Sử dụng xi măng nano kết hợp với cốt sợi phân tán để nâng cao tính dẻo trong sửa chữa khe co giãn cầu có xe tải lớn

ThS. Vũ Bá Thành TS. Bùi Tiến Thành ThS. Nguyễn Xuân Lam PGS. TS. Nguyễn Ngọc Long TS. Lê Bá Anh Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Ngô Văn Minh TS. Hoàng Việt Hải

TÓM TẮT: Khi khe co giãn trên cầu bị xe tải nặng chạy qua nhiều lần, tại vị trí đó sẽ xuất hiện lực trùng phục, đồng thời do thay đổi độ cứng mặt xe chạy từ đường vào cầu nên lực xung kích ở vị trí này rất lớn sẽ phát sinh ra hiện tượng nứt vỡ các khối bê tông không co ngót của khe co giãn. Các vết nứt này ngày càng mở rộng và là nơi để các vết nứt nhỏ dạng xương cá hình thành, lâu ngày sẽ làm hư hỏng hoàn toàn khối bê tông không co ngót đó. Để hạn chế hiện tượng nứt do các hiện tượng trên (tăng tính dẻo trong vữa xi măng nano [1]), bài báo sẽ đưa ra các mẫu xi măng nano có bổ sung cốt sợi phân tán, thí nghiệm và phân tích đặc tính của chúng, lựa chọn ra hàm lượng cốt sợi phân tán hợp lý.

TỪ KHÓA: Xi măng nano, cốt sợi, tính dẻo, khe co giãn.

Abstract: When heavy trucks are run through the expansion joints on the bridge multiple times, the repeated force will appear in that. At the same time, due to changes in surface hardness from the road to the bridge so the shock force in this location is huge and will generate breakage of concrete blocks no shrinkage of expansion joints. These cracks will be expanding and the small herringbone-shaped crack will forme here. In the long term, these cracks will damage the concrete blocks without shrinkage. To limit the cracking phenomena (increase the viscosity in cement nano [1]), this article will present the cement nano samples reinforced with fiber, experiments and analysis their properties. In the end, we will propose the resonalbe amount of fibre in cement.    

KEYWORDS: Nano cement, fiber reinforced, ductility, expansion joints.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc ứng dụng những vật liệu mới vào công tác sửa chữa, tăng cường cầu đã và đang là một vấn đề thời sự, được Việt Nam và thế giới rất quan tâm trong những năm gần đây. Trong đó, khe co giãn là một hạng mục thường xuyên phải thay thế, sửa chữa do phần bê tông liên kết khe co giãn với bản mặt cầu thường xuyên bị nứt vỡ. Trong những năm gần đây, xi măng nano [1] là một vật liệu thể hiện rõ được những ưu điểm như sớm hình thành cường độ cao, không co ngót, chi phí hợp lý... Tuy nhiên, xi măng nano vẫn còn có một số nhược điểm như tính dẻo (cường độ chịu uốn) chưa cao, chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế trong sửa chữa khe co giãn của cầu, đặc biệt là cầu có nhiều xe tải nặng đi qua.

Vật liệu xi măng gốc nano có cường độ chịu nén khoảng 100Mpa [1] nên được coi là vật liệu giòn, rất dễ nứt (cường độ chịu kéo khoảng 1/10f’c). Vì vậy, bài báo đề cập đến việc thêm cốt sợi phân tán vào trong xi măng nano để tăng tính dẻo nhờ khả năng hút năng lượng của cốt sợi thép và giúp cho kết cấu bê tông có ứng xử tốt hơn với các vết nứt bằng cơ chế khâu các vết nứt và truyền ứng suất qua vết nứt, đồng thời bài báo sẽ tiến hành một số thí nghiệm với tỷ lệ cốt sợi khác nhau để kiểm tra đặc tính cơ lý trong từng trường hợp để tìm được hàm lượng cốt sợi hợp lý khi thêm vào xi măng nano.

2. CÁCH TẠO VỮA GỐC XI MĂNG NANO CỐT SỢI PHÂN TÁN

Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: Phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử [1].

Hình 2.1: Vật liệu xi măng nano cốt sợi phân tán

Cốt sợi phân tán có thể sử dụng sợi thép (Dramix), sợi thủy tinh, sợi polymer, sợi amiăng hoặc sợi carbon được bán khá phổ biến trên thị trường. Mỗi loại cốt sợi có tính chất cơ lý khác nhau. Trong phạm vi bài báo sử dụng loại cốt sợi thép Dramix. Đây là loại sợi thép không gỉ, có chỉ tiêu cơ lý tốt, dính bám tốt với vữa xi măng và không làm giảm các đặc tính chịu nén của vữa xi măng nano [1].

3. THÍ NGHIỆM MẪU VỮA XI MĂNG NANO KẾT HỢP CỐT SỢI PHÂN TÁN

3.1. Chuẩn bị mẫu thử và thực hiện thí nghiệm

Các thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Khoa học Công nghệ GTVT, Trường Đại học GTVT Hà Nội. Trình tự thí nghiệm, cách bảo dưỡng và xử lý kết quả xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn mẫu vữa xi măng nano cốt sợi phân tán dùng theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6016:2011, ISO 679:2009 - Xi măng - phương pháp thử - xác định cường độ, tương đương tiêu chuẩn BS EN 196- 1:2005 của Vương quốc Anh.

Mẫu vữa xi măng nano cốt sợi phân tán là hình lăng trụ có kích thước 40x40x160mm được chế tạo theo hướng dẫn của Tiêu chuẩn TCVN 6016:2011 [1].

Hình 3.1: Thí nghiệm xác định cường độ: Chịu uốn (a), chịu nén (b), vữa bị phá hủy (c)

 

3.2. Kết quả thí nghiệm

 

 

 

 

Bảng 3.1. Cường độ chịu uốn của bê tông tại các thời điểm khác nhau (MPa)

Tuổi mẫu	2 giờ	4 giờ	24 giờ	7 ngày	28 ngày
XM nano	7,97	10,78	13,68	16,21	20,1
XM nano cốt sợi (15kg/m3)	9,21	12,46	15,72	18,74	22,1
XM nano cốt sợi (25kg/m3)	13,13	16,72	19,38	23,74	27,73
XM nano cốt sợi (35kg/m3)	11,2	13,86	17,25	19,18	24,51

Hình 3.2: Mối liên hệ giữa cường độ chịu kéo của xi măng và các tỉ lệ cốt sợi tại các thời điểm khác nhau

 

 

 

Trong đó: F_c - Tải trọng tối đa lúc mẫu bị phá hủy (N);

1600 - Diện tích tấm ép hoặc má ép phụ (40x40mm).

Bảng 3.2. Cường độ chịu nén của bê tông tại các thời điểm khác nhau (Mpa)

Tuổi mẫu	2 giờ	4 giờ	24 giờ	7 ngày	28 ngày
XM nano	44,28	64,08	66,43	88,62	99,9
XM nano cốt sợi (15kg/m3)	45,32	61,35	60,67	82,13	95,61
XM nano cốt sợi (25kg/m3)	46,28	60,44	63,72	84,36	97,29
XM nano cốt sợi (35kg/m3)	44,21	59,24	61,21	80,22	93,3

Hình 3.3: Mối liên hệ giữa cường độ chịu nén của xi măng và các tỉ lệ cốt sợi tại các thời điểm khác nhau

Từ kết quả xác định cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của mẫu vữa xi măng nano cốt sợi phân tán, ta nhận thấy mẫu có tỷ lệ cốt sợi 25kg/m³ là hợp lý nhất, vì thế tiếp tục thí nghiệm cường độ ép chẻ và tính mô-đun đàn hồi thực đo theo mẫu này.

Mẫu vữa xi măng hình trụ kích thước 300x150mm ở tuổi 28 ngày, thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ theo Tiêu chuẩn ASTM C496 (Hình 3.4a) và mô-đun đàn hồi của mẫu theo Tiêu chuẩn ASTM C469 (Hình 3.4b).

Hình 3.4: Bố trí tải trọng để thử cường độ ép chẻ và xác định mô-đun đàn hồi

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Từ công thức xác định mô-đun đàn hồi như sau:

 

 

Sau khi bổ sung cốt sợi phân tán vào xi măng nano với tỷ lệ 25kg/m³ thì cường độ ép chẻ và mô-đun đàn hồi thực đo tăng tương ứng 7,8% và 12,8% so với mẫu xi măng nano không có cốt sợi.

4. ỨNG XỬ CỦA VỮA XI MĂNG NANO DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE TẢI

Trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm ANSYS R14.5 để mô phỏng khe co giãn dưới tác dụng của tải trọng bánh xe. Phương pháp phần tử hữu hạn đã được sử dụng để xây dựng mô hình tính toán 2D. Một khe co giãn với kích thước 400x600x100mm. Tải trọng bánh xe được mô phỏng thành lực phân bố thẳng đứng rải đều (p) qui đổi từ lực tập trung bánh xe P = 70KN trên diện tích tiếp xúc bánh xe 200x510mm và lực trượt (q) quy đổi từ Q = 7KN trên mặt trượt 600mm  Điều kiện biên với hai mặt bên liên kết trượt (do bê tông bản mặt cầu và vữa xi măng đổ khác thời điểm), mặt đáy liên kết tuyệt đối cứng. Vật liệu sử dụng để chế tạo mẫu được làm từ vữa xi măng nano kết hợp cốt sợi phân tán với tỷ lệ 25kg/m³ vữa với mô-đun đàn hồi E = 67265,4Mpa, các đặc trưng (như Bảng 3.1 và Bảng 3.2), hệ số poát-xông 0,2. Mô hình hóa trong phần mềm ANSYS R14.5 sử dụng dạng vật liệu viscoelastic.

Hình 4.1 dưới đây thể hiện trường biến dạng và ứng suất của khe co giãn dưới tác dụng của tải trọng bánh xe. Tùy theo vị trí của bánh xe mà trường biến dạng và ứng suất của khe co giãn sẽ thay đổi.

Hình 4.1: Sơ đồ tính (hình a) và chia lưới phần tử (hình b)

Hình 4.2: Biểu đồ ứng suất - biến dạng tại vị trí bánh xe tải phân bố

Với mô hình này, ta nhận thấy biểu đồ ứng suất - biến dạng lớn nhất khi bánh xe đặt ở giữa khe hở của khe co giãn, nhưng ứng suất - biến dạng là rất nhỏ so với đặc tính của vật liệu này.

5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết quả thí nghiệm được thực hiện với vật liệu xi măng nano [1] kết hợp với các tỷ lệ cốt sợi khác nhau trên khối lượng của mẫu vữa, chúng ta có thể thấy rằng cốt sợi phân tán tuy có làm giảm khả năng chịu nén của mẫu nhưng không đáng kể, trong khi đó tính dẻo (cường độ chịu uốn) của xi măng tăng lên một cách rõ rệt.

Kết quả thí nghiệm cho chúng ta thấy rằng với hàm lượng cốt sợi là 25kg/m³, các đặc tính của mẫu vữa được phát huy cao hơn hẳn so với các mẫu khác (tương ứng là 0, 15, 30kg/m³).

Kết quả tính toán trong mô hình đã sử dụng một số kết quả thí nghiệm đầu vào của mẫu, thấy rằng ứng suất - biến dạng là rất nhỏ so với khả năng làm việc của vật liệu.

Tuy nhiên, đề tài cần tiếp tục nghiên cứu thêm để hoàn thiện mô hình tính như: Nghiên cứu thêm các tỷ lệ cốt sợi khác so với khối lượng vữa, các loại cốt sợi khác cho vào mẫu vữa để có tính dẻo tối ưu; mô hình điều kiện biên, tải trọng… phù hợp hơn với kết cầu thực tế.

Kiến nghị tiếp tục phát triển thêm để áp dụng vật liệu này vào thực tế cho việc sửa chữa khe co giãn cầu, nhất là cầu có tải trọng xe lớn.

Tài liệu tham khảo

[1]. Vũ Bá Thành, Bùi Tiến Thành, Nguyễn Ngọc Long (02/2016), Hiệu quả của vữa xi măng nano không co ngót sớm hình thành cường độ cao trong sửa chữa cầu, Tạp chí khoa học GTVT, số 50, trang 53-58.

[2]. Nguyễn Ngọc Long (2005), Nghiên cứu lựa chọn và thiết kế thành phần vật liệu bê tông cốt sợi phù hợp cho việc sử dụng các công trình cầu ở Việt Nam, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ.

[3]. K. Sobolev, I. Flores, L. M. Torres-Martinez, P. L. Valdez, E. Zarazua, E. L (2009), Cuellar, Engineering of SiO2 Nanoparticles for Optimal Performance in Nano Cement-Based Materials, Nanotechnology in Construction 3, pp 139-148.

[4].  TCVN 6016:2011, Xi măng: Phương pháp thử và xác định cường độ.

[5]. BS EN 196-1:2005, Methods of testing cement, Detemination of strength.

[6]. TCVN 5906:2007, Đặc tính hình học của sản phẩm, dung sai hình học, dung sai hình dạng, hướng, vị trí và độ đảo.

[7]. ASTM C496, Test for splitting tensile strength of concrete.

[8]. ASTM C496, Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson’s Ratio of Concrete in Compression.