1. Trang Chủ
  2. Kiến trúc - Xây dựng
  3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu lực của cấu kiện dầm hộp bê tông cốt lưới dệt sợi các bon

Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu lực của cấu kiện dầm hộp bê tông cốt lưới dệt sợi các bon

Bài viết này trình bày một số kết quả thí nghiệm nhằm xác định ứng xử chịu lực của kết cấu dầm hộp bê tông cốt lưới dệt, sử dụng sợi các bon có thể sử dụng làm cấu kiện đúc sẵn trong xây dựng. Các dầm hộp có cùng kích thước, được thiết kế với hàm lượng cốt dọc và cốt ngang khác nhau, để có thể khảo sát đồng thời khả năng chịu uốn và chịu cắt. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA CẤU KIỆN DẦM HỘP BÊ TÔNG

Thể loại Tài liệu miễn phí Kiến trúc - Xây dựng

Số trang 8

Ngày tạo 4/3/2023 10:12:28 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 0.90 M

Tên tệp

Tải Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu lực củ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA CẤU KIỆN DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT SỢI CÁC BON Đỗ Văn Linh1*, Nguyễn Huy Cường1, Ngô Đăng Quang1, Đinh Hữu Tài1 1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội * Tác giả liên hệ: Email: dvlinh@utc.edu.vn; Tel: 0976076946 Tóm tắt. Bê tông cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete, TRC) là một loại bê tông hạt mịn có cốt dạng lưới được dệt từ sợi có nguồn gốc phi kim loại. Vật liệu này có thể được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau như để tăng cường kết cấu, chế tạo kết cấu mới. Mặc dù vậy, các nghiên cứu về cấu kiện đúc sẵn từ bê tông cốt lưới dệt còn rất hạn chế. Bài báo này trình bày một số kết quả thí nghiệm nhằm xác định ứng xử chịu lực của kết cấu dầm hộp bê tông cốt lưới dệt, sử dụng sợi các bon có thể sử dụng làm cấu kiện đúc sẵn trong xây dựng. Các dầm hộp có cùng kích thước, được thiết kế với hàm lượng cốt dọc và cốt ngang khác nhau, để có thể khảo sát đồng thời khả năng chịu uốn và chịu cắt. Abstract. Textile Reinforced Concrete (TRC) is a new composite material, where multi-axial textile are used in combination with fine grained concrete. TRC represents a relatively new development in the field of strengthening of reinforced concrete structures and fabricating new precast concrete structures. Since TRC is still a relatively new construction material, which has not yet been standardised, little research reported in this area, especially for the new type of fabricated structures. This paper presents the experimental results of structural responses of hollow beams using TRC. Eight specimens with the same dimensions are designed with different longitudinal and transverse reinforcement ratios. All the specimens are tested under four-point bending test, in order to investigate both flexural and shear strength. Từ khóa: bê tông lưới dệt, dầm hộp, chịu uốn, chịu cắt, sợi các bon. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Bê tông cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete -TRC) là một loại vật liệu thuộc nhóm composite có gốc xi măng, bao gồm bê tông hạt mịn và cốt từ lưới dệt. Lưới sợi dệt có thành phần cơ bản là những sợi đơn (filament) với cường độ chịu kéo -30-
  2. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải rất cao, có nguồn gốc từ tự nhiên như basalt hay sợi nhân tạo như các bon, thuỷ tinh, nhựa, v.v. Các sợi đơn này được bó thành các bó sợi; sau đó, các bó sợi này được dệt thành dạng lưới 1D, 2D hay 3D [1]. Trong khi đó, bê tông hạt mịn là một loại bê tông bê tông xi măng cốt liệu mịn, đóng vai trò chính là chất nền cho TRC. Vật liệu TRC kết hợp được ưu điểm về tính năng cao của bê tông hạt mịn với cường độ chịu kéo cao của lưới dệt, phù hợp để chế tạo kết cấu mới và để sửa chữa, tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông cốt thép. Với thành phần thích hợp, vật liệu TRC có độ bền môi trường cao, hầu như không bị ăn mòn, cho phép sử dụng để chế tạo các bộ phận kết cấu có chiều dày nhỏ dẫn đến tiết kiệm vật liệu cũng như tính dễ tạo hình để thoả mãn các yêu cầu kiến trúc [2]. TRC cũng được xem là một trong những vật liệu tiên tiến có tiềm năng đáp ứng được những yêu cầu phát triển bền vững trong xây dựng công trình hiện nay. Trên thế giới hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về kết cấu bê tông cốt phi kim loại, như cốt thanh polymer cốt sợi FRP (Fiber Reinforced Polymer). Ở Việt Nam, thanh FRP thủy tinh đã bắt đầu sản xuất trong nước và bán ra thị trường [5]. Tuy nhiên, bởi cốt FRP không uốn được tại công trường, do đó, các kỹ sư gặp nhiều khó khăn khi cần bẻ/uốn ở các góc hoặc làm cốt đai chịu cắt. Đây là một nhược điểm làm hạn chế sự phổ biến của loại cốt chịu lực này [6-7]. So với cốt thanh FRP, cốt lưới dệt dễ thi công, dễ uốn cong để hình thành cốt đai chịu cắt hơn so với thanh FRP. Ngoài ra, do có khả năng chịu kéo và mô đun đàn hồi lớn hơn so với thanh FRP, việc áp ứng dụng cốt lưới dệt làm cốt đai chịu cắt cho dầm bê tông là rất phù hợp. Tuy nhiên, cho đến hiện nay, mới chỉ có một số lượng rất ít các công bố khoa học về kết cấu bê tông cốt lưới dệt đúc sẵn. Các nghiên cứu này đang tập trung vào kết cấu bản mỏng, bản TRC dự ứng lực căng trước, kết cấu dầm chữ I thành mỏng [2-4, 8-9]. Một trong các lý do là việc chế tạo kết cấu TRC đang mang tính thủ công, đặc biệt là các kết cấu có hình dạng phức tạp, chiều dày mỏng. Đồng thời, ứng xử chịu lực của các kết cấu này cũng thường phức tạp, cần được tính toán mô phỏng và kiểm chứng từ thực nghiệm [3]. Tuy nhiên, theo Peled [2], do cấu trúc của lưới sợi được dệt theo cả 2 phương nên TRC có khả năng chịu các ứng suất nhiều chiều. Các tiêu chuẩn hiện nay trên thế giới cũng đang đưa ra nhiều chỉ dẫn khác nhau trong việc tính toán sức kháng cắt của các kết cấu sử dụng cốt phi kim loại. Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào về kết cấu dạng dầm hộp sử dụng TRC được công bố. Bài báo này trình bày một số kết quả thực nghiệm về khả năng chịu lực của cấu kiện dầm hộp TRC. Tám (8) dầm được thí nghiệm uốn 4 điểm với chiều dài nhịp phù hợp, nhằm xác định ứng xử chịu uốn và chịu cắt đồng thời. -31-
  3. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.5. Cấu tạo mẫu thí nghiệm Trong nghiên cứu này, có 8 dầm hộp có cùng kích thước, với hàm lượng cốt chịu lực bằng lưới sợi các bon khác nhau được thí nghiệm. Các dầm có kích thước tiết diện 150 × 200 mm, chiều dài 1000 mm, với kích thước lõi rỗng là 90 × 140 mm, tương ứng với chiều dày thành của bản nắp, bản đáy và 2 bản sườn/thành là 30 mm (Hình 1). Có 4 nhóm mẫu thí nghiệm được thiết kế và chế tạo, trong đó mỗi nhóm có 2 mẫu giống nhau. Nhóm 1, 2, 3 có 6 dầm (HF1-1; HF1-2; HF2-1; HF2-2; HF3-1 và HF3-2) sử dụng tương ứng 1, 2, 3 lớp lưới sợi các bon (3 hàm lượng cốt chịu lực khác nhau) được đặt ở bản đáy dưới. Đối với 2 mẫu thí nghiệm nhóm 4 (BS1-1 và BS1-2), các bản nắp và bản sườn có 1 lớp lưới sợi, và bản đáy dưới có 6 lớp lưới sợi. Tất cả các mẫu thí nghiệm đều được gia tải theo thí nghiệm uốn 4 điểm, với chiều dài đoạn chịu cắt và đoạn chịu uốn thuần túy bằng nhau và bằng 200 mm. P/2 P/2 30 30 200 140 140 200 30 30 30 90 30 150 200 200 200 200 200 1000 Kích thước mặt cắt 1 lớp lưới 1,2,3 lớp lưới sợi 5 lớp lưới Dầm HFx-y Dầm HS1-1; HS1-2 Lưới sợi các bon Bê tông hạt mịn Hình 1. Cấu tạo chi tiết các dầm thí nghiệm. 2.6. Vật liệu thí nghiệm Vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông bao gồm xi măng PC40 Bút Sơn, cát Mong Cái có đường kính hạt từ 0,1÷0,3 mm; cát Phong Điền có đường kính hạt từ 0,3÷0,63 mm, tro bay và phụ gia siêu dẻo hệ polycarboxylate R-209ACE (Bảng 1). Bê tông hạt mịn có cường độ chịu nén và chịu kéo uốn trung bình lần lượt là 49,2 MPa và 6,85 MPa ở tuổi 28 ngày. Mẫu thí nghiệm có kích thước 40 × 40 × 160 mm, được thực hiện theo TCVN 6016:2011. Bê tông hạt mịn này có tính tự đầm tương đối cao, được thiết -32-
  4. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải kế để bê tông dễ dàng “len lỏi” qua các lớp lưới sợi, nhằm đảm bảo tính đặc chắc cũng như dính bám tốt với lưới sợi. Bảng 1. Cấp phối bê tông hạt mịn (kg). Cát Cát Xi măng Tro bay Nước Phụ gia siêu dẻo 0,3÷0,63 mm 0,1÷0,3mm 600 110 950 610 230 2,4 Lưới sợi dệt loại các bon Sigratex Grid 350 có cường độ chịu kéo 3550 MPa, mô đun đàn hồi 225 GPa, trọng lượng riêng là 1,82 g/cm3, độ mịn 1600tex. Các bó sợi được phủ lớp bọc polymer có nguồn gốc từ styrene butadine với hàm lượng phủ 15%. Cấu trúc lưới được dệt với các bó sợi theo phương 0°/90°, với khoảng cách giữa các bó sợi theo 2 phương là 25 mm. 2.7. Chế tạo mẫu và thiết lập hệ thống thí nghiệm Các dầm hộp TRC lần lượt được chế tạo tại Trường Đại học Giao thông vận tải. Đầu tiên, một lớp bê tông hạt mịn mỏng được rót xuống tạo lớp bê tông bảo vệ cho bản nắp. Sau đó, lưới sợi được đặt vào ván khuôn, được giữ đúng vị trí theo thiết kế bằng các lớp “nẹp”. Sau đó, một thanh xốp có kích thước 90 × 140 mm được đặt vào ván khuôn nhắm tạo ra lõi rỗng cho dầm (Hình 2). Tiếp theo, lớp bê tông hạt mịn được “rót” vào ván khuôn, điền đầy các bản sườn. Để đảm bảo chiều dài neo cho các bó sợi ngang, 2 đoạn lưới còn lại sẽ được “uốn” và đặt vào trong bản đáy. Tiếp theo, 3 lớp lưới sợi được lần lượt bổ sung nhằm đảm bảo hàm lượng cốt lưới dệt chịu kéo khi uốn đủ lớn. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ và khoảng cách giữa các lớp lưới sợi được khống chế trong khoảng 4 ÷ 5 mm. Lớp bê tông bảo vệ cuối cùng sẽ được “trát” lên và hoàn thiện bề mặt bản đáy. Hình 2. Chế tạo mẫu thí nghiệm. -33-
  5. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 3. Thiết lập thí nghiệm và bố trí hệ thống đo đạc. Các dầm được thí nghiệm uốn 4 điểm cho đến khi phá hoại, theo phương pháp khống chế chuyển vị, với tốc độ gia tải 0,5 mm/phút. Thiết bị gia tải là máy kéo nén SANS tại Phòng thí nghiệm Vật liệu và Kết cấu xây dựng, Trường Đại học Giao thông vận tải. Trong thí nghiệm này, thiết bị đo lực loadcell và thiết bị đo chuyển vị LVDT được “gắn” vào giữa nhịp. Với mỗi mẫu dầm thí nghiệm, 2 lá điện trở straingauge được dán vào bề mặt thớ trên và dưới của dầm, nhằm đo biến dạng của vùng nén và vùng kéo (Hình 3). Các thiết bị này được đồng bộ dữ liệu qua bộ ghi đo tự động datalogger. 3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Đường cong quan hệ giữa lực và độ võng giữa nhịp của các dầm thí nghiệm được trình bày và so sánh với nhau ở Hình 4. Đồng thời, giá trị lực lớn nhất và dạng phá hoại của các dầm cũng được tổng hợp ở Bảng 2. Có thể thấy, trừ cặp mẫu HF2-1 và HF2-2 (sử dụng 2 lớp lưới sợi) có sự khác biệt về khả năng chịu lực và dạng phá hoại, các cặp mẫu thí nghiệm còn lại có kết quả khá tương đồng nhau. Bảng 2. Kết quả thí nghiệm. Cốt lưới dệt theo Số lớp lưới dệt Lực phương dọc lớn Dầm Diện Hàm Dạng phá hoại Cốt Cốt nhất tích lượng dọc ngang (kN) (mm2) (%) HF1-1 42,6 1 0 5,28 0,045 Do uốn/ sợi bị kéo đứt HF1-2 40,8 HF2-1 60,7 Do cắt / vết nứt nghiêng lớn 2 0 10,56 0,091 HF2-2 54,6 Do uốn/ sợi bị kéo đứt HF3-1 81,4 3 0 15,84 0,138 Do cắt / vết nứt nghiêng lớn HF3-2 83,6 BS1-1 5 1 26,4 0,234 117,7 Do cắt / vết nứt nghiêng lớn -34-
  6. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải BS1-2 110,6 Hình 4. Đường cong lực – độ võng của các dầm thí nghiệm. Đối với các mẫu thí nghiệm HF1-1 và HF1-2 sử dụng 1 lớp lưới sợi các bon, các dầm xuất hiện vết nứt ở mức tại trọng xấp xỉ 25 kN. Các vết nứt này tiếp tục mở rộng, và dầm bị phá hoại ở mức tải trọng xấp xỉ 40 kN. Như quan sát trên Hình 5, các mẫu thí nghiệm này chỉ xuất hiện 1 vết nứt ở khu vực chịu uốn thuần túy. Đối với mẫu HF2-2 (sử dụng 2 lớp lưới sợi), dạng phá hoại do uốn khi lưới sợi bị kéo đứt cũng xảy ra ở mức tải trọng xấp xỉ 54,6 MPa. Cần phải lưu ý rằng, vị trí vết nứt này hơi lệch ra khỏi khu vực chịu uốn thuần túy (Hình 5). Ngược lại, với dầm HF2-1 có cùng cấu tạo, có 2 vết nứt do uốn xuất hiện ở giữa nhịp, có thể quan sát được ở mức tải trọng 38,5 kN. Lúc này, tải trọng vẫn tiếp tục tăng, và xuất hiện thêm vết nứt nghiêng ở mức tải 56 kN. Sau khi bị nứt nghiêng, vết nứt này nhanh chóng mở rộng và gây phá hoại cho dầm khi đạt đến giá trị lực lớn nhất là 60,7 kN. Điều này cho thấy, sau khi xuất hiện vết nứt nghiêng do lực cắt, bê tông nhanh chóng bị phá hoại bởi hiệu ứng cài khóa cốt liệu đối với loại bê tông hạt mịn dùng trong TRC là khá nhỏ. -35-
  7. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 5. Dạng phá hoại của các dầm có 1, 2 lớp lưới sợi dọc. Hình 6. Dạng phá hoại của các dầm có 3 lớp lưới và dầm có cốt ngang. Đối với các dầm BS1-1 và BS1-2 sử dụng 5 lớp lưới sợi dọc và 1 lớp lưới sợi ngang, tải trọng gây nứt của các dầm này tăng xấp xỉ 34% so với các dầm sử dụng 1 và 2 lớp lưới sợi. Đồng thời, mức tải trọng xuất hiện vêt nứt nghiêng lớn hơn, kèm theo cả vết nứt do cắt sườn và vết nứt uốn cắt. Các vết nứt cắt sườn mở rộng và gây ra phá hoại cho dầm ở mức tải trọng 110,6 kN ÷ 117,7kN. Sau khi phá hoại, lực tác dụng bị giảm đột ngột, duy trì ở mức tải trọng xấp xỉ 70 kN. Các vết nứt nghiêng có bề rộng nhỏ hơn nhiều so với các dầm HF3-1 và HF3-2, do các bó sợi các bon vẫn tiếp tục có thể truyền lực cắt. 4. KẾT LUẬN Bài báo này trình bày tóm tắt một số kết quả thí nghiệm đối với cấu kiện dầm hộp bê tông cốt lưới dệt. Trong nghiên cứu này, các dầm hộp có hàm lượng cốt chịu lực (cốt ngang và cốt dọc) khác nhau được gia tải uốn 4 điểm để xác định đồng thời khả năng chịu uốn và chịu cắt của dầm. Với các dầm sử dụng 1 và 2 lớp lưới sợi dọc, dầm bị phá hoại do uốn khi các bó sợi bị kéo đứt. Với các dầm sử dụng 3 lớp lưới sợi dọc và không có sợi ngang, dạng phá hoại do cắt xảy ra khi vết nứt nghiêng lớn mở rộng nhanh ở sườn dầm và gây phá hoại đột ngột cho dầm. Việc tăng hàm lượng cốt dọc cũng đồng thời tăng số lượng vết nứt xuất hiện trên dầm. Đối với dầm có sử dụng các bó sợi ngang, khả năng chịu lực cắt của dầm tăng lên đáng kể, bề rộng vết nứt nghiêng khi phá hoại giảm mạnh, đồng thời dầm vẫn duy trì được khả năng chịu lực ở mức tải trọng nhỏ hơn. LỜI CẢM ƠN Cảm ơn Trường Đại học Giao thông vận tải đã tài trợ cho cho nghiên cứu này trong khuôn khổ đề tài mã số T2020-XD-006. -36-
  8. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. J. Hegger, N. Will, Textile Reinforced Concrete — A new Composite Material. Advances in Construction Materials 2007, Springer Berlin Heidelberg: 147-156, 2007. [2]. A. Peled, A. Bentur, B. Mobasher, Textile Reinforced Concrete (Modern Concrete Technology), CRC Press, ISBN 978-1466552555, 2017. [3]. W. Brameshuber, FERRO-11: 11th International Symposium On Ferrocement and 3rd ICTRC International Conference On Textile Reinforced Concrete, Proceedings of RILEM conference, ISBN 978-2-35158-152-0, 2015. [4]. ACI Committee. “ACI 549.4R-13: Guide to Design and Construction of Externally Bonded Fabric-Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Systems for Repair and Strengthening Concrete and Masonry Structures.” American Concrete Institute (2013). [5.] TCVN 11110:2015 (2015), Cốt composit Polyme dùng trong kết cấu bê tông và địa kỹ thuật. [6]. Nguyễn Hùng Phong, Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của dầm bê tông có cốt polyme sợi thủy tinh hàm lượng thấp, Tạp chí Xây dựng, số 9/2014, tr61-65. [7]. Nguyễn Hùng Phong (2014), Một số vấn đề về thiết kế cấu kiện chịu uốn bằng bê tông cốt thanh polyme cốt sợi thủy tinh, Tạp chí Xây dựng, số 8/2014, tr43-48. [8]. Nguyen Huy Cuong, Ngo Dang Quang, Experimental study on flexural behavior of prestressed and non-prestressed textile reinforced concrete plates, Transport and Communications Science Journal, Vol. 71, Issue 1 (01/2020), 37-45. https://doi.org/10.25073/tcsj.71.1.5 [9]. D. Yunxing, X. Zhang, F. Zhou & D. Zhu, M. Zhang, P. Wei., Flexural behavior of basalt textile-reinforced concrete, Construction and Building Materials, 183 (2018) 7-21. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.06.165 -37-
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học