Nghiên cứu tính toán ảnh hởng của từ biến co ngót trong kết cấu cầu khi sử dụng vật liệu bê tông chất lợng cao có mác tới 80 MPa TS. nguyễn ngọc long Bộ môn Cầu hầm - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo giới thiệu về bê tông chất lợng cao v các tính toán trị số biến dạng cuối cùng của co ngót v từ biến trong kết cấu cầu khi sử dụng bê tông chất lợng cao. Summary: The article presents concrete of high performance and calculation of the final straine factor of shinkage and creep in bridge structure when concrete of high performance is used as the material. I. đặt vấn đề Theo định nghĩa của ACI (Viện nghiên cứu bê tông Mỹ), bê tông cờng độ cao là bê tông có cờng độ nén vợt quá 6000 psi (41,4 MPa) trên khuôn hình trụ 15 x 30 cm (cờng độ nén mẫu lập phơng sẽ là 41,4x1,2 = 50 MPa). Còn bê tông chất lợng cao ngoài cờng độ nén cao còn có các tính chất khác tốt nữa nh mô đun đàn hồi lớn, độ chống thấm, độ bền cao. Nói chung bê tông cờng độ cao thờng có các khả năng tốt về các mặt khác và có thể trở thành bê tông chất lợng cao. Bê tông chất lợng cao (BHP) đã đợc nghiên cứu và ứng dụng mạnh trên thế giới trong những năm của thập kỷ 70 để xây dựng các công trình nhà cao ốc ở Mỹ cũng nh Châu Âu nhằm làm giảm nhẹ kết cấu, tạo độ thanh mảnh về kiến trúc. Trong ngành cầu nó cũng đợc áp dụng phổ biến từ cuối những năm 70 trở lại đây và ngày nay là một loại vật liệu không thể thiếu nhất là đối với các công trình cầu lớn ở châu Âu và thế giới. Tuy nhiên ở Việt Nam ta thì loại vật liệu này hầu nh cha đợc áp dụng mà mới chỉ ở trong giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm. Để đạt đợc cờng độ cao, trong bê tông ngoài các thành phần chính thông thờng (xi măng, cát, đá và nớc) còn dùng phụ gia siêu dẻo hoặc dẻo cao và các phụ gia khoáng nghiền mịn hoặc siêu mịn. Phụ gia siêu dẻo (hoặc dẻo cao) có tác dụng tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng nớc hoặc giữ nguyên độ dẻo nhng giảm nớc nhiều và làm cho bê tông đặc chắc. Phụ gia khoáng mịn hoặc rất mịn ngoài tác dụng với vôi (phản ứng puzolen) trong xi măng, còn nhét vào các khe kẽ trong bê tông và tăng độ đặc chắc. Độ đặc chắc cao là nguyên nhân chính làm tăng cờng độ, độ chống thấm của bê tông. Phụ gia khoáng có thể là tro bay còn phụ gia rất mịn là muội Silic. Theo quy ớc ngời ta phân biệt từ ngữ bê tông chất lợng cao có pha muội Silic là những bê tông có tỷ lệ trọng lợng muội Silic/ximăng ít nhất bằng 5%. II. Các đặc tính của bê tông chất lợng cao So với bê tông thờng (có mác thiết kế < 40 MPa) bê tông chất lợng cao do có cờng độ cao dẫn đến sự cải thiện của phần lớn các tính chất sử dụng đối với bê tông. Sự cải thiện đã đợc suy đoán dựa trên phép nội suy các quy luật diễn tả các tính chất ấy, khi chúng đợc chỉ số hoá bởi cờng độ bê tông các tính chất nổi bật của bê tông chất lợng cao bao gồm. - Sự làm việc khi bị phá hoại do nén của nó khác với sự làm việc của bê tông thông thờng. - Cờng độ kéo tăng lên không nhanh nh quy luật tơng tự đợc dự kiến liên quan đến cờng độ kéo và cờng độ nén của bê tông thông thờng. - Độ co ngót của chúng ít phụ thuộc vào độ ẩm và kích thớc của cấu kiện. - Từ biến của chúng có giá trị cuối cùng nhỏ hơn từ biến của bê tông thông thờng, đặc biệt là khi chúng chứa muội Silic. - Thành phần của bê tông chất lợng cao tuân thủ các quy tắc chính xác và việc kiểm tra chất lợng của chúng có yêu cầu cao. - Cuối cùng bê tông chất lợng cao khi gặp hoả hoạn có nguy cơ nổ bề mặt cao hơn kết cấu cổ điển. Về mặt này cần có biện pháp phòng ngừa khi sử dụng vật liệu này. Các đặc tính cơ học của vật liệu bê tông chất lợng cao đợc xác định nh sau: 1. Cờng độ đặc tính chịu kéo Đối với trờng hợp cờng độ chịu nén R n 60 MPa, cờng độ chịu kéo (R k ) đợc biểu thị bởi: 3 2 nk )R(275,0R = Đối với trờng hợp 40 R n < 60 MPa, có thể áp dụng công thức thờng dùng là: nk R06,06,0R + = Việc đạt đợc bê tông cờng độ cao đòi hỏi dùng vật liệu thích hợp (cốt liệu có chất lợng, xi măng mác 42,5 (trớc đây là 55) hoặc cao hơn, thể hiện sự tơng hợp tốt với các phụ gia) và thiết bị sản xuất chính xác, có khả năng vận hành tốt. Ngoài ra với các cờng độ cao (B70/B80) luôn đòi hỏi dùng các phụ gia đặc biệt nh là muội Silíc. 2. Môđun biến dạng khác nhau a. Môđun đn hồi chịu nén Môđun đàn hồi chịu nén của bêtông chất lợng cao đợc xác định nh đối với bêtông thông thờng có nghĩa là: E nj = 11000.(R nj ) 1/3 b. Môđun đn hồi chịu cắt Môđun đàn hồi chịu cắt của bêtông chất lợng cao đợc lấy tuỳ theo thành phần vật liệu có hoặc không có muội silíc: - Trờng hợp không có muội Silíc: E cj = 4400 (R nj ) 1/3 - Trờng hợp có muội Silíc: E cj = 6100 (R nj ) 1/3 III. Tính toán biến dạng do co ngót v từ biến của bêtông BHP 1. Tính toán biến dạng của co ngót Bắt đầu từ lúc bêtông đông cứng xảy ra sự co ngót ngẫu nhiên của vật liệu không chịu tải. Nó gồm hai phần: - Co ngót nội sinh hoặc bản thân đợc tạo ra bởi sự cứng hoá của bêtông. - Co ngót khi gắn liền với sự trao đổi độ ẩm giữa vật liệu và môi trờng bên ngoài. Co ngót khô có thể là ẩm (trờng hợp nở khi bêtông trong môi trờng nớc). Độ co tổng cộng là tổng số của hai độ co đó. Trong trờng hợp các cấu kiện lớn, co ngót do nhiệt độ không thể bỏ qua có thể cộng vào co ngót nội sinh và co ngót khô. Nó xảy ra trong một thời gian và phụ thuộc vào chiều dày của cầu kiện. a. Co ngót nội sinh Động học của co ngót nội sinh phụ thuộc vào tốc độ của phản ứng thuỷ hoá. Ngời ta định lợng nó bằng cách tính đến tốc độ hoá cứng của vật liệu, điều đó cho phép tính đến các đặc điểm của loại bêtông. Nh vậy, đối với kết cấu khối lớn mà sự cứng hoá nhanh hơn, một phần quan trọng hơn của co ngót nội sinh xảy ra ở tuổi ít ngày. Diễn biến của độ co ngót nội sinh sau 28 ngày đợc biểu thị bởi một hàm số của thời gian: - Đối với t < 28 ngày. Nếu R n (t)/R 28 < 0,1, khi đó re (t,R 28 ) = 0 Nếu R n (t)/R 28 0,1, khi đó 6 28 n 2828re 10x)2,0 R )t(R 2,2)(20R()R,t( = Trong đó re là độ co ngót nội sinh xảy ra giữa thời gian đông kết của bêtông vào thời điểm t (đợc biểu thị bằng ngày) và R n (t) cờng độ đặc tính ở cùng thời điểm đó. - Đối với t > 28 ngày: 6 2828re 10x)) 96 t exp(1,18,2)(20R()R,t( = b. Co ngót khô (bị khô) Bêtông chất lợng cao tự khô đi khi không có sự trao đổi với môi trờng bên ngoài, độ ẩm bên trong giảm đi theo thời gian và ổn định trong một vài tuần ở mặt giá trị càng thấp thì cờng độ 28 ngày càng cao. Sự co ngót khô là một hiện tợng khuếch tán, sự tiêu biểu của quá trình biến đổi theo đại lợng (t - t 0 )/r 2 m . Trong đó t là tuổi của bêtông ở thời điểm xem xét, t 0 là tuổi từ đó bắt đầu khô đi và r m là bán kính trung bình của cấu kiện. Các công thức cho phép đánh giá độ co ngót khô nh sau: Bêtông không chứa muội Silíc: 6 0 2 m h2828 hm280 rd 10x )tt( r 4,81 ]75)R046,0exp(72[x)R(K ),r,R,t,t( + + = Bêtông chứa muội Si líc: 6 0 2 m h2828 hm280 rd 10x )tt( r 28,21 ]75)R046,0exp(72[x)R(K ),r,R,t,t( + + = Với: K(R 28 ) = 18 nếu 40 MPa R 28 57 MPa. K(R 28 ) = 30 - 0,21R 28 nếu R 28 57 MPa. h - độ ẩm của môi trờng xung quanh. c. Độ co ngót tổng cộng Thông thờng, ngời ta tính đến độ giảm co ngót do sự có mặt của cốt thép dính kết (cốt thép thụ động hoặc cốt thép ứng suất trớc do kéo trớc). Độ co ngót tổng cộng xảy ra từ lúc bêtông đông kết đến thời gian đã cho và trở thành: s rdre rd n1 + + = trong đó: n = 15 khi 40 R 28 < 60 MPa; n = 9 khi 60 R 28 < 80 MPa; s - tỉ lệ phần trăm cốt thép dính bám. 2. Tính toán biến dạng do từ biến A. Từ biến dới ứng suất cố định Nếu tác dụng lên bêtông cha chịu tải ở tuổi t ngày một ứng suất và sau đó giữ không đổi, có thể thấy rằng từ biến ở thời điểm đã cho tỉ lệ thuận với ứng suất , chừng nào ứng suất đó vẫn thấp hơn khoảng 0,6R 28 . Ngoài ra từ biến có thể phân ra thành hai thành phần: - Từ biến riêng xảy ra khi bê tông không trao đổi độ ẩm với môi trờng xung quanh, hiện tợng này, về nguyên tắc độc lập với kích thớc của cấu kiện. - Từ biến do khô là từ biến phụ thêm gắn với sự khô của bêtông trong khi chịu lực, nó phụ thuộc vào kích thớc của kết cấu. a. Từ biến riêng Từ biến riêng xảy ra trong khoảng thời gian (t 1 , t) trong đó T 1 là thời gian chịu tải, dới tác động của một ứng suất có thể đợc tính theo các biểu thức sau: Đối với bê tông không chứa muội Silíc: + = ) R )t(R 1,3exp(4,0tt tt x E x4,1),E,R,t,t( 28 1 1 1 28 28281fp Đối với bêtông chứa muội Silíc: + = ) R )t(R 1,3exp(4,0tt tt x E x )t(R 6,3 ),E,R,t,t( 28 1 1 1 28 37,0 1 28281 fp b. Từ biến do khô Từ biến do khô dựa vào độ co khô xảy ra khi chịu lực. Đối với bêtông chất lợng cao có chứa muội Silíc có từ biến do khô rất nhỏ, coi nh có thể bỏ qua. Các biểu thức sau: + Đối với bê tông không chứa muội Silíc: [] 28 3 1rdrdmh2810 fd E 10x, )t(, )t(,2,3),r,,R,t,t,t( = Đối với bêtông chứa muội Silíc: [] 28 3 1rdrdmh2810 fd E 10x, )t(, )t(,),r,,R,t,t,t( = c. Từ biến tổng cộng: Nh đối với co ngót, từ biến tổng cộng đợc xác định bằng cách cộng hai từ biến thành phần có xét đến sự cản trở của cốt thép. () s fdfp 0fl n1 t,t + + = Hệ số n lấy nh đối với hệ số n trong co ngót tổng cộng. B. Từ biến dới tác dụng của sự gia tăng ứng suất liên tiếp Trong trờng hợp có sự liên tiếp gia tăng ứng suất (thờng xảy ra đối với kết cấu nhịp thi công theo công nghệ đúc đẩy hay đúc hẫng, lắp hẫng), ngời ta có thể chấp nhận sự cộng tác dụng của mỗi biến đổi ứng suất. Nh vậy từ biến ở thời điểm t đợc tính theo công thức: () ()() shmjj28j0 n 1i fltf ,,,,tR,R,t,t,t = = Trong đó những biến đổi ứng suất j đợc áp dụng cho thời gian t j. IV. kết luận Việc mở rộng lĩnh vực áp dụng đối với quy định tính toán ảnh hởng của co ngót, từ biến bêtông trong kết cấu cầu khi sử dụng vật liệu bêtông chất lợng cao là một vấn đề hết sức quan trọng, giúp ngời thiết kế giải quyết hàng loạt các bài toán phức tạp trong đó dầu tiên phải kể đến vấn đề xuất sứ phân bố lại ứng suất và biến dạng theo thời gian do từ biến và co ngót nhất là trong thiết kế và thi công cầu bêtông dự ứng lực khẩu độ lớn theo phơng pháp đúc hẫng hoặc lắp hẫng cân bằng. Tài liệu tham khảo [1] Quy trình thiết kế công trình và kết cấu bêtông ứng suất trớc theo trạng thái giới hạn - Cộng hoà Pháp BPEL 83. [2] LE P-YR, de LARRARDF (1994), be'tons hautes performences, propositions de formules pour le calcul du retrait et du fluage. [3] MENEZES N.C, PASGUIGNON M 91993), be'tons hautes performences - effet d'echelle sur le retrait et fluage de be'tons. [4] LCPC-SPECIAL XIX (1996) Extensim du domaine d'application des re'glements de calcul BAEL/BPEL aux be'tons 80 MPa. [5] Francois Toutlemonde (2002), comportement me'canique du BHP durci et BTHP. [6] La collection de L'IREX 2001, les be'tons hautes performences Ă . cứu tính toán ảnh hởng của từ biến co ngót trong kết cấu cầu khi sử dụng vật liệu bê tông chất lợng cao có mác tới 80 MPa TS. nguyễn ngọc long Bộ môn Cầu hầm - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo. thiệu về bê tông chất lợng cao v các tính toán trị số biến dạng cuối cùng của co ngót v từ biến trong kết cấu cầu khi sử dụng bê tông chất lợng cao. Summary: The article presents concrete of. kết luận Việc mở rộng lĩnh vực áp dụng đối với quy định tính toán ảnh hởng của co ngót, từ biến b tông trong kết cấu cầu khi sử dụng vật liệu b tông chất lợng cao là một vấn đề hết sức quan