Các kết cấu bê tông cốt thép sau thời gian khai thác thường bị hư hỏng, suy giảm độ bền và khả năng chịu lực. Để khắc phục tình trạng đó, cần phải có các giải pháp gia cường kết cấu. Trong số các giải pháp gia cường hiện đại, việc sử dụng các vật liệu hiệu suất cao như bê tông cốt sợi siêu tính năng UHPC đang nổi lên như một phương pháp đầy hứa hẹn. UHPC sở hữu những đặc tính vượt trội so với bê tông thường (BTT), bao gồm cường độ, độ bền và tính ổn định [1-5].
Việc ứng dụng một lớp phủ mỏng bằng UHPC, thay vì các loại vật liệu khác với cùng khả năng chịu lực, có thể giảm đáng kể trọng lượng bản thân của kết cấu, cũng như khả thi về mặt thi công và phù hợp về mặt kiến trúc [6, 7]. Ngoài ra, nhờ cấu trúc vi mô rất đặc chắc của UHPC, các lớp phủ này còn cải thiện đáng kể độ bền tổng thể của kết cấu bằng cách làm chậm sự khuếch tán của các chất ăn mòn, giảm sự hấp thụ nước, và tăng cường khả năng chống mài mòn.
Việc bổ sung sợi vào UHPC mang lại các đặc tính có lợi khác như giảm chiều rộng vết nứt và cải thiện kiểm soát co ngót. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả tối ưu nhất từ việc gia cường bằng UHPC, đòi hỏi phải đảm bảo một liên kết đủ bền tại bề mặt tiếp xúc giữa lớp phủ UHPC và nền bê tông thường hiện có. Khả năng kháng cắt tại bề mặt tiếp xúc này là một khía cạnh thiết kế quan trọng và phức tạp. Nếu liên kết không đủ, có thể dẫn đến phá hoại sớm của cấu kiện ở tải trọng thấp hơn so với khả năng chịu lực tối đa của vật liệu, gây ra bởi sự phá hoại giòn.
Các cơ chế truyền tải trọng cơ bản đóng góp vào cường độ kháng cắt giữa các bề mặt khác nhau, bao gồm UHPC - BTT và đã được nghiên cứu rộng rãi [8]. Theo đó, cường độ kháng cắt của các bề mặt không sử dụng cốt thép chủ yếu được hình thành từ ba cơ chế chính: lực dính, lực cố kết, và ma sát. Lực dính phát sinh từ các cơ chế hóa học và vật lý khác nhau ở cấp độ vi mô, phụ thuộc vào các tính chất của bê tông mới và cũ, chất lượng bề mặt nền, độ thấm nước và độ bền của nền bê tông [9, 10].
Lực cố kết được kích hoạt sau khi lực dính suy giảm, với sự dịch chuyển tương đối ngang và dọc của mặt cắt, và chủ yếu bị ảnh hưởng bởi sự tác động cơ học do độ nhám vi mô của bề mặt [8, 11]. Trong khi đó, ma sát tại vùng tiếp xúc chỉ được kích hoạt khi có lực nén ngang, thường ít quan trọng đối với các cấu kiện chịu uốn và cắt. Một số nghiên cứu đã tập trung vào việc đánh giá cường độ kháng cắt.
Các yếu tố ảnh hưởng chính đến cường độ kháng cắt đã được xác định và nghiên cứu bao gồm: phương pháp xử lý bề mặt nền và độ nhám của nó, cường độ và tính chất cơ học của bê tông nền và lớp phủ [12, 13], việc sử dụng các chất kết dính trên bề mặt như nhựa epoxy hoặc vữa bê tông cường độ cao [13], điều kiện độ ẩm bề mặt (ví dụ: bề mặt khô hoặc bề mặt ướt) [8, 14], sự hiện diện của cốt thép cắt, trình tự đúc (bê tông cường độ cao (CĐC) đúc lên bê tông thường hay ngược lại, và hiệu ứng kích thước của bề mặt tiếp xúc [15].
Để định lượng độ nhám bề mặt, các phương pháp như sử dụng cát để xác định giá trị độ nhám (Rt) từ lớn nhất đến trung bình và kỹ thuật hiển vi số 3D để đo các thông số vi cấu trúc bề mặt đã được áp dụng [8]. Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về liên kết giữa bê tông thường và bê tông hiệu suất cao, vẫn còn thiếu sự đồng thuận về ảnh hưởng của độ nhám bề mặt lên liên kết dính và cố kết trong dưới ứng suất cắt.
Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như EN 1992-1-1 (EC2) hay Fib model code [16, 17] phân loại độ nhám bề mặt thành các cấp độ như "rất nhẵn", "nhẵn", "thô" và "rất thô" dựa trên đánh giá định tính hoặc các thông số đơn giản như hệ số độ nhám Rt. Tuy nhiên, các phương pháp này được cho là quá thận trọng đối với lớp phủ UHPC và không khai thác hết tiềm năng của vật liệu này.
Bài báo thông qua nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số, đã đánh giá khả năng kháng cắt tại bề mặt tiếp xúc UHPC-BTT. Từ các kết quả thu được, một số kết luận được rút ra như sau:
- Thí nghiệm cắt phẳng cho thấy bề mặt tiếp xúc UHPC-BTT chủ yếu chịu chi phối bởi cơ chế kết dính. Tải trọng cực đại của ba mẫu có sự dao động nhỏ, thể hiện chất lượng chế tạo ổn định và độ tin cậy của quy trình thử nghiệm. Phá hoại xảy ra đột ngột tại đỉnh đường cong tải trọng - chuyển vị, phản ánh bản chất giòn của bề mặt tiếp xúc không cốt thép. Cường độ kháng cắt trung bình 1,73 MPa là chỉ tiêu quan trọng cho việc đánh giá khả năng truyền lực của lớp phủ UHPC trong các ứng dụng gia cường kết cấu bê tông cốt thép thông thường;
- Mô phỏng số sử dụng mô hình CDP trong ABAQUS đã mô tả hợp lý sự phân bố biến dạng và xu hướng trượt tại bề mặt tiếp xúc. Mặc dù mô phỏng dự đoán tải trọng lớn nhất và chuyển vị tương ứng cao hơn thực nghiệm 14% và 19%, mức sai lệch này phù hợp với bản chất lý tưởng hóa của mô hình vật liệu và điều kiện biên trong phân tích số. Điều đó cho thấy mô hình có khả năng tái hiện xu hướng ứng xử tổng thể của mẫu và là công cụ hữu ích trong nghiên cứu cơ chế phá hoại;
- Nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của UHPC khi sử dụng làm lớp phủ gia cường, đồng thời nhấn mạnh vai trò quan trọng của bề mặt tiếp xúc trong việc đảm bảo khả năng kháng cắt của cấu kiện liên hợp UHPC-BTT. Các kết quả thu được không chỉ làm rõ hành vi cơ học tại bề mặt tiếp xúc mà còn gợi mở hướng hoàn thiện mô hình hóa và tối ưu quy trình xử lý bề mặt cho các ứng dụng gia cường thực tế trong tương lai.
Xem chi tiết Bài nghiên cứu TẠI ĐÂY:
BuilData
