Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 12: Cơ tính - biến dạng trong bê - tông xi - măng và hiện tượng ăn mòn môi trường

1Vật Liệu Xây Dựng (Construction Materials) Bộ môn Vật liệu Silicat Khoa Công Nghệ Vật Liệu Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-2 Cơ tính – biến dạng trong bê-tông xi-măng và hiện tượng ăn mòn môi trường VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-3 Giới hạn chịu lực của bê-tông
Vi cấu trúc và thành phần nguyên liệu bê-tông
Vai trò của vết nứt
Vai trò của lỗ rỗng VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-4 Vi cấu trúc bê-tông xi-măng
Đặc biệt lưu ý cấu trúc yếu của vùng chuyển tiếp Lỗ rỗng Cốt liệu C-S-H ngoài dung dịch C-S-H trên bề mặt Hạt XM khan, chưa thủy hóa Các C-H 2 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-5 Vùng chuyển tiếp trong vi cấu trúc Cốt liệu Vữa XM Lỗ rỗng lớn, tập trung sp C-H, tinh thể thô hơn VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-6 Cường độ chịu lực vs. độ rỗng
Đối với các vật liệu cấu trúc rời, độ rỗng (p) làm giảm cường độ chịu lực.
Quan hệ hàm mũ R = R0.exp(k.p)
Phương trình Power R = R0.(1-p)3 Đá bê-tông % Độ rỗng C C ư ờ ư ờ n g đ n g đ ộ c h ị ộ c h ị u l u l ự ự c c VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-7 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-8 Biến dạng, phá hoại khi nén
Khi nén mẫu có xu hướng bị ép lại theo phương vuông góc và dãn ra theo phương ngang Nứt vỡ dọc thớ nén Vết nứt vuông góc thớ nén không phát triển tiếp 3 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-9
Cốt liệu và vữa XM thể hiện quan hệ đàn hồi cho đến khi bị phá hoại
Quan hệ ứng suất biến dạng của bê-tông biểu hiện trạng thái trung gian cốt liệu và vữa XM
Bê-tông không biểu hiện quan hệ đàn hồi cho đến khi bị phá hoại hoàn toàn. Quan hệ ứng suất vs. biến dạng đàn hồi Biến dạng, 10-6 Ứ Ứ n g s u n g s u ấ ấ t , M P a t , M P a Vữa XM Cốt liệu đá Bê-tông VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-10 Nguyên nhân Biến dạng % % ứ ứ n g s u n g s u ấ ấ t t t t ớ ớ i h i h ạ ạ n n ƯS tới hạn ƯS tới hạn ƯS tới hạn ƯS tới hạn Phá hoại tại vùng chuyển tiếp VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-11 Modun đàn hồi
Quan hệ ứng suất vs. biến dạng, xem như đàn hồi ở 1/3 trạng thái ứng suất tới hạn
3 giá trị Modun đàn hồi tĩnh • Modun đàn hồi tiếp tuyến • Modun đàn hồi cát tuyến • Modun đàn hồi dây cung Biến dạng Ừ Ừ n g s u n g s u ấ ấ t t Cát tuyến Cung Tiếp tuyến trước Tiếp tuyến sau 75% VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-12 Modun đàn hồi Modun đàn hồi cát tuyến E=∆σ/∆ε Thí nghiệm chu kỳ nén – xả nén, 10 lần mẫu trụ ASTM Thỏa mãn yêu cầu độ dãn dài của 2 lần đo chênh lệch < 0,01mm/m 33% Ứng suất tới hạn 4 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-13 Các yếu tố ảnh hưởng đã biết
Tỉ lệ nước/ XM
Hàm lượng xi-măng sử dụng
Điều kiện bảo dưỡng, nhiệt độ
Kích thước hạt cốt liệu
.. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-14 Yếu tố hình dạng
Phụ thuộc yêu cầu tiêu chuẩn ASTM, TCVN
Thông thường Rtrụ # 0,8 Rlphương
Mẫu trụ cho phép trạng thái ứng suất đều hơn, hạn chế biến dạng ngang.
Mẫu lập phương dễ đổ, mặt mẫu nhẵn không cần hiệu chỉnh 150x150x150mm 160x320mm VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-15 Hầm thủ thiêm VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-16 5 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-17 CHÂN CẦU TRÀ KHÚC VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-18 Biến dạng, thay đổi thể tích
Biến dạng do tác nhân phản ứng hóa học
Biến dạng do co ngót, độ ẩm
Biến dạng do nhiệt độ, co khô
Biến dạng từ biến
NHÌN CHUNG: biến dạng thể tích biểu hiện đồng thời và là nguyên nhân chính gây nứt vỡ phá hoại VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-19 Tác nhân phản ứng hóa học Tác nhân độ ẩm, bay hơi - Tác nhân bay hơi môi trường, co khô - Tác nhân chênh lệch nhiệt độ 2h 24h tgian Đóng rắn VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-20 Tác nhân phản ứng hóa học
Phản ứng hydrat hóa của xi-măng
Bắt đầu hình thành vi cấu trúc sản phẩm thủy hóa 6 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-21 Chênh lệch độ co là nguyên nhân gây nứt tế vi Thời điểm có ý nghĩa quyết định VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-22
Vết nứt có chiều dài khác nhau, khoảng cách từ vài cm đến 3cm.
Nguyên nhân: + Nhiệt độ thời tiết nóng và khô + Tốc độ gió cao + Bê tông không được che phủ và bảo dưỡng tốt.
Cách phòng tránh + Giảm nhiệt độ khi đổ bê tông + Tiến hành các biện pháp bảo dưỡng bê tông Bay hơi nước vượt quá sự tách nước của bê tông VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-23 Tác nhân co khô Bay hơi nước N/X=0,35 - Mẫu khô, 50% RH, 200C - Mẫu ướt, ngâm trong nước ở 200C - Mẫu bảo dưỡng theo chu kỳ 1 tuần ở 50% RH, 200C - 1 tuần ở 90% RH, 200C VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-24
Trong trường hợp khối vật liệu bê- tông, hiện tượng co khô diễn ra không đều từ trong lõi  ngoài bề mặt.
Dẫn đến nứt trên bề mặt Tác nhân co khô Vết nứt 7 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-25
Co khô trung bình khoảng 0,5 mm/m chiều dài (max 0,8 mm/m) hay 0,80/00 khi phát triển cường độ.
Phụ thuộc nhiều vào: • Tỉ lệ N/X • Môi trường nhiệt độ, độ ẩm • Cấu kiện lớn, tốc độ co càng chậm  rạn mặt dày đặc VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-26 Lượng nước, kg/m3 C o n g C o n g ó ó t , x 1 0 t , x 1 0 3 m m 3 m m / / m m Tác nhân co khô VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-27 Rạn nứt trên mặt
Vết nứt rạn bề mặt là mạng lưới các vết nứt nhỏ mà không sâu trên bề mặt, chỉ có thể nhìn thấy được khi bê tông khô sau khi bề mặt được tưới ẩm.
Do bề mặt chịu ứng suất kéo, gây ra bởi hiện tượng co ngót trong lớp vữa trên mặt và trong lòng khối bê-tông.
Do quá trình mất nước nhanh, do bảo dưỡng bê tông không đủ.
Do sự phân tầng của bê tông do đầm lèn quá nhiều. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-28
Cách khắc phục: • Giảm lượng nước trong hỗn hợp bê tông, giảm độ sụt 80 – 120 mm. • Giảm thể tích vữa, sử dụng cốt liệu kích cỡ phù hợp theo cấp phối chuẩn. • Công tác bảo dưỡng bê tông. • Tạo khe nhiệt để phòng tránh co ngót trong bê tông. • Đặt thêm cốt thép vào cấu kiện để hạn chế co ngót gây ra các vết nứt lớn. Tác nhân co khô 8 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-29 Tác nhân thay đổi nhiệt độ
Nhiệt tỏa ra từ thủy hóa xi-măng
Khi nhiệt độ tăng bê-tông dãn ra và khi nhiệt độ giảm thì lại co lại
Hiệu ứng chênh lệch nhiệt độ có ý nghĩa lớn trong trường hợp cấu kiện bê-tông khối lớn, nhiệt độ trong lòng bê-tông cao hơn bên ngoài.
Kết cấu bê-tông có cạnh nhỏ nhất (A) và chiều cao (H) lớn hơn 2m được xem là BT khối lớn trong điều kiện khí hậu Việt Nam VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-30 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-31 Hệ số biến dạng vì nhiệt, α=10-5 1/°C ∆T = 15 °C ε = α∆T = 1.5 x 10-4 E=20 GPa σ=Eε=3MPa > Rkéo bê- tông  Yêu cầu ∆T giới hạn tối đa 20°C VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-32
Nhiệt độ của bê tông sẽ tăng cao tại thời điểm nhiệt thủy hoá ban đầu và quá trình bảo dưỡng do nhiệt thủy hóa của xi măng. Kết quả là, bê tông sẽ nở ra tại tâm của cấu kiện lớn.
Khi nhiệt độ xuống thấp sẽ xuất hiện co ngót (nhiệt & co ngót thông thường).
Khắc phục • Hạn chế lượng dùng ximăng • Sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt • Hạ nhiệt độ của hỗn hợp bê tông, bảo dưỡng • Hạ nhiệt độ của cốt liệu (che chắn, phun nước và làm lạnh cốt liệu) • Hạ nhiệt độ của côp-pha 9 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-33 Tác nhân từ biến Ứng suất Biến dạng 1-Biến dạng tức thời 2-Biến dạng từ biến Gia tải Giỡ tải 3-Biến dạng đàn hồi 4-Biến dạng hồi phục Biến dạng không hồi phục tgian Hệ số biến dạng từ biến 2,5 (28 ngày) – 5 (3 ngày) Biến dạng từ biến = HSBDTB x Biến dạng tức thời VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-34 Do dịch chuyển pha lỏng khi ứs bé Do nứt tế vi + dịch chuyển pha lỏng khi ứs lớn Không khả năng hồi phục VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-35 Tổng hợp các biến dạng Dãn nở Co ngót Đường cong biến dạng co theo lý thuyết Đường cong biến dạng co theo thực tế N/X, T0C, RH% Thời điểm gia tải tgian Do co ngót Do tải, tức thời Do từ biến VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-36 Tổng hợp các biến dạng Biến dạng Giai đoạn có nguy cơ nứt vỡ, phá hoại nhiều nhất tgian Ứng suất 10 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-37 Ăn mòn và tính bền trong môi trường VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-38 Xâm thực ăn mòn hóa học
Các vết nứt hình thành trong cấu trúc bê-tông là điều kiện thuận lợi cho các xâm thực, ăn mòn hóa học từ môi trường
Phản ứng alkali cốt liệu
Phản ứng ăn mòn Cl-, SO42-, axít
Phản ứng carbonat hóa, vôi hóa. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-39 Phản ứng Carbonat hóa
Qúa trình hydrate hóa của XM tạo ra môi trường kiềm có pH ~ 13
Phản ứng carbonat
Tại pH ~ 13, cốt thép không bị ăn mòn, khi pH giảm, cốt thép có khả năng bị ăn mòn.
Cốt thép bị ăn mòn, gây trương nở thể tích, tạo ra vết nứt.
Ăn mòn cốt thép lan rộng ở bề mặt tiếp xúc. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-40 pH>13 pH<9 Phenoltalein Ăn mòn cốt thép 11 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-41 Ăn mòn do phản ứng Carbonat
Độ ẩm càng cao, ăn mòn do p.ứ. carbonat hóa càng cao.
Tính thấm bê tông càng cao, ăn mòn do p.ứ. carbonat hóa càng lớn B B ề d à ề d à y b y b ị ị p p . . ứ ứ . . VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-42 Bong tróc theo mảng Cốt thép bị gỉ Ăn mòn do phản ứng Carbonat Đổi màu, kết tủa, màu trắng VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-43 Ăn mòn Cl- Bong tróc theo mảng Tách lớp VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-44 Do nồng độ Cl- cao Do khuyết tật lớp bảo vệ cốt thép Ăn mòn cục bộ tại từng điểm 12 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-45 Ăn mòn Cl-
Cl- là tác nhân ăn mòn cốt thép
Đặc điểm: • Ăn mòn Cl- không lan rộng như ăn mòn carbonat mà ăn mòn cục bộ tại một điểm. • Ăn mòn Cl- xảy ra ở pH ~13
Tác động: • Tiết diện, khả năng chịu lực của cốt thép giảm • Không gây vết nứt cho công trình nhưng rất nguy hại và phá vỡ cấu kiện nhanh
Giải pháp: • Gỉam tính thấm của bêtông • Kiểm soát hàm lượng Cl- trong mọi thành phần nguyên liệu của bê tông VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-46 Ăn mòn Cl-
Phụ gia hóa học CaCl2
Cốt liệu chứa NaCl như cát biển, đá halite
Nước trộn bê-tông
Cl- trong mt nước biển
Cl- trong mt nước ngầm
Cl- trong sương muối, ô nhiễm Y/c kiểm soát hàm lượng Cl- theo kl bê-tông - bê-tông dự ứng lực <0,06% - bê-tông cốt thép đk thường <1% - bê-tông cốt thép đk ăn mòn <0,15% Y/c đánh giá môi trường ăn mòn Cl- theo %kl xi-măng <0,2% ăn mòn không đáng kể 0,2-0,4% ăn mòn ít 0,4-1,0% ăn mòn trung bình >1,0% ăn mòn mạnh