Nội dung

PGS. TS. NGUYỄN VIẾT TRUNG (Chủ biên) TS. NGUYỄN NGỌC LONG - ThS. PHẠM DUY ANH BÊ TỐNG CÓT SỢI THÉP (Tái bản) NHÀ XUẤT BẢN XẢY DỰNG HÀ NỘI-2010 M Ở ĐẦU Trong điều kiện công nghệ, vật liệu xây dựng và điều kiện môi trường ở Việ! Nam hiện nay. nhiều công trình hoặc bộ phận kết cấu đã phát sinh vết nứt Ìgay trong giai đoạn thi công hoặc chỉ sau một thời gian sử dụng ngắn. Nhi vậy có một nhu cầu rất quan trọng là phòng tránh và xử lí các dạng vết nứt :>hát sinh trong quá trình thi công và khai thác các công trình bê tông cốt thép. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra vết nứt đối với các cấu kiện bê tông như do cường độ chịu kéo kém của bê tông, co ngót, từ biến hoặc tại các vị trí dặc biệt trorni kết cấu chịu ứng suất rất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thôrg thường không đủ khả năng chịu lực, ví dụ như bản mặt cầu bằng bê tônị cốt thép, ụ n eo cáp của cầu dây văng; các mối nối quan trọng giữa các đốt iầm trong các cầu ứng dụng công nghệ đúc hẫng hoặc lắp hẫng... Pể giải quỵct vân đề này, người ta đã sử dụng rất nhiều biện pháp như cãní; kéo cốt thép dự ứng lực, dùng các chất phụ gia chống co ngót, hay bố trí cíc loại cốt thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết..., tuy nhiên các giải pháp này không phải trường hợp nào cũng có thể phát huy được tác dụng của nó. Bên cạnh đo các nhà khoa học còn tìm các giải pháp để tăng cường khả năng chu lực cua be tong thông qua việc thay đổi một số tính chất của vật liệu này như cho thêm vào bê tông một số cốt liệu muội silic, các loại sợ i... Trong các giải pháp trên, giải pháp tăng cường bê tông bằng các vật liệu dạn ' sợi là một ý tường được các nhà nghiên cứu quan tâm trên thế giới. Riêig đối với ngành xây dựng dân dụng nói chung hay ngành xây dựng cầu đưcng nói riêng ở Việt Nam thì đây là một vấn đề khá mới mẻ. íợi được dùng đế gia cường bê tông có rất nhiểu loại như sợi thép, sợi cacton, sợi thuỷ tinh, sợi chất dẻo, sợi thực vật... trong đó sợi thép là một chọi lựa khá hợp lí vì giá thành rẻ hơn so với sợi cacbon, sợi thuỷ tinh và khảnãng chịu lực lớn hơn so với sợi chất dẻo, sợi thực vật. pên cạnh đó, bê tông và thép là hai loại vật liệu đã được ứng dụng rất rộm rãi, khả năng làm việc chung với nhau của chúng rất hợp lí và đã được nghẽn cứu khá đầy đủ. Sợi thép có thể thay thế phần nào các thanh cốt thép trorg kết cấu bê tông cốt thép và đem lại một số tính chất ưu việt. Cuốn sách này chỉ giới thiệu về bê tông cốt sợi thép là dạng bê tông cốt sợi có triển vọn> áp dụng rộng rãi nhất. 3 Chương 1 CẤU TẠO CHUNG CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI Việc dùng sợi để tăng cường khả nãng chịu lực cho bê tông xi măng là một ý tướng được đề ra từ rất lâu. Bê tông cốt sợi đã được bắt đầu nghiên cứu từ đầu những năm 1960. Ngàv nav các dạng kết cấu như: dầm, bản, vỏ bằng bê tông xi măng hoặc bê tông cốt thép có gia cường bằng sợi thép nhỏ, sợi polyme, sợi thủy tinh bền kiềm, sợi cacbon, sợi gỗ, sợi thực vật đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như bước đầu được quan tâm ở nước ta. 1.1. CÁC ÚNG DỤNG CỦA BÊ TÔNG C ốT SỢI THÉP Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng trong một số trường hợp, bê tông cốt sợi thép không thể thay thế hoàn toàn bé tông cốt thép thường, ví dụ như trong trường hợp chịu ứng suất kéo lớn. Bé tông cốt sợi thép cũng không thể thay thế được bê tông cốt thép dự ứng lực nhưng lại có thể kết hợp để tạo thành kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực pha sợi thép với những tính nãng chịu lực đặc biệt. Việc sử dụng cốt thép sợi sẽ làm cải của bê tông. Trong những trường hợp có chế sử dụng cốt thép hoặc những cóng tông phun làm vỏ hầm, vỏ tầu thuỷ), bê pháp hợp lý. thiện đáng kể các đặc tính chịu lực vêu cầu riêng về độ ổn định, về hạn trình cần phải gia cường (ví dụ bê tông cốt sợi thép có thể là một giải Những ưu điểm khác của bê tỏng cốt sợi thép: + Giảm biến dạng do từ biến và biến dạng do co ngót. + Tăng khả năng chống cắt. + Cải thiện vấn đề nứt. Ngoài ra, bè tông cốt sợi thép sẽ là sự chọn lựa rất hợp lí khi ứng dụng cho các cấu kiện chịu lực tập trung lớn. 5 Cộng hoà Liên bang Đức là nước có rất nhiều dự án đã và đang sử dụng bê tông cốt sợi thép từ năm 1989 (đã sản xuất và sử dụng 1.000 - 1.200 tấn bê tông cốt sợi thép). Cho đến nay, Đức là nước sản xuất và sử dụng phần lớn loại vật liệu này. Với số lượng lớn và các công trình nghiên cứu về các dự án xây dựng, các nước thuộc Scandinavia như Na Uy, Thụy Điển đã là những nước đi tiên phong trong việc sử dụng loại vật liệu này, đồng thời giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực này. Bê tông cốt sợi thép cũng đã được sử dụng ở các nước Tây Âu từ cuối những năm 70. Tuy nhiên, cho đến nay Mỹ và Nhật Bản mới là những nước đi tiên phong trong việc sử dụng rộng rãi loại bê tông này. 1.1.1. Tổng quan về sử dụng bê tông cốt sợi thép trong ngành công trình 1.1.1.1. Kết câu và cấu kiện đúc sẵn Bê tông cốt sợi thép là một giải pháp hợp lý đối với nhiều dạng kết cấu. Có thể ứng dụng cả hai loại vật liệu: + Gia cường bê tông bằng sợi thép; + Gia cường bê tông kết hơp sợi thép và cốt thép thanh. Cho dù là dùng loại vật liệu nào thì kết quả đạt được đều rất khả quan. Và việc ứng dụng cốt sợi thép để gia cường bê tông đã đưa giải pháp cho nhiều trường hợp. + Có tải trọng gây uốn diện tích không lớn; + Những chỗ không thể phân bố co ngót hoặc bố trí cốt thép. Bê tông cốt sợi thép đã được ứng dụng để sản xuất nhiều dạng cấu kiện như : + Cấu kiện thanh đúc sẵn. + Ống đúc sẵn. + Vỏ garage. + Tường bê tòng đúc sẵn. Sử dụng bê tông cốt sợi thép cho các cấu kiện trên dẫn đến việc giảm đáng kể cốt thép, đồng thời đáp ứng đủ các yêu cầu về gia cường cấu kiện khi chịu các ứng suất lớn nhất. Các cấu kiện được đúc trong xưởng, tránh được sự ảnh hưởng của thời tiết, cùng với sự giám sát chặt chẽ quá trình sản xuất nên tạo được khả năng sử dụng lý tưởng của bê tông cốt sợi thép. Những ưu điểm của bê tông cốt sợi thép đặc biệt phù hợp với việc sản xuất các tấm mỏng, các cấu kiện nhỏ và vừa. 6 úng dụng bê tông cốt sợi thép đã làm giảm kích thước cấu kiện dẫn đến giảm khối lượng các cấu kiện trên. Bê tông cốt sợi thép có cường độ sớm lớn nên rất phù hợp với quá trình sản xuất hàng loạt. Bê tông cốt sợi thép có khả năng chống cắt lớn nên có thể giảm hoặc thâm chí loại bỏ cốt xiên trong các cấu kiện không chịu lực lớn. Gia cường cốt sợi thép trong bê tông đã làm tăng độ bền của bê tông cốt sợi thép. Giảm co ngót và giảm nứt đáng kể nên bảo vệ cốt thép tốt hơn khi chịu tác động của điều kiện môi trường. Giảm các thanh thép ở các vùng chịu trọng tải tập trung dẫn đến tiết kiệm thời gian và tiền bạc cho các kết cấu cốt thép phức tạp. 1.1.1.2. Kết cấu mặt dường và tấm sàn công nghiệp Khi sử dụng bê tông cốt sợi thép cho loại kết cấu này, cốt thép thanh thông thường chỉ cần thiết khi khoảng cách giữa các dầm quá lớn hay tấm sàn chịu ứng suất lớn. Khi sử dụng bê tông cốt sợi thép do không phải đặt các lưới cốt thép nên có thể giảm thiểu chiều dày lớp bê tông bảo vệ, dẫn đến chiểu dày tấm bản có thể giảm đi đáng kể so với kết cấu bê tông cốt thép thường. Sử dụng bê tông cốt sợi thép thì độ dày trung bình của tấm sàn từ 15 - 25 cm. Với diện tích sử dụng lớn, chịu được cả tác động của tải trọng rất lớn vì thế đã được ứng dụng rộng rãi để làm các tấm sàn cho các bãi chứa hàng, bãi chứa Container hạng nặng có sử dụng các loại xe vận chuyển và cần cẩu hạng nặng. Để giảm hiện tượng nứt trong các tấm sàn gây ra bởi sự thay đổi thời tiết chẳng hạn thì phải dùng một lượng tương đối lớn cốt thép, nhưng nếu sử dụng bê tông cốt sợi thép thì các vấn đề này đã được giải quyết ổn thoả. Với những đặc tính cơ học đặc biệt: độ nhám, khả năng chống va chạm và khả năng chống ăn mòn bề mặt, bê tông cốt sợi thép đưa ra một giải pháp thực tế hơn so với bê tông cốt thép. Khả năng chống va chạm, chống ăn mòn bề mặt đang được khai thác trong việc thi công, xâv dựng sàn bê tông. Mặc dù chịu tác động của nhiệt độ, biến dạng do co ngót và tải trọng của các phương tiện vận tải lớn, những sàn bê tông có sử dụng bê tông cốt sợi thép trong một số công trình đã khóng xuất hiện bất cứ hiện tượng nứt nào sau khoảng gần một năm sử dụng. 7 Bê tông cốt sợi thép cũng có nhiều ưu điểm để bảo vệ cạnh của các tám sàn khi có tải trọng tập trung, tấm sàn làm bằng bê tống có thể nứt trong trường họp nàv. 1.1.1.3. M óng chịu tác dụng của tải trọng động Trong hầu hết các vật liệu xây dựng thì khả nãn^ chịu tải trọng động nhỏ hơn khả năng chịu tĩnh tải. Với khả năng chống va chạm và đặc tính biến dạng cao, bê tông cốt sợi thép có nhiều ưu điểm khi sử dụng để thi công các móng chịu tác động của tải trọng động. 1.1.1.4. Đường ống bằng bê tông cốt sợi thép - Từ những năm 70, những đường ống có đường kính 1000 - 1500 mm sản xuất hàng loạt tại Hungary. Gia cường sợi thép có thể giảm các vết nứt sinh ra do ảnh hưởng của nhiệt độ và co ngót. - Các ưu điểm của bê tỏng cốt sợi thép được khai thác, sứ dụng là: + Cường độ sớm cao; + Cải thiện khả nãng chịu uốn; + Không cần sử dụng cốt thép; + Giảm lỗi chế tạo. - Khả nãng chống phá hoại bề mặt và độ bền kéo của bê tông cốt sợi thép đã được dùng để sửa chữa và bảo dưỡng kết cấu. 1.1.1.5. Ôn định mái dốc Như chúng ta đã biết, khi sử dụng tường chắn xây dựn? bằng đá trong một thời gian lâu dài, dưới tác động của môi trường và điều kiện tự nhiên sẽ dẫn đến hiện tượng phong hóa. Vấn đề đặt ra ở đây là tường chắn phải luôn ổn định và bền vững trong các trường hợp chịu tác động của môi trường và như vậy đòi hỏi phải sử dụng một loại vật liệu có khả năng chịu lực hợp lí và đồng thời phải có độ bển cao. Chính vì lí do đó, bê tông cốt sợi thép đã và đang được dùng cho ổn định mái dốc và nó được chứng minh là một giải pháp khả thi cả về kỹ thuật lẫn kinh tế. Khi ứng dụng bê tông cốt sợi thép cho loại kết cấu này, người ta thấy rằng bê tông cốt sợi thép thực sự thuận lợi cho mọi địa hình thi công. Ngoài ra, bê tông cốt sợi thép còn làm cho tâng độ dính bám, liên kết giữa bê tông và đá. - Khả nãng chống va chạm và chống phá huỷ bề mặt cao làm cho bê tông cốt sợi thép đặc biệt phù hợp để bảo vệ đá khỏi sự ảnh hưởng của nước mưa, lũ đồng thời tãng tính liền khối và giảm sự phong hoá của đá. 1.1.2. Dùng bê tông cốt sợi thép trong việc sửa chữa và gia cô công trình Mọi cồng trình đều chịu các tác động của điều kiện môi trường và các tác nhân bên ngoài như : - Tác động cơ học tự nhiên - Tuổi thọ công trình - Điểu kiện môi trường - Điều kiện sử dụng thay đổi dẫn đến thay đổi về tải trọng công trình. Do đó, các công trình có thể bị phá hoại và hư hỏng. Những tác động nàv cần phải dược tính toán và dự đoán nhằm có biện pháp tâng cường và sửa chữa hợp lí. Bê tông cốt sợi thép đặc biệt phù hợp cho công việc duy tu và sửa chữa các cóng trình. Có thể ứng dụng dưới hai dạng: ^ - Bê tông phun. - Bê lỏng thòng thường. lỉê tông phun sử dụng cốt sợi có ưu điểm về chất lượng, tiết kiệm nguyên liệu, đảm bảo tốc độ phụt cao, dẻ dàng an toàn trong thi công. Đồng thời bô tồng cốt sợi thép cũng có thể dùng kết hợp với bê tông cốt thép thông thường để duy tu, sửa chữa trong trường hợp cần thiết. Bên cạnh đó, do sử dụng cốt sợi thép nên loại vật liệu này vừa mạng tính chất của bê tông cốt thép thông thườns, tức là vật liệu có cốt, đồng thời lại cổ những lính chất rất đặc biệt và dễ dàng sử dụng trong quá trình duy tu và sửa chữa và giúp cho công việc nàv được thi công đơn giản hơn. Với lí do đó, việc ứng dụng bẽ tông cốt sợi thép trong duy tu và sửa chữa sẽ giúp cho chất lượng cống trình đảm bảo, giá thành công trình hạ (do biện pháp thi công đơn giản hơn rất nhiều). 1.2. CÁC LOẠI SƠI 1.2.1. Sợi thép Sợi thép được sản xuất từ thép cacbon hay thép không gỉ, cường độ chịu kéo trong khoảng 345 - 1380 MPa. môđun đàn hồi khoảng 200 GPa, tiết diện sợi thép có thế là tròn, vuông, chiều dài sợi thép thường nhỏ hem 75mm. Ti sô' chiều dài sơi trên đườníỉ kính sợi từ 30 -100 thường hay sử dụng để gia cường cho bê tông xi mãns. 9 Sợi thép nhỏ hạn chế được tính giòn và đã gia tăng tính dẻo dai của bê tông xi măng đã được sử dụng để sản xuất các tấm sàn phẳng cho sân bã. và các lớp mặt trong đường hầm. Một sô loại sợi thép được sử dụng trên thế giới Hình dạng sợi m ZZZI Công nghê chế tạo Công ty sản xuất Tên sợi Cán hay dập bằng máy Treíiỉ ARBED Wirex Eurosteei Cắt hoặc bào từ phôi thép Australien Wire Fibresteel Cán hay dập bằng máy Bekaert Dramix Cán hay dập bằng máy National-standard Duoíomi Cán hay nghiền bằng máy Harex Stahlíasertechnik Harex Cán hay dập bằng máy Stax Cắt và xoắn bằng máy National-standard Melt-extracted Cán hay dập bằng máy Thibo ! Cắt hoặc bào từ phôi thép ƯS - Steel Steel sheet fibres Đầu tiên các nhà khoa học chỉ dùng những sợi thép nhỏ và thẳng để tăng khả năng chịu uốn và chống nứt cho bê tông. Shah và Rangan đã nghiên cứu bê tông sợi thép nhỏ với đường kính 0,25 075 mm, để chế tạo cấp phối hỗn hợp bê tông dẻo. Lượng sợi sử dụng và tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi của sợi thép thẳng là yếu tố chính để thí nghiệm kiểm tra các tính chất của bê tông cốt sợi thép. Khối lượng sợi thép dùng trong khoảng từ 90 - 120 kg/nr’ bê tông. Với mật độ sợi cao, khó khàn chính gặp phải là sợi sẽ cuộn lại thành cục trong quá trình trộn, nhất là khi dùng sợi dài. Việc sử dụng sợi thép làm cho độ dẻo của hỗn hợp bê tông giảm. Khuynh hướng này ảnh hưởng đến chất lượng của bê tông, đặc biệt, với một số lượng cao. Để khắc phục hiện tượng này Ramakrishman và các cộng sự của ông (iã dùng các loại phụ gia dẻo giảm nước cho với một lượng nhỏ để điều chỉnh tính dẻo của hỗn hợp bê tông. 10 1.2.2. Sợi thuỷ tinh Sợi thủy tinh được sử dụng chủ yếu để sản xuất các tấm bê tông phẳng cốt sợi. Những loại sợi thủy tinh E sử dụng trong bê tông đều bị phân hủy trong môi trường kiềm của xi măng poóclăng. Chính vì vậy, một loại sợi thủy tinh bền kiềm được sản xuất để thay thế có sợi thủy tinh E trong bê tông cốt sợi thủy tinh. 1.2.3. Sợi tổng hợp polyme Sợi tổng hợp polyme được sản xuất từ các sản phẩm của cống nghệ dầu mỏ và công nghệ dệt. Những loại sợi polyme đã sử dụng với vật liệu nền xi mãng gồm: acrylic, aramid, nylon, polyester, polyethylen và polypropylen. Chúng có cường độ chịu kéo cao, nhưng hầu hết các sợi này có môđun đàn hồi thấp. Đường kính của sợi rất nhỏ nên tỉ số chiều dài trên đường kính sợi là cao, như vậy, chúng rất có ích đối với sự gia cường bê tông. Những thuận lợi của các loại sợi polyme là khả năng bền trong môi trường kiềm của xi măng. Tuy nhiên, bất lợi là môđun đàn hồi thấp, tính bám dính với vật liệu nền kém, nhạy cảm với bức xạ mặt trời và bị oxy hóa. Hạn chế cơ bản của các loại sợi này là giá thành cao hơn so với một số sợi khác. Các tác giả Balaguru, Bohra, Khajuria đã nghiên cứu độ bền sau 10 năm của các tấm xi măng gia cường bằng các sợi polypropylen, nylon, polyester. Mẫu thử được chế tạo với sợi có độ dài 19 mm, hàm lượng xi mãng 307 kg/m 3 và tỉ số N/X 0,57, bảo dưỡng sau 28 ngày và sau đó thử độ bền theo các chu kỳ 0; 4; 8; 16; 32; 52 tuần lễ, điều kiện mẫu thử ngâm trong nước vôi bão hòa ở nhiệt độ 50”C. Cường độ chịu uốn tối đa của bê tông cốt sợi tổng hợp theo các chu kỳ thử độ bền, được giới thiệu trong bảng 1.1. Bảng 1.1 Cường độ chịu uốn tối đa (psi) Chu kỳ thừ (tuẩn lể) Nylon Polypropyien Polyester 0 313 262 450 4 309 274 282 8 438 381 356 16 350 431 378 32 406 400 456 52 543 444 481 11 Như vậy sau khi thí nghiệm cường độ của bê tông với các loại cốt sợi khác nhau đều tãng. 1.2.4. Sợi cacbon Sợi cacbon có giá thành cao hơn sợi polyme nên việc sử dụng chúng để gia cường cho vật liệu nền xi măng bị hạn chế. Sợi cacbon có môđun đàn hồi cao như sợi thép, chúng rất nhẹ, ti trọng khoảng 1,9 và đặc biệt là bền vững trong hầu hết các môi trường hóa học. Sợi cacbon được sản xuất thành bó sợi, có trên 12.000 sợi nhỏ riêng biệt. Sợi cacbon có cường độ và môđun (làn hồi cao hơn so với các loại sợi polyme. Một số công trinh tại Nhật đã dùng các tấm bê tông sợi cacbon làm vật liệu bao che cho các tòa nhà cao tầng. Tuy nhiên, sợi cacbon nhào trộn thường khó khãn, chúng có khuvnh hướng cuộn tròn và phân tán không đồng nhất, đặc biệt khi hàm lượng theo thể tích sợi lớn hơn 3%. Cường độ chịu uốn của bê tông cốt sợi cacbon được giới thiệu trong bảng 1.2. Báng 1.2 Sợi cácbon (% thể tích sợi) Tải trọng Độ Cường độ Tải trọng Cường độ chịu ờ giới hạn đàn dẻo dai chịu uốn ở giới hạn tối đa (N) uốn tối đa (MPí hổi (N) đàn hồi (Mpa) (N /mm) 0 79 79 3 4.6 4.6 1 197 272 102 11,4 15.7 3 285 365 229 16,5 21,1 5 296 525 686 17,1 30,3 1.2.5. Sợi bazan Theo Tiến sĩ Djcgiric và Makhôva, sợi bazan và các vật liệu từ sợi bazan có tính cách ẩm, cách nhiệt, tính kết cấu cao. Sợi bazan hơn hẳn sợi thủy tinh và các loại sợi khác về độ bền nhiệt. Giíới hạn nhiệt sử dụng của sợi bazan từ 269°c - 900°c, trong khi đó sợi thùy tinh là 60°c - 450°c. Độ hút ẩm của sợi bazan nhỏ hơn 1 %, còn cúa sợi thuy tinh tới 10 - 20 %. Vé tính bền thủy phân sợi bazan được xếp vào nhóm đầu, còn về tính bền xít, bazơ và hơi nước, sợi bazan hơn hẳn sợi thủy tinh và các sợi khác. Do những tính chất cơ lý cao, sợi bazan dùng để sản xuất các loại bê tồng sẽ đem lại hiệu quả cao. 12