Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm một số tính chất cơ lý của bê tông sợi bazan (luận văn thạc sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN QUANG THẮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG SỢI BAZAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH XDDD&CN Hà Nội - 2019 1 MỞ ĐẦU * Lý do chọn đề tài Trên thế giới cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về bê tông sử dụng sợi gia cường (còn gọi: bê tông sợi), với các loại sợi được sử dụng chủ yếu như: sợi thép, sợi thủy tinh, sợi khoáng, sợi hữu cơ, sợi tổng hợp... Các nghiên cứu thường tập trung và đi sâu về tác dụng của sợi trong thành phần bê tông; mức độ ảnh hưởng đến các tính năng của hỗn hợp bê tông; lựa chọn loại sợi phù hợp để sử dụng; xác định hàm lượng sợi tối ưu… Qua các nghiên cứu cho thấy, bê tông sử dụng sợi gia cường có các ưu điểm làm chặt chẽ hơn mối liên kết giữa các thành phần vật liệu chế tạo, từ đó cải thiện được cường độ chịu kéo và chịu nén, nâng cao tính ổn định của bê tông… Sợi Bazan được biết đến với những ưu điểm của việc sử dụng sợi trong kết cấu bê tông như [29]: - Giảm sự hình thành của kẽ nứt rất nhỏ và ứng suất bên trong - Tăng cường khả năng chống thấm nước - Tăng cường độ nén - Tăng cường độ chịu kéo và chịu uốn - Tăng cường khả năng chịu va đập và khả năng chịu mỏi - Nâng cao khả năng tiếp nhận tải trọng thay đổi - Trở ngại sự phân lớp của vữa bê tông - Giảm thời gian hóa rắn của bê tông - Giảm nguy cơ phá vỡ các góc và cạnh - Sợi Bazan trong bê tông có thể duy trì tính chất làm việc ở nhiệt độ cao trong các vụ cháy. Hiện nay ở Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng sợi Bazan gia cường trong bê tông xi măng chưa có nhiều, nhưng có thể phát triển trong tương lai vì những đặc điểm của bê tông sử dụng loại sợi này. Ngoài ra trên thế giới hiện 2 nay cũng đang thiếu các tiêu chuẩn thiết kế nên cũng cản trở việc ứng dụng loại sợi này. Chính vì vậy, việc nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật, xác định hàm lượng sợi hợp lý, làm cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng bê tông sử dụng sợi gia cường Bazan là phù hợp với xu thế và mang ý nghĩa khoa học cao. Trong sự phát triển với tốc độ cao của ngành xây dựng, bê tông xi măng vẫn là loại vật liệu được sử dụng phổ biến và chiếm ưu thế. Do đó, việc nghiên cứu để tìm ra các loại bê tông xi măng có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật ưu việt là rất có ý nghĩa, nó góp phần nâng cao chất lượng và giảm giá thành công trình. Từ những phân tích trên cho thấy, luận văn "Nghiên cứu thực nghiệm một số tính chất cơ lý của bê tông sợi bazan" có tính cần thiết và có khả năng ứng dụng cao trong ngành xây dựng. * Mục tiêu nghiên cứu Một số nội dung cần làm rõ với tình hình sử dụng vật liệu và chế tạo bê tông ở Việt Nam về tính chất cơ lý của vật liệu. Nghiên cứu thực nghiệm được một số tính chất cơ lý cơ bản của bê tông sợi bazan. Cụ thể: từ kết quả tính toán lý thuyết, qua hai chỉ tiêu thực nghiệm cơ bản là độ sụt và cường độ chịu nén, thực hiện việc phân tích và đưa ra được thành phần cơ bản của bê tông sợi bazan; đồng thời từ việc chế tạo các nhóm mẫu thí nghiệm có hàm lượng sợi khác nhau, khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến độ sụt, cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn để tìm ra được hàm lượng sợi hợp lý với loại bê tông nghiên cứu. * Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: 3 Luận văn lựa chọn nghiên cứu với bê tông sử dụng loại sợi bazan (sợi đá bazan – basalt fiber) có cường độ chịu nén yêu cầu khoảng 20MPa (tương đương bê tông có cấp độ bền B15), độ sụt yêu cầu 6÷8cm . - Phạm vi nghiên cứu: Do điều kiện về thời gian và kinh phí, bước đầu đề tài chỉ nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm với loại bê tông không sử dụng các loại phụ gia; chế tạo và thí nghiệm tại cơ sở: Trung tâm thí nghiệm thực hành Khoa Cơ điện và Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam. * Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp tham khảo các tài liệu và các kết quả nghiên cứu trước để xây dựng cơ sở lý luận của luận văn, từ đó xác định mục tiêu, nội dung và phương pháp, phương án nghiên cứu. - Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo các mẫu thử và thí nghiệm một số các tính chất cơ học của vật liệu bê tông sợi Bazan, từ đó đưa ra các kết luận và đề xuất. * Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn Luận văn hoàn thành sẽ góp một phần xây dựng vào cơ sở lý luận khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng bê tông xi măng sử dụng sợi gia cường; đồng thời là tài liệu tham khảo tốt phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học về lĩnh vực bê tông sử dụng sợi gia cường sợi Bazan. * Cấu trúc luận văn Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, nội dung chính của Luận văn gồm ba chương: - Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Vật liệu và thiết kế thành phần cơ bản của bê tông sợi Bazan - Chương 3: Thực nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng và phân tích vai trò của sợi Bazan trong bê tông. 4 NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tính chất của sợi Bazan Từ các kết quả của các nghiên cứu trước cho thấy, bê tông sử dụng sợi bazan được biết đến có các đặc tính kỹ thuật như [29]: + Độ bền cao, mô đun đàn hồi cao + Khả năng chống chịu va chạm tuyệt vời - tốt cho các ứng dụng đạn đạo ( quân sự ) + Chi phí cho sửa chữa bê tông thấp và có thể thay thế sợi carbon trong nhiều ứng dụng + Chịu nhiệt độ cao và khả năng chống chịu tác động của ánh sáng tốt + Độ bền mỏi cao và chống ăn mòn hóa học tốt + Không cần thiết bị đặc biệt cho xử lý hay gia công + Dễ dàng kiểm soát quá trình sử dụng. + Thân thiện với môi trường. Không có vấn đề ô nhiễm khi phải hủy sợi basalt. + Có thể tái chế được. + An toàn cho sức khỏe con người và động vật + Tương thích với nhiều loại nhựa - polyester không no, vinyl ester, epoxy, phenol, v.v. + Chống chịu hóa chất tốt hơn so với sợi thủy tinh E-glass Sợi bazan có các đặc tính vật lý hơn hẳn so với các loại sợi hiện có, các thông số cụ thể được thể hiện trong Bảng 1.1[29]. 5 Bảng 1.1: So sánh thông số kỹ thuật sợi Bazan và các loại sợi khác Thông số Sợi Bazan Sợi EGlass Sợi SGlass Sợi Cacbon Sợi Aramid Tỷ trọng (g/cm3) Độ bền kéo (MPa) 2,63-2,8 41004840 2,54-2,57 31003800 2,54 40204650 1,78 35006000 1,45 29003400 Môdul đàn hồi (GPa) 93,1-110 72,5-75,5 83-86 230-600 70-140 3,1 4,7 5,3 1,5-2,0 2,8-3,6 900 380 300 500 250 Độ giãn dài tại điểm gãy Nhiệt độ làm việc cao nhất (°C) Sợi bazan làm cốt cho bê tông với vai trò như đối với sợi thủy tinh và sợi các bon, nhưng sợi bazan có cơ tính tổng hợp tốt hơn sợi thủy tinh, trong khi chi phí thấp hơn so với sợi các bon. Loại sợi này được sử dụng như một loại vải chống cháy trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và công nghiệp ô tô, cũng có thể được sử dụng làm vật liệu tổng hợp để sản xuất một loạt các sản phẩm. Sợi bazan là một loại sợi phi kim loại hiệu suất cao được làm từ đá bazan nóng chảy ở nhiệt độ cao. Từ đá bazan khoa học có thể tạo ra sợi bazan xắt nhỏ, vải bazan và dạng cuộn liên tục. Sợi bazan có nguồn gốc từ magma núi lửa, một chất lỏng rất nóng hoặc bán lỏng dưới lớp vỏ Trái đất, rắn chắc trong không khí. Đá bazan là một thuật ngữ phổ biến được sử dụng cho nhiều loại đá núi lửa, có màu xám đậm. Đá nóng chảy sau đó được đùn qua các vòi nhỏ để tạo ra các sợi tơ bazan liên tục. Các sợi bazan không chứa bất kỳ chất phụ gia nào khác trong một quy trình sản xuất duy nhất, điều này mang lại lợi thế bổ sung về chi phí. Sợi đá bazan không có phản ứng độc hại với không khí hoặc nước, không cháy và 6 chống cháy nổ. Khi tiếp xúc với các hóa chất khác, chúng không tạo ra phản ứng hóa học có thể gây hại cho sức khỏe hoặc môi trường. Đá bazan thường có màu từ xám đến đen, nhưng nhanh chóng chuyển sang màu nâu hoặc đỏ rỉ do quá trình oxy hóa các khoáng chất (giàu sắt) của nó thành rỉ sét. Mặc dù thường được đặc trưng là "tối", đá bazan thể hiện một loạt các bóng mờ do các quá trình địa hóa khu vực. Do thời tiết hoặc nồng độ plagiocla cao, một số đá bazan có màu khá nhạt. Các thông số kỹ thuật khác của sợi bazan được thể hiện trong Bảng 1.2[29]. Bảng 1.2: Các thông số kỹ thuật khác của sợi Bazan Các thông số Giá trị Nhiệt độ làm việc (°C) -269°C - 900°C Nhiệt độ phá hỏng (°C) 1450°C Hệ số truyền nhiệt (w/m°K) 0,03-0,038 Độ bền kéo còn lại khi tăng nhiệt độ (%) 20 100 200 95 400 82 Tính ổn định hóa học ( giảm khối lượng (%) sau 3 giờ đun sôi trong hóa chất) 2N HCL 2,2 2N NaOH 6,0 H2O 0,2 Ngoài ra còn có các tính chất của sợi Bazan như: - Tính chất vật lý: Màu sắc: Thường có màu nâu vàng. Đường kính: đường kính khác nhau như 5,8 micron. Chiều dài: 6 mm, 8 mm, 12 mm, vv Mật độ: mật độ sợi bazan là 2,75 g / cm3 7 Hệ số ma sát: Hệ số ma sát có thể nằm trong khoảng từ 0,42 đến 0,50 - Tính chất hóa học: Basalts ổn định hơn trong kiềm mạnh. Giảm cân trong nước sôi, kiềm và axit cũng thấp hơn đáng kể. Có khả năng chống lại tia UV-Light & sinh học và nấm. Tương thích với nhựa phenolic. Hấp thụ độ ẩm đến ít hơn . - Tính chất nhiệt: Với dải nhiệt từ -260◦C đến 982◦C và nhiệt độ nóng chảy 1450◦C cũng như độ dẫn nhiệt thấp 0,031 - 0,038w / mk, các sợi bazan là lý tưởng cho các ứng dụng chống cháy và cách nhiệt. Sợi bazan có hiệu quả chi phí cao nhất so với các vật liệu cường độ cao khác bao gồm thủy tinh E, silica, gốm sứ, thép không gỉ và carboby ngăn ngừa quá nhiệt nhanh chóng và cải thiện tuổi thọ nhanh. Cung cấp ba lần hiệu quả nhiệt của amiăng mà không có mối nguy hiểm về tinh chất và nhiệt. Sợi bazan là giải pháp tốt nhất để thay thế amiăng. Sợi bazan không cháy và chống cháy nổ. Sau khi phơi sáng dưới 400◦C, các sợi bazan bị mất trên cường độ ban đầu của chúng, trong khi kính E mất hơn 50% . - Tính chất cơ học Độ bền cụ thể (ứng suất đứt với tỷ lệ mật độ) của sợi bazan vượt quá nhiều lần so với thép. Sợi bazan là không mao dẫn và không hút ẩm, cho khả năng chống ẩm tốt. Trong sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, ngành xây dựng đóng một vai trò hết sức quan trọng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mọi lĩnh vực khoa học công nghệ, ngành xây dựng đã và đang có những bước tiến đáng kể. Để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của xã hội, xu hướng và nhu cầu xây dựng công trình có độ phức tạp về kỹ thuật ngày càng lớn thì yêu cầu về vật liệu chế tạo cũng càng khắt khe hơn. 8 Bê tông xi măng (bê tông) là một loại vật liệu xây dựng thân thuộc, sử dụng rộng rãi với nhiều tính năng ưu việt; tuy nhiên nó cũng cũng có những mặt hạn chế nhất định, mà trong đó phải kể đến là cường độ chịu kéo nhỏ chống nứt kém. Do đó, việc nghiên cứu để cải thiện – nâng cao các tính năng của bê tông là rất có ý nghĩa, góp phần nâng cao chất lượng và giảm giá thành công trình. Để cải thiện – nâng cao các tính năng của bê tông, việc sử dụng sợi gia cường là một giải pháp hữu hiệu đang được các nhà khoa học ở nhiều nước tiến tiến trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng. Đã có các nghiên cứu về bê tông sử dụng sợi gia cường, với các loại sợi được sử dụng chủ yếu như: sợi thép, sợi thủy tinh, sợi khoáng vật, sợi hữu cơ, sợi tổng hợp... Các nghiên cứu thường tập trung và đi sâu về tác dụng của sợi trong thành phần bê tông; mức độ ảnh hưởng đến các tính năng của hỗn hợp bê tông và bê tông; lựa chọn loại sợi phù hợp để sử dụng; xác định hàm lượng sợi tối ưu… Hiện nay nghiên cứu về bê tông xi măng sử dụng loại sợi gia cường nói chung và sợi Bazan trong bê tông nói riêng vẫn chưa nhiều, đặc biệt là ở Việt Nam. Chính vì vậy, việc nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật, thiết kế thành phần cơ bản, xác định hàm lượng sợi hợp lý, làm cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng bê tông sử dụng sợi bazan là phù hợp với xu thế, mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Với mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm một số tính chất cơ lý của bê tông sử dụng sợi bazan; so sánh với bê tông thường để góp phần làm rõ những ưu điểm của bê tông sử dụng sợi gia cường, tác giả thực hiện luận văn tốt nghiệp với tên đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm một số tính chất cơ lý của bê tông sợi bazan”. 9 1.2. Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về bê tông sử dụng sợi Bazan 1.2.1. Cấu tạo cơ bản và đặc tính của bê tông Bê tông xi măng (bê tông) là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được sau khi hỗn hợp bê tông đông cứng và rắn chắc. Hỗn hîp bê tông (bê tông tươi) lµ hỗn hîp bao gåm: cèt liÖu, xi măng, nước và phụ gia (nếu có) được lựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn đồng đều, có tính dẻo, tính dính nhưng chưa rắn chắc, chưa có cường độ. Bê tông có cấu trúc phức tạp, được tạo thành từ ba thành phần cơ bản là cốt liệu, đá xi măng và hệ thống mao quản, lỗ rỗng. Cốt liệu là những hạt cát, đá có hình dáng, kích thước, đặc trưng bề mặt, cường độ … rất khác nhau. Đá xi măng được tạo thành từ việc xi măng tương tác với nước và qua một thời gian gắn kết, rắn chắc. Hệ thống mao quản, lỗ rỗng là những khe hở nhỏ giữa cốt liệu và đá xi măng, chúng có thể chứa nước, không khí và hơi nước. Cốt liệu là thành phần chính, tạo nên bộ khung chịu lực của bê tông. Nó chính là các vật liệu hạt rời, có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, có thành phần hạt xác định, khi nhào trộn với xi măng và nước sẽ đông cứng, rắn chắc như đá. Theo kích thước hạt, cốt liệu dùng chế tạo bê tông được phân ra cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn. Cốt liệu nhỏ (fine aggregate) là hỗn hợp các hạt cốt liệu có kích thước chủ yếu từ 0,14 mm đến 5 mm. Cốt liệu nhỏ có thể là cát tự nhiên, cát nghiền và hỗn hợp từ cát tự nhiên và cát nghiền. Cốt liệu lớn (coarse aggregate) là hỗn hợp các hạt cốt liệu có kích thước từ 5 mm đến 70 mm. Cốt liệu lớn có thể là đá dăm, sỏi, sỏi dăm hoặc hỗn hợp các loại. 10 Đá dăm (crushed rock) là loại cốt liệu lớn được sản xuất bằng cách đập, nghiền đá tự nhiên. Sỏi (gravel) là loại cốt liệu lớn được hình thành do quá trình phong hoá của đá tự nhiên. Sỏi dăm (crushed gravel) là loại cốt liệu lớn được sản xuất bằng cách đập, nghiền cuội, sỏi có kích thước lớn. Cốt liệu lớn có thể được cung cấp dưới dạng hỗn hợp nhiều cỡ hạt hoặc các cỡ hạt riêng biệt. Thành phần hạt của cốt liệu lớn, biểu thị bằng lượng sót tích luỹ trên các mặt sàng tiêu chuẩn, được quy định theo từng tiêu chuẩn (Việt Nam đang dùng TCVN 7570 – 2006). Trong bê tông, cốt liệu lớn sau khi được hồ xi măng gắn kết lại sẽ đóng vai trò là bộ khung chịu lực; cốt liệu nhỏ lấp lỗ rỗng cốt liệu lớn để lại, làm tăng độ đặc, đồng thời đảm bảo khả năng chống co ngót cho bê tông; chất kết dính và nước là thành phần hoạt tính của bê tông, nó lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu, đồng thời đóng vai trò chất bôi trơn tạo độ dẻo cho hỗn hợp bê tông; trong quá trình ngưng kết rắn chắc, hồ chất kết dính làm nhiệm vụ liên kết các hạt cốt liệu lại với nhau tạo thành một khối; khi cần cải thiện một số tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông, đáp ứng yêu cầu thi công và sử dụng có thể sử dụng thêm phụ gia. Khi nghiên cứu cũng như sử dụng các loại bê tông, ta thường đặc biệt quan tâm đến độ sụt của hỗn hợp và cường độ chịu nén của bê tông. Độ sụt là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá tính công tác (tính dễ tạo hình, dễ thi công), nó biểu thị khả năng lấp đầy khuôn nhưng vẫn đảm bảo được độ đồng nhất trong một điều kiện đầm nén nhất định. Hỗn hợp có độ sụt lớn, việc thi công có phần dễ dàng hơn và nhanh hơn, nhưng độ đồng nhất thành phần cũng như chất lượng bê tông khó được đảm bảo. Việc lựa chọn độ 11 sụt cho hỗn hợp bê tông sẽ phụ thuộc vào đặc điểm của kết cấu và yêu cầu, điều kiện thi công. Cường độ là một đặc trưng cơ bản, phản ánh khả năng của bê tông chống lại sự phá hoại gây ra dưới tác dụng của tải trọng. Khi đã đông cứng, bê tông có cả khả năng chịu nén và khả năng chịu kéo, nhưng cường độ chịu kéo rất nhỏ (trị số chỉ bằng 5 ÷ 10% cường độ chịu nén); do đó với bê tông, cường độ chịu nén là chỉ tiêu quan trọng số 1; việc phân mác, phân cấp bê tông về cơ bản đều được dựa vào cường độ chịu nén. 1.2.2. Các nghiên cứu về bê tông sử dụng sợi gia cường Sử dụng sợi trong thành phần bê tông xi măng là một công nghệ kỹ thuật mới đang được nghiên cứu phát triển trong những năm gần đây. Sợi được sản xuất từ các nguồn vật liệu và công nghệ khác nhau; với kích thước thường rất nhỏ, đa phần các loại sợi đều phù hợp cho việc sử dụng gia cường cho các loại bê tông, trong đó nổi bật là nâng cao khả năng chịu kéo và chống nứt. Trên thế giới cũng đã có nhiều nghiên cứu về bê tông sử dụng sợi gia cường, với các loại sợi được sử dụng chủ yếu như: sợi thép, sợi thủy tinh, sợi khoáng vật, sợi hữu cơ, sợi tổng hợp... Các nghiên cứu thường tập trung và đi sâu về tác dụng của sợi trong thành phần bê tông; mức độ ảnh hưởng đến các tính năng của hỗn hợp bê tông và bê tông; lựa chọn loại sợi phù hợp để sử dụng; xác định hàm lượng sợi tối ưu… Dias D P, Thaumaturgo C và cộng sự [14] chỉ ra rằng: so với bê tông thường, khi hàm lượng sợi bazan gia cường là 1% theo thể tích, cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo nứt (kéo khi ép chẻ) tăng cao lần lượt là 26,4% và 12%; cường độ chịu kéo khi uốn tăng lên 45,8%. G.K.Geethanjali và cộng sự [15] chỉ ra rằng: tính công tác của hỗn hợp bê tông giảm khi bổ sung sợi bazan. Nhưng khó khăn này có thể được khắc 12 phục bằng cách sử dụng phụ gia siêu dẻo (SP). Từ kết quả SP1 cho các đặc tính cường độ và lưu lượng tốt hơn. Phần trăm tăng cường độ chịu uốn của bazan, B + SP1, B + SP2, SP1, SP2, WC + SP1, WC + SP2 hỗn hợp bê tông so với cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông được quan sát là 42,85%, 2,48%, 20,08%, 18,21%, 11,38%, 26,29%, 28,36%. Theo kết quả, hỗn hợp sợi bazan giúp tăng cường tối đa cường độ chịu nén và SP2 được thêm vào Hỗn hợp không mang lại sự cải thiện đáng kể mặc dù chúng tạo ra kết quả tốt hơn khi so sánh với hỗn hợp bê tông xi măng thông thường. Phần trăm tăng cường độ chịu nén của sợi bazan, B + SP1, SP1, WC + SP1, hỗn hợp bê tông so với cường độ chịu uốn 28 ngày của Bê tông thông thường được quan sát lần lượt là 16,97%, 3,42%, 25,54%, 26,52%. Theo quan sát, các mẫu của Basalt, SP1, WC + SP1 giúp cải thiện đáng kể cường độ chịu nén. Trong số đó, hỗn hợp giảm 20% nước giúp cải thiện tối đa cường độ chịu nén. Người ta nhận thấy rằng, phần trăm tăng cường độ của bê tông sợi bazan, phụ gia siêu dẻo đã tăng thêm bê tông theo tuổi của bê tông. Ngoài ra, nó đã được tìm thấy từ mô hình phá hoại của mẫu vật, rằng sự hình thành vết nứt trong trường hợp bê tông không có sợi hơn bê tông sợi bazan. Nó cho thấy rằng sự hiện diện của các sợi trong bê tông đóng vai trò là chất chống nứt. Các đặc tính dẻo được cải thiện với việc bổ sung các sợi bazan. Sự phá hoại của bê tông sợi là dần dần so với sự phá hoại giòn của bê tông thường. Ngoài ra nghiên cứu cũng cho thấy khi bazan tiếp xúc với các hóa chất khác, chúng không tạo ra các phản ứng hóa học có thể gây hại cho sức khỏe hoặc môi trường. Vật liệu tổng hợp bazan có thể thay thế thép và nhựa gia cố đã biết (1 kg bazan gia cố bằng 9,6 kg thép). Đá bazan có thể thay thế gần như tất cả các ứng dụng của amiăng và có ba lần tính chất cách nhiệt của nó. Basalt nổi tiếng là một loại đá được tìm thấy ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Đá bazan có nhiều ở Ấn 13 Độ (đặc biệt ở Maharashtra). Chi phí bazan thấp hơn 10 lần so với nguyên liệu thô cho sợi thủy tinh. Naya Rathod, Mukund Gonbare, Mallikarjun Pujari, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Kỹ thuật Rajarshi Shahu [16] cho thấy: cường độ chịu uốn trung bình 14 ngày là tối đa khi sử dụng 2% sợi, khoảng 40% đến 50% số liệu được quan sát thấy. Cường độ chịu nén trung bình 28 ngày là tối đa khi sử dụng 2% sợi, khoảng 83% & 92% cường độ chịu nén so với cường độ thiết kế, khi các sợi bazan được đưa vào bê tông. Người ta phải chăm sóc sợi bazan trong quá trình trộn với bê tông. Không được phép trộn quá 1,5 phút, nếu không sẽ tách riêng. Các sợi bazan được thêm vào bê tông trước khi thêm nước, nếu không nó sẽ dính trên bề mặt. Eythor Thorhallsson và cộng sự [17] chỉ ra rằng: sợi bazan có độ bền kéo tốt hơn sợi thủy tinh E, độ giãn dài tại điểm gãy lớn hơn sợi carbon cũng như khả năng chống ăn mòn hóa học tốt, tải trọng va chạm và lửa với khói độc ít hơn. Theo nghiên cứu cho thấy Nhà sản xuất sợi bazan Kamenny Vek ở Nga, 2009 nói rằng sợi bazan có các tính chất cơ học tốt hơn, chẳng hạn như độ bền kéo cao hơn, cũng như chi phí sản xuất thấp hơn sợi thủy tinh. Kamenny Vek cũng cho biết việc tái chế sợi bazan hiệu quả hơn nhiều so với sợi thủy tinh và do đó sợi bazan thân thiện với môi trường. Sợi bazan có thể được phân loại là vật liệu bền vững vì sợi bazan được làm từ vật liệu tự nhiên và khi sợi bazan trong nhựa được tái chế, vật liệu tương tự được lấy lại dưới dạng bột bazan tự nhiên. Fathima Irine I .A,Khoa Xây dựng Đại học M.G, Đại học Kỹ thuật Mar Athanasius, Kerala, Ấn Độ [18] cho thấy: Khi nghiên cứu và so sánh ảnh hưởng của việc đưa sợi bazan lên cường độ chịu kéo, uốn của bê tông sợi bazan với bê tông M30. Dựa trên thí nghiệm trong phòng thí nghiệm trên bê tông sợi bazan, các mẫu khối, dầm và hình trụ đã được thiết kế bằng bê tông 14 sợi bazan chứa 1kg/m3, 2kg/m3 và 4kg/m3 sợi bazan, uốn và kéo mẫu tại 3, 7 và 28 ngày với việc bổ sung các sợi bazan. Cho ra các kết quả như sau: tính công tác của hỗn hợp bê tông giảm khi bổ sung sợi bazan. Nhưng khó khăn này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng chất hóa dẻo hoặc siêu dẻo. Phần trăm tăng cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông sợi bazan so với cường độ chịu nén 28 ngày của Bê tông đều được quan sát là 14%. Sự gia tăng phần trăm cường độ chịu kéo đứt của hỗn hợp bê tông sợi bazan so với cường độ chịu nén 28 ngày của Bê tông đều được quan sát là 62%. Cường độ chịu uốn của bê tông sợi bazan cũng được cho thấy có mức tăng tối đa 54% với hàm lượng sợi 4kg/m3. Quan sát thấy rằng, phần trăm tăng cường độ của bê tông sợi bazan tăng theo tuổi của bê tông. Nghiên cứu cũng cho thấy rằng sự hiện diện của các sợi trong bê tông đóng vai trò là chất chống nứt. Cory High và cộng sự [19] chỉ ra rằng: Sử dụng sợi bazan làm tăng nhẹ cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông có chứa tro bay và các phụ gia có tỷ lệ xi măng nước thấp. Ngoài ra, cường độ chịu nén sớm của bê tông có chứa tro bay và các phụ gia có thể tăng đáng kể do sử dụng sợi bazan. Ngoài ra khi sử dụng sợi bazan sự gia tăng cường độ chịu uốn được thể hiện rõ hơn đối với hỗn hợp bê tông có chứa tro bay, phụ gia và với tỷ lệ xi măng nước thấp. . BFRP có gân và móp méo trong nghiên cứu này có độ bền kéo cực đại trung bình khoảng 1000 MPa với mô đun đàn hồi trung bình 45 GPa. Độ bền liên kết của cả hai thanh BFRP về cơ bản là giống nhau và chiều dài phát triển xấp xỉ bằng 32 lần đường kính thanh, nhỏ hơn đáng kể so với chiều dài phát triển dự đoán sử dụng phương trình ACI440.1R-06. Sự trượt của các thanh BFRP có thể xảy ra đối với tỷ lệ cốt thép thấp trong phạm vi tỷ lệ cân bằng. Độ trượt của các thanh có thể tránh được bằng cách sử dụng tỷ lệ cốt thép cao ít nhất gấp đôi tỷ lệ cốt thép cân bằng. Hành vi này có thể được cho là do nhu cầu ứng suất cao trên các thanh của mẫu thử có tỷ lệ cốt thép thấp. Hành vi này 15 cũng nhấn mạnh sự cần thiết cho việc thiết kế các mẫu uốn được gia cố bằng BFRP để không bị phá hoại khi nén. Thiết kế của các mẫu uốn được gia cố bằng các thanh BFRP có thể được kiểm soát bởi các yêu cầu về khả năng bảo trì do độ đàn hồi thấp của các thanh. ACI 440.1R-06 dự đoán chính xác công suất mô men danh nghĩa của các mẫu uốn được gia cố bằng các thanh BFRP. ACI 440.1R-06 đánh giá thấp đáng kể độ võng khi chịu tải đối với các tỷ lệ cốt thép dưới cốt thép và cân bằng. Tuy nhiên, dự đoán độ võng ACI 440.1R06 được cải thiện khi tỷ lệ gia cố BFRP được tăng lên. Ảnh hưởng của độ cứng căng của bê tông là không đáng kể đối với các mẫu uốn được gia cố bằng các thanh BFRP do mô đun đàn hồi thấp của chúng. Sử dụng sợi bazan làm tăng nhẹ cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông có chứa tro bay và các phụ gia có tỷ lệ xi măng nước thấp. Ngoài ra, cường độ chịu nén sớm của bê tông có chứa tro bay và các phụ gia có thể tăng đáng kể do sử dụng sợi bazan. Jongsung Sim [20] qua nghiên cứu về bê tông sử dụng sợi đá (sợi đá bazan – sợi bazan) làm sợi gia cường đã chỉ ra: bê tông sử dụng sợi sợi bazan có cường độ chịu kéo cao gấp 1,5 ÷ 2 lần, với độ giãn dài cao gấp từ 4 ÷ 6 lần bê tông thường, độ bền kéo trung bình, uốn, uốn trung bình trong 28 ngày là tối đa khi sử dụng 2% sợi khoảng 20% đến 30% giá trị được quan sát thấy. Sử Quốc Cương và các cộng sự (người Trung Quốc) [23]: qua nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cấp phối của bê tông sử dụng sợi bazan loại có tính mềm đã đưa ra kết luận: sợi bazan có ảnh hưởng rất lớn trong việc cải thiện tính chất của bê tông; ảnh hưởng này thể hiện càng rõ nét trong giao đoạn đầu, thời gian càng kéo dài sự ảnh hưởng càng hạn chế hơn. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước – xi măng và hàm lượng sợi đến tính năng của bê tông là rất rõ rệt; sau đó là đến ảnh hưởng của tỉ lệ đường kính – chiều dài sợi. Qua tổng hợp phân tích ảnh hưởng đến một số chỉ tiêu tính chất, nhóm nghiên cứu đã đề xuất hàm lượng sợi hợp lý là 0,2 ÷ 0,3% theo thể tích hỗn hợp. 16 Trịnh Kiệt (người Trung Quốc) [24] qua nghiên cứu về hiệu quả của việc cải thiện tính chất của hai loại bê tông (cấp 30 và cấp 50), sử dụng sợi bazan, đã chỉ ra rằng: với bê tông cấp 30, khi hàm lượng sợi lần lượt là 0%, 0,1%, 0,2% và 0,3% cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày không ngừng tăng cao và độ tăng lớn nhất là 31,5%; với loại bê tông cấp 50 cường độ lại tăng giảm chậm hơn với lượng tăng giảm không đáng kể. Thúc Tử Phong và Vương Vĩ (người Trung Quốc) [25] đã nghiên cứu tính chất cơ học của bê tông sử dụng sợi bazan (basalt fiber) và sợi thủy tinh (glass fiber); qua nghiên cứu chỉ ra rằng ảnh hưởng của sợi bazan đến cường độ chịu nén và khả năng chống nứt của bê tông rõ ràng hơn sợi thủy tinh. Nhiều nghiên cứu khác ở Trung Quốc về bê tông sử dụng sợi gia cường cũng chỉ ra [26,27] khi nâng cao hàm lượng sợi sẽ cải thiện rõ rệt một số tính năng của bê tông, trong đó nổi bật là cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu kéo dọc trục. Ở Việt Nam, cũng đã có một số nghiên cứu về lĩnh vực sử dụng sợi gia cường trong bê tông và vật liệu xây dựng nói chung, tuy nhiên kết quả nghiên cứu vẫn còn rất hạn chế: Nguyễn Văn Chánh và Trần Văn Miền, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh [1] đã nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi trên nền vật liệu xây dựng địa phương và chỉ ra rằng: tính chất của hỗn hợp và của bê tông sợi phụ thuộc nhiều vào hàm lượng sợi và loại sợi sử dụng. Tính công tác của hỗn hợp thường giảm xuống khi sử dụng sợi. Khi sử dụng sợi thép thì hầu hết các tính chất cơ học của bê tông đều tăng lên đáng kể so với bê tông thường; khi sử dụng các loại sợi mềm thì hầu như không làm thay đổi nhiều đến các tính chất cơ học với hàm lượng sợi 0,5 – 2%, tuy nhiên tính chất dẻo dai của bê tông lại được cải thiện khi sử dụng loại sợi này. Cũng theo nghiên cứu, thì khi tăng hàm lượng sợi bazan 1-4% thì cả độ sụt và khối lượng thể tích của hỗn 17 hợp bê tông sợi bazan đều giảm xuống. Khi sử dụng 4% sợi bazan thì độ sụt và khối lượng thể tích của hỗn hợp giảm đáng kể so với hỗn hợp bê tông cường độ cao không có sợi. Khối lượng thể tích và độ sụt của hỗn hợp tăng lên khi hàm lượng xi măng tăng 400-500kg/m3. Khi tỉ lệ N/X tăng từ 0,4 lên 0,45 thì độ sụt của hỗn hợp tăng lên, khối lượng thể tích của hỗn hợp giảm xuống. Cường độ chịu nén của bê tông cốt sợi bazan (BTCSB) giảm xuống khi hàm lượng sợi bazan tăng 1-4%. Cường độ chịu nén của BTCSB khi sử dụng 4% sợi Bazan giảm xuống đáng kể (giảm 25%) so với bê tông cường độ cao không sử dụng cốt sợi. Cường độ chịu nén của BTCSB tăng lên khi hàm lượng xi măng tăng từ 400kg lên 500kg/m3. Tỉ lệ N/X tăng từ 0,4 lên 0,45 làm cho cường độ chịu nén của BTCSB giảm xuống. Cường độ chịu kéo của bê tông cường độ cao không sử dụng sợi Bazan là 87daN/cm2, cường độ chịu kéo tăng lên 90 và 91daN/cm2 khi sử dụng 1% và 2% sợi Bazan, nhưng cường độ chịu kéo giảm xuống còn 89 và 86daN/cm2 khi sử dụng 3 và 4% sợi Bazan. Cường độ chịu uốn không tăng đáng kể khi tăng hàm lượng sợi Bazan 1% và 2%. Cường độ chịu uốn giảm xuống khi sử dụng 3% và 4% sợi Bazan. Trong trường hợp sử dụng 3% và 4% sợi Bazan, với hàm lượng sợi này, sợi Bazan không thể phân tán đồng đều trong nền bê tông do hỗn hợp BTCSB kém dẻo, cường độ của nền bê tông giảm xuống do sợi Bazan làm tăng độ xốp trong bê tông, từ đó Ru của BTCSB giảm khi sử dụng 3% và 4% sợi Bazan. Khả năng chống va đập của BTCSB thông qua số lần bi rơi làm xuất hiện vết nứt và làm mẫu bị phá họai hoàn toàn tăng lên khi hàm lượng sợi tăng lên. Đặc biệt là khi dùng 4% sợi Bazan thì khả năng chống va đập tăng lên rất đáng kể so với bê tông cường độ cao không sử dụng cốt sợi (tăng 60%). Nguyễn mạnh Phát [3] Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 2006.02: khi nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi bazan để chế tạo bê tông 18 dùng cho công trình chịu tải trọng động cho thấy: Khả năng chống va đập và năng lượng hấp thụ va đập của bê tông sử dụng cốt sợi bazan tăng đáng kể khi tăng hàm lượng sợi sợi từ 1-4%. Khả năng chống va đập của bê tông gia cường cốt sợi bazan tăng 60% so với bê tông cường độ cao không có cốt sợi. Sợi bazan có tác dụng tăng tính dẻo dai cho bê tông cường độ cao khi chịu lực va đập, hạn chế sự phất triển vết nứt và kéo dài khả năng làm việc cho kết cấu bê tông. Với khả năng chống va đập tốt, độ dẻo dai cao hơn đáng kể so với bê tông thông thường không có cốt sợi. Bê tông cốt sợi bazan cho phép thích hợp sử dụng cho các công trình chịu tác động của tải trọng động như: cầu, mặt đường băng, kè bờ biển cảng... Nguyễn Hùng Phong, Đại học xây dựng [4] đã nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kháng cắt cho dầm bê tông cốt sợi. Đây là một phương pháp gia cường đơn giản, có thể thực hiện nhanh chóng với chi phí tương đối thấp và không làm tăng kích thước cấu kiện. Kết quả thí nghiệm cho thấy phương pháp gia cường này làm tăng đáng kể khả năng chịu cắt của dầm BTCT, đồng thời làm tăng độ cứng và độ dẻo của dầm. Luận án tiến sỹ của nghiên cứu sinh Đặng Văn Thanh, Bộ môn Kỹ thuật Công trình, Đại học Lâm nghiệp Việt Nam [5, 28] đã nghiên cứu tác dụng của sợi và yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định nhiệt độ cao của SMA, đồng thời đã có phân tích vi quan sự phân bố và tác dụng của sợi trong hỗn hợp SMA. 1.3. Sử dụng bê tông sợi Bazan trong kết cấu xây dựng Thanh cốt thép sợi bazan (BFRP) gần đây đã được giới thiệu như là một thay thế cho cốt thép cho kết cấu bê tông và làm cốt thép bên ngoài để cải tạo kết cấu bê tông. Không giống như vật liệu Polyme cốt sợi Carbon (CFRP) và vật liệu Polyme cốt sợi thủy tinh (GFRP), sợi bazan chưa được sử dụng rộng rãi. Giới hạn sử dụng của họ có thể được quy cho việc thiếu nghiên cứu 19 cơ bản và thử nghiệm rộng rãi cần thiết để thiết lập các khuyến nghị và hướng dẫn thiết kế phù hợp. Sợi bazan xắt nhỏ cũng đã được giới thiệu như một chất phụ gia cho hỗn hợp bê tông để sản xuất bê tông cốt sợi (FRC). Ramakrishnam và cộng sự [21] nghiên cứu việc sử dụng các thanh sợi bazan để gia cố các thành phần bê tông. Kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng specimens được gia cố bằng các thanh BFRP có độ dài liên kết ngắn thể hiện độ trượt dần dần trước khi bị phá hoại. Mẫu vật có độ dài liên kết dài biểu hiện sự phá hoại đột ngột do vỡ các thanh BFRP. Thanh composite bazan được tạo ra bằng cách sử dụng sợi bazan và chất kết dính nhựa epoxy. Chúng không ăn mòn, bao gồm 80% sợi và có độ bền kéo gấp ba lần thanh thép thường được sử dụng trong xây dựng công trình. Bất cứ nơi nào có vấn đề ăn mòn, thanh composite sợi bazan có khả năng thay thế thép trong bê tông cốt thép. Hiện nay có nhiều công ty sản xuất thanh FRP tiếp thị sản phẩm của họ. Hầu hết các thanh này được làm bằng sợi thủy tinh E và nhựa nhiệt rắn. Tuy nhiên thanh FRP thiếu độ bền đủ trong điều kiện khắc nghiệt. Những thanh này rất tốn kém và cũng không chịu được kiềm. Thanh bazan không có những nhược điểm này và có thể được sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng khác nhau như rào chắn đường cao tốc, cấu trúc ngoài khơi và sàn cầu. Chỉ riêng những lợi thế đã đề cập ở trên có thể đảm bảo một lý lẽ đủ để thay thế các thanh thép bằng các thanh bazan trên quy mô lớn. Các ưu điểm khác của thanh bazan là trọng lượng của nó bằng một phần ba trọng lượng của thép và hệ số giãn nở nhiệt rất gần với bê tông. Hiệu suất cơ học / tỷ lệ giá cao của thanh composite sợi bazan, kết hợp với khả năng chống ăn mòn đối với tấn công kiềm, là những lý do khác để thay thế thép trong bê tông bằng thanh composite sợi bazan.