thí nghi ệ m v tính toán các đặc trng nứt của các loại bê tông dùng Trong xây dựng các công trình giao thông ThS. TRần thế truyền PGS. TS. nguyễn ngọc long Bộ môn Cầu hầm GS. TS. nguyễn viết trung Bộ môn Công trình giao thông thnh phố Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi báo giới thiệu về thí nghiệm v tính toán các đặc trng nứt cơ bản của các loại bê tông thông thờng đợc dùng trong xây dựng các công trình giao thông. Hệ số cờng độ ứng suất giới hạn K IC , độ bền nứt giới hạn G c , năng lợng nứt G f v các chiều di đặc trng của vùng phá huỷ bê tông (FPZ) l ch (hay c f ) của 6 loại bê tông có cờng độ chịu nén từ 20 MPa đến 50 MPa đợc thống kê v tính toán từ thí nghiệm uốn trên 3 điểm các mẫu dầm có đờng nứt mồi. Kết luận về phơng pháp thí nghiệm phù hợp với điều kiện Việt nam v kiến nghị giải pháp để kết quả thí nghiệm đầy đủ v chính xác hơn. Summary: This paper presents the testing and identification process of principal fracture parameters of concretes used in traffic work. Critical stress intensity factors K IC , critical fracture toughness G c , fracture energy G f and characteristic lengths of fracture process zone (FPZ) l ch (c f ) of 6 class of concrete with the compression resistance varying from 20 MPa to 50 MPa being collected and treated from the experiment of three - points bending notched beams. Concludes about the fracture testing method according to vietnamese conditions and proposes the solution to obtain in complete and accurate way of experimental results. CT 2 i. Đặt vấn đề Hiện nay, việc ứng dụng các phơng pháp phân tích mới trong đánh giá phá hoại các bộ phận kết cấu công trình giao thông là cấp thiết để nâng cao tính chính xác, độ tin cậy tính toán và tuổi thọ của chúng. Phơng pháp sử dụng lí thuyết cơ học rạn nứt và phá huỷ bê tông để phân tích phá hoại các bộ phận kết cấu các công trình nh cầu, vỏ hầm hay tờng chắn bê tông do xuất hiện và lan truyền mất ổn định của các đờng nứt là một hớng đi mới và đã khẳng định nhiều u điểm hơn so với các phơng pháp phân tích phá hoại truyền thống. Khi áp dụng phơng pháp này đòi hỏi phải tiến hành rất nhiều thí nghiệm để xác định các đặc trng cơ học của bê tông làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế và chẩn đoán phá hoại, đặc biệt là các đặc trng nứt cơ bản của vật liệu bê tông nh hệ số cờng độ ứng suất giới hạn (K IC ), độ bền nứt giới hạn (G c ) hay năng lợng phá huỷ G F ở các nớc phát triển, cơ sở dữ liệu về các đặc trng nứt của các loại bê tông có cấp hạng khác nhau, thành phần cốt liệu khác nhau, ứng dụng khác nhau đã đợc nhiều tác giả nghiên cứu và công bố, kết quả này là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn cũng nh phục vụ thiết kế và chẩn đoán phá hoại của các công trình bằng bê tông. ở Việt nam, theo điều tra thì hầu nh trong các quy trình về bê tông trong các lĩnh vực xây dựng, giao thông, thuỷ lợi thì các kết quả tính toán về các đặc trng nứt của các loại bê tông xây dựng là cha có. Vì thế, đối với riêng ngành giao thông việc xây dựng một bộ dữ liệu về các đợc trng nứt của các loại bê tông thông thờng là cần thiết, quy trình thí nghiệm chuẩn và mẫu thí nghiệm cũng cần thống nhất để có thể sử dụng các kết quả tính toán này trong các trờng hợp khác nhau. Kết quả thí nghiệm có đợc sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu về phá huỷ và lan truyền nứt của các bộ phận kết cấu công trình nh cầu, vỏ hầm hay tờng chắn, ngoài ra các kết quả này còn có thể áp dụng đối với các bộ phận kết cấu công trình khác trong lĩnh vực xây dựng dân dụng hay thuỷ lợi sử dụng các loại bê tông tơng tự. ii. Cơ sơ đề xuất phơng pháp thí nghiệm - Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05. - Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN18-79. - TCVN 3121 Tiêu chuẩn Việt nam, tập 10. - Các tiêu chuẩn về vật liệu và kết cấu bê tông và tiêu chuẩn chuyên ngành khác trong nớc và nớc ngoài. - Các quy định và gợi ý của RILEM (1) về tiến hành các thí nghiệm xác định các đặc trng nứt của các loại bê tông (RILEM Recommendation 1985 và RILEM Draft Recommendation1991). - Điều kiện cơ sở vật chất, nhân lực hiện có của các phòng thí nghiệm trong nớc có thể sử dụng để tiến hành các thí nghiệm. Đặc biệt là của phòng thí nghiệm LAS-XD125, Trờng ĐHXD. - Các tài liệu về cơ học rạn nứt và cơ học phá huỷ bê tông, các bài báo, công trình đã công bố trên thế giới về thực hiện các thí nghiệm xác định các đặc trng nứt của các loại bê tông. - Gợi ý GS Z. P. BAZANT (Trờng đại học Northwestern, Mỹ) dành cho các tác giả bài báo về thực hiện các mẫu thí nghiệm xác định các đặc trng nứt của bê tông theo mô hình SEM (size effect model). CT 2 iii. lựa chọn dạng mẫu thí nghiệm v quy trình thí nghiệm Cho đến nay, để tiến hành thí nghiệm xác định các đặc trng nứt của bê tông có nhiều phơng pháp khác nhau, mỗi phơng pháp sử dụng mẫu thí nghiệm, quy trình thí nghiệm khác nhau và thờng là phù hợp với một môt hình phân tích nứt tơng ứng. Qua phân tích cách xác định các đặc trng nứt của bê tông theo các phơng pháp thí nghiệm khác nhau chúng ta thấy tựu trung lại có các đặc trng chủ yếu cần xác định đối với các loại bê tông sử dụng trong xây dựng cầu gồm: - Cờng độ ứng suất giới hạn K IC hoặc năng lợng phá huỷ G c có thể đợc xác định từ các thí nghiệm giống nh đối với các vật liệu dòn của cơ học rạn nứt thuần tuý hoặc theo phơng pháp ECM (Effective crack model Bushan Karihaloo). - Năng lợng phá huỷ toàn phần G F đợc xác định từ công phá huỷ W F có đợc trực tiếp từ biểu đồ quan hệ tải trọng biến dạng (P - v). - Năng lợng phá huỷ một phần G f đợc xác định theo mô hình SEM (size effect model Bazant. Z) có đợc từ giá trị tải trọng lớn nhất gây lan truyền nứt trong dầm P max . Từ đây có thể suy ra G F theo quan hệ giữa G f và G F . Các mẫu thí nghiệm có thể là mẫu dầm có hoặc không đờng nứt mồi uốn trên 3 hay 4 điểm, mẫu dầm hẫng kép, mẫu dầm xoắn kép, mẫu kéo compact, mẫu dạng tấm, mẫu dạng khối. Trong đó mẫu dầm uốn trên 3 điểm có hoặc không đờng nứt mồi đợc đánh giá là đơn giản và hiệu quả nhất, đặc biệt phù hợp với các kết cấu chịu uốn nh dầm hay bản (Bazant & al 2003). Theo RILEM Recommendation (1985) và RILEM draft Recommendation (1991), mẫu dầm uốn trên 3 điểm có đờng nứt mồi đợc lựa chọn nh là mẫu chuẩn để thí nghiệm các đặc trng nứt. Vì thế chúng tôi cũng sử dụng mẫu dầm uốn trên 3 điểm có đờng nứt mồi làm mẫu chuẩn để thí nghiệm xác định các đặc trng nứt của các loại bê tông trong xây dựng giao thông. Quy trình thí nghiệm các đặc trng nứt trên đợc lấy theo đề nghị của các tác giả của các mô hình nứt tơng ứng có xem xét đến điều kiện cơ sở vật chất và nhân lực của các phòng thí nghiệm hiện có trong nớc cũng nh là có tham chiếu các tiêu chuẩn về bê tông và các tiêu chuẩn chuyên ngành về xây dựng các công trình giao thông và xây dựng của Bộ GTVT và Bộ XD nh ở trên. iv. Thí nghiệm v phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm 4.1. Chuẩn bị thí nghiệm Yêu cầu chung về thí nghiệm. + Bê tông thí nghiệm: Sáu cấp bê tông đợc lựa chọn theo cờng độ chịu nén của mẫu nén hình trụ 15 x 30cm từ 20MPa đến 50 MPa (20,25,30,35,40,50 MPa). Các thí nghiệm nén mẫu trụ đợc thực hiện với bê tông cùng loại với bê tông đúc mẫu dầm trong các thí nghiệm lan truyền nứt (D1 đến D4). Các đặc trng chính của cốt liệu nh tỷ lệ N/X, tỷ lệ thành phần cốt liệu, đờng kính cốt liệu lớn nhất (D max ) không quá 20mm. Cấp phối bê tông tơng ứng với từng cấp bê tông đợc cung cấp bởi phòng thí nghiệm LAS - XD125 - ĐHXD Hà nội. Sử dụng phụ gia siêu dẻo SIKA R4 khi đổ bê tông từ cấp 40 trở lên, với tỷ lệ pha trộn là 0.8 đến 1.2l cho một 100kg xi măng. Bê tông đợc bảo dỡng trong 28 ngày trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm tiêu chuẩn. + Mẫu thí nghiệm: Kích thớc và số lợng các bộ mẫu thí nghiệm đợc lấy nh bảng 1 dựa trên các cơ sở thí nghiệm ở trên. Bảng 1 CT 2 Kích thớc Loại dầm B(mm) W(mm) l(mm) L(mm) a o (mm) D1 50 50 150 165 10 D2 50 100 300 330 20 D3 50 200 600 660 40 Dầm có tạo nứt mồi (4 bộ dầm) D4 50 400 1200 1320 80 B - chiều rộng dầm. W - chiều cao dầm. l - chiều dài nhịp dầm. L - chiều dài toàn dầm. a o - Chiều dài đờng nứt mồi. Yêu cầu tới nớc trong 24 giờ đầu tiên để bảo dỡng. Đo lại kích thớc mẫu trớc khi chuẩn bị thí nghiệm. Đúc 5 mẫu để thí nghiệm trớc khi đúc hàng loạt. Tổng số mẫu dầm có vết nứt mồi là: 4 x 5 x 6 = 120 mẫu (4 bộ tơng ứng với 4 kích thớc từ D1 đến D4 với 6 cấp bê tông khác nhau, mỗi bộ đúc 5 mẫu dầm). + Thiết bị thí nghiệm Ván khuôn chuẩn bị đồng bộ cho các kích thớc và hình dạng mẫu thí nghiệm khác nhau. Máy nén có khống chế đợc gia tăng tải trọng trong quá trình chất tải. Thiết bị đo biến dạng, độ võng (tensometres, indicateur, dattrích ). Thiết bị đo độ mở rộng đờng nứt (CMOD). Các loại máy khác Hình 1. Thiết bị thí nghiệm + Bố trí thí nghiệm: Sử dụng một thanh treo để treo đồng hồ đo võng sao cho vị trí kim đồng hồ trùng với trục trung hoà của mẫu dầm để loại bỏ các hiệu ứng của gối lún. Sử dụng hai đồng hồ đo thiên phân kế đợc gắn nh hình 2 để đo độ võng dầm và đo độ mở rộng của đờng nứt. CT 2 A CMOD Ho ao A W B L S ao P Hình 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm Sử dụng thêm một tensomét cơ hoc và đatrich đo biến dạng (dùng máy đo 602) để kiểm tra kết quả tính toán. Quy trình thí nghiệm: Thí nghiệm đợc tiến hành trên máy trong điều kiện khống chế biến dạng để đảm bảo lan truyền nứt là ổn định, thời gian gia tải trong khoảng từ 1 đến 10 phút. Kết quả cần đo: Các kết quả yêu cầu đo gồm: + Tải trọng giới hạn phá huỷ Pmax. + Thời gian gia tải t (cho từng cấp tải). + Quan hệ ứng suất biến dạng tải trọng - độ võng (ở mặt cắt giữa nhịp) (P - ). + Quan hệ tải trọng - độ mở rộng đờng nứt (P - CMOD). 4.2. Tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm về lan truyền nứt đợc thực hiện với các mẫu dầm từ D1 đến D4 trên máy uốn mẫu dầm của phòng thí nghiệm LAS - XD125, Trờng ĐHXD với sự hợp tác của KS. Lê Huy Nh, trởng phòng thí nghiệm và các cộng sự. Thời gian thí nghiệm từ 4 đến 13/10/2006. Cấp gia tải đợc chọn phụ thuộc vào kích thớc dầm sao cho thu đợc số liệu cần thiết. Hình 3. Mẫu dầm thí nghiệm trớc v sau khi phá huỷ 4.3. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm. 4.3.1. Phân tích xử lí kết quả thí nghiệm Kết quả chính của thí nghiệm thu đợc gồm tải trọng P max làm lan truyền các đờng nứt mồi (bảng 2) của các mẫu dầm. Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng (P - v) và tải trọng - CMOD của các cấp bê tông có cờng độ chịu nén nhỏ hơn 25MPa (ví dụ đối với dầm D4, f c = 20MPa nh hình 4), đối với các cấp bê tông có cờng độ cao hơn các quan hệ này không thu đợc. Bảng 2. Tải trọng lan truyền nứt P max (N) cho từng kích thớc dầm Các cấp bê tông thí nghiệm D1 D2 D3 D4 Ký hiệu 20 MPa 1652.30 2810.76 4227.13 7824.46 PP o i(20) 25 MPa 2331.15 3073.67 5502.43 10412.33 PP o i(25) 30 MPa 2495.96 3254.17 6246.03 10975.43 PP o i(30) 35 MPa 2813.80 3556.32 6467.73 11885.80 P CT 2 P o i(35) 40 MPa 2819.69 3783.91 7166.21 12533.26 PP o i(40) 50 MPa 3006.08 4107.64 7882.34 13259.20 PP o i(50) Hình 4. Quan hệ P - v v P - CMOD của dầm D4 (f c = 20MPa) Từ các kết quả thí nghiệm trên tính ra đợc giá trị các đặc trng nứt của bê tông thí nghiệm gồm: - Hệ số cờng độ ứng suất giới hạn (K IC ) và độ bền nứt giới hạn (G c ). Các kết quả này đợc biểu diễn theo cờng độ chịu nén f c , chiều cao dầm W của bê tông nh hình 5, 6 và 7. - Năng lợng nứt giới hạn G f theo mô hình SEM của Bazant, và chiều dài đặc trng (c f tính theo Bazant và l ch tính theo Hillerborg) của vùng phá huỷ (FPZ) nh hình 8. Hình 5. Biến đổi hệ số cờng độ ứng suất K IC v độ bền nứt G c theo f c Hình 6. Biến đổi hệ số cờng độ ứng suất K IC v độ bền nứt G c theo kích thớc dầm W CT 2 Hình 7. Biến đổi hệ số cờng độ ứng suất K e IC theo fc v theo kích thớc dầm W (Đặc trng nút ny tính theo mô hình ECM của Karihaloo) Hình 8. Biến đổi các giá trị năng lợng nứt (G f ) v chiều di đặc trng nứt (c f v l ch ) theo f c 4.3.2. Đánh giá về quá trình v kết quả thí nghiệm - Thí nghiệm để xác định đợc quan hệ tải trọng - độ võng (P - v) đầy đủ (có cả phần ứng xử mềm hoá của bê tông) để từ đó xác định năng lợng nứt toàn phần G F theo phơng pháp công phá hoại là tơng đối khó vì để đo đợc quan hệ này thì điều kiện thí nghiệm đòi hỏi phải rất hiện đại và đầy đủ máy móc thiết bị cần thiết. Với cơ sở vật chất và năng lực của các phòng thí nghiệm ở Việt nam hiện nay, việc tiến hành đo quan hệ tải trọng - độ võng (P - v) hoặc tải trọng - độ mở rộng đờng miệng đờng nứt (CMOD) là rất khó khăn. Thực tế đã chứng minh là các tác giả đề tài này chỉ đo đợc quan hệ này với mẫu dầm bê tông cấp từ 25 MPa trở xuống khi bê tông có đủ tính dẻo, còn từ cấp 30 MPa trở lên thì không thể đo đợc các quan hệ này. - Xác định năng lợng nứt trớc đỉnh phá hoại G f tơng đối dễ dàng vì chỉ cần các giá trị Pmax. Từ đây có thể tính đợc G F . Đây là phơng pháp phù hợp với điều kiện Việt nam, từ đó suy ra G F thông qua mối quan hệ giữa chúng và có thể ngoại suy đợc dạng đờng cong ứng xử mềm hoá (softening behavior). Hiện tại, có rất nhiều nghiên cứu của các tác giả nổi tiếng trên thế giới về mối quan hệ giữa G f và G F cho các loại bê tông, đặc biệt là các nghiên cứu của Z.P. Bazant đã chỉ ra rằng G F 2.5G f . Vì thế thay vì tiến hành đo đạc G F thì chỉ cần đo G f . - Việc lựa chọn mẫu thí nghiệm và quy trình thí nghiệm trên cơ sở các gợi ý của RILEM có tham khảo các quy trình về bê tông và quy trình thiết kế của Bộ GTVT và Bộ XD nh trên là tối u nhất trong điều kiện hiện có của các phòng thí nghiệm ở Việt nam hiện nay. - So sánh với các kết quả nghiên cứu tơng tự ở nớc ngoài (Bazant 1984 - 2002; Karihaloo 1986 - 1995) cho thấy: Phạm vi biến đổi của các đặc trng nứt của bê tông theo các cấp hạng bê tông hay theo kích thớc các mẫu thí nghiệm là gần nh nhau. Biến thiên của các giá trị thí nghiệm thu đợc có dạng nh các nghiên cứu của tác giả trên. v. kết luận v kiến nghị Một bộ dữ liệu về các đặc trng nứt cơ bản nh hệ số cờng độ ứng suất giới hạn K IC , độ bền nứt giới hạn G c và năng lợng nứt G f của các loại bê tông thờng dùng trong xây dựng các công trình giao thông có cờng độ chịu nén f c thay đổi từ 20 MPa đến 50 MPa đã đợc tính toán, đánh giá và có so sánh với các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác trên thế giới. Kết quả này hoàn toàn có thể là số liệu tham khảo cho những ngời quan tâm. Đây cũng mới chỉ cơ sở đầu tiên đặt nền móng cho của các nghiên cứu khác của các tác giả bài báo liên quan đến việc sử dụng lí thuyết rạn nứt và phá huỷ bê tông trong tính toán thiết kế và chẩn đoán phá hoại của các công trình nh cầu, vỏ hầm hay tờng chắn. Một kiến nghị nhỏ của chúng tôi là cần phải có chính sách đầu t hơn nữa cho các phòng thí nghiệm trọng điểm nói chung và các phòng thí nghiệm về bê tông nói riêng để có đầy đủ các máy móc thiết và nhân lực để đáp ứng đợc các yêu cầu đo đạc phức tạp và theo kịp với các yêu cầu nghiên cứu hiện nay. CT 2 Tài liệu tham khảo [1]. Trần Thế Truyền. Nghiên cứu xây dựng bộ cơ sở dữ liệu về các đặc trng nứt của các loại bê tông dùng trong xây dựng cầu. Đề tài KHCB, ĐHGTVT, 2006. [2]. Trần Thế Truyền. Etude du model de rupture par propagation des fissures dans les poutres en beton arme, Memoire de fin detude, Ulg, 2004-2005. [3]. Trần Thế Truyền . Góp phần tính toán các bộ phận kết cầu theo lí thuyết cơ học rạn nứt bê tông. Đề tài KHCT, ĐHGTVT, 2005. [4]. Bhushan Karihaloo, fracture mechanics & structural concrete, Longman Scientific & Technical; New York : Wiley, 1995. [5]. Bazant. Z & Drahomir N. Propose for standard test of modulus of rupture, ACI material journal, 2001. [6]. Bazant. Z. Concrete fracture model: testing & practice, Eng F.M, 69, 2002. [7]. Bazant. Z & Os. Crack band theory for fracture of concrete, Material & Struct (RILEM) 16, 1983. [8]. Bazant. Z & Qiang Yu, Goangseupzi. Choice of standard fracture test for concrete and its statistical evaluation, Int. J. Fract, 2003Ă . đờng nứt mồi làm mẫu chuẩn để thí nghiệm xác định các đặc trng nứt của các loại bê tông trong xây dựng giao thông. Quy trình thí nghiệm các đặc trng nứt trên đợc lấy theo đề nghị của các tác. lĩnh vực xây dựng, giao thông, thuỷ lợi thì các kết quả tính toán về các đặc trng nứt của các loại bê tông xây dựng là cha có. Vì thế, đối với riêng ngành giao thông việc xây dựng một bộ. thí nghi ệ m v tính toán các đặc trng nứt của các loại bê tông dùng Trong xây dựng các công trình giao thông ThS. TRần thế truyền PGS. TS. nguyễn