VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG NỨT CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO KS NGUYỄN THANH VŨ, PSG TS BÙI CÔNG THÀNH, TS HỒ HỮU CHỈNH Trường đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh TS TRẦN THẾ TRUYỀN Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo giới thiệu thí nghiệm tính toán đặc trưng nứt số loại bê tông cường độ cao Hệ số cường độ ứng suất giới hạn KC, độ bền nứt giới hạn Gc, lượng nứt Gf chiều dài đặc trưng vùng phá huỷ bê tông (FPZ) l ch loại bê tông có cường độ chịu nén từ 60 MPa đến 80 MPa thống kê tính toán từ thí nghiệm uốn điểm mẫu dầm có đường nứt mồi Kết luận phương pháp thí nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam kiến nghị giải pháp để kết thí nghiệm đầy đủ xác Từ khóa: Hệ số cường độ ứng suất, lượng nứt, chiều dài đặc trưng, bê tông cường độ cao Đặt vấn đề Hiện nay, việc ứng dụng phương pháp phân tích đánh giá phá hoại phận kết cấu công trình cấp thiết để nâng cao tính xác, độ tin cậy tính toán tuổi thọ chúng Phương pháp sử dụng lí thuyết học rạn nứt phá huỷ bê tông để phân tích phá hoại phận kết cấu công trình dầm, vỏ hầm hay tường chắn bê tông xuất lan truyền ổn định đường nứt hướng khẳng định nhiều ưu điểm so với phương pháp phân tích phá hoại truyền thống Khi áp dụng phương pháp đòi hỏi phải tiến hành nhiều thí nghiệm để xác định đặc trưng học bê tông làm sở cho việc tính toán thiết kế chuẩn đoán phá hoại, đặc biệt đặc trưng nứt vật liệu bê tông hệ số cường độ ứng suất giới hạn (critical stress intensity factor) KC, độ bền nứt giới hạn (critical fracture toughness) GC hay lượng rạn nứt (fracture energy) Gf… Ở nước phát triển, sở liệu đặc trưng nứt loại bê tông có cấp hạng khác nhau, thành phần cốt liệu khác nhau, ứng dụng khác nhiều tác giả nghiên cứu công bố, kết sở cho nghiên cứu sâu phục vụ thiết kế chuẩn đoán phá hoại kết cấu công trình bê tông Ở Việt Nam, đặc trưng nứt số loại bê tông thường dùng xây dựng xác định 42 [11], [12]; loại bê tông sử dụng có cường độ nhỏ 50 MPa Bước đầu có số ứng dụng tính toán thiết kế công trình xây dựng Với việc bê tông cường độ cao ngày sử dụng rộng rãi, yêu cầu xác định đặc trưng nứt phá huỷ bê tông cường độ cao bên cạnh đặc trưng lý cường độ chịu nén, chịu kéo uốn,… cần thiết Kết thí nghiệm có sở cho nghiên cứu phá huỷ lan truyền nứt phận kết cấu công trình dầm sàn (nhà), dầm cầu, vỏ hầm hay tường chắn sử dụng bê tông cường độ cao Phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng nứt Cho đến nay, để tiến hành thí nghiệm xác định đặc trưng nứt bê tông có nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp sử dụng dạng mẫu thí nghiệm, quy trình thí nghiệm khác thường phù hợp với mô hình phân tích nứt tương ứng [7] Qua phân tích cách xác định đặc trưng nứt bê tông theo phương pháp thí nghiệm khác thấy lại có đặc trưng chủ yếu cần xác định loại bê tông sử dụng xây dựng cầu gồm: - Hệ số cường độ ứng suất giới hạn KC độ bền nứt giới hạn GC xác định từ thí nghiệm giống vật liệu giòn học rạn nứt tuý theo phương pháp mô hình đường nứt có hiệu ECM (Effective Crack Model – Bushan Karihaloo) [8]; - Năng lượng nứt toàn phần GF xác định từ công phá huỷ WF có trực tiếp từ biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng (P-v) [8]; - Năng lượng nứt không toàn phần G f xác định theo mô hình ảnh hưởng kích thước SEM (Size Effect Model – Bazant.Z) [1], [2], [3], [6], [7] có từ giá trị tải trọng lớn gây lan truyền nứt dầm Pmax Từ suy GF theo quan hệ Gf GF [3] Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Các mẫu thí nghiệm mẫu dầm có không đường nứt mồi uốn hay điểm, mẫu dầm hẫng kép, mẫu dầm xoắn kép, mẫu kéo compact, mẫu dạng tấm, mẫu dạng khối [8] Trong đó, mẫu dầm uốn điểm có không đường nứt mồi đánh giá đơn giản hiệu nhất, đặc biệt phù hợp với kết cấu chịu uốn dầm hay (Bazant et al, 2003) [2] Theo Shah (1991) [4], mẫu dầm uốn điểm có đường nứt mồi lựa chọn mẫu chuẩn để thí nghiệm đặc trưng nứt Trong nghiên cứu này, sử dụng mẫu dầm uốn điểm có đường nứt mồi làm mẫu chuẩn để thí nghiệm xác định đặc trưng nứt bê tông (hình 1) Với mẫu thí nghiệm chuẩn, việc tính toán giá trị KC, GC tính theo công thức sau: K C  6YM max a BW Các giá trị GC dễ dàng suy từ K C mô đun đàn hồi E theo công thức sau: K C2  E GC (2) Để kết tính toán xác hơn, cần thiết phải dùng mô hình phi tuyến (NFM – Nonlinear Fracture Mechanics) để tính toán ứng xử nứt bê tông Khi phải xác định tham số nứt mô hình nứt phi tuyến; lượng nứt toàn phần GF, lượng nứt không toàn phần Gf chiều dài đặc trưng lch (chiều dài đặc trưng vùng phát triển nứt Fracture Process Zone - FPZ) tham số cần phải xác định từ thí nghiệm Chiều dài đặc trưng vùng FPZ xác định: lch  l p  E.G f (3) ft '2 Trong đó: lch l p – chiều dài đặc trưng;   (1) E – mô đun đàn hồi; G f – lượng nứt toàn phần; Trong đó: M max – mô men uốn lớn nhất; ft ' - cường độ chịu kéo Năng lượng nứt không toàn phần Gf xác Y – hàm hình học; định theo mô hình SEM Bazant từ thí nghiệm uốn mẫu dầm có nứt mồi điểm (hình 1) có xét đến hiệu ứng kích thước Gf tính toán từ giá trị tải trọng lớn Pmax độc lập với kích thước B – bề rộng mặt cắt; W − chiều cao mặt cắt; a – chiều dài đường nứt ban đầu mẫu thí nghiệm P W A ao ao S Ho CMOD B L A Hình Mẫu dầm có nứt mồi Luật hiệu ứng kích thước sử dụng sở phép hồi quy tuyến tính: Y  AX  C Với: X i  Wi ; Yi  BiWi / Pi  C B0 f t '  ; d0  A c  X  X Yi  Y ; C  Y  AX A i i i X i  X      Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 (4) (5) (6) Trong đó: Wi – kích thước đặc trưng mẫu thí nghiệm (chiều cao mẫu dầm); Bi – bề rộng mẫu thí nghiệm; Pi – tải trọng phá hủy mẫu; (7) X , Y – giá trị trung bình X i Yi 43 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Năng lượng nứt không toàn phần Gf tính theo công thức: Gf  g   EA Với hàm g   – hàm hình học tỷ số  s  g     m   1,5 f    wm  (8) Trong đó: i wi S m ,Wm – chiều dài nhịp, chiều cao trung bình mẫu dầm f  – hàm phụ thuộc vào đặc trưng hình học (  i – chiều dài đường nứt mồi mẫu thí nghiệm):  Khi S/W = 2,5: f 2,5    (9) mẫu thí nghiệm:  2,5  4,4  3,98  1,33 (10) 1    1,99   1   2,15  3,93  2,7   Khi S/W = 4,0: f    f     0,5 1  2 1   2 s Với giá trị khác i , f i   nội suy từ giá trị f ,5   f   (11) wi Từ giá trị Gf, suy quan hệ: GF  2,5G f ; giá trị khẳng định nhiều tác Planas Elices (1990) [5]; Bazant đồng nghiệp (2002) [3] Thí nghiệm phân tích đánh giá kết thí nghiệm Thí nghiệm lan truyền nứt thực với mẫu dầm từ D1 đến D4 máy uốn mẫu dầm phòng thí nghiệm LAS-XD125, Trường ĐHXD Hà Nội Cấp gia tải chọn phụ thuộc vào kích thước dầm cho thu số liệu cần thiết 3.1 Chuẩn bị thí nghiệm 3.1.1 Bê tông thí nghiệm Hai loại bê tông lựa chọn theo cường độ chịu nén mẫu nén hình trụ 15x30 cm 60 MPa 80 MPa Các thí nghiệm nén mẫu trụ thực với loại bê tông thí nghiệm lan truyền nứt Các đặc trưng cốt liệu tỷ lệ N/X, tỷ lệ thành phần cốt liệu, đường kính cốt liệu lớn (Dmax) không 20 mm Bê tông bảo dưỡng 28 ngày điều kiện nhiệt độ độ ẩm tiêu chuẩn 3.1.2 Mẫu thí nghiệm Kích thước số lượng mẫu thí nghiệm lấy bảng Yêu cầu nước 24 để bảo dưỡng Đo lại kích thước mẫu trước chuẩn bị thí nghiệm Tổng số mẫu dầm có vết nứt mồi là: x x = 24 mẫu dầm (4 dầm với cấp bê tông 60 MPa 80 MPa, đúc mẫu dầm) Bảng Bảng kích thước mẫu dầm thí nghiệm Kích thước Loại dầm Dầm có tạo nứt mồi (3 dầm) D1 D2 D3 D4 B(mm) W(mm) S(mm) L(mm) ao(mm) 50 50 50 50 50 100 200 400 150 300 600 1200 165 330 660 1320 10 20 40 80 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm Ván khuôn chuẩn bị đồng cho kích thước hình dạng mẫu thí nghiệm khác Máy nén có khống chế gia tăng tải trọng trình chất tải Thiết bị đo biến dạng, độ võng, độ mở rộng đường nứt (LVDT - Linear Variable Displacement Transducer), thiết bị đo lực (Loadcell) 3.1.4 Bố trí thí nghiệm 44 Đo độ võng dầm: Sử dụng treo để treo cảm biến đo chuyển vị LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) theo phương thẳng đứng, đầu LVDT đặt lên nhôm phẳng dán cố định vuông góc với mẫu dầm Đo độ mở rộng vết nứt (CMOD – Crack Mouth Open Displacement): đặt LVDT theo phương nằm ngang hình Để đo lực sử dụng LOADCELL 10 Tất thiết bị nối với máy TDS 530 để đo tự động Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Hình Thiết bị thí nghiệm 3.15 Quy trình thí nghiệm Các kết yêu cầu đo gồm: Tải trọng giới hạn Thí nghiệm tiến hành máy điều kiện khống chế biến dạng để đảm bảo lan truyền nứt ổn định, Thời gian gia tải khoảng từ đến 10 phút phá huỷ Pmax Thời gian gia tải t (cho cấp tải) 3.16 Kết cần đo rộng đường nứt (P-CMOD) Quan hệ ứng suất biến dạng tải trọng - độ võng (ở mặt cắt nhịp) (P-v) Quan hệ tải trọng - độ mở Hình Mẫu dầm thí nghiệm trước sau phá huỷ 3.2.Phân tích đánh giá kết thí nghiệm Các giá trị tải trọng Pmax làm lan truyền đường nứt mồi mẫu dầm bê tông cường độ cao thống kê bảng so sánh với kết thí nghiệm từ năm 2006 tác giả Trần Thế Truyền với cấp bê tông thường từ 20 MPa đến 50 MPa (bảng 2) [11] Bảng Các tải trọng Pmax với loại bê tông thường Các cấp bê Tải trọng lan truyền nứt Pmax (N) tông thí cho kích thước dầm Ký hiệu nghiệm D1 D2 D3 D4 20 MPa 1652,30 2810,76 4227,13 7824,46 P i(20) 25 MPa 2331,15 3073,67 5502,43 10412,33 P i(25) 30 MPa 2495,96 3254,17 6246,03 10975,43 P oi(30) 35 MPa 2813,80 3556,32 6467,73 11885,80 P i(35) 40 MPa 2819,69 3783,91 7166,21 12533,26 P i(40) 50 MPa 3006,08 4107,64 7882,34 13259,20 P i(50) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 o o o o o 45 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Bảng Tải trọng Pmax với loại bê tông cường độ cao Các cấp bê tông thí nghiệm Tải trọng lan truyền nứt P max (N) cho kích thước dầm D2 D3 D1 60 MPa 4117 5683 9000 16050 P i(60) 80 MPa 4717 6625 10633 17500 P i(80) Từ kết thí nghiệm tính giá trị D4 Ký hiệu o o diễn theo cường độ chịu nén f’c, chiều cao dầm W đặc trưng nứt bê tông thí nghiệm gồm: bê tông hình 4, hình 5; - Hệ số cường độ ứng suất giới hạn (KC) độ bền nứt giới hạn (GC) Các kết biểu - Năng lượng nứt giới hạn Gf theo mô hình SEM Bazant, chiều dài đặc trưng (cf tính theo Bazant lch tính theo Hillerborg) vùng phá huỷ (FPZ) hình [8] K I C - f ' c ( D 1, D ,D , D ) 2.5 2.0 1.5 1.0 D1_REF D2_REF D3_REF D4_REF D1_NEW D2_NEW 0.5 0.0 20 30 40 50 60 70 80 90 f ' c ( M pa ) Hình Biến đổi hệ số cường độ ứng suất Kc độ bền nứt G c theo f’c 2.25 K I C - W ( M  M 80 ) 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 0.75 M20 M25 M30 M35 M40 0.50 0.25 0.00 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 W ( m) Hình Biến đổi hệ số cường độ ứng suất Kc độ bền nứt Gc theo kích thước dầm W Dựa mối quan hệ GF  2.5 Gf xác định lượng nứt toàn phần bê tông GF từ lượng nứt không toàn phần Gf (xác định theo SEM); ngoại suy đường cong ứng xử mềm hóa (softening behavior) theo quan hệ 46 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG lch - f'c (M20 M80) 0,70 lch (m) 0,60 0,50 lch-f'c_REF 0,40 lch-f'c_NEW 0,30 lch-f'c_CEB/FIP 90 0,20 0,10 0,00 20 40 60 80 100 f'c (Mpa) Hình Biến đổi giá trị lượng nứt (Gf GF) chiều dài đặc trưng nứt (lch) theo f’c Thí nghiệm để xác định quan hệ tải trọng - bền nứt giới hạn Gc tăng khoảng 30% đến 50%; độ võng (P-v) đầy đủ (có phần ứng xử mềm hoá bê tông) để từ xác định lượng nứt toàn phần GF theo phương pháp công phá hoại tương đối khó để đo quan hệ điều kiện thí nhiên, lượng nứt Gf GF lại gia tăng ít, khoảng 8% đến 30%; đặc biệt chiều dài đặc trưng l ch ' lại giảm đáng kể so với gia tăng cường độ ( f c ), điều chứng tỏ số giòn (tỷ lệ nghịch lch) nghiệm đòi hỏi phải đại đầy đủ máy móc thiết bị cần thiết Ở nước ngoài, việc đo đạc số liệu tương đối dễ dàng, trình gia tải với máy điều khiển thủy lực tự động, với kênh điều khiển đo lực bê tông cường độ cao lớn làm giảm vùng phát triển nứt bê tông kiểu loadcell hay kiểu đo áp lực, giá trị chuyển vị, độ mở rộng vết nứt đồng hóa thu thập liệu với hệ thống ghi liệu (Data Acquisition Data Logger) Với sở vật chất lực phòng thí nghiệm Việt Nam nay, việc tiến hành đo quan hệ tải trọng - độ võng (P-v) tải trọng - độ mở rộng đường miệng đường nứt (CMOD) thực tương đối dễ dàng với cảm biến đo chuyển vị (LVDT), thiết bị đo lực (Loadcell); nhiên, để xác định đường cong mềm hóa hay quan hệ sau Pmax (Post peak) không thể, chưa có đầy đủ thiết bị điều khiển tự động, trình gia tải thủ công, chưa đồng hóa liệu với thiết bị thu thập số liệu,… quan hệ tải trọng - độ võng (P-v) đầy đủ (có ứng xử mềm hoá bê tông) để từ xác định lượng nứt toàn phần GF theo phương pháp công phá hoại theo thí nghiệm chưa thể thực So sánh với kết nghiên cứu tương tự nước cho thấy: phạm vi biến đổi đặc trưng nứt bê tông theo cấp hạng bê tông hay theo kích thước mẫu thí nghiệm gần (Bazant, 1990; Karihaloo, 1995) Kết Bazant (1990), Gf gia tăng khoảng 12% đến 25% cường ' độ ( f c ) khoảng 160%) Biến thiên giá trị thí nghiệm thu có dạng nghiên cứu tác giả Kết luận kiến nghị Một liệu đặc trưng nứt hệ số cường độ ứng suất giới hạn KC, độ bền nứt giới hạn GC lượng nứt Gf bê tông cường độ cao 60 MPa 80 MPa tính toán, đánh giá có so sánh với kết nghiên cứu tác giả khác nước giới Kết hoàn toàn số liệu tham khảo cho nguời quan tâm Đây sở đặt móng cho nghiên cứu khác tác giả báo liên quan đến việc sử dụng lí thuyết rạn Việc chọn mẫu thí nghiệm quy trình thí nghiệm sở gợi ý RILEM, tác Bazant đặc biệt điều kiện thí nghiệm nước, quy trình bê tông kết có trước Kết nứt phá huỷ bê tông tính toán thiết kế chẩn đoán phá hoại công trình dầm sàn khung BTCT, dầm cầu, vỏ hầm hay tường chắn Cần thiết phải có nghiên cứu sâu để áp thí nghiệm bê tông cường độ cao cho thấy gia ' tăng cường độ ( f c ) khoảng 160% so với bê tông thường, hệ số cường độ ứng suất giới hạn KC, độ dụng kết nghiên cứu thực tế tính toán thiết kế công trình xây dựng bê tông cường độ cao Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 47 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG TÀI LIỆU THAM KHẢO BHUSHAN KARIHALOO, fracture mechanics & structural concrete, Longman Scientific & Technical, BAZANT Z., DRAHOMIR N., Propose for standard test New York, 330 pages, 1995 of modulus of rupture of concrete with its size dependence, ACI material journal, Jan-Feb 2001 TRAN THE TRUYEN, CHARLIER ROBERT, A method for predicting the permeability of damaged concrete, BAZANT.Z, QIANG YU and GOANGSEUPZI, Choice of Science standard fracture test for concrete and its statistical Chengdu-Moscou, 3/2011 evaluation, International Journal of Fracture, 118, Dec 2002, pp 303-337 of Transportation, o N 3, Hanoi- 10 TRẦN THẾ TRUYỀN, Nghiên cứu ứng dụng mô hình phá huỷ dòn bê tông vào tính toán thiết kế BAZANT.Z, Concrete fracture model: testing & practice, công trình giao thông, Báo cáo đề tài KHCB, ĐHGTVT, Engineering Fracture Mechanics, 69, January 2002, pp 2008 165-205 Journal 11 TRẦN THẾ TRUYỀN, Nghiên cứu xây dựng sở SHAH.P.S, Size effect method for determining of liệu đặc trưng nứt loại bê tông dùng fracture energy and process zone size of concrete, xây dựng cầu, Báo cáo đề tài KHCB, ĐHGTVT, Materials and Structures, 23, Nov 1991, pp 461-465 2006 PLANAS, J AND ELICES, M., Toward a measure of 12 TRẦN THẾ TRUYỀN, NGUYỄN ĐĂNG HƯNG, GF: An analysis of experimental results, Fracture NGUYỄN NGỌC LONG, Mô hình hiệu ứng kích thước Toughness and Fracture Energy of Concrete, Elsevier ứng dụng xác định lượng nứt mô đun Science Publishers, Amsterdam, 1986, pp 381-390 phá hoại số loại bê tông thường dùng Việt BAZANT Z.P and PLANAS.J, Fracture and size effect Nam, Tuyển tập hội nghị học toàn quốc lần thứ 8, in concrete and other quasi-britle materials CRC Press LLC, USA, 224 pages, 1998 BAZANT.Z.P and OH.H.B, Crack band theory for fracture of concrete, Bordas-Dunod, Paris, 23 pages, 1983 48 Hà Nội, 12/2007 13 TRẦN THẾ TRUYỀN, NGUYỀN XUÂN HUY, Phá hủy, rạn nứt bê tông: học ứng dụng, NXB Xây dựng, Hà Nội, Việt Nam, 200 trang, 2011 Ngày nhận bài: 28/4/2014 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 ... i(50) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 o o o o o 45 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Bảng Tải trọng Pmax với loại bê tông cường độ cao Các cấp bê tông thí nghiệm Tải trọng lan truyền nứt P max (N)... thí nghiệm tính giá trị D4 Ký hiệu o o diễn theo cường độ chịu nén f’c, chiều cao dầm W đặc trưng nứt bê tông thí nghiệm gồm: bê tông hình 4, hình 5; - Hệ số cường độ ứng suất giới hạn (KC) độ. .. ' tăng cường độ ( f c ) khoảng 160% so với bê tông thường, hệ số cường độ ứng suất giới hạn KC, độ dụng kết nghiên cứu thực tế tính toán thiết kế công trình xây dựng bê tông cường độ cao Tạp