Bàn về từ biến của bê tông và ảnh hưởng của từ biến tới ứng xử dài hạn trên kết cấu công trình

Gốc
ThS. NGUYỄN THÀNH KHOA (Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội)
0:00 / 0:00
0:00

TÓM TẮT:

Kết cấu bê tông cốt thép khi chịu tác dụng của tải trọng dài hạn sẽ dễ sinh ra hiện tượng nứt, gãy; làm giảm khả năng chịu tải trọng của bê tông cốt thép. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến hiện tượng trên, nhưng một trong những nguyên nhân chủ yếu là do hiện tượng từ biến bê tông.

Bài viết nghiên cứu về từ biến của bê tông, ảnh hưởng của chúng tới ứng xử dài hạn trên kết cấu công trình và các yếu tố ảnh hưởng tới biến dạng từ biến bê tông.

Từ khóa: Bê tông, kết cấu cốt thép, từ biến, ảnh hưởng của từ biến.

1. Đặt vấn đề

Từ biến là một tính chất của tất cả các loại vật liệu xây dựng như thép, bê tông, khối xây gạch đá,… Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường, từ biến của thép là rất nhỏ (so với ở nhiệt độ cao). Từ biến làm tăng biến dạng của kết cấu, gây bất lợi cho công trình, vì vậy trong tính toán thiết kế cần phải kể đến từ biến.

Từ biến ảnh hưởng đến độ bền và ổn định của các kết cấu bê tông. Để hiểu rõ bản chất của từ biến và ảnh hưởng của nó tới kết cấu công trình, bài viết đi sâu phân tích về đặc điểm, thành phần của từ biến, ảnh hưởng của chúng tới ứng xử dài hạn trên kết cấu công trình.

2. Từ biến của bê tông

Từ biến của bê tông là biến dạng thay đổi theo thời gian khi có tác dụng của tải trọng dài hạn. Khi bê tông chịu tải trọng dài hạn, biến dạng từ biến sẽ tăng dần theo thời gian, tốc độ gia tăng của từ biến sẽ giảm dần khi thời gian tác dụng của tải trọng tăng lên. Khoảng thời gian ngay sau khi chịu tải trọng thì từ biến tăng nhanh chóng. Giá trị từ biến đạt khoảng 50% giá trị cuối cùng khi thời gian tác dụng tải trọng từ 2 đến 3 tháng, đạt khoảng 90% sau 2 đến 3 năm chịu tải, càng về sau tốc độ tăng từ biến càng chậm lại, theo Alexander và Beushausen, 2009 [4], Gilbert và Ranzi, 2010 [11]. (Hình 1)

Trong cùng một điều kiện nhiệt độ của môi trường, biến dạng từ biến cơ bản được tính bằng cách lấy tổng biến dạng theo thời gian của mẫu chịu tải trọng trừ đi biến dạng co ngót của mẫu không chịu tải trọng.

2.1. Cơ chế vi mô của từ biến

Từ biến của bê tông được cho là do một số cơ chế phức tạp khác nhau. Theo Gilbert và Ranzi, 2010 [11], bột xi măng cứng bao gồm một loại gel xi măng rắn chứa nhiều lỗ chân lông mao quản. Nhiều nhà nghiên cứu chấp nhận từ biến bê tông phần lớn là do từ biến của xi măng ngậm nước. Điều này là do giả định các cốt liệu bình thường cho thấy ít hoặc không có biến
dạng từ biến.

Mucambe, 2010 [13] đã nhóm các cơ chế của từ biến gồm: Khuếch tán độ ẩm,
nứt vi mô, biến dạng đàn hồi bị trì hoãn và điều chỉnh cấu trúc.

Điều chỉnh cấu trúc có thể xảy ra như là dòng chảy nhớt và phá vỡ liên kết cục bộ (Mucambe, 2010 [13]). Dòng chảy nhớt liên quan đến sự trượt của các tấm keo (của canxi silicat hydrat) trong gel xi măng giữa các lớp nước hấp thụ (Gilbert và Ranzi, 2010 [11]). Feldman và Sereda, 1968 [10] giải thích tương tự từ biến là do chuyển động của nước, tức là nước xen kẽ giữa các lớp gel. Chuyển động này làm cho các lớp gel trượt lên nhau dẫn đến thay đổi cấu trúc vi mô. Cuối cùng, biến dạng xảy ra do sự trượt của các lớp trong lực dính xi măng.
Hình 2 cho thấy một sơ đồ của mô hình Feldman và Sereda, 1968 [10].

Khi sự phá vỡ liên kết cục bộ xảy ra, các hạt được di chuyển và kết nối lại, điều này dẫn đến sự gia tăng các biến dạng.

2.2. Thành phần của từ biến

Các thành phần của từ biến thường có thể được tách thành hai thành phần:
Từ biến cơ bản và Từ biến khô (Hình 3). Hai thành phần này dựa trên ảnh
hưởng của độ ẩm tương đối (Atrushi, 2003 [5]). Từ biến cơ bản là từ biến xảy
ra ở độ ẩm không đổi hoặc khi không có trao đổi độ ẩm với môi trường. Từ biến
khô là do làm khô thêm bê tông.

Theo Gilbert và Ranzi, 2010 [11], các thành phần từ biến cơ bản và từ biến
khô là tập hợp con của hai phần biến dạng từ biến: Các phần có thể phục hồi vàkhông thể phục hồi. Trong đó, thành phần từ biến không thể phục hồi lớn hơn phần có thể phục hồi như trong Hình 4.

Phần có thể phục hồi của từ biến cũng có thể được gọi là biến dạng đàn
hồi bị trì hoãn, εcr d(t). Như đã thảo luận trong các cơ chế của từ biến, biến dạng đàn hồi bị trì hoãn được cho là do cốt liệu đàn hồi tác động lên bột xi măng sau khi dỡ tải [11].

2.3. Biểu thức từ biến

Từ công thức (2.1) và (2.2) có thể thu được mối quan hệ giữa hệ số từ biến và độ từ biến ở thời điểm t bất kỳ như sau:

3. Ảnh hưởng của từ biến tới ứng xử dài hạn trên kết cấu công trình

Tác động của từ biến lên kết cấu có thể gây ra các hiệu ứng có lợi hoặc bất lợi cho sự làm việc của kết cấu, Alexander và Beushausen, 2009 [3]. Từ biến góp phần cải thiện độ dẻo cho bê tông. Độ dẻo này được tăng cường bởi quan hệ giữa bột xi măng cứng và các hạt cốt liệu. Theo Gilbert và Ranzi, 2010 [11], từ biến khi xảy ra trên kết cấu công trình BTCT sẽ gây ra hiện tượng chùng ứng suất, có thể góp phần làm giảm sự hình thành và mở rộng vết nứt, nhất là trong
trường hợp kết cấu chịu tác động của biến dạng cưỡng bức như chuyển vị gối
tựa, chênh lệch vị trí ban đầu do sai số lắp dựng,…

Trên Hình 5 trình bày sự phân phối lại ứng suất trong cốt thép và bê
tông của kết cấu cột BTCT dưới tác động của biến dạng từ biến của bê tông, theo
Gilbert và Ranzi, 2010 [11]. Khi chịu tải trọng dọc trục, biến dạng trong cốt thép
và bê tông bằng nhau vì tính tương thích và liên kết giữa chúng. Tuy nhiên, khi
từ biến bê tông, làm cho cốt thép bị nén do đó làm tăng ứng suất nén trong thép.
Do điều kiện cân bằng, ứng suất nén trong bê tông bị giảm đi để cân bằng với sự
gia tăng ứng suất nén trong cốt thép.

Tương tự trên Hình 6 trình bày kết quả nghiên cứu của Gilbert và Ranzi, 2010 [11] về sự suy giảm của mô men uốn theo thời gian trên cấu kiện dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa. Đây cũng là trường hợp điển hình của hiện tượng chùng ứng suất trên kết cấu BTCT chịu uốn.

Hình 6: Biến động của mô men uốn theo thời gian do

từ biến trên dầm chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa [11]

4. Các yếu tố ảnh hưởng tới biến dạng từ biến bê tông

Độ lớn và tốc độ tăng biến dạng từ biến của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như thành phần cấp phối vật liệu chế tạo bê tông; điều kiện môi trường; điều kiện tải trọng; cường độ bê tông; kích thước cấu kiện;... Những yếu tố riêng tương tác qua lại không chỉ ảnh hưởng đến độ lớn cuối cùng của từ biến mà còn ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của từ biến, Bazant và Baweja, 1995 [6], BS 8110,1985 [7], Gilbert và Ranzi, 2010 [11], Morimoto và Koyanagi, 1994 [12].

(1) Tuổi bê tông tại lúc đặt tải

Độ lớn của từ biến phụ thuộc vào tuổi của bê tông lúc đặt tải. Chất tải khi tuổi bê tông bé sẽ cho giá trị từ biến lớn hơn khi chất tải ở tuổi bê tông lớn hơn EC2, 2004 [8], Gilbert và Ranzi, 2010 [11].

(2) Cường độ bê tông

Cường độ bê tông tỉ lệ nghịch với độ lớn của từ biến, Fanourakis and Ballim, 2006 [9]. Sự gia tăng cường độ bê tông có liên quan với sự sụt giảm của từ biến. Từ biến phụ thuộc vào các yếu tố như tỉ lệ nước - xi măng, loại xi măng, giống như các yếu tố này ảnh hưởng đến cường độ. Bê tông được xem là vật liệu cứng theo thời gian, mặc dù ngay cả khi tuổi bê tông rất già nhưng từ biến cũng không bao giờ biến mất hoàn toàn, Gilbert và Ranzi, 2010 [12], Morimoto và Koyanagi, 1994 [12].

(3) Điều kiện môi trường

Điều kiện môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm tương đối) ảnh hưởng lớn đến từ biến và tốc độ tăng từ biến, BS 8110, 1985 [7]. Từ biến bê tông phản ứng khác nhau đối với những yếu tố môi trường khác nhau. Từ biến tăng trong điều kiện độ ẩm môi trường giảm và ngược lại.

(4) Loại cốt liệu và độ lớn

Độ lớn của từ biến phụ thuộc vào kích cỡ và độ lớn của cốt liệu. Xét trên cùng một cường độ bê tông, từ biến giảm khi kích thước cốt liệu tăng, Gilbert và Ranzi, 2010 [11]. Nếu kích cỡ và độ lớn cốt liệu rất lớn, từ biến sẽ giảm đáng kể. Khi chất lượng của cốt liệu tăng lên thì đồng nghĩa với sự giảm xuống của từ biến.

(5) Diện tích tiết diện và kích thước cấu kiện

Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến từ biến bê tông là diện tích tiếp xúc của cấu kiện với môi trường xung quanh. Từ biến tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc với môi trường của cấu kiện. Khi diện tích tiếp xúc lớn, do sự trao đổi với môi bên ngoài lớn thì từ biến sẽ lớn hơn, Bazant và Baweja, 1995 [6]. Từ biến trong các cấu kiện có kích thước bé sẽ lớn. Từ biến ở bề mặt cấu kiện xảy ra trong điều kiện môi trường khô và do đó nó sẽ lớn hơn khu vực xa bề mặt cấu kiện. Như vậy, những cấu kiện có hình dạng mỏng thì tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn và dẫn đến từ biến sẽ lớn hơn, Gilbert và Ranzi, 2010 [11], Morimoto và Koyanagi, 1994 [12].

(6) Độ lớn ứng suất

Biến dạng từ biến của bê tông phụ thuộc vào giá trị độ lớn của ứng suất trong bê tông. Khi cấu kiện bê tông chịu ứng suất nhỏ hơn hoặc bằng khoảng một nửa cường độ chịu nén đặc trưng, biến dạng từ biến có thể xem là có quan hệ tuyến tính với ứng suất và được gọi là “từ biến tuyến tính”. Khi ứng suất lớn hơn 50% cường độ chịu nén của bê tông 0,5f’c, từ biến tăng nhanh và quan hệ không tuyến tính đối với ứng suất là không thể bỏ qua. Trong thực tế, ứng suất nén trong bê tông hiếm khi vượt quá 0,5f’c dưới tải trọng trong giai đoạn sử dụng, do đó thông thường người ta tính toán theo lý thuyết từ biến tuyến tính, Gilbert và Ranzi, 2010 [11]

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Tiếng Việt

Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Trung Hiếu (2018), “Phân tích, đánh giá một
số mô hình toán học dự báo biến dạng từ biến của bê tông”, Tạp chí Kết
cấu Công nghệ Xây dựng ISSN 1859.3194, số 28-2018.
Nguyễn Mạnh Hùng (2021). Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài hạn của dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa”.

Tiếng Anh

Addis, B., and Owens, G., (2005) “Midrand: Cement and Concrete
Institute”, Fundamentals of concrete.
Alexander. M. G., and Beushausen, H., (2009), “Deformation and volume
change of hardened concrete”, Fulton’s Concrete Technology, 9th edition,
Owens, G (Ed) Midrand: Cement and Concrete Institute, pp. 111-154.
Atrushi, S. D, (2003) “Tensile and Compressive Creep of Early Age
Concrete: Testing and Modelling”, Doctoral Thesis. The Norwegian
University of Science and Technology Trondheim, Norway
Bažant, Z. P., and Baweja, S., (1995), “Creep and Shrinkage Prediction
Model for Analysis and Design of Concrete Structures—Model B3,”
Materials and Structures, V. 28, pp. 357-365, 415-430, 488-495.
BS 8110, (1985), Structural use of concrete, Part 2: “Code of practice for
design and construction”. London: British Standards Institution (BSI).
BS EN 1992-1-1, (2004), Eurocode 2: “Design of concrete structures, Part
1-1: General – common rules for buildings and civil engineering
structures”. London: British Standards Institution (BSI).
Fanourakis, G. C., and Ballim, Y, (2006), “An assessment of the accuracy
of nine design models for predicting creep in concrete” Journal of the
South African Institution of Civil Engineering, Vol.48, no.4.
Feldman, R. F. and Sereda, P. J., (1968), “A model for hydrated Portland
cement paste as deduced from sorption-length change and mechanical
properties”. Matériaux et construct. 1:509-520.
Gilbert, R.I. and Ranzi, G., (2010), “Time-Dependent Behaviour of
Concrete Structures”, Hoboken: Taylor Francis Ltd.
Morimoto H. and Koyanagi, W, (1994). Estimation of stress relaxation in
concrete at early ages, Proceedings of the RILEM International
Symposium on Thermal cracking in early ages, Munich, 10-12 October
1994, edited by R. Springenschmidt, Chapman and Hall, London 1995,
pp.111 - 116.
Mucambe, E. S, (2010), “Creep and Shrinkage Prediction Models for
Concrete water Retaining Structures in South Africa”, MSc (Eng.) Thesis,
University of Stellenbosch.
McMillan, F. R., (1916), “Method of designing reinforced concrete slabs,
Discussion of A. C. Janni's paper”, Trans ASCE 80, p. 1738.

Discussing the creep in concrete and its long-term impacts

on the reinforced concrete structures

Master. Nguyen Thanh Khoa

Hanoi Architectural University

ABSTRACT:

Reinforced concrete structures usually experience cracks after a long time of bearing loads and these cracks weaken the load-bearing capacity of the structures. There are many causes to this issue including the effect of creep on the reinforced concrete structures. This paper discusses the creep in concrete and its long-term impacts on the reinforced concrete structures. This paper also examines the factors affecting the effect of creep on the reinforced concrete structures.

Keywords: concrete, reinforced concrete structures, creep, the effect of creep.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 7, tháng 3 năm 2021]

Nguồn Tạp chí Công thương http://tapchicongthuong.vn/bai-viet/ban-ve-tu-bien-cua-be-tong-va-anh-huong-cua-tu-bien-toi-ung-xu-dai-han-tren-ket-cau-cong-trinh-80534.htm