Nghiên cứu sự làm việc của bê tông cốt sợi thép

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 98 
BÀI BÁO KHOA HỌC 
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 
Đặng Văn Phú1 
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu những đặc tính cơ học nổi trội của kết cấu bê tông cốt sợi thép so với 
kết cấu bê tông thông thường trong giai đoạn sau nứt của bê tông bằng việc kết hợp giữa các 
nghiên cứu có sẵn và làm thí nghiệm uốn ba điểm trên dầm bê tông cốt sợi thép với hai hàm lượng 
cốt sợi thép khác nhau, mối quan hệ giữa ứng suất kéo uốn và độ mở của miệng vết nứt của vật liệu 
khi chịu uốn sẽ được nghiên cứu và tạo nền tảng cho những nghiên cứu chuyên sâu hơn sau này. Từ 
đó, có thể đề xuất việc sử dụng vật liệu này cho các kết cấu tấm, vỏ trong thực tế để tăng cường khả 
năng chịu lực của kết cấu. 
Từ khóa: Bê tông cốt sợi, sợi thép, ứng suất kéo uốn, kết cấu tấm, kết cấu vỏ mỏng. 
1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÊ TÔNG 
CỐT SỢI THÉP* 
Hầu hết các cấu kiện bê tông cho các công 
trình hiện nay đều phải đối mặt với vấn đề nứt 
trong quá trình thi công và sử dụng. Có nhiều 
biện pháp đã và đang được đưa vào áp dụng 
nhằm giảm tối thiểu những ảnh hưởng từ vấn đề 
nứt này như sử dụng chất phụ gia, bê tông ứng 
suất trước, bê tông cốt thép. Tuy nhiên, những 
phương pháp này không thể áp dụng hết trong 
mọi trường hợp, đặc biệt là trong kết cấu bản, 
tấm vỏ; do đó, việc nghiên cứu sử dụng bê tông 
cốt sợi thép có thể đáp ứng được nhu cầu này. 
Mục đích của bài báo là nghiên cứu những đặc 
tính nổi trội của vật liệu bê tông cốt sợi thép so 
với kết cấu bê tông thông thường khi áp dụng 
cho cấu kiện chịu uốn. Từ đó, đưa ra các đề xuất 
và phương hướng cho các nghiên cứu sau. 
Bê tông cốt sợi thép là vật liệu bê tông được 
chế tạo từ hỗn hợp xi măng, nước, cốt liệu, phụ 
gia vàmột hàm lượng sợi thép nhất định. Thông 
thường hàm lượng sợi thép này rất nhỏ so với 
thể tích của hỗn hợp (<2% về thể tích) (Arnon 
Bentur and Sidney Mindess, 2007). Trong một 
số trường hợp có thể kết hợp cả cốt thép và cốt 
sợi thép để tăng cường lực cho kết cấu. 
1 Bộ môn Kỹ thuật công trình, Cơ sở 2- Đại học Thủy lợi 
Những ưu điểm của bê tông cốt sợi thép: 
- Nối vết nứt, 
- Tăng độ dẻo cho kết cấu bê tông, 
- Cải thiện đặc tính cơ học của vật liệu tại 
giai đoạn sau nứt, 
- Tăng khả năng chịu lực cho cấu kiện. 
Ngoài ra có một số nhược điểm sau: 
- Giá thành có thể cao hơn, 
- Giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông. 
Những nhân tố chính ảnh hưởng đến đặc tính 
cơ học của vật liệu bê tông cốt sợi nói chung là: 
- Đặc tính của bê tông. 
- Loại cốt sợi, hình dạng, kích thước, sự phân 
bố và hướng phân bố của cốt sợi trong hỗn hợp, 
- Sự tương tác giữa bê tông và cốt sợi. 
Trong đó, hai nhân tố sau có tầm quan trọng 
trong việc quyết định đến đặc tính cơ học của bê 
tông cốt sợi thép. 
Về hình dạng thì cốt sợi thép có thể thẳng 
hoặc cong, có móc câu hoặc được tán to ở hai 
đầu, bề ngoài có thể trơn hoặc có sần sùi, có 
rãnh. Về mặt cắt ngang có nhiều loại như mặt 
cắt ngang hình tròn, hình chữ nhật, hình vuông 
hoặc các hình đa giác khác (Hình 1). Việc sử 
dụng cốt sợi có hình dạng ngoài sần sùi và có 
móc câu sẽ làm tăng độ liên kết giữa cốt sợi và 
bê tông, từ đó làm tăng khả năng chịu lực của 
kết cấu. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 99 
(a) (b) 
Hình 1. (a) Một số hình dạng ngoài của cốt sợi; (b) Một số mặt cắt ngang của cốt sợi 
Hình 2 thể hiện sự phân bố và hướng phân 
bố của cốt sợi trong hỗn hợp bê tông. Sự phân 
bố có thể là thẳng hàng, lưới hoặc ngẫu nhiên; 
với hướng nằm có thể nằm ngang, nằm chéo 
trong hỗn hợp. Tất cả yếu tố này quyết định 
đến khả năng nối vết nứt của kết cấu, từ đó 
quyết định đến khả năng chịu lực trong giai 
đoạn sau nứt. 
Hình 2: Sự phân bố và hướng phân bố của cốt sợi trong hỗn hợp bê tông (Ingemar Löfgren, 2005) 
Yếu tố cuối cùng là sự tương tác giữa cốt sợi 
và bê tông, nếu như sự tương tác này tốt sẽ giúp 
kết cấu tăng được độ bền. Sự tương tác này 
được thể hiện qua liên kết giữa cốt sợi và bê 
tông. Nếu như liên kết này càng tốt thì độ bền 
của kết cấu càng cao (Hình 3). 
 (a) (b) 
Hình 3. Hình ảnh về sự làm việc của dầm bê tông khi bị nứt trong hai trường hợp 
(a) Dầm bê tông; (b) Dầm bê tông cốt sợi thép. 
2. THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM 
Để nghiên cứu đặc trưng cơ học của vật liệu bê 
tông cốt sợi thép, một số thí nghiệm có thể được 
thực hiện như thí nghiệm nén đúng tâm, kéo đúng 
tâm, kéo tuột và thí nghiệm uốn. Trong đó đường 
cong quan hệ của vật liệu khi chịu kéo-nén là 
Thẳng Móc câu Tán dẹt Đầu núm Hình nón 
Dạng lượn sóng Hình cung Răng cưa Nhấp nhô Dạng bất kỳ Rãnh xoắn 
Hình tròn Hình vuông Hình chữ nhật Hình tam giác 
Hình elip Hình lục giác Hình bát giác Hình bất kỳ 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 100 
những đặc trưng cơ học quan trọng của vật liệu. 
Tuy nhiên, để thực hiện thí nghiệm kéo đúng 
tâm của mẫu thí nghiệm làm bằng bê tông cốt sợi 
thép rất phức tạp và đòi hỏi độ chính xác rất cao. 
Để dễ dàng cho việc nghiên cứu sâu hơn về 
những đặc tính của bê tông cốt sợi thép, bài 
báođã thực hiện thí nghiếm uốn ba điểm với 
dầm bê tông cốt sợi thép để thu được đặc trưng 
cơ học của vật liệu khi chịu uốn. 
Việc thực hiện thí nghiệm được thực hiện 
theo tiêu chuẩn châu Âu EN: 14651,2005 và 
hướng dẫn thiết kế kết cấu bê tông cốt sợi thép 
(SFRC Consortium, 2014). 
a) Vật liệu thí nghiệm 
Thí nghiệm được thực hiện trên các dầm bê 
tông cốt sợi thép có số liệu như trong Bảng 1. 
Bảng 1. Dữ kiện về dầm bê tông cốt sợi thép làm thí nghiệm uốn 3 điểm 
STT Tên dầm bê tông cốt sợi thép 
Hàm lượng cốt sợi thép 
được dùng 
[kg/m3] – [%] 
Kích thước 
dầm 
[mm] 
Số lượng 
dầm 
1 SFRC-0.19% 15 – (0.19%) 15x15x600 5 
2 SFRC-0.32% 25 – (0.32%) 15x15x600 5 
Theo Arnon Bentur and Sidney Mindess, 
2007, khi hàm lượng cốt sợi thép quá nhỏ 
(≤0.1%) thì sự khác biệt sẽ không quá lớn của 
bê tông cốt sợi thép so với bê tông thường. Do 
đó tác giả chọn 0.19% (~ 0.2%) tương ứng với 
15kg/m3 và 0.32% (~0.3%) tương ứng với 
25kg/m3. Trong quá trình trộn, việc đo tỉ lệ thể 
tích sẽ phức tạp do đó tác giả lựa chọn khối 
lượng cốt sợi như trên để dễ dàng hơn trong 
việc tính toán tỉ lệ giữa các vật liệu. 
Từ điều kiện về công tác trộn bê tông, thì 
Johnston, 1974 đã chỉ ra rằng kích thước lớn 
nhất của cốt liệu không được quá một nửa chiều 
dài của cốt sợi. Về cốt liệu được dùng để đổ bê 
tông có kích thước lớn nhất là 32mm(EN: 
14651, 2005), theo SFRC Consortium, 2014, thì 
chiều dài cốt sợi thép ít nhất là phải bằng 1.5 lần 
chiều dài lớn nhất của cốt liệu để đảm bảo sự 
làm việc của cốt sợi thép trong bê tông cũng 
như việc trộn bê tông cốt sợi thép. Vậy trong 
trường hợp này, tác giả lựa chọn kích thước lớn 
nhất của cốt liệu là 20mm và chiều dài của cốt 
sợi thép là 35mm. Kích thước cốt sợi thép được 
dùng được thể hiện ở Bảng 2. 
Bảng 2. Đặc điểm cốt sợi thép được dùng trong thí nghiệm uốn ba điểm 
Loại sợi thép Móc câu Chiều dài l [mm] 35 
Cường độ chịu kéo [MPa] 1100 Đường kính d [mm] 0.55 
Môđun đàn hồi của thép [MPa] 210000 Tỉ lệ chiều dài/đường kính (l/d) 64 
Hình dạng mặt cắt ngang Hình tròn Trọng lượng riêng của sợi thép [Kg/m3] 7850 
b) Tiến hành thí nghiệm 
Để đảm bảo sự phân bố đồng đều của cốt sợi 
thép trong dầm bê tông, đầm dùi được sử dụng 
trong quá trình đổ hỗn hợp bê tông cốt sợi thép 
vào khuôn và sử dụng máy rung để làm chặt đều 
cho mọi dầm, từ đó hỗn hợp được phân bố đều 
trong toàn bộ vị trí của dầm. 
Dầm phải được bảo quản trong điều kiện tiêu 
chuẩn về độ ẩm và nhiệt độ sau 28 ngày trước 
khi được đưa ra làm thí nghiệm (TCVN 
8828:2011). 
Để tiến hành thí nghiệm, một vết khía có bề 
rộng 2mm và độ sâu 25mm được tạo ra tại chính 
giữa dầm để cố định vị trí bắt đầu phát triển của 
vết nứt như Hình 4. 
Thí nghiệm được thực hiện bằng máy uốn 
thủy lực tạo ra một lực tập trung tác dụng vào 
mặt trên của dầm tại chính giữa nhịp. Dầm bê 
tông cốt sợi thép được đặt trên hai gối tựa, và có 
các thiết bị đo biến dạng, chuyển vị được lắp đặt 
như Hình 4, Hình 5. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 101 
Vết khía 
A
A
A-A
150.0
250.0 250.0
150.0
125.0
50.0 50.0
25.0
P
CTOD
CMOD
Hình 4. Kích thước và hình dạng của dầm bê tông cốt sợi thép, vị trí vết khía và vị trí đo CMOD 
và CTOD trong thí nghiệm uốn ba điểm (kích thước là mm). 
Trong quá trình thí nghiệm, lực tác dụng 
được điều khiển thông qua tốc độ mở của miệng 
vết khía (CMOD) cho đến khi CMOD đạt giá trị 
là 5mm, sau đó được điều khiển thông qua tốc 
độ mở của rãnh vết khía (CTOD) với tốc độ là 
1mm/phút cho đến khi CTOD đạt giá trị là 
9mm, quá trình tác dụng lực trong thí 
nghiệmnhư trong Bảng 3. 
Hình 5. Lắp đặt thí nghiệm uốn ba điểm tại 
phòng thí nghiệm 
Bảng 3. Quá trình tác dụng lực trong thí nghiệm 
Kiểm soát theo CMOD 
CMOD (mm) Tốc độ (mm/phút) 
0 ÷ 0.1 0.05 
0.1 ÷ 2.0 0.2 
2.0 ÷ 5.0 0.3 
Kiểm soát theo CTOD 
CTOD (mm) Tốc độ (mm/phút) 
5.0 ÷ 9.0 1.0 
3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT 
Kết quả thí nghiệm được ghi lại bằng máy 
tính có kết nối đến các thiết bị đo biến dạng 
được lắp trên dầm, sau đó dữ liệu về lực tác 
dụng F, CMOD, CTOD và độ võng tại mặt cắt 
giữa dầm được lưu lại. Để dễ dàng hơn trong 
việc phân tích và sử dụng cho mục đích nghiên 
cứu sau này, đường đặc trưng cơ học của vật 
liệu được biến đổi thành mối quan hệ giữa ứng 
suất kéo uốn σN(flexural tensile stress) với độ 
mở của miệng vết khía CMOD. 
Một trong những kết quả thu được là giới hạn 
tỉ lệ ,
f
ct Lf - là giá trị ứng suất mà từ điểm đó vật 
liệu không còn tuân theo định luật Hooke, được 
đề xuất là giá trị ứng suất lớn nhất trong khoảng 
CMOD ≤ 0.05mm, Hình 6, (EN:14651, 2005). 
Ngoài ra còn có giá trị ứng suất kéo uốn dư sau 
nứt rjf ứng với giá trị CMOD = 0.5; 1.5; 2.5 và 
3.5 theo tiêu chuẩn EN: 14651 - 2005 do sự làm 
việc của cốt sợi. 
- Giới hạn tỉ lệ được tính bằng công thức sau: 
, 2
3
2
f L
ct L
sp
Ff
bh
Trong đó: FL là giá trị lực tương ứng với giới 
hạn tỉ lệvà được lấy như Hình 6. 
b là bề rộng của mặt cắt ngang của dầm. 
hsp là chiều cao mặt cắt ngang tính từ rãnh 
vết khía. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 102 
Hình 6. Phạm vi xác định giá trị giới hạn tỉ lệ FL (EN:14651, 2005) 
- Giá trị ứng suất kéo uốn dư sau nứt: 
2
3
2
j
rj
sp
F
f
bh
Trong đó: Fj (j = 1, 2, 3, 4) là giá trị lực tác 
dụng tương ứng với giá trị của độ mở của miệng 
vết nứt CMODj = 0.5; 1.5; 2.5 và 3.5mm được 
lấy như Hình 7. 
Hình 7. Cách xác định Fj(EN:14651, 2005) 
Hình 8. Giới hạn tỉ lệ, ứng suất kéo uốn dư sau nứt và độ lệch chuẩn của thí nghiệm 
Từ Hình 8 có thể thấy rằng giá trị ứng suất 
sau nứtfrj (j=1, 2, 3, 4) tương ứng với giá trị của 
CMOD = 0.5; 1.5; 2.5; 3.5mm cũng như giá trị 
ứng suất tới hạn của vật liệu fL – là trị số ứng 
suất lớn nhất trong khoảng CMOD = 0.05, tất cả 
các giá trị này được gợi ý theo tiêu chuẩn EN: 
14651, 2005. Để đánh giá mức độ biến thiên của 
ứng suất cho 5 dầm bê tông cốt sợi với mỗi hàm 
lượng cốt sợi thép khác nhau, hệ số lệch chuẩn 
CV được tính toán như trên Hình 8, có thể thấy 
rằng hệ số lệch chuẩn khá giống nhau. Điều này 
có thể chứng minh rằng với kỹ thuật trộn bê 
CMOD=3.5 CMOD=0.5 CMOD=1.5 CMOD=2.5 CMOD=3.5 CMOD=0.5 CMOD=1.5 CMOD=2.5 
CV= 0.06 CV= 0.23 CV= 0.24 CV= 0.27 CV= 0.26 CV= 0.25 CV= 0.28 CV= 0.28 CV= 0.22 CV= 0.11 
SFRC-0.32% SFRC-0.19% 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 103 
tông giống nhau thì sự phân bố của cốt sợi là có 
sự biến thiên giống nhau giữa các mẻ trộn khác 
nhau và được thể hiện qua hệ số lệch chuẩn CV 
là khá gần nhau. 
Hình 9. Đường quan hệ ứng suất kéo uốn-CMOD và ứng suất kéo uốn-CTOD của dầm bê tông 
 cốt sợi thép với hàm lượng cốt sợi thép là 0.19%. 
Hình 10. Đường quan hệ ứng suất kéo uốn-CMOD và ứng suất kéo uốn- CTOD của dầm bê tông 
cốt sợi thép với hàm lượng cốt sợi thép là 0.32%. 
Ngoài ra, việc vẽ đường cong đặc trưng cơ 
học của vật liệu khi chịu uốn cũng là một trong 
những công tác quan trọng để có cái nhìn tổng 
quát hơn về khả năng chịu lực của bê tông cốt 
sợi thép trong gian đoạn sau nứt. Từ nghiên cứu 
lý thuyết cũng như các nghiên cứu trước đó thì 
bê tông thường sau khi đạt giới hạn ứng suất, thì 
đường cong đi xuống và ngay lập tức không thể 
tác dụng thêm lực được nữa (Hình 9 và Hình 
10). Tuy nhiên, với dầm bê tông cốt sợi thép, 
đường cong vẫn tiếp tục kéo dài và vẫn có thể 
tác dụng lực cho đến khi dầm bị nứt gãy hoàn 
toàn. Điều này có thể được giải thích là với dầm 
bê tông thường, khi đạt cường độ giới hạn về 
ứng suất, nếu tiếp tục tăng lực tác dụng thì vết 
nứt bắt đầu hình thành ngay tại rãnh của vết 
khía, lúc này phần diện tích mặt cắt ngang bị thu 
hẹp lại do tại vị trí nứt không có khả năng chịu 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 104 
lực nên dầm ngay lập tức ngừng làm việc tại vết 
nứt. Trong khi đó, với dầm bê tông cốt sợi thép, 
ngay vị trí nứt vẫn có sự làm việc của các cốt 
sợi thép và có khả năng truyền lực từ bên này 
qua bên kia, làm tăng khả năng chịu lực của 
dầm ngay tại vị trí vết nứt. 
Hình 11. So sánh đặc tính cơ học của dầm bê tông cốt sợi thép giữa hai hàm lượng khác nhau: 
SFRC-0.19% và SFRC-0.32% và độ lệch chuẩn của thí nghiệm 
Từ Hình 11 có thể thấy hàm lượng cốt sợi thép 
được trộn cũng làm tăng cường độ ứng suất kéo 
uốn của vật liệu, với độ tăng hàm lượng thép là 
67% (15kg/m3 lên 25kg/m3) thì cường độ ứng suất 
kéo uốn của vật liệu tăng 4% (4.52MPa lên 
4.68MPa). Từ điều này có thể kết luận việc tăng 
hàm lượng cốt sợi thép không làm ảnh hưởng 
nhiều đến cường độ ứng suất kéo uốn của vật liệu. 
Khi xét đến sự biến thiên của kết quả thí nghiệm 
(Hình 11), độ lệch chuẩn của SFRC-0.32% và 
SFRC-0.19% gần như giống nhau cho toàn bộ kết 
quả thí nghiệm trong suốt giá trị của CMOD và giá 
trị độ lệch khá nhỏ, nằm trong khoảng 
CV=(0.2÷0.3). Điều này một lần nữa khẳng định 
sự phân bố của cốt sợi thép trong quá trình trộn bê 
tông là có sự tương đồng giữa các mẻ trộn và các 
dầm làm thí nghiệm khi dùng đầm dùi trong quá 
trình đổ hỗn hợp bê tông cốt sợi thép vào khuôn. 
4. KẾT LUẬN 
Qua thí nghiệm có thể thấy rằng bê tông cốt 
sợi thép có nhiều đặc tính nổi trội hơn so với bê 
tông thông thường, đặc biệt là trong giai đoạn 
sau nứt bê tông. Lúc này, nhờ sự hiện diện của 
cốt sợi thép, bê tông vẫn có khả năng làm việc 
tại vị trí vết nứt, nếu như tại vị trí đó có cốt sợi 
thép nối vết nứt lại. Với những kết cấu tấm vỏ 
mỏng, do khó có thể bố trí được cốt thép chịu 
lực theo đúng tiêu chuẩn, nên việc cùng cố sợi 
thép sẽ là lựa chọn khá tốt để tăng cường khả 
năng chịu lực của kết cấu. 
Ngoài ra, việc tăng hàm lượng cốt sợi thép 
không có nghĩa là cường độ ứng suất kéo uốn 
của vật liệu sẽ được tăng cường. 
Khi dùng kỹ thuật trộn bê tông giống nhau thì 
sự phân bố của cốt sợi thép là giống nhau cho các 
mẻ trộn với độ lệch chuẩn nhỏ và giống nhau. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
TCVN 8828, 2011, “Bê tông – Yêu cầu bảo dưỡng ẩm tự nhiên”, Hà Nội. 
ACI Committee 544, 1996, “State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete”, ACI 544.1R-
96, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI. 
Arnon Bentur and Sidney Mindess, 2007, “Fiber reinforced cementitious Composites”, Second 
edition, Taylor and Francis, London and New York. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 105 
C.D.Johnston, 1974, “Steel fiber reinforced mortar and concrete”, A review of mechanical 
properties. In fiber reinforced concrete ACI – SP 44 – Detroit. 
Colin D.Johnson, 2010, “Fiber-Reinforced cement and concrete”, Volume 3, Taylor & Francis, 
London and New York. 
EN:14651, 2005, “Test method for metallic fibered concrete - Measuring the flexural tensile 
strength” (limit of proportionality (LOP), residual). 
Hannant, D.J., 1978, “Fiber Cements and Fibre Concretes”, Wiley. 
Ingemar Löfgren, 2005, “Fiber-reinforced Concrete for Industrial Construction”, Doctoral thesis, 
Chalmers University of Technology, Sweden. 
SFRC Consortium, 2014, “Design guideline for structural applications of steel fiber reinforced 
concrete”. 
Abstract: 
STUDY ON THE BEHAVIORS OF STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE 
This article studies prominent mechanical behaviors of steel fiber reinforced concrete (SFRC) with 
respect to plain concrete structure at the post-cracking phase by studying the existing researches 
and doing the three points bending tests on SFRC-beam with two different fiber volume fractions, 
the flexural tensile stress- crack mouth opening displacement (CMOD) relations of SFRC will be 
deeply studied and be a foundation for further researches in the future. Finally, from these studies, 
new material could be introduced for using in slabs and shells structures for improving the load 
carrying capacity of these types of structures. 
Keywords: Fiber reinforced concrete, Steel fiber, Flexural tensile stress, Shell structure, Slab 
structure. 
Ngày nhận bài: 14/11/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2018