Một số tính chất cơ lý của bê tông xi măng cát cốt sợi thép và khả năng áp dụng trong kết cấu vỏ công trình ngầm

ThS. Phạm Quang Khởi Trường Ðại học Công nghệ Giao thông vận tải TS. Hồ Anh Cương Trường Ðại học Giao Thông Vận Tải người phản biện: PGS.TS. Vũ Đức Chính PGS.TS. Nguyễn Hữu Trí

TÓM TẮT: Bài báo trình bày một số tính chất cơ lý của bê tông xi măng (BTXM) cát cốt sợi thép với tỷ lệ sử dụng sợi 2% và 5% theo khối lượng. Các kết quả cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn ở tuổi 7 và 28 ngày của bê tông sử dụng sợi đều cao hơn so với bê tông đối chứng. Độ bền thấm nước ở tuổi 28 ngày không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của sợi. Nghiên cứu bước đầu đã khẳng định được những ưu điểm của BTXM cát cốt sợi về tính chất cơ lý nói chung cũng như về khả năng sử dụng vật liệu này trong kết cấu vỏ công trình ngầm đô thị.

TỪ KHÓA: BTXM cát cốt sợi, sợi thép, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, độ bền thấm nước.

ABSTRACT: The paper presents physico-mechanical properties of steel fiber - reinforced concrete using a content of fiber is 2%, 5% by weight. The results of compressive strength, flexural strength at 7-28 of concrete using fiber are higher than which are of control concrete. The resistance to water penetration at 28 days is not effected due to using fiber. Preliminary studies have confirmed the advantages of steel fiber - reinforced concrete on mechanical properties in general as well as the potential using this material in underground cover constructions.

KEYWORDS: Fiber reinforced sand concrete, steel fibers, compressive strength, flexural strength, water permeability.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Những năm gần đây, trước yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội, sự mở cửa và hội nhập thì vấn đề xây dựng công trình ngầm đô thị đã trở thành mục tiêu đòi hỏi phải thực hiện. Kết cấu chủ yếu để xây dựng, gia cố công trình ngầm thường sử dụng bê tông bơm, phun không hoặc có kết hợp neo. Tuy nhiên, bê tông bơm, phun truyền thống có nhược điểm là loại vật liệu dòn, có khả năng chịu kéo, khả năng biến dạng thấp. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều giải pháp được nghiên cứu, trong đó có việc sử dụng cốt sợi thép, sợi thủy tinh, sợi amiăng, sợi tổng hợp, sợi thiên nhiên… [1,2,3]. Trong các loại sợi trên, bê tông bơm, phun gia cường cốt sợi thép sẽ trở nên thông dụng và được sử dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm: Khả năng chịu lực chịu kéo lớn, giá thành tương đối hợp lý, nguồn cung cấp vật liệu dồi dào, công nghệ và quá trình tổ chức thi công không quá phức tạp.

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu bước đầu về một số tính chất cơ lý của BTXM cát cốt sợi thép với tỷ lệ sợi 2%, 5% theo khối lượng: Cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn ở tuổi 7 và 28 ngày; độ bền thấm nước ở tuổi 28 ngày. Kết quả được so sánh với bê tông đối chứng (BTĐC - 0% sợi) nhằm sáng tỏ thêm cơ chế làm việc, hiệu quả của sợi thép đến tính chất của BTXM. Qua đó, bước đầu đánh giá khả năng áp dụng vật liệu này trong xây dựng kết cấu vỏ công trình ngầm ở nước ta.

2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM

2.1. Vật liệu

Sợi thép được chế tạo từ thép carbon, cường độ chịu kéo >1.100MPa, tiết diện hình tròn, chiều dài sợi 30mm, đường kính 0,5mm (Hình 2.1). Xi măng Poóc-lăng PCB 40 (Nhà máy xi măng Bút Sơn), cường độ chịu nén 28 ngày Rn>48,5 (MPa). Cát vàng tự nhiên có khối lượng thể tích 2,62 (T/m3), có kích cỡ 0÷4mm, hệ số hấp thụ nước 1,9%. Tro bay nhiệt điện Phả Lại có kích thước hạt trung bình 28,47µm, khối lượng riêng 2,45g/cm³. Phụ gia Viscocrete 3000-10 (hãng Sika), gốc Polycarboxylate, có màu nâu nhạt, khối lượng thể tích (ở 20^oC) là 1.050 - 1.080kG/lít, độ PH: 4.25 ÷ 5.75. Ngoài ra có sử dụng phụ gia siêu dẻo và Silicafume.

Hình 2.1: Sợi thép dùng trong nghiên cứu

2.2. Chế tạo hỗn hợp vật liệu

Nghiên cứu đã chế tạo được công thức BTCST được ký hiệu BT2CS và BT5CS tương ứng với 2% và 5% cốt sợi theo khối lượng và một công thức bê tông đối chứng (BTĐC - không sử dụng cốt sợi), ký hiệu BT0CS. Trong tất cả các hỗn hợp, tỷ lệ N/X cũng như lượng phụ gia siêu dẻo Viscocrete 3000-10 được giữ nguyên. Kết quả công thức thành phần của hỗn hợp được thể hiện ở Bảng 2.1 sau quá trình chế tạo.

Bảng 2.1.Thành phần của các hỗn hợp (kg/m³)

 

2.3. Các thí nghiệm

2.3.1. Thí nghiệm cường độ nén

Thí nghiệm cường độ chịu nén được thực hiện theo Tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén, mẫu hình trụ có kích thước 150x300mm. Với mỗi loại bê tông, sử dụng 3 mẫu. Kết quả được lấy trung bình của 3 giá trị thí nghiệm (Hình 2.2).

2.3.2. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn

Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn được thực hiện theo TCVN 3119-1993. Mẫu có kích thước 150x150x600mm. Với mỗi loại bê tông, cũng sử dụng 3 mẫu. Kết quả được lấy trung bình của 3 giá trị thí nghiệm (Hình 2.3).

2.3.3. Thí nghiệm xác định hế số thấm nước

Thí nghiệm xác định hệ số thấm nước của bê tông được thực hiện theo tiêu TCVN 8219:2009 với mục đích xác định liệu sự có mặt của cốt sợi thép có làm tăng nguy cơ gây thấm nước của kết cấu vỏ công trình ngầm hay không. Nguyên tắc thí nghiệm là thông qua cấp áp lực nước mà ở đó 4 trong 6 viên mẫu thử (kích thước hình trụ 150x150mm) bị nước xuyên qua, từ đó xác định hệ số thấm theo công thức dưới đây:

Hình 2.2: Thí nghiệm cường độ chịu nén

 

Hình 2.3: Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 2.4: Thí nghiệm độ chống thấm nước

 

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tính công tác - độ sụt

Trong quá trình xác định hàm lượng sợi tối ưu, nghiên cứu nhận thấy tính công tác của hỗn hợp BTCS giảm thể hiện qua độ sụt (SN) giảm khi tăng tỷ lệ cốt sợi thép (Hình 3.1).

Hình 3.1: Độ sụt của BTCST

Qua kết quả độ sụt cho thấy, độ dẻo của hỗn hợp BTCS giảm khi cho cốt sợi thép và độ giảm tăng khi hàm lượng sợi tăng: SN giảm từ 19,93cm (BT0CS) xuống 15,1cm (BT5CS). Có thể giải thích hiện tượng này như sau: Do sợi thép tròn, thẳng và có móc hai đầu nên tạo cơ chế neo hai đầu. Cơ chế neo này rất bền vững, hạn chế sự dịch chuyển tương đối của sợi với vật liệu nền theo cả 2 phương dọc trục và phương vuông góc với trục của sợi dẫn đến độ sụt giảm.

Tuy nhiên, độ sụt của hỗn hợp thiết kế vẫn đảm bảo yêu cầu theo phương pháp bơm hoặc đổ tại chỗ.

3.2. Cường độ chịu nén

Sự ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu nén của bê tông được thí nghiệm xác định ở ngày thứ 7 và 28 và được thể hiện Hình 3.2 và 3.3. Cường độ chịu nén R_n(MPa) là giá trị trung bình của 3 mẫu. Kết quả thí nghiệm thu được cho thấy cường độ chịu nén của BTCS tăng so với BTXM đối chứng, tuy nhiên trong phạm vi nghiên cứu này mức độ tăng của R_n ở trạng thái rắn là không nhiều. Cụ thể, với tỷ lệ 2%, 5% theo khối lượng, Rn tăng 6,8%; 6,98% ở 7 ngày và 0,72%; 4,83% ở tuổi 28 ngày.

Hình 3.2: Rn của BT0CS, BT5CS và BT2CS

 

Hình 3.3: Biểu đồ phát triển Rn theo thời gian

 

Qua kết quả ở Hình 3.3 cho thấy, cường độ nén của tất cả các cấp phối phát triển nhanh ở trước 7 ngày. Sau đó, tốc độ phát triển cường độ giảm dần và tăng khá đều tới tuổi 28 ngày. Như vậy, có thể thấy việc sử dụng sợi thép ảnh hưởng không đáng kể đến tốc độ phát triển cũng như giá trị cường độ nén.

3.3. Cường độ chịu kéo khi uốn

Sự ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu kéo khi uốn Rku của bê tông được xác định ở ngày thứ 28 được thể hiện trên Hình 3.4. Kết quả thí nghiệm thu được phù hợp với một số kết quả nghiên cứu trước của các tác giả khác đó là cường độ chịu kéo khi uốn của BTXM sử dụng cốt sợi thép tăng so với BTXM đối chứng, Cụ thể, với tỷ lệ 2% theo khối lượng, R_ku tăng 15,76 % và 110,3 % ở tuổi 28 ngày.

Một nhận xét đáng chú ý là cường độ kéo uốn của BTCS đã được cải thiện rõ rệt khi tỷ lệ sợi tăng lên 5% so với BTĐC trong khi cường độ chịu nén thì không có nhiều sự khác biệt.

Hình 3.4: Rku của BT0CS; BT2CS và BT5CS

 

Có thể phân tích cơ chế làm việc của sợi trong pha nền (vữa xi măng + sợi) của bê tông như sau:

- Một phần tải trọng được truyền theo phương dọc và phương vuông góc với sợi và được phân bố đều trong vật liệu nền;

- Hình thành cơ thế bắc cầu (bridging) - khâu vết nứt, đặc biệt với các vết nứt vi mô. Ứng suất tập trung tại đầu các vết nứt sẽ được các sợi hấp thụ và truyền sang pha nền. Do đó, tại đầu các vết nứt, ứng suất sẽ giảm đi, dẫn đến làm chậm, hạn chế sự phát triển, tạo mạng lưới các vết nứt vi mô và tiến tới ngăn chặn sự hình thành vết nứt vĩ mô, từ đó làm chậm quá trình phá hủy bê tông, tăng khả năng chịu lực của mẫu.

3.4. Hệ số thấm nước

Sự ảnh hưởng của sợi thép đến độ bền thấm nước của bê tông thông qua thí nghiệm xác định hệ số thấm nước K_t (cm/s) ở ngày thứ 28 và được thể hiện ở Bảng 3.1. Hệ số thấm là giá trị trung bình của 3 mẫu.

Bảng 3.1. Hệ số thấm nước của BT0CS, BT2CS và BT5CS

Kết quả trên cho thấy: Hệ số thấm nước của BTCST không có sự khác biệt với bê tông đối chứng. Như vậy, sợi thép không ảnh hưởng nhiều đến sự thấm nước vào trong BTXM cát cốt sợi thép. Điều này có thể được giải thích do trong nghiên cứu chỉ sử dụng cốt liệu nhỏ, mịn như cát, tro bay làm cho kết cấu bê tông đặc chắc không tạo ra các mao dẫn thông nhau trong kết cấu, vì vậy không ảnh hưởng nhiều đến tính thấm nước. Như vậy, sự có mặt của sợi thép không làm tăng nguy cơ gây thấm nước cho kết cấu vỏ công trình ngầm - kết cấu thường xuyên tiếp xúc với môi trường ẩm ướt và chịu tải trọng lớn.

 4. KẾT LUẬN

Bài báo tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của cốt sợi thép (tỷ lệ 2%, 5% theo khối lượng) đến một số tính chất của BTXM trong kết cấu vỏ công trình ngầm.

Kết quả cho thấy, BTCST có khả năng ứng dụng trong kết cấu vỏ công trình ngầm với các ưu điểm sau:

- Độ sụt (SN) của BT2CS (17,83cm) và BT5CS (15,1cm) giảm so với BTĐC (19,93 cm) nhưng vẫn đảm bảo độ sụt cho hỗn hợp bê tông bơm, phun.

- Cường độ chịu nén của bê tông cốt sợi thép tăng so với bê tông đối chứng, cụ thể, với tỷ lệ 2%, 5% theo khối lượng, Rn tăng 6,8%; 6,98% ở 7 ngày và 0,72%; 4,83% ở tuổi 28 ngày, tương ứng.

- Cường độ chịu kéo khi uốn của BTXM sử dụng cốt sợi thép tăng so với BTXM đối chứng. Cụ thể, với tỷ lệ 2% theo khối lượng, Rku tăng 15,76% và 110,3% ở tuổi 28 ngày.

- Sợi thép không ảnh hưởng đến sự thấm nước của BTCST.

Qua đó, bước đầu cho thấy bê tông cát cốt sợi thép có khả năng sử dụng cho kết cấu vỏ công trình ngầm.

Tài liệu tham khảo

[1]. Phạm Minh Đức (2006), Ứng dụng bê tông phun cốt sợi thép trong ngành mỏ, Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ toàn quốc lần thứ XVII.

[2]. Bùi Văn Đức, Phạm Ngọc Anh, Đào Văn Canh (2013), Nghiên cứu khả năng sử dụng bê tông phun cốt sợi thép làm kết cấu chống giữ công trình ngầm thi công theo phương pháp đào hầm mới của Áo - NATM, Tạp chí Xây dựng, Hà Nội.

[3]. Nguyễn Tiến Bình, Nguyễn Tiến Đích, Trần Bá Việt (2004), Ứng dụng bê tông cốt sợi phân tán, Tạp chí Xây dựng, Hà Nội.