Cách sợi thép cải thiện bê tông siêu cao cấp (UHPC)

Sợi thép có tác động đáng kể đến tính chất cơ học của bê tông siêu cao cấp (UHPC). Nó có thể nâng cao hiệu quả các tính chất quan trọng như độ bền kéo, khả năng chống nứt, độ bền va đập và độ dẻo.

Điều này chủ yếu là do sợi thép có độ bền cao hơn nhiều so với ma trận bê tông và tạo ra liên kết chắc chắn với nó, giúp ngăn ngừa sự hình thành và lan rộng của vết nứt. Khi hàm lượng sợi tăng lên, độ bền kéo của bê tông cường độ cực cao (UHPC) dần được cải thiện, dẫn đến hiệu suất kết cấu tổng thể tốt hơn.

Ảnh hưởng của sợi thép đến khả năng chảy của bê tông siêu cao cấp (UHPC)

Việc bổ sung sợi thép có tác động tiêu cực đến khả năng chảy của bê tông siêu cao cấp (UHPC).

Với cùng hàm lượng sợi, bê tông cường độ cực cao (UHPC) được gia cường bằng sợi ngắn, thẳng và không có móc thể hiện khả năng chảy tốt nhất, trong khi cả sợi có đầu móc lẫn sợi thẳng dài hơn đều dẫn đến sự suy giảm ở các mức độ khác nhau về khả năng chảy.

Điều này chủ yếu là do sợi dài hơn làm tăng sức cản khi trộn, và các sợi có đầu móc dễ bị quấn vào nhau và tạo thành các cục trong quá trình trộn, từ đó làm giảm thêm khả năng thi công.

Khi hàm lượng sợi thép vượt quá 2,01%, độ chảy của bê tông cường độ cực cao (UHPC) giảm đáng kể, dẫn đến khả năng thi công kém hơn và quá trình thi công trở nên khó khăn hơn.

Ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ nén của bê tông siêu cao cấp (UHPC)

Khi hàm lượng sợi thép tăng lên, cường độ nén sau 28 ngày của bê tông siêu cao cấp (UHPC) thường có xu hướng tăng. Tuy nhiên, khi hàm lượng sợi ngắn, thẳng và không có móc vượt quá 1,5%, cường độ nén bắt đầu giảm.

Khi hàm lượng sợi thép là 0,1%, cường độ nén sau 28 ngày của nhóm đối chứng là 97,6 MPa. Ở hàm lượng sợi 2,51%, cường độ nén sau 28 ngày của bê tông siêu cao cường (UHPC) được gia cường bằng sợi có đầu móc, sợi thẳng dài không có móc và sợi thẳng ngắn không có móc lần lượt đạt 156,5 MPa, 147,4 MPa và 130,6 MPa tương ứng — tương ứng với mức tăng 60,31 MPa, 51,01 MPa và 33,81 MPa so với nhóm đối chứng.

Xét về xu hướng chung, sợi thép có đầu móc mang lại hiệu quả gia cường đáng kể nhất. Điều này chủ yếu là do hình dạng móc của chúng, giúp tạo ra sự neo giữ cơ học tốt hơn và liên kết chắc chắn hơn với ma trận xi măng, từ đó cải thiện khả năng truyền tải tải trọng và khả năng giam giữ. Mặc dù độ chảy của bê tông cường độ cực cao (UHPC) có thể giảm, nhưng hiệu quả gia cường về độ bền lại rõ rệt hơn.

Ngược lại, các sợi ngắn thẳng không có móc có thể cải thiện độ bám dính và độ bền tại các giao diện ngay cả khi sử dụng với liều lượng thấp hơn. Tuy nhiên, khi hàm lượng vượt quá 1,5%, các sợi trở nên khó phân tán đều trong quá trình trộn, dẫn đến hiện tượng kết tụ quá mức. Tại những khu vực này, không thể đạt được sự bao bọc ma trận thích hợp, dẫn đến các giao diện yếu và cuối cùng làm giảm cường độ nén của bê tông siêu cao cường (UHPC).

Ảnh hưởng của sợi thép đến độ bền uốn của bê tông siêu cao cấp (UHPC)

Khi hàm lượng sợi thép tăng lên, cường độ uốn sau 28 ngày của bê tông siêu cao cấp (UHPC) thường có xu hướng tăng. Tuy nhiên, khi hàm lượng sợi ngắn, thẳng và không có móc vượt quá 1,0%, cường độ uốn bắt đầu giảm.

Khi hàm lượng sợi thép là 0%, cường độ uốn sau 28 ngày của nhóm đối chứng là 17,9 MPa. Với hàm lượng sợi là 2,5%, độ bền uốn sau 28 ngày của UHPC được gia cố bằng sợi có đầu móc, sợi thẳng dài không có móc và sợi thẳng ngắn không có móc lần lượt đạt 39,9 MPa, 32,5 MPa và 22,7 MPa — tương ứng với mức tăng 122,9%, 81,61% và 26,81% so với nhóm đối chứng.

Sự cải thiện về độ bền uốn của sợi có đầu móc và sợi thẳng dài cao hơn đáng kể so với độ bền nén. Điều này chủ yếu là do độ dẻo dai cao của sợi thép, cũng như tác dụng liên kết hiệu quả nhờ chiều dài của chúng và, trong trường hợp sợi có đầu móc, sự neo giữ cơ học ở cả hai đầu. Những yếu tố này giúp tăng cường sự liên kết với ma trận, cải thiện khả năng chống nứt và mang lại hiệu suất uốn vượt trội.

Ngược lại, các sợi ngắn thẳng không có móc có chiều dài ngắn hơn, bề mặt nhẵn và không có điểm bám ở hai đầu. Khi chịu tải uốn, các điểm yếu có xu hướng hình thành nhiều hơn tại giao diện giữa các sợi và vữa. Các sợi có thể bị kéo ra dễ dàng hơn, dẫn đến nứt sớm và độ bền uốn thấp hơn.

Ảnh hưởng của sợi thép đến độ bền kéo tách của bê tông siêu cao cấp (UHPC)

Khi hàm lượng sợi thép tăng lên, độ bền kéo khi cắt sau 28 ngày của bê tông siêu cao cấp (UHPC) được cải thiện đáng kể.

Khi hàm lượng sợi là 0%, độ bền kéo tách sau 28 ngày của nhóm đối chứng là 6,5 MPa. Với hàm lượng sợi là 2,5%, các giá trị đối với UHPC được gia cố bằng sợi có đầu móc, sợi thẳng dài không có móc và sợi thẳng ngắn không có móc lần lượt đạt 16,5 MPa, 15,3 MPa và 12,7 MPa — tương ứng với mức tăng 153,8%, 135,4% và 95,4% so với nhóm đối chứng.

Trong số các loại sợi khác nhau, sợi thép có đầu móc cho thấy sự cải thiện đáng kể nhất về độ bền kéo khi tách. Ngược lại, khi hàm lượng sợi thẳng ngắn không có móc vượt quá 1,5%, hiệu quả gia cường trở nên kém rõ rệt hơn.

Điều này cho thấy chiều dài sợi và sự hiện diện của các đầu sợi có móc đóng vai trò quan trọng trong việc gia cố cấu trúc bên trong của bê tông cường độ cực cao (UHPC) và tăng cường độ bám dính tại giao diện sợi–ma trận.

Ảnh hưởng của sợi thép đến tỷ lệ kéo/nén và tỷ lệ uốn/nén của bê tông siêu cao cấp (UHPC)

Tỷ lệ cường độ uốn trên cường độ nén của bê tông là tỷ lệ giữa cường độ uốn và cường độ nén của vật liệu này. Chỉ số này thường được sử dụng để đánh giá độ bền va đập của bê tông, đặc biệt trong các ứng dụng như mặt đường chịu tải nặng và kỹ thuật cầu đường. Tỷ lệ càng cao thì độ bền va đập càng tốt.

Tỷ lệ cường độ kéo trên cường độ nén là tỷ lệ giữa cường độ kéo khi tách và cường độ nén. Chỉ số này được sử dụng để đánh giá độ an toàn và độ ổn định của bê tông. Tỷ lệ càng cao cho thấy hiệu suất càng ổn định và nguy cơ gãy giòn càng thấp.

Khi hàm lượng sợi thép tăng lên, tỷ lệ giữa cường độ kéo và cường độ nén của bê tông siêu cao cấp (UHPC) có xu hướng tăng lên nói chung.

Khi hàm lượng sợi là 0%, tỷ lệ này đối với nhóm đối chứng là 0,08. Ở hàm lượng sợi 2,5%, tỷ lệ kéo/nén của UHPC được gia cố bằng sợi có đầu móc, sợi thẳng dài không có móc và sợi thẳng ngắn không có móc lần lượt đạt 0,115, 0,110 và 0,106 — tương ứng với mức tăng 43,8%, 37,5% và 32,5% so với nhóm đối chứng.

Khi hàm lượng sợi thép dưới 1,0%, mức độ cải thiện của tỷ lệ này tương đối hạn chế, cho thấy rằng việc sử dụng liều lượng sợi thấp có tác động không đáng kể. Tuy nhiên, khi hàm lượng vượt quá 1,0%, mức độ cải thiện trở nên đáng kể. Điều này là do các sợi kết dính tốt hơn với ma trận vữa, dẫn đến sự ổn định được nâng cao và giảm nguy cơ gãy giòn.

Tỷ lệ giữa độ bền uốn và độ bền nén của bê tông cường độ cực cao (UHPC) được gia cường bằng sợi có đầu móc và sợi thẳng dài thường tăng theo hàm lượng sợi, trong khi tỷ lệ này đối với sợi thẳng ngắn ban đầu tăng lên rồi sau đó giảm xuống.

Khi hàm lượng sợi là 0%, nhóm đối chứng có tỷ lệ là 0,18. Ở hàm lượng sợi 2,5%, tỷ lệ của sợi có đầu móc, sợi thẳng dài và sợi thẳng ngắn lần lượt đạt 0,25, 0,23 và 0,18 — tương ứng với mức tăng 38,9%, 27,8% và 0%.

Điều này cho thấy việc tăng hàm lượng sợi thẳng ngắn không có móc không làm cải thiện độ bền va đập và thậm chí có thể làm giảm độ bền này. Nguyên nhân chủ yếu là do các sợi này ngắn hơn và thiếu điểm bám dính ở hai đầu. Khi chịu ứng suất cao trong quá trình chịu tải uốn, hiện tượng bong tróc giữa các sợi và vữa dễ xảy ra hơn, dẫn đến khả năng giam giữ yếu hơn và độ bền va đập giảm.

Kết luận

• Việc bổ sung sợi thép làm giảm độ chảy của bê tông siêu cao cấp (UHPC), trong đó sợi có đầu móc gây ảnh hưởng đáng kể nhất. Khi hàm lượng sợi vượt quá 1,5%, độ chảy giảm mạnh. Đặc biệt, khi hàm lượng sợi có đầu móc vượt quá 2,0%, UHPC gần như không còn độ chảy. Xét về yêu cầu về khả năng thi công, hàm lượng sợi thép tối ưu được khuyến nghị nằm trong khoảng từ 1,51% đến 2,01%.
• Việc bổ sung sợi thép giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của bê tông cường độ cực cao (UHPC), trong đó sợi có đầu móc mang lại hiệu quả cải thiện cao nhất. Với hàm lượng sợi là 2,5%, cường độ nén sau 28 ngày, cường độ uốn và cường độ kéo tách lần lượt đạt 156,5 MPa, 39,9 MPa và 16,5 MPa — cho thấy sự gia tăng đáng kể so với nhóm đối chứng.
• Khi hàm lượng sợi thép tăng lên, tỷ lệ giữa độ bền kéo và độ bền nén của UHPC có xu hướng tăng chung. Tỷ lệ giữa độ bền uốn và độ bền nén cũng tăng đối với sợi có đầu móc và sợi thẳng dài, trong khi đối với sợi thẳng ngắn, tỷ lệ này ban đầu tăng rồi sau đó giảm. Ở hàm lượng sợi tối ưu, UHPC thể hiện độ ổn định và độ dẻo dai được cải thiện.

Ngoài ra, bằng cách sử dụng ZHONGDIMEI sợi thép Đối với các sản phẩm này, hiệu suất của bê tông siêu cao cường (UHPC) có thể được nâng cao hơn nữa về mặt độ bền, khả năng chống nứt và độ bền lâu dài.