BÊ TÔNG cốt sợi, yêu cầu kỷ THUẬT ỨNG DỤNG của bê TÔNG cốt sợi TRONG xây DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN KỸ THUẬT XÂY DỰNG


VẬT LIỆU XÂY DỰNG
BÊ TÔNG CỐT SỢI, YÊU CẦU KỶ THUẬT & ỨNG
DỤNG CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI TRONG XÂY DỰNG

GVHD: BÙI LÊ ANH TUẤN

SVTH: Nguyễn Chí Bảo B1408743
Mai Thanh Nguyên B1408804
Huỳnh Minh Mẫn B1408798

Cần Thơ, ngày tháng năm


MỤC LỤC
A. Khái niệm-phân loại bê tông cốt sợi
I. Bê tông cốt sợi là gì
1. Lịch sử ra đời
2. Khái niệm bê tông cốt sợi
II. Phân loại bê tông cốt sợi
1. Phân loại theo thành phần sợi
2. Phân loại theo cường độ bê tông xi măng
B.Thành phần-tính chất-yêu cầu kỷ thuật của bê tông cốt sợi
I. Tính chất cơ học của bê tông cốt sợi
II. Thành phần bê tông cốt sợi
1. Vật liệu chế tạo
2. Thiết kế hổn hợp bê tông cốt sợi thép

III. Yêu cầu kỷ thuật của bê tông cốt sợi
1. Nguyên tắc cấu tạo bê tông cốt sợi
2. Mô hình làm việc của sợi
3. Tỷ lệ hổn hợp- công thức thành phần
4. Mô đun đàn hồi của bê tông
5. Độ vỏng- độ bền dai
C.Ứng dụng của bê tông cốt sợi
D. Tài liệu tham khảo

2


ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU:
BÊ TÔNG CỐT SỢI-YÊU CẦU KỶ THUẬT-ỨNG
DỤNG CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI
A. KHÁI NIỆM-PHÂN LOẠI
I. BÊ TÔNG CỐT SỢI ( BTCS) LÀ GÌ
1. Lịch sử ra đời
 Từ thời kỳ Ai Cập và Babylonian, sợi, lông ngựa đã được dùng để
tăng cường cho gạch thô, tường trát bùn, thạch cao…
 Những nghiên cứu đầu tiên về sợi thép phân tán là của Romualdi,
Batson, Mandel, Shah và Swamy và những nghiên cứu khác ở Mỹ,
Anh và Nga. Vấn đề đang được nghiên cứu hiện nay là BTCĐCCST
và bê tông siêu cường độ cốt sợi thép.
 Tại Việt Nam vấn đề bê tông cốt sợi và bê tông cốt sợi thép đã bước
đầu được quan tâm nghiên cứu và công bố tại ĐH GTVT, ĐH XD,
viện KHCNXD, viện KHCN GTVT.
2. Khái niệm bê tông cốt sợi
Bê tông cốt sợi là loại bê tông tươi đặc biệt được chế tạo từ hỗn
hợp xi măng, cốt liệu, nước, phụ gia và sợi gia cường riêng rẽ. Sợi phân tán

ngẫu nhiên hoặc sợi liên tục, phân bố theo một hoặc hai phương được đưa
vào trong bê tông nhằm cải thiện và tăng cường các tính chất cho bê tông,
phù hợp sử dụng cho các công trình có yêu cầu cao về khả năng chịu kéo,
chịu uốn, chịu va đập, dẻo dai và ít co ngót của bê tông tươi.
II. PHÂN LOẠI BÊ TÔNG CỐT SỢI
1. Phân loại theo thành phần sợi
-Sợi thép
-Sợi thủy tinh
-Sợi tổng hợp polyme
-Sợi Cacbon
-Sợi Bazan
-Sợi Xenlulôzơ
2. Phân loại theo cường độ bê tông xi măng
Theo cường độ
Bê tông cốt sợi (f’c = 25-50MPa)
Bê tông cốt sợi cường độ cao (f’c = 60-100MPa)
Bê tông cốt sợi siêu cường độ (f’c = 120-800MPa).
Theo thể tích sợi:
Bê tông cốt sợi (0,25-2,5%)
Bê tông nhiều cốt sợi (10-25%).
3


Theo chất kết dính (pha nền):
Bê tông xi măng cốt sợi.
Bê tông polyme cốt sợi (Epoxy)
B.THÀNH PHẦN- TÍNH CHẤT- YÊU CẦU KỶ THUẬT CỦA BÊ
TÔNG CỐT SỢI.
I. TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT SỢI
1. Các yếu tố ảnh hưởng

• Loại sợi, cụ thể là chất liệu sợi và hình dạng của nó;
• Tỉ lệ hình dạng l/df
• Hàm lượng sợi theo thể tích Vf
• Khoảng cách giữa các sợi s
• Độ bền của vữa hoặc bê tông
• Kích cỡ, hình dạng của mẫu
2. Cường độ chịu nén
Tác động của sợi tăng cường đối với độ bền nén của bê tông
không đáng kể. Tuy nhiên, độ dẻo được tăng cường một cách đáng kể. Độ
dẻo là số đo khả năng hấp thụ năng lượng trong thời gian biến dạng. Chỉ số
độ dẻo (TI) được tính theo công thức sau:
TI = 1,421 RI + 1,035
(1.3)
Trong đó:
RI
- chỉ số cốt sợi thép = Vf (l/df);
Vf
- hàm lượng sợi theo thể tích, %;
l/df - hệ số tỷ lệ kích thước.
l
- chiều dài sợi, mm
df
- đường kính sợi, mm
Với cùng tỷ lệ N/X, cường độ chịu nén của mẩu SFRC cao hơn
so với mẩu bê tông thường. Cường độ chịu nén của bê tông tăng lên khi hàm
lượng sợi thép tăng từ 60 lên 120kg/m3. Sư chênh lệch giữa cường độ chịu
nén giửa bê tông thường và SFRC ở nhửng ngày đầu chưa cao lắm, nhưng
càng về sau thì sự chênh lệch này ngày càng lớn và tăng dần lên

4

Cường độ chịu nén ( daN/cm2 )

Hàm lượng sợi thép ( kg/m3)

Cường độ chịu kéo (daN/cm2)

Hình. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ chịu nén của SFRC.
3. Cường độ chịu kéo
Khi thể tích của sợi tăng lên từ 0.25 ÷ 1.25 % cường độ chịu kéo
của bê tông cốt sợi tăng lên đáng kể. Cường độ chịu kéo có thể tăng từ 10
đến 30% với các thử nghiệm bê tông cốt sợi thép có cường độ chịu nén đến
50MPa.Khi hàm lượng sợi thép tăng thì cường độ chịu kéo của SFRC tăng,
sự chệnh lệch cường độ chịu kéo của mẩu SFRC và bê tông thường tương
đối lớn, đặc biệt ở 28 ngày thì thể hiện càng rõ

Hàm lượng sợi thép ( Kg/cm3)

Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ chịu kéo của SFRC
5


Cường độ chịu uốn ( daN/cm2)

4. Độ bền cắt
Do sợi phân bố ngẫu nhiên trong khối vữa tăng cường khả năng
chịu ứng suất chủ của bêtông.
5. Co ngót
Trong quá trình diễn ra sự co ngót, các sợi thép sẽ hạn chế đáng

kể quá trình này
6. Cường độ chịu uốn
Khi hàm lượng sợi thép tăng 60, 80, 100 và 120 kg/m 3 thì cường
độ chịu uốn lần lượt tăng 43,4; 44,6; 46,2; và 52 daN/cm 2 so với bê tông
thường có cường độ chịu uốn là 25 daN/cm 2. SFRC có tính dẻo dai tốt hơn
sơ với bê tông thường.

Hàm lượng sợi thép (kg/m3)

Hình 3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ chịu uốn của SFRC
Các sợi tăng cường tác động lớn đến cường độ chịu uốn của bê
tông trong các giai đoạn:
• Giai đoạn tải trọng gây nứt trong đồ thị độ võng - tải trọng
• Giai đoạn tải trọng cực hạn
Cả 2 giai đoạn đều bị ảnh hưởng thể tích sợi V f và tỉ lệ l/df. Vf <
0,5% và l/df < 50, sợi có ảnh hưởng nhỏ đến cường độ chịu kéo khi uốn của
bê tông mặc dù chúng vẫn có thể có ảnh hưởng đến độ dẻo của bê tông.

Các kết quả nghiên cứu trên kết cấu dầm bê tông cốt sợi
thép cho thấy cường độ chịu kéo khi uốn tăng lên từ 15-20 %.
II. THÀNH PHẦN CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI
1. Vật liệu chế tạo
 Xi măng

6


-Loại xi măng được sử dụng là xi măng Portland thường
-Lượng xi măng tối đa là 525kg/1m3 bê tông
 Nước

-Phải là nước uống được
-Đảm bảo độ sạch hợp lý và không lẫn dầu, muối, a xít, chất
kiềm, thực vật…
 Phụ gia hóa học
-Các hợp chất hóa học góp phần tăng đáng kể cường độ chịu
nén, kiểm soát tốc độ đóng rắn, thúc đẩy nhanh cường độ, cải
thiện khả năng làm việc và độ bền lâu.
 Vật liệu khoáng siêu mịn
-Các vật liệu khoáng siêu mịn bao gồm chủ yếu là muội silic, xi
măng xỉ, và tro trấu…
 Cốt liệu thô (Đá dăm)
-Kích thước tối đa của cốt liệu không lớn hơn 9.5-12.5mm.
-Thành phần hạt phải phù hợp với tiêu chuẩn TCVN7570-2006,
ASTM D448, tiêu chuẩn Châu Âu N13043-2002.
 Cốt liệu mịn ( Cát )
-Mô đun độ mịn từ 2,6 đến 3,2
-Phải có hạt bền, cứng và sạch, không lẫn bụi, bùn, sét, chất
hữu cơ và những tạp chất khác
Việc phân tích thành phần hạt thực hiện theo TCVN 7570-2006
 Cốt sợi thép
-Sợi thép sản xuất từ thép cacbon hay thép hợp kim
-Cường độ chịu kéo trong khoảng 345 - 1380 MPa
-Môđun đàn hồi khoảng 200 GPa
-Tiết diện sợi thép có thể là tròn, vuông
-Chiều dài sợi thép thường nhỏ hơn 75 mm
-Tỉ số chiều dài sợi trên đường kính sợi L/df từ 20 - l00 là hay
sử dụng để gia cường cho BTXM

7

8


2.Thiết kế hổn hợp bê tông cốt sợi thép
 Các bước lựa chọn tỷ lệ vật liệu
1) Chọn độ sụt
2) Chọn kích thước tối đa cốt liệu, tỷ lệ Đ/C, lượng đá
3) Xác định khối lượng nước
4) Lựa chọn tỷ lệ N/CDK
5) Tính toán hàm lượng vật liệu kết dính
6) Cốt liệu mịn- Hàm lượng cát
7) Định tỷ lệ các phụ gia hoá học
8) Các hỗn hợp thử nghiệm
9) Lựa chọn các tỷ lệ trộn tối ưu
10)Công thức BTCĐCCST

 Ví dụ thành phần BTCS 70

9


Cường độ
thiết kế
MPa

Xi
măng
(Kg)

Nước
(Lít)

Tỷ lệ
N/CKD

Siêu
dẻo
(Lít)

MS
(Kg)

70

525

162

0.31

6.3

0

906

787

0

1.17

0.46

70

495

162

0.3

6.3

35

910

790

50

1.17

0.46

70

495

162

0.3

6.3

35

897

780

75

1.17

0.46

70

495

162

0.3

6.3

35

883

767

125

1.17

0.46

10

Đá
(Kg)

Cát
(Kg)

Cốt sợi
thép
(Kg)

Đ/C

C/(C+Đ)


Quá trình trộn bê tông cốt sợi

11


Kiểm tra thiết bị đo

12


Kiểm tra thiết bị đàn hồi

13


14


15


III. YÊU CẦU KỶ THUẬT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP
1. Nguyên tắc cấu tạo bê tông cốt sợi
Có 3 nguyên tắc cơ bản
a. Khả năng chịu kéo của bê tông rất kém.
b. Sự tăng cường cốt sợi phân tán sẽ hạn chế sự phát triển những vết
nứt nhỏ (vi vết nứt).
c. Sợi được phân bố không liên tục và ngẫu nhiên trong đá ximăng cả
ở vùng chịu nén và chịu kéo của kết cấu. Chúng có thể nâng cao độ
cứng và điều chỉnh vết nứt thông qua việc ngăn chặn các vi vết nứt
lan truyền, mở rộng và còn tăng độ dai do khả năng hấp thụ năng
lượng của cốt sợi.

2. Mô hình làm việc của sợi
Sợi hoạt động ở hai quy mô trong quá trình nứt của pha hồ xi măng.
a) Quy mô vi cấu trúc
Tác dụng của các sợi làm ổn định các vết nứt cực nhỏ, làm chậm quá
trình hư hỏng của vật liệu và hạn chế sự hình thành vết nứt lớn hơn.
b) Quy mô kết cấu
• Các sợi hoạt động như các vi cốt thép
• Cải biến khả năng hút năng lượng của kết cấu, thay đổi quá
trình phá hủy, vật liệu chuyển từ phá hoại giòn sang phá hoại
dẻo.
• Tuy nhiên, sợi sẽ làm rối loạn cấu tạo hồ xi măng và ảnh hưởng
đến tính dễ đổ của bê tông.
Bảng : Thuộc tính của nhửng loại sợi khác nhau
Loại sợi
Acrylic
Asbeslos
Cotton, sợi
TN
Amiante
Thuỷ tinh
Graphite
(cacbon)
Kevlar
Nylon
Polyester
Polypropylene
Rayon
Rock wool

0.02-0.35

0.0015-0.02

Khối lượng
riêng
(kg/m3)
1.1
3.2

Cường độ
chịu kéo
(GPa)
0.2 - 0.4
0.6 - 1.0

Môđun
đàn hồi
(GPa)
0.3
83 - 138

Độ dãn dài
tương đối
(%)
1.1
1-2

0.2-0.6

1.5

0.4 - 0.7

4.8

3-10

0.002-0.03
0.005-0.15
0.008 0.009
0.01
0.02-0.4
0.02-0.4
0.02-0.4
0.02-0.38
0.01-0.8

2.6
2.5

3.1
1.0 - 2.6

164
70 - 80

2-3
1.5 - 3.5

1.9

1.0 - 2.6

230 - 415

0.5-1.0

1.45
1.1
1.4
0.95
1.5
2.7

3.5 - 3.6
0.76 - 0.82
0.72 - 0.86
0.55 - 0.76
0.4 - 0.6
0.5 - 0.76

65 - 133
4.1
8.3
3.5
6.9
0.6

2.1 - 4.0
16-20
11-13

15-25
10-25
0.5-0.7

Đường kính
(mm)

16


Sisal
Thép

0.01 - 0.1
0.1-1.0

1.5
7.85

0.8
0.3 - 2.0

200

3.0
0.5-3.5

3. Tỷ lệ hổn hợp- công thức thành phần

 Thành phần của bê tông cốt sợi được xây dựng từ những kinh

nghiệm trên cơ sở thành phần bê tông đã được lựa chọn tối ưu
theo các phương pháp của bê tông chất lượng cao .
 Khi đó phải xem sợi như một thành phần phụ cần thiết và tiến
hành các thí nghiệm để tối ưu hóa các thành phần nhằm đạt
được các tính chất mong muốn.
 Phải đảm bảo sự phân tán đồng đều của các sợi và ngăn chặn sự
phân tầng hay vón cục của các sợi trong quá trình nhào trộn
Bảng : Tỷ lệ các thành phần của bê tông cốt sợi thường
350-500Kg/m3
0.4 - 0.6
50%
9 - 20mm
6 - 9%
0.5 - 2.5%

Ximăng
Tỷ lệ N/X
Phần trăm cốt liệu cát
Cốt liệu lớn nhất
Lượng không khí
Lượng sợi theo thể tích

Bảng: Tỷ lệ các thành phần của bêtông cốt sợi cường độ cao
Ximăng
400-560Kg/m3
Tỷ lệ N/X
0.25 - 0.4
Phần trăm cát
50%
Cốt liệu lớn nhất

9 - 12,5mm
Lượng không khí
4 - 6%
Lượng sợi theo thể tích
0.5 - 2.5%
Phụ gia siêu dẻo
0.8 - 1lit/100kg XM
Silicafin
7 - 10%XM
4. Mô đun đàn hồi của bê tông
Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi theo ASTM C469

R1 -R 0
E=
ε 1 -ε 0
Bảng : Kết quả đo mô đun đàn hồi
17


STT
1

Tuổi mẫu
3 ngày tuổi

2

7 ngày tuổi

3

28 ngày tuổi

Hàm lượng
sợi thép, %
0%
1%
1.5%
0%
1%
1.5%
0%
1%
1.5%

RI
0
0.67
1
0
0.67
1
0
0.67
1

Edh TB
(GPa)
36.57
40.63

42.42
40.03
44.50
46.39
40.82
45.36
47.88

Quan hệ giử mô-đun đàn hồi và thời gian

Quan hệ giửa mô đu đàn hồi và RI

18

Hệ số phát
triển
0.89
0.89
0.89
0.98
0.98
0.97
1
1
1


Phương trình tương quan giữa mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi với hệ
số RI và mô đun đàn hồi của bê tông như sau:

Ecf = 6.4619RI2 + 13.514RI + EC
trong đó: Ecf - mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi, GPa
Ec - mô đun đàn hồi của bê tông, GPa
RI - Hệ số đặc trưng của cốt sợi
Bảng : Tính toán sai số so với công thức khác
Công thức

Eb,
MPa

Ecf=4.58f’cu0.5+0.42fcu0.5RI+0.39RI, GPa
Job Thomas (2007)
Ecf=Ec(1+0.173RI), GPa
Gao(1997)
Ecf=Ec+13,51RI-6.46RI2, GPa
Luận án đề nghị (2009)

40.8
40.8
40.8

Ecs, GPa
40.66
RI=0.6
45.06
RI=0.6
46.58
RI=0.6

Sai số

0.92
1.02
1.05

 Mô đun đàn hồi của BTCĐCCST chỉ lớn hơn mô đun đàn hồi của bê
tông từ 5-10%, phụ thuộc vào mức độ tăng của hệ số RI. Tuy nhiên do
mức độ tăng không lớn nên trong các tính toán kết cấu vẫn sử dụng
mô đun đàn hồi của bê tông gốc để tính toán.

19


 Với BTCĐCCST công thức của hiệp hội RILEM kiến nghị là:
o Ecf = 9500(f’c)1/3,MPa (2.21) hoặc Ecf = 5000(f’c)1/2, MPa
(2.22)
 Tuy nhiên trị số của mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi thép phụ
thuộc rất lớn vào công nghệ thi công, vì vậy với các công trình cụ thể
để có kết quả chính xác nên làm lại thí nghiệm này.
5. Độ vỏng- độ bền dai
a) Độ võng
Đồ thị độ võng - tải trọng khác về căn bản so với dạng đồ thị có kết
quả từ các thí nghiệm dầm bê tông nói chung.

Hình . Mối quan hệ tải trọng- biến dạng của đầm bê tông và dầm
bê tông cốt sợi
b) Độ bền dai
 Diện tích vùng nằm phía dưới đồ thị quan hệ độ võng - tải trọng
là đại lượng năng lượng được hấp thụ. Đại lượng này có tên gọi
là "độ bền dai".
 Trong quá trình phân tích sự gia cường bằng cốt sợi thép, giá trị

độ bền dai là vấn đề cần quan tâm, cho biết đặc tính của vết nứt.
 Việc đánh giá từng loại sợi thép tiến hành bằng cách so sánh
phần năng lượng được hấp thụ (độ bền dai) khi mẫu thí nghiệm
đạt độ võng quy ước (với kết cấu dầm 15mm, với bản 25mm).

20


 Căn cứ vào biểu đồ năng lượng của mẫu thử có thể xác định
được cường độ tại một số điểm đặc biệt ứng với năng lượng xác
định
C. ỨNG DỤNG CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI TRONG XÂY DỰNG
 Ứng dụng bê tông cốt sợi thép chủ yếu để tăng cường tính dẻo của
bê tông và bê tông cốt thép do tận dụng khả năng hút năng lượng
của cốt sợi thép.
 Các ứng dụng của bê tông cốt sợi thép chủ yếu trong lĩnh vực sau:
 Xây dựng và sửa chữa mặt đường.
 Làm các sàn nhà công nghiệp và bến cảng.
 Làm các đường băng sân bay.
 Kết cấu chịu va chạm như: kho chứa thiết bị máy móc nặng.
 Làm sàn của nhà máy điện hạt nhân.
 Kết cấu chịu nhiệt.
 Làm các lớp phủ vỏ hầm bằng công nghệ phun.
ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TRONG KẾT CẤU CẦU

Hiện nay BTCS Thép cường độ cao và cường độ rất cao được sử dụng
trong kết cấu cầu thuộc 2 lĩnh vực như sau:
Kết cấu dầm và bản BTCST: thay phần bê tông trong kết
cấu bằng BTCST cả vùng chịu kéo và vùng chịu nén.
Các kết cấu cầu được gia cường bằng BTCST : chịu các

tác động của các sự cố chưa được lường đến trong các tiêu chuẩn thiết kế
cầu.


Cầu cho người đi bộ Shef'crooke

Cầu đi bộ Sherbrooke ở
Sherbrooke, Quebec là công trình
kiến trúc kỹ thuật đầu tiên xây
dựng bằng BTCS Thép Cường độ
cực cao trên thế giới vào năm
1997. Với khẩu độ 60m, kết cấu
dành cho người đi bộ này được
đúc sẵn và ứng lực trước , mặt cầu
làm bằng BTCS thép cường độ
cực cao

21




Cầu Bourg-les-Valence ở Đông nam nước Pháp

Cầu được làm bằng BTCS thép cường độ cực cao, gồm 2 nhịp dài
khoảng 20m và hoàn thành năm 2001
Thông số kỹ thuật của cầu:
 Chiều dài 22.5m
 Chiều rộng 2.4m
 Chiều cao 0.9m

 Bề dày 11cm
 Chịu tải 37 tấn

Thi công đường sân bay ở Bỉ

22


Mặt đường bến cảng ở Tây Ban Nha

Nền nhà kho ở Anh

23


Hầm đường sắt ở Anh

D. TÀI LIỆU THAM KHẢO
 Nguyễn Văn Chánh,Trần Văn Miền,(2003) “ Ứng Dụng Bê Tông
Cường Độ Cao Cốt Sợi Bazan Cho Các Công Trình Chịu Tải Trọng
Động”, Thông Tin Phát Triển Khoa Học Công Nghệ Bê Tông Ở Việt
Nam ( IDC 2003), Đà Nẳng.
 Nguyễn Văn Chánh, Trần Văn Miền (2003),“Basalte Fiber Reinforced
High Strength Concrete”, 28th Conference on Our World in Concrete
& Structure, Volume XXII, Singapore.
 Nguyễn Văn Chánh (2003), “Bê Tông Cốt Sợi Phân Tán”, Hồ Sơ
Nghiên Cứu, Trung Tâm Vật Liệu Mài Cao Cấp – Đại Học Bách
Khoa TP.HCM.
 Nguyễn Văn Chánh, Phan Xuân Hòang, Trần Văn Miền, Nguyễn
Quốc Hào, Nguyễn Thanh

 Dũng (2002), “Phát Triển Vật Liệu Mới – Bê Tông Cốt Sợi Phân
Tán”, Hội Nghị Khoa Học và Công Nghệ Lần Thứ 8, Trường Đại Học
Bách Khoa TP.HCM, trang 129 – 134.
24