Nghiên cứu ứng xử dính bám giữa bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dùng trong kết cấu lai

ThS. Vũ Văn Hiệp ThS. Phạm Thị Thanh Thủy Trường Ðại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Hoàng Quân TS. Lê Minh Cường

TÓM TẮT: Kết cấu lai (hybrid structure) là kết cấu có sự phối hợp của hai hay một số dạng kết cấu hoặc vật liệu có những đặc điểm chịu lực khác nhau, đôi khi là trái ngược nhau, thành một hệ thống có khả năng chịu lực tối ưu. Một số nghiên cứu và kinh nghiệm cho thấy rằng, việc sử dụng các vật liệu riêng sẽ không mang lại tính năng khai thác cao. Việc kết hợp bê tông hạt mịn cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete, TRC) và bê tông nhẹ là những loại vật liệu có tính năng khai thác cao như cường độ cao, tính dẻo dai, tính chống thấm và độ bền cao để tạo nên một dạng kết cấu lai là một hướng đi mới mang lại cơ hội phát triển mới trong xây dựng. Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử dính bám giữa bê tông cốt lưới dệt với bê tông nhẹ. Bê tông cốt lưới dệt sử dụng lưới sợi carbon và bê tông hạt mịn. Thí nghiệm kéo trượt được thực hiện để đánh giá mức độ dính bám giữa 2 lớp bê hạt mịn và bê tông nhẹ. Kết quả thí nghiệm cho thấy, bê tông cốt lưới dệt có dính bám tốt với lớp nền bê tông nhẹ. Khả năng dính bám tốt giữa hai lớp vật liệu giúp chúng có thể cùng cộng tác với nhau để tạo nên một loại kết cấu mới có nhiều ưu điểm.

TỨ KHÓA: Bê tông cốt lưới dệt, TRC, bê tông nhẹ, dính bám, thí nghiệm kéo trượt.

ABSTRACT: Structural hybrid is textured with a combination of two or several structural or material bearing the different characteristics. Studies and experience show that the use of particular material will not bring high feature extraction. The combination of textile reinforced concrete(TRC) and lightweight concrete are materials that exploit features such as high strength, ductility, impermeability and durability. This paper presents the results of experimental studies on bond behavior between TRCwith lightweight concrete. TRC is made from carbon TRCand lightweight concrete. The results of tests shows the good bonding quality between TRC and lightweight concrete.

KEYWORDS: Textile reinforced concrete, TRC, lightweight concrete, bond, pull out test.

1. MỞ ĐẦU

Trong kết cấu lai dạng tấm, các lớp ngoài thường gọi là lớp vỏ, đóng vai trò chịu lực chính, được làm từ vật liệu có cường độ và độ bền cao. Các lớp phía trong, do có vị trí gần trục trung hòa, nên ít có vai trò chịu lực mà chủ yếu để đảm bảo yêu cầu độ cứng, độ ổn định cũng như cách âm, cách nhiệt. Hiện nay, trong các kết cấu lai truyền thống được sử dụng làm sàn và tường, lớp vỏ chịu lực thường là bê tông cốt thép và để giảm bớt khối lượng chung của kết cấu, các lớp phía trong thường được làm từ vật liệu nhẹ như bê tông nhẹ, xốp… Tuy nhiên, để đảm bảo yêu cầu chống rỉ cho cốt thép, dạng kết cấu này vẫn yêu cầu chiều dày lớp bê tông bảo vệ lớn do vậy kết cấu vẫn khá nặng nề.

Bê tông cốt lưới dệt được cấu thành từ hai thành phần chính là lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn. Lưới sợi dệt được làm từ những sợi nhỏ, có nguồn gốc từ carbon hoặc thủy tinh, với chiều dài không giới hạn được bó lại thành các bó nhỏ. Mỗi bó này chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn sợi cơ bản nằm song song với nhau và có vị trí không thay đổi trên mặt cắt ngang của bó sợi. Bê tông hạt mịn là một loại bê tông tính năng cao có đường kính hạt cỡ khoảng 1mm, sử dụng xi măng, tro bay, microsilica làm chất kết dính, nước và phụ gia. Do có kích thước hạt nhỏ nên loại bê tông này được phân loại là như một loại vữa, có khả năng dính bám tốt với các loại cốt chịu lực có đường kính nhỏ như lưới sợi dệt. Việc kết hợp bê tông hạt mịn với vật liệu không bị ăn mòn như cốt sợi dệt khiến, chiều dày lớp bê tông bảo vệ giảm xuống chỉ ở mức milimet, do vậy, có thể tạo ra cấu kiện chịu lực có kích thước nhỏ và chiều dày mỏng. Việc thay thế lớp vỏ ngoài cùng bằng bê tông cốt lưới dệt tạo ra một dạng kết cấu lai mới. Với những đặc tính ưu việt của mình, TRC được coi là vật liệu rất phù hợp để thay thế cho bê tông cốt thép truyền thống [2], [3], [6]. Do không bị ăn mòn và có khả năng chịu lực cao, kết cấu lai sử dụng TRC đáp ứng được các yêu cầu của kết cấu xây dựng hiện đại như: Nhẹ, khả năng chịu lực cao và bền vững với môi trường. Các lớp phía trong, được đề xuất sử dụng bê tông nhẹ. Bê tông nhẹ chịu lực theo ACI 213R-03 [1] là bê tông có khối lượng thể tích từ 1120 - 1920kg/m³ và cường độ chịu nén ngày 28 ngày tối thiểu là 17MPa. Có thể thấy rằng, so với bê tông truyền thống việc sử dụng bê tông nhẹ làm cho trọng lượng bản thân của kết cấu giảm một cách đáng kể.

Đối với kết cấu lai, đặc tính dính bám giữa bê tông hạt mịn cốt lưới dệt với lớp lõi bê tông nhẹ là một trong những tính chất quan trọng nhất đảm bảo sự làm việc đồng thời cho các lớp vật liệu, quyết định sự làm việc tổng thể của kết cấu. Việc kết hợp các loại vật liệu khác nhau nhằm tạo ra một kết cấu mới thường bị thất bại do yếu tố dính bám giữa các lớp vật liệu, khiến các lớp này bong tách khỏi nhau.

Bài báo trình bày thí nghiệm nghiên cứu ứng xử dính bám giữa hai lớp bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ. Trong nghiên cứu này, thí nghiệm kéo trượt được lựa chọn nhằm xác định ứng xử dính bám giữa hai lớp vật liệu.

2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ DÍNH BÁM GIỮA LỚP BÊ TÔNG NHẸ VỚI BÊ TÔNG HẠT MỊN

2.1. Lựa chọn mô hình thí nghiệm

Để xác định ứng xử dính bám giữa các lớp vật liệu, nhiều mô hình thí nghiệm đã được đề xuất như nhóm mô hình thí nghiệm kéo trực tiếp, thí nghiệm kéo gián tiếp (ép chẻ), thí nghiệm cắt trực tiếp, thí nghiệm cắt nghiêng… Ở kết cấu lai dạng tấm như kết cấu bản, dưới tác dụng của tải trọng, lớp vỏ bê tông cốt lưới dệt sẽ đóng vai trò chịu lực kéo. Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông, vết nứt sẽ xuất hiện và phát triển dần lên phía trên theo chiều cao cấu kiện. Lúc này, toàn bộ lực kéo sẽ do các bó sợi chịu. Do vậy, để phản ánh sự làm việc thực tế của cấu kiện, mô hình kéo trực tiếp - kéo trượt (Hình 2.1) được lựa chọn.

Hỗn hợp TRC được dán vào bề mặt của khối bê tông nhẹ hình lăng trụ có kích thước tiết diện 150mm ×150mm và chiều dài 300mm. Thông số thay đổi là chiều dài dính bám của lưới sợi với bê tông hạt mịn và chiều dài dính bám của tấm TRC với khối bê tông nền (bê tông nhẹ). Tấm TRC được dán vào bề mặt bê tông, cách mép khối bê tông một đoạn 20mm và để trần phần phía ngoài. Mô hình thí nghiệm kéo trượt được thể hiện trên như trên Hình 2.2. Tấm lưới sợi được kéo trong khi khối bê tông hình lăng trụ được giữ cố định. Hai tấm thép mỏng có chiều dài 60mm, chiều rộng bằng chiều rộng dính bám kẹp vào lưới sợi trong quá trình thí nghiệm. Một khung thép được kẹp vào đế của máy thí nghiệm, có vai trò kiềm chế khối lăng trụ bê tông này cố định. Các thí nghiệm được gia tải sau khi đúc mẫu 28 ngày, bằng phương pháp chuyển vị khống chế, được điều khiển bởi máy kéo nén LFSV 600kN tại phòng thí nghiệm kết cấu của Trường Đại học GTVT. Tải trọng tác dụng được đo bằng thiết bị đo lực được gắn trực tiếp trong máy và sự dịch chuyển tương đối giữa cốt lưới dệt với khối bê tông được đo bằng LVDT được gắn trong thiết bị gia tải. Một thiết bị đo biến dạng (strain gage) được sử dụng để ghi lại biến dạng của lưới sợi trong quá trình thí nghiệm. Tất cả các mẫu thí nghiệm được gia tải tĩnh với tốc độ 1mm/phút cho đến khi phá hoại.

Hình 2.1: Mô hình và mẫu thử thí nghiệm kéo trượt

2.2. Vật liệu thí nghiệm

Bê tông nhẹ và bê tông hạt mịn để chế bị các mẫu thử hai lớp có cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi lần lượt là 18,24MPa và 60,35MPa. Lưới sợi dệt carbon là loại Sigratex Grid 350, có các thông số kỹ thuật và kích thước hình học được thể hiện trong Bảng 2.1 và Hình 2.2.

Bảng 2.1. Các thông số của lưới sợi carbon

Hình 2.2:Kích thước lưới sợi carbon

2.3. Mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm được chế bị bằng cách dán lớp bê tông cốt lưới dệt lên bề mặt bê tông nhẹ (bê tông nền). Đầu tiên, một lớp bê tông hạt mịn dày từ 3 đến 4mm được trát lên bề mặt khối bê tông nền. Sau đó, lưới sợi được đặt lên và dùng bay xoa nhẹ để các sợi chìm trong bê tông mịn. Kết thúc bằng việc trát phủ một lớp bê tông hạt mịn lên. Tổng chiều dày lớp TRC là khoảng 7 đến 8mm. Mẫu thí nghiệm được bảo dưỡng trong điều kiện phòng thí nghiệm (nhiệt độ khoảng 20 - 25°C, độ ẩm khoảng 75%). Số lượng mẫu được chế bị và tiến hành thí nghiệm gồm 36 mẫu. Hình 2.2 thể hiện mẫu thử được chế bị.

2.4. Kết quả thí nghiệm và phân tích đánh giá

Mẫu thí nghiệm được kéo cho đến khi một trong các dạng phá hoại dưới đây xảy ra: Sợi bị kéo trượt khỏi tấm TRC, sợi bị kéo đứt, có sự bong tách giữa tấm TRC và khối bê tông nền hoặc bê tông nền bị phá hoại. Bảng 2.2 thể hiện các thông số cần có để thiết lập thí nghiệm và kết quả thí nghiệm kéo trượt cho 12 mẫu điển hình.

Bảng 2.2. Kết quả thí nghiệm kéo trượt

Ở 6 mẫu thí nghiệm đầu tiên, thông số thay đổi là chiều dài dính bám của lưới sợi dệt với tấm TRC đồng thời cũng chính là chiều dài tiếp xúc của tấm TRC với khối bê tông nhẹ. Kết quả thí nghiệm kéo trượt cho thấy, ở 4 mẫu đầu tiên (DBBT-1 ÷DBBT-4), dạng phá hoại thu được là sợi bị tuột khỏi tấm TRC, ở hai mẫu DBBT-5 và DBBT-6, mẫu bị phá hoại do các bó sợi theo phương dọc bị kéo đứt (Hình 2.3). Như vậy có thể thấy rằng, chiều dài neo cần thiết để ứng suất trong các bó sợi dệt phát triển đến giới hạn chịu kéo nằm trong khoảng 150 - 200mm. Với các mẫu có chiều dài neo nhỏ hơn, sợi sẽ bị kéo tuột ra trước khi bị đứt .

Tiếp tục thực hiện thí nghiệm, với mẫu các mẫu DBBT_7÷ DBBT_12, tấm TRC có chiều dài 200mm và bề rộng 70mm được dán vào khối bê tông nhẹ nhằm đảm bảo lưới sợi dệt có đủ chiều dài neo cần thiết. Bằng cách đặt một tấm ni - lông vào mặt dưới tấm TRC nhằm triệt tiêu dính bám giữa tấm TRC và khối bê tông nhẹ, chiều dài dính bám giữa hai lớp vật liệu được giới hạn chỉ còn 30, 50 và 70mm. Tiến hành thí nghiệm, ở các mẫu DBBT_9÷ DBBT_12, dạng phá hoại thu được là sợi bị kéo đứt, các mẫu DBBT_7 và DBBT_8, với chiều dài dính bám 30mm, phá hoại xảy ra khi tấm TRC bị kéo tách khỏi khối bê tông nền, kéo theo một phần bê tông nền bị phá hoại. Điều này có thể được giải thích là do, ứng suất tiếp có giá trị lớn được phân bố trên một diện tích tiếp xúc nhỏ gây ra giá trị ứng suất kéo chính trên phân tố vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông nền, dẫn đến việc hình thành phá hoại vỡ tách khối bê tông nền trên mặt nghiêng (Hình 2.3). Với các mẫu DBBT_9÷ DBBT_12, do diện tích tiếp xúc đủ lớn, phá hoại xảy ra do lưới sợi bị kéo đứt trước khi bê tông nền bị phá hoại.

Hình 2.3: Một số dạng phá hoại thu được khi thực hiện thí nghiệm kéo trượt và trạng thái ứng suất trên phân tố chính

Hình 2.4: Đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị trượt điển hình

Hình 2.4 thể hiện đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị trượt thu được khi thí nghiệm kéo trượt ở một số mẫu điển hình, tại các mẫu mà sự phá hoại là từ phía lưới sợi, trước khi đạt đến giá trị lực kéo cực hạn, quan hệ giữa lực và chuyển vị trượt gần như là tuyến tính. Sau đó, tải trọng giảm đột ngột do các bó sợi bị kéo đứt. Ứng xử của mẫu khi chịu kéo tương tự như ứng xử của lưới sợi. Ở các mẫu mà sự phá hoại là từ phía bê tông nền, sau khi kết thúc giai đoạn đàn hồi, mẫu tiếp tục làm việc thêm một thời gian nữa mà không bị phá hoại đột ngột như ở các mẫu còn lại.

3. KẾT LUẬN

Từ các kết quả thí nghiệm đánh giá ứng xử dính bám giữa tấm bê tông hạt mịn cốt lưới sợi và bê tông nhẹ theo mô hình kéo trượt cho thấy các mẫu bị phá hoại do sợi bị kéo trượt, sợi bị đứt hoặc do phá hoại bê tông nền. Dạng phá hoại bong tách tại bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp vật liệu không xảy ra. Điều này cho thấy, mức độ dính bám giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ khá tốt và đảm bảo sự làm việc đồng thời của hai loại vật liệu. Do đó, có thể sử dụng bê tông hạt mịn cốt lưới dệt kết hợp với bê tông nhẹ tạo nên một dạng kết cấu lai mới có nhiều ưu điểm.

Tài liệu tham khảo

[1]. ACI 213R-03, Guide for Structural Lightweight-Aggregate Concrete.

[2]. Ali Shams, Josef Hegger, Michael Horstmann (2014), An analytical model for sandwich panels made of textile-reinforced concrete, Construction and Building Materials, Volume 64, 14 August 2014, Pages 451-459, ISSN 0950-0618.

[3]. Ali Shams, Michael Horstmann, Josef Hegger (2014), Experimental investigations on Textile-Reinforced Concrete (TRC) sandwich sections, Composite Structures, Volume 118, December 2014, Pages 643-653, ISSN 0263-8223.

[4]. Brameshuber W., Brockmann T., Curbach M., Meyer C., Vilkner G., Mobasher B., Peled A., Reinhardt H.W., Wastiels J. (2006), Textile Reinforced Concrete, State-of-the Art Report of RILEM Technical Comittee 201-TRC, 1st ed. Bagneux, vol. 36: RILEM Publications S.A.R.L., 2006, ISBN 2-912143-99-3, p. 29-56.

[5]. Hegger, J., N. Will (2007), Textile Reinforced Concrete - A new Composite Material, Advances in Construction Materials, Springer Berlin Heidelberg: 147-156.

[6]. Xu, S.and H.Li (2007), Bond properties and experimental methods of textile reinforced concrete, Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 22(3): 529-532.

[7]. Vu Van Hiep, Nguyen Huy Cuong (2015), Experimental investigation of interfacial bonding behavior between TRC and concrete, Proceedings of the International Conference on Management and Engineering for Sustainable Development of Infrastructure Projects.