Nghiên cứu ứng dụng kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn với bê tông cường độ cao cho phát triển giao thông khu vực Đông Nam Bộ

TÓM TẮT ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Nghiên cứu đã khẳng định được sự cần thiết áp dụng kết cấu dầm đúc sẵn sử dụng bê tông cường độ cao trong xây dựng công trình cầu ở vùng Đông Nam Bộ. 2. Thiết kế được các cấp phối bê tông C60, C70, C80 có độ sụt cao sử dụng vật liệu địa phương khu vực Đông Nam Bộ, với cốt liệu thô sử dụng đá dăm Phú Mỹ - Bà Rịa và cốt liệu mịn phối trộn giữa cát sông và cát nghiền với tỉ lệ 60/40, phù hợp cho sản xuất dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn với quy mô công nghiệp. 3. Đối với các cấp phối C60, C70, C80 sử dụng vật liệu vùng Đông Nam Bộ, nghiên cứu đã đưa ra cách xác định một số chỉ tiêu cơ lý để phục vụ cho công tác thiết kế kết cấu dầm cầu bê tông dự ứng lực đúc sẵn khi sử dụng các cấp phối đó như mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi uốn, hệ số quy đổi khối ứng suất tương đương. 4. Đã đề xuất các thông số kích thước mặt cắt phù hợp đối với kết cấu dầm I cánh rộng sử dụng bê tông cường độ cao với các chiều dài nhịp 24m, 33m, 60m. 5. Khẳng định được tính hiệu quả của việc dùng dầm I cánh rộng với bê tông cường độ cao so với các loại hình dầm truyền thống sử dụng bê tông thông thường hiện nay trong khu vực Đông Nam Bộ: Giảm chiều cao dầm từ 150mm đến 450mm; giảm khối lượng vật liệu từ 10% đến 50%.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VÕ VĨNH BẢO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ĐÚC SẴN VỚI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CHO PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG

KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VÕ VĨNH BẢO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ĐÚC SẴN VỚI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CHO PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG

KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2022

Tác giả

Võ Vĩnh Bảo

Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới

sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Trần Đức Nhiệm và PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm

ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình

Cuối cùng là sự biết ơn đến gia đình vì đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án

Tác giả

Võ Vĩnh Bảo

1.1.2 Tình hình phân bố dân cư và mức độ phát triển đô thị của khu vực Đông

1.1.3 Tình hình giao thông ở các khu đô thị hiện hữu trong khu vực 7 1.1.4 Nhu cầu xây dựng và phát triển giao thông trong khu vực Đông Nam Bộ 9

1.2 Các loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn đang được ứng dụng

1.2.1 Hiện trạng về kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn đang được sử dụng

phổ biến trong các dự án xây dựng cầu ở Việt Nam và vùng Đông Nam Bộ 11

1.2.2 Tình hình ứng dụng và các xu hướng phát triển kết cấu dầm bê tông dự

1.3 Tình hình ứng dụng và xu thế phát triển bê tông cường độ cao (HSC), bê

tông tính năng cao (HPC) và bê tông siêu tính năng (UHPC) trong xây dựng

1.3.1 Tình hình ứng dụng bê tông HSC, HPC và UHPC ở nước ngoài trong xây

1.3.2 Thực tiễn ứng dụng bê tông cường độ cao cho kết cấu cầu ở Việt Nam nói

1.4 Xác lập các chủ đề nghiên cứu để đạt được mục tiêu đề tài 22

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CẤP 60MPA

ĐẾN 80MPA SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG KHU VỰC ĐÔNG NAM

2.1.1 Cơ chế tạo thành cường độ của bê tông cường độ cao 24 2.1.2 Yêu cầu về vật liệu trong sản xuất bê tông cường độ cao 25

2.2 Nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông cường độ 60MPa đến

80MPa sử dụng vật liệu địa phương vùng Đông Nam Bộ 27 2.2.1 Đánh giá sự phù hợp của vật liệu địa phương khu vực Đông Nam Bộ đối

với việc chế tạo bê tông cường độ 60MPa đến 80MPa 27

2.2.2 Thiết kế cấp phối bê tông cường độ từ 60MPa đến 80MPa (HSC) sử dụng

2.3 Nghiên cứu xác định các đặc trưng cơ học của bê tông với cấp phối C60,

C70, C80 sử dụng vật liệu địa phương vùng Đông Nam Bộ 49

2.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá và đề xuất các phương trình ước tính

một số đặc trưng cơ học của bê tông với cấp phối C60, C70, C80 sử dụng vật

2.4 Đánh giá năng lực công nghệ chế tạo dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn dùng

bê tông cường độ cao để đáp ứng cho các dự án xây dựng giao thông đô thị khu

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG DỰ

ỨNG LỰC ĐÚC SẴN VỚI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ 60MPA ĐẾN 80MPA

ỨNG DỤNG CHO XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC

3.2 Lựa chọn bộ vật liệu cho dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn và bản mặt cầu

3.3 Phân tích lựa chọn dạng kết cấu dầm và các thông số kích thước mặt cắt

ngang dầm sử dụng bê tông cường độ 60MPa đến 80MPa 78 3.3.1 Lựa chọn loại hình dầm bê tông dự ứng lực nhịp giản đơn sử dụng bê

tông cường độ cao ứng dụng cho giao thông khu vực Đông Nam Bộ 78

3.3.2 Lựa chọn thông số kích thước mặt cắt ngang dầm I cánh rộng sử dụng bê

3.4.1 Kết quả tính toán kiểm toán dầm WF2300 sử dụng các cấp phối bê tông

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT

KẾT CẤU NHỊP CẦU DÙNG DẦM I CÁNH RỘNG VỚI BÊ TÔNG CƯỜNG

ĐỘ CAO SO VỚI CÁC KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC THÔNG

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-2: Ùn tắc giao thông tại ngã tư Linh Xuân - Linh Trung vào giờ cao

Hình 1-3: Cầu vượt Hàng Xanh và cầu vược ngã tư Thủ Đức 11 Hình 1-4: Dầm I của AASHTO kiểu I-IV (trái) và kiểu V-VI (phải) 11

Hình 1-9: Tiết diện dầm UHPC pi-girder do FHWA đề xuất 16

Hình 2-1: Đá dăm (Bà Rịa) sử dụng làm cốt liệu chế tạo bê tông cường độ

Hình 2-2: Đường cong cấp phối đá dăm Bà Rịa-Vũng Tàu (TCVN

Hình 2-3: Đường cong cấp phối đá dăm Bà Rịa-Vũng Tàu theo ASTM C136 29

Hình 2-6: Đường cong cấp phối cốt liệu mịn tỉ lệ trộn 50/50 33 Hình 2-7: Đường cong cấp phối cốt liệu mịn tỉ lệ trộn 60/40 33 Hình 2-8: Đường cong cấp phối cốt liệu mịn tỉ lệ trộn 70/30 34

Hình 2-11: Hình ảnh mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn fr 53

Hình 2-14: Biểu đồ phân bố ứng suất trong vùng chịu nén của cấu kiện chịu

Hình 2-15: Loại strain gauge sử dụng trong thí nghiệm 62 Hình 2-16: Thiết bị nén mẫu và thiết bị thu thập dữ liệu 62

Hình 2-18: Hình ảnh mẫu thí nghiệm sau khi kết thúc 63

Hình 2-19: Đường cong biểu diễn quan hệ ứng suất biến dạng khi nén của bê

tông cường độ cao sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ 72 Hình 3-1: Ký hiệu các kích thước mặt cắt ngang dầm I cánh rộng 84 Hình 3-2 Mặt cắt ngang cầu sử dụng trong tính toán thiết kế dầm 86 Hình 3-3 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF2300 sử dụng cấp phối C60 87 Hình 3-4 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF2300 sử dụng cấp phối C60 87 Hình 3-5 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF2300 sử dụng cấp phối C60 88 Hình 3-6 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF2300 sử dụng cấp phối C60 88 Hình 3-7 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF2300 sử dụng cấp phối C70 89 Hình 3-8 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF2300 sử dụng cấp phối C70 89 Hình 3-9 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF2300 sử dụng cấp phối C70 90 Hình 3-10 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF2300 sử dụng cấp phối C70 90 Hình 3-11 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF2300 sử dụng cấp phối C80 91 Hình 3-12 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF2300 sử dụng cấp phối C80 91 Hình 3-13 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF2300 sử dụng cấp phối C80 92 Hình 3-14 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF2300 sử dụng cấp phối C80 92 Hình 3-15 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF1200 sử dụng cấp phối C60 93 Hình 3-16 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF1200 sử dụng cấp phối C60 94 Hình 3-17 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF1200 sử dụng cấp phối C60 95 Hình 3-18 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF1200 sử dụng cấp phối C60 95 Hình 3-19 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF1200 sử dụng cấp phối C70 95

Hình 3-20 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF1200 sử dụng cấp phối C70 96 Hình 3-21 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF1200 sử dụng cấp phối C70 97 Hình 3-22 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF1200 sử dụng cấp phối C70 97 Hình 3-23 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF1200 sử dụng cấp phối C80 97 Hình 3-24 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF1200 sử dụng cấp phối C80 98 Hình 3-25 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF1200 sử dụng cấp phối C80 99 Hình 3-26 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF1200 sử dụng cấp phối C80 99 Hình 3-27 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF800 sử dụng cấp phối C60 100 Hình 3-28 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF800 sử dụng cấp phối C60 100 Hình 3-29 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF800 sử dụng cấp phối C60 101 Hình 3-30 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF800 sử dụng cấp phối C60 101 Hình 3-31 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF800 sử dụng cấp phối C70 102 Hình 3-32 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF800 sử dụng cấp phối C70 102 Hình 3-33 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF800 sử dụng cấp phối C70 103 Hình 3-34 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF800 sử dụng cấp phối C70 103 Hình 3-35 Kết quả kiểm toán mô men dầm WF800 sử dụng cấp phối C80 104 Hình 3-36 Kết quả kiểm toán lực cắt dầm WF800 sử dụng cấp phối C80 104 Hình 3-37 Kết quả kiểm toán ứng suất dầm WF800 sử dụng cấp phối C80 105 Hình 3-38 Kết quả kiểm toán độ võng dầm WF800 sử dụng cấp phối C80 105 Hình 4-1 Mặt cắt ngang kết cấu nhịp phương án dầm bản 109 Hình 4-2 Mặt cắt ngang kết cấu nhịp phương án dầm I33 110

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Thống kê các dạng dầm dự ứng lực sử dụng phổ biến tại Việt Nam 12 Bảng 1-2: Một số công trình cầu sử dụng bê tông cường độ cao trên thế giới 18 Bảng 2-1: Kết quả thí nghiệm thành phần hạt cát sông theo TCVN 7572-

Bảng 2-16: Kết quả tính cấp phối theo các tỉ lệ N/X (C80) 47

Bảng 2-18: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén mẫu trụ 48 Bảng 2-19: Kết quả xác định cường độ thiết kế đối với 3 cấp phối C60, C70,

Bảng 2-20: Kết quả xác định khối lượng thể tích đối với 3 cấp phối C60, C70,

Bảng 2-21: Số lượng mẫu đề xuất thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn 53 Bảng 2-22: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn mẫu dầm 54 Bảng 2-23: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi mẫu trụ 57 Bảng 2-24: So sánh công thức đề xuất với ước tính theo một số công thức

Bảng 2-25: Số lượng mẫu đề xuất thí nghiệm cường độ theo thời gian 59 Bảng 2-26: Cường độ nén 1 ngày tuổi 3 cấp phối C60, C70, C80 59 Bảng 2-27: Cường độ nén 3 ngày tuổi 3 cấp phối C60, C70, C80 59 Bảng 2-28: Cường độ nén 5 ngày tuổi 3 cấp phối C60, C70, C80 59 Bảng 2-29: Cường độ nén 7 ngày tuổi 3 cấp phối C60, C70, C80 60 Bảng 2-30: Số lượng mẫu đề xuất thí nghiệm quan hệ ứng suất - biến dạng 62

Bảng 2-32: Dữ liệu về ứng suất và biến dạng mẫu M3, M4 và

Bảng 3-5: Tính toán giá trị tối thiểu của bề rộng sườn dầm theo cấu tạo 83

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

HSC High-Strength Concrete

HPC High-Performance Concrete

UHPC Ultrahigh-Performance Concrete

AAHSTO American Association of State Highway and Transportation

Officials ACI American concrete institute

PCA Porland Cement Associtation

DOE British Department of the Environment

ASCE American Society of Civil Engineers

CEB-FIP Comité européen du béton - Fédération Internationale de la

Précontrainte LRFD Load resistance factor design

NCHRP National cooperative highway research program

PCI Precast/Prestressed concrete institute

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của đề tài

Phát triển giao thông là yêu cầu cấp thiết hiện nay đối với các đô thị lớn tại Việt Nam, nhu cầu này gắn liền với định hướng phát triển kinh tế - xã hội của từng khu vực Đối với miền nam Việt Nam, khu vực kinh tế trọng điểm mà hạt nhân là khu vực Đông Nam Bộ đang có tiềm năng và nguồn lực để phát triển mạnh mẽ, nhiều khu

đô thị mới nhanh chóng hình thành, tốc độ phát triển của vùng Đông Nam Bộ thuộc mức cao nhất trong cả nước, từ đó nhu cầu xây dựng hệ thống hạ tầng kỹ thuật cũng đòi hỏi tương ứng

Trong xây dựng công trình giao thông ở các nước tiên tiến, các loại hình đường trên cao và nút giao thông khác mức rất phát triển, nhiều nghiên cứu về quy hoạch giao thông cũng đã đặt ra phương hướng phát triển tất yếu của các loại hình này đối với các đô thị lớn tại Việt Nam Để đáp ứng nhu cầu xây dựng hệ thống giao thông khu vực Đông Nam Bộ với nhiều đô thị phát triển, cần có nhiều giải pháp kết cấu dầm phục vụ cho các dự án xây dựng cầu vượt và đường trên cao

Loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực với bê tông cường độ cao đã được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng vào xây dựng công trình giao thông, ưu điểm của bê tông cường độ cao là có thể tăng khả năng chịu lực của kết cấu từ đó giúp thiết

kế các kết cấu có kích thước nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn, vượt nhịp xa hơn và độ bền cũng gia tăng do chất lượng bê tông tốt hơn Tuy nhiên, hiện tại trong khu vực Đông Nam Bộ, các dự án xây dựng công trình cầu chỉ sử dụng bê tông có cường độ

từ 50MPa trở xuống Đây là một vấn đề còn bỏ ngỏ và cần được xem xét giải quyết

Với tiềm năng có sẵn của khu vực Đông Nam Bộ về vật liệu để sản xuất bê tông cường độ cao, việc nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ cao vào xây dựng công trình cầu giao thông trong khu vực Đông Nam Bộ là một hướng đi đúng đắn và cần thiết

2 Mục tiêu của luận án

- Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ và thực nghiệm đánh giá một số đặc tính cơ học quan trọng của vật liệu như

mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi uốn, phát triển cường độ theo thời gian, để phục vụ cho công tác thiết kế và chế tạo kết cấu dầm bê tông dự ứng lực

- Phân tích và lựa chọn loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn có khả năng ứng dụng với bê tông cường độ cao trong thiết kế chế tạo dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ

- Ứng dụng tính toán thiết kế kết cấu dầm điển hình đối với loại hình dầm đã lựa chọn ở bước 2 sử dụng bê tông cấp phối bê tông ở bước 1 để ứng dụng trong các

dự án giao thông trong khu vực Đông Nam Bộ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

1 Về vật liệu: nghiên cứu sử dụng vật liệu địa phương khu vực Đông Nam

Bộ để chế tạo cấp phối bê tông cường độ cao có các đặc tính phù hợp cho công tác thi công dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn

2 Về kết cấu: nghiên cứu ứng dụng kết cấu dầm I cánh rộng bằng bê tông dự

ứng lực đúc sẵn nhịp giản đơn cho phát triển giao thông khu vực Đông Nam Bộ

3 Về tải trọng: Giới hạn tải trọng nghiên cứu là bài toán tải trọng tĩnh

4 Cấu trúc của luận án: Luận án được cấu trúc thành năm phần bao gồm:

- Phần Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Nghiên cứu bê tông cường độ cao cấp 60MPa đến 80MPa sử dụng vật liệu địa phương khu vực Đông Nam Bộ ứng dụng cho dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn

- Chương 3: Nghiên cứu lựa chọn kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn với bê tông cường độ 60MPa đến 80MPa ứng dụng cho xây dựng công trình giao thông khu vực Đông Nam Bộ

- Chương 4: Phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật kết cấu nhịp cầu dùng dầm I cánh rộng với bê tông cường độ cao so với các kết cấu dầm bê tông dự ứng lực thông thường hiện nay

- Kết luận và Kiến nghị

Ngoài ra là các phần Tài liệu tham khảo, danh mục công bố của Tác giả và phần phụ lục các bảng tính toán kiểm toán kết cấu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nhu cầu phát triển giao thông khu vực Đông Nam Bộ

1.1.1 Giới thiệu về vùng Đông Nam Bộ

Vùng Đông Nam Bộ bao gồm Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa-Vũng Tàu, Bình Phước, Tây Ninh là một trong hai phần của miền nam Việt Nam Trong đó Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế - xã hội lớn của miền nam, Đồng Nai và Bình Dương là hai tỉnh rất phát triển về công nghiệp,

Bà Rịa-Vũng Tàu là tỉnh phát triển về du lịch, dầu khí và cả công nghiệp Riêng hai tỉnh Tây Ninh và Bình Phước tình hình phát triển kinh tế - xã hội chưa cao

Hình 1-1: Bản đồ vị trí địa lý vùng Đông Nam Bộ

Đông Nam Bộ là vùng có tốc độ phát triển kinh tế nhất Việt Nam, dân số đông

và dẫn đầu cả nước về xuất khẩu, đầu tư trực tiếp nước ngoài, GDP, cũng như nhiều yếu tố kinh tế - xã hội khác Đầu tư trực tiếp nước ngoài FDI của khu vực này dẫn dầu cả nước, nổi bật ở các tỉnh: Đồng Nai, Bình Dương, Thành phố Hồ Chí Minh

và Bà Rịa - Vũng Tàu, bốn tỉnh thành này còn gọi là tứ giác kinh tế trọng điểm, chiếm 1/3 GDP cả nước, đóng góp trên 50% ngân sách [3]

Đông Nam Bộ có diện tích tự nhiên 23.597,9 km2 , Đông Nam Bộ là vùng đất mới trong lịch sử phát triển của đất nước, khu vực tập trung nhiều đô thị nằm giữa các tỉnh Nam Trung Bộ và Nam Tây Nguyên là những vùng giàu tài nguyên đất đai, rừng và khoáng sản Phía Tây và Tây - Nam giáp đồng bằng sông Cửu Long nơi có tiềm năng lớn về nông nghhiệp, là vựa lúa lớn nhất nước ta; phía Đông và Đông Nam giáp biển Đông, giàu tài nguyên hải sản, dầu mỏ và khí đốt và thuận lợi xây dựng các cảng biển tạo ra đầu mối liên hệ kinh tế thương mại với các nước trong khu vực và quốc tế; phía Tây Bắc giáp với Campuchia có cửa khẩu Tây Ninh tạo mối giao lưu rộng rãi với Campuchia, Thái Lan, Lào, Mianma Với vị trí này Đông Nam Bộ là đầu mối giao lưu quan trọng của các tỉnh phía Nam với cả nước và quốc tế

1.1.2 Tình hình phân bố dân cư và mức độ phát triển đô thị của khu vực Đông Nam Bộ

Theo kết quả điều tra dân số ngày 1/4/2010, dân số vùng Đông Nam Bộ là 14,566.5 nghìn người, chiếm 16,34% dân số Việt Nam , là vùng có tốc độ tăng dân

số cao nhất nước, do thu hút nhiều dân nhập cư từ các vùng khác đến sinh sống Trong

đó, Bình Phước có 894.3 nghìn người, Tây Ninh có 1,075.3 nghìn người, Bình Dương

có 1619.9 nghìn người, Đồng Nai có 2,569.4 nghìn người, Bà Rịa-Vũng Tàu có 1,012.0 nghìn người và Thành Phố Hồ Chí Minh có 7,396.5 nghìn người

Dân số Đông Nam Bộ có cơ cấu trẻ, tỉ lệ nữ là 51.41%, cao hơn mức trung bình của toàn quốc ( 50.8%), tỉ lệ biết chữ của dân số Đông Nam Bộ là 98%, mật độ dân số của Đông Nam Bộ là 617 người / km2, song dân cư phân bố không đều giữa các tỉnh và thành phố Có thể thấy rằng dân số tập trung chủ yếu ở thành phố lớn, các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm như Thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu Nguồn nhân lực dồi dào có truyền thống và kinh nghiệm sản xuất, có lực lượng lao động chuyên môn cao, công nhân tay nghề cao

Đông Nam Bộ là vùng có mức độ đô thị hóa cao và phát triển nhanh chóng

Dân thành thị là 25% trong khi các vùng khác con số này dao động ở mức trên dưới

20 % Tài nguyên văn hóa, lịch sử với các di tích ở Đông nam Bộ khá tập trung và có mật độ cao nhất so với các vùng phía Nam

Đây là nơi có nền kinh tế hàng hóa phát triển sớm nên người dân năng động

và thích ứng nhanh với sự đổi mới kinh tế, đồng thời đây cũng là thị trường tiêu thụ lớn của cả nước Đây cũng là vùng có cơ sở vật chất kĩ thuật và cơ sở hạ tầng phát triển mạnh kết họp với sự phát triển của mạng lưới đô thị đã hình thành nhiều khu công nghiệp và khu chế xuất lớn, từ đó cũng thu hút lượng công nhân lớn và kéo theo

đó là đội ngũ phục vụ đông đảo Mật độ dân số tập trung cao ở các khu công nghiệp

và vùng lân cận gây khó khăn không nhỏ cho hệ thống giao thông và tình hình an ninh trật tự khu vực

Tỷ suất nhập cư cả khu vực Đông Nam Bộ là 10.3% tính vào năm 2005 và tăng đều đến năm 2010 đạt 24.8% cao nhất cả nước

Tuy nguồn nhân lực dồi dào, nhưng lực lượng lao động vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu phát triển kinh tế của cả vùng về lượng và về chất Do đó, sẽ có sự di chuyển lao động trong nội bộ vùng và từ ngoài vào; mặt khác do sự chênh lệch thu nhập dẫn đến làn sóng di dân tới các đô thị trong vùng, từ đó nảy sinh nhiều vấn đề cấp bách cần giải quyết như:

- Di dân quá nhanh vào các đô thị hiện có như thành phố Hồ Chí Minh, Biên Hoà, Vũng Tàu, Thủ Dầu Một làm quá tải so với khả năng đáp ứng về các điều kiện kết cấu hạ tầng đô thị, gây hậu quả nghiêm trọng về môi trường

- Nhiều điểm dân cư tập trung đang có xu hướng trở thành đô thị, song chưa có đủ điều kiện về kết cấu hạ tầng kỹ thuật và xã hội

- Nhiều khu công nghiệp tập trung đang trong quá trình hình thành và phát triển cũng có nhu cầu tạo lập thêm các điểm dân cư đô thị mới

Khu vực Đông Nam Bộ tập trung nhiều đô thị lớn, có thể điểm qua một số khu vực điển hình sau:

- Thành phố Hồ Chí Minh gồm nhiều khu đô thị đã và đang phát triển, hiện tại các quận 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, Bình Thạnh, Thủ Đức là những khu đô thị đã hình thành với quy mô rất lớn Các nơi khác như quận 2, quận 9, quận 12 đang có tốc độ

đô thị hóa rất cao Ngay cả ở các huyện Hóc Môn, huyện Củ Chi, huyện Nhà Bè cũng đang hình thành một số khu đô thị mới Gần đây nhất, với quyết định hình thành Thành phố Thủ Đức là tiền đề cho một bước phát triển mạnh mẽ quá trình đô thị hóa

ở Thành phố Hồ Chí Minh

- Bình Dương hiện tại có 3 đô thị: Khu đô thị trung tâm (thành phố Thủ Dầu Một, đô thị Nam Tân Uyên, Nam Bến Cát), khu đô thị phía nam (thị xã Thuận An, Thị xã Dĩ An) và khu đô thị phía bắc (Dầu Tiếng, Phú Giáo, Bắc Bến Cát, Bắc Tân Uyên) Trong đó dân số đô thị khoảng 2 triệu người, chiếm 80% dân số toàn tỉnh

- Đồng Nai hiện tại có các khu đô thị: Thành phố Biên Hòa, Đô thị Long Thành, Thành phố Long Khánh và theo quy hoạch sẽ có Thành phố Nhơn Trạch

- Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu gồm các khu đô thị: Thành phố Vũng Tàu, khu đô thị mới Phú Mỹ, thành phố Bà Rịa

Các khu đô thị lớn này có tốc độ đô thị hóa rất cao, do chênh lệch thu nhập với các vùng khác dẫn đến tình trạng di dân ồ ạt từ các tỉnh lân cận về đô thị Tình trạng chung của các đô thị này là: nhu cầu về nhà ở lớn, nhu cầu giao thông cá nhân và luân chuyển hàng hóa lớn vượt quá khả năng của hệ thống hạ tầng hiện hữu

1.1.3 Tình hình giao thông ở các khu đô thị hiện hữu trong khu vực

Mỗi đô thị có thể phân loại thành 2 hệ thống giao thông đường bộ: mạng lưới giao thông đối nội và mạng lưới giao thông đối ngoại

Do lịch sử hình thành và phát triển của đô thị, hệ thống mạng lưới đường đối nội của các đô thị lớn trong vùng được đầu tư xây dựng qua nhiều thời kỳ khác nhau nên đặc điểm khá đa dạng Trong khu vực trung tâm, hệ thống các đường đối nội thường được bố trí theo dạng hỗn hợp, tạo thành một mạng lưới đường dày đặc và thường không theo quy luật cụ thể Ngược lại, ở giữa khu đô thị mới và và khu vực

vùng ven chỉ có một số đường chính, từ các đường chính này hình thành các cụm khu dân cư với mạng lưới đường nhánh thường là mạng ô cờ

Tình hình giao thông ở khu vực trung tâm đô thị lớn thường rất phức tạp, cơ bản vẫn do tình tình phát triển phương tiện giao thông cá nhân vượt mức kiểm soát Nhìn chung quá trình phân tích tình hình giao thông có thể chia thành 2 giai đoạn: giai đoạn cao điểm và giai đoạn thấp điểm

Trong giai đoạn cao điểm, giao thông khá hỗn loạn tại các nút giao do lưu lượng xe cá nhân tập trung cao, mặt khác hầu hết các nút giao trong các đô thị là nút giao đồng mức, nên rất khó điều tiết giao thông khi lưu lượng vượt khả năng lưu thông Trong giai đoạn thấp điểm thường xảy ra vấn đề các phương tiện giao thông thường không tuân thủ luật giao thông ở các tuyến nhiều làn xe hỗn hợp hoặc đường không có giải phân cách cứng, dẫn đến nhiều tai nạn và sự cố phát sinh ngoài ý muốn

Hệ thống đường đối ngoại của các đô thị trong khu vực Đông Nam Bộ đa số

là các tuyến đường vận tải hàng hóa trọng yếu, kết nối với các khu công nghiệp, với bến cảng, kho bãi Tình hình giao thông điển hình là lưu lượng xe tải tập trung cao kết hợp thêm một số điểm đông dân cư lân cận các khu công nghiệp dẫn đến ùn tắc cục bộ xảy ra thường xuyên tại các điểm đông dân cư vào giờ cao điểm

Hình 1-2: Ùn tắc giao thông tại ngã tư Linh Xuân - Linh Trung vào giờ cao điểm Ngoài ra một số nút giao thông tại khu vực giao tiếp giữa Thành phố Hồ Chí Minh, Bình Dương và Đồng Nai thường xảy ra tình trạng vượt quá khả năng lưu

thông như nút giao Sóng Thần, nút giao Linh Xuân - Linh Trung, nút giao 621, nút giao Cát Lái, nút giao quốc lộ 1K với đưởng tỉnh 743b

1.1.4 Nhu cầu xây dựng và phát triển giao thông trong khu vực Đông Nam Bộ

Vùng Đông Nam Bộ có lợi thế phát triển vì khả năng thu hút vốn đầu tư FDI cao, đó là nhờ vào các yếu tố: tài nguyên khoáng sản trữ lượng lớn và phong phú, nguồn nhân lực dồi dào và có chất lượng cao, chính sách thu hút đầu tư thích hợp, đặc biệt là hệ thống hạ tầng giao thông phát triển và hệ thống cảng sông - biển phát triển Theo quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội vùng Đông Nam Bộ đến năm 2020, định hướng đến năm 2030, mục tiêu phát triển giao thông vận tải khu vực là rất lớn,

cụ thể như sau[3]:

1/ Ưu tiên đầu tư phát triển hệ thống giao thông vận tải của vùng với tốc

độ nhanh, hiện đại, bền vững, nhằm tạo tiền đề cho phát triển kinh tế - xã hội

2/ Xây dựng các trục cao tốc: Thành phố Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây, Biên Hòa - Vũng Tàu, Bến Lức - Long Thành, thành phố Hồ Chí Minh - Mộc Bài và đường vành đai 3, đường vành đai 4 thành phố Hồ Chí Minh Mở rộng, nâng cấp các tuyến quốc lộ 1, 51, 22B, đường Hồ Chí Minh Hoàn thành các tuyến đường liên cảng Cái Mép - Thị Vải và Đồng Nai

3/ Hoàn thành di dời các cảng trên sông Sài Gòn, xây dựng các cảng tại cụm cảng Vũng Tàu, Đồng Nai và thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là khu vực Cái Mép - Thị Vải Phát triển hạ tầng, dịch vụ logistics, kết nối cảng biển khu vực Cái Mép - Thị Vải

4/ Ưu tiên nâng cấp, hiện đại hoá đường sắt Bắc - Nam trong Vùng đạt tiêu chuẩn cấp 1 Hình thành mạng đường sắt đô thị, đường sắt đầu mối, đường sắt liên vùng Vùng thành phố Hồ Chí Minh

5/ Nâng cấp các cảng hàng không hiện có, hoàn thành giai đoạn I cảng hàng không quốc tế Long Thành

6/ Hoàn thành xây dựng tổng kho trung chuyển của Vùng tại Đồng Nai

7/ Phát triển vận tải đa phương thức, nâng cao chất lượng dịch vụ vận tải, trước hết là vận tải hàng không và hàng hải, đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của xã hội với chất lượng cao, giá thành hợp lý; kiềm chế tiến tới kéo giảm tai nạn giao thông và giảm thiểu tác động môi trường trong quá trình khai thác vận tải

Với các mục tiêu trên, đặc biệt là mục tiêu thứ 3, 4, 6 khi thực hiện sẽ tạo ra nhiều biến chuyển cho hệ thống giao thông của các đô thị hiện hữu Đặt ra vấn đề tái cấu trúc hệ thống giao thông ở một số đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, Biên Hòa, Long Thành, Khu đô thị Phú Mỹ từ đó dẫn đến nhu cầu nâng cấp và xây dựng mới các tuyến giao thông và xử lý ùn tắc ở các nút giao thông để đảm bảo yêu cầu phát triển

Do hiện trạng các nút giao hiện hữu đa phần là nút giao cùng mức, khó có thể đáp ứng nhu cầu giao thông tương lai, nên việc nâng cấp nút giao thông thành nút giao khác mức sẽ trở thành hướng đi phổ biến của chính quyền các đô thị chọn lựa Mặt khác, trong các đô thị hiện hữu, quỹ đất dành cho giao thông còn khá hạn hẹp, chi phí đền bù giải tỏa mặt bằng rất lớn, nên các tuyến đường trên cao và các tuyến ngầm sẽ được chú trọng phát triển nhiều hơn Từ đó có thể nhận thấy, xu thế xây dựng kết cấu cầu cầu trong các đô thị ngày càng nhiều nhằm đáp ứng cho nút giao khác mức và đường trên cao trong đô thị

Tại Thành phố Hồ Chí Minh, nhiều cầu vượt đã được xây dựng tại các nút giao thông trọng yếu để giải quyết ùn tắc giao thông cục bộ như: cầu vượt Hàng Xanh, cầu vượt ngã tư Thủ Đức, cầu vượt nút giao Lăng Cha Cả, cầu vượt vòng xoay Cây Gõ, cầu vượt 3 tháng 2 và Nguyễn Tri Phương,

Tại Biên Hòa, một số nút giao thường xảy ra ùn tắc giao thông cũng được xây dựng cầu vượt như: cầu vượt ngã tư Vũng Tàu, cầu vượt nút giao Amata, cầu vượt nút giao Tân Vạn

Hình 1-3: Cầu vượt Hàng Xanh và cầu vượt ngã tư Thủ Đức

Đa số các dự án cầu vượt đô thị gần đây sử dụng kết cấu thép liên hợp bê tông cốt thép do khả năng thiết kế và thi công nhanh, ít gây ùn tắc giao thông trong thời gian thi công, giải quyết nhanh tình trạng kẹt xe Tuy nhiên, kết cấu thép có nhược điểm về duy tu bảo dưỡng, nhất là trong điều kiện khu vực có mùa mưa kéo dài, độ

ẩm không khí thường xuyên cao, do đó cần phải có phương hướng khắc phục Hai hướng đi chủ đạo hiện nay để khắc phục: sử dụng kết cấu thép chống ăn mòn, và cải tiến kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực cho phù hợp hơn với yêu cầu thực tiễn

1.2 Các loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn đang được ứng dụng

và phát triển trong xây dựng công trình cầu

1.2.1 Hiện trạng về kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn đang được sử dụng phổ biến trong các dự án xây dựng cầu ở Việt Nam và vùng Đông Nam Bộ

Tại Việt Nam, với các cầu nhịp vừa và nhỏ (chiều dài từ 60m trở xuống), kết cấu nhịp dạng dầm giản đơn là kết cấu nhịp được áp dụng nhiều nhất Thông thường, dầm được chế tạo trước trong công xưởng hoặc trong bãi đúc sau đó vận chuyển, lắp đặt tại hiện trường Dầm được chế tạo trước do đó thường có chất lượng tốt và có thể chế tạo hàng loạt Ngoài ra, do hình dạng và trạng thái làm việc của dầm tương đối đơn giản nên dễ dàng công nghiệp hóa và đẩy nhanh thời gian thi công, giảm giá thành chung của dự án

Kết cấu nhịp cầu dầm giản đơn có hai dạng chính là kết cấu dầm thép (dầm cán, dầm tổ hợp, ) và kết cấu dầm bê tông cốt thép (bê tông cốt thép thường hoặc có

dự ứng lực) Trong đó, dầm bê tông cốt thép dự ứng lực được ứng dụng rộng rãi hơn

do có độ bền cao hơn và thi công dễ dàng hơn Bảng 1-1 thống kê các dạng kết cấu nhịp bê tông cốt thép dự ứng lực điển hình sử dụng ở Việt Nam trong những năm gần đây

Bảng 1-1: Thống kê các dạng dầm dự ứng lực sử dụng phổ biến tại Việt Nam

1 Dầm I 18,6m Dự ứng lực căng trước và căng sau

2 Dầm I 24,54m Dự ứng lực căng trước và căng sau

3 Dầm I 33m Dự ứng lực căng trước và căng sau

1 Dầm SuperT 38,2m Dự ứng lực căng trước

1 Dầm T ngược 25m Dự ứng lực căng trước

Tại vùng Đông Nam Bộ, các loại hình dầm với chiều dài nhịp như trên cũng được ứng dụng trong sản xuất chế tạo tại nhà máy cũng như tại công xưởng của công trường Điển hình là nhà máy bê tông 6 có sản xuất với quy mô công nghiệp các loại hình dầm trên với bê tông có cường độ từ 50MPa trở xuống và được nhiều dự án trong khu vực sử dụng

Hầu hết các dạng dầm này đều giới hạn chiều dài nhịp từ khoảng 40m trở xuống Những cố gắng thử nghiệm dầm mặt cắt chữ I42m cho một số công trình không đạt được hiệu quả như mong muốn do mặt cắt chữ I giai đoạn 1 có độ mảnh theo phương ngang lớn, gây khó khăn cho công tác vận chuyển dầm theo phương dọc trong quá trình thi công Một dạng mặt cắt khác đã được sử dụng phổ biến để vượt những nhịp lớn là mặt cắt ngang dầm dạng Super T Mặt cắt ngang dạng này có độ ổn định ngang lớn, tuy nhiên do các bản vách mỏng nên gặp nhiều vấn đề về mất ổn định cục bộ Ngoài ra, do mặt cắt dầm Super T không có sườn giữa để kéo xiên cốt thép dự ứng lực lên ở đầu dầm nên cốt thép dự ứng lực không tham gia chịu cắt ở đầu dầm Điều này dẫn đến việc phải bố trí cốt thép đai chịu cắt với mật độ lớn, cốt liệu đá sử dụng

đổ bê tông đầu dầm phải có kích cỡ nhỏ, khó đảm bảo chất lượng đầm bê tông và dẫn đến xuất hiện nhiều các vết nứt xiên tại vùng chịu cắt của dầm Super T Kết cấu nhịp dạng Super T chưa cho thấy được khả năng vượt nhịp quá 40m[2]

Để vượt được khẩu độ lớn hơn 40m có dạng dầm hộp BTCT dự ứng lực, dạng này đã được sử dụng ở một số dự án với chiều dài nhịp 50m Tuy nhiên các nhịp này thường được thi công đổ tại chỗ trên đà giáo cố định/di động làm kéo dài thời gian thi công Loại dầm này cũng không được đánh giá cao về tính kinh tế nên không được

ở Việt Nam nói chung và vùng Đông Nam Bộ nói riêng[2]

1.2.2 Tình hình ứng dụng và các xu hướng phát triển kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn trên thế giới

Hiện nay trên thế giới, các loại hình dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn đang được áp dụng rộng rãi có thể kể đến các loại dầm Bulb-Tee, dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder), dầm U-Beam, dầm Bath-Tub, dầm I của AASHTO, dầm Pi

 Dầm I của AASHTO: là mẫu dầm định hình từ kiểu I đến VI, đây là loại dầm được ứng dụng rộng rãi tại các tiểu bang của Hoa Kỳ

Hình 1-4: Dầm I của AASHTO kiểu I-IV (trái) và kiểu V-VI (phải)

 Dầm Bulb-Tee: được phát triển từ những năm 50 của thế kỷ 20, với ưu điểm

có thể đạt chiều cao đến hơn 2m, bầu dầm bố trí được nhiều cáp dự ứng lực, phần cánh trên dầm là bê tông có cùng cường độ với thân dầm có thể phát huy ưu điểm kháng uốn Có thể dùng dự ứng lực căng trước lẫn căng sau Đây là loại hình dầm được sử dụng rất rộng rãi tại Hoa Kỳ cho các công trình cầu nhịp vừa và nhỏ

Hình 1-5: Tiết diện mẫu dầm Bulb-Tee

 Dầm I cánh rộng (Wide flange Girder): được nghiên cứu phát triển ở Mỹ cách đây khoảng 30 năm Xuất phát từ ý tưởng cải tiến từ dầm I và dầm Bulb-Tee đã có trước đó để tăng cường ổn định của dầm trong quá trình thi công, đồng thời làm tăng diện tích bố trí cáp Dự ứng lực[2] Dầm I cánh rộng có ưu điểm trọng lượng nhẹ, thân dầm mỏng, bầu dầm bố trí được nhiều cáp dự ứng lực, chiều cao dầm có thể đạt đến 3m Dầm đã được áp dụng thành công ở nhiều bang của Hoa Kỳ, Canada, Mexico

Hình 1-6: Tiết diện mẫu dầm I cánh rộng

 Dầm U-Beam: là loại hình dầm có tiết diện hộp hở, mặt trên liên kết với bản mặt cầu tương tự dầm super-T Đã ứng dụng thành công ở nhiều bang của Hoa

Kỳ

Hình 1-7: Tiết diện dầm U-Beam

 Dầm Bath-Tub: có lợi thế về số lượng cáp dự ứng lực có thể bố trí, có thể dùng cáp dự ứng lực căng trước lẫn căng sau

Hình 1-8: Tiết diện dầm Bath-Tub

 Dầm pi: là loại hình dầm mới phát triển sau này được FHWA đề xuất đưa vào

sử dụng với bê tông siêu tính năng UHPC hướng đến mục tiêu sản xuất hàng loại

kết cấu nhịp dầm đúc sẵn dài 26,5m để chuẩn hóa cho xây dựng công trình cầu giao thông tại Hoa Kỳ

Hình 1-9: Tiết diện dầm UHPC pi-girder do FHWA đề xuất

Trong các loại hình dầm trên, dầm I cánh rộng có lợi thế về khả năng vượt nhịp lớn, khả năng chịu lực theo phương ngang tốt hơn các loại hình dầm đang sử dụng hiện nay tại khu vực Đông Nam Bộ, xét về khả năng ứng dụng trong sản xuất đại trà với quy mô công nghiệp thì dầm I cánh rộng hoàn toàn phù hợp

1.3 Tình hình ứng dụng và xu thế phát triển bê tông cường độ cao (HSC), bê tông tính năng cao (HPC) và bê tông siêu tính năng (UHPC) trong xây dựng và sửa chữa cầu

1.3.1 Tình hình ứng dụng bê tông HSC, HPC và UHPC ở nước ngoài trong xây dựng giao thông

Bê tông cường độ cao HSC và tính năng cao HPC đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới, dẫn đầu là các nước Mỹ, Đức, Pháp, Nhật Nhiều nước khác cũng rất quan tâm phát triển loại hình kết cấu bê tông cường độ cao như Trung Quốc, Hàn Quốc, Úc, Na Uy, Anh, Canada

Tại Mỹ, bê tông cường độ cao với dải cường độ từ 70MPa đến 128MPa đã được áp dụng rộng rãi, các tổ chức như ACI (American Concrete Institute), PCI (Precast/Prestressed Concrete Institute), PTI (Post-tensioning Institute) đã đưa ra nhiều bản chỉ dẫn kỹ thuật khi sử dụng bê tông cường độ cao, FHWA cũng có nhiều chương trình nghiên cứu tập trung cho loại vật liệu này Rất nhiều công trình xây

dựng cầu tại Mỹ hiện nay đã sử dụng bê tông cường độ cao với cường độ thực tế từ 75MPa đến 100MPa, điển hình là hai công trình đầu tiên ở Texas

Hình 1-10: Công trình cầu vượt Louetta, Texas

Hình 1-11: Công trình cầu San Angelo, Texas

Ngoài ra còn nhiều công trình cầu khác tại Mỹ cũng được xây dựng với bê tông cường độ cao trong khoảng thời gian từ năm 1995 đến năm 2000 như liệt kê theo bảng 1-2

Bảng 1-2: Một số công trình cầu sử dụng bê tông cường độ cao trên thế giới

bê tông

Alabama Highway 199 AASHTO bulb-Tee 69MPa

Colorado Yale avenue Dầm hộp liên tục 2 nhịp 69MPa

Xây dựng: 1994 - 1998 Loại dầm: U54 Texas U-beams Bản mặt cầu: đổ tại chỗ

Cường độ bê tông dầm chủ : 69-90MPa Cường độ bê tông bản mặt cầu: 55MPa

Xây dựng: 1995 - 1998 Loại dầm: AASHTO type IV I-Beams Bản mặt cầu: đổ tại chỗ

Cường độ bê tông dầm chủ : 40-102MPa Cường độ bê tông bản mặt cầu: 41MPa

Louisiana Charenton Canal

Bridge AASHTO type III I-girders 83MPa New Hampshire Route 104, Bristol AASHTO type III I-girders 55MPa New Hampshire Route 3A, Bristol NEBT 55MPa New Mexico Rio Puerco I-beam BT-1600 70MPa North Carolina U.S 401 AASHTO type IV I-girders 69MPa Ohio U.S Route 22 Dầm hộp nhịp giản đơn 69MPa South Dakota I-29 Northbound AASHTO type II I-girders 68.3MPa

Virginia Virginia Avenue,

Richlands AASHTO type III I-girders 69MPa Washington S.R 18 WSDOT 74G I-girders 69MPa

Đa phần các công trình cầu trên đều sử dụng bản mặt cầu đổ tại chỗ với bê tông cường độ thông thường, sau năm 2000, một số nghiên cứu tại Mỹ hướng đến việc sử dụng bê tông cường độ cao cho bản mặt cầu và chỉ ra nhiều lợi ích

Tại Đức, một số công trình cầu sử dụng bê tông có cường độ trên 65MPa cũng

đã được xây dựng, điển hình như các cầu Muldenbrücke ở Glauchau, cầu Havel ở Brandenburg, cầu Rhine ở Kehl

Tại Pháp, ứng dụng bê tông cường độ cao đã được khuyến khích từ năm 1983,

đã có trên 100 công trình cầu đã sử dụng bê tông cường độ cao, một số công trình cầu tiêu biểu sử dụng bê tông cường độ cao trên 55MPa đến 80MPa đã được xây dựng như cầu Normandy, cầu Milau, cầu Chavanon, cầu đúc hẫng trên tuyến TGV ở Avignon

Tại Nhật Bản, bê tông cường độ cao đã được ứng dụng từ rất sớm trong xây dựng, hiện nay, bê tông cường độ lên đến 120MPa đã được dùng trong công trình cầu, ví dụ như cầu người đi bộ AKIBA ở Akihabara Người Nhật cũng chú trọng đến loại bê tông tự đầm có cường độ cao đến 80MPa dùng trong xây dựng công trình cầu

Bê tông tính năng cao UHPC hiện tại chưa ứng dụng rộng rãi trong xây dựng mới cầu giao thông trên thế giới do chi phí sản xuất cao và chưa đáp ứng khả năng chế tạo tại công trường, một số công trình mang tính thử nghiệm đã được xây dựng

trên thế giới điển hình như công trình cầu tại Wapello bang Iowa năm 2005 sử dụng

bê tông có cường độ đến 170MPa Loại hình bê tông này hiện tại được ứng dụng chủ yếu trong sửa chữa và tăng cường cầu và chế tạo một số kết cấu đặc biệt

1.3.2 Thực tiễn ứng dụng bê tông cường độ cao cho kết cấu cầu ở Việt Nam nói chung và vùng Đông Nam Bộ nói riêng

Trong thiết kế kết cấu nhịp cầu hiện nay tại Việt Nam, bê tông được dùng phổ biến với dải cường độ thường áp dụng [4050]MPa cho kết cấu dầm dự ứng lực, đối với bản mặt cầu đổ tại chỗ thường dùng bê tông với cường độ [3035]MPa Các cấu kiện đúc sẵn trong các nhà máy sản xuất dầm có thể thiết kế với bê tông có cường độ cao hơn các cấu kiện thi công tại chỗ trên công trường Mặc dù trong tiêu chuẩn thiết

kế cầu đã cho phép thiết kế với bê tông cường độ cao, nhưng trong thực tế chưa có công trình thiết kế dầm cầu với cường độ 60MPa hoặc hơn

Ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận trong vùng Đông Nam

Bộ, hiện nay rất nhiều nhà máy bê tông đã đưa vào sản xuất bê tông cường độ cao đến 80MPa nhưng vẫn chủ yếu dùng chế tạo các cấu kiện cọc bê tông cốt thép dự ứng lực đúc sẵn, một số ví dụ cụ thể như sau:

- Công ty bê tông 6 (620): cọc ống ly tâm cường độ 80MPa, cọc ván bê tông cường độ 70MPa hoặc cao hơn

- Công ty TNHH bê tông Tiền phong: cọc vuông dự ứng lực cường độ 60MPa, cọc ống dự ứng lực cường độ 800kgf/cm2

- Công ty Sino-Pacific: cọc ống dự ứng lực cường độ 80MPa

- Công ty bê tông ly tâm Thủ Đức: cọc ống dự ứng lực cường độ 80MPa

- Công ty cổ phần IBS: cọc ống dự ứng lực cường độ 800kgf/cm2

- Công ty Phan Vũ: cọc ống dự ứng lực cường độ 600 kgf/cm2 đến 1000 kgf/cm2

Một số công ty, nhà máy cũng đưa ra dịch vụ cung cấp bê tông cường độ cao đến hiện trường như công ty Holcim Việt Nam, công ty Lê Phan, công ty bê tông

ngoại thương FTC, công ty Saigon-RDC, công ty FiCO-PanU Cường độ bê tông cung cấp đến công trường trường có thể đạt đến 80MPa

Việc đưa bê tông cường độ cao, nhất là bê tông cường độ đến 80MPa, vào trong thiết kế kết cấu dầm cầu một cách chính thức vẫn còn nhiều khó khăn do một

ưu điểm khi chế tạo bằng bê tông cường độ cao

- Thói quen thiết kế theo lối mòn và tâm lý lo ngại rủi ro trong thiết kế kết cấu mới

Để có thể ứng dụng tốt bê tông cường độ cao, đặc biệt là bê tông có cường độ

từ 60MPa đến 80MPa, cho các dự án xây dựng giao thông khu vực Đông Nam Bộ vào trong thiết kế kết cấu dầm dự ứng lực đúc sẵn, cần có sự kết hợp giữa nghiên cứu

bổ sung các đặc tính cơ học của vật liệu bê tông cường độ cao để bổ sung cho các yêu cầu của công tác thiết kế và đánh giá hiệu quả kỹ thuật để ứng dụng loại hình kết cấu khác với các loại hình đang sử dụng hiện nay

1.4 Xác lập các chủ đề nghiên cứu để đạt được mục tiêu đề tài

Với các thông tin và phân tích ở các nội dung trên, nghiên cứu sinh định ra các nội dung nghiên cứu sau trong luận án:

- Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ và đánh giá một số tính chất cơ học cần thiết cũng như khả năng sản xuất chế tạo đại trà để ứng dụng cho kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn

- Nghiên cứu xác định loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn phù hợp sử dụng bê tông cường độ cao có thể bổ sung, thay thế cho các loại hình kết cấu

dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn hiện tại đang được sử dụng phổ biến ở các dự án xây dựng giao thông trong khu vực Đông Nam Bộ

- Đánh giá khả năng ứng dụng và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật khi ứng dụng loại hình dầm đề xuất với bê tông cường độ cao so với các loại hình dầm truyền thống sử dụng bê tông thông thường

Kết luận chương 1

Khu vực Đông Nam Bộ là khu vực có kinh tế phát triển, tốc độ tăng trưởng kinh tế cao, mật độ dân số tập trung trong các đô thị cao Do chênh lệch về thu nhập nên hàng năm có một lượng lớn di dân từ các tỉnh thành khác về khu vực và có sự dịch chuyển dân cư trong nội bộ khu vực tập trung về các đô thị lớn tạo ra mức độ tập trung dân cư vượt quá khả năng đáp ứng của hệ thống giao thông trong đô thị Do quỹ đất dành cho giao thông ngày càng hạn hẹp và chi phí đền bù giải tỏa mặt bằng quá cao nên phương án xây dựng đường trên cao và cầu vượt trong đô thị là lựa chọn

ưu tiên của các chính quyền đô thị Điều này dẫn đến nhu cầu phát triển các loại hình kết cấu dầm cầu bằng bê tông cốt thép phù hợp cho nhu cầu phát triển giao thông của khu vực

Trong thiết kế chế tạo kết cấu dầm cầu dự ứng lực đúc sẵn nhịp giản đơn cho các dự án giao thông đô thị khu vực Đông Nam Bộ, các loại hình kết cấu dầm bê tông

dự ứng lực đúc sẵn hiện nay còn thiếu phân khúc chiều dài nhịp đến 60m với hiệu quả kinh tế kỹ thuật tốt đáp ứng cho phát triển giao thông khu vực

Mặt khác, các dự án xây dựng công trình cầu giao thông hiện nay trong khu vực chỉ sử dụng bê tông có cường độ đến 50MPa là chưa bắt kịp với nhịp độ phát triển trên thế giới, việc nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ cao đến 80MPa vào xây dựng kết cấu nhịp cầu bê tông dự ứng lực là xu thế có thể nhận thấy rõ ràng và cần thiết

Vì vậy, việc nghiên cứu xác định loại hình kết cấu dầm với bê tông cường độ

từ 60MPa đến 80MPa sử dụng vật liệu địa phương có khả năng vượt nhịp đến 60m

là một lựa chọn phù hợp để đóng góp cho sự phát triển giao thông khu vực Đông Nam

Bộ

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CẤP 60MPA ĐẾN

80MPA SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ ỨNG DỤNG CHO DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ĐÚC SẴN

2.1 Khái quát về bê tông cường độ cao

2.1.1 Cơ chế tạo thành cường độ của bê tông cường độ cao

Bê tông cường độ cao được chế tạo dựa trên một số điều chỉnh sau[1]:

+ Giảm tỉ lệ nước trên xi măng (N/X): đối với bê tông cường độ thông thường, tỷ lệ N/X dao động trong khoảng 0.4 đến 0.5 do yêu cầu độ sụt cao của công tác thi công, với lượng nước nhiều nên nước dư sau phản ứng sẽ để lại các

lỗ rỗng, làm giảm cường độ của bê tông Việc có mặt của các sản phẩm phụ gia cho bê tông, đặc biệt là phụ gia giảm nước cao thế hệ mới, tỷ lệ N/X có thể giảm nhiều mà vẫn đảm bảo độ sụt yêu cầu

+ Bổ sung một số loại sản phẩm có độ mịn cao, kích cỡ hạt nhỏ hơn hạt xi măng, có khả năng lèn chặt vào các khe rỗng giữa cấu trúc đá xi măng; một số loại có hoạt tính cao, có khả năng tạo phản ứng với các thành phần của bê tông giúp đá bê tông có thêm một số tính năng cao Trên thế giới, có 3 loại sản phẩm thường được sử dụng là tro bay, muội silic và metakaolin hoạt tính; đối với khu vực Đông Nam Bộ, tro bay và muội silic là 2 loại sản phẩm có nguồn cung cấp

ổn định

Tro bay (fly ash): là một loại khoáng hoạt tính Pozolan nhân tạo dùng làm phụ gia

cho chế tạo bê tông cường độ cao Tro bay là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được

từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khói nhà máy Tro bay được tận thu từ ống khói qua hệ thống nồi hơi tinh luyện loại bỏ bớt các thành phần than (cacbon) chưa cháy hết Thành phần của tro bay thường chưa các ôxít silic, ôxít nhôm, ôxít canxi, ôxít sắt, ôxít manhe và ôxít lưu huỳnh, ngoài ra có thể chứa một lượng than chưa cháy Cũng giống như các phụ gia khoáng hoạt tính cho bê tông khác như muội silic,

tro bay là một loại puzzolan nhân tạo với thành phần chính tạo hiệu ứng puzolan là các ôxit silic, ôxit nhôm chứa trong tro bay

Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618 [13] Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F:

- Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) > 70%

- Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) < 70% Tro bay loại F là sản phẩm từ bụi thải của quá trình đốt than đá (than cốc) Tro bay loại C là sản phẩm từ bụi thải của quá trình đốt than bùn non

Muội silic (silica fume) :Muội silic hay khói silic còn được gọi là microsilica, là một

dạng cấu trúc vô định hình của silic điôxít (ôxit silic, hay silica) Muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất chế phẩm chứa silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn Muội silic được dùng chủ yếu làm nguyên liệu tạo thêm tính chất puzơlan cho bê tông cường độ cao chế tạo từ xi măng Portland

Muội silic là sản phẩm siêu mịn, đường kính cỡ hạt trung bình khoảng 1,5μm, bằng khoảng 1/100 cỡ hạt của xi măng Do đó, khi được thêm vào thành phần của hỗn hợp vữa bê tông, muội silic sẽ bao quanh các hạt xi măng, lấp đầy các lỗ rỗng siêu nhỏ mà các hạt xi măng không lọt tới được Làm cho khối đổ bê tông được đặc chắc hơn, hình thành một môi trường đá xi măng có tính liên tục và đồng nhất cao sau khi bê tông ninh kết, và làm tăng khả năng chịu lực của kết cấu bê tông, tạo nên các kết cấu bê tông cường độ cao và siêu cao [8]

2.1.2 Yêu cầu về vật liệu trong sản xuất bê tông cường độ cao

So với bê tông cường độ thông thường, bê tông cường độ cao đòi hỏi một số yêu cầu đối với cốt liệu khắt khe hơn, cụ thể như sau:

+ Cốt liệu thô: nguồn gốc đá, cường độ đá gốc, hình dạng, điều kiện bề mặt, độ cứng hay độ sạch của cốt liệu có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính và cường độ của bê tông cường độ cao Hiện tại, các hướng dẫn về chọn lựa cốt liệu thô vẫn còn khá hạn

chế Một số nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ bê tông bị giới hạn bởi cường độ gốc của cốt liệu thô [8]

Đối với bê tông cường độ cao, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, nên dùng loại đá

có kích cỡ nhỏ sẽ dễ dàng tạo được cường độ cao hơn Blick (1973), Perenchio (1973)

đề nghị sử dụng cốt liệu đá với cỡ hạt lớn nhất chỉ nên trong khoảng 10÷13 (mm), sau này Cook (1982) bổ sung một số kết quả cho thấy có thể dùng cốt liệu thô cỡ hạt đến 25mm để chế tạo bê tông cường độ cao [8]

+ Cốt liệu mịn: hình dạng hạt tròn và bề mặt hạt ít gồ ghề sẽ giúp giảm lượng nước cần dùng cho bê tông, do đó loại cốt liệu mịn này sẽ thích hợp hơn đối với bê tông cường độ cao Ngoài ra mô đun độ lớn của cốt liệu mịn nếu nhỏ hơn 2.5 sẽ khiến

bê tông khó đầm chặt hơn (Blick, 1973), cát với mô đun độ lớn từ 3.0 trở lên được khuyên dùng [8]

Cốt liệu mịn hầu như không ảnh hưởng đến sự phát triển cường độ ở thời gian đầu nhưng có ảnh hưởng đến cường độ cuối cùng của bê tông [8]

Các loại phụ gia giảm nước cao là chọn lựa đầu tiên để chế tạo bê tông cường

độ cao Phân loại theo thành phần hóa học thì phụ gia giảm nước có những loại sau đây:

- Phụ gia giảm nước gốc Lignosulphonate: Đây là loại phụ gia hóa dẻo thế

hệ đầu, gốc của nó là loại cao phân tử tự nhiên, thành phần chủ yếu của gỗ và cellulose, hiệu quả giảm nước thấp, độ giảm nước tối đa 10%

- Phụ gia giảm nước Polyme gốc sulphonate Melamine: Phụ gia bê tông thế hệ thứ 2 gốc ure và formaldehyde nó có thể giảm nước tối đa được 25% Tính năng của loại phụ gia này cho cường độ sớm, thời gian thi công ngắn khi

tỷ lệ N/X thấp và trong điều kiện khí hậu nóng

- Phụ gia gốc Naphthalenesulphonate: Đây là loại phụ gia thế hệ thứ 2, thu được khi chưng cất than đá, giảm nước tới 25% Loại phụ gia này cải thiện được tính linh động của bê tông nhưng giảm cường độ ban đầu