiến của bê tông HSC v HPC? 48
50. Ch−ơng 4 thiết kế bê tông c−ờng độ cao v chất l−ợng cao 1. Mở đầu Mục đích chính của thiết kế l xác định thnh phần, tính chất bê tông chất l−ợng cao v cung cấp thông tin cho các kỹ s− thiết kế kết cấu để thiết kế v xây dựng các cầu v các kết cấu có liên quan sử dụng bê tông v bê tông chất l−ợng cao (HPC). Nghiên cứu ny sẽ đ−ợc cập nhập với những phát triển mới nhất trong ngnh bê tông cầu; các thông báo của Hiệp hội các Kỹ s− Giao thông v Đ−ờng cao tốc Bang của Hoa kỳ (AASHTO) v Viện Bê tông Hoa kỳ (ACI), Viện Bê tông Dự ứng lực v Đúc sẵn (PCI), Hội Cầu Đ−ờng Việt Nam, tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 2006. Hội nghị bê tông chất l−ợng cao châu á năm 2008 Ti liệu nghiên cứu ny cung cấp các h−ớng dẫn về thiết kế bê tông HPC dùng cho các kết cấu cầu, đ−ờng, nh cao tầng v các công trình khác. Bê tông đ−ợc nhắc đến trong báo cáo ny l bê tông có c−ờng độ nén tối thiểu từ 60100MPa. Phạm vi của nghiên cứu h−ớng dẫn ny đề cập đến các vấn đề cơ bản của việc phát triển v sản xuất HPC với những đặc tính mong muốn v có lợi cho kết cấu xây dựng mới trên cơ sở vật liệu cát, đá, xi măng, phụ gia ở Việt Nam. Hơn 10 năm qua, cộng đồng quốc tế đ có những tiến bộ v−ợt bậc trong việc triển khai công nghệ Bê tông chất l−ợng cao (HPC) với cố gắng để tăng tuổi thọ phục vụ của các cây cầu, đ−ờng, nh v công trình biển. Một vi Cơ quan Giao thông Hoa Kỳ đ tiến hnh các dự án sử dụng bê tông có tính năng cao trong các kết cấu cầu. ở Nga, Pháp v đặc biệt l Nhật Bản đ sử dụng bê tông tính năng cao trong các kết cấu cầu. Theo TCVN đ quy định các vấn đề về độ bền d−ới tác dụng của không khí v n−ớc biển với kết cấu cầu. Thực chất bê tông kết cấu cầu đ đ−ợc chính phủ Việt Nam coi l bê tông chất l−ợng cao. Điều ny có thể hiểu l bê tông kết cấu cầu phải đảm bảo cả các tính năng về c−ờng độ v độ bền d−ới tác động của môi tr−ờng v có tuổi thọ cao. Khi sử dụng bê tông th−ờng (c−ờng độ nén đến 50MPa) tuổi thọ khai thác của kết cấu bê tông cốt thép chỉ đạt đ−ợc đến 50 năm. Khái niệm HPC đ−ợc sử dụng để mô tả bê tông đ−ợc sản xuất với các thnh phần nguyên liệu có chất l−ợng cao, đ−ợc lựa chọn cẩn thận, tỉ lệ hỗn hợp đ−ợc thiết kế tối −u, sau đó đ−ợc trộn, đổ, đóng rắn v xử lý với những tiêu chuẩn kỹ thuật cao nhất. Điển hình, HPC sẽ có tỉ lệ n−ớc/vật liệu kết dính (w/cm) l 0,4 hoặc 49
51. ít hơn. Tỉ lệ ny phụ thuộc rất nhiều vo việc sử dụng có hiệu quả các hợp chất để đạt đ−ợc khả năng lm việc cao v các tính chất thông dụng khác của hỗn hợp HPC. Bê tông chất l−ợng cao đ đ−ợc nghiên cứu tại H Nội trên cơ sở các vật liệu từ Quảng Ninh đến Quảng Bình, ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (Nam Bộ) [1, 2] với vật liệu đại ph−ơng l cần thiết. Loại bê tông ny chủ yếu để xây dựng các cầu lớn v các ngôi nh cao tầng, công trình ngoi biển v các công trình đặc biệt khác. Nhóm tác giả hy vọng nó sẽ l một ti liệu tham khảo cho các kỹ s− v các nh nghiên cứu áp dụng trong các dự án xây dựng các công trình đòi hỏi c−ờng độ, độ bền cao đáp ứng tuổi thọ khai thác từ 75100 năm. 2. Các yêu cầu khi thiết kế bê tông chất l−ợng cao (HPC) 2.1. Các yêu cầu chung Để đáp ứng nhu cầu tăng tuổi thọ phục vụ với chi phí hợp lý các kết cấu xây dựng mới, cần sử dụng bê tông chất l−ợng cao gọi tắt l HPC. Định nghĩa về HPC dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn về tính năng tuổi thọ. HPC l bê tông chất l−ợng cao đáp ứng các tổ hợp tính năng về c−ờng độ v độ bền v những yêu cầu khác. Bê tông sử dụng các thnh phần nguyên liệu, áp dụng các công nghệ trộn, đổ, bảo d−ỡng đặc biệt. HPC còn có c−ờng độ sớm, f’ c3 ≥ 0,85f’ c28 . C−ờng độ chịu nén tối thiểu tuổi 28 ngy ≥ 60.0 100MPa (theo viện bê tông Hoa Kỳ). Độ bền cao hơn bê tông th−ờng tuỳ theo yêu cầu đ−ợc kiến nghị sử dụng. Các tính chất khác nhau của bê tông HPC ở trạng t−ơi, trạng thái mềm v trạng thái đ đóng rắn ảnh h−ởng lên tính năng kết cấu cầu, nh v công trình biển. 0 Nhiệt độ bê tông t−ơi tB<20 C nhiệt độ ny đảm bảo bê tông khối lớn không bị nứt do nhiệt độ trong giai đoạn đầu (110 ngy). Mức chênh nhiệt độ bên ngoi v trong lõi khối bê tông không v−ợt quá mức chênh nhiệt độ gây nứt. Nói chung bê tông chất l−ợng cao nên đ−ợc đổ có độ sụt thấp nhất m vẫn đảm bảo việc vận chuyển v đổ khuôn dẽ dng. Độ sụt từ 510cm l phổ biến. Tuy nhiên các kết cấu cầu v nh cao tầng do có mật độ cốt thép v khoảng cách giữa các cốt thép l rất nhỏ nên độ sụt của bê tông từ 1520cm. Thời gian giữ độ sụt khoảng 12 giờ. Vì hm l−ợng chất kết dính v cốt liệu thô lớn, tỷ lệ N/X thấp nên hỗn hợp sẽ rất khô. Bê tông chất l−ợng cao cần sử dụng các chất giảm n−ớc cao (HRWR) với hm l−ợng từ 0.72.0lit/100kgXM. Các chất HRWR còn có thể giúp bê tông chất l−ợng cao tăng c−ờng độ ở các tuổi (3,7,28 ngy). Việc sử dụng HRWR còn đặc biệt thích hợp với việc đổ bê tông trong điều kiện khí hậu nóng. 50
52. ở trạng thái t−ơi khả năng chảy (độ sụt) l một đặc tính quan trọng, nó thể hiện trạng thái dễ dng hoặc khó khăn của việc đổ bê tông phụ thuộc vo các thiết bị hiện có. Độ sụt đ−ợc xác định bằng dụng cụ đo độ sụt (côn Abrams) tại trạng thái tr−ớc khi đổ bê tông. Độ sụt yêu cầu 18 ±2 cm v phải giữ đ−ợc tối thiểu l 1 giờ. Yêu cầu thời gian giữ độ sụt lớn hơn thời gian thi công hon thiện kết cấu. Mức độ thích hợp của dòng chảy đối với một hạng mục nhất định sẽ ảnh h−ởng đến chất l−ợng của hạng mục sau khi đ hon thnh, đảm bảo khả năng bê tông sẽ lấp đầy đ−ợc các lỗ rỗng giữ các cốt liệu v cốt thép. Dòng chảy lan của bê tông đ−ợc xác định bằng thí nghiệm đo độ chảy lan của bê tông. Trị số ny không nhỏ hơn 550mm. Bê tông với khả năng chảy cao thì dễ dng cho công việc đổ v thuận lợi trong việc loại bỏ các lỗ khí không mong muốn trong bê tông. Bê tông cần cho phần kết cấu nên có độ sụt 1820cm v phần mặt cầu nên từ 6 10cm. Căn cứ vo tính công tác yêu cầu v đặc tính của cốt liệu v đặc tính của kết cấu bê tông ng−ời thiết kế quyết định l−ợng n−ớc cho bê tông. C−ờng độ v đặc tính cơ học bao gồm: c−ờng độ chịu nén, c−ờng độ chịu kéo khi uốn, c−ờng độ kéo bửa, mô đun đn hồi, hệ số Poisson. biến dạng đi hồi v biến dạng tối đa. C−ờng độ chịu nén HPC lm cầu th−ờng yêu cầu từ 60100MPa, mô đun đn hồi v−ợt qua trị số 3842GPa C−ờng độ chịu kéo khi uốn, c−ờng độ kéo bửa HPC đ v−ợt quá trị số 5 MPa v l cơ sở cho các kỹ s− kết cấu phát triển các kết cấu mới. Độ bền bao gồm: khả năng chống thấm khí, n−ớc, chống xâm nhập ion clorua, phản ứng kiềm silic, chịu sulphát, chống tia vật lý, phản ứng cacbon nát hóa. Với bêtông th−ờng độ thấm ion Clo đ−ợc đo bằng điện l−ợng (từ 2000 4000culông). Với bê tông HPC độ thấm ny th−ờng nhỏ hơn 1500culông. Nhóm nghiên cứu đ lm các thực nghiệm cho thấy rằng bê tông HPC 80 có độ thấm ion Clo rất thấp (<1000culông). Các chỉ tiêu về độ chống thấm v bền sulfat của HPC đều cao hơn so với bê tông th−ờng. Độ bền l yếu tố quan trọng nhất đối với các loại kết cấu để lộ ra ngoi môi tr−ờng để đảm bảo tuổi thọ khai thác của kết cấu cầu có thể đến 100 năm. Các đặc tính đ−ợc xác định bằng cách tiến hnh thí nghiệm tiêu chuẩn v xác định cấp độ tính năng đ−ợc đề xuất cho mỗi đặc tính. Bê tông dùng cho mỗi loại kết cấu có thể cần đến một hoặc nhiều các đặc tính ny. Với bê tông lm cầu tính năng về c−ờng độ chịu nén theo tuổi, c−ờng độ chịu kéo khi uốn, môđun đn hồi l 51