Sử dụng bê tông cốt sợi Polymer dùng cho kết cấu cánh cống lấy nước_unprotected

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Đức Dũng

i


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian thực hiện luận văn, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận
tình của các thầy cô, cơ quan và bạn bè đồng nghiệp, luận văn thạc sĩ : “Sử dụng bê
tông cốt sợi Polyme dùng cho kết cấu cánh cống lấy nước” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đối với Ban giám hiệu, các thầy cô Khoa Đại học
và sau Đại học, Khoa công trình trường Đại học Thuỷ lợi; Bộ môn Vật liệu xây dựng –
Trường Đại học Thủy lợi đã giảng dạy, giúp đỡ nhiệt tình trong suốt quá trình học tập
và thực hiện luận văn này. Đồng thời tác giả cũng xin chân thành cám ơn sự hướng
dẫn, chỉ dẫn giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Hoàng Phó Uyên, TS. Nguyễn Quang Bình.
Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã nhiệt tình giúp đỡ,
tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Trong khuôn khổ Luận văn Thạc sĩ, do hạn chế về điều kiện thời gian và trình độ nên
chắc chắn không tránh khỏi những tồn tại, hạn chế. Tác giả mong nhận được sự chỉ
bảo của các thầy cô giáo và bạn bè, đồng nghiệp. Những điều đó sẽ giúp ích rất nhiều
cho cá nhân tác giả trong việc hoàn thiện và phát triển nghề nghiệp của bản thân trong
quá trình công tác.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày

tháng 11 năm 2016

Tác giả luận văn

Nguyễn Đức Dũng

ii


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................... 1
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................................... 2
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................................................... 2
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 2
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI VÀ CÁNH CỐNG LẤY
NƯỚC .............................................................................................................................. 3
1.1 Tổng quan về bê tông cốt sợi..................................................................................... 3
1.1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCS trên thế giới ......................................... 4
1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu BTCS trên Thế giới .......................................................... 4
1.1.2.2 Tình hình ứng dụng BTCS trên Thế giới ............................................................ 5
1.1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCS tại Việt Nam ........................................ 8
1.1.3.1 Tình hình nghiên cứu BTCS tại Việt Nam .......................................................... 8
1.1.3.2 Tình hình ứng dụng BTCS tại Việt Nam............................................................. 8
1.1.4 Một số ưu nhược điểm của BTCS .......................................................................... 9
1.2 Cơ sở khoa học của việc sử dụng cốt sợi trong bê tông ............................................ 9
1.2.1 Vai trò của sợi trong việc nâng cao tính chất cơ học trong bê tông ..................... 12
1.2.2 Vai trò của sợi trong việc hạn chế nứt .................................................................. 15
1.3 Tổng quan về các loại cửa van ................................................................................ 18
1.3.1 Cấu tạo chung của cửa van ................................................................................... 18

iii


1.3.2 Các yêu cầu thiết kế cửa van ................................................................................ 18
1.3.3 Phân loại ............................................................................................................... 19
1.3.4 Một số loại cửa van thông dụng ........................................................................... 19
1.3.4.1 Cửa van phẳng ................................................................................................... 19
1.3.4.2 Cửa van cung ..................................................................................................... 20
Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 22
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM............... 23
2.1 Vật liệu sử dụng ...................................................................................................... 23
2.1.1 Xi măng ................................................................................................................ 23
2.1.2 Nước ..................................................................................................................... 24
2.1.3 Cốt liệu ................................................................................................................. 24
2.1.4 Cốt sợi .................................................................................................................. 26
2.1.5 Phụ gia khoáng ..................................................................................................... 28
2.1.6 Phụ gia siêu dẻo.................................................................................................... 33
2.2 Tiêu chuẩn áp dụng trong nghiên cứu ..................................................................... 35
2.3 Một số quy trình áp dụng trong nghiên cứu ........................................................... 37
2.3.1 Quy trình trộn bê tông trong phòng thí nghiệm .................................................. 37
2.3.2 Phương pháp chế tạo mẫu bê tông ...................................................................... 38
2.3.3 Phương pháp thử tính công tác của hỗn hợp bê tông .......................................... 39
Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 41
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................................... 42
3.1 Sự ảnh hưởng của thành phần hạt đến bê tông cốt sợi ............................................ 42

iv


3.2. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông ..................................................................... 46

3.2.1 Tính toán thành phần bê tông ............................................................................... 46
3.2.2 Hiệu chỉnh cấp phối bê tông ................................................................................. 52
3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt sợi đến một số tính chất của bê tông. .................... 53
3.3.1 Ảnh hưởng của cốt sợi đến tính công tác ............................................................. 53
3.3.2 Ảnh hưởng của cốt sợi đến cường độ nén ............................................................ 54
3.3.3 Ảnh hưởng của cốt sợi đến cường độ kéo uốn ..................................................... 56
3.4 Phương pháp thiết kế cánh cống (cửa van phẳng)................................................... 59
3.4.1 Bản mặt ................................................................................................................. 60
3.4.2 Xác định lực đóng mở cửa van ............................................................................. 60
3.5 Áp dụng tính toán cánh cống tại công trình cống Bằng Lai – Hải Dương .............. 62
3.5.1 Giới thiệu công trình............................................................................................. 62
3.5.2 Thông số tính toán ................................................................................................ 64
3.5.3 Phương pháp tính toán .......................................................................................... 65
3.5.4 Tính toán ứng suất ................................................................................................ 65
Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 71
1. Kết luận: .................................................................................................................... 71
2. Kiến nghị ................................................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 74
PHỤ LỤC 1. QUY TRÌNH THI CÔNG BÊ TÔNG CỐT SỢI POLYMER ................ 75
1.1 Quy trình trộn .......................................................................................................... 75

v


1.2 Yêu cầu trong thi công ............................................................................................ 75
1.2.1 Yêu cầu kỹ thuật gia công chế tạo tại xưởng ....................................................... 75
1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật khi lắp đặt ................................................................................. 76
PHỤ LỤC 2. MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ....................................................... 78

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
Hình 1.1. Bê tông cốt sợi .................................................................................................3
Hình 1.2. Sử dụng BCĐCCST trong công trình giao thông............................................6
Hình 1.3. Ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi khi chịu kéo [3,4] ..................................13
Hình 1.4. Sự tương tác giữa sợi và cốt liệu ...................................................................14
Hình 1.5. Mô hình hóa về quá trình hình thành vết nứt ................................................16
Hình 1.6. Sự hình thành vết nứt dưới tải trọng uốn.......................................................17
Hình 1.7. Cửa van Phẳng ...............................................................................................20
Hình 1.8. Cửa van cung .................................................................................................21
Hình 2.1 Ảnh cốt sợi polyprolylene ..............................................................................28
Hình 2.2. Tro tuyển Phả Lại ..........................................................................................32
Hình 2.3. Phụ gia khoáng hoạt tính silicafume .............................................................33
Hình 2.4. Trộn BTCS ....................................................................................................38
Hình 2.5. Chuẩn bị tấm kính, côn và đổ BTCS vào và gạt bằng mặt côn .....................40
Hình 2.6. Rút côn để vật liệu chảy xòe..........................................................................40
Hình 2.7. Vét sạch vữa bê tông dính trên thành ống .....................................................40
Hình 2.8. Đo độ chảy xỏe của hỗn hợp bê tông cốt sợi.................................................40
Hình 3.1. Các kiểu sắp xếp của hạt cốt liệu...................................................................43
Hình 3.2. Cường độ nén BTCS tuổi 3 ngày ..................................................................55
Hình 3.3. Cường độ nén BTCS tuổi 7 ngày ..................................................................56
Hình 3.4. Cường độ nén BTCS tuổi 28 ngày ................................................................56
Hình 3.5. Cường độ kéo uốn BTCS tuổi 3 ngày ...........................................................58
Hình 3.6. Cường độ kéo uốn BTCS tuổi 7 ngày ...........................................................58
Hình 3.7. Cường độ kéo uốn BTCS tuổi 28 ngày .........................................................59
Hình 3.8. Cách bố trí, lắp ghép cánh cống ....................................................................64
Hình 3.9. Cắt ngang cánh cống .....................................................................................64
Hình 3.10. Một phần cắt ngang cánh cống ....................................................................66

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đối với các tính chất của bê tông .................. 5
Bảng 1.2. Thuộc tính của các loại sợi khác nhau .......................................................... 10
Bảng 1.3. Các thông số của một số loại cốt sợi thép..................................................... 11
Bảng 2.1 Tính chất cơ lí của ximăng PCB40 Thăng Long: .......................................... 23
Bảng 2.2. Các tính chất cơ lý của cát nghiền ................................................................ 25
Bảng 2.3. Thành phần hạt của cát nghiền ..................................................................... 25
Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ lý của sợi Polypropylene....................................................... 26
Bảng 2.5 Kết quả thí nghiệm phụ gia khoáng hoạt tính tro tuyển Phả Lại ................... 31
Bảng 2.5. Tính chất cơ lí của tro tuyển Phả Lại ............................................................ 32
Bảng 2.6 Kết quả thí nghiệm phụ gia khoáng hoạt tính silicafume .............................. 32
Bảng 2.7 Đặc tính kỹ thuật của phụ gia siêu dẻo .......................................................... 35
Bảng 2.8 Đặc tính kỹ thuật của phụ gia chống phân tầng ............................................. 35
Bảng 2.9 Các tiêu chuẩn thí nghiệm của vật liệu .......................................................... 36
Bảng 2.10 Các tiêu chuẩn thí nghiệm của bê tông ........................................................ 37
Bảng 2.11 Chỉ tiêu cần xác định và hình dáng, kích thước viên mẫu ........................... 39
Bảng 3.1. Sự phụ thuộc độ xốp vào kiểu sắp xếp của hạt ............................................ 44
Bảng 3.2. Sự phụ thuộc của độ rỗng vào sự phối hợp các cấp hạt ............................... 45
Bảng 3.3. Thế tích cốt liệu lớn trong 1 m3 bê tông ....................................................... 46
Bảng 3.4. Bảng ước lượng lượng dùng nước dựa vào độ sụt của hỗn hợp bê tông và
D max của cốt liệu. ........................................................................................................... 47

viii


Bảng 3.5. Bảng tra tỷ lệ N/CKD dựa vào cường độ nén và kích thước hạt cốt liệu trong

các trường hợp có hoặc không có PGSD.......................................................................48
Bảng 3.6. Thể tích chiếm chỗ của các vật liệu: .............................................................50
Bảng 3.7. Thành phần vật liệu cấp phối gốc ................................................................51
Bảng 3.8. Thành phần cấp phối tang và giảm 10% CKD ............................................51
Bảng 3.9. Một số tính chất của bê tông .........................................................................52
Bảng 3.10. Thành phần cấp phối sau khi điều chỉnh ....................................................52
Bảng 3.11. Thành phần cấp phối bê tông M60 cơ sở ...................................................53
Bảng 3.12. Thành phần cấp phối bê tông sử dụng cốt sợi.............................................54
Bảng 3.15. Thành phần cấp phối bê tông sử dụng cốt sợi đề xuất ................................59
Bảng 3.16. Các công thức tính lực ma sát của gioăng (vật chắn nước) ........................62
Bảng 3.17. Thông số mặt cắt cơ bản của dầm chính cánh cống (cửa van) ...................66
Bảng 3.18. Biểu đồ áp lực và các công thức tính tải trọng tĩnh ....................................66
Bảng 3.19. Các công thức tính ứng suất cánh cống BTCS (cửa van) ...........................67
Bảng 3.20. Kết quả tính ứng suất ứng với các độ dày h khác nhau của cánh cống ......68

ix


KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

KÍ HIỆU

Ý NGHĨA

1

D

Độ chảy của hỗn hợp bê tông

2

CVC

Bê tông truyền thống

3

CKD

Chất kết dính

4

PGSD

Phụ gia siêu dẻo

5

PSK

Phụ gia khoáng

6

SF

Silica fume

7

FA

Tro bay

8

TG BĐĐK

Thời gian bắt đầu đông kết

9

TG KTĐK

Thời gian kết thúc đông kết

10

X, XM

Xi măng

11

C

Cốt liệu mịn - Cát

12

Đ

Cốt liệu thô - Đá

13

CL

Cốt liệu (cát + đá)

14

N

Nước

15

Vc

Độ công tác của hỗn hợp bê tông đầm lăn

16

R

Cường độ

17

W

Khả năng chống thấm

18

PG

Phụ gia nói chung

19

HHBT

Hỗn hợp bê tông

20

CP

Cấp phối

21

BT

Bê tông

22

BTT

Bê tông thường

x


STT

KÍ HIỆU

Ý NGHĨA

23

BTCT

Bê tông cốt thép

24

BTCS

Bê tông cốt sợi

25

N/CKD

Tỷ lệ nước trên chất kết dính

26

N/X

Tỷ lệ nước trên xi măng theo khối lượng

27

PC

Xi măng Pooc lăng (Portland Cement)

28

PCB

Xi măng Pooc lăng hỗn hợp

29

SF/CKD

Tỷ lệ silica fume trên chất kết dính, theo khối lượng

30

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

xi



MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong công trình xây dựng nói chung, bê tông là loại vật liệu được sử dụng với khối
lượng rất lớn, chiếm trên 60% khối lượng các kết cấu công trình. Hiện nay, ở Việt
Nam các công trình xây dựng thủy lợi thường sử dụng bê tông với cường độ nén là 20
- 40 MPa, nên kích thước kết cấu lớn. Đặc biệt sự phát triển của các công trình như các
kết cấu chịu ăn mòi, mài mòn như giàn khoan, cánh cống vùng triều và nội đồng, các
kết cấu vỏ mỏng…, đòi hỏi sự phát triển loại vật liệu mới như bê tông cốt sợi. Những
kết cấu vỏ mỏng như cánh cống thì khó bố trí cốt thép truyền thống. Đồng thời trong
môi trường ăn mòn sử dụng cốt thép thông thường không tốt.
Trong điều kiện công nghệ và môi trường ở Việt Nam hiện nay, nhiều công trình hoặc
các bộ phận kết cấu của công trình bằng bê tông hay bê tông cốt thép đã phát sinh vết
nứt ngay trong giai đoạn thi công hoặc chỉ sau một thời gian sử dụng rất ngắn. Như
vậy có một nhu cầu rất quan trọng là phòng tránh và xử lý các dạng vết nứt phát 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 đặc biệt trong kết cấu chịu ứng
suất rất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thông thường không đủ khả năng chịu lực.
Để giải quyết vấn đề này người ta đã sử dụng rất nhiều biện pháp như căng kéo cốt
thép dự ứng lực, dùng các chất phụ gia chống co ngót, hay bố trí các 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 đó các nhà khoa học còn tìm các

giải pháp để tăng cường khả năng chịu lực của bê tông 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
sợi…
Sợi được dùng để gia cường bê tông có rất nhiều loại như sợi thép, sợi cacbon, sợi
thủy tinh, sợi tổng hợp polyme, sợi bazan, sợi thực vật…

1


Trong các giải pháp trên, một giải pháp được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan
tâm đó là tăng cường tính chất của bê tông bằng các loại vật liệu dạng sợi. Vì vậy,
nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi là cần thiết.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
− Nghiên cứu chế tạo bê tông sử dụng cốt sợi polyme có cường độ uốn cao trong
điều kiện Việt Nam.
− Thiết kế cơ sở cánh cống vùng triều sử dụng bê tông cốt sợi.
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
− Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm các chỉ tiêu chế tạo bê tông và bê tông cốt sợi
− Thiết kế cánh cống có kích thước bxh = (3x3)m (chịu được áp lực nước …)
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Từ mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu đặt ra, luận văn thực hiện các nội dung
nghiên cứu chủ yếu như sau:
− Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của bê tông cốt sợi trên thế giới và
ở Việt Nam.
− Khảo sát nghiên cứu nguyên vật liệu ở Việt Nam để chế tạo bê tông cốt sợi dựa
trên các tiêu chuẩn hiện hành.
− Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cốt sợi. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm
lượng sợi phân tán đến các tính chất của bê tông như tính công tác, biến dạng co
ngót, cường độ uốn, cường độ nén, mô đun đàn hồi của bê tông.
− Nghiên cứu sự làm việc của cánh cống sử dụng bê tông cốt sợi.

5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
− Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập tài liệu, phân tích nghiên cứu đã có và kết hợp thí
nghiệm.
− Nghiên cứu thực nghiệm: Kế thừa nghiên cứu có trước ở thế giới và Việt Nam.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI VÀ CÁNH CỐNG
LẤY NƯỚC
1.1 Tổng quan về bê tông cốt sợi
Bê tông cốt sợi (BTCS) là loại vật liệu composite trong đó phần vật liệu nền là bê tông
xi măng, phần cốt là các loại sợi nhỏ. Sự có mặt của cốt sợi làm cho BTCS có khả
năng chống lại sự co ngót và nứt trong quá trình rắn chắc và làm việc, đồng thời làm
tăng cường độ kéo, uốn và nâng cao độ dẻo dai.

Hình 1.1. Bê tông cốt sợi
Do có các đặc tính ưu việt hơn so với bê tông thường, bê tông cốt sợi sẽ trở thành loại
vật liệu tiến tiến trong xây dựng và được ứng dụng cho những công trình chất lượng
cao như: kết cấu đường băng sân bay, cầu cảng, nhà vòm, nhà cao tầng, nhà công
nghiệp, gia cố đường hầm xuyên núi, kết cấu chống nổ, bể bơi, xi lô chứa vật liệu... Sử
dụng Bê tông cốt sợi trong xây dựng sẽ tiết kiệm không gian, tiết kiệm cốt thép, giảm
nhẹ kết cấu móng và tạo ra nhiều giải pháp kết cấu mới mà ở bê tông thường sẽ không
thực hiện được.
Các sợi ngắn, gián đoạn thường được dùng trong bê tông cốt sợi, vì vậy liên kết sợi
với các thành phần của bê tông là không liên tục. Các đặc điểm hình học khác như là tỉ
lệ chiều dài/đường kính, thể tích sợi, hướng và các kỹ thuật chế tạo, có ảnh hưởng lớn

3

tới các tính chất của bê tông. Vai trò của sợi chủ yếu là tăng tính dai cho bê tông bằng
cách ngăn chặn các vết nứt gẫy ngay từ ban đầu, tức là nó làm chậm lại sự lan truyền
đứt gãy qua các phần tử đá xi măng giòn, tạo ra từng cấp truyền nứt gãy chậm riêng
biệt. Vì vậy, cường độ chịu kéo cũng như biến dạng cuối cùng của bê tông được tăng
lên nhiều lần so với bê tông thường.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCS trên thế giới
1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu BTCS trên Thế giới
Từ thời kỳ Ai Cập và Babylonian, sợi, lông ngựa đã được dùng để tăng cường cho
gạch thô, tường trát bùn, thạch cao…
Hiện nay, bê tông cốt sợi (BTCS) đã được nghiên cứu rộng khắp trên thế giới trong
nhiều thập kỷ qua, đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về khả năng ứng xử của bê
tông cốt sợi từ trạng thái hỗn hợp đến rắn chắc và cả độ bền của bê tông cốt sợi trong
những điều kiện làm việc khác nhau.
Về khả năng ứng xử của bê tông cốt sợi ở trạng thái hỗn hợp, tại Mỹ [1] đã nghiên cứu
ảnh hưởng của sợi đến hỗn hợp bê tông. Bê tông không gia cường sợi có mác thiết kế
là 20 MPa, hàm lượng sợi sử dụng trong bê tông thay đổi từ 0,075% ÷ 0,5% tính theo
thể tích của bê tông. Những loại sợi tổng hợp được nghiên cứu bao gồm: sợi Nylon 6,
sợi Polypropylene (PP), sợi Polyme. Những loại sợi này có chiều dài 19 mm, 25 mm,
38 mm. Sợi PP có dạng bó sợi, sợi Nylon 6 và sợi Polyme ở dạng đơn mảnh. Qua kết
quả nghiên cứu tác giả đưa ra kết luận là: độ dẻo của hỗn hợp bê tông giảm xuống khi
sợi được đưa vào trong hỗn hợp bê tông, sự giảm xuống về độ dẻo càng tăng khi hàm
lượng sợi tăng lên. Sự suy giảm về độ dẻo của hỗn hợp bê tông sử dụng các loại sợi
khác nhau sẽ khác nhau. Độ dẻo của hỗn hợp bê tông cốt sợi giảm xuống khi chiều dài
sợi tăng lên.
Khảo sát sự thay đổi về cường độ chịu nén của bê tông khi hàm lượng sợi thay đổi
thấy rằng, cường độ nén bê tông ở 1 ngày bị giảm đi khi hàm lượng cốt sợi tăng lên.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của sợi tổng hợp đối với sự dẻo dai và khả năng chống va
đập của bê tông thông qua thì nghiệm uốn tầm tiêu chuẩn (150 × 150 × 600) mm và thí

4


nghiệm búa rơi tự do, sợi sử dụng bao gồm sợi Nylon 6; sợi PP; sợi Polyme có chiều
dài 19 mm ở dạng đơn mảnh, hàm lượng sợi thay đổi từ 0,075% ÷ 0,5% thấy rằng: độ
dẻo dai và khả năng chống va đập của bê tông tăng lên khi sử dụng 0,5% cốt sợi phân
tán.
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đối với các tính chất của bê tông
Hàm lượng sợi,

Mẫu nghiên cứu

Loại sợi

Đối chứng

-

0

178

2331

NL1

Nylon6

0,45

140

2371

NL2

Nylon6

0,6

133

2290

NL3

Nylon6

0,9

102

2358

PP1

Polypropylene

0,6

133

2371

PP2

Polypropylene

0,9

165

2317

PE

Polyetylene

0,6

133

2371

kg

Độ sụt, mm KLTT, kg/m3

Nhận xét: Khi hàm lượng sợi tăng thì độ sụt giảm đối với mẫu đối chứng không có cốt
sợi.

1.1.2.2 Tình hình ứng dụng BTCS trên Thế giới
Trong nhiều năm qua ở trên thế giới, người ta đã ứng dụng bê tông cốt sợi phân tán
vào trong nhiều lĩnh vực xây dựng. Vào năm 1970 nhà xe sân bay Lockbourne bang
Ohio ở Mỹ [1] được xây dựng từ những tấm bê tông cốt sợi đúc tại chỗ, những tấm bê
tông cốt sợi có kích thước là (10,7 × 14 × 0,15) m và (1,5 × 6,7 × 0,15) m. Loại sợi
được sử dụng trong công trình này là sợi thép, hàm lượng sợi sử dụng là 106 kg/m3.
Sau khi đã đổ xong tấm bê tông cốt sợi, người ta phủ lên mặt của những tấm bê tông
cốt sợi này bằng nhưng lớp lưới sợi PP có bề dày 0,2 mm để làm lớp đệm chống mài
mòn trong quá trình sử dụng công trình.
5


Năm 1970 ở Michigan của Mỹ, đường Niles dẫn vào khu công nghiệp được xây dựng
bằng bê tông cốt sợi thép phân tán với chiều dày của đường là 100 mm. Sợi thép thẳng
được sử dụng với hàm lượng là 120 kg/m3. Sau khi đưa công trình vào sử dụng, người
ta tiến hành so sánh đường làm bằng bê tông cốt sợi và đường làm bằng bê tông bình
thường thì thấy rằng: mặc dù đường làm bằng bê tông cốt sợi có chiều dày 100 m nhỏ
hơn so với đường làm bằng bê tông thông thường 180 mm nhưng khả năng chịu tải,
chịu mài mòn và chống nứt tốt hơn so với đường bê tông thông thường không có sử
dụng cốt sợi.
Năm 1983 tại Frakfurt ở Đức, người ta tiến hành xây dựng sân bay Fankfurt. Sân bay
này có lớp phủ mặt đường băng làm bằng bê tông cốt sợi thép phân tán, hàm lượng sợi
dử dụng là 60kg/m3 để góp phần làm tăng khả năng chống mải mòn và chống co ngót
cho đường băng.
Cùng thời điểm năm 1983, chỉ riêng ở Mỹ có đến 22 dự án xây dựng đường băng sân
bay được hoàn thành. Trong khi đó ở châu Âu chỉ riêng năm 1990 đã có 1,9 triệu m2
sàn công nghiệp được thi công bằng BTCST.
Năm 1984, tại Denver (Mỹ) đã sử dụng 42.000 m2 BTCST để thay thế mặt thượng lưu
của đập Barr Lake được xây từ năm 1909.

Hình 1.2. Sử dụng BCĐCCST trong công trình giao thông
6


Năm 1997, cầu cho người đi bộ Sherbrooke (Hình 1.2) ở Sherbrooke, Quebec là công
trình kiến trúc kỹ thuật đầu tiên xây dựng bằng bê tông cường độ cao cốt sợi thép trên
thế giới. Cầu có khẩu độ 60 m, kết cấu dành cho người đi bộ này được đúc sẵn và dự
ứng lực trước, mặt cầu làm bằng BTCĐCCST.
BTCS thủy tinh được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế. Trong nông
nghiệp, BTCS thủy tinh được sử dụng để chế tạo máng ăn, chuồng trại chăn nuôi.
Trong xây dựng, BTCS thủy tinh sử dụng để chế tạo sản phẩm dạng tấm, dầm, thay
thế sợi amiăng trong sản xuất tấm lợp, tấm ngăn lửa, các chi tiết chống cháy, tấm cách
nhiệt và rất nhiều ứng dụng khác.
BTCS tổng hợp có thể ứng dụng cho kết cấu đổ tại chỗ như thi công sàn trên nền đất,
thi công mặt đường, thi công lớp bọc đường hầm hay cho các kết cấu đúc sẵn như chế
tạo panel tường bao, tấm, vòm, vỏ...
BTCS tự nhiên được ứng dụng khá phổ biến dưới dạng vật liệu tấm mỏng. Ở châu Phi
BTCS từ sơ dừa được dùng để đúc ngói lợp, chế tạo tấm sóng, đường ống, bể chứa
nước, chứa ga, silô chứa vật liệu rời... Ở Zambia BTCS sử dụng cỏ voi được dùng
trong xây dựng nhà giá thấp. Sợi dừa được sử dụng trong composite xi măng để chế
tạo cấu kiện bao che, cách âm và cách nhiệt.
BTCS polypropylene được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các sản phẩm dạng tấm, các
sản phẩm BTCS dạng vữa thâm nhập và nhiều loại sản phẩm đúc sẵn cũng như đổ tại
chỗ khác. BTCS polypropylene siêu mảnh với lượng dùng 0,9 kg/m3 được sử dụng để
xây dựng 18600 m2 mặt đường bãi đỗ xe tải hạng nặng ở Mobile, Alabama.
Việc sử dụng cốt sợi trong thành phần bê tông đã làm xuất hiện một loại hình bê tông
mới gọi là bê tông cốt sợi chất lượng cao. Có thể nói đây là loại bê tông đã kết hợp
được tất cả các đặc điểm tốt nhất của bê tông với cốt sợi: nó vừa có cường độ cao, vừa
chịu kéo, uốn, cắt rất tốt. Đồng thời cường độ chống va đập, chống lại tác dụng của tải
trọng động, chống mỏi đều tăng lên so với bê tông chất lượng cao khi không có cốt

sợi. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã tập trung nghiên cứu loại bê tông mới này để thi
công nhiều công trình như đường giao thông, các cây cầu nhịp lớn, các tòa nhà cao
tầng, công trình vách mỏng....
7


1.1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCS tại Việt Nam
1.1.3.1 Tình hình nghiên cứu BTCS tại Việt Nam
Một số trường đại học, trung tâm nghiên cứu ở Việt nam cũng đã nghiên cứu về bê
tông cốt sợi như Trường Đại học xây dựng, Viện khoa học công nghệ vật liệu xây
dựng, Trường Đại học kỹ thuật thành phố HCM, ... nhưng kết quả còn nhiều hạn chế
chưa ứng dụng được nhiều.
Các nghiên cứu về bê tông cốt sợi ở trường Đại học xây dựng trong những năm 1982
đến 1987 là sử dụng sợi amiăng để làm tấm lợp, tới năm 1999 đã tiến hành nghiên cứu
bê tông cốt sợi thủy tinh và sợi polypropylen, năm 2000 đã tiến hành nghiên cứu bê
tông cốt sợi kim loại.
Trường Đại học kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tiến hành nghiên cứu về bê tông
sử dụng cốt sợi sơ dừa để làm tấm lắp ghép xây nhà ở đồng bằng sông Cửu Long.
Viện khoa học công nghệ vật liệu xây dựng đã có những nghiên cứu vật liệu
composite nền xi măng cốt sợi thực vật để chế tạo các sản phẩm xây dựng nhà ở nông
thôn và miền núi vào cuối thập kỷ 80. Tuy nhiên, vấn đề độ bền lâu của sợi thực vật
trong môi trường kiềm của đá xi măng vẫn chưa giải quyết được triệt để nên loại vật
liệu composite này còn nhiều hạn chế trong sử dụng.
Năm 1998, Viện khoa học công nghệ vật liệu xây dựng triển khai nghiên cứu đề tài
"Nghiên cứu công nghệ sản xuất và ứng dụng vật liệu composite nền xi măng cốt sợi
thép phân tán" mang mã số RD - 44 và đã ứng dụng sửa chữa một số công trình như
các vết nứt ở đường băng sân bay Nội Bài, gia cố nền đất bể bơi thị xã Hà Giang.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng bê tông cốt sợi còn ít và chưa có hệ
thống. Do đó, việc nghiên cứu và sử dụng bê tông cốt sợi ở nước ta là một đòi hỏi cần
thiết và cấp bách cần được tiến hành đầy đủ và đồng bộ.

1.1.3.2 Tình hình ứng dụng BTCS tại Việt Nam
Ứng dụng BTCS với phạm vi công nghiệp đầu tiên ở Việt Nam đó là công trình hầm
xuyên đèo Hải Vân. Tại đây đã sử dụng công nghệ phun bắn để tạo lớp gia cố từ
8


BTCS thép và một số công trình nhỏ lẻ khác tại các công trình sân bay, cầu cảng, các
công trình quân sự. Trong quá trình xây dựng sân vận động Quốc gia Mỹ Đình để
chống thấm và chống nứt cho mặt bậc đã ứng dụng BTCS polypropylene, tuy nhiên
kết quả đạt được còn hạn chế.
1.1.4 Một số ưu nhược điểm của BTCS
Ưu điểm:
− Tăng đáng kể cường độ chịu nén và nâng cao cường độ chịu uốn, chịu kéo cho cấu
kiện.
− Hầu như giảm hiện tượng nứt mặt. Vì cốt sợi thép xuất hiện dày dặc và gia cố theo
cả ba phương trong bản sàn.
− Thi công nhanh chóng vì giảm đáng kể chiều dày bản sàn so với bình thường, giảm
chi phí nhân công, thời gian.
− Sử dụng bê tông cốt sợi đã mang lại nhiều hiệu quả to lớn, có thể giảm được chiều
dày kết cấu, tạo ra các kết cấu mỏng hơn, ít khe nối, ít bị nứt hơn mà niên hạn sử
dụng dài, chi phí bảo dưỡng ít.
Nhưng cũng có khó khăn gặp phải tại Việt Nam:
− Công tác trộn: thông thường, tất cả các chủ đầu tư, đơn vị tư vấn thiết kế, đều yêu
cầu trộn ngay tại hiện trường. Họ còn ngần ngại về công nghệ mới và ứng dụng.
− Bê tông cần có tính linh động cao để cốt sợi dễ phân tán. Cần lưu ý thời điểm tổ
chức thi công và công tác bảo dưỡng để tránh nứt mặt.
− Cốt sợi xuất hiện trên bề mặt hoàn thiện. Tuy rằng, hoàn toàn không ảnh hưởng đến
yêu cầu kĩ thuật nói chung và vẫn đảm bảo các chỉ tiêu và yêu cầu chịu lực.
1.2 Cơ sở khoa học của việc sử dụng cốt sợi trong bê tông
Sợi được phân bố không liên tục và ngẫu nhiên trong bê tông 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.

9


Sợi được dùng để gia cường bê tông có rất nhiều loại như sợi thép, sợi cacbon, sợi
thủy tinh, sợi tổng hợp polyme, sợi thực vật…
Bảng 1.2. Thuộc tính của các loại sợi khác nhau

Loại sợi

Đường kính, Khối lượng

Cường độ

Môđun

Độ dãn dài

chịu kéo,

đàn hồi,

tương đối,

GPa

GPa

%

mm

riêng, kg/m3

0,02÷0,35

1,1

0,2÷0,4

0,3

1,1

0,0015÷0,02

3,2

0,6÷1,0

83÷138

1,0÷2

0,2÷0,6

1,5

0,4÷0,7

4,8

3,0÷10

Amiante

0,002÷0,03

2,6

3,1

164

2,0÷3

Thuỷ tinh

0,005÷0,15

2,5

1,0÷2,6

70÷80

1,5÷3,5

Graphite (cacbon)

0,008÷0,009

1,9

1,0÷2,6

230÷415

0,5÷1,0

Kevlar

0,01

1,45

3,5÷3,6

65÷133

2,1÷4,0

Nylon

0,02÷0,4

1,1

0,76÷0,82

4,1

16,0÷20

Polyester

0,02÷0,4

1,4

0,72÷0,86

8,3

11,0÷13

Polypropylene

0,02÷0,4

0,95

0,55÷0,76

3,5

15÷25

Rayon

0,02÷0,38

1,5

0,4÷0,6

6,9

10,0÷25

Rock wool

0,01÷0,8

2,7

0,5÷0,76

0,6

0,5÷0,7

Sisal

0,01÷0,1

1,5

0,8

-

3

Thép

0,1÷1,0

7,85

0,3÷2,0

200

0,5÷3,5

Acrylic
Asbeslos
Cotton, sợi TN

10


Vật liệu cốt sợi có những tính năng vượt trội về cường độ, khả năng chống ăn mòn
dùng để thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt thép trong các cấu kiện, công trình xây
dựng đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng.
Bảng 1.3. Các thông số của một số loại cốt sợi thép

Kiểu thép

Chiều dài,
mm

Kích thước
mặt cắt,
mm

Tỉ số
kích thước,
mm

Cường độ
vật liệu,

Kiểu néo

MPa

EE186

18

0.6 × 0.4

38

800

EE256

25

0.6 × 0.4

45

800

EE266HT

25

0.6 × 0.4

45

1000

Dramix

30÷60

F 0.5 × 0.9

Xorex

38

1.35 × 0.5

43

800

Horte

30

F 0.5

60

700

Harex

25

2.75 × 0.5

45

800

-

550

Lưới hàn

-

550

Lưới hàn

Thép lưới F82

Thép lưới F41

Dây dài 8mm, tấm 200mm
mỗi chiều
Dây dài 4mm, tấm 100mm
mỗi chiều

Tấm cắt loe
ở đầu

35÷60÷80 1000÷1200
Dây kéo dài
khoá ở đầu

Thép

cán

gấp mép

Mô hình làm việc của sợi: Sợi hoạt động ở hai quy mô trong quá trình nứt của pha hồ
xi măng.
* Quy mô 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.
11


* Quy mô kết cấu:
− Các sợi hoạt động như các vi cốt thép
− Các biến khả năng hút năng lượng của kết cấu, thay đổi quá trình phá hủy vật liệu,
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.
Tỷ lệ hỗn hợp và công thức 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. 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.
1.2.1 Vai trò của sợi trong việc nâng cao tính chất cơ học trong bê tông
Sợi được sử dụng trong bê tông có rất nhiều loại như: sợi thép, sợi các bon, sợi thủy
tinh, sợi polymer, sợi thực vật…Tùy thuộc vào loại, lượng dùng cốt sợi và chất lượng
vật liệu nền bê tông mà khả năng chống nứt và chịu lực sau khi nứt của bê tông được
hình thành khác nhau.
Các loại sợi bắt đầu được sử dụng trước năm 1990 thường chỉ chống nứt và duy trì khả
năng chịu lực của bê tông sau khi nứt (bê tông cốt sợi thế hệ 1) [2,3]. Các loại sợi này
thông thường có kích thước chiều dài khoảng 30 ÷ 65 mm đường kính 0,6 ÷ 1,2 mm,
có thể làm bằng kim lại hoặc nhựa tổng hợp. Việc tăng hàm lượng sợi lên nhằm nâng
cao khả năng chịu lực sau khi bê tông nứt đã gặp phải khó khăn vì tính công tác của
hỗn hợp bê tông cốt sợi không cho phép (hàm lượng sợi cao dẫn đến hiện tượng các
sợi mắc vào nhau thành các búi, chùm, sợi phân bố không đồng đều trong vật liệu nền

bê tông).
Từ những năm 1990, bê tông cốt sợi thứ 2 xuất hiện với khả năng tăng mức chịu lực
của bê tông ngay cả sau khi bê tông đã nứt, nhiều trường hợp bê tông cốt sợi thậm chí
đã có thể chịu lực lớn gấp 2 đến 3 lần lực phá hoại bê tông ở các vết nứt đầu tiên khi
chịu uốn hoặc kéo. Các loại sợi này nhỏ hơn các loại sợi dùng cho bê tông cốt sợi thế
hệ 1, thường có đường kính dưới 0,3 mm với độ dài nhỏ hơn 20 mm. Việc hạ kích

12


thước sợi xuống đã giúp cho hàm lượng sợi sử dụng trong bê tông tăng lên, đồng thời
kích thước hạt cốt liệu trong bê tông giảm, hàm lượng CKD tăng, tạo thành hỗn hợp
được đồng nhất hơn.

Hình 1.3. Ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi khi chịu kéo
a - Bê tông cốt sợi thế hệ 1; b - Bê tông cốt sợi thế hệ 2
Trong BTCS khi tỷ lệ chiều dài/đường kính (L/D) lớn thì việc sử dụng sợi với hàm
lượng cao để tăng cường độ uốn là rất khó bởi vì với sợi dài, khi tăng hàm lượng sợi sẽ
làm tăng độ rỗng của hỗn hợp, ảnh hưởng đến sự phân bố của sợi trong bê tông. Sợi sẽ
có sự đan xen vào nhau và không thể phân bố đều trong hỗn hợp dẫn tới làm giảm tính
công tác của hỗn hợp bê tông. Để giải quyết vấn đề này, cần thiết phải giảm kích thước
cốt liệu để giảm kích thước sợi từ đó tăng hàm lượng sợi sử dụng để nâng cao các tính
chất cơ học cho bê tông.
13