Bê tông | Tinh chất từ biến của bê tông

 Tinh  chất từ biến của bê tông

1. Cơ chế của từ biến

Nếu đặt tải trọng không đổi theo thời gian lên một mẫu bê tông thường (thí nghiệm từ biến), thì nhận được biến dạng gấp đôi sau vài tuần, gấp ba sau vài tháng và có thể gấp năm sau vài năm trong những điều kiện cực đại. Có thể nhận thấy một hiện tượng tương tự khi đặt tải trọng kéo, hoặc uốn. Từ biến của bê tông phụ thuộc vào nhiều thông số sau: bản chất của bê tông, tuổi đặt tải và nhất là các điều kiện môi trường.
Trong trường hợp bỏ tải, ta quan sát thấy sự giảm tức thời của biến dạng (giá trị tuyệt đối rất gần với biến dạng dạng của một mẫu tham khảo chịu tải ở tuổi này), gọi là biến dạng phục hồi. Tuy nhiên biến dạng này nhỏ hơn nhiều từ biến tương ứng, xét về giá trị tuyệt đối, và ổn định sau vài tuần.

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến.

Tải trọng: Với các tải trọng thay đổi, người ta có thể xét rằng từ biến tỉ lệ với tải trọng đặt vào, tuy nhiên từ 50% tải trọng phá hủy, nó tăng nhanh hơn ứng suất (quan hệ phi tuyến).
Bản chất bê tông: Từ biến biến đổi giống biến dạng tức thời, trừ các loại bê tông đặc biệt có các đặc trưng riêng với chỉ số động học về quá trình mất nước khác biệt: đó là trường hợp bê tông nhẹ có cốt liệu rỗng, chứa nước, từ biến nhỏ hơn bê tông thường có cùng cường độ;
Các điều kiện môi trường: khi không có sự trao đổi nước với bên ngoài, từ biến, khi đó gọi là từ biến riêng, gần tỉ lệ với lượng nước có thể bay hơi, và một loại bê tông sấy khô ở 1050C thường không có hiện tượng từ biến, nhưng trên thực tế, bê tông bị mất nước ít nhiều tùy theo khí hậu và sự thay đổi này dẫn đến từ biến lớn, hơn hai đến ba lần từ biến riêng: ta có thể giải thích hiện tượng từ biến do mất nước này bằng ảnh hưởng của cấu trúc liên quan đến co ngót do mất nước: trong một mẫu không chịu tải, quá trình mất nước dẫn đến các biến dạng tự do trên bề mặt nhanh hơn    và    lớn    hơn    so    với    ở tâm,    điều này dẫn    đến bề    mặt    chịu    kéo và có
vết nứt; trong một mẫu chịu tải nén, ta làm giảm nứt và sự mất nước thể hiện bởi các biến dạng lớn hơn; hiệu ứng này không hoàn toàn được định lượng nhưng chắc chắn giải thích một phần quan trọng hiện tượng từ biến do mất nước; ngoài ra nó cho phép giải thích rõ ràng hiệu ứng tỉ lệ vì trong các cấu kiện dầy, sự mất nước bị giới hạn ở bề mặt và do đó gần với từ biến riêng, chịu kéo và nứt bề mặt.

 3. Bản chất của từ biến

Từ biến và phục hồi  từ  biến là  hiện    tượng liên quan, nhưng    bản    chất    của chúng thì không rõ ràng. Sự thực là từ biến chỉ phục hồi một phần do đó phần này có thể gồm có một phần chuyển động đàn hồi-dẻo có thể phục hồi (gồm có pha nhớt thuần tuý và pha dẻo thuần tuý) và có thể là do bién dạng dẻo không phục hồi.
Biến dạng đàn hồi thường được phục hồi khi dỡ tải. Biến dạng dẻo không phục hồi được, có thể phụ thuộc vào thời gian, và không có tỷ lệ giữa biến dạng dẻo và ứng suất tác dụng, hay giữa ứng suất và tốc độ biến dạng. Biến dạng nhớt không bao giờ phục hồi khi dỡ tải , nó luôn luôn phụ thuộc vào thời gian và có tỷ lệ giữa tốc độ biến dạng nhớt và ứng suất tác dụng, và do đó giữa ứng suất và biến dạng tại một thời điểm cụ thể. Những loại biến dạng khác nhau này có thể được tổng kết
Một cách xử lý hợp lý phần phục hồi từ biến quan sát được bằng cách sử dụng nguyên tắc tổng hợp biến dạng, được phát triển bởi McHenry. Những trạng thái này có biến dạng được tạo ra trong bê tông tại thời điểm t bất kỳ bởi sự tăng lên của ứng suất tại thời điểm bất kỳ t0 và độc lập với những tác động của bất kỳ ứng suất tác dụng sớm hơn hay muộn hơn t0. Sự tăng lên của ứng suất được hiểu là tăng lên của ứng suất nén hoặc ứng suất kéo, cũng có thể là sự giảm nhẹ của tải trọng. Sau đó nếu ứng suất nén trên mẫu thử được loại bỏ tại thời điểm t1, sự phục hồi từ biến sẽ giống như từ biến của mẫu thử tương tự chịu cùng tải trọng ứng suất nén tại thời điểm t1. Phục    hồi    từ biến là    sự    khác nhau    của biến    dạng thực tại    thời    điểm    bất kỳ và biến dạng dự kiến nếu mẫu thử tiếp tục chịu ứng suất ban đầu.
So sánh của biến dạng thực và biến dạng tính toán (giá trị tính toán thực tế là sự khác nhau giữa hai đường cong thực nghiệm) đối với “bê tông bị bịt kín”, chỉ có từ biến gốc. Dường    như, trong    mọi    trường    hợp,    biến    dạng thực    sau khi    dỡ tải    cao
hơn biến dạng dư được dự đoán theo nguyên tắc tổng hợp từ biến. Do đó từ biến thực nhỏ hơn giá trị tính toán. Sai sót tương tự cũng được tìm thấy khi nguyên tắc này áp dụng cho mẫu thử chịu ứng thay đổi. Dường như nguyên tắc này không hoàn toàn thoả mãn hiện tượng từ biến và phục hồi từ biến.
Tuy nhiên nguyên tắc tổng hợp biến dạng, có vẻ thuận tiện. Nó ngụ ý rằng từ biến là hiện tượng đàn hồi chậm mà sự phục hồi hoàn toàn nói chung bị ngăn cản bởi quá trình hydrat hoá của xi măng. Bởi vì đặc tính của bê tông ở tuổi muộn thay đổi rất ít theo thời gian, từ biến của bê tông do tải trọng lâu dài tác dụng lên ở thời điểm sau khoảng vài năm có thể phục hồi hoàn toàn, điều này vẫn chưa được thực nghiệm khẳng định. Cần nhớ rằng nguyên tắc tổng hợp này gây ra sai sót nhỏ có thể bỏ qua trong điều kiện bảo dưỡng dạng khối, nơi mà chỉ có từ biến gốc. Khi từ biến khô xảy ra, sai sót lớn hơn và phục hồi từ biến bị đánh giá sai đáng kể.
Vấn đề    về    bản    chất của    từ    biến    vẫn    còn đang được tranh    luận    và không    thể
bàn thêm ở đây. Vị trí từ biến xảy ra là vữa xi măng đã thuỷ hoá, và từ biến gắn liền với sự dịch chuyển bên trong do dính bám hay kết tinh của nước, ví dụ quá trình thấm hay rò rỉ nước. Các thí nghiệm của Glucklich đã chứng tỏ rằng bê tông không có sự bay hơi của nước thì thực tế là không có từ biến. Tuy nhiên, sự thay đổi mức độ từ biến tại nhiệt độ cho thấy trong hoàn cảnh đó, nước ngừng ảnh hưởng và bản thân chất gel gây ra biến dạng từ biến.
Bởi vì từ biến có thể xảy ra trong khối bê tông, và sự rò rỉ nước ra bên ngoài đóng vai trò không quan trọng đến quá trình từ biến gốc, mặc dù những quá trình như vậy có thể cũng diễn ra trong từ biến khô. Tuy nhiên, sự rò tỉ nước bên trong từ các lớp chứa nước sang lỗ rỗng như là lỗ rỗng mao dẫn là có thể xảy ra. Một chứng cứ gián tiếp thể hiện vai trò của lỗ rỗng như vậy là mối liên hệ giữa từ biến và cường độ của vữa xi măng đã thuỷ hoá: nên có công thức liên hệ giữa từ biến và số lượng tương đối của lỗ rỗng tự do, và có thể thấy rằng lỗ rỗng trong cấu trúc gel có thể ảnh hưởng đến cường độ và từ biến; ở tuổi muộn lỗ rỗng có thể gắn liền với hiện tượng rò rỉ nước. Thể tích của lỗ rỗng là hàm số của tỷ lệ nước/xi măng và bị ảnh hưởng của mức độ thuỷ hoá.
Lỗ rỗng mao quản không thể chứa đầy nước ngay cả khi chịu áp lực thuỷ tĩnh như trong bể nước. Do vậy, sự rò rỉ nước bên trong là có thể dưới bất kì điều kiện lưu trữ nào. Hiện tượng từ biến của mẫu thử không co ngót không bị ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của môi trường cho thấy nguyên nhân cơ bản gây ra từ biến “trong không khí” và “trong nước” là giống nhau.
Đường cong từ biến theo thời gian cho thấy sự giảm từ biến là không xác định theo độ dốc của nó, và có một câu hỏi là liệu có hay không một sự giảm từ từ, theo cơ chế của từ biến. Có thể hiểu rằng tốc độ giảm với cơ chế giống nhau liên tục và rộng khắp,    nhưng    có lý để tin    rằng    sau nhiều    năm    dưới tác    dụng    của    tải    trọng,
chiều dầy của lớp có thể bị thấm nước có thể giảm đến một giá trị giới hạn và mới chỉ có thí nghiệm ghi lại từ biến sau nhiều nhất là 30 năm. Do đó, có thể rằng phần từ biến chậm, dài hạn là do nguyên nhân khác chứ không phải do rò rỉ nước nhưng biến dạng có thể phát triển chỉ khi có sự tồn tại của một số nước có thể bay hơi. Nguyên nhân này có thể là chảy nhớt hay trượt giữa các phần gel . Cơ chế như vậy phù hợp với ảnh hưởng của nhiệt độ đối với từ biến và cũng có thể giải thích phần từ biến lớn không thể phục hồi ở tuổi muộn.
Các quan sát về từ biến dưới tác dụng của tải trọng thay đổi, và đặc biệt là khi tăng nhiệt độ dưới điều kiện tải trọng như vậy, đã dẫn đến một giả thuyết sửa đổi về từ biến. Như đã đề cập, từ biến dưới ứng suất thay đổi lớn hơn từ biến dưới ứng suất tĩnh mà có cùng giá trị so với giá trị trung bình của ứng suất thay đổi. ứng suất thay đổi cũng làm tăng phần từ biến không thể phục hồi và làm tăng tốc độ từ biến do làm tăng sự trượt nhớt của cấu trúc gel, và làm tăng từ biến do số lượng giới hạn các vết nứt nhỏ tại tuổi sớm trong quá trình rắn chắc của bê tông. Số liệu thực nghiệm khác về từ biến khi kéo và khi nén gợi ý rằng các biến đổi được giải thích tốt nhất bởi sự tổng hợp của các lý thuyết về rò rỉ nước và chảy nhớt của bê tông.
Nói chung, vai trò của vết nứt nhỏ là thấp, không kể từ biến dưới tác dụng của tải trọng thay đổi là có giới hạn, từ biến do các vết nứt nhỏ hầu như có giới hạn đối với bê tông được chất tải ở tuổi sớm hoặc được chất tải với tỷ số ứng suất/cường độ vượt quá 0.6.
Nói tóm lại, chúng ta phải chấp nhận rằng cơ chế thực của từ biến vẫn chưa được xác định.

4.  Các ảnh hưởng của từ biến đến kết cấu bê tông

Từ biến làm ảnh hưởng đến biến dạng, độ võng và sự phân bố ứng suất, nhưng các ảnh hưởng thay đổi tuỳ thuộc vào loại kết cấu.
Từ biến của bê tông dạng khối thực chất không ảnh hưởng đến cường độ, mặc dù dưới ứng suất rất cao từ biến đẩy nhanh quá trình đạt đến biến dạng giới hạn mà tại đó sự phá huỷ xảy ra; điều này xảy ra khi tải trọng dài hạn vượt quá 85 hay 95% tải trọng tĩnh giới hạn gia tải nhanh. Dưới ứng suất dài hạn nhỏ, thể tích của bê tông giảm (như theo từ biến có hệ số Poisson nhỏ hơn 0.5) và điều này có thể làm tăng cường độ của bê tông. Tuy nhiên tác động này rất nhỏ.
Từ biến có ảnh hưởng lớn đến tính chất và cường độ của kết cấu bê tông cốt thép và bê tông ứng suất trước. Từ biến gây ra hiện tượng truyền dần tải trọng từ bê tông sang cốt thép. Khi cốt thép biến dạng lớn, phần tăng lên của tải trọng lại truyền sang bê tông, do đó cường độ tối đa của cả thép và bê tông tăng trước khi bị phá hoại - đã có công thức thiết kế về vấn đề này. Tuy nhiên, trong kết cấu cột lệch tâm, từ biến tăng tạo ra sự mất ổn định và có thể dẫn đến oằn gẫy. Trong kết cấu siêu tĩnh, từ biến có thể làm giảm sự tập trung ứng suất gây ra bởi co ngót, nhiệt độ thay đổi, hay sự dịch chuyển gối. Trong tất cả các kết cấu bê tông, từ biến làm giảm nội ứng suất do co ngót không đều của các bộ phận kết cấu, do đó làm giảm nứt. Khi tính toán ảnh hưởng của từ biến đến kết cấu, cần nhận thấy rằng biến dạng thực theo thời gian không phải là từ biến “tự do” của bê tông và giá trị của từ biến bị ảnh hưởng bởi số lượng và vị trí các thanh thép.
Mặt khác, trong khối bê tông, từ biến, có thể là nguyên nhân gây ra nứt khi trong khối bê tông chịu sự thay đổi theo chu kỳ của nhiệt độ gây ra bởi sự tăng nhiệt độ của phản ứng thuỷ hoá và sự giảm nhiệt từ từ. Sẽ có ứng suất nén gây ra bởi sự tăng nhanh nhiệt độ của khối bê tông bên trong. ứng suất này thấp vì mô đun đàn hồi của bê tông ở tuổi sớm thấp. Cường độ của bê tông ở tuổi rất sớm cũng thấp do đó từ biến rất cao; điều này giảm nhẹ ứng suất nén và ứng suất nén biến mất ngay khi sự làm lạnh xảy ra. Trong quá trình làm lạnh tiếp theo, ứng suất kéo phát triển và bởi vì tốc độ từ biến giảm theo thời gian, các vết nứt có thể xảy ra thậm chí trước khi nhiệt độ giảm xuống tới nhiệt độ ban đầu (khi thi công). Vì lý do này, sự tăng lên của nhiệt độ bên trong của khối lớn bê tông phải được kiểm soát.
Từ biến có thể dẫn đến sự mất ổn định của kết cấu và gây ra các vấn đề khác khi sử dụng, đặc biệt là trong các công trình nhà cao tầng và cầu lớn.
Sự mất mát dự ứng lực do từ biến đã được biết đến rất nhiều và thực vậy, nó dùng để tính toán ứng suất phá hoại khi dự ứng lực.
Ảnh hưởng    của từ    biến    có    thể    nguy    hiểm    nhưng    nói chung từ    biến    không
giống như co ngót, từ biến có thể làm giảm tập trung ứng và nó góp phần đáng kể vào sự thành công của bê tông với vai trò là vật liệu xây dựng kết cấu.
Các phương pháp thiết kế hợp lý đối với bê tông có xét đến từ biến trong các loại kết cấu khác nhau cần được phát triển.
Ta có thể thấy các biến dạng của mẫu theo thời gian, các biến dạng của mẫu giống với co ngót. Từ biến riêng về nguyên tắc đạt được theo sự chênh lệch giữa biến dạng của mẫu gia tải được quét nhựa và biến dạng của mẫu tương đương nhưng không được gia tải. Đối với mẫu không gia tải (được giữ dưới một lớp polyme cho đến 28 ngày sau đó... trong môi trường được khống chế cùng một tính toán cho một từ biến tổng cộng, tổng cộng của một từ biến riêng và một biến dạng phụ gọi theo quy ước là từ biến do khô, ngay cả khi nó thể hiện một phần co ngót do khô, mà tác dụng vi mô của nó rất rõ đối với mẫu chịu tải, vì khi đó sự nứt nẻ lớp mặt do khô bị hạn chế bởi sự nén bên ngoài.
Trong các thí nghiệm này cái chắn độ ẩm cũng không hiệu quả như trong các phép đo co ngót, vì không có một lá nhôm đặt ở giữa hai lớp nhựa. Từ biến riêng của đối chứng như vậy có thể được đánh giá hơi quá mức tuy nhiên bê tông cường độ cao thể hiện một từ biến giống nhau trên hai mẫu. Như vậy nó không bị ảnh hưởng bởi giả tượng trên đây.
Từ biến của bê tông cường độ cao được đặc trưng cuối cùng bởi:
-    Một động học nhanh (ở 7 ngày gia tải, một tỷ lệ б7% của biến dạng ở một năm đã được thực hiện trong khi đối chứng chỉ có 41%).
-     Một biên độ rất yếu (Kn< 0,б0, hai ngày gia tải. Điều này có thể là ít thuận lợi đối với các gia tải ở tuối ít ngày.
-    Một sự độc lập với các tác dụng của độ ẩm và của dạng hình học của kết cấu, một cái lợi thực tế đối với người thiết kế các kết cấu sử dụng các vật liệu, tạo sự tin cậy vào sự hợp thức cho tính toán của họ.
Tính toán từ biến.
Từ biến là các biến dạng theo thời gian dài (muộn) của bê tông dưới ảnh hưởng của các ứng lực.
Nếu bê tông chưa chịu tải ở tuổi t chịu một ứng lực liên tục, có thể chấp nhận biến dạng do từ biến ở một thời điểm xác định tỷ lệ với ứng lực (thấp hơn khoảng 0,б). Từ biến có thể được chia làm 2 phần:
-    Từ biến tự nhiên xuất hiện khi bê tông không trao đổi ẩm với môi trường bên ngoài. Hiện tượng này về mặt nguyên tắc độc lập với kích cỡ của kết cấu.
-    Từ biến khô trong khi bê tông chịu tải, phụ thuộc vào kích cỡ của kết cấu. 
Biên độ từ biến tự nhiên cuối cùng phụ thuộc vào ứng lực tác dụng, vào mođun đàn hồi đến 28 ngày của bê tông Ei28, và đối với các bê tông có kích thích của silic, nó còn phụ thuộc vào ứng suất của bê tông vào thời điểm chịu tải t chịu tải lúc còn non và có kích thích của silic thì tính động càng nhanh. Biến dạng từ biến tự nhiên xuất hiện trong khoảng thời gian (t1, t).