thí nghi
ệ
m v tính toán các đặc trng nứt
của các loại bê tông dùng Trong xây dựng
các công trình giao thông ThS. TRần thế truyền
PGS. TS. nguyễn ngọc long
Bộ môn Cầu hầm
GS. TS. nguyễn viết trung
Bộ môn Công trình giao thông thnh phố
Trờng Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bi báo giới thiệu về thí nghiệm v tính toán các đặc trng nứt cơ bản của các
loại bê tông thông thờng đợc dùng trong xây dựng các công trình giao thông. Hệ số cờng độ
ứng suất giới hạn K
IC
, độ bền nứt giới hạn G
c
, năng lợng nứt G
f
v các chiều di đặc trng của
vùng phá huỷ bê tông (FPZ) l
ch
(hay c
f
) của 6 loại bê tông có cờng độ chịu nén từ 20 MPa đến
50 MPa đợc thống kê v tính toán từ thí nghiệm uốn trên 3 điểm các mẫu dầm có đờng nứt
mồi. Kết luận về phơng pháp thí nghiệm phù hợp với điều kiện Việt nam v kiến nghị giải pháp

IC
), độ bền nứt giới
hạn (G
c
) hay năng lợng phá huỷ G
F
ở các nớc phát triển, cơ sở dữ liệu về các đặc trng
nứt của các loại bê tông có cấp hạng khác nhau, thành phần cốt liệu khác nhau, ứng dụng khác
nhau đã đợc nhiều tác giả nghiên cứu và công bố, kết quả này là cơ sở cho các nghiên cứu
sâu hơn cũng nh phục vụ thiết kế và chẩn đoán phá hoại của các công trình bằng bê tông. ở
Việt nam, theo điều tra thì hầu nh trong các quy trình về bê tông trong các lĩnh vực xây dựng,
giao thông, thuỷ lợi thì các kết quả tính toán về các đặc trng nứt của các loại bê tông xây dựng là cha có. Vì thế, đối với riêng ngành giao thông việc xây dựng một bộ dữ liệu về các đợc
trng nứt của các loại bê tông thông thờng là cần thiết, quy trình thí nghiệm chuẩn và mẫu thí
nghiệm cũng cần thống nhất để có thể sử dụng các kết quả tính toán này trong các trờng hợp
khác nhau. Kết quả thí nghiệm có đợc sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu về phá huỷ và lan truyền
nứt của các bộ phận kết cấu công trình nh cầu, vỏ hầm hay tờng chắn, ngoài ra các kết quả
này còn có thể áp dụng đối với các bộ phận kết cấu công trình khác trong lĩnh vực xây dựng dân
dụng hay thuỷ lợi sử dụng các loại bê tông tơng tự.
ii. Cơ sơ đề xuất phơng pháp thí nghiệm
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05.
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN18-79.
- TCVN 3121 Tiêu chuẩn Việt nam, tập 10.
- Các tiêu chuẩn về vật liệu và kết cấu bê tông và tiêu chuẩn chuyên ngành khác trong
nớc và nớc ngoài.
- Các quy định và gợi ý của RILEM (1) về tiến hành các thí nghiệm xác định các đặc trng nứt
của các loại bê tông (RILEM Recommendation 1985 và RILEM Draft Recommendation1991).
- Điều kiện cơ sở vật chất, nhân lực hiện có của các phòng thí nghiệm trong nớc có thể sử

Bazant. Z) có đợc từ giá trị tải trọng lớn nhất gây lan truyền nứt trong dầm P
max
. Từ đây có thể
suy ra G
F
theo quan hệ giữa G
f
và G
F
.
Các mẫu thí nghiệm có thể là mẫu dầm có hoặc không đờng nứt mồi uốn trên 3 hay 4 điểm,
mẫu dầm hẫng kép, mẫu dầm xoắn kép, mẫu kéo compact, mẫu dạng tấm, mẫu dạng khối. Trong
đó mẫu dầm uốn trên 3 điểm có hoặc không đờng nứt mồi đợc đánh giá là đơn giản và hiệu quả
nhất, đặc biệt phù hợp với các kết cấu chịu uốn nh dầm hay bản (Bazant & al 2003). Theo RILEM Recommendation (1985) và RILEM draft Recommendation (1991), mẫu dầm uốn trên 3
điểm có đờng nứt mồi đợc lựa chọn nh là mẫu chuẩn để thí nghiệm các đặc trng nứt.
Vì thế chúng tôi cũng sử dụng mẫu dầm uốn trên 3 điểm có đờng nứt mồi làm mẫu chuẩn
để thí nghiệm xác định các đặc trng nứt của các loại bê tông trong xây dựng giao thông.
Quy trình thí nghiệm các đặc trng nứt trên đợc lấy theo đề nghị của các tác giả của các
mô hình nứt tơng ứng có xem xét đến điều kiện cơ sở vật chất và nhân lực của các phòng thí
nghiệm hiện có trong nớc cũng nh là có tham chiếu các tiêu chuẩn về bê tông và các tiêu
chuẩn chuyên ngành về xây dựng các công trình giao thông và xây dựng của Bộ GTVT và Bộ
XD nh ở trên.
iv. Thí nghiệm v phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm
4.1. Chuẩn bị thí nghiệm
Yêu cầu chung về thí nghiệm.
+ Bê tông thí nghiệm:
Sáu cấp bê tông đợc lựa chọn theo cờng độ chịu nén của mẫu nén hình trụ 15 x 30cm từ

D4
50 400 1200 1320 80
B - chiều rộng dầm.
W - chiều cao dầm.
l - chiều dài nhịp dầm.
L - chiều dài toàn dầm.
a
o
- Chiều dài đờng nứt mồi.
Yêu cầu tới nớc trong 24 giờ đầu tiên để bảo dỡng. Đo lại kích thớc mẫu trớc khi
chuẩn bị thí nghiệm.
Đúc 5 mẫu để thí nghiệm trớc khi đúc hàng loạt.
Tổng số mẫu dầm có vết nứt mồi là: 4 x 5 x 6 = 120 mẫu (4 bộ tơng ứng với 4 kích thớc
từ D1 đến D4 với 6 cấp bê tông khác nhau, mỗi bộ đúc 5 mẫu dầm). + Thiết bị thí nghiệm
Ván khuôn chuẩn bị đồng bộ cho các kích thớc và hình dạng mẫu thí nghiệm khác nhau.
Máy nén có khống chế đợc gia tăng tải trọng trong quá trình chất tải.
Thiết bị đo biến dạng, độ võng (tensometres, indicateur, dattrích ).
Thiết bị đo độ mở rộng đờng nứt (CMOD).
Các loại máy khác
Hình 1. Thiết bị thí nghiệm
+ Bố trí thí nghiệm:

+ Quan hệ ứng suất biến dạng tải trọng - độ võng (ở mặt cắt giữa nhịp) (P - ).
+ Quan hệ tải trọng - độ mở rộng đờng nứt (P - CMOD).
4.2. Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm về lan truyền nứt đợc thực hiện với các mẫu dầm từ D1 đến D4 trên máy uốn
mẫu dầm của phòng thí nghiệm LAS - XD125, Trờng ĐHXD với sự hợp tác của KS. Lê Huy
Nh, trởng phòng thí nghiệm và các cộng sự. Thời gian thí nghiệm từ 4 đến 13/10/2006. Cấp
gia tải đợc chọn phụ thuộc vào kích thớc dầm sao cho thu đợc số liệu cần thiết. Hình 3. Mẫu dầm thí nghiệm trớc v sau khi phá huỷ
4.3. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm.
4.3.1. Phân tích xử lí kết quả thí nghiệm
Kết quả chính của thí nghiệm thu đợc gồm tải trọng P
max
làm lan truyền các đờng nứt mồi
(bảng 2) của các mẫu dầm. Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng (P - v) và tải trọng - CMOD của
các cấp bê tông có cờng độ chịu nén nhỏ hơn 25MPa (ví dụ đối với dầm D4, f
c
= 20MPa nh
hình 4), đối với các cấp bê tông có cờng độ cao hơn các quan hệ này không thu đợc.
Bảng 2.
Tải trọng lan truyền nứt P
max
(N)

- Hệ số cờng độ ứng suất giới hạn (K
IC
) và độ bền nứt giới hạn (G
c
). Các kết quả này đợc
biểu diễn theo cờng độ chịu nén f
c
, chiều cao dầm W của bê tông nh hình 5, 6 và 7.
- Năng lợng nứt giới hạn G
f
theo mô hình SEM của Bazant, và chiều dài đặc trng (c
f
tính
theo Bazant và l
ch
tính theo Hillerborg) của vùng phá huỷ (FPZ) nh hình 8.
Hình 5. Biến đổi hệ số cờng độ ứng suất K
IC
v độ bền nứt G
c
theo f
c

Hình 6. Biến đổi hệ số cờng độ ứng suất K
IC
v độ bền nứt G
c

- Xác định năng lợng nứt trớc đỉnh phá hoại G
f
tơng đối dễ dàng vì chỉ cần các giá trị
Pmax. Từ đây có thể tính đợc G
F
. Đây là phơng pháp phù hợp với điều kiện Việt nam, từ đó
suy ra G
F
thông qua mối quan hệ giữa chúng và có thể ngoại suy đợc dạng đờng cong ứng xử
mềm hoá (softening behavior). Hiện tại, có rất nhiều nghiên cứu của các tác giả nổi tiếng trên
thế giới về mối quan hệ giữa G
f
và G
F
cho các loại bê tông, đặc biệt là các nghiên cứu của Z.P.
Bazant đã chỉ ra rằng G
F
2.5G
f
. Vì thế thay vì tiến hành đo đạc G
F
thì chỉ cần đo G
f
.
- Việc lựa chọn mẫu thí nghiệm và quy trình thí nghiệm trên cơ sở các gợi ý của RILEM có
tham khảo các quy trình về bê tông và quy trình thiết kế của Bộ GTVT và Bộ XD nh trên là tối
u nhất trong điều kiện hiện có của các phòng thí nghiệm ở Việt nam hiện nay.
- So sánh với các kết quả nghiên cứu tơng tự ở nớc ngoài (Bazant 1984 - 2002;
Karihaloo 1986 - 1995) cho thấy: Phạm vi biến đổi của các đặc trng nứt của bê tông theo
các cấp hạng bê tông hay theo kích thớc các mẫu thí nghiệm là gần nh nhau. Biến thiên của

[4]. Bhushan Karihaloo, fracture mechanics & structural concrete, Longman Scientific & Technical; New
York : Wiley, 1995.
[5]. Bazant. Z & Drahomir N. Propose for standard test of modulus of rupture, ACI material journal, 2001.
[6]. Bazant. Z. Concrete fracture model: testing & practice, Eng F.M, 69, 2002.
[7]. Bazant. Z & Os. Crack band theory for fracture of concrete, Material & Struct (RILEM) 16, 1983.
[8]. Bazant. Z & Qiang Yu, Goangseupzi. Choice of standard fracture test for concrete and its statistical
evaluation, Int. J. Fract, 2003Ă