(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ứng xử của bê tông tính năng cao dưới tải trọng nén đa trục

Đặt vấn đề

Bê tông, một vật liệu được sử dụng từ thời La Mã cổ đại, vẫn đóng vai trò quan trọng trong ngành xây dựng hiện nay, góp phần phát triển cơ sở hạ tầng và thúc đẩy công nghiệp hóa tại Việt Nam Với sự tiến bộ của công nghệ, nhiều loại bê tông mới đã được phát triển, bao gồm bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép ứng suất trước, bê tông siêu nhẹ, bê tông tính năng cao, bê tông tính năng siêu cao và bê tông thông minh, giúp nâng cao hiệu suất sử dụng và bảo vệ môi trường.

Kết cấu cột, một yếu tố quan trọng trong xây dựng, có thể bị hỏng và nứt do tác động của tải cơ học và môi trường, dẫn đến giảm khả năng chịu lực Để cải thiện khả năng chịu lực và kháng nứt của cột, cần xem xét áp dụng một số kết cấu gia cường.

Mở rộng kích thước cột và tăng cốt thép là biện pháp truyền thống dễ thực hiện, nhưng có thể ảnh hưởng đến kiến trúc công trình Trong lĩnh vực dân dụng, việc gia cố bằng bê tông hoặc cốt thép làm tăng kích thước kết cấu, dẫn đến việc chiếm dụng không gian công trình nhiều hơn, gây bất tiện trong quá trình khai thác Hình 1.1 minh họa quá trình gia cường cột cầu vượt Nguyễn Hữu Cảnh tại TP HCM.

Gia cường cột bê tông cốt thép (BTCT) bằng vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymer) mang lại nhiều lợi ích nhờ vào đặc tính nổi bật của sợi FRP, bao gồm độ đàn hồi cao, khả năng chịu kéo tốt, chống mài mòn, cách điện và cách nhiệt hiệu quả Vật liệu này được sử dụng để bao quanh thân cột hoặc dầm tại những vị trí cần gia cường, giúp tăng cường độ an toàn và ổn định cho kết cấu Hình 1.2 minh họa kết cấu cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP nhằm chống lại các tác động phá hoại.

Hình 1.2 Dùng tấm FRP gia cố bê tông chống phá hoại [3]

Bê tông cốt sợi tính năng cao (HPFRC) là vật liệu vượt trội với cường độ nén từ 70-100 MPa và cường độ kéo trên 8 MPa khi có cốt sợi gia cường HPFRC có thể được chế tạo thành nhiều hình dạng khác nhau, phù hợp với yêu cầu công năng và mỹ quan công trình Khả năng chịu tải của HPFRC gấp đôi so với bê tông cốt thép thông thường, giúp giảm kích thước tiết diện và trọng lượng cấu trúc Việc ứng dụng HPFRC trong hệ khung không chỉ tăng cường khả năng chịu lực mà còn đặc biệt hiệu quả trong các vùng thường xuyên xảy ra động đất Các cột HPFRC có khả năng chống động đất tốt nhờ cường độ nén lớn, khả năng chống co ngót, uốn xoắn, và khả năng tiêu tán năng lượng HPFRC cũng có độ bền cao, chống gỉ tốt, dễ bảo trì và thi công thuận lợi với việc sử dụng vỏ ống làm cốp pha mà không tốn nhân lực cho tháo lắp.

Hình 1 3 Cầu Vàm Cống dùng vật liệu HPFRC [5]

- Sử dụng cột ống thép nhồi bê tông: khả năng chịu nén của cột có vỏ thép bao quanh được tăng lên đáng kể nhờ hiệu ứng bó hông…

Hình 1 4 Kết cấu sử dụng cột ống thép lòng nhồi bê tông [6] [7]

Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Một vài nghiên cứu về HPFRC và vỏ thép kết hợp trong nước như sau:

Lê Hoàng An và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về bê tông tính năng siêu cao không cần sợi thép (UHPC và UHPFRC, một dạng của HPFRC) bằng cách sử dụng cột tròn trong các thí nghiệm.

Tống Duy Ngô nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông thường bằng cách kết hợp với bê tông tính năng cao HPFRC có trộn cốt sợi Nghiên cứu này tạo ra hợp chất liên kết giữa bê tông tính năng cao và bê tông cốt thép, nhằm gia cường sức chịu uốn và hạn chế vết cắt của dầm bê tông cốt thép.

TS Chu Thị Bình từ Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về cột thép nhồi bê tông tự đầm có thép hình làm cốt tại Trường Đại học Liège, Vương quốc Bỉ Mục tiêu của nghiên cứu là xác định khả năng chịu cháy của loại cột này, phục vụ cho ứng dụng trong các công trình nhà cao tầng.

PGS TS Nguyễn Thành Công và các cộng sự đã nghiên cứu và thực nghiệm về việc sử dụng bê tông cốt thép gia cường bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp FRP Giải pháp này không chỉ giúp duy trì mà còn nâng cao sức chịu tải của các cấu kiện trong kết cấu xây dựng.

Bài báo hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ XII, do TS Ngô Quang Tường và các cộng sự từ trường đại học Bách Khoa Tp HCM thực hiện, tập trung vào các sự cố hỏng hóc trong công trình xây dựng sử dụng vật liệu FRP Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về những thách thức và giải pháp liên quan đến việc ứng dụng vật liệu FRP trong xây dựng, góp phần nâng cao chất lượng và độ bền của các công trình.

Nghiên cứu về lõi HPFRC và vỏ uPVC kết hợp vẫn chưa được thực hiện tại Việt Nam Gần đây, Lê Văn Hải đã khảo sát ống nhựa lòng nhồi bê tông truyền thống và phát hiện rằng cường độ lõi tăng từ 1,3 đến 1,5 lần Tuy nhiên, việc ứng dụng bê tông tính năng cao tại Việt Nam còn hạn chế do chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với bê tông truyền thống, cùng với việc chưa có tiêu chuẩn kỹ thuật cho loại vật liệu này, gây khó khăn trong công tác thẩm định và nghiệm thu.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Vật liệu HPFRC đã được nghiên cứu và phát triển trên toàn cầu trong nhiều thập niên, với Cộng hòa Liên bang Đức dẫn đầu trong việc ứng dụng bê tông cốt sợi thép từ năm 1989 Loại bê tông này cũng đã được sử dụng ở các nước Tây Âu từ cuối những năm 70 Các tổ chức nghiên cứu quốc tế như Viện nghiên cứu bê tông Mỹ (ACI), Liên đoàn bê tông dự ứng lực quốc tế (FIP) và Ủy ban Bê tông châu Âu (CEB) đã tiên phong trong việc ứng dụng HPFRC Một trong những công trình nổi bật tại châu Âu là cầu Thiên niên kỷ Gateshead ở Anh, phục vụ cho người đi bộ và xe đạp.

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông tại Trung Quốc đã phát triển mạnh mẽ từ thập niên 90 với nhiều loại hình kết cấu, bao gồm nhịp vòm chạy trên, chạy dưới và chạy giữa, có hoặc không có thanh căng Với tiết diện tổ hợp từ 3 ống thép trở lên, cầu vòm này có khả năng vượt nhịp lên tới 360 m Đặc biệt, cầu Lupu ở Thượng Hải, dài 3900 m, được công nhận là cây cầu theo kết cấu dài nhất thế giới.

Nghiên cứu của Sirijaroonchai và các cộng sự cho thấy việc nén lõi HPFRC với vỏ thép hình lăng trụ kích thước 76x152 mm đã cải thiện sức kháng nén Cụ thể, vỏ thép dày từ 1,6 đến 3,2 mm đã tăng sức kháng nén lõi HPFRC lên 1,5 lần với sợi Spectra (1-2% thể tích) và 1,6 lần với sợi thép dạng 2 đầu móc (1-2% thể tích) Hơn nữa, so với HPFRC không gia cường sợi, việc trộn sợi Spectra và sợi thép với hàm lượng 1-2% thể tích đã tăng sức kháng nén lần lượt khoảng 1,22 và 1,15 lần.

Nghiên cứu của Zhou và các cộng sự cho thấy rằng khi nén HPFRC dưới tải 2 trục và 3 trục, tải 3 trục mang lại hiệu ứng tăng kháng nén vượt trội hơn so với tải 2 trục Đặc biệt, hiệu quả tăng kháng nén đạt mức tối đa khi tỉ lệ ứng suất là 1:0,5:0,1, trong đó ứng suất đứng gấp 3 lần so với ứng suất hông phương.

Một số công trình sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông ở Việt nam

Tại Việt Nam, nhiều cầu được thiết kế với kết cấu ống thép lòng nhồi bê tông, tiêu biểu như cầu Đông Trù bắc qua sông Đuống, cầu Châu Giang tại Phủ Lý, Hà Nam, và gần đây là cầu Rồng ở Đà Nẵng, mang hình tượng con rồng độc đáo Cầu Rồng có tổng chiều dài 666 m, bao gồm 5 nhịp chính và 3 nhịp dẫn, với chiều rộng 37,5 m Cầu Ông Lớn trên đường Nguyễn Văn Linh cũng nổi bật với chiều dài nhịp vòm ấn tượng.

99 m (thuộc huyện Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh) [21]

Hình 1 5 Cầu Đông Trù trên sông Đuống (Hà Nội) 2014

Hình 1 6 Cầu Công Lý dài 84 m (T.p.Hồ Chí Minh) [22]

Hình 1 7 Cầu vòm Lupu Thượng Hải, Trung Quốc 2003 [15]

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ứng xử nén của các vật liệu bê tông cốt sợi (HPFRC) không vỏ, vỏ nhựa uPVC, vỏ thép với các kích thước khác nhau

Tác giả sử dụng một loại bê tông lõi HPFRC, ba loại chiều cao mẫu 200 mm,

400 mm và 600 mm, hai loại vật liệu làm vỏ mẫu: không vỏ, vỏ thép dày 1,4 mm và 1,8 mm, vỏ nhựa uPVC dày 3,2 mm và 3,8 mm

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

- Phương pháp phân tích, đánh giá số liệu thí nghiệm

Công việc thực hiện chính như sau:

+ Thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết

+ Kế thừa các kết quả nghiên cứu, các số liệu, tài liệu đã có

+ Phân tích, xử lý, chọn lọc các kết quả thí nghiệm đã tích lũy được áp dụng vào đề tài

Tính mới của đề tài

Một số nghiên cứu ứng xử nén của vật liệu HPFRC trong điều kiện hạn chế nở hông gần đây như sau:

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về ứng xử của kết cấu chịu nén với vỏ bao quanh, đặc biệt là vật liệu lõi HPFRC và vỏ thép, nhưng ứng xử của các vật liệu khác như vỏ nhựa uPVC vẫn chưa được phổ biến Nghiên cứu này xem xét vỏ nhựa uPVC do những ưu điểm và tiềm năng ứng dụng của nó trong xây dựng.

- Vỏ nhựa có giá thành rẻ hơn vỏ thép, trọng lượng nhẹ hơn thép nên dễ vận chuyển, lắp dựng

- Vỏ nhựa không bị xâm thực mạnh như vỏ thép, đặc biệt công trình nằm trong khu vực xâm thực mạnh

Mặc dù vỏ uPVC có cường độ thấp hơn thép và không phù hợp với môi trường có ánh sáng mặt trời trực tiếp, việc nghiên cứu sử dụng vỏ uPVC lòng nhồi bê tông cho kết cấu chịu nén là rất cần thiết Kết cấu này có thể ứng dụng cho cọc khoan nhồi, giúp nâng cao tuổi thọ và độ bền của cọc Đây là một nghiên cứu quan trọng cho các công trình xây dựng và giao thông trong giai đoạn công nghiệp hóa Cột vỏ uPVC lòng nhồi bê tông có ưu điểm thi công thuận lợi nhờ tận dụng vỏ uPVC làm ván khuôn, đồng thời tăng sức kháng nén cho lõi bê tông bên trong Ngoài ra, trong môi trường xâm thực, vỏ uPVC giúp hạn chế ăn mòn, kéo dài tuổi thọ công trình Nghiên cứu ứng xử nén của HPFRC với vỏ uPVC bao bọc sẽ cung cấp thông tin hữu ích cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư kết cấu Tác giả sử dụng vật liệu địa phương tại Tp HCM, kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho kết cấu nén lõi HPFRC – vỏ nhựa uPVC hay vỏ thép tại Việt Nam.

(a) Vỏ uPVC có thể làm ván khuôn cột vừa tăng sức kháng nén

(b) Vỏ uPVC cho cột nằm dưới bùn ẩm giúp hạn chế xâm thực kết cấu

Hình 1 8 Đề xuất kết cấu cột vỏ uPVC - lõi bê tông trong dân dụng và công nghiệp

Nội dung nghiên cứu

Thông qua kết quả thí nghiệm tác giả tiến hành:

- Đánh giá ảnh hưởng của chiều dày vỏ đến ứng xử nén

- Đánh giá ảnh hưởng của chiều cao vỏ đến ứng xử nén

Hình 1.9 minh họa ba chiều cao của mẫu thí nghiệm, trong khi Bảng 1.1 trình bày kích thước và loại vật liệu của vỏ nhựa và vỏ thép được sử dụng trong quá trình thử nghiệm Các vật liệu này được chọn từ nguồn cung cấp địa phương.

- Chọn các vật liệu ống nhựa Bình Minh có đường kính 114 mm với 3 kích thước chiều cao khác nhau 200 mm, 400 mm, 600 mm có độ dày 3,2 mm và 3,8 mm

- Chọn ống thép Hòa Phát đường kính 114 mm với 3 kích thước chiều cao:

Kích thước cơ bản của mẫu nén vỏ ống thép và nhựa bao gồm các chiều cao 200 mm, 400 mm và 600 mm, với độ dày của thép là 1,4 mm và 1,8 mm.

- Mẫu không vỏ: mẫu có đường kính 114 mm, 3 kích thước chiều cao khác nhau

200 mm, 400 mm, 600 mm Mỗi chủng loại thí nghiệm 2 mẫu

Chọn vỏ nhựa từ ống nhựa Bình Minh với đường kính 114 mm, có ba kích thước chiều cao 200 mm, 400 mm và 600 mm, cùng độ dày thanh mảnh 3,2 mm và 3,8 mm Mỗi loại sẽ được thử nghiệm với hai mẫu.

Chọn ống thép Hòa Phát đường kính 114 mm làm mẫu vỏ thép, với ba kích thước chiều cao là 200 mm, 400 mm và 600 mm Độ dày của thép được lựa chọn là 1,4 mm và 1,8 mm Mỗi loại sẽ tiến hành thí nghiệm với 2 mẫu.

Bảng 1.1 Thể hiện 2 vật liệu vỏ nhựa, vỏ thép

Vỏ ống thép Hòa Phát Vỏ ống nhựa Bình Minh Đường kính 114 mm Đường kính 114 mm

Chiều cao chọn 3 kích thước

Chiều cao chọn 3 kích thước

200 mm, 400 mm, 600 mm Độ dày ống thép chọn 2 kích cỡ 1,4 mm và 1,8 mm Độ dày ống nhựa chọn 2 kích cỡ 3,2 mm và 3,8 mm

Hình 1 10 Ảnh minh họa cho công tác chuẩn bị vật liệu

Bằng thí nghiệm dựa trên các vật liệu có sẵn địa phương

Chọn các vật liệu ống nhựa Bình Minh có đường kính 114 mm chọn 3 kích thước chiều cao khác nhau 200 mm, 400 mm, 600 mm và độ thanh mảnh dày 3,2 mm, 3,8 mm

Chọn ống thép Hòa Phát đường kính 114 mm, chọn 3 kích thước chiều cao: 200 mm 400 mm 600 mm và độ dày của thép chọn 1,4 mm, 1,8 mm

Cơ sở khoa học về ứng xử cơ học và cơ chế hình thành ứng xử của bê tông cốt sợi tính năng cao (HPFRC) đã được nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đề cập Bài viết này sẽ trình bày một số đặc điểm chính của vật liệu HPFRC, nhấn mạnh những lợi ích và ứng dụng của nó trong xây dựng.

2.1 Tác dụng của sợi gia cường trong HPFRC

HPFRC là hỗn hợp bê tông chứa sợi, bao gồm sợi thép, sợi thủy tinh, sợi tổng hợp và sợi tự nhiên, ảnh hưởng đến các tính chất của bê tông cốt sợi Tính chất của HPFRC còn phụ thuộc vào cấp phối, kích thước, độ phân tán và mật độ của sợi Trong quá trình chế tạo, mạng vết nứt nhỏ xuất hiện và nếu sợi được trộn đều, chúng sẽ “khâu miệng” các vết nứt, làm chắc cấu trúc và hạn chế hình thành vết nứt lớn Sợi hoạt động như cốt thép nhỏ, giúp chuyển tải trọng và hấp thụ năng lượng, chuyển đổi kết cấu từ giòn sang dẻo Số lượng sợi càng nhiều thì khả năng hạn chế vết nứt càng lớn, nhưng nếu quá nhiều sẽ ảnh hưởng đến cấu tạo hồ xi măng, gây bong tách Việc lựa chọn sợi thép cần đảm bảo tăng cường tính cơ học và khả năng hoạt động của hỗn hợp bê tông.

Hình 2.1 Sự tạo thành các vi nứt dưới tải trọng kéo của HPFRC [23]

Hình 2.2 Sự gia tăng ứng suất sau vết nứt đầu của HPFRC [4]

Sự tương tác giữa sợi và vật liệu là yếu tố quyết định chất lượng của bê tông cốt sợi, đồng thời giúp dự đoán khả năng cơ học của từng loại bê tông này Khi bê tông cốt sợi chịu kéo hoặc uốn dưới tải trọng khác nhau, các vết nứt vi mô sẽ lan rộng trên bề mặt cốt liệu, thay vì chỉ xuất hiện vết nứt đơn như ở bê tông không cốt sợi Hình 2.1 minh họa các vi vết nứt của bê tông cốt sợi HPFRC.

HPFRC có khả năng chịu kéo và uốn tốt nhờ cơ chế chằng vết nứt của cốt sợi gia cường, với sự gia tăng ứng suất sau vết nứt Trong quá trình nén, cốt sợi cũng tăng cường độ nén và hạn chế phát triển vết nứt phá hoại Những vi vết nứt đầu tiên xuất hiện khi tải trọng đạt 20-40% tải trọng phá hoại, và khi tải trọng đạt 50%, nhiều vết nứt lớn hơn sẽ xuất hiện So với bê tông không sợi, bê tông có cốt sợi phân tán giúp hạn chế các vết nứt nhỏ, đây là loại bê tông cốt sợi sẽ được nghiên cứu trong luận văn.

Trong ứng xử nén của HPFRC, sợi gia cường đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế nở hông, từ đó nâng cao sức kháng nén Khi chịu tải nén tăng dần, các vết nứt trong HPFRC sẽ hình thành và phát triển, nhưng nhờ cơ chế chằng vết nứt của sợi thép, sự mở rộng của vết nứt được kiểm soát, dẫn đến tăng cường sức kháng nén Nghiên cứu của Sirijaroonchai và các cộng sự cho thấy rằng kháng nén có thể tăng lên đến 22% khi sử dụng cốt sợi thép 2 đầu móc với tỷ lệ 1,5% thể tích.

2.2 Hiệu ứng kết hợp sợi to và nhỏ trong HPFRC

Nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa cốt sợi to và cốt sợi nhỏ mang lại hiệu quả cơ học tốt hơn so với việc sử dụng từng loại sợi riêng lẻ với cùng hàm lượng theo thể tích Cụ thể, hỗn hợp 1.0 Vol.% sợi to và 0.5 Vol.% sợi nhỏ có khả năng chịu lực tốt hơn so với 1.5 Vol.% sợi to hoặc 1.5 Vol.% sợi nhỏ Cốt sợi to giúp tăng cường khả năng chịu biến dạng và cường độ kéo nhờ vào cơ chế chằng vết nứt, trong khi cốt sợi nhỏ hỗ trợ bằng cách chằng các vết nứt nhỏ trong bê tông và cải thiện độ bám dính giữa cốt sợi to và vữa bê tông.

Hình 2.3 Sự hỗ trợ lẫn nhau của cốt sợi to và cốt sợi nhỏ

2.3 Trạng thái ứng suất của vỏ

2.3.1 Ứng suất của vỏ thép

Hầu hết các cấu kiện bê tông hoạt động dưới trạng thái ứng suất nhiều trục, trong khi ứng xử của bê tông thay đổi theo các trạng thái ứng suất khác nhau Thép, với tính chất đồng nhất và đẳng hướng, cho phép coi mẫu lăng trụ như một cấu trúc nén 3 trục Khi lõi bê tông chịu tải, áp lực bên từ vỏ thép sẽ phát sinh, dẫn đến hiện tượng phình nở hông của lõi bê tông và tạo ra ứng suất vòng trong ống thép Do đó, khi kết cấu chịu tải trọng, ngoài ứng suất do ngoại lực, còn có ứng suất phụ do sự tương tác giữa lõi bê tông và vỏ thép.

Hình 2.4a và 2.4b minh họa hiệu ứng của vỏ thép trong việc tạo áp lực hông dưới tải nén Cụ thể, hình ảnh cho thấy ứng suất trong ống thép và lõi bê tông, cùng với hiệu ứng kiềm chế đối với sự phá hoại cắt.

2.3.2 Trạng thái ứng suất của vỏ nhựa uPVC

Vỏ nhựa uPVC, giống như vỏ thép, cũng tạo ra áp lực bên hông khi lõi bê tông bên trong trụ bị nén Tuy nhiên, do mô đun đàn hồi và cường độ kéo đứt của vỏ nhựa thấp, khả năng chịu tải của cột bê tông nhồi vào ống nhựa sẽ kém hơn so với bê tông nhồi vào ống thép.

Sự bám dính giữa vật liệu vỏ và bê tông lõi được tạo ra bởi lực dính hóa học, ảnh hưởng của lực bám dính tới sự truyền ứng suất cắt có thể bỏ qua đối với cột liên hợp Điều này là do ứng suất bám dính đã được khắc phục khi xảy ra trượt dưới 0,01 mm đối với vật liệu thép.

Khi chịu tải trọng, mặc dù có ứng suất tại mặt tiếp xúc, nhưng sự dính bám không được xem xét, vì khi mất đi dính bám hóa học ban đầu, việc phục hồi bằng tác dụng cơ học là không thể.

2.3.4 Cơ chế truyền lực ma sát giữa bê tông và vỏ

Tác dụng của sợi gia cường trong HPFRC

HPFRC là loại bê tông chứa sợi, với các vật liệu như sợi thép, sợi thủy tinh, sợi tổng hợp hoặc sợi tự nhiên, ảnh hưởng đến các tính chất riêng biệt của bê tông Tính chất của HPFRC phụ thuộc vào cấp phối bê tông, kích thước, độ phân tán, chiều hướng và mật độ sợi Trong quá trình chế tạo, HPFRC hình thành mạng vết nứt nhỏ, và nếu sợi được phân bố đều, chúng sẽ “khâu miệng” các vết nứt, làm giảm sự hư hỏng và ngăn chặn sự hình thành vết nứt lớn Các sợi hoạt động như cốt thép nhỏ, giúp chuyển tải trọng và hấp thụ năng lượng, biến kết cấu từ giòn sang dẻo Số lượng sợi càng nhiều thì khả năng hạn chế vết nứt càng lớn, nhưng nếu quá nhiều sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc hồ xi măng và làm giảm độ bám dính Do đó, việc lựa chọn sợi thép cần đảm bảo tăng cường tính cơ học và khả năng hoạt động của hỗn hợp bê tông.

Hình 2.1 Sự tạo thành các vi nứt dưới tải trọng kéo của HPFRC [23]

Hình 2.2 Sự gia tăng ứng suất sau vết nứt đầu của HPFRC [4]

Sự tương tác giữa sợi và vật liệu là yếu tố then chốt quyết định chất lượng bê tông cốt sợi và khả năng cơ học của nó Khi bê tông cốt sợi HPFRC chịu kéo hoặc uốn dưới tải trọng khác nhau, các vết nứt vi mô sẽ lan rộng trên bề mặt cốt liệu, khác với hiện tượng nứt đơn giản ở bê tông không cốt sợi Hình 2.1 minh họa các vi vết nứt của HPFRC.

Bê tông cốt sợi gia cường (HPFRC) có khả năng chịu kéo và uốn tốt nhờ cơ chế chằng vết nứt của cốt sợi, thể hiện sự gia tăng ứng suất sau vết nứt Trong quá trình nén, cốt sợi cũng nâng cao cường độ nén bằng cách hạn chế sự phát triển của các vết nứt phá hoại Các vi vết nứt ban đầu xuất hiện khi tải trọng đạt khoảng 20-40% tải trọng phá hoại, và khi tải trọng đạt 50%, nhiều vết nứt lớn hơn sẽ xuất hiện Trong khi đó, bê tông không cốt sợi có khả năng chịu kéo rất kém Việc thêm cốt sợi phân tán vào bê tông giúp hạn chế sự hình thành các vết nứt nhỏ, đây chính là loại bê tông cốt sợi sẽ được nghiên cứu trong luận văn.

Trong ứng xử nén của HPFRC, sợi gia cường đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế nở hông, từ đó nâng cao sức kháng nén Khi chịu tải nén tăng dần, vết nứt trong HPFRC hình thành và phát triển, nhưng nhờ cơ chế chằng vết nứt của sợi thép, sự mở rộng vết nứt được hạn chế, dẫn đến việc tăng cường sức kháng nén Nghiên cứu của Sirijaroonchai và các cộng sự cho thấy, việc gia cường bằng cốt sợi thép với hàm lượng 1,5% thể tích có thể gia tăng kháng nén lên đến 22%.

Hiệu ứng kết hợp sợi to và nhỏ trong HPFRC

Nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa cốt sợi to và cốt sợi nhỏ mang lại hiệu quả kháng cơ học tốt hơn so với việc sử dụng từng loại sợi riêng lẻ với cùng hàm lượng thể tích (Vol.%) Cụ thể, hỗn hợp 1.0 Vol.% sợi to và 0.5 Vol.% sợi nhỏ có khả năng cơ học vượt trội hơn so với 1.5 Vol.% sợi to hoặc 1.5 Vol.% sợi nhỏ Hình 2.1 minh họa sự hỗ trợ lẫn nhau giữa cốt sợi to và cốt sợi nhỏ dưới tải trọng kéo, trong đó cốt sợi to đóng vai trò quan trọng trong việc chịu biến dạng và tăng cường độ kéo thông qua cơ chế chằng vết nứt Đồng thời, cốt sợi nhỏ hỗ trợ chằng các vết nứt nhỏ có sẵn trong bê tông và làm chặt bê tông xung quanh, từ đó nâng cao cường độ bám dính giữa cốt sợi to và vữa bê tông.

Hình 2.3 Sự hỗ trợ lẫn nhau của cốt sợi to và cốt sợi nhỏ

Trạng thái ứng suất của vỏ

2.3.1 Ứng suất của vỏ thép

Hầu hết các cấu kiện bê tông chịu ứng suất nhiều trục, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong hành vi của bê tông dưới các trạng thái ứng suất khác nhau Thép, với tính chất đồng nhất và đẳng hướng, cho phép mẫu lăng trụ được xem như chịu nén 3 trục, trong đó lõi bê tông chịu áp lực từ vỏ thép bên ngoài Khi áp lực tăng đến mức phá hoại, lõi bê tông sẽ bị phình ra, tạo ra ứng suất vòng trong ống thép Do đó, khi cấu trúc chịu tải trọng, ngoài ứng suất do ngoại lực, còn có ứng suất phụ do sự tương tác giữa lõi bê tông và vỏ thép.

Hình 2.4a và 2.4b minh họa hiệu ứng của vỏ thép trong việc tạo áp lực hông dưới tải nén, với ứng suất phân bổ trong ống thép và lõi bê tông Hiệu ứng này cũng cho thấy khả năng kiềm chế sự phá hoại do cắt.

2.3.2 Trạng thái ứng suất của vỏ nhựa uPVC

Vỏ nhựa uPVC, giống như vỏ thép, tạo áp lực hông khi lõi bê tông bên trong trụ bị nén Tuy nhiên, do mô đun đàn hồi và cường độ kéo đứt của vỏ nhựa thấp, khả năng chịu tải của cột bê tông nhồi vào ống nhựa kém hơn so với bê tông nhồi vào ống thép.

Lực dính hóa học giữa vật liệu vỏ và bê tông lõi tạo ra sự bám dính, tuy nhiên, ảnh hưởng của lực bám dính tới sự truyền ứng suất cắt có thể không đáng kể đối với cột liên hợp Điều này là do ứng suất bám dính đã được khắc phục khi xảy ra trượt chưa đến 0,01 mm đối với vật liệu thép.

Khi chịu tải trọng, mặc dù có xuất hiện ứng suất tại mặt tiếp xúc, nhưng sự dính bám không thể được xem xét Điều này là do khi mất đi sự dính bám hóa học ban đầu, việc phục hồi bằng tác dụng cơ học là không thể.

2.3.4 Cơ chế truyền lực ma sát giữa bê tông và vỏ

Sức kháng cắt do ma sát phụ thuộc vào lực pháp tuyến và hệ số ma sát giữa các vật liệu Hệ số ma sát giữa thép và bê tông dao động từ 0,4 đến 0,6, trong khi với nhựa là 0,4 Các ứng suất pháp được hình thành từ lực pháp tuyến tác động từ bên ngoài hoặc do sự kiềm chế sự nở hông của lõi bê tông.

CHƯƠNG 3 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 3.1 Sơ đồ thực hiện thí nghiệm

Hình 3.1 mô tả sơ đồ thực hiện các thí nghiệm Tất cả các mẫu được sử dụng dưới dạng mẫu lăng trụ đường kính trong 114 mm như sau:

- Về chiều cao, có 03 loại kích thước cụ thể H 0 mm, 400 mm, 600 mm)

Bê tông nhồi ống thép

Bê tông nhồi ống nhựa

Bê tông không sử dụng vỏ ống

Vỏ của sản phẩm được chế tạo từ hai loại vật liệu chính: vỏ thép và vỏ nhựa Cụ thể, vỏ nhựa Bình Minh có độ dày lần lượt là 3,2 mm và 3,8 mm, trong khi đó, vỏ thép Hòa Phát có độ dày là 1,4 mm và 1,8 mm.

Để thuận lợi cho việc thu thập dữ liệu, thứ tự tiến hành nén mẫu thí nghiệm được thực hiện theo từng loại chiều cao Mỗi chủng loại mẫu thí nghiệm sẽ được làm 2 mẫu nhằm lấy giá trị trung bình để so sánh.

3.2 Các nguyên vật liệu phục vụ cho công tác chế tạo mẫu

Chất lượng vật liệu ảnh hưởng đáng kể đến sức kháng cơ học của mẫu thí nghiệm Vì vậy, việc lựa chọn vật liệu cần dựa trên nguồn cung sẵn có tại địa phương, dễ tìm, nhưng vẫn phải đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn hiện hành.

Các vật liệu dùng để chế tạo mẫu bao gồm cát, xi măng, tro bay, sợi thép, silica fume, phụ gia, nước sinh hoạt, vỏ thép và vỏ nhựa Chi tiết về các yêu cầu cụ thể của từng loại vật liệu sẽ được trình bày ở phần dưới.

Cát cho bê tông cần phải đảm bảo không bị nhiễm mặn, nhiễm phèn và ít lẫn tạp chất Nếu cát chứa nhiều tạp chất như bụi, bùn, sét, sẽ hình thành một màng mỏng trên bề mặt cốt liệu, cản trở sự tiếp xúc giữa xi măng và các cốt liệu khác Điều này dẫn đến giảm tính kết dính và làm giảm cường độ của bê tông.

Trong nghiên cứu này, cát trắng tinh khiết được sử dụng làm nguyên liệu thí nghiệm, đáp ứng đầy đủ các quy định hiện hành Hình 3.2 minh họa loại cát trắng với đường kính hạt lớn nhất là 1 mm Trong cấp phối HPFRC, cát đóng vai trò là cốt liệu lớn, trong khi tro bay và silica fume đảm nhận vai trò cốt liệu nhỏ.

Tro bay loại F là sản phẩm thu được từ bụi thải trong quá trình đốt than đá (than cốc) và được sử dụng trong thí nghiệm, có hàm lượng CaO dưới 6% Thành phần hóa học của nó được trình bày trong Bảng 3.1.

Bảng 3 1 Thành phần hóa học của tro bay

Theo bảng trên ta thấy tỷ lệ SiO2 trên Al2O3 của tro bay này là 1,62% hàm lượng CaO thấp nhưng hàm lượng mất khi nung khá cao (9,63%)

Các chỉ tiêu vật lý chính của tro bay như sau: khối lượng thể tích 1.41 T/m3, độ mịn: 94% lượng tro bay lọt qua sàng có cỡ sàng là 0,08 mm

Tro bay là một giải pháp hiệu quả để giảm nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn Nó không chỉ giúp giảm lượng nước trộn mà còn giảm hiện tượng phân tầng và tiết kiệm nước Bên cạnh đó, tro bay còn cải thiện độ thấm nước và tăng cường tính bền vững của bê tông trong môi trường nước, đồng thời làm chậm quá trình đông kết Hình 3.3 minh họa việc sử dụng nguyên liệu tro bay trong xây dựng.

Xi măng poóc lăng hỗn hợp là một chất kết dính quan trọng trong bê tông và ngành xây dựng Nó được sản xuất bằng cách nghiền mịn clanhke xi măng poóc lăng cùng với thạch cao và các phụ gia khoáng cần thiết Ngoài ra, có thể sử dụng phụ gia công nghệ trong quá trình nghiền hoặc trộn đều với xi măng poóc lăng để đạt được hiệu quả tốt nhất.

Hình 3.4 minh họa xi măng đã dùng đúc mẫu thí nghiệm là loại PC40 Insee,

Sơ đồ thực nghiệm

Hình 3.1 Sơ đồ thực hiện thí nghiệm

Hình 3.1 mô tả sơ đồ thực hiện các thí nghiệm Tất cả các mẫu được sử dụng dưới dạng mẫu lăng trụ đường kính trong 114 mm như sau:

- Về chiều cao, có 03 loại kích thước cụ thể H 0 mm, 400 mm, 600 mm)

Bê tông nhồi ống thép

Bê tông nhồi ống nhựa

Bê tông không sử dụng vỏ ống

Vỏ sản phẩm được chế tạo từ hai loại vật liệu chính: vỏ thép và vỏ nhựa Cụ thể, vỏ nhựa Bình Minh có độ dày 3,2 mm và 3,8 mm, trong khi vỏ thép Hòa Phát có độ dày 1,4 mm và 1,8 mm.

Để thuận lợi cho việc thu thập dữ liệu, quá trình nén mẫu thí nghiệm được thực hiện theo từng loại chiều cao Mỗi loại mẫu thí nghiệm sẽ được làm 2 mẫu nhằm lấy giá trị trung bình để so sánh.

Các nguyên vật liệu phục vụ cho công tác chế tạo mẫu

Chất lượng vật liệu ảnh hưởng đáng kể đến sức kháng cơ học của mẫu thí nghiệm Vì vậy, việc lựa chọn vật liệu dễ tìm tại địa phương là cần thiết, nhưng phải đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn hiện hành.

Các vật liệu sử dụng để chế tạo mẫu bao gồm cát, xi măng, tro bay, sợi thép, silica fume, phụ gia, nước sinh hoạt, vỏ thép và vỏ nhựa Chi tiết về yêu cầu cụ thể của từng loại vật liệu sẽ được trình bày ở phần dưới.

Cát cho bê tông cần đảm bảo không bị nhiễm mặn, nhiễm phèn và ít lẫn tạp chất Việc cát chứa nhiều tạp chất như bụi, bùn, sét sẽ tạo ra một lớp màng mỏng trên bề mặt cốt liệu, cản trở sự tiếp xúc giữa xi măng và các cốt liệu khác Điều này dẫn đến giảm tính kết dính và làm giảm cường độ của bê tông.

Trong nghiên cứu này, cát trắng không tạp chất được sử dụng cho thí nghiệm, đáp ứng các quy định hiện hành Hình 3.2 minh họa loại cát trắng với đường kính hạt lớn nhất là 1 mm Cát trong cấp phối HPFRC đóng vai trò cốt liệu lớn, trong khi tro bay và silica fume đảm nhận vai trò cốt liệu nhỏ.

Tro bay loại F là sản phẩm thu được từ bụi thải trong quá trình đốt than đá (than cốc), được sử dụng trong thí nghiệm do có hàm lượng CaO dưới 6% Thành phần hóa học của tro bay loại F được trình bày trong Bảng 3.1.

Bảng 3 1 Thành phần hóa học của tro bay

Theo bảng trên ta thấy tỷ lệ SiO2 trên Al2O3 của tro bay này là 1,62% hàm lượng CaO thấp nhưng hàm lượng mất khi nung khá cao (9,63%)

Các chỉ tiêu vật lý chính của tro bay như sau: khối lượng thể tích 1.41 T/m3, độ mịn: 94% lượng tro bay lọt qua sàng có cỡ sàng là 0,08 mm

Tro bay giúp giảm nhiệt thủy hóa khi sử dụng cho bê tông khối lớn, đồng thời giảm lượng nước trộn và hiện tượng phân tầng Nó còn tiết kiệm nước, cải thiện độ thấm nước và tăng cường tính bền trong môi trường nước, đồng thời làm chậm quá trình đông kết Hình 3.3 minh họa việc sử dụng nguyên liệu tro bay.

Xi măng poóc lăng hỗn hợp là chất kết dính quan trọng trong bê tông và ngành xây dựng, được sản xuất bằng cách nghiền mịn clanhke xi măng poóc lăng với thạch cao và các phụ gia khoáng Ngoài ra, có thể sử dụng phụ gia công nghệ trong quá trình nghiền hoặc trộn đều các phụ gia khoáng đã nghiền mịn với xi măng poóc lăng để nâng cao chất lượng sản phẩm.

Hình 3.4 minh họa xi măng đã dùng đúc mẫu thí nghiệm là loại PC40 Insee,

PC là ký hiệu cho xi măng poóc lăng hỗn hợp, trong đó trị số P40 biểu thị cường độ nén tối thiểu của mẫu vữa chuẩn sau 28 ngày đóng rắn, được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2682: 2009.

Thành phần hóa học chủ yếu của silica fume là SiO2, đường kính 0.01-10 μm các tính chất của silica fume trình bày trong Bảng 3.2

Để nâng cao độ đặc chắc của bê tông, silica fume với kích thước siêu mịn có khả năng lấp đầy các lỗ rỗng vi mô giữa các hạt xi măng, từ đó giảm thiểu khả năng thấm nước và tăng cường liên kết giữa cốt liệu và hồ xi măng So với bê tông thông thường, bê tông sử dụng silica fume cho thấy hiệu quả vượt trội Hình 3.5 minh họa việc sử dụng silica fume trong quá trình đúc mẫu thí nghiệm.

Bảng 3.2 Tính chất kỹ thuật của silica fume

Hàm lượng SiO2 % Độ ẩm (%) Lượng mất khi nung Tỷ lệ (m 2 /g)

Cốt sợi thép trong nghiên cứu bao gồm hai loại với hình dạng khác nhau: loại 1 là sợi to có hai đầu móc (hàm lượng 1% theo thể tích) và loại 2 là sợi nhỏ lượng sóng (hàm lượng 0.5% theo thể tích) Tính chất của các loại sợi được trình bày trong Bảng 3.3 và 3.4, trong khi Hình 3.6 và 3.7 minh họa hai loại cốt sợi sử dụng Các loại sợi này được thêm vào mẻ trộn theo thứ tự: sợi nhỏ trước, sợi to sau.

Bảng 3 3 Thông số sợi thép loại 1 Đường kính sợi (d) 0,5 mm ± 0,04 mm Chiều dài sợi (L) 30 mm ± 2 mm

Chiều dài móc (l và l’) 2 – 4 mm

Chiều sâu móc (h và h’) 1,8 mm + 0,3 mm

Số lượng sợi trong 1 kg 17.400 Độ bền kéo >1200 N/mm 2

Hình 3 6 Sợi loại 1 –Sợi thép tròn, thẳng có 2 đầu móc (Hook)

Bảng 3 4 Thông số về sợi loại 2 Đường kính sợi (d) 0.2 mm ± 0,01 mm

Chiều dài sợi (L) 13 mm ± 0.2 mm

Tỉ số hình học (L/d) 65 Độ bền kéo >2000 N/mm 2

Hình 3 7 Sợi loại 2 –Sợi thép nhỏ, thẳng (Smooth)

3.2.6 Nước sinh hoạt sử dụng trộn hồ vữa bê tông TCVN 4506: 2012 [33]

Nước sinh hoạt dùng để trộn hồ vữa bê tông phải không chứa tạp chất vượt quá giới hạn theo tiêu chuẩn TCVN 4506 - 2012 Việc có quá nhiều tạp chất sẽ làm giảm độ bền và độ kết dính của hồ vữa cùng các cốt vật liệu Theo Bảng 3.5, hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan trong nước trộn bê tông và vữa được quy định rõ trong TCVN 4506:2012 Nước sử dụng trong thí nghiệm là nước thủy cục, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn này.

Bảng 3 5 Chỉ định nước sử dụng trộn bê tông và vữa TCVN 4506:2012 [34]

Hàm lượng tối đa cho phép Muối hòa tan

1 Nước trộn bê tông và nước trộn vữa bơm bảo vệ cốt thép cho các kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước

2 Nước trộn bê tông và nước trộn vữa chèn mối nối cho các kết cấu bê tông cốt thép

3 Nước trộn bê tông cho các kết cấu bê tông không cốt thép Nước trộn vữa xây dựng và trát

3.2.7 Phụ gia hóa dẻo theo TCVN 8826 -2011[34]

Phụ gia Sikament NN, theo tiêu chuẩn TCVN 8826 - 2011 và ASTM C494 -86 loại F, có tác dụng giảm lượng nước trong quá trình trộn bê tông, đồng thời nâng cao khả năng thi công của hỗn hợp mà không làm giảm cường độ bê tông Đây là loại phụ gia giảm nước và nhanh ninh kết cao cấp (siêu dẻo).

- Gốc hóa học: Naphtalen Formadehyt Sulfonat

- Hàm lượng sử dụng: 0 6 – 2 / 100 kg xi măng

- Khối lượng thể tích: 1.19 – 1.22 kg/lít

Hình 3.8 Phụ gia siêu dẻo sử dụng trong thí nghiệm

3.2.8 Vỏ nhựa Bình Minh theo TCVN 6151 - 2: 2002[35]

Ống nhựa uPVC của công ty nhựa Bình Minh được sử dụng trong thí nghiệm, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 6151 - 2:2002 về ống và phụ kiện uPVC dùng để cấp nước Theo thông tin từ nhà sản xuất, ống nhựa có các tính chất cơ lý như mô đun đàn hồi 3000 MPa, cường độ bền kéo đứt 50 MPa, trọng lượng riêng 1,4 g/cm3 và hệ số giãn nở nhiệt 0,08 mm/m 0 C.

Hình 3.9 Ống nhựa uPVC 114 khi chưa gia công

Hình 3.10 Ống nhựa sau khi gia công làm vỏ mẫu thí nghiệm

Bảng 3 6 Tính chất cơ-lý của nhựa uPVC làm vỏ mẫu

Mô đun đàn hồi (MPa)

Cường độ bền kéo đứt (MPa)

Hệ số giãn nở nhiệt (mm/m o C)

3.2.9 Vỏ thép Hòa Phát TCVN 1651 - 2:2018 [36]

Hình 3.11 Ống thép Hòa Phát 114 khi chưa gia công

Thí nghiệm sử dụng ống thép của nhà sản xuất Hòa Phát có đường kính trong

Vật liệu thép làm vỏ mẫu có các tính chất cơ lý quan trọng được trình bày trong Bảng 3.7, với ống thép có mô đun đàn hồi đạt 200000 MPa, cường độ chảy là 240 MPa và cường độ kéo đứt.

380 MPa, trọng lượng riêng 7,85 g/cm 3 Hệ số giãn nở nhiệt 0,01 mm/m 0 C Hình

3.11 minh họa ống thép Hòa Phát 114 khi chưa gia công

Bảng 3 7 Tính chất cơ lý của thép làm vỏ mẫu

Mô đun đàn hồi (MPa)

Cường độ bền kéo đứt (MPa)

Hệ số giãn nở nhiệt (mm/m o C)

Hình 3.12 Công tác chuẩn bị vỏ nhựa, vỏ thép thí nghiệm

Hình 3.12 minh họa các mẫu thép đã được gia công hàng loạt để làm vỏ mẫu thí nghiệm Trong quá trình tạo mẫu, cần đặc biệt chú ý đến an toàn lao động, vì thép là vật liệu kim loại có thể tạo ra những vết xước sắc bén Điều này có thể dẫn đến nguy cơ bị thương, như đứt tay, trong lúc thực hiện thí nghiệm Do đó, việc đeo găng tay, mũ bảo hộ và kính bảo vệ là rất cần thiết khi thao tác.

Chuẩn bị thí nghiệm

Các bước chính trong công tác chuẩn bị thí nghiệm bao gồm: mua sắm các vật liệu thành phần, tập kết tại phòng trộn mẫu, chế tạo hỗn hợp bê tông, tiến hành mài mẫu, và chuẩn bị thiết bị đo chuyển vị cùng với thiết bị strain gauge để đo biến dạng.

3.3.1 Chế tạo hỗn hợp bê tông

Cấp phối bê tông được chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 5276 – 1993 Bảng 3.8 trình bày cấp phối HPFRC sử dụng trong thí nghiệm Sau khi cân đo đầy đủ các nguyên liệu như cát, xi măng, silica fume và tro bay, các vật liệu này được trộn trong máy trộn cho đến khi hòa quyện Sợi được thêm vào trong quá trình trộn theo hàm lượng đã tính toán Hỗn hợp nước và phụ gia dẻo cũng được cho vào để tạo thành hỗn hợp bê tông Độ linh động của hỗn hợp bê tông được xác định qua thử nghiệm độ sụt theo TCVN 3106 - 1993, và sau đó mẫu bê tông được đúc để xác định các tính chất cơ lý theo các tiêu chuẩn TCVN 3118 - 1993, TCVN 5074 - 2012 và TCVN 3119.

Thông tin trên vỏ bao gồm loại vỏ, chiều dày, ngày đổ mẫu từng đợt và ký hiệu mẫu, nhằm thuận tiện cho việc quản lý trong quá trình bảo dưỡng và nén thí nghiệm.

Tro bay, silicafume, xi măng Cát Cốt sợi ssợi nước, phụ gia Định lượng khối lượng Kiểm tra Nhào trộn Đúc mẫu Dưỡng hộ

Mài mẫu, gắn strain gauge

Bảng 3 8 Cấp phối HPFRC theo trọng lượng

Hình 3.13 Công tác chuẩn bị và nhào trộn hỗn hợp bê tông

Hình 3.13 minh họa quá trình chuẩn bị hỗn hợp bê tông HPFRC cùng các nguyên liệu cần thiết Mặc dù hỗn hợp có độ linh động tốt để tự đầm lèn, sự hiện diện của sợi thép có thể gây ra các lỗ rỗng Do đó, trong quá trình đổ mẫu, cần áp dụng phương pháp rung lắc để đảm bảo vữa bê tông cốt sợi không bị bọt khí, từ đó không ảnh hưởng đến sức kháng nén trong thí nghiệm.

Phụ gia hóa dẻo (kg)

3.3.2 Qui trình hoạt động khi trộn bê tông

Trước khi trộn bê tông, hãy cho máy chạy không tải vài vòng để làm quen Đối với mẻ trộn đầu tiên, đổ khoảng 15% đến 20% nước vào để ướt vỏ cối và bàn gạt, giúp ngăn ngừa mất nước do vỏ cối hút và tránh vữa bê tông dính vào cối Sau đó, cho xi măng và cốt liệu vào cùng lúc, tiếp tục đổ dần phần nước còn lại và trộn đều cho đến khi hỗn hợp đồng nhất Thời gian trộn sẽ phụ thuộc vào đặc trưng kỹ thuật của thiết bị Để tránh hỗn hợp bê tông bám dính vào thùng trộn, sau mỗi 2 giờ làm việc, cần đổ thêm một lượng nước lớn vào cối trộn.

Chỉ cần 5 phút để chuẩn bị cối trộn chống dính cho hỗn hợp bê tông tiếp theo Sau đó, thêm xi măng và cát vào để trộn theo thời gian quy định.

Hình 3.14 Các mẫu đang chờ đông cứng

Mẫu bê tông trong hình 3.14 đang trong quá trình đông cứng Trong quá trình tạo mẫu, phần lõi bê tông cần được đổ nhô lên 5 ÷ 7 mm để bù đắp cho độ sụt trong ống mẫu Bên cạnh yêu cầu chế tạo, việc dưỡng hộ mẫu cũng rất quan trọng; bê tông cần được giữ ẩm tốt sau khi đúc Mặc dù bề mặt bê tông có thể khô và có vẻ đông cứng, nhưng quá trình thủy hóa bên trong vẫn tiếp diễn để đạt cường độ tối ưu Trong điều kiện khô, nước trong bê tông bốc hơi nhanh, làm gián đoạn quá trình thủy hóa và có thể dẫn đến nứt nẻ Ngoài ra, nhiệt độ môi trường cần được duy trì trong khoảng 20°C đến 30°C để đảm bảo chất lượng mẫu.

Hình 3.15 trình bày quy trình bảo dưỡng mẫu bê tông trong bể nước trong vòng 24 ngày để thực hiện quá trình thủy hóa Sau thời gian này, các mẫu bê tông sẽ được lấy ra và mài phẳng bề mặt.

28 ngày tuổi, các mẫu được mang đi tiến hành thí nghiệm

Hình 3.15 Các mẫu dưỡng hộ trong nước

3.3.3 Gia công mài mẫu và thí nghiệm

Hình 3.16 Gia công mài mẫu trước khi ép

Sau 24 ngày dưỡng hộ trong nước, các mẫu được lấy ra và tiến hành mài phẳng bề mặt mẫu Điều này giúp thí nghiệm nén phản ánh đúng kết quả Hình 3.16 mô tả dùng máy mài để làm phẳng bề mặt mẫu trước khi thí nghiệm nén Các mẫu trước khi nén thí nghiệm phải mài phẳng đầu trên cũng như kiểm tra tính bằng phẳng của cả 2 mặt vật liệu thí nghiệm Hình 3.17 thể hiện các mẫu sau khi mài đầu trên Để có thể nén lõi bê tông mà không bị cấn lên vỏ, thí nghiệm đã dùng 2 tấm đệm thép mài nhẵn có bề dày mỗi tấm 12 mm với đường kính xấp xỉ đường kính trong của mẫu nén, xem Hình 3.18 Lưu ý rằng thí nghiệm chỉ nén phần lõi, không nén phần vỏ Trong quá trình nén thí nghiệm, biến dạng và lực nén được máy ghi lại

Hình 3.17 Gia công mài mẫu trước khi ép

Hình 3.18 Tấm đệm thép dày 12 mm mài nhẵn

3.3.4 Qui trình nén mẫu thí nghiệm

- Tập kết các mẫu về phòng thí nghiệm có máy nén mẫu

Để đảm bảo strain gauge không bị rơi trong quá trình nén mẫu, cần vệ sinh kỹ lưỡng các mẫu trụ, loại bỏ bụi bẩn trước khi dán thiết bị đo biến dạng lên thân mẫu.

Hình 3.19 Stran Gauges dùng để thí nghiệm

Strain gauges được sử dụng để thực hiện thí nghiệm đo biến dạng nở hông và biến dạng dọc vỏ trụ ống Chúng được dán ngang và dọc theo chiều cao mẫu, với vị trí dán nằm ở khoảng giữa mẫu Mỗi mẫu sẽ sử dụng hai strain gauges được dán đối xứng qua trục của mẫu.

Hình 3.20(a) trình bày cách bố trí thiết bị đo biến dạng (strain-gauge) dọc theo chiều cao để đo biến dạng dọc trục của vỏ, trong đó biến dạng dọc trục của lõi được tính gần đúng bằng cách chia chuyển vị đầu ép cho chiều cao mẫu Biến dạng vỏ được đo bằng strain gauge để so sánh với biến dạng lõi Hình 3.20(b) minh họa cách bố trí strain-gauge dọc theo chu vi để đo biến dạng nở hông Đối với mẫu cao 600 mm, khung gắn đầu đo chuyển vị thẳng đứng và nở hông được sử dụng, như thể hiện trong Hình 3.20(c).

Hình 3.20 Stran Gauges dán dọc và ngang của ống trụ

Hình 3.21 Thực hiện dán Stran Gauges

Hình 3.22 Dùng keo AB dán thí bị Stran Gauges

Hình 3.21 và Hình 3.22 minh họa quy trình gắn strain gauges, sử dụng keo AB với tỷ lệ 1/1 để tạo ra chất kết dính cứng Việc trộn đều keo này giúp cố định strain gauges lên mẫu thí nghiệm một cách hiệu quả.

Căn cứ vào kích thước cũng như sức kháng nén dự đoán: dùng máy nén Matest

3000 kN cho mẫu có chiều cao 200 mm và 400 mm, dùng máy kéo nén Matest 1000 kN cho mẫu có chiều cao 600 mm

Bộ điều khiển kết nối với máy tính bàn để xuất dữ liệu trong phòng thí nghiệm nén mẫu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM được mô tả trong hình 3.23.

Mở nguồn khởi động để máy nén 3000 kN hoạt động, kiểm tra các nút chuyển chế độ bằng cách điều chỉnh cần gạt Đảm bảo bộ phận điều khiển hiển thị các thông số cần thiết, xác nhận máy hoạt động tốt Điều chỉnh bộ điều khiển về chế độ nén bê tông và cài đặt tốc độ gia tải là 3 kN/s để máy nén hoạt động hiệu quả.