Tải bản đầy đủ

ỨNG DUNG THỰC TẾ BE TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG SANDWICH

i

.

TÁC GIẢ - THẠC SỸ KSXD
TRẦN ĐỨC TÙNG


ii
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU................................................................... 4
1.1. Kết cấu Sandwich ...................................................................................................4
1.1.1.Tổng quan ...............................................................................................................4
1.1.2. Phân loại kết cấu sandwich được sử dụng trong xây dựng ...................................5
1.2. Bê tông cốt lưới dệt (TRC) .....................................................................................9
1.2.1. Thành phần cấu tạo ................................................................................................9
1.2.2. Đánh giá ưu điểm, nhược điểm ...........................................................................20
1.2.3. Ứng dụng trong thực tế ........................................................................................21
1.3. Bê tông cốt liệu nhẹ...............................................................................................23
1.3.1. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ ...................................................................25

1.3.2. Thành phần của bê tông cốt liệu nhẹ ...................................................................28
1.3.3. Các tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ .................................................................29
1.3.4. Đánh giá ưu điểm, nhược điểm ...........................................................................31
1.3.5. Ứng dụng trong thực tế ........................................................................................31
1.4. Ứng xử dính bám giữa bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ ..............................32
1.4.1. Các dạng hư hỏng dính bám điển hình ................................................................32
1.4.2. Mô hình dính bám................................................................................................33
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ DÍNH BÁM GIỮA BÊ
TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ .............................................................. 34
2.1. Giới thiệu chung ...................................................................................................34
2.2. Thí nghiệm ép chẻ .................................................................................................36
2.2.1. Nội dung thí nghiệm ............................................................................................36
2.2.2. Thiết bị thí nghiệm ..............................................................................................37
2.2.3. Chuẩn bị mẫu thử.................................................................................................37
2.2.4. Quy trình thí nghiệm............................................................................................38
2.2.5. Tính toán kết quả .................................................................................................38
2.2.6. Kết quả thí nghiệm ..............................................................................................39
2.3. Phương pháp thí nghiệm kéo trượt bê tông cốt lưới dệt (TRC) ......................40
2.3.1. Nội dung thí nghiệm ............................................................................................40


iii
2.3.2. Thiết bị thí nghiệm ..............................................................................................41
2.3.3. Chuẩn bị mẫu thử.................................................................................................41
2.3.4. Quy trình thí nghiệm............................................................................................42
2.3.5. Kết quả thí nghiệm ..............................................................................................43
2.3.6. Mô phỏng kết quả thí nghiệm bằng phần mềm Atena....... Error! Bookmark not
defined.
2.4. Kết luận ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU
SANDWICH SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN ..........................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
3.1. Mục đích nghiên cứu mô phỏng .............................. Error! Bookmark not defined.
3.2. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Abaqus ........ Error!
Bookmark not defined.
3.3. Mô hình kết cấu ........................................................ Error! Bookmark not defined.
3.3.1. Thông số hình học ............................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Thông số vật liệu ................................................. Error! Bookmark not defined.
3.3.3. Quy trình mô phỏng ............................................. Error! Bookmark not defined.
3.4. Kết quả mô phỏng .................................................... Error! Bookmark not defined.


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 50


iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Ưu điểm của mặt cắt sandwich ..................................................................4
Bảng 1-2: Đặc trưng cơ học của một số loại vật liệu lớp mặt .....................................8
Bảng 1-3: Thành phần của một số hỗn hợp bê tông mịn điển hình [14] ..................15
Bảng 1-4: Các chỉ tiêu tính chất của bê tông nhẹ......................................................24
Bảng 2-1: Đặc trưng cơ học của lưới sợi carbon ......................................................36
Bảng 2-2: Kết quả lực kéo khi ép chẻ .......................................................................40
Bảng 2-3: Kết quả thí nghiệm kéo trượt TRC ...........................................................43


v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Panel bông sợi khoáng.....................................................................................5
Hình 1.2: Panel Polystyrene ............................................................................................6
Hình 1.3: Panel đá ...........................................................................................................7
Hình 1.4: Phân bố lực trong dầm sandwich dưới tác dụng của tải trọng gây uốn ..........7
Hình 1.5: Các dạng kết cấu lõi của kết cấu sandwich .....................................................9
Hình 1.6: Hệ thống vật liệu lưới sợi dệt ........................................................................10
Hình 1.7: Mặt cắt cốt sợi thủy tinh gồm 400 sợi cơ bản đặt trong bê tông mịn ............11
Hình 1.8: So sánh cốt sợi thủy tinh, các bon, thép có gờ và thép dự ứng lực ...............11
Hình 1.9: Cấu trúc điển hình của lưới sợi dệt................................................................12
Hình 1.10: Tính chất cơ học của một số loại sợi cơ bản ...............................................13
Hình 1.11: Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo của sợi cơ bản, bó sợi và lưới sợi [21] .14
Hình 1.12: Thành phần của bê tông hạt mịn .................................................................15
Hình 1.13: Mô hình sơ đồ dính bám giữa các sợi .........................................................17
Hình 1.14: Sự dính bám bên trong và ngoài của sợi bị căng kéo. .................................17
Hình 1.15: Các sợi bên trong với diện tích dính bám lớn hơn bên ngoài.. ...................18
Hình 1.16: Mô hình giản lược ứng xử trượt khi căng kéo của các sợi khác nhau với
chiều dài dính bám vô hạn. ............................................................................................19
Hình 1.17: Quan hệ ứng suất dính bám – biến dạng trượt của bê tông cốt lưới dệt .....20
Hình 1.18: Tăng cường mái vòm ở Schweinfurt, Đức bằng bê tông cốt lưới dệt, thi
công theo phương pháp phun ........................................................................................22
Hình 1.19: Mặt cắt ngang vòm trước, trong và sau khi tăng cường ..............................22
Hình 1.20: Cầu lắp ghép cho người đi bộ bằng bê tông cốt lưới dệt, trước và sau khi thi
công ...............................................................................................................................23
Hình 1.21: Cầu cho người đi bộ ở Albstad – Lautlingen ..............................................23
Hình 1.22: Sỏi keramzit .................................................................................................26
Hình 1.23: Cầu Narron - Tacoma ..................................................................................32
Hình 1.24: Hư hỏng theo dính bám giữa hai lớp bê tông về mặt lý thuyết ...................33
Hình 1.25: Mô hình thanh chống – thanh giằng trong miền dính bám. ........................34


vi
Hình 2.1: Kích thước lưới sợi carbon. ...........................................................................35
Hình 2.2: Mô tả thí nghiệm ép chẻ ................................................................................37
Hình 2.3: Mô hình mẫu thí nghiệm ..............................................................................37
Hình 2.4: Kết quả thí nghiệm ép chẻ .............................................................................39
Hình 2.5: Khuôn đúc mẫu bê tông nhẹ ..........................................................................41
Hình 2.6: Mẫu thí nghiệm kéo trượt bê tông cốt lưới dệt..............................................42
Hình 2.7: Thiết lập thí nghiệm ......................................................................................43
Hình 2.8: Mối quan hệ giữa lực và chuyển vị (Mẫu số 1 và 2) .....................................44
Hình 2.9: Mối quan hệ giữa lực và chuyển vị (Mẫu số 3 và 4) .....................................45
Hình 2.10: Mối quan hệ giữa lực và chuyển vị (Mẫu số 5 và 6) ...................................45
Hình 2.11: Mối quan hệ giữa lực và chuyển vị (Mẫu số 7 và 8) ...................................46
Hình 2.12: Hình dạng vết nứt (mẫu số 8) ......................................................................47
Hình 2.13: Mô tả mặt đứng vết nứt ...............................................................................47
Hình 2.14: Mô tả mặt bằng vết nứt ................................................................................47
Hình 2.15: Tiết diện phá hoại ........................................................................................48
Hình 2.16: Mô tả hướng của lực gây phá hoại bê tông nhẹ ..........................................48
Hình 2.17: Khai báo vật liệu bê tông nhẹ ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.18: Khai báo vật liệu bê tông hạt mịn ............... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.19: Biểu đồ ứng suất dính bám – chuyển vị của mẫu số 2Error!
not defined.

Bookmark

Hình 2.20: Khai báo vật liệu “Interface” ....................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.21: Mô hình hình học ........................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.22: Gán liên kết bề mặt giữa hai loại bê tông .... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.23: Gán ngàm tại mặt đáy của khối bê tông nhẹError! Bookmark not defined.
Hình 2.24: Gán tải trọng chuyển vị cưỡng bức tại mặt trên của bê tông hạt mịn . Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.25: Chia nhỏ cấu kiện ........................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.26: Gán điểm quan sát phản lực ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.27: Gán điểm quan sát chuyển vị ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.28: Biểu đồ lực - chuyển vị .............................. Error! Bookmark not defined.


vii
Hình 3.1: Kích thước hình học bản sandwich ............... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2: Sơ đồ gia tải ................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3: Trình tự mô phỏng cấu kiện .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4: Lớp bê tông nhẹ ............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5: Lớp bê tông hạt mịn ...................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6: Lưới sợi carbon.............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7: Khai báo vật liệu bê tông hạt mịn ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.8: Khai báo vật liệu bê tông nhẹ ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.9: Khai báo vật liệu lưới sợi carbon .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.10: Mô hình bản sandwich ................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.11: Khai báo kết quả cần kiểm tra ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.12: Gán gối tựa cho bản ..................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.13: Gán tải trọng chuyển vị cưỡng bức ............. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.14: Gán điều kiện biên theo phương X.............. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.15: Gán điều kiện biên theo phương Y.............. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.16: Chia mạng lưới mô hình .............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.17: Biểu đồ lực – chuyển vị ............................... Error! Bookmark not defined.


1
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong xu thế phát triển của xây dựng, các nhà nghiên cứu, các kĩ sư luôn mong
muốn đưa ra các giải pháp kết cấu không những thỏa mãn về điều kiện chịu lực, độ
bền mà còn phải đảm bảo về hiệu quả thẩm mỹ, tính kinh tế.
Kết cấu sandwich là một dạng kết cấu ngày càng được sử dụng nhiều trong xây
dựng. Đây là dạng kết cấu có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu tổ hợp thành. Thông
thường các lớp vật liệu phía ngoài, thường gọi là lớp vỏ, đóng vai trò chịu lực chính và
lớp lõi đóng vai trò lớp cách âm, cách nhiệt và không yêu cầu chịu lực cao. Trong các
kết cấu sandwich hiện nay, lớp vỏ chịu lực được làm bằng vật liệu bê tông cốt thép
thường và các lớp vật liệu phía trong được làm bằng vật liệu bê tông nhẹ hay xốp và
hệ thanh thép đường kính nhỏ giữ cố định cho hai lớp vỏ làm việc đồng thời. Công
nghệ xây dựng nhà sử dụng tấm sandwich làm tường, sàn, trần, cầu thang…đã được sử
dụng rộng rãi vì những ưu điểm chính như: nhẹ, cứng, giá thành thấp, thời gian thi
công nhanh hơn so với thi công các dạng kết cấu truyền thống. Mặc dù vậy, do yêu cầu
chống gỉ nên kết cấu sandwich bằng bê tông cốt thép vẫn phải có chiều dày lớn nên kết
cấu vẫn nặng nề và chưa thật hợp lý về chịu lực và kinh tế. Để có thể khắc phục những
nhược điểm trên của kết cấu sandwich người ta sử dụng giải pháp thay thế lớp vỏ bê
tông cốt thép thường bằng các dạng kết cấu khác có khả năng chịu lực lớn nhưng có
trọng lượng nhỏ hơn. Một trong những giải pháp đó là việc sử dụng bê tông cốt lưới
dệt (Textile-Reinforced Concrete, TRC). Bê tông cốt lưới dệt là một thành tựu mới
trong lĩnh vực kết cấu bê tông, được phát triển đầu tiên tại Đức bởi hai trung tâm
nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Dresden và trường Đại học Kỹ thuật
RWTH Aachen từ những năm 1990 [11]. Trong những năm gần đây, hai dự án nghiên
cứu trọng điểm SFB 528 “Cốt sợi trong công tác sửa chữa và tăng cường” và SFB532
“Bê tông cốt sợi – Nền tảng của công nghệ mới” được thực hiện tại hai trường đại học
này đã có những kết quả thành công ban đầu [26].
Bê tông cốt lưới dệt gồm hai thành phần: lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn. Lưới sợi
dệt trong bê tông cốt lưới dệt được làm từ những sợi nhỏ (sợi cơ bản), có nguồn gốc từ


2
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

carbon hoặc thủy tinh, với chiều dài không giới hạn được bó lại thành các bó nhỏ. Mỗi
bó này chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn sợi cơ bản nằm song song với nhau và có vị
trí không thay đổi trên mặt cắt ngang của bó sợi. Sau đó, các bó sợi được dệt thành tấm
lưới và đặt vào bê tông hạt mịn thay thế thép làm cốt. Lưới sợi dệt được phủ lớp bọc
polymer kích thước nano giúp làm tăng khả năng dính bám các sợi cơ bản với nhau và
giữa các bó sợi với bê tông hạt mịn trên bề mặt tiếp xúc [12]. Thành phần chính thứ 2
của TRC là hỗn hợp xi măng hạt mịn đặc biệt (bê tông hạt mịn) với kích thước hạt lớn
nhất của cốt liệu khoảng 1 mm [3]. Bê tông hạt mịn này sử dụng xi măng, tro bay,
muội silic (microsilica) làm chất kết dính, nước và phụ gia trong trường hợp cần thiết.
Cốt lưới dệt là vật liệu có nhiều ưu điểm đặc biệt như có cường độ cao, trọng lượng
nhẹ và rất bền vững với môi trường. Cốt lưới dệt được sản xuất từ carbon, thủy tinh
không bị ăn mòn bởi môi trường, do đó chiều dày yêu cầu của lớp bê tông bảo vệ của
cấu kiện giảm xuống chỉ ở mức mm và kết cấu trở nên thanh mảnh hơn. Lớp lưới dệt
có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với thanh cốt thép truyền thống, do đó bê tông cốt
lưới dệt có được lực dính bám lớn hơn nhiều, có khả năng giảm chiều dài neo, khoảng
cách và bề rộng vết nứt nhỏ [36].
Bê tông cốt lưới dệt được sử dụng thành công trong việc tăng cường kết cấu cũ
cũng như trong việc chế tạo các kết cấu mới.
Xuất phát từ các ưu điểm của mình như khả năng chịu lực lớn, chiều dày lớp bê
tông bảo vệ nhỏ, bê tông cốt lưới dệt là một dạng kết cấu có khả năng thay thế cho lớp
bê tông cốt thép trong các kết cấu sandwich . Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu ([1], [2])
chỉ ra rằng để có thể sử dụng được bê tông cốt lưới dệt trong kết cấu sandwich thì việc
nghiên cứu ứng xử dính bám của bê tông cốt lưới dệt với lớp lõi (thường làm bằng bê
tông nhẹ) phía trong đóng vai trò quan trọng. Do đó, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu
ứng xử dính bám giữa bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ - Áp dụng cho kết cấu
sandwich” nhằm giải quyết nhiệm vụ trên và có thể ứng dụng hiệu quả bê tông cốt
lưới dệt tại Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
Xác định được ứng xử dính bám giữa bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ.


3
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

3. Đối tượng nghiên cứu

Kết cấu sandwich sử dụng bê tông cốt lưới dệt sợi carbon và bê tông nhẹ.
4. Phạm vi nghiên cứu

- Lưới sợi dệt loại carbon sản xuất ở Đức (tên loại sợi).
- Bê tông hạt mịn có cường độ chịu nén lên đến 60 (MPa), bê tông nhẹ có tỷ trọng
1,6 (g/cm3), cường độ 15 (MPa) được chế tạo tại Việt Nam.
- Kết cấu sandwich sử dụng trong xây dựng dân dụng.
5. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp các nghiên cứu các đặc
tính cơ học của bê tông cốt lưới dệt sợi carbon và ứng xử dính bám giữa bê tông
cốt lưới dệt với bê tông nhẹ.
- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm xác định khả năng dính bám
giữa bê tông nhẹ và bê tông cốt lưới dệt.
- Phương pháp dự báo: Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn để đánh giá khả năng
làm việc của kết cấu sandwich sử dụng bê tông cốt lưới dệt.
6. Kết cấu của luận văn
Ngoài Lời mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, kết cấu của luận
văn gồm 03 chương:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu.
Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dính bám giữa bê tông cốt lưới dệt
và bê tông nhẹ.
Chương 3: Nghiên cứu khả năng làm việc của kết cấu Sandwich sử dụng bê tông
cốt lưới dệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn.


4
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1 Kết cấu Sandwich
1.1.1

Tổng quan

Kết cấu sandwich là dạng kết cấu có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu kết hợp thành.
Để phù hợp với đặc điểm làm việc của cấu kiện chịu uốn, thông thường, lớp vật liệu
phía ngoài phải có khả năng chịu lực tốt, bên trong là lớp lõi nhẹ, không yêu cầu
cường độ cao. Bên cạnh mục đích cách âm, cách nhiệt lớp lõi còn đóng vai trò tăng
khả năng chịu uốn cho cấu kiện. Thực vậy, mômen quán tính và mômen chống uốn
của một mặt cắt đồng nhất với cùng một kích thước được tăng lên nhiều lần khi tăng
chiều cao của cấu kiện (Bảng 1-1)
Những ưu điểm này được đưa ra thảo luận bởi Dulean vào năm 1820. Tuy nhiên,
định nghĩa về sandwich được mô tả lần đầu tiên bởi Fairbairn vào năm 1849.
Bảng 1-1: Ưu điểm của mặt cắt sandwich

Mômen quán

I1 =

bh3
12

I2 =

7bh3
( 12 I1 )
6

I3 =

386bh3
( 48 I1 )
96

W1 =

bh 2
6

W2 =

14bh 2
(  6W1 )
15

W3 =

193bh 2
( 12W1 )
108

tính
Mômen chống
uốn

Sau chiến tranh thế giới thứ hai, kết cấu sandwich được áp dụng vào ngành công
nghiệp hàng không. Vào khoảng những năm 1950, 1960, nhiều loại vật liệu dẻo như
polystyrene và polyurethane được sử dụng làm lõi bởi khả năng cách ly (cách nhiệt,
cách điện…) tốt của chúng. Khái niệm về cấu kiện sandwich được sử dụng lần đầu
tiên vào năm 1960 khi polyurethane được áp dụng vào thiết bị làm lạnh. Từ năm 1990,


5
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

cấu kiện sandwich được đề xuất là giải pháp tốt cho các công trình tiết kiệm năng
lượng và kết cấu yêu cầu độ mảnh. Hiện nay, kết cấu sandwich được sử dụng phổ biến
trong ngành công nghiệp hàng không, đóng tàu, chế tạo ô tô, tàu hỏa…
Trong xây dựng, do đặc điểm gồm nhiều lớp vật liệu tổ hợp thành nên kết cấu
sandwich thường được ứng dụng trong sản xuất bản (tấm panel đúc sẵn).
1.1.2

Phân loại kết cấu sandwich được sử dụng trong xây dựng

Phân loại theo yêu cầu sử dụng:
➢ Kết cấu sandwich dạng bản không yêu cầu chịu lực cao, sử dụng trong
mái nhà, tấm tường phân chia không gian:
- Panel bông sợi khoáng (Rock wool): Hay còn gọi là bông len đá, vật liệu lõi là
bông sợi khoáng được làm từ nguyên liệu chính là đá Bazan và đá Dolomite, sau
khi được nung nóng với nhiệt độ cao làm cho đá Bazan và đá Dolomite tan chảy
thành những sợi khoáng, cùng với một số phụ liệu như chất kết dính, nước đánh
bóng… để tạo thành. Lớp mặt là tấm thép màu. Chúng được liên kết bởi các chất
kết dính có độ bền cao sau một quá trình tạo áp lực. Vì lớp mặt và lõi đều là vật
liệu không gây cháy, nên bản panel bông sợi khoáng được ứng dụng trong
những khu vực có yêu cầu phòng cháy cao.

Hình 1.1: Panel bông sợi khoáng

- “Polystyrene composite panel”: Lớp lõi là nhựa polystyrene, lớp mặt là các tấm
thép màu được sản xuất bằng dây chuyền tự động hóa, sau đó được kết dính với


6
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

lớp lõi bằng polyurethane. Với khả năng chống thấm tốt, kết cấu sandwich này
được áp dụng rộng rãi cho các công trình công cộng, khu công nghiệp…

Hình 1.2: Panel Polystyrene

- “Polyurethane composite panel”: Lõi vật liệu là Polyurethane, nó có đầy đủ các
ưu điểm của tấm Polystyrene, ngoài ra, nó còn thêm các ưu điểm như: không
cháy, không giòn, không độc hại, không bị ăn mòn, hiệu suất nhiệt ổn định.
- “Panel nhôm”: Lớp lõi là nhựa, lớp mặt gồm ba lớp nhôm. Bề mặt của sản phẩm
được bảo vệ bằng lớp mạ hoặc lớp màng mỏng.
- “Panel đá”: Bản từ đá được tổ hợp lại từ hai hay nhiều tấm đá mỏng. Mặt đá là đá
tự nhiên, chất nền là đá, thủy tinh, nhôm…Ưu điểm của bản panel đá là cách
âm, tiết kiệm năng lượng, cường độ chịu nén cao, chống bụi bẩn.


7
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

Hình 1.3: Panel đá

➢ Kết cấu bản sandwich chịu lực cao, sử dụng làm bản sàn panel lắp ghép:
Hiện nay, loại kết cấu này đã và đang được tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm kết
hợp giữa vật liệu lớp lõi và vật liệu lớp mặt

Hình 1.4: Phân bố lực trong dầm sandwich dưới tác dụng của tải trọng gây uốn

- Vật liệu làm lớp mặt:
Với tải trọng thông thường, vật liệu lớp mặt được yêu cầu có cường độ chịu kéo
và nén cao. Ngoài ra, chúng có thể cần có một số đặc tính tốt như:
+ Độ cứng chống uốn, chống tạo hình cao;
+ Có sức kháng va đập lớn;
+ Có khả năng chịu ăn mòn cao;
+ Dễ hoàn thiện bề mặt.
Một số loại vật liệu được sử dụng làm lớp mặt:
- Thép: Vật liệu thép đã sớm được áp dụng cho kết cấu sandwich bởi độ cứng cao


8
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

cũng như cường độ chịu kéo, nén lớn. Nó được sử dụng làm lớp mặt của sàn
hoặc kết cấu mái.
- Bê tông cường độ cao (HSC): Với đặc điểm chịu lực lớp mặt trên chịu nén, bê
tông cường độ cao cũng là một lựa chọn để sử dụng làm vật liệu lớp mặt trên.
Cường độ chịu nén của bê tông cường độ cao có thể lên đến hơn 100 MPa trong
điều kiện đường kính cốt liệu được tối ưu, sử dụng tỉ lệ nước/xi măng thấp và bổ
sung các sợi thép. Thêm vào đó, với khả năng chống ăn mòn, tuổi thọ cao, lớp
bê tông cường độ cao có thể có chiều dày mỏng - dẫn đến khả năng giảm bớt
chiều dày cấu kiện.
- FRP (Fiber Reinforced Polymer): Cốt sợi chịu lực Polyme có cường độ chịu kéo
cao, khối lượng riêng nhỏ hơn thép. Đặc tính cơ học của FRP phụ thuộc vào loại
sợi tạo thành nó (sợi thủy tinh, sợi aramid, sợi carbon)
- Lưới sợi chịu lực: Đây là một loại sản phẩm từ sợi. Nó được chế tạo trong nhà
máy từ những sợi đơn dài liên tục, sau đó chúng được dính lại và bó lại thành
bó. Cường độ chịu kéo của sợi có thể lên đến 3000 MPa. Lưới sợi chịu lực kết
hợp với bê tông cường độ cao tạo thành một loại vật liệu mới (Textile reinforce
concrete - TRC) có cường độ chịu nén và chịu kéo cao giống như bê tông cốt
thép. Tuy nhiên, TRC có một số ưu điểm so với bê tông cốt thép truyền thống
như là khả năng chống ăn mòn tốt, từ đó giảm được chiều dày lớp bê tông bảo
vệ, lưới sợi phân bố đều hơn trên diện tích nên ứng suất được phân bố đều.
Bảng 1-2: Đặc trưng cơ học của một số loại vật liệu lớp mặt

Vật liệu

Khối lượng thể tích

Mô đun đàn hồi

Cường độ chịu kéo

Đơn vị

Kg/dm3

GPa

N/mm2

Thép

7,8

206

205-50

Nhôm

2,7

73

300

CFRP (cường độ cao)

1,6

150

2500

Lưới sợi carbon

1,78

240

4200

Bê tông (25/30)

2,5

30

2,6

- Vật liệu làm phần lõi:
Vì hai lớp mặt chịu lực kéo và nén nên lớp lõi đóng vai trò chịu cắt cũng như


9
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

phải đủ cứng để giữ cho mặt cắt ổn định, các lớp vật liệu không bị trượt lên nhau
khi chịu lực. Một số đặc tính cần thiết của vật liệu lõi:
+ Khối lượng thể tích thấp
+ Môđun chịu cắt lớn, cường độ chịu cắt cao
+ Có khả năng cách âm, cách nhiệt tốt
Tùy theo tải trọng tác dụng mà vật liệu lõi được chia làm ba loại:

Hình 1.5: Các dạng kết cấu lõi của kết cấu sandwich

a) Kết cấu dạng tổ ong
b) Kết cấu dạng sóng
c) Kết cấu dạng khối cứng (gỗ nhẹ)
Với kết cấu dạng tổ ong, hay dạng sóng vật liệu lõi được sử dụng thường là kim
loại hoặc phi kim. Với kết cấu dạng khối cứng, vật liệu lõi thường làm từ gỗ
nhẹ, polystyrene (EPS), polyurethane (PU) với khối lượng thể tích nhỏ. Trong
kết cấu xây dựng, vật liệu lõi được sử dụng chủ yếu là bê tông nhẹ.

1.2 Bê tông cốt lưới dệt (TRC)
Bê tông cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete – TRC) là một loại bê tông mới
được phát triển từ giữa những năm 1990. Đây là một loại vật liệu composite kết hợp
những thuộc tính tốt từ hai loại vật liệu là cường độ chịu nén của bê tông và cường độ
chịu kéo của lưới sợi dệt. Sự kết hợp này đã tạo ra một loại vật liệu có cường độ cũng
như độ bền cao tương tự như thép. Do có thể chế tạo được thành các lớp mỏng ở cấp
độ milimet nên TRC được áp dụng nhiều trong việc tăng cường, sửa chữa các kết cấu
bê tông cũ. Ngoài ra, nó còn được kết hợp với các lớp bê tông khác tạo nên kết cấu
sandwich.
Bê tông cốt lưới dệt gồm hai thành phần là lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn.
1.2.1

Thành phần cấu tạo


10
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

1.2.1.1 Lưới sợi dệt
1.2.1.1.1

Cấu tạo

Lưới sợi dệt được làm từ những sợi đơn – sợi cơ bản (filament) với chiều dài liên
tục có nguồn gốc từ carbon hoặc thủy tinh. Loại sợi, tính chất, hàm lượng và sự sắp
xếp (arrangement) của lưới sợi dệt ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơ học của TRC. Do
đó, vật liệu lưới sợi dệt được sản xuất dưới nhiều dạng sản phẩm khác nhau tùy theo
nhu cầu sử dụng. Điều kiện tiên quyết cho một loại cốt chịu lực (reinforcement) hiệu
quả đó là: có độ bền cao, biến dạng dài kéo đứt (breaking elongation), mô đun đàn hồi
lớn hơn nhiều so với bê tông hạt mịn. Nếu không thỏa mãn các điều kiện này, vết nứt,
khi xảy ra, sẽ làm giảm đáng kể độ cứng của cấu kiện TRC. Để đảm bảo hiệu quả lâu
dài của cốt chịu lực, các vật liệu sợi phải chịu được môi trường kiềm vĩnh viễn mà
không bị suy giảm tính chất. Một số yêu cầu khác của lưới sợi dệt: Ít bị chùng dưới tác
dụng của tải trọng thường xuyên, khả năng dính bám tốt và liên tục giữa cốt chịu lực
và bê tông, chi phí thấp và khả năng sản xuất dễ dàng trên các thiết bị dệt.
Các loại sợi
· Sợi tự nhiên
· Sợi khoáng (mineral)
· Bazan (Basalt)
· Amiăng (Asbestos)
· Sợi thực vật
· Sợi động vât
· Sợi nhân tạo
· Sợi vô cơ
· Bazan (Basalt)
· Thủy tinh kháng kiềm (AR-Glass)
· Z-glass
· Polymer tổng hợp
· Aramid
· Carbon
· Acrylic
· Polyethylene
· Polypropylene
· Polyvinyl alcohol
· Gốm (ceramic)
· Kim loại (metal)

Hình 1.6: Hệ thống vật liệu lưới sợi dệt

Hệ thống các loại vật liệu lưới sợi dệt được tóm tắt ở Hình 1.6. Trên thực tế, sợi
carbon và sợi thủy tinh là hai loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất. Sợi carbon có


11
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

khả năng kháng kiềm nhưng sợi thủy tinh không có khả năng này. Vì thế, trong quá
trình sản xuất sợi cơ bản, thủy tinh nóng chảy được bổ xung hợp kim ziriconi (Zr) để
tạo khả năng kháng kiềm cho sợi.

Hình 1.7: Mặt cắt cốt sợi thủy tinh gồm 400 sợi cơ bản đặt trong bê tông mịn

Đường kính của từng sợi cơ bản bằng thủy tinh khoảng từ 14 tới 28 μm, bằng
carbon mảnh hơn khoảng 7 μm [20] nhỏ hơn tóc người với đường kính khoảng 80 μm
[9] (Hình 1.7). Các sợi cơ bản được tập hợp thành các bó được gọi là các bó sợi
(roving). Thường mỗi bó này chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn sợi cơ bản nằm song
song với nhau và có vị trí không thay đổi trên mặt cắt ngang của bó sợi. Chúng được
dính với nhau tạo thành kích thước cơ bản với đường kính từ 0,5 tới 1,5 mm. Kích
thước này cho phép nó được cuộn và cầm tay dễ dàng. Hình 1.8 cho thấy sự khác biệt
về kích thước của sợi thủy tinh, sợi carbon, cốt thép (Φ = 14 mm) và cốt thép dự ứng
lực (A = 150 mm2) theo thứ tự từ trên xuống dưới.

Hình 1.8: So sánh cốt sợi thủy tinh, carbon, thép có gờ và thép dự ứng lực

Diện tích của bó sợi được xác định thông độ mịn, tex (1 tex = 1g / 1000 m). Ví dụ,
một bó sợi độ mịn 800 tex và khối lượng riêng của sợi là 1,8 g/cm3 sẽ có diện tích là


12
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

800 tex / 1,8 g/cm3 x 103 = 0,44 mm2. Độ mịn của bó sợi phụ thuộc vào số lượng sợi
cơ bản, đường kính trung bình của sợi và trọng lượng của sợi. Hiện nay, bó sợi các bon
có độ mịn lên tới 3300 tex [30] được sản xuất bởi Toho Tenax Europe GmbH và SGL
Carbon SE. Bó sợi thủy tinh được sản xuất bởi một số công ty như Nippon Electric
Glass Co Ltd và Saint Gobain Vetrotex Deutschland GmbH. Sau đó, các bó sợi sẽ
được dệt thành lưới sợi bằng các máy đặc biệt [13]. Cuối cùng, lưới sợi này được phủ
lớp bọc polyme kích thước nano có nguồn gốc từ styrene butadine để làm tăng khả
năng dính bám các sợi cơ bản với nhau và giữa các bó sợi với bê tông hạt mịn [27].
Lớp phủ còn làm tăng khả năng chịu kéo và độ cứng của các bó sợi và góp phần cố
định vị trí các nút lưới. Lưới sợi thành phẩm rộng 1,25 m và dài 100 m được cuộn tròn
với trọng lượng từ 40 tới 70 kg nên có thể vận chuyển dễ dàng và thi công bằng biện
pháp thủ công.
Kích thước và cấu trúc điển hình của lưới sợi carbon và thủy tinh được thể hiện ở
Hình 1.9

Hình 1.9: Cấu trúc điển hình của lưới sợi dệt
1.2.1.1.2

. Tính chất cơ học

Hình 1.10 so sánh các đặc trưng cơ học quan trọng nhất của một số loại vật liệu
sợi. Các loại lưới sợi dệt được thí nghiệm có độ mịn khác nhau nhưng khối lượng thể
tích xấp xỉ nhau.


13
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

Hình 1.10: Tính chất cơ học của một số loại sợi cơ bản

Mẫu xác định cường độ chịu kéo của lưới sợi được mô tả chi tiết trong tài liệu
[19 – 21]. Sự khác biệt về cường độ chịu kéo của sợi cơ bản, bó sợi và ảnh hưởng của
các phương pháp thí nghiệm đã được Abkader nghiên cứu [23, 36]. Ví dụ, với lưới sợi
thủy tinh 310 tex không có lớp phủ, cường độ chịu kéo trung bình của sợi đơn là 2300
N/mm2, của bó sợi là 1300 N/mm2 và lưới sợi đặt trong bê tông chỉ là 1100 N/mm2.


14
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

Hình 1.11: Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo của sợi cơ bản, bó sợi
và lưới sợi [21]

Lý do lưới sợi có cường độ giảm tương đối có thể được giải thích như sau:
- Các sợi cơ bản trong bó sợi và các bó sợi trong lưới cốt sợi chịu tải trọng không
đều nhau.
- Một số sợi cơ bản trong bó sợi bị phá hoại trước trong quá trình sản xuất lưới cốt
sợi hoặc trong quá trình vận chuyển hoặc khi đổ bê tông.
- Khi bê tông bị nứt, các sợi cơ bản trên bề mặt bó sợi bị phá hoại trước khi ứng
suất kéo trong sợi đạt tới cường độ chịu kéo.
1.2.1.2 Bê tông hạt mịn

Thiết kế cấp phối cho bê tông nhẹ dùng trong bê tông cốt lưới dệt là một nhiệm
vụ phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: quy trình sản xuất (phục vụ cho phương
pháp phun, dát mỏng hoặc bơm ép bê tông), các thông số về đặc trưng cơ học, ứng xử


15
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

dính bám và độ bền. Do đó, tùy theo yêu cầu sử dụng khác nhau mà lựa chọn cấp phối
khác nhau cho bê tông cốt lưới dệt.
Thành phần của bê tông hạt mịn và các phương pháp thí nghiệm, đánh giá đặc
trưng cơ học của bê tông hạt mịn đã được nghiên cứu tại nhiều trung tâm khoa học lớn
trên thế giới. Cấp phối của bê tông hạt mịn có nhiều điểm tương đồng với bê tông cốt
sợi thủy tinh phân tán (GRC). Để kết hợp với lưới sợi dệt, bê tông hạt mịn đòi hỏi phải
có khả năng dính bám tốt cũng như ứng xử khả năng chịu tải trọng tốt.

Hình 1.12: Thành phần của bê tông hạt mịn

Ý tưởng sử dụng bê tông hạt mịn kết hợp với lưới sợi được viện kết cấu bê tông
đại học TU Dresden nghiên cứu và phát triển trong khuôn khổ dự án SFB 528 về sửa
chữa, tăng cường. Kích thước hạt lớn nhất trong hỗn hợp có đường kính chỉ 1 mm, nên
loại bê tông này được phân loại là như một loại vữa (Hình 1.12) Điều này đảm bảo khả
năng dính bám tốt với lưới sợi dệt và nhằm tạo ra cấu kiện có kích thước nhỏ và chiều
dày mỏng. Bê tông hạt mịn này sử dụng xi măng, tro bay, microsilica làm chất kết
dính, nước và phụ gia trong trường hợp cần thiết. Tỉ lệ khối lượng từng thành phần
thay đổi phụ thuộc tùy theo chủng loại sử dụng. Thành phần và các tính chất cơ bản
của một số hỗn hợp bê tông hạt mịn điển hình được tổng hợp trong Bảng 1.3.

Bảng 1-3: Thành phần của một số hỗn hợp bê tông mịn điển hình [14]


16
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

Thành phần

Đơn vị Hỗn hợp 1 Hỗn hợp 2 Hỗn hợp 3

Cát 0-1

kg/m3

942,0

1122,4

1122,4

Xi măng CEM I 32,5

kg/m3

-

564,8

-

Xi măng CEM III/B 32,5

kg/m3

628,0

-

468,4

Microsilika

kg/m3

100,5

56,6

56,6

Tro bay

kg/m3

265,6

253,1

253,1

Nước

l/m3

214,6

221,5

221,5

Phụ gia siêu dẻo FM30, BASF

l/m3

10,5

12

-

Phụ gia siêu dẻo ACE30, BASF

l/m3

-

-

3,8

-

0,33

0,36

0,42

Cường độ nén

N/mm2

76

65

54

Cường độ kéo khi uốn

N/mm2

7,1

8,7

9,5

Mô đun đàn hồi

N/mm2

28500

25600

-

Trọng lượng

kg/m3

2170

-

-

Tỉ lệ Nước/kết dính
Tính chất cơ lý

Tại viện kết cấu bê tông đại học TU Dresden, một số hỗn hợp điển hình với các tính chất cơ bản được tổng
hợp trên Bảng 1-3 đã được nghiên cứu và phát triển [14]. Từ hỗn hợp số hai (Bảng 1-3), viện và công ty Pagele
Spezial-Beton đã phát triển hỗn hợp khô thành phẩm có tên TF10 Pagel -Textilbeton TUDALIT. Sản phẩm được
cung cấp dưới dạng bao giấy 25kg. Khi sử dụng, hỗn hợp chỉ cần trộn với nước thực hiện theo một trình tự được
hướng dẫn kèm theo. Sau đó, bê tông có thể được thi công bằng phương pháp phun hoặc theo phương pháp thủ
công tại công trường.
1.2.1.3 Dính bám giữa bê tông hạt mịn và cốt lưới dệt

So sánh với bê tông cốt thép, dính bám giữa thép và bê tông đóng vai trò quan trọng
trong việc đảm bảo khả năng chịu lực của cấu kiện bê tông cốt thép. Nó được đảm bảo
bởi cơ cấu dính bám hóa học, ma sát và tương tác giữa cốt liệu trong bê tông và cốt
tăng cường. Ví dụ với bê tông cốt thép thường, cơ cấu dính bám thông qua gờ cốt thép
có ảnh hưởng lớn nhất trong đó gờ thép đóng vai trò như neo. So với cốt thép thường,
cốt sợi không có gờ và mặt cắt lại không đồng nhất nên ứng xử dính bám giữa bê tông
mịn và cốt sợi khác với thép và bê tông thông thường. Các thành phần của dính bám
yếu hơn như dính bám hóa học và ma sát phát huy tác dụng và được phân thành dính
bám trong và dính bám ngoài.
Do cốt lưới dệt được tạo thành từ các bó sợi, mỗi bó sợi gồm hàng nghìn sợi nhỏ,
mà chỉ những sợi ở phía bên ngoài mới dính bám với bê tông hạt mịn xung quanh. Các


17
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

nghiên cứu chỉ ra rằng khu vực dính bám của cốt lưới dệt với bê tông hạt mịn xảy ra
trong khu vực hỗn hợp kết dính. Điều này có nghĩa rằng chỉ các sợi phía ngoài của bó
sợi mới neo giữ với bê tông, toàn bộ các sợi còn lại có thể dễ dàng trượt bên trong các
sợi với hệ số ma sát thấp [32]. Hình 1.13 phác họa đặc điểm này.
Các sợi phía ngoài (An)

Các sợi phía trong (At)
Diện tích dính bám
phía ngoài

Hình 1.13: Mô hình sơ đồ dính bám giữa các sợi

Có thể thấy rằng các sợi phía ngoài được liên kết vào bê tông hạt mịn và có sự neo
giữ rất tốt. Các sợi phía trong không tiếp xúc với hồ xi măng thủy hóa, vì vậy chúng
không dính bám trực tiếp với bê tông. Chỉ có ma sát giữa các sợi với hồ xi măng có thể
tạo ra lực dính bám. Khi vết nứt của hỗn hợp xảy ra, sự biến dạng phân bố trong các
sợi là không đồng nhất. Hình 1.14 đưa ra giản lược cho tình huống này.

Biến dạng

Vết nứt

Biến dạng của các sợi phía ngoài
Biến dạng của các
sợi phía trong
Biến dạng chung
Vết nứt

Bê tông

Sợi phía trong
Sợi phía ngoài

Chiều dài

Dính bám phía trong Dính bám phía ngoài

Hình 1.14: Sự dính bám bên trong và ngoài của sợi bị căng kéo.

Các sợi phía ngoài do dính bám với bê tông nên lực dính bám lớn hơn, dẫn tới có
chiều dài biến dạng ngắn hơn, so sánh với các sợi phía trong có liên kết dính bám với
bê tông ít hơn, nên chiều dài biến dạng dài hơn, với mục đích tiến tới sự giãn dài giống
nhau tại vết nứt.


18
THẠC SỸ -KSXD : TRAN DUC TUNG

Sự dính bám của các sợi bên trong được cải thiện nhờ việc ngâm tẩm nhựa (nhựa
epoxy). Hình 1.15 chỉ ra tình huống này. Trong trường hợp này, nhựa làm tăng khả
năng liên kết giữa hồ xi măng của bê tông hạt mịn với với sợi bên trong của bó sợi.
Các sợi bên trong không thể trượt lên nhau được nữa. Điều này làm tăng cường độ
dính bám giữa cốt lưới sợi và bê tông.

Diện tích dính bám
Ngâm tẩm nhựa epoxy

Hình 1.15: Các sợi bên trong với diện tích dính bám lớn hơn bên ngoài..

Quá trình liên kết này thúc đẩy tạo ra mô hình giản lược được mô tả trong Hình
1.16. Sơ đồ này biểu thị mối quan hệ giữa tải trọng và sự trượt. Đường thấp (trường
hợp b) ứng với trường hợp dính bám bên trong là nhỏ hơn bên ngoài, điều đó có nghĩa
là các sợi bên trong có thể trượt nhiều hơn so với các sợi bên ngoài. Đường cong tải
trọng – chuyển vị trượt là trơn hơn nhưng nó cũng dài hơn với tính dẻo không thực tế.
Hiệu ứng này là do sự trượt nhiều hơn của các sợi bên trong, tạo ra các lực khác nhau
bên trong sợi và gây ra hư hỏng liên tiếp của các sợi.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×