Xem mẫu
- CHƯƠNG 2
TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU
2.1 BÊ TÔNG.
2.1.1 Thành phần, cấu trúc và các loại BT
2.1.1.1 Vật liệu, thành phần của BT
Bê tông là vật liệu đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời và chất kết dính.
Vật liệu rời được gọi là cốt liệu có nhiều cỡ hạt khác nhau. Loại có kích thước lớn
thường dùng là sỏi, đá dăm có kích thước 5÷40 mm, thậm chí có thể lớn hơn. Loại có
kích thước bé là cát có kích thước 1÷5 mm. Chất kết dính thông thường là xi măng
trộn với nước. Khi trộn các vật liệu trên ta được hỗn hợp vữa bê tông, hỗn hợp này
không có khả năng chịu tải. Sau đó hỗn hợp này đông kết lại trở thành một thể đặc
chắc, khả năng chịu tải của bê tông tăng dần lên.
Ngoài ra, người ta còn trộn vào hỗn hợp vữa bê tông các loại chất phụ gia tùy
thuộc yêu cầu sử dụng. Một số phụ gia thường dùng là phụ gia đông cứng nhanh, đông
cứng chậm, hóa dẻo, chống thấm…
Nước chế tạo bê tông gồm hai phần, một phần để phản ứng với xi măng, phần
còn lại để tăng tính dẻo cho bê tông để dễ trộn, đổ khuôn và đầm chắc. Nước để phản
ứng chiếm một phần rất nhỏ, phần nước thừa còn lại sẽ bay hơi khi bê tông đông cứng
để lại các lỗ rỗng làm giảm cường độ của bê tông.
Các cốt liệu lớn của bê tông tạo thành khung xương chịu lực chính, cốt liệu nhỏ
lấp đầy các khoảng trống của khung xương này và chất kết dính liên kết chúng lại tạo
thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng.
2.1.1.2 Cấu trúc của BT
Bê tông có cấu trúc không đồng nhất là do:
- Hình dáng, kích thước, thành phần các hạt cốt liệu không giống nhau.
- Sự phân bố của cốt liệu, chất kết dính không đồng đều.
- Lượng nước thừa khi thoát ra trong quá trình đông kết để lại các lỗ rỗng nhỏ.
Quá trình đông kết xảy ra lâu dài, đó là quá trình thủy hóa xi măng, thay đổi sự
cân bằng nước, giảm chất keo nhớt…
2.1.1.3 Các loại BT
* Phân loại theo cấu trúc:
- Bê tông đặc chắc.
- Bê tông có lỗ rỗng (ít cát).
- Bê tông tổ ong.
* Phân loại theo khối lượng riêng:
- - Bê tông đặc biệt nặng γ > 2500 kG/m 3 .
- Bê tông nặng thông thường γ = 2200 ÷ 2500 kG/m 3 .
- Bê tông nặng cốt liệu bé γ = 1800 ÷ 2200 kG/m 3
- Bê tông nhẹ γ < 1800 kG/m 3
* Phân loại theo thành phần bê tông:
- Bê tông thường.
- Bê tông cốt liệu bé.
- Bê tông chèn đá hộc
* Phân loại theo phạm vi sử dụng:
- Bê tông làm kết cấu chịu lực.
- Bê tông chịu nóng.
- Bê tông cách nhiệt
- Bê tông chống xâm thực.
Trong tài liệu này chủ yếu trình bày về bê tông nặng thông thường, loại đặc
chắc sử dụng chất kết dính xi măng và dùng để làm kết cấu chịu lực. Các loại bê tông
khác có thể tìm hiểu trong các tài liệu chuyên ngành.
2.1.2 Cường độ của bêtông
Cường độ của bê tông là chỉ tiêu rất quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của
nó. Thông thường có hai loại cường độ là cường độ chịu kéo và cường độ chịu nén.
Cường độ phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc của bê tông. Để xác định cường độ
người ta cần làm thí nghiệm để xác định.
Thông thường có hai cách để xác định cường độ là thí nghiệm phá hủy và thí
nghiệm không phá hủy.
- Thí nghiệm phá hủy: người ta chế tạo các mẫu theo tiêu chuẩn, sau đó đem đi
tác dụng lực (kéo, nén) cho đến khi mẫu bị phá hủy và xác định cường độ của mẫu tại
thời điểm bắt đầu bị phá hủy. Thông thường khi đổ bê tông kết cấu người ta tiến hành
đúc mẫu thí nghiệm, sau đó đem đi thí nghiệm phá hủy để xác định cường độ của mẫu
từ đó xác định cường độ bê tông.
- Thí nghiệm không phá hủy: trong trường hợp cần xác định cường độ của một
kết cấu bê tông có sẵn người ta sử dụng phương pháp này. Các phương pháp thường
dùng là siêu âm, súng bật nẩy, ép lõm viên bi lên bề mặt bê tông…Nhìn chung các
phương pháp này đều đo gián tiếp cường độ của bê tông và có độ chính xác không cao
bằng phương pháp phá hủy. Trong tài liệu này chỉ đề cập đến thí nghiệm phá hủy, thí
nghiệm không phá hủy được trình bày trong các tài liệu khác.
2.1.2.1 Thí nghiệm mẫu xác định cường độ chịu nén.
* Chuẩn bị mẫu thử.
- Mẫu có thể chế tạo bằng cách đúc từ hỗn hợp bê tông đã nhào trộn hay khoan
lấy mẫu từ kết cấu có sẵn.
- Mẫu đúc có quy cách
như hình 2.1. Mẫu lập phương
có (hình 2.1 a), mẫu lăng trụ
đáy vuông (hình 2.1 b) có các
cạnh a = 100;150;200 mm. Mẫu
trụ tròn có D=160 mm.
- Mẫu khoan từ kết cấu
có sẵn có dạng trụ tròn với
đường kính D=50÷100 mm,
chiều cao h=(1÷1,5)D.
* Thí nghiệm mẫu.
Mẫu được thí nghiệm nén bằng máy nén, lực nén được tăng từ từ cho đến khi
mẫu bị phá hoại. Cường độ chịu nén của mẫu được xác định theo công thức:
P
R= (2.1)
A
Trong công thức 2.1, P là lực tại thời điểm mẫu bắt đầu bị phá hủy (nứt), A là
diện tích tiết diện ngang của mẫu còn R là cường độ chịu nén của mẫu thử.
Đơn vị của R theo TCVN 5574:1991 là kG/cm2, hiện nay sử dụng TCXDVN
356:2005 nên đơn vị của R là Mpa. Để thuận tiên ta sử dụng công thức quy đổi sau:
N
1MPa = 10 6 Pa = 10 6 = 9,81 kG/cm 2 (2.2)
2
m
Bê tông thông thường có R=5 ÷30 MPa, bê tông cường độ cao có R>40 MPa.
Hiện nay đã chế tạo được bê tông có R≥80 MPa.
* Sự phá hoại của mẫu thử.
Khi bị nén bê tông
sẽ co ngắn lại theo phương
nén nhưng đồng thời cũng
bị nở theo phương vuông
góc với phương nén, gọi là
hiện tượng nở ngang. Sự
nở ngang quá mức gây ra
sự nứt và phá vỡ bê tông.
Do đó khi nén mẫu, nếu
không bôi trơn mặt tiếp xúc
giữa bàn máy nén và mẫu
thì sẽ hạn chế sự nở ngang
- này, dẫn đến R thu được trong thí nghiệm cao hơn thực tế. Trong trường hợp này mẫu
bị nứt theo các vết như hình 2.2 a. Nếu trước khi nén có bôi trơn mặt tiếp xúc này thì R
thu được gần với thực tế hơn và mẫu bị phá hoại theo các vết nứt dọc như hình 2.2 b.
Cũng vì ma sát ảnh hưởng đến biến dạng ngang nên khi mẫu lập phương có
cạnh a càng lớn thì R thu được càng bé, mẫu trụ có R thấp hơn mẫu lập phương nếu
cùng diện tích mặt cắt ngang A. Do vậy khi thí nghiệm các mẫu thử có kích thước
khác với mẫu thử tiêu chuẩn (150*150*150) thì phải qui về cường độ mẫu thử tiêu
chuẩn bằng cách nhân thêm với hệ số qui đổi.
2.1.2.2 Thí nghiệm mẫu xác định cường độ chịu kéo.
Cường độ chịu kéo được ký hiệu là R(t). Hiện nay có ba phương pháp thí
nghiệm cường độ chịu kéo đó là:
* Kéo mẫu:
Mẫu kéo có quy cách như hình 2.3 a. Cường độ chịu kéo xác định theo công
thức:
P
R (t ) = (2.3)
A
Trong công thức 2.3, P là lực tại thời điểm mẫu bắt đầu bị phá hủy (đứt), A là
diện tích tiết diện ngang của mẫu thử.
* Uốn mẫu:
Mẫu uốn có quy cách như hình 2.3 b. Cường độ chịu kéo xác định theo công
thức:
- 3,5 * M
R (t ) = (2.4)
b.h 2
Trong công thức 2.4, M là mô men uốn tại thời điểm mẫu bắt đầu bị phá hủy (gãy).
* Nén chẻ mẫu:
Mẫu nén chẻ có quy cách như hình 2.3 c. Cường độ chịu kéo xác định theo
công thức:
2P
R (t ) = (2.5)
π.l.D
Trong công thức 2.5, P là lực tại thời điểm mẫu bắt đầu bị phá hủy (chẻ làm đôi).
2.1.2.3 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo.
Cường độ chịu kéo và chịu nén đều phụ thuộc vào thành phần bê tông nhưng ở
mức độ khác nhau. Có thể tổ chức cả hai thí nghiệm để xác định các thông số này, tuy
vậy để tránh tốn kém người ta đi tìm mối quan hệ giữa chúng. Mối quan hệ này là mối
quan hệ đồng biến. Có hai cách để biểu diễn mối quan hệ này là
* Biểu diễn bằng các công thức thực nghiệm.
Một số công thức như sau:
R (t ) = θ t . R (2.6 a)
Trong đó θ t lấy phụ thuộc vào loại bê tông, với bê tông nặng thông thường,
R ( t ) và R đo bằng MPa thì θ t = 0,28 ÷ 0,3 .
R ( t ) = 0,6 + 0,06 * R (2.6 b)
R + 150
R (t ) = R (2.6 b)
60 R + 1300
Trong các công thức 2.6 a và 2.6 b giá trị R ( t ) và R tính bằng MPa.
* Biểu diễn bằng các bảng tra. (xem bảng phụ lục 2)
2.1.2.4 Nhân tố quyết định cường độ bê tông.
Khi thiết kế, người thiết kế dự kiến cường độ của bê tông, và tính toán theo sự
dự kiến đó. Khi thi công, người thi công phải chế tạo cường độ đạt cường độ người
thiết kế yêu cầu. Để xác định cường độ thì phải thí nghiệm theo các phương pháp đã
đề cập ở trên. Phương pháp chế tạo bê tông được trình bày trong giáo trình Vật liệu
xây dựng, ở đây chỉ tóm tắt một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cường độ bê tông.
* Chất lượng và số lượng xi măng. Thông thường 1m3 bê tông cần khoảng
250÷500 kg xi măng. Khi dùng xi măng có chất lượng cao hơn sẽ cho bê tông có
cường độ cao hơn. Khi tăng số lượng xi măng thì cường độ cũng cao hơn nhưng hiệu
quả không cao mà ngược lại nó còn tăng co ngót gây hiệu quả xấu. Do vậy cần lựa
chọn hợp lý lượng xi măng.
- * Độ cứng, độ sạch và tỉ lệ thành phần cốt liệu (cấp phối). Các yếu tố này đóng
vai trò quan trọng. Khi lựa chọn cấp phối hợp lí không những làm tăng cường độ bê
tông mà còn tiết kiệm được xi măng.
* Tỉ lệ nước/xi măng. Tỉ lệ này ảnh hưởng đến cường độ và biến dạng của bê
tông. Tăng tỉ lệ này bê tông sẽ dẻo, nhão nên dễ đầm, dễ đổ khuôn, dễ san…nhưng khi
khô cứng nó làm giảm sự đặc chắc của bê tông, tạo các lỗ rỗng, tăng biến dạng và
giảm cường độ.
* Chất lượng của việc nhào trộn, đầm bê tông. Bê tông được nhào trộn kĩ, đầm
chặt sẽ có chất lượng cao hơn.
* Bảo dưỡng bê tông. Sau khi chế tạo một thời gian (đủ để bê tông se mặt) thì
phải bảo dưỡng bê tông. Bê tông được bảo dưỡng hợp lí có cường độ cao hơn.
2.1.2.5 Sự tăng cường độ theo thời gian.
Cường độ bê tông khi mới đổ khuôn là R=0, theo thời gian, bê tông đặc chắc
dần và cường độ của nó cũng tăng dần lên. Quá trình phát triển cường độ theo thời
gian được minh họa trên hình 2.4.
Cường độ bê tông thông thường tăng nhanh trong 28 ngày đầu, sau đó sự phát
triển cường độ tăng rất chậm. Người ta thường coi cường độ tại 28 ngày tuổi là cường
độ cuối cùng của nó. Thông thường khi thi công người ta thí nghiệm bê tông ở tuổi 7
ngày hoặc 14 ngày để đảm bảo tiến độ. Sau đó dùng các công thức thực nghiệm để xác
định cường độ của nó ở tuổi 28 ngày.
Một số công thức thực nghiệm xác định cường độ bê tông theo tuổi như sau:
- Công thức của B.G Xkramtaep (áp dụng cho bê tông có t=7÷300 ngày)
Rt
R t = 0,7 * R 28 lg(t ) ⇔ R 28 = (2.7)
0,7. lg(t )
- Công thức của ACI (American Concrete Institute -www.concrete.org)
R (a + bt )
t
R t = R 28 ⇔ R 28 = t (2.8)
a + bt t
- Trong đó a, b phụ thuộc vào loại xi măng, với xi măng thường a=4; b=0,85, với
xi măng đông cứng nhanh a=2,3; b=0,92.
Vấn đề bảo dưỡng bê tông rất quan trọng, nếu bảo dưỡng không đúng cách có
thể làm giảm đi cường độ cuối cùng của bê tông.
2.1.2.6 Ảnh hưởng của tốc độ gia tải và thời gian tác dụng lực.
Tốc độ gia tải ảnh hưởng đến giá trị cường độ thu được. Tốc độ gia tải càng lớn
(ép càng nhanh) thì cường độ thu được càng lớn và ngược lại. Tốc độ gia tải quy định
là 0,2 MPa/s.
Giả sử ép mẫu đến giá trị (90÷95)% cường độ của nó và giữ nguyên lực ép. Sau
một thời gian mẫu bị phá hoại. Đó là hiện tượng bê tông bị giảm cường độ dưới tác
dụng lâu dài của tải trọng.
2.1.3 Giá trị trung bình và giá trị tiêu chuẩn của cường độ
Thí nghiệm n mẫu thử, mẫu thử thứ i có cường độ là R i .
- Cường độ trung bình:
n
∑R i
Rm = i =1
(2.9)
n
- Độ lệch quân phương
∑ (R − Rm )
n
2
i
σ= i =1
; Với n≥15 (2.10)
n −1
∑ (R − Rm )
n
2
i
σ= i =1
; Với n
- R bn = γ KC .R ch (2.14)
Các giá trị R bn và R btn có thể tra trong phụ lục 2.
2.1.4 Cấp độ bền và mác bêtông
- TCVN 5574-1991: Sử dụng khái niệm mác để đánh giá bê tông.
- TCXDVN 356-2005: Sử dụng khái niệm cấp độ bền để đánh giá bê tông.
2.1.4.1 Theo TCVN 5574-1991 .
* Mác theo cường độ chịu nén.
Ký hiệu là chữ M, là con số lấy bằng cường độ trung bình theo đơn vị kG/cm2
của mẫu thử chuẩn. Mẫu thử chuẩn là mẫu lập phương có cạnh a=15 cm được dưỡng
hộ và thí nghiệm theo điều kiện tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày. TCVN 5574-1991 quy định
có các mác sau: M50, M75, M100, M150, M200, M250, M300,M350, M400, M450,
M500, M600.
Ví dụ bê tông đạt mác 200 (M200) là bê tông có R m ≥ 200 kG/cm2 với các
điều kiện như trên.
* Mác theo cường độ chịu kéo.
Ký hiệu là chữ K, là cường độ chịu kéo trung bình của mẫu thử chuẩn tính bằng
đơn bị kG/cm2. TCVN 5574-1991 quy định có các mác sau: K10, K15, K20, K25,
K30, K40.
* Mác theo khả năng chống thấm.
Ký hiệu là chữ T, lấy bằng áp suất lớn nhất (atm) mà mẫu chịu được không để
nước thấm qua. TCVN 5574-1991 quy định có các mác sau: T2, T4, T6, T8, T10, T12
2.1.4.2 Theo TCXDVN 356-2005.
* Cấp độ độ bền chịu nén.
Ký hiệu là chữ B, là con số lấy bằng cường độ đặc trưng theo đơn vị MPa của
mẫu thử chuẩn. TCXDVN 356-2005 quy định các cấp độ bền sau: B3,5; B5; B7,5;
B10; B12,5; B15; B20; B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; B60.
Mối quan hệ giữa cấp độ bền và mác được biểu thị bằng công thức:
B = α.β.M (2.15)
Trong đó:
- α là hệ số chuyển từ đơn vị kG/cm2 sang Mpa, có thể lấy α = 0,1 .
- β là hệ số chuyển từ cường độ trung bình sang cường độ đặc trưng,
β = (1 − S.υ ) , có thể lấy β = 0,778 .
Ví dụ bê tông có M200 sẽ có: B=0,1*0,778*200=15,56. Hay là bê tông có
M200 tương đương với bê tông có cấp độ bền B15.
* Cấp độ độ bền chịu kéo.
- Ký hiệu là chữ Bt , là con số lấy bằng cường độ đặc trưng về kéo theo đơn vị
MPa của mẫu thử chuẩn. TCXDVN 356-2005 quy định các cấp độ bền chịu kéo sau:
Bt0,5; Bt0,8; Bt1,2; Bt1,6; Bt2,0; Bt2,4; Bt2,8; Bt3,2; Bt3,6; Bt4,0
2.1.5 Biến dạng của bêtông
Biến dạng của bê tông khá phức tạp, bao gồm biến dạng ban đầu do co ngót,
biến dạng do tải trọng (đàn hồi và dẻo) và biến dạng theo thời gian (từ biến).
2.1.5.1 Biến dạng do co ngót.
Co ngót là hiện tượng bê tông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí (Nếu
ninh kết trong nước BT có thể nở ra chút ít). Hiện tượng co ngót xảy ra liên quan đến
sự biến đổi lý hóa của xi măng, chất keo sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng có
thể tích nhỏ hơn thể tích chất sinh ra nó, do nước bay hơi v.v..
Co ngót chủ yếu xảy ra trong giai đoạn đông cứng đầu tiên, sau chậm dần. Co
ngót phân bố trên bề mặt lẫn chiều sâu, sự co ngót ở bề mặt nhiều hơn bên trong. Bình
thường sau vài năm bê tông hết co ngót và biến dạng tỷ đối đạt tới (3 ÷ 5)10 −4 .
Khi bê tông khô cứng trong nước thể tích của nó tăng lên, biến dạng tỷ đối tối
đa là (6 ÷ 15)10 −5
Các nhân tố ảnh hưởng đến biến dạng co ngót:
- Số lượng và loại XM: lượng XM ↑ → co ngót ↑, XM có hoạt tính cao → co
ngót ↑.
- Tỉ lệ N/X tăng → co ngót tăng.
- Cát nhỏ hạt, cốt liệu rỗng → co ngót tăng.
- Chất phụ gia làm bê tông đông kết nhanh → co ngót tăng.
- BT chưng hấp ở nhiệt độ cao thì co ngót ít hơn.
Co ngót là một hiện tượng có hại:
- Làm thay đổi hình dạng và kích thước cấu kiện.
- Gây ra khe nứt trên bề mặt BT (vì co ngót không đều ở trên bề mặt và chiều
sâu bên trong, co ngót bên trong ít hơn nên cản trở biến dạng co ngót bên ngoài làm
cho lớp bê tông bên ngoài chịu kéo → gây nứt), làm thay đổi cấu trúc của BT, giảm
khả năng chịu lực và tuổi thọ của công trình.
Các biện pháp khắc phục:
- Chọn thành phần cốt liệu hợp lý, hạn chế lượng nước trộn, tỉ lệ N/X hợp lý.
- Đầm chắc BT, bảo dưỡng BT thường xuyên ẩm trong giai đoạn đầu.
- Các biện pháp cấu tạo như bố trí khe co dãn, tạo mạch ngừng khi thi công, đặt
cốt thép cấu tạo ở những nơi cần thiết để chịu ứng suất do co ngót gây ra, v.v..
- 2.1.5.2 Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn.
Xét mẫu lăng trụ có chiều dài l, diện tích tiết diện A chịu nén bởi lực P. Theo
phương tác dụng lực, mẫu bị biến dạng (co ngắn) đi một đoạn ∆. Biến dạng tỷ đối
∆ P
được tính theo công thức ε b = và ứng suất tương ứng là σb = (hình 2.5). Với mỗi
l A
giá trị của P ta có một cặp ε b , σb và tương ứng một điểm B trên đồ thị. Khi P tăng dần,
điểm B chuyển từ O sang vị trí C (ứng với vị trí mẫu bị phá hoại). Tại đó ứng suất đạt
cường độ của mẫu lăng trụ (σ b = R lt ) và biến dạng đạt đến biến dạng cực hạn của bê
tông (ε b = ε * ). Với mẫu lăng trụ chịu nén đúng tâm ε b = 2.10 −3 , với cấu kiện bê tông
*
b
cốt thép chịu uốn, tại vị trí mép thớ nén ε * ≥ 3,5.10 −3
b
Khi tác dụng lực P tăng dần (hình 2.6), đồ thị quan hệ ứng suất biến dạng phát
triển theo hướng từ O đến B, mẫu bị biến dạng một đoạn ∆ tương ứng biến dạng tỷ đối
là ε. Tiến hành dỡ bỏ tải trọng, đồ thị đi theo nhánh từ B đến D, mẫu hồi phục biến
dạng một đoạn là ∆1
- ε el
Đặt hệ số ν = là hệ số đàn hồi. Khi ứng suất còn bé, biến dạng chủ yếu là
εb
đàn hồi, quan hệ σ − ε là quan hệ đường thẳng, ν ≈ 1 . Khi ứng suất tăng lên, biến dạng
biến dạng dẻo tăng dần và ν giảm dần. Ở điểm phá hoại C, biến dạng chủ yếu là biến
dạng dẻo.
2.1.5.3 Biến dạng do tải
trọng tác dụng dài hạn (từ biến).
Thí nghiệm nén mẫu với
lực P trong khoảng (85÷100)%
cường độ của mẫu, lúc này mẫu
vẫn chưa bị phá hủy và có biến
dạng là ∆. Giữ nguyên lực tác
dụng lên mẫu, trong một thời gian
dài mẫu vẫn tiếp lục biến dạng
thêm một lượng ∆c và bị phá hủy.
Hiện tượng này gọi là hiện tượng
từ biến, tức là hiện tượng biến
dạng tăng theo thời gian mặc dù
tải trọng (hay ứng suất) không thay đổi.
∆
Biến dạng tỉ đối ε c = được gọi là biến dạng từ biến, được thể hiện bằng đoạn
l
BC trên hình 2.7.
Khi ứng suất bé (σb0,85.R, từ biến phát triển không ngừng
và mẫu bị phá hoại. Đó là sự giảm cường độ của bê tông khi tải trọng tác dụng lâu dài.
Một số yếu tố ảnh hưởng đến từ biến:
Các nghiên cứu về từ biến được trình bày trong các giáo trình riêng. Trong tài
liệu này chỉ khái quả một số vấn đề chính của từ biến.
σb
- Ứng suất tỷ đối r = tăng thì từ biến tăng.
R
- Tuổi của bê tông tại thời điểm chịu tải càng lớn (càng già) thì từ biến càng
giảm.
- Môi trường càng khô thì từ biến càng tăng.
- Tỉ lệ nước/xi măng càng lớn từ biến càng tăng.
- Độ cứng cốt liệu càng giảm thì từ biến càng tăng.
Để đánh giá từ biến sử dụng các chỉ tiêu sau:
- εc
- Đặc trưng từ biến: ϕ = (biến dạng do từ biến/ biến dạng đàn hồi).
ε el
εc
- Suất từ biến: C = (biến dạng do từ biến/ứng suất trong bê tông)
σb
2.1.5.4 Biến dạng nhiệt.
Khi nhiệt độ thay đổi thì thể tích của bê tông thay đổi, thông qua hệ số giãn nở
nhiệt αt. Hệ số này phụ thuộc loại xi măng, cốt liệu, độ ẩm…thông thường
α t = (0,7 ÷ 1,5) *10 −5 . Khi tính toán ở khoảng nhiệt độ 0÷1000C có thể lấy α t = 10 −5 .
2.1.6 Môđun đàn hồi.
* Mô đun đàn hồi
Trong giai đoạn đầu, khi tải trọng còn nhỏ, bê tông làm việc trong giới hạn đàn
hồi. Khi đó mô đun đàn hồi của bê tông khi chịu nén xác định theo công thức:
σb
Eb = = tgα 0 (xem hình 2.5) (2.16)
ε el
Giá trị của Eb được cho ở phụ lục 1.
* Mô đun đàn hồi-dẻo.
Trong giai đoạn tiếp theo, bê tông làm việc trong miền dẻo. Khi đó mô đun đàn
hồi – dẻo (còn được gọi là mô đun biến dạng) của bê tông khi chịu nén xác định theo
công thức:
σb
E ′b = = tgα (xem hình 2.6) (2.17)
εb
Trong công thức trên εb=εpl+εel (biến dạng toàn phần bằng tổng biến dạng dẻo
và biến dạng đàn hồi)
σb
′b
ε el ε b ε el
E
Từ hệ số đàn hồi ν = = = =ν
ta có thể suy ra:
E b σb
εb εb
ε el
Hay là: E ′b = ν * E b
* Hệ số nở ngang (poát xông): µb=0,2
* Mô đun chống cắt : Gb=0,4*Eb.
* Khi chịu kéo Ebt=νt.Eb, trong đó νt là hệ số đàn hồi khi kéo, giá trị trung bình
của νt=0,5.
- 2.2 CỐT THÉP .
2.2.1 Tổng quan về cốt thép.
Quặng sau khi khai thác (tại các mỏ) được luyện thành phôi thép (tại các lò
luyện thép). Dựa vào thành phần hóa học và phương pháp luyện mà định ra mác thép.
Trong kết cấu BTCT, loại thép thường được dùng là CT3 và CT5 là loại thép cacbon
thấp với hàm lượng cacbon là 3 và 5 phần nghìn. Tăng hàm lượng cacbon thì cường độ
của thép tăng nhưng thép trở nên giòn và khó hàn.
Phôi thép được cán ra thành các thanh (nhà máy cán thép), loại có d≤10 mm
được sản xuất thành cuộn (không quá 500 Kg), loại có d≥10 mm được sản xuất thành
từng thanh dài không quá 13 m, thường là 11,7 m (dễ chuyên chở).
Thép có d≤10 mm thường có bề mặt trơn, thép có d≥10 mm bề mặt có gờ như
hình 2.8.
Để làm cốt thép cũng có thể dùng các thanh thép hình L,V,U,I…được gọi là cốt
cứng. Cốt cứng được dùng khi cần chịu tải lớn hay cần chịu tải khi thi công.
2.2.2 Một số tính chất cơ học của cốt thép.
2.2.2.1 Quan hệ ứng suất - biến dạng.
Cơ tính của cốt thép phụ thuộc thành phần hóa học và công nghệ chế tạo nên
cốt thép. Để xác định cơ tính người ta thường làm thí nghiệm (kéo, nén, xoắn …) để
xác định cơ tính. Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa σ và ε thường được dùng để thể
hiện cơ tính của cốt thép. Cũng dựa vào biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng này
người ta phân ra thép dẻo và thép rắn.
* Thép dẻo:
- Thép dẻo có biểu đồ ứng suất – biến dạng như hình 2.9.a. Nó gồm một đoạn
thẳng OA ứng với giai đoạn làm việc đàn hồi (miền đàn hồi), trong giai đoạn này biến
dạng và ứng suất có quan hệ tuyến tính. Đoạn AB tương ứng giai đoạn cốt thép bị
chảy dẻo (thềm chảy), giai đoạn này biến dạng tăng nhưng ứng suất không tăng hoặc
tăng không đáng kể. Trong giai đoạn này ta xác định được σY là giới hạn chảy của cốt
thép. Đoạn cong BC tương ứng với gai đoạn củng cố của vật liệu sau khi bị chảy dẻo,
ứng suất và biến dạng tăng theo quan hệ phi tuyến cho đến khi thép bị kéo đứt (tại
điểm C). Tại thời điểm mẫu bị đứt ta xác định được σB là giới hạn bền và ε * là biến
s
dạng cực hạn của cốt thép.
Các loại thép cacbon và thép hợp kim thấp cán nóng thuộc loại thép dẻo. Chúng
có giới hạn chảy σY=200÷500 Mpa, biến dạng cực hạn ε * =0,15÷0,25 và có giới hạn
s
bền σB =(1,2÷1,4) σY.
* Thép rắn:
Thép rắn có biểu đồ ứng suất – biến dạng như hình 2.9.b. Nó gồm đoạn thẳng
OA và đoạn cong AC ứng với giai đoạn làm việc đàn hồi và giai đoạn chảy dẻo. Loại
thép này không có thềm chảy rõ ràng như thép dẻo nên việc xác định giới hạn chảy chỉ
mang tính quy ước. Tại thời điểm mẫu bị đứt (điểm C)ta xác định được σB là giới hạn
bền và ε * là biến dạng cực hạn của cốt thép.
s
Cốt thép qua gia công nguội và gia công nhiệt thuộc loại thép rắn. Giới hạn bền
của thép rắn vào khoảng σB=500÷2000 Mpa, biến dạng cực hạn ε * =0,05÷0,1.
s
2.2.2.2 Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo.
Khi kéo thép trong giới hạn đàn hồi, đồ thị ứng suất biến dạng phát triển từ O
tiến dần đến A (nhưng chưa tới điểm A) như trong hình 2.10.a, nếu giảm lực kéo thì
biến dạng khôi phục lại hoàn toàn, đồ thị đi ngược lại và trùng lên đường OA. Khi lực
tác dụng triệt tiêu thì biến dạng cũng triệt tiêu. Biến dạng trong giai đoạn này được gọi
là biến dạng đàn hồi và kí hiệu là εel.
- Nếu kéo thép tới điểm D vượt qua điểm A như hình 2.10.b thì khi giảm tải, biến
dạng không trở về theo đúng đường AO mà theo một đường mới DE song song với
đoạn OA. Khi lực triệt tiêu thì biến dạng không triệt tiêu mà còn dư ra một lượng εpl
gọi là biến dạng dẻo (biến dạng dư). Tiếp tục gia tải thì biến dạng lại phát triển theo
đường ED rồi theo đường cong DC.
2.2.2.3 Cường độ giới hạn chảy.
Với các thép có thềm chảy rõ ràng (thép dẻo) thì xác định σY từ đồ thị. Nếu
không có thềm chảy rõ ràng thì lấy σY là giá trị ứng suất tại thời điểm εpl=0,2%.
2.2.2.4 Sự cứng nguội.
Lấy cốt thép dẻo đem kéo nguội cho quá giới hạn chảy (tới điểm D) rồi giả m
lực, lúc này cốt thép đã có biến dạng dẻo. Tiếp tục kéo nguội, biến dạng theo đường
ED, kéo qua điểm D ta lại giảm tải. Ban đầu cốt thép có thềm chảy là AB, sau khi kéo
nguội lần 1 thềm chảy chỉ còn là đoạn DB, tiếp tục kéo nguội thềm chảy của thép giảm
dần cho tới khi mất hẳn. Lúc đó thép dẻo trở thành thép rắn, lúc đó cường độ được
nâng lên và biến dạng cực hạn giảm. Hiện tượng này gọi là hiện tượng cứng nguội.
2.2.2.5 Cường độ tiêu chuẩn.
Thí nghiệm kéo n mẫu cốt thép, mẫu thứ i có giới hạn chảy là σ iY .
n
∑σ i
Y
- Giới hạn chảy trung bình là: σ m = i =1
(2.18)
Y
n
- Độ lệch quân phương
∑ (σ − σm )
n
2
i
Y Y
σ= i =1
; Với n≥15 (2.19)
n −1
- ∑ (σ − σm )
n
2
i
Y Y
σ= i =1
; Với n
- 2.2.3 Phân nhóm cốt thép.
2.2.3.1 Theo TCVN 1651-1985.
Thép được phân thành bốn nhóm chính là CI, CII, CIII, CIV. Thép CI là thép
trò trơn (không gờ), sản xuất thành cuộn có d≤10 mm. Cốt thép CII có gờ xoắn vít 1
chiều (hình 2.8, hình trên). Cốt thép CIII, CIV có gờ xoắn vít 2 chiều (hình 2.8, hình
dưới), kiểu xương cá. Nhóm CI, CII là thép dễ hàn, CIII là thép khó hàn, CIV là thép
không hàn được bằng hàn hồ quang.
2.2.3.2 Theo TCVN 6258-1997.
Phân loại cốt thép thành các loại: RB300, RB400, RB500, RB400W, RB500W.
Con số ghi ở mỗi loại là giới hạn chảy trung bình tính theo đơn vị Mpa. Ba loại thép
RB300, RB400, RB500 là thép khó hàn, hai loại thép RB400W, RB500W là thép dễ
hàn.
2.2.3.3 Một số cách khác.
Theo tiêu chuẩn Nga:
- Thép cán nóng tròn, trơn, nhóm A-I.
- Thép cán nóng có gờ, nhóm A-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI.
- Cốt thép gia công nhiệt AT-IIIC, AT-IV, AT-V, AT-VI, AT-VII.
- Sợi kéo nguội loại thường BpI.
- Sợi kéo nguội cường độ cao: loại tròn trơn BII, loại có gờ BpII.
Cốt thép Trung Quốc chia thành các cấp I, II, III, IV và các loại sợi kéo nguội.
Cốt thép của Pháp ghi theo giới hạn chảy (Mpa): FeE230, FeE400, FeE500.
2.3 BÊ TÔNG CỐT THÉP
2.3.1 Lực dính giữa bê tông và cốt
thép.
Lực dính bám giữa bê tông và cốt thép
là yếu tố cơ bản để hai vật liệu này cùng làm
việc được với nhau, đảm bảo sự biến dạng và
sự truyền lực giữa hai loại vật liệu.
2.3.1.1 Thí nghiệm xác định lực dính.
Mẫu được chế tạo bằng cách đổ bê
tông ôm lấy đoạn cốt thép. Thí nghiệm bằng
cách kéo hoặc nén cho cốt thép tụt khỏi bê
tông (hình 2.11). Cường độ trung bình của
lực dính xác định theo công thức:
P
τ= (2.23)
πdl
- Trong đó:
- P là lực làm cho thép tụt khỏi bê tông.
- d, l là đường kính và chiều dài đoạn cốt thép chôn trong bê tông.
Nếu đoạn cốt thép chôn trong bê tông quá dài sẽ xảy ra tình trạng thép bị kéo
đứt chứ không bị tụt khỏi bê tông. Do đó cần phải giới hạn chiều dài đoạn thép bị chôn
này.
Sự phân bố lực dính theo chiều dài thanh thép là không đều (hình 2.11), giá trị
lớn nhất của lực dính đạt được cách đầu mép thanh thép bị chôn một đoạn c.
1 1
c = ÷ l (2.24)
3 4
P
τ = ω.τ max ⇔ τ max = (2.25)
ω.π.d.l
Trong đó ω là hệ số hoàn thiện biểu đồ lực dính.
2.3.1.2 Các yếu tố tạo nên lực dính.
* Lực ma sát: Khi khô cứng, bê tông bị co ngót ôm chặt lấy cốt thép tạo nên áp
lực giữa bê tông và cốt thép và từ đó gây ra lực ma sát giữa chúng.
* Lực bám: Với cốt thép có gờ, phần bê tông nằm dưới các gờ chống lại sự
trượt của cốt thép.
* Lực dán: Keo xi măng có tác dụng như hồ dán bê tông với cốt thép.
Cốt thép tròn trơn thì lực ma sát là chủ yếu, với cốt thép có gờ, lực bám và ma
sát là quan trọng, lực dán có giá trị không đáng kể.
2.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực dính.
- Cốt thép chịu kéo có lực dính nhỏ hơn cốt thép chịu nén.
- Khi chiều dài l thay đổi thì τ max không thay đổi nhưng τ có thay đổi chút ít.
- Dùng các biện pháp cản trở biến dạng ngang của bê tông (lưới thép hàn, cốt
thép lò xo…) có thể tăng lực dính bám.
2.3.1.4 Xác định lực dính bám.
Lực dính bám được xác định bằng thí nghiệm như phần 2.3.1.1. Tuy nhiên
trong nhiều trường hợp không thể làm thí nghiệm thì có thể sử dụng các công thức
thực nghiệm.
α.R bn
- Theo trường phái Nga: τ max = (2.26)
m
Trong đó: α là hệ số phụ thuộc trạng thái chịu lực, α=1 khi cốt thép chịu kéo và
α=1,5 khi chịu nén. m là hệ số phụ thuộc bề mặt cốt thép, thép trơn m=5÷6, thép có gờ
m=3÷3,5.
- - Theo trường phái Pháp: τ = β.γ.R tn (2.27)
Trong đó: β =0,6 khi cốt thép chịu kéo và β =1 khi chịu nén. Thép trơn γ=1÷1,2,
thép có gờ γ=1,8÷2.
2.3.2 Sự làm việc chung giữa bêtông và cốt thép
2.3.2.1 Ứng suất ban đầu do co ngót.
Khảo sát thanh bê tông có đặt cốt thép dọc theo trục (hình 2.12 a), khi bê tông
đông cứng nó sẽ bị co ngót.
Nếu không có cốt thép trong thanh bê
tông nó sẽ biến dạng là ε0 như trên hình 2.12 b.
Nếu có cốt thép, cốt thép sẽ cản trở biến
dạng này, nên bê tông chỉ co ngót một lượng
nhỏ hơn là ε1 như hình 2.12 c.
Như vậy cốt thép bị nén lại một lượng là
ε1 còn bê tông bị kéo ra một lượng là ε2
(ε1+ε2=ε0). Ứng suất nén sinh ra trong cốt thép
là σs=ε1.Es, ứng suất kéo sinh ra trong bê tông
là σt=ε2.Ebt=νt.ε2.Eb.
Sự co ngót diễn ra theo thời gian nên σS
và σt biến thiên theo thời gian. Hợp lực của σS
và σt là các nội lưc trong cùng một hệ nên
chúng tự cân bằng.
Nếu σ t ≥ [σ t ], bê tông bị nứt, đó là nứt do co ngót bị cản trở.
2.3.2.3 Ứng suất do ngoại lực tác dụng.
Xét thanh bê tông cốt thép chịu nén (kéo) mà bê tông chưa bị nứt, bê tông và
cốt thép cùng làm việc chung và có biến dạng ε.
σb
- Ứng suất trong bê tông: σb=ν.ε.Eb hay ε = . (2.28)
ν.E b
- Ứng suất trong cốt thép: σs=ε.Es. (2.29)
σb
Thay (2.28) vào (2.29) ta được σ s = .E s .
ν.E b
Es
Nhận thấy Es, Eb, ν đều phụ thuộc vào vật liệu, đặt n s = ta có:
ν.E b
σs=ns.σb (2.30)
Thông thường ns =8÷20, nếu ký hiệu N là lực dọc, Ab và As là diện tích tiết diện
của bê tông và cốt thép, từ điều kiện cân bằng lực ta có thể viết:
- N=σb.Ab+σs.As=σb.Ab+ ns.σb.As=σb(Ab+ ns.As) (2.31)
Đặt Ared= Ab+ ns.As và gọi là diện tích tiết diện tương đương, thay vào (2.31) ta
được:
N=σbAred (2.32)
Đối với phần bê tông chịu kéo, sau khi bị nứt, toàn bộ nội lực do cốt thép chịu.
2.3.2.4 Ứng suất do từ biến.
Khi chịu tải trong thời gian dài bê tông bị từ biến, biến dạng tăng trong khi ứng
suất không tăng. Trong khi đó cốt thép khộng từ biến nên nó cản trở biến dạng từ biến
của bê tông. Kết quả ứng suất trong cốt thép tăng lên và ứng suất trong bê tông giả m
xuống. Hiện tương đó gọi là hiện tượng phân phối lại ứng suất. Mặc dù σs tăng và σb
giảm nhưng phương trình cân bằng (2.31) vẫn thỏa mãn.
Phân phối lại ứng suất thường là có lợi cho sự làm việc của bê tông cốt thép.
2.3.3 Sự phá hoại và hư hỏng của BTCT
2.3.3.1 Phá hoại do chịu lực.
Bê tông và cốt thép cùng làm việc cho đến khi bị phá hoại.
Khi chịu kéo bê tông thường bị nứt trước, lúc đó cốt thép chịu toàn bộ nội lực.
Khi ứng suất trong cốt thép đạt giới hạn chảy thì cốt thép bị phá hoại và coi như bê
tông cốt thép bị phá hỏng.
Khi chịu nén phá hoại bắt đầu khi bê tông đạt đến cường độ chịu nén, lúc đó bê
tông bị nén vỡ.
Khi chịu uốn, cấu kiện bê tông cốt thép bị phá hoại từ vùng chịu kéo đến vùng
chịu nén gọi là phá hoại dẻo. Khi đó bê tông vùng kéo đã bị nứt, cốt thép vùng kéo
chịu toàn bộ nội lực và khi ứng suất trong cốt thép đạt giới hạn chảy thì cốt thép bị
chảy dẻo và bê tông cốt thép bị phá hoại. Trong trường hợp ngược lại bê tông vùng
nén bị phá hoại trước rồi mới đến vùng kéo được gọi là phá hoại dòn. Phá hoại này xảy
ra khi đặt cốt thép trong vùng kéo quá nhiều dẫn đến ứng suất trong cốt thép chịu kéo
chưa đạt đến giới hạn chảy thì ứng suất trong bê tông vùng nén đã đạt đến cường độ
chịu nén.
2.3.3.2 Phá hoại hay hư hỏng do biến dạng cưỡng bức.
Biến dạng cưỡng bức sinh ra do chuyển vị của các liên kết, do thay đổi nhiệt độ
hay do sự co ngót của bê tông. Trong kết cấu tĩnh định, biến dạng cưỡng bức không
sinh ra nội lực, trong kết cấu siêu tĩnh, biến dạng cưỡng bức bị ngăn cản nên sinh ra
nội lực và làm cho kết cấu bị hư hỏng hay bị phá hoại.
2.3.3.3 Sự hư hỏng do môi trường.
Bê tông cốt thép bị hư hỏng do các tác dụng cơ học như bị bào mòn do mưa,
dòng chảy, bị hun nóng do các nguồn nhiệt. Sự đóng băng và tan băng cũng gây hư
hỏng cho công trình.
nguon tai.lieu . vn
