Bê tông cốt sợi chuyên đề vật liệu

CHUYÊN ĐỀ VẬT LIỆU:
Bê tông cốt sợi dùng cho lớp bê tông mỏng
Lớp : XDCSHT – K49

I.Tóm tắt
Bề mặt áo đường bê tông mỏng đã được phát triển bằng cách sử dụng bê tông cốt sợi
(FFC) dày 50 mm (2 in) trên một bề mặt bê tông nhựa. Hỗn hợp bê tông kết hợp một loại
sợi tổng hợp đã được tối ưu hóa để giảm thời gian xây dựng mà vẫn tăng cường sức chịu
tải lớp áo đường. Việc thử nghiệm đã chứng minh FFC có độ chảy lan khoảng 400 mm
(15,5 inch) và sau nứt tỷ lệ cường độ còn lại trên 47% ,với 0,5 % khối lượng sợi tổng hợp.
Một dự án với quy mô lớn đã xác minh tính khả thi của việc xây dựng FFC, xác định
khoảng cách giữa các vết nứt và sự phát triển chiều rộng vết nứt, và các điều kiện liên kết.
Các tấm có kích cỡ khác nhau đã được tạo ra từ 1,2 đến 3,3 m (4 đến 11 ft) , các tấm dài
hơn có vết nứt sớm nhất và chiềurộng vết nứt lớn nhất lên đến 1,25 mm (0,05 in). Thí
nghiệm kiểm tra liên kết tại chỗ xác nhận sự liên kết tốt giữa nhựa đường và bê tông, ngoại
trừ tại các điểm nơi các mảnh vỡ từ lớp nhựa đường không được loại bỏ.
II.Giới thiệu
Bề mặt bê tông Asphalt là sự lựa chọn tiêu chuẩn cho lớp phủ mỏng của các cấu trúc mặt
đường hiện có bởi khả năng thi công nhanh chóng , khả năng để xây dựng một lớp mỏng,
và thuận lợi cho việc mở rộng giao thông ngay sau vị trí đã thi công. Công nghệ bê tông
hiện nay cho phép giảm thời gian xây dựng. Thành phần vật liệu và tỷ lệ cụ thể phải được
lựa chọn, ảnh hưởng của nó tới lớp phủ bê tông phải được nghiên cứu, để đảm bảo kinh tế,
tính khả thi của công nghệ,đảm bảo tuổi thọ được 10 đến 15 năm.
Một số dự án và các nghiên cứu gần đây đã thử nghiệm với lớp phủ bê tông dày 38 đến 50
mm. Thép mỏng (lên đến 0,5% khối lượng ) ,lớp phủ bê tông cốt thép sợi đã được nghiên
cứu cho cầu có đường xe chạy trên (Carlswärd 2006) . Một thí nghiệm gần đây cũng đã
được hoàn thành để xác định tính khả thi của lớp phủ mặt đường mỏng cụ thể bằng cách sử
dụng bê tông tự đầm (Riley 2005). Công nghệ bê tông tự đầm (SCC) đã được sử dụng trong
kết cấu bê tông để thi công nhanh các bức tường và dầm , và giảm thiểu rung động cần
thiết.Tương tự, bằng cách sử dụng một hỗn hợp bê tông tông tươi hoàn toàn để thúc đẩy
việc thi công mặt đường bê tông nhanh chóng . Việc tăng cường khối lượng cốt sợi là một

trong những vấn đề cốt lõi để tạo ra cấu kiện bê tông có kích thước mỏng hơn (Zhang và Li
2002; Ward và Li 1990).


Nghiên cứu sơ bộ này tạo điều kiện phát triển một hỗn hợp bê tông có sử dụng sợi gia
cường. Hỗn hợp này được thiết kế để thi công nhanh chóng một lớp mỏng và có khả năng
chống nứt cao. Một dự án về xây dựng lớp phủ mỏng đã được tiến hành để chứng minh ,
kiểm tra nứt và khả năng liên kết của mặt đường bê tông cứng.
III.Đặc điểm hỗn hợp bê tông
Hỗn hợp bê tông cốt sợi (FFC) được phát triển để tạo điều kiện thuận lợi cho xây dựng mặt
đường bê tông cho loại đường với tốc độ thấp đến trung bình và các bãi đỗ xe. Công nghệ
FFC này kết hợp các nguyên tắc của thiết kế hỗn hợp SCC (cần thiết cho việc thi công
nhanh chóng và thích hợp nhất của mặt đường mỏng với một hàm lượng cốt sợi cao hơn)
với việc sử dụng sợi gia cố (cần thiết cho sự dẻo dai và để đạt được tuổi thọ) .
Những lợi ích của bê tông cốt sợi gia cố (FRC) cho bề mặt bê tông mỏng là tăng độ bền vật
liệu và khả năng chịu tải của các tấm cũng như giảm tỷ lệ gia tăng vết nứt. Hỗn hợp FFC
được sử dụng trong dự án thực tế chứa 0,48% khối lượng sợi dài 40 mm, kết hợp với
0,06% khối lượng sợi ngắn dài khoảng 6mm (thường được sử dụng để giảm nhẹ co ngót
của bê tông). Việc bổ sung các sợi tổng hợp ngắn trong FFC là để tăng sự đàn hồi, độ nhớt,
và khả năng chống sự không đồng nhất của hỗn hợp (Banfill et al 2006). Vật liệu xi măng
sử dụng kết hợp với sợi dẻo để cải thiện khả năng làm việc.Vì lớp bê tông dày khoảng 5cm
nên kích thước tối đa của đá dăm sử dụng là 9,5 mm
Bảng 1 liệt kê các thành phần, tỷ lệ thiết kế hỗn hợp :

Độ chảy lan trung bình, trọng lượng, và lỗ rỗng lần lượt là 394 mm (15,5 inch), 2236
kg/m3 (140 lb / cf), và 6,8% không khí ,tương ứng cho hỗn hợp FFC được sử dụng trong
dự án hiện trường. Hỗn hợp FFC không giống như hỗn hợp SCC thông thường . FFC có đủ


sự gắn kết để tạo độ dốc lớp theo chiều dọc và ngang của đường. Cường độ trung bình

(cường độ nén và chịu uốn) được thể hiện trong Bảng 2.Hỗn hợp FFC được thiết kế đê sau
nứt khả năng chịu uốn cao, được minh họa bằng cách đo tỷ lệ cường độ còn lại của nó
R150150 sau nứt (ASTM Tiêu chuẩn C1609 2007) là 47,6% ở 7 ngày.Khuyến nghị cho tăng
cường cốt sợi gia cố trong một nghiên cứu tương tự của lớp phủ bê tông siêu mỏng (UTW)
yêu cầu một tỷ lệ cường độ còn lại là 20%, ít hơn đáng kể hơn so với hỗn hợp FFC
(Roesler et al 2008).
Đặc tính bẻ gãy là những thông số đầu vào cần thiết cho các mô hình phần tử hữu hạn ,đặc
trưng cho khả năng chịu tải của các tấm bê tông (Gaedicke 2009). Các đặc tính gãy ban đầu
được so sánh với các hỗn hợp FRC được sử dụng để thiết kế mặt đường trong khi tổng
năng lượng bẻ gãy của FFC là lớn hơn đáng kể hơn so với hồn hợp FRC (Roesler et al.
2008). Hình 1 cho thấy ảnh hưởng của kích thước mẫu đến ứng suất uốn .
Cùng một vật liệu FFC, nếu chiều cao của mẫu giảm, năng lực còn lại tăng do sự liên kết
sợi tốt hơn. Sự ảnh hưởng của việc đúc mẫu được xác nhận qua các thí nghiệm của một
dầm 7.5 cm tách ra từ dầm 15cm (xem minh họa trong hình 1). Một yếu tố khác của FRC
là giảm cường độ trung bình và giá trị lực làm gãy liên quan đến tuổi bê tông, thấy trong
bảng 2. Điều này này liên quan đến sự liên kết các sợi và xi măng,đặc biệt là khi sợi không
định hướng ,vuông góc với mặt phẳng nứt.
Bảng 2. Đặc tính của FFC

f'c = cường độ chịu nén
f'sp = cường độ kéo uốn


E = mô đun đàn hồi
MOR = cường độ chịu uốn
f dx = ứng suất còn lại của dầm có chiều sâu d (mm)
R DX = tỷ lệ ứng suất còn lại của dầm có chiều sâu d (mm)

IV. Kiểm tra mặt cắt
Sau khi hỗn hợp FFC đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đáp ứng yêu cầu khả

năng làm việc, cường độ và sự dẻo dai, các dự án cụ thể đã được xây dựng để điều tra các
khía cạnh xây dựng của FFC. Các nghiên cứu trước (Carlswärd 2006) đã chỉ ra những các
hthức đánh giá các liên kết, khoảng cách vết nứt, và chiều rộng vết nứt của lớp phủ mỏng
mẫu trong phòng thí nghiệm. Dự án này cho thấy kết quả ứng suất thực tế hơn và cho phép
đánh giá về khả năng mất liên kết giữa mặt đường bê tông và nhựa đường nằm bên dưới bề
mặt lớp.
Hình 2 minh họa ba mặt cắt kiểm tra, tất cả đều được đúc với chiều dày 5cm, (1,15 x 1,12
m, 1,73 x 1,68 m, 1,72 x 3,35 m)

Section 1: 81 slabs of size 1.15 m wide x 1.12 m long (3 ft-9 in x 3 ft-8 in )

Section 2: 36 slabs of size 1.73 m. wide x 1.68.m long (5 ft-8 in. x 5 ft-6 in)


Section 3: 22 slabs of size 1.72 m wide x 3.35 m long (5 ft-7.5 in. x 11 ft)

Tuổi thọ của một lớp phủ bê tông mỏng liên quan trực tiếp bởi sự dính bám với bề mặt bê
tông nhựa. Nếu bề mặt lớp phủ bê tông được thiết kế và xây dựng đúng , tồn tại sự dính
bám ,ứng suất kéo trong bê tông sẽ giảm, cải thiện năng lực tổng thể cấu trúc của phần mặt
đường. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một loạt các phương pháp để tăng cường sự dính
bám, báo cáo chỉ ra có thể xay hay nghiền vật liệu , miễn là bề mặt cơ bản là sạch trước khi
đúc (Silfwerbrand và Paulsson năm 1998; Harrington 2008). Tại công trường xây dựng,
hỗn hợp nhựa nóng (HMA) đã thi công dày 50 mm và rộng khoảng 3,3 m. Trước khi đúc,
các bề mặt HMA được làm sạch bằng nước áp lực cao để loại bỏ bụi và các miếng nhựa
đường lỏng và được cho phép để khô qua đêm.
Trong quá trình đúc FFC, vật liệu đã được truyền hiệu quả bằng cách sử dụng máng từ xe
tải bê tông tươi. Khi cần thiết, bê tông đã được tiếp tục di chuyển tại chỗ với xẻng và cào,
như thể hiện trong hình 3. Một lớp vữa được sử dụng để làm phẳng bề mặt bê tông.Khoảng
bốn giờ sau khi đúc, sử dụng thiết bị để cắt tạo các khe nối ở độ sâu 13 mm (0,5 in.)
(Khoảng 1/4 độ dày sàn).

V.Vết nứt và sự dính bám bề mặt chuyển tiếp
Các khe nối đã được kiểm tra ở độ tuổi 1, 3, 8, và 20 ngày theo số vết nứt và chiều rộng vết
nứt. Các khe nối biểu hiện nứt như được tóm tắt trong hình 4. Các mối nối ngang trong tấm
lớn nhất (phần 3) thể hiện tỷ lệ phần trăm của các khe nứt sau một ngày,20 ngày, tất cả các
khe ngang trong tất cả các phần đã bị nứt. Không có nứt ngẫu nhiên, có thể nhìn thấy trong
tấm.
Chiều rộng vết nứt so với tuổi cho từng mặt cắt có thể được nhìn thấy trong hình 5. Theo
dự kiến, chiều dài tấm lớn hơn, chiều rộng vết nứt sẽ lớn hơn. Vết nứt đo tại một ngày đã
được nghiên cứu để xác định xem mối liên hệ giữa độ tuổi phát triển vết nứt ban đầu và độ
rộng vết nứt ở các lứa tuổi sau đó, như đã được phát hiện trên các dự án UTW ở Illinois
(Roesler et al 2008). Như đã thấy trong hình 5, số liệu xác nhận rằng các vết nứt xuất hiện
ở ngày thứ nhất có chiều rộng vết nứt trung bình lớn hơn chiều rộng vết nứt trung bình của


tất cả các khe vào ngày thứ 20. Mong muốn có các khe co nứt càng sớm càng tốt vì điều
này có thể sẽ làm giảm độ rộng vết nứt trung bình tại mỗi tấm ở tất cả các lứa tuổi và phân
phối sự chuyển động của mỗi tấm để tránh khả năng mất liên kết.
Điều kiện về sự dính bám bề mặt đã được điều tra trên lĩnh vực dự án sau khi bê tông đã
đạt được đủ cường độ. Mặt cắt 1 có nền bê tông nhựa, mà đã không được loại bỏ hoàn toàn
trong quá trình bóc, và do đó để lại sự kém dính bám / trượt giữa bê tông và nhựa. Đối với
các mặt cắt còn lại, thí nghiệm kiểm tra xoắn tại chỗ (Tashman et 2006 al;. Leng et al
2008) đã được lựa chọn để đánh giá cường độ liên kết giữa bê tông mới và các lớp nhựa
đường ở trung tâm của bản. Mặc dù các thử nghiệm xoắn được tìm thấy là rất khác nhau,
một số các bài kiểm tra vượt quá phạm vi mô-men xoắn 500 Nm. Lớp HMA điển hình trên
bề mặt bê tông đã được báo cáo để sản xuất các giá trị mô-men xoắn khoảng 400 Nm.
Hình 4 : Tỷ lệ vết nứt ngang ở độ tuổi bê tông khác nhau
100%

Percent Transverse Joints Cracked

90%
80%
70%
60%
50%
40%

section 1
section 2
section 3


Hình 5. Chiều rộng vết nứt ngang trung bình và tối đa ở các lứa tuổi khác nhau của bê tông.
VI.Kết luận
Bê tông có thể được thiết kế mỏng, xây dựng mặt đường nhanh chóng và có khả năng cạnh
tranh kinh tế với lớp phủ bê tông nhựa thông thường. Một hỗn hợp bê tông đã được phát
triển bằng cách sử dụng sợi gia cố với khối lượng cao hơn so với các hỗn hợp FRC thường
được sử dụng trong mặt đường. Với một lượng xi măng cao hơn một chút, chất siêu dẻo
nhỏ hơn kích thước tối đa tổng hợp, hỗn hợp là hoàn toàn khả thi, dễ dàng thi công một lớp
mỏng.
Hiệu suất ban đầu được đo từ quy mô đầy đủ của hỗn hợp FFC dày 5 cm và trên mặt đường
trải nhựa. Kích cỡ tấm khác nhau từ 1,2 đến 3,3 m đã được xây dựng trong các dự án. Các
kích thước dài nhất của tấm xuất hiện nứt sớm nhất và rộng nhất ở các khe, các khe nứt
trước một ngày cũng như chiều rộng vết nứt lớn nhất đo được ở các lứa tuổi sau. Các mặt
cắt chủ yếu thể hiện tốt liên kết tiếp giáp giữa đường nhựa và bê tông. Sự không dính bám
chỉ được tìm thấy tại các địa điểm nơi các mảnh vỡ vẫn còn ở và làm sạch không đủ.
VII.Tài liệu tham khảo
ASTM Standard C1609. (2007). Standard Test Method for Flexural

Performance of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam With Third-Point
Loading). ASTM International, West Conshohocken, PA.


Transportation and Development Institute Congress 2011
Downloaded from ascelibrary.org by San Nguyen on 07/17/12. For personal use only.
No other uses without permission. Copyright (c) 2012. American Society of Civil Engineers. All rights reserved.

Banfill, P. F. G., Starrs, G., Derruau, G., McCarter, W. J., and Chrisp, T. M.
(2006). "Rheology of low carbon fibre content reinforced cement mortar."
Cement and Concrete Composites, 28(9), 773-780.
Carlswärd, J. (2006). "Shrinkage cracking of steel fibre reinforced self
compacting concrete overlays: test methods and theoretical modelling."
PhD thesis, Lulea University of Technology, Lulea, Sweden.
Gaedicke, C. (2009). "Fracture-based Method to Determine the Flexural
Load Capacity of Concrete Slabs." PhD thesis, University of Illinois at
Urbana-Champaign, Urbana, IL.
Harrington, D. (2008). Guide to Concrete Overlays. American Concrete Pavement
Association, Skokie, IL.
Kunieda, M., and Rokugo, K. (2006). "Recent Progress on HPFRCC in Japan:
Required
Performance and Applications." Journal of Advanced Concrete Technology, 4(1),
19-33.
Leng, Z., Ozer, H., Al-Qadi, I. L., and Carpenter, S. H. (2008).
"Interface bonding between hot-mix asphalt and various portland
cement concrete surfaces laboratory assessment." Transportation
Research Record, (2057), 46-53.
Riley, R. (2005). "SCC Quick Base and Patching Material 2005." Illinois Chapter
of the
American Concrete Pavement Association Presentation.

Roesler, J., Bordelon, A., Ioannides, A., Beyer, M., and Wang, D. (2008). "Design
and
Concrete Material Requirements for Ultra-Thin Whitetopping." Rep. No. FHWAICT-08-016, Research Report for the Illinois Center of Transportation R27-3A,
Urbana, IL.
Silfwerbrand, J., and Paulsson, J. (1998). "Better bonding of bridge
deck overlays." Concrete International, 20(10), 56-61.
Tashman, L., Nam, K., and Papagiannakis, T. (2006). "Evaluation of the


Influence of Tack Coat Construction Factors on the Bond Strength
between Pavement Layers." Rep. No. WA-RD 645.1, Washington State
University, Washington Center for Asphalt Technology, Pullman, WA.
Ward, R. J., and Li, V. C. (1990). "Dependence of Flexural Behavior of Fiber
Reinforced
Mortar on Material Fracture Resistance and Beam Size." ACI Materials Journal,
87(6),627-637.
Zhang, J., and Li, V. C. (2002). "Monotonic and fatigue performance in
bending of fiber- reinforced engineered cementitous composite in overlay
system." Cement and Concrete Research, 32(3), 415-423.