Nghiên cứu khả năng kháng uốn của bê tông cốt thép có gia cường vật liệu pva ecc

Mục lục
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .............................................................................. Trang 1.
I.1. Sơ lược sự phát triển của bê tơng .......................................................... Trang 1.
I.2. Trình tự phát triển của bê tông và vữa xi măng .................................. Trang 2.
I.3. High Performance Fiber Cementitious Composite (HPFRCC) ......... Trang 3.
I.4. Engineered Cementitious Composites (ECC) ....................................... Trang 4
I.5. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn.......................................................... Trang 5
CHƯƠNG II:MƠ HÌNH TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU
ECC/BTCT COMPOSITE................................................................................. Trang 7.
II.1. Các mơ hình ứng suất-biến dạng của vật liệu..................................... Trang 7.
II.2. Các giả thiết của mơ hình tính tốn..................................................... Trang 8.
II.3. Thiết lập cơng thức tính tốn cường độ kháng uốn của tiết diện ECCTrang 8.
II.4. Ký hiệu.................................................................................................. Trang 11.
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................... Trang 13.
III.1. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................... Trang 13.
III.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................. Trang 13.
III.3. Vật liệu thí nghiệm............................................................................. Trang 17.
III.4. Các loại thí nghiệm thực hiện ........................................................... Trang 21.
III.4.1. Nhóm thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý ...................................... Trang 21.
III.4.1.1. Thí nghiệm mẫu kéo số 8 (mẫu Briquette – ASTM C190)....... Trang 21.
III.4.1.2. Thí nghiệm uốn 3 điểm dầm 40x40x160mm (ASTM C348) .... Trang 22.
III.4.1.3. Thí nghiệm uốn 4 điểm dầm mỏng 550x100x15........................ Trang 24.
III.4.1. Nhóm thí nghiệm trên mơ hình dầm BTCT gia cường ............... Trang 26.
III.4.1.1. Thí nghiệm dầm ngắn 150x150x620mm .................................... Trang 27.
III.4.1.2. Thí nghiệm dầm lớn 150x200x2900mm..................................... Trang 29.
CHƯƠNG IV: XÁC ĐỊNH CHỈ TIÊU CƠ LÝ.............................................. Trang 33.
IV.1. Cường độ kháng uốn của vật liệu ECC............................................ Trang 33.
IV.2. Mẫu kéo số 8 (mẫu thí nghiệm Briquette – ASTM C190).............. Trang 34.
IV.3. Mẫu dầm ngắn 40x40x160mm (ASTM C348)................................. Trang 46.

i

IV.4. Mẫu dầm mỏng 100x15x550mm....................................................... Trang 56.
CHƯƠNG

V:

KẾT

QUẢ

KHẢO

SÁT

THỰC

NGHIỆM

DẦM GIA CƯỜNG LỚP VẬT LIỆU ECC ................................................... Trang 68.
V.1. Kết quả thí nghiệm cắt dầm ngắn (dầm 150x150x620).................... Trang 68.
V.1.1. Kích thước của các mẫu dầm thí nghiệm ....................................... Trang 68.
V.1.2. Kết quả thí nghiệm cắt mẫu dầm ngắn (150x150x620)................. Trang 69.
V.1.3. Quan sát dạng phá hoại cắt ............................................................. Trang 72.
V.1.4. Đánh giá và kết luận ......................................................................... Trang 75.
V.2. Kết quả thí nghiệm dầm lớn (dầm 2900x200x150)........................... Trang 78.
V.2.1. Kích thước của các mẫu dầm thí nghiệm ....................................... Trang 78.
V.2.2. Kết quả thí nghiệm uốn dầm lớn (2900x200x150)......................... Trang 78.
V.2.3. Kết quả tính tốn mơ hình lý thuyết ............................................... Trang 87.
V.2.4. Quan sát hiện tượng đa vết nứt (multi cracking) .......................... Trang 87.

V.2.5. Đánh giá và kết luận ......................................................................... Trang 89.
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................ Trang 99.
VI.1. Kết luận ............................................................................................... Trang 99.
VI.2. Kiến nghị ........................................................................................... Trang 100.

ii


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG I

CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN
I.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.
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 dầm bê tông cốt
thép. Về phần cốt thép, chủ yếu phát triển các loại thép cường độ cao. Cịn về bê tơng,
các loại bê tơng 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

Trang 1


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG I

toán 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 ngoài
kết cấu, có khả năng chống nứt – chống va đập tốt là rất cần thiết.
I.2. Trình tự phát triển của bê tông và vữa xi măng:
Sự phát triển của bê tông và vữa xi măng có thể khái quát như sau, với trình tự phát

triển từ thấp đến cao, từ ngồi vào trong:
1. Cement Composites: đại diện là bê tông truyền thống và vữamà 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 FRB.
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, bê tông cốt sợi PVA – ECC,…

Trang 2


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG I

Strain hardening
in tension
EX: ECC
HPFRCC
Ductile in compression, tension,
bending
DFRCC
EX: FRC
FRCC

EX: Mortar, concrete

Cement composite
Hình 1.1: sự phát triển của các loại bê tơng trong lịch sử.
Sơ đồ trên (Hình 1.1) cho thấy HPFRCC với đại diện là bê tông cốt sợi PVA – ECC là
loại bê tông của tương lai với những đặc tính vượt trội. Trong luận văn này, khả năng
đặc biệt của PVA – ECC sẽ được đề cập đến với một ứng dụng cụ thể là gia cường dầm
bê tông cốt thép
I.3. High Performance Fiber Cementitious Composite (HPFRCC):
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 dầm,… 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 “xi măng thông minh” (ECC – Engineering
Cemetitious Composite) đã và đang được phát triển bởi giáo sư Li. Hình 1.2 thể hiện
ứng xử của vật liêu HPFRCC dưới tác dụng của lực kéo. Trong hình 1.3, 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
Trang 3


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG I

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 1.2 :mối quan hệ ứng suất biến dạng của HPFRCC
P1

Vết nứt
đầu tiên

P2>P1

Pn>P(n-1)

Vết nứt
thứ 2

Vết nứt
thứ n

Hình 1.3 : Tiến trình xuất hiện vết nứt của HPFRCC
I.4. Engineered Cementitious Composites (ECC):
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.
Trang 4


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG I

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 60μm, 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 80μm. 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.
I.5. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn:
Theo sự phát triển của bê tông, luận văn này muốn tập trung vào nghiên cứu khả năng
gia cường chống uốn của dầm bê tơng cốt thép có gia cường lớp vật liệu ECC. Mục tiêu
chính bao gồm:
-

Khảo sát các phương pháp xác định chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp ECC và xác định
phương pháp đánh giá chỉ tiêu cơ lý phù hợp với khả năng gia cường dầm bê
tông cốt thép chịu uốn.

-

Khảo sát sự phát triển cường độ của hỗn hợp vữa xi măng có chứa sợi PVA –
ECC theo độ tuổi.

-

Đề xuất mơ hình tính tốn lý thuyết dầm bê tơng cốt thép gia cường bằng lớp vật
liệu PVA – ECC, và sử dụng kết quả thí nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh
mơ hình lý thuyết.

-

Khảo sát ảnh hưởng của lớp gia cường sợi PVA – ECC về các chỉ tiêu sau:
o Cường độ (Moment).
o Độ võng.
o Sự phát triển vết nứt.

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

Trang 5


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

-

CHƯƠNG I

Nghiên cứu và đưa ra mô hình tính tốn lý thuyết dầm bê tơng cốt thép gia
cường bằng lớp vật liệu PVA – ECC.

-

Tiến hành các thí nghiệm, từ đây đánh giá, khảo sát và kết luận về các vấn đề
như phương pháp đánh giá chỉ tiêu cơ lý, cường độ chống uốn của dầm, khả
năng chống nứt và độ võng của dầm gia cường.

-

Kết hợp với các kết quả thí nghiệm, hiệu chỉnh lại mơ hình tính tốn cho phù
hợp và chính xác.

Cụ thể trong luận văn này, tác giả sẽ tiến hành khảo sát, tính tốn với hai loại vật liệu
PVA – ECC là:
-

RECS 100x12.

-

REC 15/8.

Trang 6

Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG II

CHƯƠNG II:
MƠ HÌNH TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU UỐN
CỦA KẾT CẤU ECC/BTCT COMPOSITE
II.1. Các mơ hình ứng suất-biến dạng của vật liệu
Dầm composite ECC/RC sử dụng 3 loại vật liệu khác nhau:
- Bê tơng: bố trí ở phần nén có chiều cao hc
của tiết diện dầm chịu mơmen uốn.
PC

d

- Lớp ECC: bố trí ở phần kéo có chiều cao hf
của tiết diện dầm chịu mơmen uốn.

h

- Cốt thép: có diện tích As , bố trí ở phần kéo
của tiết diện dầm chịu mơmen uốn.

ECC

Các mơ hình tính tốn về ứng suất-biến dạng
của chúng được mơ tả tóm tắt như các hình dưới đây:

b

As

σc
fcu
f cd =

fcd
Ecd =

εc3

f cu

γc

ε c 3 = 0,175%

f cd

ε c3

ε cu 3 = 0,35%

εcu3

εc

Mơ hình (σ−ε) song tuyến tính của bê tơng chịu nén (Eurocode 2)

a)
σs
fu
fy
fyd

f yd =

ε yd =

εyd

εu

fy

γs
f yd
Es

εs

Mơ hình (σ−ε) song tuyến tính của thép chịu kéo (Eurocode 2)

b)

Trang 7

hc

hf


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG II

σf
fMOR
fLOP
ffd
f fd =

εfd

εu

f LOP

γf

εf

Mơ hình (σ−ε) song tuyến tính của ECC chịu uốn (JSCE 2005)

c)
Hình 2.1. Các mơ hình tính tốn về quan hệ (ứng suất biến dạng) của:
a)- bêtông b)- cốt thép c)- ECC

II.2. Các giả thiết của mơ hình tính tốn:
Trong luận văn này, tác giả đưa ra một phương pháp tính tốn bán thực nghiệm
về khả năng chịu uốn của kết cấu bê tơng ECC/BTCT composite, trong đó lớp ECC
được bố trí để gia cường vùng chịu kéo; phần bê tông chủ yếu bố trí ở vùng chịu nén
của kết cấu. Phương pháp này được phát triển dựa trên mơ hình phân bố biến dạng và
ứng suất của kết cấu BTCT gia cường vật liệu HPFRCC theo báo cáo của Kunieda và
Rokugo [3] và các ngun lý tính tốn của tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT thông
thường của Hoa Kỳ, Eurocode2 [12], cộng thêm một số giả thiết khác.
Ngoài các giả thuyết cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT thơng thường
[5]. Các giả thuyết phụ của mơ hình đề nghị như sau:
- Trục trung hịa nằm hồn tồn trong vùng bê tông, nghĩa là không tồn tại biến
dạng nén trong lớp vật liệu ECC (điều kiện này thường thỏa mãn khi chiều cao
lớp bê tông không nhỏ hơn 1.5 – 2 lần chiều cao lớp vật liệu ECC, (hpc ≥
1.5hecc).
- Vết nứt khi hình trong lớp ECC sẽ phát triển ngay lập tức hết chiều cao lớp vật
liệu này với bề rộng khe nứt nhỏ và ổn định, do đó ứng suất tính tốn được xem
là bằng nhau trên tồn bộ chiều cao lớp vật liệu ECC như mơ tả ở hình 2.1.c.
II.3. Thiết lập cơng thức tính tốn cường độ kháng uốn của tiết diện ECC:
Mơ hình đề nghị gồm các giai đoạn uốn của kết cấu composite như mơ tả ở hình
2.2:

Trang 8


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG II

hecc

bê tông

Mômen uốn (M = Fa)

12

h

hpc

16

ECC
b

MC

MB

8
a

4

MA

F

F

a

Δ

0
0

4 Chuyển vị
8 max (Δ) 12

16

Hình 2.2: Mơ hình các giai đoạn chịu uốn của dầm ECC/BTCT composite
a)- Giai đoạn chưa có vết nứt: tương ứng với trạng thái chuẩn bị hình thành khe
nứt đầu tiên trong lớp gia cường ECC, ứng suất tại mép ngoài cùng của vùng ECC chịu
kéo f f < f fd . Lúc này lực gây uốn (F) cịn nhỏ, các thành phần bê tơng, cốt thép và lớp
ECC làm việc hoàn toàn ở trạng thái đàn hồi
b)- Giai đoạn bê tông ứng xử đàn hồi: tương ứng với trạng thái biến dạng đàn hồi
của vùng bê tông chịu nén: ε c ≤ ε c 3 như mơ tả ở hình 2.1.a. Ở giai đoạn này xuất hiện
nhiều khe nứt nhỏ phân bố rải rác (multiple cracking) trong lớp gia cường ECC với đặc
điểm chiều cao vết nứt hầu như xấp xĩ nhau và bằng chiều cao hf của lớp ECC; ứng
suất trong lớp ECC đạt giá trị giới hạn f f = f fd như mơ tả ở hình 2.1.c. Lúc này lực gây
uốn (F) tăng đáng kể, thành phần bê tơng cịn ở trạng thái đàn hồi, biến dạng cốt thép
chịu kéo nhỏ hơn giới hạn chảy dẻo ε yd như sơ đồ mô tả ở hình 2.3. Mơmen kháng
uốn giai đoạn này là MB, tương ứng với ε c = ε c 3 , được xác định như sau:
B

M B = As f s (d -

h x
xB
) + bhf f fd (h - f - B )
3
2 3

(2.1)

Trong đó:
fs - ứng suất thép chịu kéo tương ứng với ε c = ε c 3 , xác định bằng biểu thức (2.3)
xB - chiều cao vùng chịu nén tương ứng với ε c = ε c 3 , xác định bằng biểu thức
(2.10)
Dựa vào ngun lý tương thích về biến dạng của hình 3, ta có các biểu thức:
εs
ε
d − xB
= c3 ⇒ ε s =
ε c3
(2.2)
d − xB xB
xB
Suy ra ứng suất cốt thép:

f s = Es ε s =

d − xB
E s ε c 3 ≤ f yd
xB

Dựa vào điều kiện cân bằng tĩnh học của hình 2.3, ta có biểu thức sau:

Trang 9

(2.3)


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG II

bxB f cd
= As f s + bh f f fd
2

(2.4)

Thế (2.3) vào (2.4) ta có:
bxB f cd
d − xB
= As
Esε c 3 + bh f f fd
2
xB

αA =

Đặt:

(2.5)

As Esε c 3 h f f fd
×
− ×
bd
f cd
d f cd

αB =

(2.6)

As Esε c 3
×
bd
f cd

(2.7)

xB
, dạng rút gọn của (2.5) là: x 2 + 2α A x − 2α B = 0
d
2α
Nghiệm của phương trình (2.8) là: x = α A ( 1 + 2B − 1)

Đặt: x =

(2.8)
(2.9)

αA

Suy ra chiều cao vùng chịu nén: xB = α Ad ( 1 +

2α B

α A2

- 1)

(2.10)
fc ≤ fcd

εc ≤ εc3
hc

d

xB

xB

h
As
b
Tiết diện

εs ≤ εyd

hf
εf

Biến dạng

fs ≤ fyd

hf
ffd

Ứng suất tính tốn

Hình 2.3. Sơ đồ ứng suất biến dạng ở giai đoạn bê tông ứng xử đàn hồi
c)- Giai đoạn bê tông ứng xử không đàn hồi: tương ứng với trạng thái biến dạng
không đàn hồi của vùng bê tông chịu nén: ε c 3 < ε c ≤ ε cu 3 như mơ tả ở hình 2.1.a. Ở giai
đoạn này có rất nhiều khe nứt nhỏ phân bố rải rác (multiple cracking) trong lớp gia
cường ECC với đặc điểm chiều cao vết nứt bằng chiều cao hf của lớp ECC và hầu như
các vết nứt không vượt qua vùng bê tông; ứng suất trong lớp ECC đạt giá trị giới
hạn f f = f fd như mô tả ở hình 2.1.c. Lúc này lực gây uốn (F) tăng rất lớn, thành phần
bê tông ở trạng thái không đàn hồi, biến dạng cốt thép chịu kéo thường vượt quá giới
hạn chảy dẻo ε yd như sơ đồ mô tả ở hình 2.4. Mơmen kháng uốn giai đoạn này là MC ,
tương ứng với trạng thái giới hạn ε c = ε cu 3 , được xác định như sau:

Trang 10


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

M C = As f yd (d -

λxC

2

CHƯƠNG II

) + bh f f fd (h -

hf
2

-

λxC
2

)

(2.11)

Trong đó:
xC - chiều cao vùng chịu nén tương ứng với ε c = ε cu 3 , xác định bằng biểu thức
(2.15)
Dựa vào điều kiện cân bằng tĩnh học của hình 2.4, ta có biểu thức sau:

bλxCηf cd = As f yd + bhf f fd
xC =

Suy ra:

αC =

Đặt:

(2.12)

As f yd + bhf f fd
ληfcub

(2.13)

f yd As h f f fd
( + ×
)
ληf cd bd d f yd

(2.14)

xC = α C d

Do đó:

(2.15)
ηfcd

εc = εcu3
hc

d

λxC

xC

h
As
b
Tiết diện

εs > εyd

hf
εf

Biến dạng

fs = fyd

hf
ffd

Ứng suất tính tốn

Hình 2.4. Sơ đồ ứng suất biến dạng ở trạng thái giới hạn ε c = ε cu 3

II.4. Ký hiệu:
b=
h=
hc =
hf =
d=
As =

Es =
Ecd =

chiều rộng của tiết diện
chiều cao của tiết diện
chiều cao của phần bê tông chịu nén
chiều cao của lớp vật liệu ECC chịu kéo
chiều cao có ích của tiết diện
diện tích cốt thép chịu kéo
mô đun đàn hồi của cốt thép chịu kéo
mô đun đàn hồi tính tốn của bê tơng, Ecd = f cd / ε c 3 (Eurocode 2 [12])

Ef = mô đun đàn hồi của vật liệu ECC
εc = biến dạng tại mép ngồi cùng của vùng bêtơng chịu nén
εc3 = biến dạng nén đàn hồi max bêtông, f cu ≤ 50 MPa ⇒ ε c 3 = 0,175% (Eurocode 2
[12])
Trang 11


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG II

εcu3 = biến dạng nén cực hạn của bêtông, f cu ≤ 50 MPa ⇒ ε cu 3 = 0,35% (Eurocode 2
[12]).
εs =
biến dạng của cốt thép chịu kéo
εyd = biến dạng chảy dẻo tính tốn của cốt thép chịu kéo, ε yd = f yd / Es
εf =

fc =
fcd =

biến dạng tại mép ngoài cùng của vùng ECC chịu kéo
ứng suất tại mép ngoài cùng của vùng bêtơng chịu nén
cường độ chịu nén tính tốn của bêtông, f cd = f cu / γ c (Eurocode 2 [12])

fcu = cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm nén bê tơng hình trụ
λ,η=
các hệ số của khối ứng suất tương đương của bê tông vùng chịu nén ở
TTGH,
nếu f cu ≤ 50 MPa ⇒ λ = 0,8 ; η = 1,0 (Eurocode 2 [12])
fs =

ứng suất của cốt thép chịu kéo, f s = Esε s ≤ f yd

fyd =

cường độ chịu kéo tính tốn của cốt thép, f yd = f y / γ s (Eurocode 2 [12])

fy =
ffd =

cường độ chảy dẻo của mẫu thí nghiệm kéo cốt thép
cường độ chịu uốn tính tốn của vật liệu ECC, f fd = f lop / γ f (JSCE 2005,[3])

flop =
γc =

cường độ kháng uốn đàn hồi (limit of proportion) của mẫu thí nghiệm uốn ECC

hệ số độ tin cậy bê tông, γ c = 1,5 (Eurocode 2 [12])

γs =

hệ số độ tin cậy cốt thép, γ s = 1,15 (Eurocode 2 [12])

γf =

hệ số độ tin cậy của ECC, γ f = 1,3 (JSCE 2005,[3])

Trang 12


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG III

CHƯƠNG III:
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
III.1. Mục tiêu nghiên cứu:
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về dầm có gia cường vật liệu ECC, tại phịng thí
nghiệm Kết cấu xây dựng và phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, trường Đại học Bách
Khoa - Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, tác giả tiến hành các thí nghiệm để
kiểm chứng một số tính chất cơ học khi gia cường dầm bê tông cốt thép (BTCT) bằng
vật liệu ECC. Căn cứ vào các đặc điểm ứng xử của dầm khi chịu các trạng thái ứng suất
khác nhau, tác giả xây dựng mơ hình tính tốn bán thực nghiệm cho cấu kiện BTCT có
gia cường vật liệu ECC phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT hiện hành:
III.2. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn là phương pháp bán thực

nghiệm. Công tác chế tạo và dưỡng hộ mẫu thí nghiệm được thực hiện tại phịng thí
nghiệm Kết cấu xây dựng và phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng trường Đại học Bách
Khoa - Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh.
Các máy móc dụng cụ thí nghiệm được sử dụng q trình thí nghiệm gồm có:
- Máy trộn vữa dung tích 2lit/mẻ trộn.
- Máy trộn bê tơng dung tích 50lit/mẻ trộn
- Ván khn thép mẫu kéo số 8.
- Ván khn thép kích thước 150x150x600 mm
- Ván khn thép kích thước 150x150x150 mm
- Ván khn thép kích thước 40x40x150 mm
- Ván khuôn thép 100x15x550mm.
- Bộ thử tải 3P.
- Bộ thử tải 4P.
- Bộ thử tải mẫu kéo số 8.
- Máy thử kéo nén Universal Testing Machine UTM 2294SV – Instron, USA có
khả năng gia tải tối đa 1000 kN. Tốc độ gia tải tối đa là 100mm/phút và được liên kết

Trang 13


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG III

với máy tính để ghi nhận và xử lý dữ liệu
- Đồng hồ đo chuyển vị 62
- Máy đo biến dạng P3500 và bộ SP10.
- Cảm biến điện trở (Strain gages)

Hình 3.1: Bộ gối uốn 4P thử tải dầm nhỏ (150x150x620 mm)
và dầm mỏng (550x100x15mm)

Trang 14


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG III

Hình 3.2: Máy thử kéo – nén UTM 2294 SV- Instron, USA

Hình 3.3 Máy thử uốn dầm lớn

Trang 15


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

Hình 3.4 Đồng hồ đo chuyển vị

Hình 3.5 : Loadcell đo tải trọng

Trang 16

CHƯƠNG III

Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG III

Hình 3.6 Máy đo biến dạng P3500 và bộ SP10

III.3. Vật liệu thí nghiệm
III.3.1. Hỗn hợp vữa PVA – ECC:
III.3.1.1. Vật liệu sử dụng:
Nghiên cứu này sử dụng hai loại sợi PVA – ECC, do công ty Kuraray – Nhật Bản sản
xuất và đưa ra áp dụng. Hai loại sợi này có tên thương mại là:
+ RECS 100x12.
+ REC 15/8.
Đặc tính của hai loại sợi trên được thống kê trong bảng 3.1:
Loại sợi
Đường kính sợi
(µ)
Thickness
(dtex)

REC

RECS

15x8

100Lx12

40

100

15

100

Trang 17


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC
Chiều dài sợi
(mm)1
Cường độ chịu
kéo
(N/mm)

CHƯƠNG III

8

12

1600

1100

(1.6Gpa)

(1.1Gpa)

40

25

1.3

1.3

Module đàn hồi
Young
(kN/mm2)
Trọng

lượng

đặc biệt

Vữa

Áp dụng

Phun xịt

Vữa

Bảng 3.1: Đặc tính của sợi RECS100x12 và sợi REC15/8

Sợi PVA – ECC RECS100x12

Sợi PVA – ECC REC15/8

Hình 3.7 : các loại sợi ECC thí nghiệm

Trang 18


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG III

Hỗn hợp vữa sợi PVA – ECC được chế tạo theo cấp phối ghi trong Bảng 3.2:
Cấp phối

Ximăng

Nước

Cát

Flyash

Tỷ lệ

1

0.5

0.716

0.432

Hàm

740

370

530

320

lượng

(kg/m3)

(kg/m3)

(kg/m3)

(kg/m3)

Phụ

gia PVA

–

siêu dẻo

ECC

0.035

2%

2.6 (kg/m3)

26 (kg/m3)

Bảng 3.2: Hàm lượng cấp phối hỗn hợp ECC.
Với cấp phối này độ sụt đạt được như sau:
+ Mẫu ECC RECS100x12: 18.7(cm).
+ Mẫu ECC REC15/8:

17.5(cm).

Hỗn xi măng sử dụng là xi măng PCB40, cát yêu cầu là cát vàng xây dựng thông
thường đã qua rây sàng để loại bỏ các tạp chất và được sấy khơ. Flyash: hay cịn gọi là
tro bay sử dụng trong hỗn hợp có được từ q trình than đá với yêu cầu độ ẩm <10%.
Ngoài ra phụ gia siêu dẻo SP3 được sử dụng để tăng tính dẻo cho hỗn hợp vữa trong
quá trình trộn, đảm bảo hỗn hợp được trộn đều và đồng nhất..
III.3.1.2. Quy trình trộn:
Tham khảo từ nhà sản xuất Kuraray và các nghiên cứu trước đây, tác giả đề xuất quy
trình trộn hỗn hợp vữa có chứa sợi PVA – ECC như theo sơ đồ sau:

Trang 19

Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

100% Cát

CHƯƠNG III

100% Flyash

50% xi măng

Trộn khô
100%nước

Trộn ướt

12.5%xi măng

Lặp lại
4 lần

25%PVA-ECC
Trộn đều

Hình 3.8: Quy trình trộn vữa ECC.
III.3.2. Bê tơng cốt thép:
Bê tơng sử dụng trong thí nghiệm được làm từ đá 1x2, xi măng PCB40, với
cường độ bê tông được kiểm tra trực tiếp thông qua nén mẫu.
Thép sử dụng có đường kính lần lượt là: 8, 10. Kích thước và cách bố trí được

thép sẽ được thể hiện rõ trong phần liên quan.
Quy trình trộn bê tơng và bố trí cốt thép tn thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn bê
tông cốt thép hiện hành.

Trang 20


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG III

III.4. Các loại thí nghiệm thực hiện:
III.4.1. Nhóm thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý:
Mục đích của các thí nghiệm này là xác lập các chỉ tiêu cơ lý ban đầu của hỗn
hợp gia cường (hỗn hợp vữa có chứa sợi trộn lẫn) trước khi đưa vào thí nghiệm tính
tốn gia cường dầm. Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu khả năng chống uốn
của dầm BTCT có gia cường lớp ECC, cho nên các chỉ tiêu cơ lý của lớp gia cường
ECC sẽ cần được xác định, bao gồm:
flop =

cường độ kháng uốn đàn hồi của vật liệu ECC.

fmor =

cường độ kháng uốn cực hạn của vật liệu ECC

III.4.1.1. Thí nghiệm mẫu kéo số 8 (mẫu Briquette – ASTM C190):
Thực hiện các mẫu kéo số 8 theo mơ hình như dưới đây (Hình 3.8), cấp phối sử
dụng được trình bày trong phần III.3.1.1.

Width

Height

Hình 3.9 : Mơ hình thí nghiệm mẫu kéo số 8
Mẫu kéo số 8 được đúc thành từng đợt và thí nghiệm theo độ tuổi: 7 ngày, 14
ngày, và 28 ngày. Hai loại sợi sau sẽ được sử dụng trong thí nghiệm:
+ Mẫu A : mẫu chứa sợi ECC RECS100x12.
+ Mẫu B : mẫu chứa sợi ECC REC 15/8.

Trang 21


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG III

Các loại mẫu được ký hiệu như sau:
Ký hiệu mẫu

Tuổi mẫu khi Số mẫu đạt

Ký hiệu mẫu

thử tải (ngày)

Tuổi mẫu khi Số mẫu đạt
thử tải (ngày)

A_3_2

7

6

B_3_2

7

6

A_2_2

14

6

B_2_2

14

6

A_1_2

28

6

B_1_2

28

6

Bảng 3.3: Các mẫu sử dụng trong thí nghiệm mẫu kéo số 8.
Sau khi loại bỏ các mẫu không đạt yêu cầu (như kích thước khơng đồng nhất, sự
phân bố vữa khơng đồng đều trong tồn mẫu,...) tác giả tiến hành thí nghiệm bằng bộ
thử tải mẫu kéo số 8 trên máy kéo nén UTM 2294 SV- Instron, USA. Các thao tác thí
nghiệm mẫu kéo số 8 cũng tuân thủ quy định theo yêu cầu của nhà cung cấp thiết bị
nhằm đạt sai số thấp nhất. Trong thí nghiệm này, tác giả sử dụng cấp gia tải là
0.1mm/phút.

Hình 3.10 : Thí nghiệm mẫu kéo số 8.
III.4.1.2. Thí nghiệm uốn 3 điểm dầm 40x40x160mm (ASTM C348):
Thí nghiệm uốn 3 điểm (3P) được thực hiện theo mơ hình dưới đây:

Trang 22


Nghiên cứu khả năng kháng uốn của dầm BTCT
gia cường bằng vật liệu ECC

CHƯƠNG III

40 mm

ECC

40 mm
50 mm

50 mm

30 mm

30 mm

Hình 3.11 : mơ hình thí nghiệm uốn 3P dầm 40x40x160mm.
Mẫu dầm 40x40x160 được đúc thành từng đợt và thí nghiệm theo độ tuổi: 7
ngày, 14 ngày, và 28 ngày. Các mẫu được ký hiệu như sau:
+ Mẫu A : mẫu chứa sợi ECC RECS100x12.
+ Mẫu B : mẫu chứa sợi ECC REC 15/8.
Các mẫu được thống kê trong bảng 3.4:
Ký hiệu mẫu

Tuổi mẫu khi Số mẫu đạt

Ký

hiệu Tuổi mẫu khi

thử tải (ngày)

mẫu

thử tải (ngày)

Số mẫu đạt

A_3_1

7

3

B_3_1

7

3

A_2_1

14

3

B_2_1

14

3

A_1_1

28

3

B_1_1

28

3

Bảng 3.4: Các mẫu thí nghiệm uốn 3P dầm 40x40x160mm.
Sau khi loại bỏ các mẫu khơng đạt u cầu (như kích thước khơng đồng nhất, sự phân
bố vữa khơng đồng đều trong tồn mẫu,...) tác giả tiến hành thí nghiệm bằng bộ thử tải
3P trên máy kéo nén UTM 2294 SV- Instron, USA. Các thao tác thí nghiệm mẫu dầm
40x40x160 cũng tuân thủ quy định theo yêu cầu của nhà cung cấp thiết bị nhằm đạt sai
số thấp nhất. Trong thí nghiệm này, tác giả sử dụng cấp gia tải là 0.1mm/phút

Trang 23