Nghiên cứu tính chất cơ học và độ bền của vật liệu composite xi măng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN HỮU AN

ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ ĐỘ BỀN
CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE XI MĂNG
Chuyên ngành : VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU XÂY DỰNG
Mã số ngành : 60.58.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009.


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
BỘ MƠN VẬT LIỆU XÂY DỰNG
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

TS. NGUYỄN NINH THỤY

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày ………tháng …… năm 20…… .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Trần Hữu An

Ngày, tháng, năm sinh:

24/12/1975

Chuyên ngành: Vật liệu và Công nghệ Vật liệu Xây Dựng
I – TÊN ĐỀ TÀI:

Phái: Nam
Nơi sinh: Tp. Đà Nẵng
MSHV: 01906755

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU
COMPOSITE XI MĂNG.

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tổng quan q trình phát triển vật liệu Bê tơng xi măng và hỗn hợp vữa xi măng (composite
xi măng), giới thiệu về vật liệu bê tông xi măng và composite xi măng có gia cường cốt sợi cường
độ cao (HPFRC; ECC-PVA) .
- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm sự hình thành và độ bền của vật liệu composite
xi măng có gia cường sợi PVA.
- Nghiên cứu các tính chất của các thành phần nguyên vật liệu của composite xi măng có gia
cường sợi PVA.
- Khảo sát thực nghiệm và phân tích xác định các chỉ tiêu cơ lý, đặc biệt là các chỉ tiêu nén,
kéo, uốn của vật liệu ECC-PVA có xét đến ảnh hưởng của tuổi vật liệu và các loại sợi PVA khác
nhau..
- Nghiên cứu độ bền vật liệu ECC-PVA trong môi trường ăn mòn Cl- .
- Kết luận và kiến nghị
III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. NGUYỄN NINH THỤY

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QL CHUN NGÀNH

TS. NGUYỄN NINH THỤY
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tác giả (tôi) xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
các thầy cô giảng dạy tại Bộ môn Vật Liệu Xây Dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây
Dựng, trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM v à đ ặ t b i ệ t l à thầy TS. Nguyễn
N i n h T h ụ y và đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức quý báu của
mình đến tác giả.
Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn cao học này tại trường ĐH
Bách Khoa TP.HCM, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và những ý
kiến đóng góp rất đáng trân trọng của các bạn sinh viên chuyên nghành Vật Liệu
và Cấu Kiện Xây Dựng cũng như các bạn học viên cao học Vật liệu và Cơng
Nghệ Vật Liệu Xây Dựng Khố 2006 và các cán bộ cơng tác tại Phịng Thí
Nghiệm Vật Liệu.
Theo tác giả, mặc dù luận án tốt nghiệp cao học đã hoàn thành với tất cả
sự phấn đấu và nổ lực của bản thân, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn
chế, cho nên luận văn cao học này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy,
kính mong q thầy cơ, q anh chị và các bạn đồng nghiệp có quan tâm đóng ý
kiến để tác giả có thể khắc phục và nâng cao kiến thức của mình hơn nữa.
Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả!

HVTH: TRẦN HỮU AN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày ………tháng …… năm 20…… .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Trần Hữu An

Ngày, tháng, năm sinh:

24/12/1975

Chuyên ngành: Vật liệu và Công nghệ Vật liệu Xây Dựng
I – TÊN ĐỀ TÀI:

Phái: Nam
Nơi sinh: Tp. Đà Nẵng
MSHV: 01906755

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU
COMPOSITE XI MĂNG.

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tổng quan q trình phát triển vật liệu Bê tơng xi măng và hỗn hợp vữa xi măng (composite
xi măng), giới thiệu về vật liệu bê tông xi măng và composite xi măng có gia cường cốt sợi cường
độ cao (HPFRC; ECC-PVA) .
- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm sự hình thành và độ bền của vật liệu composite
xi măng có gia cường sợi PVA.

- Nghiên cứu các tính chất của các thành phần nguyên vật liệu của composite xi măng có gia
cường sợi PVA.
- Khảo sát thực nghiệm và phân tích xác định các chỉ tiêu cơ lý, đặc biệt là các chỉ tiêu nén,
kéo, uốn của vật liệu ECC-PVA có xét đến ảnh hưởng của tuổi vật liệu và các loại sợi PVA khác
nhau..
- Nghiên cứu độ bền vật liệu ECC-PVA trong môi trường ăn mòn Cl- .
- Kết luận và kiến nghị
III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. NGUYỄN NINH THỤY

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QL CHUN NGÀNH

TS. NGUYỄN NINH THỤY
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tác giả (tôi) xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
các thầy cô giảng dạy tại Bộ môn Vật Liệu Xây Dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây
Dựng, trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM v à đ ặ t b i ệ t l à thầy TS. Nguyễn

N i n h T h ụ y và đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức quý báu của
mình đến tác giả.
Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn cao học này tại trường ĐH
Bách Khoa TP.HCM, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và những ý
kiến đóng góp rất đáng trân trọng của các bạn sinh viên chuyên nghành Vật Liệu
và Cấu Kiện Xây Dựng cũng như các bạn học viên cao học Vật liệu và Cơng
Nghệ Vật Liệu Xây Dựng Khố 2006 và các cán bộ cơng tác tại Phịng Thí
Nghiệm Vật Liệu.
Theo tác giả, mặc dù luận án tốt nghiệp cao học đã hoàn thành với tất cả
sự phấn đấu và nổ lực của bản thân, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn
chế, cho nên luận văn cao học này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy,
kính mong q thầy cơ, q anh chị và các bạn đồng nghiệp có quan tâm đóng ý
kiến để tác giả có thể khắc phục và nâng cao kiến thức của mình hơn nữa.
Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả!

HVTH: TRẦN HỮU AN


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ ĐỘ BỀN CỦA
VẬT LIỆU COMPOSITE XI MĂNG”
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay, các cấu kiện có dùng vữa xi măng khi đưa vào sử dụng thường xuất
hiện các vết nứt. Các vết nứt này làm giảm tiết diện chịu lực của cấu kiện và làm
tăng khả năng xâm thực của môi trường lên cấu kiện, từ đó làm giảm đáng kể
cường độ chịu lực của kết cấu. Điều này tác động xấu đến độ an tồn, tuổi thọ, và
cả về mặt thẩm mỹ cơng trình khi sử dụng. Vậy nên, khuynh hướng nghiên cứu
một loại vữa xi măng để làm kết cấu hay chỉ bao che ngồi kết cấu, có khả năng
chống nứt – chống va đập tốt là rất cần thiết.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu cơ chế và quá trình hình thành cấu trúc của vật liệu composite xi
măng có dùng cốt sợi PVA.
Nghiên c ứ u t í n h c h ấ t c ơ h ọ c v à đ ộ b ề n c ủ a v ậ t l i ệ u c o m p o s i t e
x i m ă n g có dùng cốt sợi PVA.
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các tính chất kỹ thuật của nguyên vật
liệu theo các thí nghiệm tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn.
Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu composite xi măng bằng các phương
pháp phân tích hóa lý hiện đại như SEM, XRAY.
4. Những đóng góp của luận văn
-

Chương 1: Tổng quan đề tài.

-

Chương 2: Cơ sở khoa học.

-

Chương 3: Tính chất của thành phần nguyên vật liệu.

-

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.

-

Chương 5: Nghiên cứu độ bền của vật liệu trong môi trường xâm thực.

-

Chương 6: Kết luận và kiến nghị.

5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm phần mở đầu, và 6 chương. Luận văn gồm 106 trang thuyết
minh, 28 bảng biểu, 57 hình vẽ và hình chụp.


ABSTRACT

Polyvinyl alcohol (PVA) fiber is considered as one of the most suitable
polymeric fibers to be used as the reinforcement of engineered cementitious
composites (ECC), though the unique microstructure characteristics of PVA fiber
add challenge to the material design. In this research, the micromechanics based
design procedure for a PVA-ECC suitable for structural applications is described,
and practical design considerations including requirements on interface bond,
matrix toughness, and flaw system are outlined for achieving balanced
composite performances. The properties of an exemplary PVA-ECC design are
summarized, including tensile behavior and compressive strength development,
bending response, and drying shrinkage, durability.

The use of ECC for structural design requires a number of assumptions of the
material, some of which can be drastically different from those suitable

for

normal concrete and tension-softening fiber reinforced concrete. ECC has a
relative higher strength in tension and is a new material in Vietnam.

Specifically, while the tensile strength of the concrete is typically neglected in
axial and flexural calculations of reinforced concrete, the tensile load carrying
capability of ECC during inelastic straining is explicitly accounted for.
Assumptions regarding the shape of the tensile stress-strain relation, usable tensile
and compressive strains, and bond between fiber PVA and matrix will be addressed.
In addition, assumptions concerning crack width with respect to serviceablilty limit
states will also be discussed.

Application of these design

assumptions

in

reinforced flexural ECC elements will be used to illustrate the differences
between Concrete and ECC design.

KEYWORDS: P V A , E C C , microstructure, properties, crack, fiber.


-i-

Mục lục
Trang phụ bìa………………………………………………………………………..
Nhiệm vụ luận văn Thạc sĩ………………………………………………………….
Lời cảm ơn……………………………………...…………………………………..
Tóm tắt luận văn Thạc sĩ………...………………………………………………….
Mục lục…………………….………...……………………………………………..
Danh mục các bảng biểu……………...…………………………………………….
Danh mục các hình vẽ và đồ thị……………...……………………………………..

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt………...…………………………………...
LỜI MỞ ĐẦU..…………………….…………………….……………………………..00

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI........................................................................................ 01
1.1 Sơ lược sự phát triển của bê tơng........................................................................................ 01
1.2 Trình tự phát triển của bê tơng và vữa xi măng.................................................................. 03
1.3 Giới thiệu về HPFRCC ....................................................................................................... 04
1.4 Vật liệu ECC ...................................................................................................................... 05
1.5 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn ...................................................................................... 06

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC............................................................................................ 07
2.1. Cơ sở lý thuyết................................................................................................................... 07
2.1.1 Khái niệm về vật liệu composite xi măng.................................................................... 07
2.1.2 Phân loại vật liệu composite xi măng .......................................................................... 08
2.1.3 Q trình hydrat hóa và sự rắn chắc của đá xi măng ................................................... 10
2.1.4 Cơ chế hoạt động của hỗn hợp xi măng và tro bay...................................................... 11
2.1.5 Cơ chế, ảnh hưởng của sự co ngót đến tính chất vật liệu ECC-PVA .......................... 15
2.1.6 Sự tương tác giữa sợi PVA và vật liệu nền XM ở trạng thái hỗn hợp ......................... 18
2.1.7 Sự tương tác giữa sợi PVA và vật liệu nền XM ở trạng thái rắn chắc......................... 22
2.1.8 Cơ chế về sự ảnh hưởng của môi trường xâm thực ..................................................... 26
2.2 Cơ sở thực nghiệm .............................................................................................................. 27
2.2.1 Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu ECC-PVA ............................................................. 27
2.2.2 Phương pháp xác định độ chảy xòe của hỗn hợp ECC-PVA....................................... 29
2.2.3 Phương pháp xác định cường độ chịu nén ................................................................... 30


-ii2.2.4 Phương pháp xác định cường độ chịu kéo ................................................................... 32
2.2.5 Phương pháp xác định cường độ chịu uốn................................................................... 34
2.2.6 Phương pháp xác định độ co ngót................................................................................ 35
2.2.7 Nguyên lý thiết kế thành phần hỗn hợp ECC .............................................................. 36

2.2.8 Phương pháp xác định sự ảnh hưởng của môi trường xâm thực ................................. 40

CHƯƠNG 3. TÍNH CHẤT CỦA CÁC THÀNH PHẦN NGUYÊN VẬT LIỆU ................. 41
U

3.1 Sợi polyvinyl alcohol (PVA) .............................................................................................. 42
3.1.1 Tác dụng của sợi PVA trong composite ...................................................................... 42
3.1.2 Tính chất của sợi PVA ................................................................................................. 42
3.2 Xi măng............................................................................................................................... 43
3.2.1 Vai trò và yêu cầu của xi măng.................................................................................... 43
3.2.2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm xi măng ......................................................................... 44
3.3 Tro bay................................................................................................................................ 44
3.3.1 Vai trò của tro bay trong vật liệu ................................................................................. 44
3.3.2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm tro bay ........................................................................... 45
3.4 Cát mịn................................................................................................................................ 45
3.4.1 Ảnh hưởng của cát mịn đến tính chất vật liệu ECC..................................................... 45
3.4.2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm cát.................................................................................. 46
3.5 Phụ gia siêu dẻo .................................................................................................................. 47
3.5.1 Vai trị của phụ gia siêu dẻo......................................................................................... 47
3.5.2 Tính chất của phụ gia siêu dẻo..................................................................................... 47
3.6 Phụ gia methyl cellulose ..................................................................................................... 48
3.6.1 Vai trò của methyl cellulose ........................................................................................ 48
3.6.2 Tính chất của methyl cellulose .................................................................................... 48
3.7 Kết luận về tính chất của các nguyên liệu .......................................................................... 48

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................................... 50
4.1 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ........................................................... 50
4.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chảy xòe ........................................................... 51
4.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ (N/CKD) đến độ chảy xòe.......................................................... 51
4.2.2 Tỷ lệ cát - chất kết dính (C/CKD)................................................................................ 52

4.2.3 Tỷ lệ tro bay - xi măng (TB/X).................................................................................... 55
4.2.4 Hàm lượng và loại sợi.................................................................................................. 56


-iii4.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu ECC ......................... 58
4.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nén .................................................................... 58
4.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ kéo..................................................................... 64
4.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ uốn .................................................................... 67
4.4 Thực nghiệm một số đặc tính cơ lý khác của vật liệu ECC................................................ 74
4.4.1 Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ tới sự phát triển cường độ ................................. 74
4.4.2 Ứng xử bền hóa ........................................................................................................... 77
4.4.3 Độ co ngót ................................................................................................................... 82
4.5 Kết luận............................................................................................................................... 84

CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CHỐNG XÂM THỰC ............................................ 86
5.1 Ảnh hưởng của MTXT đến cường độ nén của mẫu ECC………..……………...………87
5.2 Ảnh hưởng của MTXT đến cường độ uốn của mẫu ECC…………………………....……88
5.3. Nghiên cứu cấu trúc của ECC trong môi trường xâm thực……………………….………90
5.3.1 Kết quả phân tích X-Ray ............................................................................................. 90
5.3.2 Kết quả phân SEM ...................................................................................................... 91
5.4 Kết luận............................................................................................................................... 93

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................... 97
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang

Bảng 2.1: Sai số cho phép khi định lượng nguyên liệu……………….……………………..28
Bảng 2.2: Tỷ lệ thành phần ngun vật liệu theo tính tốn sơ bộ…………...…………...….39
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của loại sợi F1 và F2… ……………..……………..……43
Bảng 3.2: Các chỉ tiêu thí nghiệm của xi măng portland hỗn hợp……………..……………44
Bảng 3.3: Các chỉ tiêu thí nghiệm của tro bay……………………………………………….45
Bảng 3.4: Kết quả rây sàng cát……………………………………………..………………..46
Bảng 3.5: Các chỉ tiêu tính chất của cát mịn……………………………………………..….46
Bảng 4.1: Một số cấp phối thực nghiệm chính được nghiên cứu……………………………48
Bảng 4.2: Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng và loại sợi đến độ chảy xòe của hỗn hợp
ECC…………………………………………………………………………….……….……51
Bảng 4.3: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến độ chảy xòe của h.hợp ECC…....…53
Bảng 4.4: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ C/CKD đến độ chảy xòe của h.hợp ECC...…….55
Bảng 4.5: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ TB/X đến độ chảy xòe của hỗn hợp ECC……...57
Bảng 4.6: Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi đến cường độ nén của v.liệu ECC.………58
Bảng 4.7: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ nén của v.liệu EC.……...60
Bảng 4.8: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ C/CKD đến cường độ nén của v.liệu ECC.……61
Bảng 4.9: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ TB/X đến cường độ nén vật liệu ECC…………63
Bảng 4.10: Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến cường độ kéo của vl ECC..…....64
Bảng 4.11: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ kéo của vl ECC..…..….66
Bảng 4.12: Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến cường độ uốn của vl EC.………67
Bảng 4.13: Bảng so sánh tỉ số cường độ uốn và kéo của vật liệu ECC……………..……….70
Bảng 4.14: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ uốn của vl ECC……….71
Bảng 4.15: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ C/CKD đến cường độ uốn của vl ECC.………72
Bảng 4.16: Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến sự phát triển cường
độ của vật liệu ECC…………………………………………………………..……………...75
Bảng 4.17: Nghiên cứu ứng xử khi uốn của vật liệu ECC…………………..……………….77
Bảng 4.18: Cấp phối của các mẫu thí nghiệm đo co ngót…………………………..……….83
Bảng 4.19: Cấp phối tối ưu theo thực nghiệm……………………………………………….85
Bảng 5.1: Nghiên cứu sự ảnh hưởng MTXT DD HCl đến cường độ chịu nén vl ECC..…....87
Bảng 5.2: Nghiên cứu sự ảnh hưởng môi trường đến cường độ chịu uốn vl ECC.................89

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Thí nghiệm uốn mẫu Bê tông Xi măng thông thường [13] …………..…………..01
Hình 1.2: Thí nghiệm uốn mẫu Composite Xi măng cốt sợi PVA (ECC)[13]…….…….…..02
Hình 1.3: Sự phát triển của các loại bê tơng – vữa xi măng trong lịch sử[14]………………03
Hình 1.4: Mối quan hệ ứng suất biến dạng của HPFRCC [14]……………………..……….04
Hình 1.5: Tiến trình xuất hiện vết nứt của HPFRCC [14]……………………….………….05
Hình 2.1: Phân loại vật liệu composite XM gia cường sợi [23]………………….………….08
Hình 2.2: Các dạng ứng xử khác nhau của vật liệu khi chịu kéo [23]…...……………….….09
Hình 2.3: Ảnh hưởng của sự phân tán hạt mịn đối với đặc trưng lưu biến và khả năng hydrat
hóa của hỗn hợp chất kết dính [27]……………………….…………………………….……12
Hình 2.4: Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến độ hydrat hóa [27]……………………...14
Hình 2.5: Ảnh hưởng của lượng dùng nước, xi măng và tỷ lệ nước/xi măng đến độ co ngót
của bê tơng [29]…………………………………………………………………….………..17
Hình 2.6: Ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu đến độ co ngót của bê tơng so với hồ xi măng
[29]…………………………………………………………………………………………...17
Hình 2.7 : Ảnh hưởng của tỉ số đặc trưng bề mặt sợi đối với độ lưu động của vữa xi măng cốt
sợi PVA………………………………………………………………………………………20
Hình 2.8 : Ảnh hưởng của thể tích hồ đối với độ lưu động của vữa xi măng gia cường loại sợi
thép dài 30mm …….………………………………………………………………………...21
Hình 2.9 : Ảnh hưởng của độ chảy và thể tích hồ đối với độ lưu động của vữa gia cường 1%
sợi thép dài 30mm………………………………………………………………..………….21
Hình 2.10 : Sơ đồ quan hệ giữa kích thước cốt liệu và sự phân bố của sợi thép dài 40mm....22
Hình 2.11: Ảnh hưởng của kích thước cốt liệu đối với độ lưu động khi sử dụng sợi thép có tỉ
số đặc trưng bề mặt 100 ……………………………………………………….……..….…..22
Hình 2.12 Mơ hình tác dụng của ứng suất lên một phân tố chiều dài sợi [8]………………..23
Hình 2.13: Quá trình phát triển vết nứt trong composite nền xi măng cốt sợi [22]……..…...24
Hình 2.14: Sự phân bố ứng suất và biến dạng trong giai đoạn đàn hồi………..……….……24

Hình 2.15: Dụng cụ đo độ chảy xịe……………………………………………..…………..30
Hình 2.16: Mẫu thử nén…………..…………………………..…………………….………..31
Hình 2.17: Máy thử nén-kéo-uốn ELE (phịng thí nghiệm VLXD ĐH BK Tp HCM…….....31
Hình 2.18: Khn và mẫu thử kéo ……………………………..…………………...……….32


Hình 2.19: Thí nghiệm mẫu kéo số 8……………………………...........................................33
Hình 2.20: mơ hình thí nghiệm uốn 3P dầm 40x40x160mm……………………..………….34
Hình 2.21: Dụng cụ đo co ngót…………………………………..……………..……………35
Hình 2.22: Biểu đồ thiết kế thành phần hỗn hợp ECC…………………………..…………..37
Hình 2.23: Lượng dùng nước của hỗn hợp cát xi măng có độ sụt nón SN 2-4cm[2]……….38
Hình 3.1: Hình chụp các sợi PVA…….……………………………………………….…….43
Hình 4.1: Ảnh hưởng của hàm lượng sợi VS đến độ chảy xòe của hỗn hợp ECC…….……52
Hình 4.2: Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đối với độ chảy xịe của hỗn hợp ECC…………….54
Hình 4.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ C/CKD đến độ chảy xòe của hỗn hợp ECC…………….…..56
Hình 4.4: Ảnh hưởng của tỷ lệ TB/X đến độ chảy xịe của hỗn hợp ECC…………………..57
Hình 4.5: Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến cường độ nén của vật liệu ECC-Sợi F1..….…59
Hình 4.6: Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ nén của vật liệu ECC (sợi F1)…...….60
Hình 4.7: Ảnh hưởng của tỷ lệ C/CKD đến cường độ nén của vật liệu ECC…………….….62
Hình 4.8: Ảnh hưởng của tỷ lệ TB/X đến cường độ nén của vật liệu ECC………….……....63
Hình 4.9: Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến cường độ kéo của vật liệu ECC……………...65
Hình 4.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ kéo của vật liệu ECC……………...67
Hình 4.11: Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến cường độ uốn của vật liệu ECC…………….68
Hình 4.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ uốn của vật liệu ECC………….…..72
Hình 4.13: Ảnh hưởng của tỷ lệ C/CKD đến cường độ uốn của vật liệu ECC………….…..73
Hình 4.14: Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ tới sự phát triển cường độ uốn vật liệu ECC
theo thời gian………………………………………………………………………………...75
Hình 4.15: Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ tới sự phát triển cường độ nén vật liệu ECC
theo thời gian……………………………………………………………………………...…76
Hình 4.16a: Biểu đồ ứng suất-biến dạng uốn của một số mẫu điển hình (sợi F1)……….….78

Hình 4.16b: Biểu đồ ứng suất-biến dạng uốn của một số mẫu điển hình (sợi F2)……….….79
Hình 4.17: Dạng phá hoại khi uốn mẫu, sự hình thành đa vết nứt và biến dạng cong………81
Hình 4.18: Đa vết nứt trên mẫu điển hình với sợi F1………………………………….……81
Hình 4.19: Đa vết nứt trên mẫu điển hình với sợi F2…….…………………………….……82
Hình 4.20: Dạng phá hủy của một số mẫu thí nghiệm kéo…………………………….……82
Hình 4.21: Biến dạng co ngót khơ theo thời gian của vật liệu…………………………..…..83
Hình 5.1: Máy thử ăn mòn gia tốc phun sương muối và dung dịch ……………………..….86
Hình 5.2: Ảnh hưởng của mơi trường dd HCl 10% tới sự phát triển cường độ nén vật liệu
ECC theo thời gian……………………………………………………………………….….88


Hình 5.3: Ảnh hưởng của mơi trường dd HCl 10% tới sự phát triển cường độ uốn vật liệu
ECC theo thời gian…………………………………………………………………….…….89
Hình 5.4 Kết quả phân tích X-RAY thành phần nền của vật liệu ECC thí nghiệm sau khi
ngâm dung dịch Cl- thời gian 49 ngày………………………………………………………90
Hình 5.5 Kết quả phân tích SEM thành phần nền của vật liệu ECC thí nghiệm trước khi ngâm
mẫu trong mơi trường Cl- ……………………………………………………………….….91
Hình 5.6 Kết quả phân tích SEM thành phần nền của vật liệu ECC thí nghiệm sau khi ngâm
mẫu trong mơi trường Cl- thời gian 90 ngày ……………………………………………….92


CÁC KÝ HIỆU
ACI

: American Concrete Institute

ASTM

: American Society of Testing and Materials

BĐNK

: Bắt đầu ninh kết

BT, BTCT : Bê tông, Bê tông cốt thép
C, CCL

: Cát, Cát cốt liệu

:

CĐR

: Dung dịch chất đóng rắn

N

: Nước

CKD, X

: Chất kết dính, xi măng

CL

: Cốt liệu

Đ

: Đá

TB

: Tro bay

NK, KTNK: Ninh kết, Kết thúc ninh kết
SP

: Phụ gia siêu dẻo, Super plastic

PVA

: Sợi gia cường PVA (polyvinyl alcohol)

Rn

: Cường độ chịu nén

Rk

: Cường độ chịu kéo

Ru

: Cường độ chịu uốn

SEM

: The Scanning Electron Microscope

TCVN

: Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

VL, VLXD: Vật liệu, vật liệu xây dựng
SN

: Độ sụt

MTXT

: Môi trường xâm thực

DD

: Dung dịch

FL

: Độ chảy xòe


MỞ ĐẦU
Ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung, ngành xây dựng và vật liệu
xây dựng hiện nay đang trên đà phát triển, với nhiều dự án xây dựng và vật liệu
xây dựng mới đang được hình thành, nhiều cơng trình xây dựng đã và đang chuẩn
bị đưa vào sử dụng. Đặc biệt, Việt Nam ngày càng có thêm những cơng trình xây
dựng dân dụng, cầu đường, và những cơng trình chun dụng khác ….., trong đó
có những cơng trình xây dựng địi hỏi tính chất kết cấu phức tạp, có khả năng chịu
các tải trọng phức tạp và chịu ảnh hưởng tác động của các môi trường xâm thực

phức tạp … .
Theo những khảo sát gần đây, nhiều sự cố xảy ra ở các cơng trình xây dựng,
phần lớn là chưa an toàn về ổn định ở nền và thân cơng trình khi cơng trình được
đưa vào sử dụng hoặc sau thời gian ngắn sử dụng. Do đó nhu cầu địi hỏi các vật
liệu tốt hơn ngày càng tăng. Tương tự sự phát triển ngành vật liệu xây dựng của
các nước trên thế giới (như Mỹ, Nhật, Trung Quốc v.v…), ngành vật liệu xây dựng
Việt Nam trong tương lai sẽ có các cấu kiện bê tơng chịu lực phức tạp được sử
dụng bằng vật liệu composite có cốt sợi PVA (ECC-PVA) để thay thế hoặc thay
thế một phần các bê tơng truyền thống, vì đặc tính của ECC-PVA tốt hơn hẳn bê
tông thông thường về khả năng chịu kéo, chịu uốn và hạn chế vết nứt.
Hiện nay, vật liệu ECC-PVA chưa được sử dụng phổ biến cũng như chưa có
các tiêu chuẩn chuyên ngành quy định tại Việt Nam. Do đó, ngành vật liệu xây
dựng trong nước cần phải thực hiện nhiều hơn việc nghiên cứu phát triển và ứng
dụng ECC-PVA cho những cơng trình xây dựng. Đây sẽ là một hướng đi mới
trong ngành vật liệu xây dựng ở nước ta.


-1Chương 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Sơ lược sự phát triển của bê tông:
Bê tông như ta đã biết là một hỗn hợp của Ximăng – Cát – Đá và Nước. Các thành
phần vật liệu này kết hợp với nhau theo một tỷ lệ nhất định nhằm tạo ra bê tơng với
các tính năng cơ lý tối ưu nhất. Lịch sử cho thấy bê tông sơ khai đã được người La Mã
sử dụng từ rất lâu, khoảng vào thế kỷ thứ 3 trước Cơng ngun và sau đó liên tục được
phát triển, hồn thiện. Ngày nay bê tơng là vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong
ngành công nghiệp xây dựng.
Bên cạnh một số ưu điểm nổi bật mà điển hình là khả năng chịu nén tốt, bê tơng có rất
nhiều mặt hạn chế cụ thể như : cường độ chịu kéo và uốn của bê tông khá thấp cho
nên các vết nứt dọc xuất hiện sớm ở các cấu kiện bê tông chịu tác dụng của lực kéo và

uốn; khả năng chịu tải trọng động kém và thường có khuynh hướng bị phá hoại giịn.
Để cải thiện khả năng chịu kéo, uốn và độ dẻo dai của kết cấu bê tông, một số lượng
cốt thép nhất định được đặt vào trong miền chịu kéo của cấu kiện bê tông. Sự kết hợp
này vận dụng hiệu quả khả năng chịu nén của bê tông và chịu kéo của cốt thép, từ đó
làm gia tăng gấp nhiều lần khả năng chịu tải trọng của cấu kiện. Khái niệm bê tông cốt
thép (BTCT) đã được phát sinh từ sự kết hợp trên và ngày nay BTCT đang được sử
dụng rộng rãi trong hầu hết các cơng trình xây dựng. Tuy nhiên bê tơng vẫn chưa khắc
phục được hồn tồn những nhược điểm cố hữu của nó.

Hình 1.1 : Thí nghiệm uốn mẫu Bê tông Xi măng thông thường [13]


-2Chương 1

Hiện nay, có rất nhiều khuynh hướng nghiên cứu bê tơng khác nhau. Tuy nhiên mục
đích chính vẫn là tìm cách tăng khả năng chịu uốn và chống nứt cho cấu kiện BTCT.
Về phần cốt thép, chủ yếu phát triển các loại thép cường độ cao. Còn về bê tông, các
loại bê tông chống nứt tốt, khả năng đàn hồi cao đang dành được sự chú ý cao. Bên
cạnh đó các biện pháp gia cường lớp bên dưới dầm bê tông (khu vực chịu kéo lớn)
hay gia cường lớp trên (khu vực chịu nén) cũng rất được quan tâm.
Ngoài ra, một vấn đề hiện nay rất được quan tâm ở Việt Nam liên quan đến sự tính
tốn theo Trạng Thái Giới Hạn 1 (TTGH1) và Trạng Thái Giới Hạn 2 (TTGH2). Khi
tính tốn theo TTGH1 (Trạng thái giới hạn về cường độ), bài toán cho dầm thường
thỏa mãn. Nhưng khi tính theo TTGH2 (Trạng thái giới hạn về vết nứt), bài tốn lại
khơng thỏa mãn, xuất hiện các vết nứt cục bộ và có bề rộng phát triển khe nứt lớn.
Các vết nứt này làm giảm tiết diện chịu lực của cấu kiện và làm tăng khả năng xâm
thực của mơi trường lên cốt thép, từ đó làm giảm đáng kể cường độ chịu lực của kết
cấu Điều này tác động xấu đến độ an toàn, tuổi thọ, và cả về mặt thẩm mỹ cơng trình
khi sử dụng. Vậy nên, khuynh hướng nghiên cứu một loại bê tông để làm kết cấu hay
chỉ bao che ngồi kết cấu, có khả năng chống nứt – chống va đập tốt là rất cần thiết.

Hình 1.2 : Thí nghiệm uốn mẫu Composite Xi măng cốt sợi PVA (ECC)[13]


-3Chương 1

1.2. Trình tự phát triển của bê tơng và vữa xi măng:
Sự phát triển của bê tông và vữa xi măng có thể khái qt như sau, với trình tự phát
triển từ thấp đến cao, từ ngoài vào trong:
1. Cement Composites: đại diện là bê tông truyền thống và vữa mà ta thường
bắt gặp trong các cơng trình xây dựng ngày nay, sử dụng rất phổ biến.
2. FRCC (Fiber Reinforced Cement Composites): hỗn hợp xi măng cốt sợi,
đang bắt đầu được phát triển, đã có khá nhiều nghiên cứu hoàn chỉnh.
3. DFRCC (Ductile Fiber Reinforced Cement Composites): hỗn hợp xi măng
cốt sợi chịu uốn và chịu kéo, ví dụ như bê tông gia cường tấm FRC.
4. HPFRCC (High Performance Fiber Reinforced Cement Composites): hỗn
hợp xi măng cốt sợi tổng hợp hay sợi kim loại thể hiện đa vết nứt (multi
cracking) và biến dạng “tăng bền” (Strain hardening), mà đại diện khá đa
dạng như bê tông cốt sợi thép, composite xi măng cốt sợi PVA (Polyvinyl
alcohol) (ECC),…

Tăng bền khi
biến dạng kéo
Ví dụ: ECC
HPFRCC
Bền khi chịu lực nén, kéo, uốn
DFRCC
Ví dụ: FRC
Ví dụ: Vữa, bê tơng

FRCC
Hỗn hợp vữa xi măng

Hình 1.3: Sự phát triển của các loại bê tông – vữa xi măng trong lịch sử.[14]
Sơ đồ trên (Hình 1.3) cho thấy HPFRCC với đại diện là composite xi măng cốt sợi
PVA (ECC-PVA) là loại vật liệu của tương lai với những đặc tính vượt trội.


-4Chương 1

1.3. Giới thiệu về HPFRCC :
(High Performance Fiber Cementitious Composite) :
Trong vài thập kỉ nay, HPFRCC được sử dụng chủ yếu chỉ để tăng cường khả năng
chịu kéo của bê tông. Những tiến bộ vượt bậc trong sự phát triển của sợi PVA, trong
kỹ thuật đúc cấu kiện công trình xây dựng,… cũng như những hiểu biết về ứng xử và
quá trình làm việc của các hỗn hợp sợi đã tạo điều kiện cho việc phát triển trong tính
tốn và ứng dụng của loại vật liệu này.
HPFRCC là hỗn hợp vữa xi măng có chứa sợi tổng hợp hay sợi kim loại, sẽ thể hiện
đặc điểm đa vết nứt (multi cracking) và biến dạng “tăng bền” khi chịu kéo. Một trong
những dạng HPFRCC là hỗn hợp “vữa xi măng công nghệ mới” (ECC – Engineering
Cemetitious Composite) đã và đang được phát triển bởi giáo sư Li. Hình 1.4 thể hiện
ứng xử của vật liêu HPFRCC dưới tác dụng của lực kéo. Trong hình 1.5, cho thấy
trình tự phát triển của các vết nứt. Ở đây, trong giai đoạn cuối một số lượng khá nhiều
vết nứt được phân bố đều trên bề mặt mẫu thử. Trái ngược với biến dạng “tăng bền”,
trong biến dạng “giảm bền” (strain softening), vết nứt xuất hiện với bề rộng khe nứt
lớn và số lượng hạn chế. Đã có nhiều nghiên cứu được tiến hành để đánh giá và phát
triển đặc tính của vật liệu, cùng với sự phát triển của kỹ thuật tính tốn, quan điểm
thiết kế, và các ý tưởng để ứng dụng HPFRCC (Kanda 2003; JSCE2005a; JCI 2002a).
Ứng suất kéo

Ứng suất phá hoại

Xuất hiện vết nứt

Biến dạng kéo

Hình 1.4: Mối quan hệ ứng suất biến dạng của HPFRCC [14]


-5Chương 1

P1

Vết nứt
đầu tiên

P2>P1

Pn>P(n-1)

Vết nứt
thứ 2

Vết nứt
thứ n

Hình 1.5: Tiến trình xuất hiện vết nứt của HPFRCC [14]
1.4. Vật liệu ECC (Engineered Cementitious Composites):
ECC là một nhánh phát triển của HPFRCC với khả năng chịu uốn đặc biệt, có thể đạt
đến 300 – 500 lần so với bê tơng bình thường. ECC đạt được khả năng chịu uốn cao

với lượng sợi sử dụng nhỏ (trung bình khoảng 2 – 3% thể tích) là nhờ vào sự làm việc
cấu trúc vi mô.
Sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên, ứng suất kéo tiếp tục tăng lên. Và lúc này hiện
tượng biến dạng “tăng bền” (strain – hardening) xuất hiện, cùng với sự hình thành của
hàng loạt vết nứt có bề rộng khe rất nhỏ (vi nứt – multiple microcracking). Bề rộng
khe nứt sẽ tiếp tục phát triển cùng với ứng suất kéo, và đạt đến 60 micro mét, biến
dạng tương ứng lúc này vào khoảng 1% . Sau đó, các vết nứt đạt độ ổn định, và có xu
hướng giữ nguyên bề rộng mặc dù biến dạng có thể lên đến 4%.
Trạng thái ổn định của bề rộng khe nứt là do sự điều khiển của kết cấu sợi. Đó là
những yếu tố như module đàn hồi, đường kính sợi, và các đặc tính lý hóa cũng như
khả năng chịu lực kéo của sợi. Các nghiên cứu cho thấy với hàm lượng sợi nhỏ sẽ dẫn
đến sự gia tăng bề rộng khe nứt. Thí dụ: với khoảng hàm lượng khoảng 2% thể tích
trong kết cấu sẽ đảm bảo cho bề rộng khe nứt tối đa là 80 micro mét. Đã có nhiều
khảo sát khẳng định bề rộng khe nứt chỉ phụ thuộc vào bản chất vật liệu sợi, nó độc
lập với tải tác dụng, với kích thước và dạng hình học của lớp vật liệu ECC.


-6Chương 1

1.5. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn:
Theo sự phát triển của bê tông và vữa xi măng, luận văn này muốn tập trung vào
nghiên cứu tính chất cơ học và độ bền của vật liệu composite xi măng (ECC-PVA).
Mục tiêu chính bao gồm:
-

Tiến hành các thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp ECC-PVA.

-

Khảo sát sự phát triển cường độ của vật liệu composite xi măng có chứa sợi

PVA theo độ tuổi.

-

Khảo sát sự thay đổi cường độ của vật liệu composite xi măng có chứa sợi
PVA với các hàm lượng sợi khác nhau.

-

Khảo sát độ bền của vật liệu composite xi măng có chứa sợi PVA trong môi
trường xâm thực.

-

Khảo sát các chỉ tiêu khác:
o Độ co ngót.
o Độ võng.
o Sự phát triển vết nứt.

Con đường thực hiện luận văn này có thể khái quát thành 3 bước:
-

Nghiên cứu và đưa ra cấp phối vật liệu ECC-PVA ứng dụng hiệu quả vật liệu
PVA – ECC.

-

Tiến hành các thí nghiệm, khảo sát về các vấn đề như phương pháp đánh giá
chỉ tiêu cơ lý, cường độ của vật liệu, khả năng chống nứt, độ võng của vật liệu
ECC-PVA.

-

Tiến hành các thí nghiệm, khảo sát độ bền trong môi trường xâm thực Cl- của
vật liệu ECC-PVA.

-

Kết hợp với các kết quả thí nghiệm, đưa ra các kết luận và ứng dụng thực tế
cho phù hợp và chính xác.