Nghiên cứu tính chất cơ lý bê tông sợi tự nhiên khu vực đồng bằng sông cửu long

Nghiên cứu tính chất cơ lý bê tông sợi tự nhiên khu vực đồng bằng sông cửu long Nghiên cứu tính chất cơ lý bê tông sợi tự nhiên khu vực đồng bằng sông cửu long Nghiên cứu tính chất cơ lý bê tông sợi tự nhiên khu vực đồng bằng sông cửu long Nghiên cứu tính chất cơ lý bê tông sợi tự nhiên khu vực đồng bằng sông cửu long

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề, giới thiệu đề tài

Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong ngành xây dựng hiện nay.

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, nông nghiệp và phát triển nông thôn Theo báo cáo tại Hội nghị quốc tế lần thứ 7 của Liên đoàn Bê tông châu Á (ACF 2018), hàng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất toàn cầu Tại Việt Nam, theo Hội Bê tông Việt Nam, năm 2019, lượng bê tông sử dụng đạt khoảng 140 triệu tấn, trong đó 50% được sản xuất tại các cơ sở sản xuất bê tông thương phẩm và 50% sản xuất thủ công, cho thấy vai trò quan trọng của bê tông trong ngành xây dựng.

Bê tông được ưa chuộng nhờ vào những ưu điểm như chi phí thấp, khả năng tạo hình linh hoạt, cường độ chịu nén cao, và khả năng chịu nhiệt, chịu nước tốt Tuy nhiên, bê tông cũng tồn tại một số nhược điểm như tính giòn, cường độ chịu kéo kém, và khả năng chống nứt hạn chế Để cải thiện độ bền kéo và khả năng chống nứt, người ta thường thêm các loại cốt như thép hoặc sợi vô cơ, hữu cơ vào bê tông Thép gia cường là vật liệu truyền thống với ưu điểm chịu kéo cao và khả năng bám dính tốt, nhưng lại có chi phí cao và nguồn tài nguyên ngày càng khan hiếm Theo Niên giám thống kê năm 2019, Việt Nam sản xuất 25,263 triệu tấn thép và tiêu thụ 23,126 triệu tấn thép.

Nhiều nghiên cứu và ứng dụng hiện nay đang tìm kiếm các loại vật liệu thay thế cho cốt thép, bao gồm các vật liệu tổng hợp và phi kim loại như sợi polyme, sợi thủy tinh và sợi cacbon.

Sợi hữu cơ và sợi tự nhiên là hai loại sợi có nguồn gốc từ thiên nhiên, chúng là vật liệu tái tạo, thân thiện với môi trường Những sợi này không chỉ giúp gia cường độ chịu kéo mà còn nâng cao khả năng chống nứt cho bê tông.

1.1.2 Tiềm năng về sợi tự nhiên khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long Đồng bằng Sông Cửu Long là vùng kinh tế trọng điểm của cả nước trong đó kinh tế nông nghiệp đóng vai trò quan trọng của sự phát triển của vùng [1] Hằng năm, các loại phụ phẩm trong sản xuất nông nghiệp khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long chưa được sử dụng một cách hiệu quả và bền vững như rơm rạ trong sản xuất lúa, xơ dừa trong việc sản xuất các sản phẩm ngành dừa hay các loại thực vật hoang dại có giá trị kinh tế không cao như lục bình (bèo tây) gây ảnh hưởng không tốt đến việc sản xuất nông nghiệp và môi trường

Cây dừa là loại cây trồng lâu năm phổ biến tại Đồng bằng Sông Cửu Long, với diện tích trồng dừa toàn quốc khoảng 200.000ha, trong đó tỉnh Bến Tre chiếm 25% Trà Vinh cũng là một địa phương có diện tích trồng dừa đáng kể, cung cấp nguồn nguyên liệu phong phú cho ngành tơ xơ dừa.

Xơ dừa, theo Wikipedia, là phần vỏ của trái dừa được xé ra và được sử dụng phổ biến trong ngành thủ công mỹ nghệ cũng như để phủ gốc cây trồng và giá thể cho rau Đặc biệt, xơ dừa còn được phát hiện có khả năng xử lý nước thải hiệu quả.

Sợi xơ dừa, hay còn gọi là tơ xơ dừa, được sản xuất từ xơ dừa thông qua máy đánh tơi để tách lấy phần sợi Phần bột xơ dừa, hay mụn dừa, chủ yếu được thu gom để làm phân bón cho cây trồng.

Hình 1.1: Hình ảnh cây dừa

3 a) Sợi xơ dừa b) Mụn dừa

Hình 1.2: Các sản phẩm liên quan đến xơ dừa

Rơm, hay còn gọi là rạ, là sản phẩm phụ từ quá trình thu hoạch lúa, với hơn 7,4 triệu ha diện tích trồng lúa trên toàn quốc tính đến năm 2019 Đồng bằng Sông Cửu Long đóng góp hơn 50% diện tích này, đạt sản lượng lúa trên 24 triệu tấn trong năm 2019 Theo nghiên cứu của Trần Sỹ Nam, tỷ lệ rơm rạ so với lúa khoảng 1:1, tức là hàng năm có khoảng 24 triệu tấn rơm được thu hoạch Tuy nhiên, hơn 50% lượng rơm này bị bỏ đi, phần còn lại được sử dụng làm phân bón, bán hoặc phục vụ chăn nuôi.

Lượng rơm rạ phát sinh hàng năm ở Đồng bằng sông Cửu Long rất lớn, nhưng hầu hết đều bị đốt bỏ, gây lãng phí nguồn sinh khối nông nghiệp quý giá Hành động này không chỉ làm mất đi tiềm năng sử dụng rơm rạ mà còn phát thải một lượng lớn khí CO2, CO, và NOx vào môi trường, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng không khí.

Nghiên cứu các biện pháp tận dụng nguồn rơm rạ sau thu hoạch là cần thiết để giảm thiểu tình trạng đốt rơm, nhằm tiết kiệm tài nguyên sinh khối và bảo vệ môi trường Việc sử dụng sợi rơm và cây lúa một cách hiệu quả không chỉ giúp hạn chế ô nhiễm mà còn góp phần vào phát triển bền vững trong nông nghiệp.

Hình 1.3: Hình ảnh về sợi rơm, rạ

Cây lục bình (bèo tây) có nguồn gốc từ Nam Mỹ và được đưa vào Việt Nam vào năm 1905 Loại cây này sinh sản nhanh chóng, đặc biệt ở các vùng sông nước, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của nó trên khắp cả nước, đặc biệt là tại Đồng bằng Sông Cửu Long.

Cây lục bình là thực vật thủy sinh, sống nổi ở nước hoặc nơi ẩm ướt, cao khoảng 30 cm Lá cây có màu xanh lục, hình tròn, bề mặt nhẵn với gân lá hình cung dài và hẹp Lá thường cuốn vào nhau như cánh hoa, trong khi cuống lá nở phình giống như bong bóng xốp ruột.

Lục bình trước đây sinh sản quá nhiều, gây cản trở lưu thông thủy và ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến sự phát triển của cá Hiện nay, lục bình chủ yếu được phơi khô để chế tác đồ thủ công mỹ nghệ Ngoài ra, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng lục bình có thể được sử dụng làm nguyên liệu bổ sung cho hầm ủ bioga.

Hình 1.4: Cây lục bình 1.1.3 Giới thiệu về đề tài

Nghiên cứu trong và ngoài nước

C.Bey và các cộng sự [6] đã nghiên cứu về sợi lanh như sau: Sợi lanh, có nguồn gốc từ tài nguyên tái tạo là một thay thế thú vị cho sợi khoáng sản Chi phí thấp cùng với mật độ thấp, độ cứng đặc biệt cao và khả năng tái chế tạo thành các ưu đãi lớn cho việc sử dụng chúng trong vật liệu tổng hợp

Sợi lanh tự nhiên có tính chất chịu kéo tăng khi độ ẩm cao và giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi mô đun đàn hồi sẽ giảm khi sợi hấp thụ nước Ảnh hưởng của độ ẩm đặc biệt rõ ràng trên độ giãn dài của sợi.

Sợi lanh được cấu trúc thành bó từ 10 đến 40 sợi, được giữ chặt bởi thớ Một đặc điểm nổi bật của sợi tự nhiên là sự không đồng nhất về kích thước hình học Sợi lanh có hình dạng đa giác với 5 mặt, được thể hiện qua hình ảnh kính hiển vi điện tử quét Khi quan sát theo chiều dọc, kích thước ngang của sợi không đồng đều, tạo nên sự đa dạng trong cấu trúc của chúng.

Sợi có chiều rộng trung bình 19μm và chiều dài 33mm, nhưng kích thước hình học có sự phân tán đáng kể Các kích thước ngang dao động từ 5 đến 76μm, trong khi kích thước dọc nằm trong khoảng 4 đến 77mm.

Hình 1.5: Các hình ảnh về sợi lanh

Trên cơ sở phân tích các thí nghiệm kéo sợi lanh, C.Bey và các cộng sự đã đưa ra kết luận:

Kiến thức về hành vi của sợi lanh là rất quan trọng khi sử dụng làm cốt thép cho vật liệu composite Hai hiện tượng chính ảnh hưởng đến ứng xử đàn hồi của sợi lanh bao gồm: (1) mô đun đàn hồi giảm khi đường kính sợi tăng; (2) mô đun đàn hồi tăng theo chiều dọc trong quá trình kiểm tra độ bền kéo.

Việc chọn lựa sợi lanh phù hợp theo vùng miền và mùa là rất quan trọng trong việc gia cường vật liệu nền, nhằm kiểm soát khuyết tật và đảm bảo sự đồng nhất của sợi lanh.

G Ramakrishna và các cộng sự [7] đã có nghiên cứu về so sánh cường độ chịu va đập của một số tấm vữa xi măng cốt sợi tự nhiên:

Các nghiên cứu thử nghiệm đã được thực hiện để đánh giá khả năng chống tải trọng va đập của tấm vữa xi măng (1:3, kích thước: 300mm x 300mm x 20mm) được gia cố bằng bốn loại sợi tự nhiên: xơ dừa, sợi gai, đay và cây dâm bụt Các thử nghiệm sử dụng phương pháp kiểm tra đạn bắn đơn giản với bốn hàm lượng sợi khác nhau (0,5%, 1,0%, 1,5% và 2,5% so với trọng lượng xi măng) và ba chiều dài sợi (20mm, 30mm và 40mm) Kết quả cho thấy việc bổ sung sợi tự nhiên có ảnh hưởng tích cực đến khả năng chống va đập của tấm vữa.

Bảy loại sợi tự nhiên đã tăng khả năng chống va đập lên từ 3 đến 18 lần so với tấm vữa tham chiếu Trong số bốn loại sợi, tấm vữa gia cường bằng xơ dừa cho thấy hiệu suất tốt nhất, dựa trên các chỉ số như sức kháng va đập (Ru), hệ số cường độ va đập còn lại (Irs), hệ số kháng vết nứt va đập (Cr) và tình trạng của sợi khi đến mức phá hoại tối đa.

Hình 1.6: Thí nghiệm va đập bằng bi rơi tự do

Emma Boghossian và cộng sự [8] đã có nghiên cứu sử dụng sợi lanh để giảm nứt co ngót dẻo trong bê tông:

Một cuộc điều tra thử nghiệm đã đo các đặc tính co rút dẻo của mẫu vữa nhỏ chứa sợi lanh ngắn (10 - 38 mm) với hàm lượng từ 0,05% đến 0,3% theo thể tích Kết quả cho thấy sợi lanh hiệu quả hơn trong việc kiểm soát vết nứt co ngót dẻo so với sợi polypropylen và sợi thủy tinh Ở hàm lượng 0,3% sợi lanh, tổng diện tích vết nứt giảm ít nhất 99,5% và chiều rộng vết nứt tối đa giảm 98,5%, xuống dưới 0,022mm Chiều dài sợi không ảnh hưởng đáng kể đến hành vi nứt và sự hiện diện của sợi lanh có tác động tích cực đến các chủng co rút nhựa tự do.

Holmer Savastano Jr và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về bê tông cốt sợi thực vật, sử dụng các loại sợi như xơ dừa, sợi gai dầu và sợi bạch đàn Kết quả nghiên cứu cho thấy các loại sợi này có thể cải thiện tính chất cơ học và độ bền của bê tông, mở ra hướng đi mới cho vật liệu xây dựng bền vững.

Cốt liệu môđun đàn hồi thấp như sợi nhựa và sợi cellulose có khả năng cải thiện năng lượng hấp thụ của vật liệu tổng hợp trong giai đoạn sau nứt, góp phần quan trọng vào hiệu suất và độ bền của sản phẩm.

- Bê tông cốt sợi gỗ (WFRC) phù hợp sử dụng cho các loại vách ngăn, tấm mỏng có cường độ chịu nén khoảng 20Mpa

1.2.2 Nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam có nhiều nghiên cứu về bê tông cốt sợi và đặc biệt là bê tông cốt sợi thép [10] Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu về bê tông sợi tự nhiên

Nguyễn Văn Chánh và cộng sự [11, 12] đã nghiên cứu và chế tạo bê tông cốt sợi trên nền vật liệu xây dựng địa phương đã đưa ra kết luận:

Tính chất hỗn hợp và cơ học của bê tông sợi (BTCS) phụ thuộc vào hàm lượng và loại sợi sử dụng Khi sử dụng sợi phân tán, tính công tác của BTCS thường giảm Ngược lại, sợi thép làm tăng đáng kể các tính chất cơ học như nén, kéo, uốn và độ dẻo dai so với bê tông thông thường Mặc dù sợi mềm như sợi tổng hợp và sợi bazan không làm thay đổi rõ rệt các tính chất cơ học khi sử dụng với hàm lượng 0,5 – 2%, nhưng chúng lại cải thiện đáng kể tính dẻo dai của bê tông.

Để đa dạng hóa chủng loại vật liệu xây dựng (VLXD), cần phát triển sản xuất và ứng dụng bê tông cốt sợi (BTCS) từ các vật liệu địa phương Việc nghiên cứu và áp dụng thí điểm BTCS trong chế tạo các cấu kiện lớn sẽ giúp đánh giá các tính chất của chúng trong điều kiện làm việc thực tế của công trình xây dựng.

Nguyễn Hùng Minh và cộng sự [13] đã nghiên cứu thành phần vật liệu xi măng – cát – cốt sợi Polyme cho sản xuất ngói lợp đã đưa ra kết luận:

Vữa xi măng cát gia cường bằng cốt sợi Polyme có thể được sử dụng để sản xuất ngói chất lượng cao bằng công nghệ cán ép liên tục, đáp ứng tiêu chuẩn JIS-A-5402: 2002, thay thế cho ngói đất sét nung.

Hoàng Xuân Niên [14] đã nghiên cứu xác định thông số công nghệ tạo composite từ sợi xơ dừa với chất nền là nhựa HDPE đã đưa ra kết luận:

Mục tiêu đề tài

- Tìm ra loại sợi tự nhiên khu vực ở Đồng bằng Sông Cửu Long có thể cải thiện tính chất cơ lý của bê tông;

- Ứng dựng sợi tự nhiên vào thực tế nhằm tận dụng các phế phẩm nông nghiệp và góp phần bảo vệ môi trường

Đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu các đặc tính cơ lý của bê tông sợi xơ dừa, rơm, lục bình ở Đồng bằng Sông Cửu Long

- Nghiên cứu sản lượng và các đặt tính của một số loại sợi tự nhiên phổ biến ở Đồng bằng Sông Cửu Long;

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích tác động của hình thái (độ dài), hàm lượng và trạng thái của các loại sợi đến các tính chất cơ lý của bê tông M100 và M300 Cụ thể, chúng tôi đánh giá cường độ nén, cường độ chịu kéo do uốn, độ linh động và khả năng hạn chế vết nứt của bê tông khi bổ sung các loại sợi khác nhau Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách tối ưu hóa tính chất của bê tông thông qua việc điều chỉnh các yếu tố liên quan đến sợi.

- Tổng quan, thống kê các nghiên cứu hiện có

Trong thí nghiệm thực tế, các mẫu với tỷ lệ và thành phần sợi tự nhiên khác nhau đã được kiểm tra qua các phương pháp như nén, uốn 4 điểm, đo độ sụt và bề rộng vết nứt Những kết quả này giúp đánh giá hiệu suất và tính chất cơ học của vật liệu, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa ứng dụng trong xây dựng và vật liệu composite.

- Tổng hợp số liệu thí nghiệm thực tế;

- So sánh với các nghiên cứu đã công bố

1.4.4 Nội dung của luận văn

- Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Chương 3 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM

- Chương 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

- Chương 5 KẾT LUẬN VÀ MỞ RỘNG

- TÀI LIỆU THAM KHẢO, TIÊU CHUẨN THAM KHẢO

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sự làm việc của sợi trong bê tông nền

2.1.1 Sự tương tác giữa sợi - vật liệu nền

Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền là yếu tố then chốt quyết định chất lượng bê tông cốt sợi Việc hiểu rõ sự tương tác này giúp đánh giá chất lượng vật liệu nền, vai trò của sợi và dự đoán khả năng cơ học của bê tông cốt sợi Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác này, bao gồm điều kiện và trạng thái của vật liệu nền (khi chưa nứt hoặc đã nứt), thành phần vật liệu nền, hình dạng và đặc điểm bề mặt của sợi, tính chất của sợi, cũng như tính đẳng hướng hay bố trí ngẫu nhiên của sợi và tính bền của sợi trong môi trường bê tông.

Sợi có hiệu quả trong việc nâng cao tính chất cơ học của vật liệu nền xi măng thông qua hai quá trình chính: truyền tải trọng từ vật liệu nền sang sợi và sự ảnh hưởng bắc cầu của sợi qua các vết nứt xuất hiện khi tải trọng tăng Khi bê tông chịu kéo dưới các tải trọng khác nhau, bao gồm cả quá trình mỏi, các vết nứt vi mô sẽ lan rộng trên bề mặt cốt liệu và một phần trong khối bê tông xung quanh.

Khối bê tông, với thành phần chính là hồ xi măng và các cốt liệu nhỏ, chứa các sợi được trộn lẫn và sắp xếp ngẫu nhiên, mặc dù vị trí của cốt liệu thô có thể ảnh hưởng đến chúng Sự hiện diện của các sợi tăng cường giúp cải thiện khả năng chịu kéo của hỗn hợp, mặc dù chúng có thể gây ra nứt ban đầu Mức độ chịu kéo của bê tông phụ thuộc vào số lượng và hiệu quả của các sợi tại khu vực có khả năng xuất hiện vết nứt.

Mô phỏng sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền dựa trên hình dạng của lực kéo tuột đơn giản (Hình 2.1)

Hình 2.1: Mô hình sự kéo tuột sợi tại bê mặt liên kết sợi vật liệu nền của BTCS

Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền diễn ra chủ yếu trong vùng nhỏ xung quanh chúng Do vật liệu nền có tính giòn, việc nghiên cứu ảnh hưởng của sự truyền ứng suất sẽ được thực hiện cho cả hai trường hợp: trước và sau khi nứt Điều này cho thấy các quá trình liên quan hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào tình trạng của vật liệu.

Trước khi xuất hiện vết nứt, sự truyền ứng suất đàn hồi đóng vai trò quan trọng, với sự chuyển vị dọc giữa sợi và vật liệu nền tại mặt phân cách được thể hiện rõ rệt Cơ chế truyền ứng suất trượt đàn hồi là yếu tố chính để dự đoán giá trị ứng suất tại vết nút đầu tiên, trong khi sự phân bố ứng suất trượt đàn hồi dọc theo mặt phân cách giữa sợi và vật liệu nền lại không đồng nhất.

2.1.2 Tương tác giữa sợi - vật liệu nền chưa nứt

Dạng tương tác giữa bê tông cốt sợi và vật liệu nền xảy ra trong giai đoạn tác dụng tải trọng ban đầu Trong trường hợp tấm mỏng, bê tông cốt sợi có thể không nứt khi đưa vào sử dụng, nhưng thường thì vật liệu nền sẽ nứt trong quá trình sử dụng Sự tương tác này giữa sợi và vật liệu nền chưa nứt có giới hạn ứng dụng thực tế Một hệ sợi - vật liệu nền đơn giản có thể được mô tả bằng một sợi đơn.

Trong giai đoạn không có tải trọng, ứng suất trong sợi và vật liệu nền được coi là bằng không Khi áp dụng tải trọng kéo hoặc nén lên bê tông cốt sợi, ứng suất sẽ tăng lên và có thể dẫn đến hiện tượng mất liên kết.

Trong vật liệu nền xi măng, quá trình hydrat hóa của xi măng tạo ra ứng suất trong sợi và vật liệu nền Khi chịu tải trọng, một phần trọng lực được truyền qua sợi Do sự khác biệt về độ cứng giữa sợi và vật liệu nền, ứng suất trượt sẽ xảy ra.

Khi sợi có độ cứng lớn hơn vật liệu nền, sự mất liên kết trên bề mặt sợi và xung quanh sợi sẽ rất nhỏ, như minh họa trong Hình 2.2a, 2.2b, và 2.2c Tình huống này thường chỉ xảy ra với thép và sợi khoáng vật Ngược lại, nếu mô đun của sợi nhỏ hơn mô đun của vật liệu nền, sự mất liên kết xung quanh sợi sẽ gia tăng, điều này thường gặp ở sợi polyme và sợi thiên nhiên.

Sự truyền ứng suất đàn hồi trong bê tông cốt sợi chưa nứt và vật liệu nền diễn ra trong giai đoạn đàn hồi, với hiệu ứng ứng suất - biến dạng có thể dẫn đến khả năng phi đàn hồi và phi tuyến tính trước khi vật liệu bị phá hỏng Các phương trình toán học đã được phát triển cho ứng suất trượt tại mặt phân cách τ và ứng suất dọc σf theo chiều dài sợi Để đơn giản hóa vấn đề, một số giả thuyết được đưa ra, bao gồm: (1) cả vật liệu nền và sợi đều ở giai đoạn đàn hồi; (2) mặt phân cách giữa chúng là mỏng; (3) bề mặt phân cách được xem như liên kết hoàn hảo; (4) sợi được sắp xếp theo quy luật; và (5) biến dạng kéo của vật liệu nền εm tại vùng bám dính chứa sợi tương đương với biến dạng kéo của bê tông cốt sợi.

Hình 2.2: Mặt phân cách của vật liệu nền - sợi khi vật liệu nền chưa nứt: a) Chưa chất tải; b) Vật liệu nền chịu kéo; c) Vật liệu nền chịu nén

Hình 2.3 mô tả sự biến dạng và ứng suất xung quanh sợi trong vật liệu nền, bao gồm hai phần: a) hình dạng biến dạng của vật liệu nền trước và sau khi chịu tải; b) phân bố ứng suất trượt đàn hồi tại mặt phân cách cùng với phân bố ứng suất kéo.

Sự phân bố ứng suất trượt τ tại khoảng cách x tính từ đầu sợi được diễn tả:

Em, Ef: Mô đun đàn hồi của vật liệu nền, sợi

Gm: Mô đun đàn hồi trượt của vật liệu nền tại mặt phân cách l: Chiều dài sợi

R: Bán kính của vật liệu nền xung quanh sợi r: Bán kính của sợi εm: Biến dạng kéo của vật liệu nền

Tỉ số giữa R/r tùy thuộc vào tỉ lệ thể tích sợi và sự sắp xếp sợi (hình 3.4) Phân bố sợi 1 và 2 phương: ln(R/r) = 1/2*ln (π/Vf) (4)

Phân bố sợi 3 phương: ln(R/r) = 1/2*ln(2π/(3Vf) 1/3 ) (5) Ứng suất dọc trục trong sợi σf(x) được tính theo công thức:

Phân bố ứng suất dọc trục σf(x) và ứng suất trượt τ(x) đều là phi tuyến dọc theo chiều dài sợi

Việc thiết lập các phương trình (4), (5), (6) dựa trên những giả thuyết đã nêu, cho phép tính toán ứng suất trong sợi và xác định sự đóng góp của sợi trong bê tông cốt sợi.

Trong trường hợp có nhiều sợi, người ta sắp xếp chúng theo một dạng được dự đoán trước mà giữa chúng không có sự tương tác (Hình 2.4)

Khi đạt đến giai đoạn đủ tải trọng, sự mất liên kết dọc theo mặt phân cách xảy ra, dẫn đến quá trình truyền ứng suất trở thành quá trình trượt ma sát (τfu) Trong tình huống này, sẽ xuất hiện chuyển vị tương đối giữa sợi và vật liệu nền, cùng với ứng suất trượt ma sát.

Các thông số như ứng suất và biến dạng của bê tông cốt sợi liên quan mật thiết đến quá trình truyền tải ứng suất Có ba loại phân bố sợi: a) Sợi dài phân bố liên tục theo một phương, b) Sợi phân bố theo hai phương, và c) Sợi phân bố theo ba phương.

Ứng suất trượt bám dính (τau) trong bê tông có thể dẫn đến mất tính bám dính giữa sợi và vật liệu nền khi vượt quá giới hạn cho phép Khi điều này xảy ra, ứng suất trượt ma sát cực đại (τfu) xuất hiện trong vùng bị mất liên kết, và giá trị của τfu không bằng với τau Đặc biệt, τfu rất nhạy cảm với ứng suất và biến dạng.

Một số tính chất của bê tông cốt sợi

Các loại sợi rất đa dạng, được sản xuất với nhiều đặc tính khác nhau như cường độ kéo, hình dạng và bề mặt, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.

Vết nứt trong bê tông sẽ ngày càng rộng khi phát triển qua khối Sự gia tăng ứng suất trong các sợi, có vai trò chống lại sự mở rộng của vết nứt, phụ thuộc vào hai yếu tố chính: liên kết bề mặt giữa hồ xi măng và cốt sợi, cùng với sự neo cơ học do hình dạng của sợi tạo ra Những yếu tố này giúp tăng cường liên kết giữa xi măng và sợi thép, đặc biệt khi ứng suất trong bê tông vượt quá sức liên kết bề mặt.

Khi sử dụng các sợi thẳng, chiều dài của sợi cần đủ để tạo ra diện tích tiếp xúc cần thiết, tuy nhiên, nếu chiều dài quá lớn, ứng suất kéo trong sợi có thể gia tăng đáng kể Điều này có thể dẫn đến tình trạng sợi bị rối và gây khó khăn trong việc bố trí chúng trong bê tông, cũng như gặp trở ngại khi thực hiện quá trình đổ và đầm bê tông.

2.2.2 Hàm lượng sợi trong hỗn hợp bê tông

Hàm lượng sợi khoảng 25 kg/m3 là hợp lý cho bê tông nặng, tương đương với 6% khối lượng xi măng của vữa xi măng cát M100 Hiệu quả của sợi tăng theo hàm lượng, nhưng cần lưu ý rằng có một giới hạn tối đa cho hàm lượng sợi Nếu vượt quá giới hạn này, tính công tác của bê tông sẽ bị ảnh hưởng, dẫn đến những khó khăn trong thi công và có thể làm thay đổi các tính chất khác của bê tông đông cứng.

2.2.3 Sự định hướng sợi trong hỗn hợp bê tông

Các sợi có vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa sự hình thành và phát triển vết nứt, nguyên nhân chủ yếu do tác động của tải trọng và đặc trưng hình học của các thành phần kết cấu Tương tự như cốt thép, sợi sẽ phát huy tối đa khả năng chịu lực khi nằm dọc theo phương ứng suất kéo tại vị trí vết nứt Ngược lại, nếu sợi chéo qua vết nứt ở một góc xiên, hiệu quả sẽ giảm đi Sự mất mát này cần được xem xét trong quá trình tính toán thông qua các điều kiện sử dụng và hộ số định hướng.

Kích thước hạt cốt liệu có ảnh hưởng lớn đến sự phân phối và định hướng của sợi trong vữa và bê tông Sợi trong vữa chỉ có thể được phân tán bởi vật liệu mịn, cho phép chúng di chuyển tự do Trong khi đó, các hạt cốt liệu lớn hơn khoảng cách trung bình giữa các sợi sẽ gây ra hiện tượng vón cục, dẫn đến sự phân bố không đều của sợi Hiệu ứng này tỷ lệ thuận với kích thước hạt cốt liệu, ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất của cả bê tông tươi và bê tông rắn.

Hình 2.9: Ảnh hưởng của cỡ hạt đối với sự định hướng sợi và tính công tác của sợi

Khoảng 55% thành phần bê tông tiêu chuẩn là những hạt có kích thước nhỏ hơn 5 mm, cho phép chúng di chuyển tự do trong quá trình đầm chặt Các thí nghiệm cho thấy, để sử dụng sợi một cách hợp lý, thể tích vữa trong bê tông cần đạt khoảng 70%, trong khi 30% còn lại bao gồm các cỡ hạt khác.

5 - 1 0 mm Nên tránh việc sử dụng quá nhiều cỡ hạt trong loại bê tông này.

Các thí nghiệm thực hiện

2.3.1 Thí nghiệm nén xác định cường độ nén

Thí nghiệm xác định cường độ nén của mẫu bê tông nặng được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993, bao gồm các bước chính để đảm bảo độ chính xác và tính nhất quán trong kết quả.

Bước đầu tiên trong quá trình xác định diện tích chịu lực của mẫu là đo chính xác các cặp cạnh song song trên hai mặt chịu nén của mẫu lập phương, hoặc các cặp đường kính vuông góc trên mẫu trụ Sau khi đo, cần tính toán diện tích của hai mặt chịu nén trên và dưới dựa trên giá trị trung bình của các cặp cạnh hoặc đường kính đã đo Cuối cùng, diện tích chịu lực nén của mẫu sẽ được tính bằng trung bình số học diện tích của hai mặt này.

Diện tích chịu lực của nửa viên dầm đã uốn gãy được xác định bằng trung bình số học của diện tích các phần giao nhau giữa mặt chịu nén phía trên và phía dưới, cùng với các đệm thép truyền lực tương ứng.

Bước 2: Xác định tải trọng phá hoại mẫu

Chọn thang lực nén phù hợp để đảm bảo tải trọng phá hoại nằm trong khoảng 20 - 80% của tải trọng cực đại Không được nén mẫu ngoài thang lực đã chọn Đặt mẫu vào máy nén sao cho mặt chịu nén nằm đúng tâm thớt dưới của máy.

Vận hành máy để đảm bảo mặt trên của mẫu tiếp xúc nhẹ nhàng với thớt máy Sau đó, tăng tải liên tục với vận tốc không đổi từ 6 đến 4 daN/cm² trong một giây cho đến khi mẫu bị phá hoại Đối với các mẫu bê tông có cường độ thấp, nên sử dụng tốc độ gia tải nhỏ, trong khi các mẫu bê tông cường độ cao cần tốc độ gia tải lớn hơn.

Lực tối đa đạt được là giá trị tải trọng phá hoại mẫu (Hình 2.10.c) a) b) c)

Hình 2.10: Thí nghiệm nén Bước 3: Tính toán kết quả

Cường độ nén từng viên mẫu bê tông (Rn) được tính bằng N/mm2 (MPa) theo công thức: R=αP/F

P - Tải trọng phá hoại, tính bằng N;

Diện tích chịu lực nén của viên mẫu được tính bằng mm2, trong đó α là hệ số dùng để điều chỉnh kết quả thử nén của các viên mẫu bê tông có kích thước khác với viên mẫu chuẩn 150 x 150 x 150mm (theo Bảng 2.1).

Bảng 2.1: Bảng tra hệ số tính đổi kích thước mẫu nén khác chuẩn

Hình dáng và kích thước của mẫu (mm) Hệ số tính đổi (α)

200 x 400 1,24 Đối với mẫu thí nghiệm là mẫu trụ có kích thước 90 x 180mm, do đó lấy α 1,16 để tính kết quả cường độ nén

2.3.2 Thí nghiệm uốn 4 điểm xác định cường độ kéo do uốn

Thí nghiệm xác định cường độ kéo do uốn của mẫu được tiến hành theo TCVN 3118:1993, quy định về bê tông nặng và phương pháp xác định cường độ nén Các bước chính trong quy trình thí nghiệm này bao gồm việc chuẩn bị mẫu, thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả.

Để xác định tiết diện chịu uốn, cần đo các kích thước của mẫu với độ chính xác 1mm Kích thước mỗi chiều được tính bằng trung bình số học của hai đường trung bình trên hai mặt đối diện tương ứng.

Bước 2: Xác định tải trọng phá hoại mẫu

Chọn thang lực uốn thích hợp để khi thử, tải trọng phá hoại nằm trong khoảng

Đối với mẫu thử uốn, cần đặt mẫu lên máy uốn theo sơ đồ (Hình 2.11) sao cho hướng tác dụng của lực song song với mặt hở của viên dầm bê tông khi đổ, đảm bảo tải trọng cực đại từ 20% đến 80%.

Khoảng cách giữa hai gối tựa và hai gối truyền tải không được vượt quá 0,5mm Trục dọc của dầm thép ngang và dầm thép phụ cần phải nằm trên cùng một mặt phẳng.

Giữa các gối truyền lực và mặt trên của mẫu, có thể đặt các tấm đệm bằng gỗ dán 3 lớp với kích thước dày 4 ± 1mm, rộng 15 ± 2mm, và chiều dài bằng chiều rộng của mẫu thử, nhằm đảm bảo lực tác dụng được truyền đều lên mẫu.

Uốn mẫu bằng cách tăng tải liên tục lên mẫu với tốc độ không đổi và bằng 0,6 ± 0,4daN/cm2 trong một giây cho tới khi gãy mẫu

Lực tối đa đạt được khi thử uốn là tải trọng uốn gãy mẫu

Hình 2.11: Thí nghiệm uốn Bước 3: Tính toán kết quả

Cường dộ kéo do uốn của từng mẫu dầm bê tông được tính bằng N/mm2 theo công thức: Rku = γ Pl/(ab 2 )

Tải trọng uốn gãy mẫu được tính bằng Newton (N), trong khi khoảng cách giữa hai gối tựa được đo bằng milimet (mm) Chiều rộng và chiều cao của tiết diện ngang mẫu cũng được xác định bằng mm Hệ số tính đổi cường độ kéo do uốn từ các mẫu có kích thước khác sang mẫu dầm tiêu chuẩn 150 x 150 x 600mm được trình bày trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2: Bảng tra hệ số tính đổi kích thước mẫu dầm khác chuẩn

Kích thước của mẫu dầm (mm) Hệ số tính đổi (γ)

2.3.3 Thí nghiệm xác định độ linh động

Nghiên cứu này sử dụng hỗn hợp vữa xi măng cát (bê tông cốt liệu mịn) và thí nghiệm xác định độ linh động của vữa bằng phương pháp dằn bàn theo TCVN 3121-3:2003 là phù hợp nhất Tuy nhiên, do điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm, chúng tôi sử dụng côn đo độ sụt theo TCVN 3106:1993 để kiểm tra độ linh động của hỗn hợp vữa Các bước thực hiện thí nghiệm được trình bày cụ thể trong bài viết.

Bước 1: Chuẩn bị dụng cụ, lấy mẫu

Cốt liệu của hỗn hợp vữa xi măng cát là cốt liệu mịn, do đó cần sử dụng côn N1 với kích thước đường kính lớn D = 200mm, đường kính nhỏ d = 0mm và chiều cao H = 300mm.

Trong mỗi mẻ (lần) trộn cho một cấp phối, tiến hành đo độ sụt trước khi đúc mẫu

Bước 2: Tiến hành thử nghiệm

Để tẩy sạch bê tông cũ, hãy dùng giẻ ướt lau mặt trong của côn và các dụng cụ tiếp xúc với hỗn hợp bê tông Đặt côn trên nền ấm, cứng, phẳng và không thấm nước Dùng gối để giữ chân cố định côn trong suốt quá trình đổ và đầm hỗn hợp bê tông Đổ hỗn hợp bê tông qua phễu vào côn thành 3 lớp, mỗi lớp chiếm khoảng một phần ba chiều cao của côn Sau khi đổ từng lớp, dùng thanh thép tròn chọc đều từ xung quanh vào giữa, mỗi lớp chọc 25 lần Lớp đầu chọc sâu suốt chiều sâu, các lớp sau chọc xuyên vào lớp trước 2-3cm Ở lớp thứ ba, vừa chọc vừa thêm hỗn hợp để giữ mức luôn đầy hơn miệng côn.

QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM

Vật liệu thí nghiệm

Sợi rối xơ dừa được sản xuất bằng máy đập tước liên hoàn tại cơ sở Trần Vinh, QL.57 ấp Tân Lộc, xã Tân Hội, huyện Mỏ Cày Nam, tỉnh Bến Tre Sau đó, sản phẩm được chuyển về Đồng Tháp để phơi khô, xử lý NaOH và cuối cùng là cắt ngắn tại phòng thí nghiệm kết cấu công trình HCMUTE.

Hình 3.1: Sản xuất xơ dừa 3.1.2 Xử lý sợi xơ dừa bằng NAOH

NaOH 99% (xút vẫy) được sản xuất tại Trung Quốc và được mua tại chợ Kim Biên, TP Hồ Chí Minh, sau đó được chuyển về Đồng Tháp để xử lý xơ dừa Hình dạng và bao bì của xút vẫy thể hiện rõ ràng trong hình ảnh minh họa.

Theo nghiên cứu của Nguyễn Quốc Việt [15], việc xử lý xơ dừa bằng NaOH 5% có khả năng tăng độ bền kéo đứt của sợi lên hơn 40% Tác giả đề xuất so sánh sợi xơ dừa chưa qua xử lý và đã xử lý bằng NaOH 5% khi đưa vào hỗn hợp bê tông Quy trình xử lý xơ dừa được trình bày chi tiết trong nghiên cứu của Nguyễn Quốc Việt [15].

Bước 1: Sợi xơ dừa được loại bỏ phần mùn còn bám lại trên sợi, sau đó ngâm với nước trong 24h

Bước 2: Sợi sau khi ngâm trong nước được đem phơi khô tự nhiên trong 5 ngày

Bước 3: Ngâm sợi xơ dừa trong NaOH 5%, trong 6 giờ

Bước 4: Rửa sạch sợi cho đến khi trung tính

Bước 5: Phơi khô khi độ khô đạt 90% a) Ngâm xơ dừa trong dung dịch NaOH5% b) Rửa xơ dừa đến khi trung tính

Hình 3.3: Xử lý xơ dừa bằng NaOH 3.1.3 Sợi rơm

Rơm được thu gom từ các hộ nông dân tại ấp 1, xã Phương Thịnh, huyện Cao Lãnh, tỉnh Đồng Tháp và được chuyển về phòng thí nghiệm kết cấu công trình HCMUTE để thực hiện cắt ngắn.

28 a) Máy cuộn rơm b) Rơm cuộn

Lục bình phơi khô được thu gom từ các hộ nông dân tại ấp 1, xã Phương Thịnh, huyện Cao Lãnh, tỉnh Đồng Tháp Sau khi thu hoạch, lục bình được chuyển về phòng thí nghiệm kết cấu công trình HCMUTE, nơi chúng được xé nhỏ và cắt thành từng đoạn.

Hình 3.5: Thu hoạch và phơi lục bình

29 a) Lục bình sau khi phơi khô a) Lục bình sau khi xé nhỏ và cắt ngắn

Hình 3.6: Lục bình phơi khô, xé nhỏ và cắt ngắn

Cát khai thác sông Đồng Nai, mua ở cửa hàng vật liệu xây dựng tại quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh (Hình 3.7)

Xi măng nhãn hiệu Cẩm Phả PCB40, mua ở cửa hàng vật liệu xây dựng tại quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh (Hình 3.8)

Hình 3.7: Cát sông Hình 3.8: Xi măng PCB40

Nước sử dụng nước sinh hoạt tại phòng thí nghiệm kết cấu công trình HCMUTE (Hình 3.9).

Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm

Mẫu nén hình lăng trụ được thực hiện bằng ống nhựa PVC D90mm và chiều cao 180mm, được cắt dọc để thuận tiện trong việc tháo khuôn Mẫu này tuân thủ Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3118:1993 về bê tông nặng và phương pháp xác định cường độ nén, như minh họa trong Hình 3.10.

Mẫu uốn sử dụng ván khuôn gia công bằng ván ép kích thước 100x100x400mm tuân thủ Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3119:1993 về bê tông nặng và phương pháp xác định cường độ kéo do uốn.

Hình 3.10: Khuôn mẫu nén Hình 3.11: Khuôn mẫu uốn

Máy trộn được mượn từ Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM có thể tích tối đa 15 lít cho mỗi mẻ trộn Nguyên lý hoạt động của máy dựa trên thiết kế của máy trộn thức ăn gia súc.

3.2.3 Dụng cụ đo độ sụt

Thí nghiệm độ sụt sử dụng côn đo có kích thước lớn 200mm, nhỏ 100mm và chiều cao 300mm, tuân thủ theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN3106:1993 về hỗn hợp bê tông nặng Phương pháp này giúp xác định độ sụt của bê tông một cách chính xác.

Hình 3.13: Côn đo độ sụt

3.2.4 Máy nén, uốn bê tông

Sử dụng máy nén bê tông của Phòng thí nghiệm kết cấu công trình, nhãn hiệu MaTest để nén trực tiếp thí nghiệm nén (Hình 3.14) a) b)

Hình 3.14: Máy nén bê tông Đối với thí nghiệm uốn sử dụng máy nén MaTest có chế tạo thêm giá đỡ và gối uốn (Hình 3.15)

Hình 3.15: Gối uốn bê tông

Cấp phối thí nghiệm

Theo nghiên cứu của Theo Holmer Savastano Jr và cộng sự, bê tông cốt sợi thực vật có khả năng chịu nén khoảng 20Mpa, phù hợp cho các cấu kiện xây dựng Từ đó, tác giả đã đề xuất hai mác thí nghiệm là M100 và M300.

Theo Nguyễn Viết Trung, chiều dài sợi cần phải lớn hơn đường kính cốt liệu lớn nhất để phát huy hiệu quả trong việc xuất hiện vết nứt Tuy nhiên, nếu chiều dài sợi quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng vón cục Do đó, tác giả đã tính toán cấp phối mà không sử dụng thành phần cốt liệu đá, thay vào đó là bê tông cốt liệu mịn (vữa xi măng cát).

Tác giả đã lựa chọn hàm lượng sợi dựa trên khối lượng chất kết dính (xi măng) trong nghiên cứu của mình Theo Nguyễn Viết Trung, hàm lượng sợi tối ưu cho bê tông là khoảng 25kg/m3 Vì vậy, tác giả đã quyết định sử dụng các hàm lượng sợi 2%, 4%, 6%, 8% và 10% cho hỗn hợp vữa xi măng cát mác 100, cùng với các hàm lượng sợi 1%, 2%, 3%, 4% và 5% cho hỗn hợp vữa xi măng cát mác 300.

3.3.1 Cấp phối vữa xi măng cát mác 100

Cấp phối vữa xi măng – cát M100 (Bảng 3.1) bao gồm bốn loại sợi khác nhau: sợi xơ dừa không qua xử lý có chiều dài từ 1 - 2 cm, sợi xơ dừa không qua xử lý dài từ 2 - 3 cm, sợi xơ dừa đã được xử lý bằng NaOH với nồng độ 5% dài từ 1 - 2 cm, và sợi xơ dừa đã xử lý bằng NaOH có chiều dài từ 2 - 3 cm.

2 - 3cm Tương ứng với từng loại sợi là hàm lượng sợi 2%, 4%, 6%, 8% và 10% (Bảng 3.2, 3.3, 3.4, 3.5)

Bảng 3.1: Thành phần cấp phối vữa M100 (vữa nền M100)

Thành phần cấp phối Cát (lít) Xi măng (kg) nước (lít)

Bảng 3.2: Thành phần cấp phối vữa M100 sợi xơ dừa không xử lý dài 1 - 2cm

Thành phần cấp phối (1m3 vữa)/

Xi măng (kg) 297 297 297 297 297 nước (lít) 260 260 260 260 260

Sợi xơ dừa không xử lý dài 1 -

Thành phần cấp phối (1m3 vữa)/ Tỷ lệ sợi 2% 4% 6% 8% 10%

Sợi xơ dừa không xử lý dài 2 -

Bảng 3.4: Thành phần cấp phối vữa M100 sợi xơ dừa xử lý NaOH dài 1 - 2cm

Sợi xơ dừa xử lý NaOH dài 1 -

Sợi xơ dừa xử lý NaOH dài 2 -

3.3.2 Cấp phối vữa xi măng cát mác 300 (M300)

Cấp phối vữa xi măng – cát M300 (Bảng 3.6) bao gồm 6 loại sợi khác nhau, trong đó có sợi xơ dừa không qua xử lý với chiều dài từ 1 - 2cm và 2 - 3cm Ngoài ra, còn có sợi xơ dừa đã được xử lý bằng NaOH nồng độ 5% với chiều dài từ 1 - 2cm và các kích thước khác.

2 - 3cm; Sợi rơm không xử lý dài 1 - 2cm và Sợi lục bình không xử lý dài 1 - 2cm Tương ứng với từng loại sợi là hàm lượng sợi 1%, 2%, 3%, 4% và 5% (Bảng 3.7, 3.8, 3.9, 3.10, 3.11, 3.12)

Bảng 3.6: Thành phần cấp phối vữa M300 (vữa nền M300)

Thành phần cấp phối Cát (lít) Xi măng (kg) nước (lít)

Sợi xơ dừa không xử lý dài 1 - 2cm (kg) 4,500 9,000 13,500 18,000 22,500

Thành phần cấp phối (1m3 vữa) / Tỷ lệ sợi 1% 2% 3% 4% 5%

Sợi xơ dừa không xử lý dài

Sợi xơ dừa xử lý NaOH dài

Bảng 3.10: Thành phần cấp phối vữa M300 sợi xơ dừa xử lý NaOH dài 2 -

Sợi xơ dừa xử lý NaOH dài

Bảng 3.11: Thành phần cấp phối vữa M300 sợi rơm không xử lý dài 1 - 2cm

Sợi rơm không xử lý dài 1

Bảng 3.12: Thành phần cấp phối vữa M300 sợi lục bình không xử lý dài 1 - 2cm

Sợi lục bình không xử lý dài 1 - 2cm (kg) 4,500 9,000 13,500 18,000 22,500

Tạo mẫu thí nghiệm và dưỡng hộ

3.4.1 Tạo mẫu thí nghiệm Đối với mỗi cấp phối (Hình 3.16) đúc 03 mẫu trụ D90, cao 180mm để thí nghiệm cường độ chịu nén 7 ngày tuổi, 14 ngày tuổi và 28 ngày tuổi; 03 mẫu 100x100x400mm để thí nghiệm cường độ chịu kéo do uốn 7 ngày tuổi, 14 ngày tuổi và 28 ngày tuổi

Như vậy tổng số lượng mẫu trụ D90mm, cao 180mm là: (10 cấp phối x 5 tỷ lệ sợi + 02 cấp phối nền) x 03 mẫu = 156 mẫu; tổng số lượng mẫu 100x100x400mm là:

(10 cấp phối x 5 tỷ lệ sợi + 02 cấp phối nền) x 03 mẫu = 156 mẫu (Hình 3.17)

Hình 3.16: Cấp phối cho 1 mẻ trộn

Hình 3.17: Chế tạo mẫu thí nghiệm

Trong quá trình thí nghiệm, tổng cộng đã đúc và kiểm tra 312 mẫu Bên cạnh đó, độ linh động của vữa cũng được kiểm tra thông qua phương pháp côn đô độ sụt.

Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8828:2011, các mẫu bê tông cần được dưỡng hộ trong điều kiện tự nhiên bằng cách ngâm trong nước tại bể ngâm mẫu trong Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng và trong các thùng nhựa tại Phòng thí nghiệm kết cấu công trình.

Sau khi bảo dưỡng đủ thời gian yêu cầu, các mẫu được lưu giữ trên các kệ tại Phòng thí nghiệm kết cấu công trình (Hình 3.19)

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Kết quả thử nghiệm độ linh động của vữa

Kết quả thử nghiệm đối với vữa xi măng cát M100 cho thấy: tỷ lệ sợi xơ dừa càng lớn độ sụt của vữa càng giảm

Tỷ lệ sợi sơ dừa Cát (lít) Xi măng

(kg) nước (lít) sợi (g) Độ sụt

Kết quả từ bảng 4.1 cho thấy rằng hàm lượng sợi có ảnh hưởng đáng kể đến độ linh động của vữa; khi hàm lượng sợi tăng lên, độ linh động của vữa giảm Điều này có thể tạo ra khó khăn trong việc ứng dụng vữa có hàm lượng sợi cao.

Kết quả thử nghiệm cường độ nén

4.2.1.1 Sợi xơ dừa chưa xử lý

Bảng 4.2: Rn (M100) tại 7 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa xử lý

Hình 4.1: Rn (M100) tại 7 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa xử lý

Hình 4.2: So sánh Rn (M100) tại 7 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa xử lý a) Sợi xơ dừa dài 1 - 2cm b) Sợi xơ dừa 2 - 3cm

Biểu đồ ở hình 4.1.a và hình 4.1.b cho thấy cường độ nén của mẫu tăng theo số ngày tuổi Tuy nhiên, so với TCVN 8218:2009, tốc độ phát triển cường độ của mẫu chậm hơn so với bê tông thông thường.

Bảng 4.2 cho thấy rằng cường độ nén của sợi xơ dừa dài 1 - 2cm sau 28 ngày tăng từ 52% đến 193% so với cường độ nén sau 07 ngày, trong khi cường độ nén của sợi xơ dừa dài 2 - 3cm cũng tăng từ 54% đến 148% sau 28 ngày so với 07 ngày.

Biểu đồ ở hình 4.2 cho thấy rằng chiều dài của sợi ảnh hưởng không nhiều đến cường độ nén, do đường kính cốt liệu lớn nhất nhỏ hơn nhiều so với chiều dài sợi Tương tác giữa vật liệu nền và sợi cũng như sự truyền ứng suất từ nền vào sợi không thay đổi nhiều khi chiều dài sợi tăng lên Đối với bê tông M100, hàm lượng tối ưu của sợi xơ dừa chưa xử lý là khoảng 4-6%, và hàm lượng cao hơn có thể gây nhiễu loạn dữ liệu.

4.2.1.2 Sợi xơ dừa đã xử lý NaOH (đã xử lý)

Bảng 4.3: Rn (M100) tại 7 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD đã xử lý

Hình 4.3: Rn (M100) tại 7 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD đã xử lý

Hàm lượng sợi có ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ nén, đặc biệt là với sợi đã qua xử lý NaOH Việc xử lý này giúp giảm thiểu sự rối loạn số liệu khi hàm lượng sợi vượt quá 6%, khác với sợi chưa xử lý Đối với sợi xơ dừa đã xử lý NaOH, hàm lượng tối ưu được xác định khoảng 6%.

Kết quả từ bảng 4.3 cho thấy rằng tại cường độ 6%, sợi dài có độ bền cao hơn sợi ngắn tới 71%, và tại cường độ 28 ngày, sợi dài vẫn vượt trội hơn sợi ngắn với tỷ lệ 51% Mặc dù một số giá trị hàm lượng có thể làm giảm hoặc tăng cường độ, nhưng xu hướng chung cho thấy rằng cường độ tối ưu đạt được tại 6%.

Kết quả ở bảng 4.3 cho thấy rằng sợi xơ dừa chưa xử lý phát triển cường độ chậm hơn so với bê tông thông thường, khi so sánh với tiêu chuẩn TCVN 8218:2009.

4.2.1.3 So sánh cường độ nén mẫu sợi xơ dừa đã xử lý và chưa xử lý

Hình 4.4: So sánh Rn(M100) tại 7 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD 2 - 3cm đã xử lý và chưa xử lý

Hình 4.4 cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong ảnh hưởng của việc xử lý NaOH giữa các hàm lượng khác nhau Ở mức tối ưu 4-6%, sợi được xử lý bằng NaOH có cường độ cao hơn từ 10% đến 30% so với sợi không được xử lý.

Trong thí nghiệm ban đầu với vữa M100, hàm lượng sợi được xác định là 6% khối lượng xi măng (297kg/m3), tương đương 17,82kg/m3 Đối với vữa M300, khối lượng xi măng tăng từ 297kg lên 450kg, tương ứng với mức tăng 158kg/m3 (51,5% so với vữa M100) Sau khi thực hiện các tính toán sơ bộ, hàm lượng sợi tối ưu cho vữa M300 được ước tính khoảng 3,9%.

Để đánh giá chính xác hơn về vữa M300, hàm lượng sợi tối đa đã được giảm xuống còn 5%, đồng thời bổ sung các cấp phối 1% và 3% Do đó, vữa M300 sẽ được thử nghiệm với các hàm lượng sợi 1%, 2%, 3%, 4%, 5% và một mẫu vữa nền không có sợi.

Bảng 4.4: Rn (M300) tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa xử lý

Hình 4.5: So sánh Rn (M300)tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa xử lý

Kết quả từ Bảng 4.4 và hình 4.5 cho thấy việc bổ sung sợi xơ dừa làm giảm cường độ nén mẫu, do modun của sợi thấp hơn modun của vật liệu nền, dẫn đến mất liên kết xung quanh sợi cao hơn Sợi dài 1-2cm giảm cường độ nhiều nhất là 42% tại hàm lượng 4% và giảm ít nhất 26% tại hàm lượng 1%, trong khi cường độ tăng theo độ tuổi Đối với sợi dài 2-3cm, cường độ giảm nhiều nhất là 60% tại hàm lượng 5% và giảm ít nhất 37% tại hàm lượng 1% Đặc biệt, tại hàm lượng sợi từ 2-4%, cường độ nén của bê tông xơ dừa phát triển tương đương với bê tông truyền thống.

Hình 4.6: So sánh Rn (M300) giữa mẫu BT SXD chưa xử lý

So sánh cường độ nén của các mẫu tại Hình 4.6a cho thấy rằng cường độ nén sau 28 ngày của sợi xơ dừa dài 1-2cm cao hơn ít nhất 18% so với sợi dài 2-3cm ở hàm lượng sợi 1%, và cao hơn tới 53% ở hàm lượng sợi 5% Điều này chỉ ra rằng chiều dài và hàm lượng sợi có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ nén của vật liệu.

Từ biểu đồ ở hình 4.6.b cho thấy trong khoảng hàm lượng sợi từ 2% - 3%, cường độ 7 và 14 ngày tuổi của sợi dài lại cao hơn cường độ sợi ngắn từ 13 đến 24%

Hình 4.7: So sánh Rn (M300)tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD độ dài 1 -

2cm và 2 - 3cm với hàm lượng 3%

Hình 4.7 cho thấy ảnh hưởng của độ dài sợi đến sự phát triển cường độ là không rõ ràng Cụ thể, cường độ của sợi dài 2 - 3 cm ở 7 và 14 ngày tuổi cao hơn, trong khi ở 28 ngày tuổi, sợi dài 1 - 2 cm lại có cường độ lớn hơn.

4.2.2.2 Sợi xơ dừa đã xử lý NaoH (đã xử lý)

Bảng 4.5: Rn (300) tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD đã xử lý

Sợi xơ dừa đã xử lý dài

Hình 4.8: So sánh Rn (M300) tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD đã xử lý

Kết quả từ bảng 4.5 và Hình 4.8 cho thấy việc thêm sợi xơ dừa làm giảm cường độ nén mẫu, với sợi 1-2cm giảm cường độ nhiều nhất là 41% tại hàm lượng 4% và ít nhất 35% tại hàm lượng 1% Cường độ tăng theo độ tuổi một cách rõ ràng Hình 4.8.a chỉ ra rằng sợi 2-3cm giảm cường độ nhiều nhất là 43% tại hàm lượng 5% và ít nhất 18% tại hàm lượng 1%, đồng thời cường độ cũng tăng theo độ tuổi.

Hình 4.9: So sánh Rn (M300) mẫu BT SXD dài 1 - 2cm và 2 - 3cm đã qua xử lý

Từ biểu đồ ở hình 4.9.a cho thấy cường độ nén 28 ngày của sợi ngắn thấp hơn sợi dài từ 18%-20% tại hàm lượng 1% - 3%

So sánh hình 4.9.a và hình 4.6.a cho thấy sự khác biệt rõ rệt về cường độ ở 28 ngày giữa sợi ngắn và sợi dài trước và sau khi xử lý Cụ thể, mẫu a) với sợi 1cm và mẫu b) với sợi 2cm thể hiện cường độ khác nhau tại 28 ngày tuổi và các ngày tuổi khác nhau.

49 chưa xử lý, cường độ 28 ngày của sợi 1 - 2cm lớn hơn sợi 2 - 3cm, nhưng đã xử lý thì kết quả ngược lại

4.2.2.3 Sợi xơ dừa đã xử lý NaOH và chưa xử lý

Hình 4.10 trình bày sự so sánh Rn (M300) của mẫu BT SXD giữa các sợi đã qua xử lý và chưa qua xử lý Cụ thể, các so sánh được thực hiện ở các độ tuổi khác nhau của sợi: a) 7 ngày tuổi cho sợi 1 cm, b) 7 ngày tuổi cho sợi 2 cm, c) 14 ngày tuổi cho sợi 1 cm, d) 14 ngày tuổi cho sợi 2 cm, e) 28 ngày tuổi cho sợi 1 cm, và f) 28 ngày tuổi cho sợi 2 cm.

Kết quả thử nghiệm cường độ kéo do uốn

Cường độ uốn của mẫu ở tuổi 7 và 14 ngày chưa ổn định và có sự phân tán tương đối, do đó học viên đã tập trung thực hiện các thí nghiệm uốn 4 điểm tại tuổi 28 ngày, với kết quả như sau:

Bảng 4.8: Rku (M100) tại 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa xử lý

Sợi xơ dừa chưa xử lý dài 1 - 2cm

Hình 4.17: Rku (M100) tại 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa xử lý

Sợi xơ dừa đã chứng minh khả năng tăng cường độ bền uốn của mẫu, với giá trị Rku tăng 12% so với mẫu nền, như thể hiện trong Bảng 4.8 và Hình 4.17.

Nghiên cứu cho thấy hàm lượng 4% Rku tăng lên 78% tại mức 6% Sự tăng trưởng này được giải thích trong phần cơ chế làm việc của sợi và vật liệu nền ở chương 2, khi sợi tham gia vào quá trình chịu kéo của mẫu.

Biểu đồ trong hình 4.17 cho thấy hàm lượng sợi tối ưu là 6%, tương ứng với cường độ chịu nén của vữa M100 Chiều dài sợi có ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng tăng cường độ uốn Cụ thể, ở hàm lượng 4%, sợi xơ dừa dài 2 - 3cm có giá trị Rku cao hơn 9% so với sợi dài 1 - 2cm Tại hàm lượng 6%, sợi xơ dừa dài 2 - 3cm làm tăng Rku hơn 15% so với sợi 1 - 2cm Sự ảnh hưởng này liên quan đến việc truyền ứng suất giữa vật liệu nền và sợi, trong đó lực bám dính dọc theo chiều dài sợi ảnh hưởng đến khả năng liên kết Sau khi vật liệu nền nứt, sợi cũng đóng vai trò cầu nối giúp ngăn ngừa sự phá hủy.

4.3.1.2 Sợi xơ dừa đã qua xử lý NaOH (đã xử lý)

Bảng 4.9: Rku (M100) tại 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD đã xử lý NaOH

Sợi xơ dừa đã qua xử lý dài 1 - 2cm (Mpa)

Sợi xơ dừa đã qua xử lý dài 2 - 3cm (Mpa)

Hình 4.18: Rku (M100)tại 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD đã qua xử lý

Hình 4.19: So sánh Rku (M100) tại 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD đã và chưa qua xử lý bằng NaOH

Kết quả từ Bảng 4.9 và các biểu đồ Hình 4.18, Hình 4.19 cho thấy rằng sợi xơ dừa có khả năng tăng cường độ uốn của bê tông (BT), với hàm lượng sợi tối ưu đề xuất là 6% Đặc biệt, sợi chưa xử lý mang lại cường độ uốn cao hơn so với sợi đã xử lý.

Bảng 4.10: Rku (M300) tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa qua xử lý

Hình 4.20: So sánh Rku (M300)tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD chưa xử lý

Kết quả từ bảng 4.10 và hình 4.20 chỉ ra rằng việc bổ sung sợi xơ dừa có xu hướng nâng cao cường độ kéo do uốn của mẫu Ở mức 1%, Rku giảm mạnh nhất với tỷ lệ 44%, nhưng sau đó Rku bắt đầu tăng và đạt mức cao nhất 49% tại hàm lượng 5%.

Cường độ kéo do uốn tăng theo thời gian, với các hàm lượng cao từ 4% và 5% gây ra rối loạn do sự phân bố sợi xơ dừa không đồng đều Hàm lượng tối ưu từ 2-3% cho thấy cường độ phát triển tương tự như bê tông truyền thống, tăng dần theo độ tuổi từ 7, 14 đến 28 ngày.

Hình 4.21: So sánh Rku (M300) giữa mẫu BT SXD chưa xử lý

Hình 4.21.a cho thấy rằng việc thêm sợi xơ dừa có xu hướng làm tăng cường độ kéo do uốn của mẫu Trong khi đó, biểu đồ ở Hình 4.21.b chỉ ra rằng sợi xơ dừa dài từ 2-3cm mang lại hiệu quả tốt hơn So sánh tại 28 ngày tuổi và các ngày tuổi khác nhau cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các loại sợi xơ dừa chưa xử lý, cụ thể là sợi 1cm và sợi 2cm.

59 năng chịu kéo khi uốn tốt hơn sợi 1 - 2cm; Tại 2% và 3% sợi 2 - 3cm cho cường độ chịu kéo khi uốn hơn sợi 1 - 2cm lần lượt là 3% và 8%

4.3.2.2 Sợi xơ dừa đã xử lý NaOH

Bảng 4.11: Rku (M300) tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD đã xử lý

Sợi xơ dừa đã xử lý dài 1 -

Sợi xơ dừa đã xử lý dài 2 -

Hình 4.22: So sánh Rku (M300) tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT SXD dài đã xử lý

Việc thêm sợi xơ dừa đã qua xử lý NaOH vào mẫu có xu hướng làm tăng cường độ kéo do uốn, như thể hiện trong Bảng 4.11 và biểu đồ ở Hình 4.22 Cụ thể, sợi xơ dừa xử lý với chiều dài 1cm và 2cm đều cho thấy sự cải thiện đáng kể về tính chất cơ học của mẫu.

Tại hàm lượng 1%, Rku giảm mạnh nhất 25%, nhưng bắt đầu tăng và đạt mức cao nhất 61% ở hàm lượng 4% Độ kéo do uốn cũng gia tăng theo thời gian Ở hàm lượng cao 4% và 5%, kết quả cho thấy sự rối loạn, có thể do phân bố sợi xơ dừa ảnh hưởng Hàm lượng tối ưu từ 2-3% cho thấy sự phát triển cường độ tương đương với bê tông truyền thống.

Hình 4.23 cho thấy sự so sánh Rku (M300) của mẫu BT SXD ở các độ tuổi 7, 14 và 28 ngày Đặc biệt, ở 28 ngày tuổi, sợi xơ dừa đã được xử lý dài từ 2 - 3cm, dẫn đến việc cường độ kéo do uốn của mẫu tăng ít nhất 18% với hàm lượng sợi 1% và tăng tối đa 61% với hàm lượng sợi 4%.

Biểu đồ ở hình 4.23.a và 4.23.b cho thấy chiều dài ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ kéo do uốn của mẫu Cụ thể, tại hàm lượng 2%, 3% và 4%, cường độ kéo do uốn của sợi xơ dừa đã xử lý dài 2 - 3cm cao hơn 47%, 47% và 34% so với sợi dài 1 - 2cm Tuy nhiên, điều này không áp dụng cho mẫu thử cường độ nén, nơi chiều dài sợi không có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ nén của mẫu thử.

4.3.2.3 Sợi xơ dừa đã xử lý và chưa xử lý

Hình 4.24 trình bày sự so sánh Rku (M300) của mẫu BT SXD đã qua xử lý và chưa qua xử lý Các kết quả được phân tích theo độ tuổi của sợi, bao gồm: a) so sánh sợi 1 - 2cm ở 7 ngày tuổi, b) so sánh sợi 2 - 3cm ở 7 ngày tuổi, c) so sánh sợi 1 - 2cm ở 14 ngày tuổi, d) so sánh sợi 2 - 3cm ở 14 ngày tuổi, e) so sánh sợi 1 - 2cm ở 28 ngày tuổi, và f) so sánh sợi 2 - 3cm ở 28 ngày tuổi.

Hình 4.24 so sánh giá trị Rku của mẫu BT SXD đã và chưa qua xử lý NaOH tại các giai đoạn tuổi khác nhau Ở 7 ngày tuổi, sự khác biệt về chiều dài sợi xơ dừa chưa xử lý và đã xử lý (1 - 2cm và 2 - 3cm) không ảnh hưởng nhiều đến cường độ kéo khi uốn Tuy nhiên, ở 14 ngày tuổi, sợi xơ dừa chưa xử lý dài 1 - 2cm có cường độ kéo khi uốn cao hơn sợi đã xử lý lần lượt 50% và 60% tại hàm lượng 2% và 3% Đối với sợi xơ dừa chưa xử lý dài 2 - 3cm, cường độ kéo khi uốn cũng cao hơn sợi đã xử lý cùng chiều dài lần lượt 6% và 40% tại hàm lượng 2% và 3%.

Biểu đồ trong hình 4.24.e và 4.24.f cho thấy rằng ở tuổi 28 ngày, sợi xơ dừa chưa xử lý dài 2-3 cm có cường độ kéo khi uốn tương đương với sợi xơ dừa đã xử lý ở hàm lượng 2% và 3% Tuy nhiên, sợi xơ dừa đã xử lý dài 2-3 cm cho cường độ kéo khi uốn cao hơn sợi chưa xử lý lần lượt 35% và 30% tại hàm lượng 2% và 3% Kết quả này cho thấy ảnh hưởng của việc xử lý NaOH đến cường độ kéo do uốn chưa được thể hiện một cách rõ ràng.

Bảng 4.12: Rku (M300) tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT sợi lục bình

Hình 4.25: So sánh Rku (M300) tại 7, 14 và 28 ngày tuổi của mẫu BT sợi lục bình

Kết quả kiểm tra vết nứt và độ phân tán của sợi

4.4.1 Kết quả kiểm tra vết nứt lớn nhất khi uốn gãy như sau:

Bảng 4.14: Bảng đo độ rộng vết nứt lớn nhất khi uốn gãy

Tỷ lệ sợi Cát (lít) Xi măng (kg) nước (lít) sợi (g) Vết nứt lớn nhất (mm)

Hình 4.30: Bề rộng vết nứt khi uốn gãy

Kết quả từ bảng 4.14 chỉ ra rằng hàm lượng sợi cao hơn giúp giảm bề rộng vết nứt khi uốn gãy (Hình 4.30) Điều này chứng tỏ rằng bê tông sợi xơ dừa có thể được ứng dụng hiệu quả trong việc sản xuất các cấu kiện ít chịu lực như bê tông trang trí, từ đó giảm thiểu các vết nứt trong quá trình sử dụng.

4.4.2 Về độ phân tán của sợi a) Hàm lượng sợi 0% b) Hàm lượng sợi 1% c) Hàm lượng sợi 2% d) Hàm lượng sợi 3% e) Hàm lượng sợi 4% f) Hàm lượng sợi 5%

Hình 4.31: Độ phân tán của sợi xơ dừa

Kết quả từ Hình 4.31 cho thấy rằng khi hàm lượng sợi không vượt quá 5% (tương đương 22,5 kg sợi/m3 vữa), độ phân tán của sợi trong vữa tương đối đồng đều và không xuất hiện hiện tượng vón cục.

Tiêu đề	Nghiên Cứu Tính Chất Cơ Lý Bê Tông Sợi Tự Nhiên Khu Vực Đồng Bằng Sông Cửu Long
Trường học	Trường Đại Học
Chuyên ngành	Công Nghệ Vật Liệu
Thể loại	Luận Văn

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	4,7 MB