Báo cáo khoa học: "Những khái quát mới về bê tông mô hình vật liệu và tính toán" docx

Những khái quát mới về bê tông
mô hình vật liệu v tính toán


PGS. TS. phạm duy hữu
Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bi báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu về quan niệm mới về bê tông, trong đó
đề cập đến vấn đề nghiên cứu ton diện về vật liệu, bố trí kết cấu, mô hình tính toán v độ tin
cậy của bê tông.
Summary: This article presents the results of a research on new concepts of concrete,
including all - sided research on materials, arrangement of structure, models of calculation and
reliability of concrete.

Mở đầu: Ngày nay bê tông và bê tông
cốt thép là loại vật liệu chính dùng trong xây
dựng cầu đờng. Bê tông và bê tông cốt thép
ngày càng phát triển và có những tiến bộ
đáng kể về mặt chất lợng. Để theo kịp sự
thay đổi đó cần có những khái quát mới và
thay đổi cơ bản về phơng pháp tính toán và
thiết kế. Bài viết này xin trình bày về một cách
tiếp cận mới với bê tông bằng các khái niệm
tổng quát hơn về mác bê tông, phơng pháp
nghiên cứu, thiết kế kết cấu và phơng pháp
mô hình hoá thực nghiệm.
Cần có sự phân biệt rõ ràng về các loại
bê tông, vì đây là loại vật liệu ngày càng khác
biệt nhau và sự so sánh nó với các vật liệu
khác nhau nh thép và vật liệu chất dẻo cũng
đợc đặc biệt chú ý khi chọn vật liệu và kết
cấu.

Việc lựa chọn vật liệu, trong đó về mặt cơ
học ít khi có vấn đề nổi bật, thờng là sự lựa
chọn giữa hai hoặc ba sắc thái (bản chất) của
cùng một loại vật liệu và giữa các vật liệu
khác nhau sẽ là vấn đề chính.
Từ rất lâu bê tông là vật liệu đợc sản
xuất và sử dụng nhiều nhất ở Việt Nam và thế
giới. Bê tông chiếm một vị trí đặc biệt trong
lĩnh vực vật liệu, vì nó có khả năng rộng rãi, cả
về mặt vật lý (tỷ trọng, tính thấm, tính dẫn
nhiệt và truyền nớc) cũng nh về mặt cơ học
và phạm vi sử dụng, tuổi thọ.
Nếu tính phong phú (biến đổi) về mặt vật
lý của vật liệu đợc tận dụng (làm mặt đờng,
các kết cấu, tấm cách nhiệt ít chịu lực ) thì
tính biến đổi về mặt cơ học cũng đợc tận
dụng để làm các loại bê tông có mác khác
nhau biến đổi từ 15 - 140 MPa. Tuy nhiên bê
tông vẫn cần đợc nghiên cứu kỹ hơn nữa vì:
- Sự hiểu biết về hoạt động của bê tông
khi vỡ (tính dòn của bê tông) còn rất hạn chế.
- Việc tìm kiếm các phơng pháp cấp
phối mới (cho phép tạo ra một công thức hợp
lý của bê tông theo các yêu cầu cần đạt đợc)
cũng sẽ tạo ra các loại bê tông có chất lợng
tốt hơn. Phơng pháp và tiêu chuẩn về cấp
phối bê tông hiện nay là cổ điển và thể hiện
nhiều điều không hợp lý.
1. Về bê tông ở Việt Nam
Tiêu chuẩn nhà nớc đã có quy định rất

rõ về bê tông thờng (TCVN), còn các tiêu
chuẩn cho bê tông đặc biệt thì cha đầy đủ. ở

Việt Nam mác bê tông thông thờng đợc sử
dụng là 15, 20, 30, 40 và một số công trình
mác 50 - 70. Độ tin cậy đạt đợc chỉ với mác
30 - 50 (M30 - M50).
Yêu cầu về mác bê tông càng ngày càng
tăng và cấp thiết do việc xây dựng các cầu
BTCT lớn có khẩu độ tăng 50 m đến 130 m
(sông Gianh, cầu Thanh Trì ) và các cầu dây
văng với nhịp từ 350m (cầu Mỹ Thuận) đến
550 m(cầu Cần Thơ).
Về đờng ôtô, nhà nớc đang yêu cầu
chuyển dần một phần kết cấu mặt đờng từ
bê tông atphan sang bê tông xi măng, để đảm
bảo các yêu cầu về độ ổn định với nớc, tăng
độ dính bám bánh xe với mặt đờng và yêu
cầu về khai thác đờng cho miền núi.
Việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông
cờng độ cao là rất cần thiết.
Bê tông cờng độ cao phải đảm bảo yêu
cầu dễ thi công (có độ sụt từ 10 - 20 cm) và
cờng độ chịu nén cao từ 600 - 800 daN/m
2

(M60 - M80).
Bê tông cờng độ cao sẽ hy vọng tạo ra
đợc những kết cấu mới với kích thớc công
trình nhỏ hơn, chịu đợc các tác động phức

tạp hơn do sự thay đổi của môi trờng (nhiệt
độ, gió, động đất ) và việc gia tăng cấp tải
trọng.
2. Về nghiên cứu ton diện bê tông
(phơng pháp luận nghiên cứu)
Trong lĩnh vực xây dựng, phơng pháp và
công cụ tính toán kết cấu và trình độ kỹ s tạo
ra "cái nhân cứng" của việc tạo ra kết cấu, vậy
mà thời gian dành cho việc tính toán đang bị
giảm đi và sẽ giảm đi nhiều nữa. Đầu tiên do
sự phát triển của tin học và công nghệ hiện
đại gây ra sự hấp dẫn mới (công nghệ thi
công, công nghệ các vật liệu) chiếm càng
nhiều hơn sự u tiên lựa chọn trong quan hệ
qua lại của các đối tác (cán bộ nghiên cứu, t
vấn, chỉ đạo thi công, ngời cung ứng v.v ).
Hơn nữa bối cảnh hiện nay những công cụ
bằng số cũng đợc huy động để tính các mối
quan hệ có tác động qua lại, không còn đơn
giản là kiểm tra kích thớc của tiết diện kết
cấu bê tông theo giải pháp xây dựng khác
nhau. Sự lựa chọn tối u trong một "không
gian giải pháp" đợc rộng hơn. Chính vì điều
đó mà cần đề cập đến một nghiên cứu toàn
diện vật liệu bê tông và các kết cấu bằng bê
tông cốt thép nhằm tạo ra những định luật về
phẩm chất thích hợp của các vật liệu định
dùng. ở
đây thuật ngữ "tính thích hợp của các
quy luật" có một nghĩa chính xác là các quy

luật phải xét đến các yếu tố có tính quyết định
trong việc lựa chọn quan niệm và những đặc
điểm riêng về phẩm chất của các vật liệu khác
nhau.
Trong số các vật liệu xây dựng, bê tông
chiếm một vị trí đặc biệt, không phải chỉ do bê
tông là vật liệu đợc dùng phổ biến nhất trên
thế giới từ lâu hiện này và sau này mà trớc
hết vì nó có nhiều tiến bộ và đã đạt đợc: các
loại bê tông có phẩm chất cao (về mặt cơ lý)
và đã đợc áp dụng có hiệu quả vào nhiều
dạng công trình.
Đối với ngời nghiên cứu cũng nh đối
với ngời kỹ s, sẽ là sai lầm khi tin rằng có
một mô hình phẩm chất chung của bê tông,
mô hình chung để phục vụ cho việc xử lý tất
cả những vấn đề kỹ thuật của các kết cấu. Sẽ
không có một cơ hội để đạt đợc một mô hình
tốt nếu không phân tích các nhu cầu khác
nhau của kết cấu.
Về bê tông cần đặc biệt lu ý đến 9 vấn
đề sau:
1. Lựa chọn thiết kế mặt cắt kết cấu
Các tính toán liên quan đến sự an toàn,
thờng sử dụng các lý thuyết tính toán kết cấu
dựa vào cơ học môi trờng liên tục, sức bền
vật liệu.

Nếu vật liệu hoàn toàn đàn hồi khi đó chỉ
cần xét đến các tính chất của vật liệu là đủ

(ví dụ nh mô đun đàn hồi và hệ số Poisson)
và kiểm tra lại xem khi nào và nơi nào đạt
đợc những ứng suất cho phép dới tác động
của tải trọng làm việc và tải trọng ngẫu nhiên.
Đây là phơng pháp phổ biến nhất đang đợc
áp dụng trong các tài liệu thiết kế hiện dùng ở
Việt Nam.

Quá trình gãy (phá huỷ) một kết cấu bê
tông hiện nay đơc dự đoán thông qua việc
tính toán cộng với những thí nghiệm. Tuy
nhiên việc nhận dạng cơ chế phá huỷ kết cấu
còn phụ thuộc vào loại kích thích tác động và
vào kích thớc của vùng bị tác động. Qua việc
phân tích các trờng hợp về bệnh lý, đợc hỗ
trợ bằng những giả định bằng số hoá với các
mô hình khác nhau với mức độ phức tạp tăng
lên mới hy vọng có thể đánh giá đợc độ an
toàn kết cấu.
Không những thế, thực tế chứng tỏ rằng
đối với vật liệu bê tông rất cần xét đến các
tính chất không đàn hồi của bê tông ngay cả
dới tác động của lực thông thờng.
2. Bê tông cốt thép thờng
Cần thiết phải xét ảnh hởng của vết nứt
bê tông tham gia vào hoạt động thông thờng
của bê tông cốt thép. Vấn đề này sẽ phải giải
quyết theo cơ học phá huỷ bê tông.
3. Bê tông ứng suất trớc
Cần thiết phải xét đến sự biến dạng

(từ biến) để dự kiến đợc sự tổn thất ứng suất
trớc và hậu quả của nó đối với kết cấu. ở
Việt nam hiện nay các số liệu và phơng pháp
tính đều đợc áp dụng theo các tiêu chuẩn
nớc ngoài. Nh vậy vấn đề cấp thiết là phải
xác định các thông số vật liệu và lựa chọn
phơng pháp tính thích hợp. Bê tông cờng độ
cao có biến dạng theo thời gian thấp (khoảng
50% so với bê tông thờng). Vì vậy sử dụng
bê tông cờng độ cao cho kết cấu bê tông
ứng suất trớc là thích hợp.

Rất cần những sự hiểu biết rõ ràng về
hoạt động toàn bộ và cục bộ của kết cấu.
ở
những kết cấu truyền thống đợc gắn với các
lý thuyết cơ học truyền thống trong trờng hợp
này tính toán theo phần tử hữu hạn, đàn hồi
tuyến tính là đủ. Trong các trờng hợp khác
gắn liền với các hiện tợng vật lý (co khô, dãn
nở nhiệt ) việc tính toán khi đó phải xét đến
các hiện tợng vật lý và mô tả hiện tợng (các
biến đổi theo thời gian, các gradien ). Một ví
dụ nổi bật là mặt đờng bằng bê tông cốt thép
liên tục (BAC): Sự tối u hoá cốt thép chỉ làm
giảm bớt sự phân bố các vết nứt, tuy nhiên sẽ
rất khó khăn khi trình bày một cách minh bạch
mô hình kết cấu, sự nứt nẻ, vị trí và sự mở
rộng vết nứt và đề ra đợc các biện pháp sửa
chữa chính xác. Vấn đề tính toán không gian

kết cấu có xét đến sự làm việc chung với môi
trờng và nền đất là rất đáng lu ý trong
trờng hợp này.
4. Các nguyên tắc tính toán
Sử dụng cơ sở tính toán theo trạng thái
giới hạn là để kiểm tra kết cấu bê tông cốt
thép và cũng cần xét đến tính không đàn hồi
của bê tông đối với bê tông ứng suất trớc.
5. Đánh giá mức độ an ton của kết cấu
Trờng hợp tiêu biểu là trờng hợp một
kết cấu có dạng hình học phức tạp thì các tính
toán đàn hồi tuyến tính chỉ định vị đợc vùng
nguy hiểm và kiểu nguy hiểm, tức là xác định
đợc định hớng của hệ thống tác động tối
thiểu. Nhiều tác động khác còn cần phải
nghiên cứu tiếp theo.
6. Đổi mới trong lĩnh vực bố trí kết cấu
7. Lựa chọn v chế tạo bê tông mới
Cờng độ cơ học không còn là chuẩn
mực duy nhất cho việc lựa chọn vật liệu. Ngày
nay, đó là những tính chất cơ học khác nhau,

các tính chất vật lý, mỹ quan, có thể đợc xác
định và yêu cầu trong phạm vi ngày càng mở
rộng. Trong một số trờng hợp một vài tính
chất coi là phụ có thể trở thành chủ yếu trong
hoạt động cơ học của kết cấu (ví dụ động đất,
nhiệt thuỷ hoá trong đập thuỷ lợi bằng bê
tông) hoặc đối với độ an toàn(tính thấm hơi
của các lò phản ứng hạt nhân). Vì vậy rất cần

có những loại bê tông mới chất lợng cao nh:
bê tông Polime, bê tông cốt sợi chất lợng
cao
8. Chuẩn đoán bệnh v lựa chọn các
phơng pháp sửa chữa
Vấn đề này cần đợc đặc biệt quan tâm
ngay cả đối với việc bảo dỡng và duy tu các
công trình bằng bê tông cốt thép. Con đờng
tốt nhất của phơng pháp là sự kiểm nghiệm
tìm kiếm mô hình, tùy theo thực nghiệm của
chúng ta, để nhận ra nguyên nhân hoặc cơ
chế nguồn gốc gây nên sự bất ổn.
Cơ chế này luôn là duy nhất và chỉ đợc
biết đến khi nó đã ở mức độ cao hoặc đợc
xuất hiện bởi nhiều nhân tố đặc biệt. Khi xác
định cha chính xác cơ chế này việc khôi
phục lại hoặc củng cố lại kết cấu sẽ thiếu độ
tin cậy vì không thể dự đoán chính xác đợc
kết quả của việc sửa chữa cũng nh việc phát
triển của h hỏng tiếp theo. Khi đó việc sửa
chữa sẽ phải làm nhiều lần.
9. Lựa chọn mô hình thí nghiệm v
kiểm nghiệm
Mô hình dự đoán hoặc mô hình tiên đoán:
Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm
đa ra các kết quả dựa trên kích thớc của
mẫu thử, tỷ lệ của các phần tử kết cấu thử,
kích thớc của mẫu vật liệu. Đối với vật liệu bê
tông có những đặc tính rất khác nhau về quá
trình thuỷ hoá của xi măng cũng nh sự rắn

chắc của bê tông, tác động của môi trờng thi
công và khai thác, có ảnh hởng lớn đối với
kích cỡ của kết cấu và tuổi vật liệu.
Để phân tích và kiểm tra lại sự an toàn
của các công trình, đánh giá tuổi thọ của nó,
nh vậy cần hai loại mô hình thí nghiệm tạo ra
các số liệu thực nghiệm: xác định những quy
luật vận động dài hạn và xác định những quy
luật theo tỷ lệ các kích thớc kết cấu. Sự phân
đẳng cấp của các nhân tố ảnh hởng về mặt
độ bền của các công trình bê tông. Mô hình sẽ
chỉ có tính chất dự đoán, nếu nó dính liền với
hiện tợng vật lý tạo ra sự vận động của vật
liệu. Mô hình tiên đoán hoàn toàn đủ độ tin
cậy khi là kết cấu đủ lớn, gần bằng kết cấu
thật chịu tác động gần với thực tế. Lý tởng
nhất là những mô hình thật vì vậy vấn đề thí
nghiệm trên mô hình thật ngày càng trở nên
cấp thiết.
Các mô hình dự đoán và các mô hình tiên
đoán đều có ích vì chúng đều làm đơn giản
các đối tợng khác nhau và đáp ứng những
chuẩn mực của các sự lựa chọn khác nhau.
Với bê tông mô hình dự đoán sẽ là những thử
nghiệm trên mẫu thử, các mô hình tiên đoán
sẽ là những thử nghiệm trong các công trình
thực tế hoặc các mô hình lấy từ kết cấu thật
(Tỷ lệ 1/1) .
Kết luận
1. Kết cấu bê tông đang phát triển nhanh

cần nghiên cứu bê tông theo con đờng
nghiên cứu toàn diện.
2. Tính toán kết cấu chịu nhiều tác dụng,
xét đến tính phi tuyến, làm việc không gian và
chung với môi trờng là cần lu lu ý.
3. Mô hình tính toán, mô hình hoá vật liệu
và kết cấu sẽ tạo ra độ tin cậy cao hơn cho
các thí nghiệm và tính toán.
Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Duy Hữu. Vật liệu mới - Nhà xuất bản
GTVT - Hà Nội, 2002.
[2] Phạm Duy Hữu. Lý thuyết bê tông và thép. Đại
học GTVT, 2000.
[3] Hội nghị thế giới về mô hình hoá kết cấu bê tông
và vật liệu. Paris, 2001 Ă