Shandong Jiurunfa Chemical Technology Co., Ltd. manager@chemical-sales.com 86-153-18854848
Bê tông là nền tảng của xây dựng hiện đại, với những cải tiến liên tục về hiệu suất là trọng tâm chính trong kỹ thuật. Sự xuất hiện của bê tông cốt sợi (FRC) đã mang lại sức sống mới cho vật liệu thiết yếu này. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra nhiều câu hỏi: Sợi là gì? Điều gì phân biệt sợi macro với sợi micro? Làm thế nào để chọn loại và liều lượng sợi phù hợp? Bài viết này cung cấp một cái nhìn chuyên sâu về bê tông cốt sợi, giải quyết các vấn đề ứng dụng thực tế và đưa ra hướng dẫn để xây dựng các tòa nhà bền vững và chắc chắn hơn.
Sợi đóng một vai trò quan trọng trong bê tông, hoạt động như vật liệu gia cường thay vì chỉ là chất phụ gia. Theo định nghĩa trong ACI CT-18 (Thuật ngữ Bê tông), sợi bắc cầu các vết nứt, liên kết bê tông với nhau và cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể của nó.
Sự khác biệt chính giữa sợi macro và sợi micro nằm ở kích thước của chúng, thường được đo bằng đường kính tương đương hoặc mật độ tuyến tính. Trong ngành FRC, mật độ tuyến tính thường được biểu thị bằng denier, đại diện cho khối lượng (tính bằng gam) của 9.000 mét sợi.
Những khác biệt chính giữa sợi micro và sợi macro bao gồm:
Tồn tại nhiều loại sợi macro tổng hợp khác nhau, mỗi loại có những ưu điểm riêng. Ngoài các đặc tính vật lý như độ bền kéo, mô đun đàn hồi, thành phần vật liệu hoặc hình dạng, những khác biệt ít rõ ràng hơn bao gồm hiệu suất trộn, xu hướng vón cục, chất lượng hoàn thiện bề mặt và đặc tính liên kết với bê tông.
Chìa khóa để sử dụng sợi macro tổng hợp thành công nằm ở việc chọn liều lượng phù hợp đáp ứng cả yêu cầu về hiệu suất và nhu cầu về khả năng làm việc/hoàn thiện. Sợi chắc hơn hoặc sợi có đặc tính liên kết tốt hơn có thể yêu cầu ít vật liệu hơn so với các lựa chọn thay thế yếu hơn. Các nhà sản xuất nên cung cấp dữ liệu thử nghiệm để hỗ trợ các khuyến nghị về liều lượng, với các thử nghiệm hỗn hợp được khuyến nghị khi có sự không chắc chắn.
Sợi micro chủ yếu kiểm soát sự nứt do co ngót dẻo. Nghiên cứu cho thấy chúng cung cấp khả năng chịu tải không đáng kể trong bê tông đã đông cứng ở liều lượng điển hình. Liều lượng sợi micro cao hơn có thể làm phức tạp quá trình trộn do tăng số lượng sợi và diện tích bề mặt, có khả năng gây ra các vấn đề về khả năng làm việc và giảm độ sụt đáng kể.
So với các sợi ngắn hơn cùng loại, sợi dài hơn có diện tích bề mặt lớn hơn, cải thiện khả năng neo giữ trong bê tông đã đông cứng và tăng cường hiệu suất sau nứt ở liều lượng tương đương. Tuy nhiên, tồn tại một chiều dài tối ưu cho mỗi loại sợi, tùy thuộc vào hình dạng, đặc tính độ cứng và cường độ chịu nén của bê tông cụ thể.
Các thử nghiệm trộn trước dự án xem xét các phương pháp đặt và yêu cầu hoàn thiện giúp xác định chiều dài sợi lý tưởng, ngăn ngừa các vấn đề như vón cục hoặc lồi sợi bề mặt.
Sợi macro tổng hợp (đặc biệt là sợi đơn sợi lớn, thô) có thể cung cấp cường độ dư tương đương với sợi thép, tùy thuộc vào liều lượng. Các yếu tố khác như biến dạng dự kiến và điều kiện môi trường cũng nên ảnh hưởng đến việc lựa chọn sợi. Đối với một số ứng dụng kết cấu yêu cầu sợi thép, các lựa chọn thay thế tổng hợp chưa được xác nhận.
Mặc dù sợi macro tổng hợp thường có độ bền kéo và mô đun đàn hồi thấp hơn sợi thép, nhưng chúng cung cấp nhiều sợi hơn đáng kể để bắc cầu các vết nứt tiềm ẩn. Khi được định lượng đúng cách, tổng khả năng truyền ứng suất qua các vết nứt phải tương đương. Cường độ mặt cắt hiệu quả cũng phụ thuộc vào chất lượng liên kết sợi-ma trận — các sợi có độ bền cao với liên kết không đủ sẽ tạo ra các ứng cử viên gia cố kém. Hiệu suất FRC phản ánh hành vi tổng hợp, không phải các đặc tính của từng sợi.
Bê tông cốt sợi (FRC) kết hợp các sợi rời rạc (thường là tối đa 2,5 inch hoặc 64 mm) trong bê tông xi măng thủy lực. Polyme cốt sợi (FRP) sử dụng các sợi dài hơn đáng kể được nhúng trong ma trận polyme mà không có xi măng hoặc cốt liệu.
Lượng sợi cần thiết phụ thuộc vào các tiêu chí hiệu suất FRC được chỉ định. Đối với sợi micro kiểm soát sự co ngót dẻo, tỷ lệ giảm vết nứt (CRR) hướng dẫn việc xác định liều lượng theo ASTM C1579. Đối với sợi macro trong bê tông đã đông cứng, liều lượng phải đáp ứng cường độ dư được chỉ định (ASTM C1399), cường độ uốn tương đương sau nứt (ASTM C1609) hoặc khả năng hấp thụ năng lượng (ASTM C1550), xem xét loại/độ dày phần tử, cường độ bê tông, thông số kỹ thuật cốt thép và yêu cầu tải trọng.
Nhiều nhà cung cấp cung cấp các công cụ thiết kế (đặc biệt là cho tấm) để tính toán liều lượng phù hợp.
Đối với tấm, liều lượng tối thiểu thường được thiết lập bởi các nhà sản xuất dựa trên thử nghiệm sản phẩm tiêu chuẩn để đáp ứng các yêu cầu hoặc tiêu chuẩn ngành.
ANSI/SDI C-2017 cho sàn kim loại composite quy định liều lượng sợi macro tối thiểu là 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) đối với sợi tổng hợp và 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) đối với sợi thép khi được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ/co ngót. Theo các yêu cầu của UL, giới hạn trên là 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) đối với sợi tổng hợp và 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) đối với sợi thép. Hiện tại, cốt sợi không thay thế thép mô men âm trong các cụm sàn composite.
Không nên dùng liều lượng dưới mức khuyến nghị của nhà sản xuất hoặc các yêu cầu của mã. Các kỹ sư nên tham khảo ý kiến của các nhà sản xuất sợi khi không chắc chắn về ứng dụng hoặc liều lượng.
Một số nguồn cung cấp hướng dẫn thiết kế cho bê tông cốt sợi macro trong các ứng dụng kết cấu khác nhau:
Các nhà sản xuất sợi có thể cung cấp hướng dẫn bổ sung cụ thể cho sản phẩm.
Thông số kỹ thuật FRC macrofiber phải dựa trên hiệu suất và dành riêng cho ứng dụng, sử dụng các phương pháp đã được phê duyệt từ ACI 544.4R để tính toán các thông số đặc trưng như:
Thông số kỹ thuật mẫu: "Liều lượng sợi phải cung cấp cường độ dư tối thiểu 200 psi (1,4 MPa) trong bê tông 4.000 psi (28 MPa)." Việc tuân thủ phải được xác minh thông qua dữ liệu thử nghiệm của nhà sản xuất theo các tiêu chuẩn ASTM có liên quan.
Đối với bê tông phun, hiệu suất bê tông phun cốt sợi (FRS) được xác định bằng khả năng hấp thụ năng lượng (ASTM C1550 hoặc EN 14488-5). Thông số kỹ thuật mẫu: "Liều lượng sợi phải cung cấp khả năng hấp thụ năng lượng tối thiểu 280 J ở 7 ngày trong bê tông phun 4.000 psi (28 MPa)."
Hiệu suất sau nứt của FRC có thể được đánh giá thông qua ASTM C1609, C1399 hoặc C1550 (hấp thụ năng lượng). Các kỹ sư nên xác định các giá trị thích hợp dựa trên ý định thiết kế và mức hiệu suất yêu cầu, tham khảo ACI 544.4R để được hướng dẫn.
Một số sợi (ví dụ: thép) gần bề mặt bê tông trong môi trường tiếp xúc có thể bị ăn mòn. Mặc dù sự ăn mòn cục bộ như vậy không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của kết cấu, nhưng tác động thẩm mỹ của nó nên được đánh giá trước. Sợi tổng hợp và tự nhiên không ăn mòn và trơ về mặt hóa học, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường.
Mặc dù sợi thường không làm tăng cường độ uốn khi nứt lần đầu của bê tông (mô đun đứt, ASTM C78), nhưng chúng tăng cường khả năng uốn và cường độ mỏi của tấm. Các giá trị độ dẻo dai cụ thể của sợi phù hợp cho phép các phần bê tông mỏng hơn chịu tải thiết kế.
ANSI/SDI C-2017 cho phép sợi macro thép hoặc tổng hợp (ở liều lượng do nhà sản xuất xác định đáp ứng các yêu cầu tối thiểu) để thay thế cốt thép lưới hàn (WWR) để kiểm soát vết nứt, không phải khả năng chống ứng suất kết cấu.
Theo các đánh giá của UL và ICC-ES, một số sợi micro được công nhận là các lựa chọn thay thế WWR trong các cụm sàn/trần được xếp hạng chống cháy cụ thể.
Vấn đề lịch sử này chủ yếu xảy ra với sợi micro tổng hợp khi sử dụng các kỹ thuật hoàn thiện không đúng cách. Sợi micro monofilament hiện đại (thường giới hạn ở 1,0–1,5 lb/yd³ hoặc 0,6–0,9 kg/m³) và sợi macro giảm thiểu hiệu ứng này. Trộn, đặt và hoàn thiện đúng cách tạo ra các bề mặt tuyệt vời. Sự nhô ra của sợi bề mặt không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tấm — đèn xì hoa hồng có thể làm tan chảy các sợi lộ ra nếu có mối quan tâm về mặt thẩm mỹ.
Mặc dù một số chất tổng hợp (ví dụ: nylon) hấp thụ một lượng nhỏ nước trộn, các sợi polypropylene/polyethylene thông thường có tính kỵ nước. Giảm độ sụt rõ rệt ở liều lượng cao hơn là do sợi hoạt động như các chất kết dính hơn là hấp thụ nước.
Thêm nước làm giảm cường độ bê tông. Khi hàm lượng sợi cao ảnh hưởng đến khả năng làm việc, nên sử dụng các chất phụ gia hóa học — không phải nước thừa.
Các điểm bổ sung lý tưởng khác nhau tùy theo hình dạng, độ cứng và liều lượng của sợi — một số hoạt động tốt nhất là thành phần đầu tiên, những thành phần khác sau khi tất cả các vật liệu được nạp. Các nhà sản xuất có thể cung cấp hướng dẫn, với các thử nghiệm trước dự án được khuyến nghị để xác định thời điểm bổ sung và thời gian trộn tối ưu.
Đối với bê tông thông thường, thời gian trộn 4–5 phút sau khi thêm tất cả các thành phần thường được khuyến nghị cho các hoạt động trộn sẵn.
Tất cả các loại sợi có thể vón cục do trộn không đủ, trình tự không đúng cách hoặc thêm vào các hỗn hợp quá khô, thiếu các hạt mịn để phủ sợi. Các thử nghiệm trước dự án giúp xác minh khả năng tương thích của hỗn hợp với loại và liều lượng sợi dự định.
Ảnh hưởng của độ sụt phụ thuộc vào:
Lưu ý rằng các phép đo hình nón sụt chỉ ra tính nhất quán của lô, không nhất thiết là khả năng làm việc thực tế. Mặc dù độ sụt trực quan có vẻ giảm, nhưng khả năng làm việc thực tế có thể ít bị ảnh hưởng hơn. Các thử nghiệm trước dự án xác định xem có cần điều chỉnh khả năng làm việc hay không.
Sợi micro có thể ảnh hưởng đến độ sụt nhiều hơn sợi macro ở tỷ lệ chiều dài trên đường kính và liều lượng tương đương do số lượng sợi trên pound cao hơn. Nói chung:
Chất hóa dẻo (chất giảm nước tầm trung hoặc tầm cao) nên bù đắp cho việc giảm độ sụt. Có thể cần điều chỉnh hỗn hợp ở liều lượng cao để đảm bảo hàm lượng hồ dán đầy đủ. Tránh nước thừa để ngăn ngừa giảm cường độ và phân tách.
Sợi macro thường không ảnh hưởng xấu đến hàm lượng không khí hoặc cường độ chịu nén. Những thay đổi nhận thấy thường bắt nguồn từ việc trộn quá mức, thêm nước, thay đổi nhiệt độ hoặc đo độ ẩm không chính xác trong cốt liệu. Sự dao động của không khí cũng có thể liên quan đến những thay đổi về độ sụt thực tế. Một số phương pháp xử lý bề mặt sợi trong lịch sử có thể đưa không khí không mong muốn vào, nhưng điều này hiện nay rất hiếm.
Những thay đổi về trọng lượng riêng phụ thuộc vào loại sợi và các điều chỉnh thiết kế hỗn hợp. Sợi tổng hợp thường không làm thay đổi trọng lượng riêng nếu hàm lượng không khí vẫn không đổi. Sợi thép có mật độ cao hơn có thể làm tăng trọng lượng riêng tùy thuộc vào phân số thể tích và các điều chỉnh hỗn hợp.
Trong bê tông trọng lượng thông thường, các sợi được pha trộn và trộn đúng cách không nổi cũng không chìm do trọng lượng riêng của vật liệu và độ nhớt của bê tông đã trộn. Sợi thực sự giúp treo các cốt liệu lớn hơn và ngăn ngừa sự phân tách.
Nói chung là tương thích, nhưng một số chất hỗ trợ xử lý sợi hoặc hoàn thiện quay có thể ảnh hưởng đến các hóa chất bê tông khác. Luôn xác minh với các nhà sản xuất sợi.
