Nghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng cao sử dụng các vật liệu địa phương phía nam trong kết cấu cầu

Nghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng cao sử dụng các vật liệu địa phương phía Nam trong kết cấu cầu

24

e Công nghệ chế tạo bề tông chất lượng cao khác với bê tông thường ở

chỗ nó được chế tạo với thành phần được chọn lọc một cách cẩn thận,

thiết kế hỗn hợp tối ưu và được cân đong, trộn đặc biệt, đầm, bảo dưỡng

theo những tiêu chuẩn công nghiệp cao nhất

e Từ các kết quả nghiên cứu trên thế giới và kết quả nghiên cứu thực

nghiệm với các vật liệu sẵn có ở khu vực Nam bộ đã đủ cơ sở khoa học cho

việc ứng dụng bê tông chất lượng cao trong xây dựng nói chung và trong

xây dựng cầu đường nói riêng Các dạng kết cấu để áp dụng bê tông chất

lượng cao cho các công trình giao thông ở khu vực Nam bộ rất phong phú

và hứa hẹn một hiệu quả to lớn về kỹ thuật, kinh tế xã hội

Kiến nghị:

e Nên sử dụng bê tông chất lượng cao (HPC) vào những công trình lớn,

quan trọng, đòi hỏi chất lượng, độ bền cao đặc biệt là những công trình

làm việc trong môi trường khắc nghiệt ở TP Hồ Chí Minh và khu vực Nam

bộ như: cầu, hầm, các tuyến Metro, hệ thống thoát nước mặt và nước thải

e Cần đẩy mạnh việc sản xuất phụ gia trong nước để giảm giá thành sản

phẩm

Hướng nghiên cứu phát triển của luận án:

e Tiếp tục nghiên cứu về mặt ứng dụng các loại bê tông chất lượng cao sử

dụng vật liệu trong nước, đặc biệt trong môi trường ăn mòn mạnh

e Đẩy mạnh nghiên cứu công nghệ hiện đại để chế tạo các sản phẩm, công

trình sử dụng bê tông chất lượng cao

e Su dung bê tông chất lượng cao xây dựng một công trình cầu thử nghiệm

để có cơ sở chính xác so sánh với kiến nghị của luận án

e Hoàn chỉnh quy trình tính toán, thiết kế, thi công bê tông chất lượng cao

tại Việt Nam

1

PHAN MO DAU

Ngày nay, bê tông chất lượng cao đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, mang lại hiệu quả lớn về các mặt kinh

tế, kỹ thuật và xã hội Đi đầu trong lĩnh vực này là các nước Mỹ, Nhật, Canada, Hà Lan Bê tông chất lượng cao là một cải tiến to lớn, được chế tạo bằng các vật liệu truyền thống kết hợp với các phụ gia hiện đại và vật liệu kết dính bổ sung Trong hầu như tất cả các dạng xây dựng, bê tông chất lượng cao cho một giải pháp tốt hơn, có gía thành hợp lý hơn so với bê tông thông thường nếu xem xét tới cả các vấn đề tuối thọ kết cấu, chi phí duy tu bảo dưỡng

Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng bê tông chất lượng cao thành công, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu này được thực hiện dựa vào những mục đích, điều kiện khí hậu, thời tiết (đa số ở vùng có băng giá), nguyên vật liệu sử dụng là hoàn toàn khác Không thể áp dụng những kết quả có sẵn ở các quốc gia này vào điều kiện cụ thể ở Việt Nam Đặc biệt khu vực Nam bộ chịu ảnh hưởng nhiều và khắc nghiệt của khí hậu nhiệt đới (nhiệt độ cao và ẩm) Nhiều công trình biển và cầu, cống phải làm việc trong điều kiện môi trường nước mặn, nước lợ và môi trường khắc nghiệt như: axít, sun phát hàm lượng cao Nam bộ có nguồn cung cấp nguyên vật liệu đa dạng, phong phú kể cả vật liệu tại chỗ và ngoại nhập Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ xây dựng: ngày càng nhiều loại cầu đòi hỏi vượt khẩu độ lớn hơn, mỹ thuật cao hơn việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bê tông chất lượng cao bằng các nguyên vật liệu có sẵn trong khu vực

có ý nghĩa thực tiễn rất lớn, cả trong giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác

Do vậy, tác giả đã chọn đề tài luận án của mình với tên “Wghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng cao sử dụng các vật liệu địa phương khu vực Nam bộ trong kết cấu cầu“ Đây là một đề tài có cơ sở thực tiễn và có

ý nghĩa khoa học

% Mục tiêu của đề tài: sử dụng vật liệu khu vực Nam bộ để chế tạo bê

tông chất lượng cao (HPC) có cường độ > 80 MPa Nghiên cứu các tính

năng cơ học; độ bên chống thấm nước, chống thấm clorit, độ co ngói;

nghiên cứu thực nghiệm trên dầm và ống cống bê tông cốt thép chế tạo bằng

bê tông chất lượng cao (cường độ > 80 MPa) sử dụng vật liệu địa phương;

nghiên cứu công nghệ chế tạo và hướng ứng dụng bê tông chất lượng cao

trone xây dựng cầu và các công trình trên đường tại khu vực Nam bộ

% Nội dung luận án: gồm phần mở đầu và năm chương, tiếp đến là các

phần kết luận, kiến nghị, những nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu

tham khảo và phụ lục

CHUONG 1

TONG QUAN VE BE TONG CHAT LUOGNG CAO (HPC), UNG DUNG

CUA NO TRONG XAY DUNG CAU VA KET CAU CONG TRINH

1.1 Khái niệm bê tông chất lượng cao (HPC):

1.1.1 Định nghĩa:

Bê tông chất lượng cao có các tính năng cao theo yêu cầu sử dụng

như: cường độ cao, độ chống thấm cao, sức chịu mài mòn tốt, mô đun đàn

hồi cao, độ bền chống ăn mòn hóa học cao v.v Có rất nhiều định nghĩa

khác nhau về bê tông chất lượng cao trên thế giới Theo tác giả, đề nghị

chọn định nghĩa đơn giản: bê tông chất lượng cao là loại bê tông thỏa mãn

các tính năng cơ học cao, độ bền cao, co ngót và từ biến thấp so với các loại

bê tông truyền thống

Dưới đây là một số cải tiến đạt được trong các nghiên cứu ở Việt Nam

và trên thế giới những năm gần đây theo sự phân tích hệ thống: cấu trúc -

tính năng - kết cấu và khả năng ứng dụng

*/ Cấu trúc vi mô:

Các nghiên cứu ở nước ngoài và Việt Nam đã xây dựng được quan hệ

giữa các tính năng được cải thiện trong bê tông với độ chặt của vữa, cũng

như cấu trúc ở vùng chuyển tiếp giữa vữa xi măng - cốt liệu Trong bê tông

thông thường do cấu trúc ở vùng chuyển tiếp là yếu nhất nên các vết nút

xuất hiện đầu tiên ở vùng này và đi vòng quanh biên của cốt liệu

e Bê tông chất lượng cao B8O có sử dụng phụ gia khoáng oxit silíc hoạt tính siêu mịn (5%, 10%) đã cho độ co ngót thấp hơn rất nhiều so với độ co ngét của bê tông thông thường B40 không sử dụng phụ gia của mẫu đối chứng

Độ co ngót của bê tông cường độ cao phát triển rất mạnh trong 3 ngày đầu tiên, bằng 69% so với độ co ngót của bê tông tuổi 28 ngày Điều này phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới và trong nước

e Quan hệ giữa độ co ngót của bê tông chất lượng cao ở tuổi 28 ngày với tỷ

lệ N/CKD, Ð, N được biểu diễn bằng phương trình sau:

N

5 Chế tao, thí nghiệm các kết cấu dầm và ống cống bê tông cốt thép sử dụng bê tông chất lượng cao (cường độ 80 MPa) bằng vật liệu khu vực Nam

bộ, so sánh với kết cấu đối chứng cho thấy các ưu điểm vượt trội như sau:

e Bê tông chất lượng cao đã làm tăng khả năng chịu tải trọng của dầm so với bê tông thông thường cùng kích thước (tăng khoảng 14%) Bê tông chất lượng cao không có hiệu quả nhiều đối với dầm bê tông cốt thép thường và chỉ phát huy mạnh mẽ với bê tông dự ứng lực Dầm bê tông chất lượng cao B80 có số lượng vết nứt ít hơn và có bề rộng khe nứt nhỏ hơn so với dầm bê tông cường độ 40 Mpa

e Với cùng kích thước hình học và hàm lượng cốt thép, bê tông chất lượng cao tăng khả năng chịu lực của cống (khoảng 61%) và có số lượng vết nứt ít hơn (khoảng 85%) so với cống bê tông thông thường cường độ 40 MPa Bề rộng khe nứt trong cống bê tông chất lượng cao B80 nhỏ hơn (khoảng 68%)

so với cống bê tông cường độ 40 MPa Bê tông chất lượng cao B80 cải thiện khá nhiều khả năng chống thấm của cống (hơn 2 lần so với bê tông B40) e® So sánh về mặt vật liệu, bê tông B80 có giá thành cao hơn bê tông B40 khoảng 35% Tuy nhiên, thiết kế công trình có kết cấu sử dụng bê tông chất lượng cao sẽ được cải tiến (kích thước nhỏ hơn ) nên tổng giá thành toàn

bộ công trình chỉ tăne khoảng 5-10% và có thời gian khai thác dài hơn.

22 thức thành phần, vật liệu chế tạo, các tính năng co hoc của bê tông có f,>

80 MPa phục vụ cho thiết kế cầu và các công trình trên đường ô tô

e Về tốc độ phát triển cường độ: cường độ nén ở tuổi 3 ngày đạt được 75%

còn cường độ ở 7 ngày đạt trên 90% so với cường độ nén 28 ngày; cường độ

chịu kéo uốn ở 3, 7, 28 ngày đạt 74%; 85%; 100% Như vậy, nên thi công

kéo cốt thép dự ứng lực ở tuổi 7 ngày mới đảm bảo cường độ chịu kéo uốn

và cường độ chịu nén của bê tông

e Về quan hệ giữa cường độ bê tông và cường độ đá làm cốt liệu: với đá gốc

làm thí nghiệm có cường độ 120 MPa có thể chế tạo được bê tông có cường

độ 80 MPa Như vậy, cường độ đá gốc ở trạng thái bão hòa chỉ nên quy định

lớn hơn cường độ của bê tông khoảng 1.5 lần (không cần phải lớn hơn 2 lần

như lý thuyết bê tông truyền thống quy định đối với bê tông B30)

e Quan hệ giữa cường độ nén của bê tông cường độ cao ở tuổi 28 ngày với

ty lệ N/CKD, Ð, N được biểu diễn bằng phương trình sau:

(3.36) R„y =88.1763 — 3.0347 0.8449 Ki -2.3294 Ð? ~1.3380 N?

Mặc dù có nhiều yếu tố ảnh hưởng nhưng kết quả thực nghiệm phù

hợp với các nghiên cứu lý thuyết cho thấy: tỷ lệ N/CKD ảnh hưởng lớn nhất

đến cường độ bê tông

4 Độ bền bê tông chất lượng cao B80 sử dụng vật liệu khu vực Nam bộ:

e Các kết quả nghiên cứu về quan hệ giữa hàm lượng muội silic và khả năng

thấm clorit cho thấy độ bền chống thấm clo của bê tông chất lượng cao B80

ở mức độ dưới 1000culông Loại bê tông này tương đương với bê tông chất

lượng cao cấp độ I của Hoa Kỳ có tuổi thọ khai thác từ 75-100 năm, sử

dụng thích hợp với các công trình xây dựng cần độ bền cao Khả năng

chống lại các tác động hóa học và thấm của bê tông chất lượng cao lớn hơn

bê tông thông thường Bê tông sử dụng cốt liệu Nam bộ với phụ gia muội

silic, tro bay trong thí nghiệm đã chứng tỏ đảm bảo độ bền dưới tác dụng

của ion clo

3 Trong bê tông cường độ cao có thêm muội silic, vữa hoàn toàn đồng nhất, ở trạng thái vô định hình Các hạt muội silic phân bố đều giữa các hạt

xi măng chính là nhân của các hydrat Lỗ rỗng mao quản giảm và không liên tục, trong khi ở các loại bê tông khác, chúng thông nhau Các hạt muội silic đóng vai trò bụi và puzơlan, làm đặc vùng chuyển tiếp giữa xi măng - cốt liệu Sự phá hủy khi đó là xuyên qua các hạt cốt liệu Hơn nữa, muội silic hấp thụ phần lớn các phân tử nước di chuyển về phía các hạt cốt liệu

Do không tách nước nên vùng chuyển tiếp trở nên không bị yếu

*/ Sự cải tiến công nghệ bê lông Việc loại bỏ giới hạn cắt của vữa xi măng tươi bằng cách thêm phụ gia hóa dẻo tạo thành một loại bê tông dễ chảy, mặc dù có bề mặt nhớt và dính Việc có được cường độ rất cao ngay sau những giờ, những neày đầu tiên hoặc có thể làm chậm sự ninh kết hàng chục giờ mà không ảnh hưởng đến tính công tác của vữa sẽ đưa đến yêu cầu cải tiến công nghệ bê tông tại công trường

* Ú ng xu cơ học: ngoài việc tăng cường độ chịu nén, cần chú ý tăng cường

độ chịu kéo và chịu cắt Vấn đề sức chịu cắt của bê tông cường độ cao và kết cấu sử dụng bê tông cường độ cao còn là vấn đề mở cần được nghiên cứu tiếp Việc tăng mô đun đàn hồi cần được phân tích và xem xét, liên quan đến việc tăng cao các đặc tính dính bám giữa thép và bê tông Bê tông cường độ cao có từ biến ít hơn khoảng 40% so với bê tông thường B40

*/ Độ bền: bê tông cường độ cao và rất cao chống xâm thực hóa học tốt hơn

bê tông truyền thống Độ bền chống lại chu trình tạo gen - hủy gen được nghiên cứu cho thấy ứng xử tốt của bê tông cường độ cao và rất cao

1.1.2 Biện pháp tăng cường độ bê tông:

Để cải thiện các tính chất của bê tông, cần tìm biện pháp giảm hàm lượng nước Đồng thời, nhiều nhà nghiên cứu khác đã tìm cách tạo ra một loại đá khối nhận được từ hỗn hợp có độ chặt rất cao bằng công nghệ rung

ép với áp lực cao.

Sự không vón cục của các hạt xi măng được giải quyết bằng cách sử

dụng các chất siêu dẻo Bằng cách này có thể giảm mạnh lượng nước cần

dùng vì phần lớn nước trong bê tông truyền thống nằm giữa các hốc xi măng

và do vậy ít tạo ra tính công tác Với bê tông cường độ cao, tỷ lệ N/X là 0.3

- 0.2, với bê tông truyền thống tỷ lệ này từ 0.4 - 0.6

Tăng dải hạt bằng cách sử dụng các chất hoạt tính siêu mịn

(silicafume, tro nhẹ ) nhằm lấp day lỗ rỗng vi mô giữa các cụm hạt, đồng

thời cải thiện độ chặt của hỗn hợp, tất cả đều làm tăng tính lưu biến của bê

tông tươi Mặt khác các khoáng hoạt tính siêu mịn (d=0.1-1Oum) có phản

ứng puzơlan hóa với hydroxit canxi trong hồ xi măng

1.1.3 Vật liệu mới, thiết kế mới cho công trình:

Các mặt cắt kết cấu công trình được tính toán với bê tông thông thường

có kích thước tương ứng với mật độ cốt thép thường và cốt thép dự ứng lực

nhất định Khi tăng cường độ, độ bền của bê tông chúng ta có thể tạo ra một

thế hệ kết cấu mới có cường độ và độ bền cao hơn, sẽ tạo ra sự bố trí giữa bê

tông và thép khác Theo Giáo sư Yves Malier (Pháp), để có hiệu quả về kỹ

thuật cũng như kinh tế, phương pháp thiết kế mới cần toàn diện và cần tổng

hợp các dữ liệu liên quan: về vật liệu mới, kết cấu mới, phương pháp thi

công, các hình dáng kiến trúc công trình, các siai đoạn bảo dưỡng

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng một số bê tông chất lượng cao

(HPC) trên thế giới:

s* Bê tông cường độ cao: bê tông cường độ cao ngày càng được áp dụng

rộng rãi trong các công trình lớn chủ yếu ở ba lĩnh vực: nhà cao tầng, công

trình biển và các công trình giao thông như cầu đường, hầm Mỹ là quốc

gia sử dụng bê tông cường độ cao sớm và nhiều nhất

s* Bê tông cường độ cao sớm là bê tông đạt được cường độ chỉ định tại

tuổi sớm hơn so với bê tông bình thường Bê tông cường độ cao sớm được

sử dụng cho kết cầu bê tông dự ứng lực, cho phép căng cáp sớm

s* Bê tông chất lượng cao có sức chịu mài mòn lớn: sử dụng đặc biệt có

hiệu quả cho các đập nước và các bể tiêu năng, mặt đường bê tông

tiếp xúc trực tiếp với nước lợ và nước mặn; hầm, đường xe điện ngầm

Sử dụng bê tông có cường độ cao sớm để rút ngắn tiến độ thi công; đúc đầm và cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực rất có hiệu quả

“+ Cac cong trình có khối lượng bê tông lớn như dầm, mố trụ cầu lớn có thể sử dụng phụ gia nhiệt thủy hóa thấp để đảm bảo chất lượng bê tông

KẾT LUẬN

Việc nghiên cứu áp dụng bê tông chất lượng cao (về các tính năng cơ học, tính năng bền ) sử dụng vật liệu khu vực Nam bộ vào xây dựng cầu và công trình trên đường là cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học Các kết quả nghiên cứu trong luận án có thể áp dụng trong thiết kế, thi công các công trình cầu, cảng, hầm và hệ thống thoát nước trone khu vực Những đóng góp khoa học chính của luận án là:

1 Luận án đã tổng hợp tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông chất lượng cao ở Việt Nam và trên thế giới Đã trình bày các định nghĩa, giới thiệu một

số loại bê tông chất lượng cao và những tính năng ưu việt của nó Nêu bật được các nội dung cơ bản đạt được trong các nghiên cứu ở Việt Nam và trên thế giới những năm gần đây Qua khảo sát tình hình cụ thể về nghiên cứu, ứng dụng bê tông chất lượng cao tại khu vực Nam bộ đã xác định được tính cấp thiết, mục tiêu, phương pháp, nội dung nghiên cứu chính của luận án

2 Các loại vật liệu xi măng, đá, cát, phụ gia tại khu vực Nam bộ có chất lượng đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật của Việt Nam cũng như quốc

tế (TCVN, ASTM ) dùng để chế tạo bê tông chất lượng cao Luận án đã kiến nghị một số giải pháp khắc phục tình trạng thiếu cát xây dựng có thể

sử dụng để tham khảo cho việc thiết kế, thi công công trình

3 Áp dụng các tiêu chuẩn của ngành GTVT, tiêu chuẩn ASTM và các hướng dẫn của ACI từ cốt liệu, xi măng Nam bộ, các phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn chế tạo được bê tông có các đặc tính cơ học phù hợp với bê tông chất lượng cao Mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo uốn, cường độ chịu kéo và dạng phá hoại mẫu thỏa mãn các yêu cầu cơ học cho bê tông làm cầu theo khuyến cáo của CEB-FIP Luận án đề nghị công

20

So sánh về mặt vật liệu, bê tong B80 có giá thành cao hơn bê tông B40

khoảng 35% Tuy nhiên, thiết kế công trình có kết cấu sử dụng bê tông chất

lượng cao sẽ được cải tiến (kích thước nhỏ hơn ) nên tổng giá thành toàn

bộ công trình chỉ tăng khoảng 5-10% và có thời gian khai thác dài hơn

5.7 Lưu ý về Qui trình công nghệ chế tạo bê tông chất lượng cao:

*/ Việc định lượng và trộn bê lông:

Bê tông chất lượng cao có sử dụng các loại phụ gia đồng thời nên việc

cân đong phụ gia phải hết sức chính xác và phải tuân thủ chỉ dẫn trong

chứng chỉ của nhà sản xuất Cần sử dụng máy trộn cưỡng bức, đặc biệt đối

với bê tông có cường độ cao hơn 80MPa Độ sụt của bê tông tươi tại trạm

trộn thường từ 18-20 cm; tai noi thi công từ 14-16 cm

*/ Đổ, đâm và bảo dưỡng bê tông:

Hầu như bê tông chất lượng cao được đúc với độ sụt từ 14 + 16 cm

Ngay cả tại độ sụt này, việc đầm vẫn được yêu cầu đề đảm bảo độ chặt Cần

phải bảo dưỡng bê tông ngay sau khi thi công và khi bê tông rắn chắc để

đảm bảo quá trình thủy hóa và rắn chắc của xi măng

5.8 Hướng sử dụng bê tông chất lượng cao:

Dưới đây là một số dạng kết cấu sử dụng bê tông chất lượng cao

(cường độ > 80 MPa) có khả năng đạt hiệu quả lớn:

% Dầm bê tông cốt thép dự ứng lực (kể cả kéo trước và kéo sau)

“+ Dam du tng luc loại nhỏ với nhiều kích thước định hình khác nhau

phục vụ cho giao thông nông thôn, vùng sâu vùng xa

Các cầu bê tông cốt thép dự ứng lực vượt khẩu độ lớn

“+ Trụ, tháp, dầm cầu bê tông cốt thép cầu treo, cầu dây văng

“¢ Dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép

s* Cầu vượt trong thành phố hoặc các xa lộ

Một số dạng kết cấu công trình khu vực Nam bộ có thể áp dụng bê tông

chất lượng cao (về tính năng bền, cường độ cao sớm ):

“+ Su dung bé tong chất lượng cao về chống thấm, chống ăn mòn clorit cho

các hệ thống thoát nước thải; kết cấu phần dưới của công trình cầu, cảng

5 s% Một số tính năng bền vượt trội của bê tông chất lượng cao: tính thấm rất thấp đối với không khí, nước và chloride Ions; khả năng chống cacbonnat hóa, chống lại sự tấn công hóa học của bê tông chất lượng cao rất tốt, chịu được nhiều sun phát khác nhau

1.3 Tình hình nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng bê tông chất lượng cao (HPC) tại Việt Nam

Đi đầu trong vấn đề này là các trường Đại học xây dựng, Đại học GTVT, Viện KHCN GTVT, Viện KHCN VLXD Một số công trình cầu trong ngành GTVT thuộc các dự án ODA của Nhật Bản, Úc, .đã tăng cường độ bê tông lên 50-60 MPa như các cầu Mỹ Thuận, cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ (phía Nam) và cầu Bãi Cháy, Cầu Thanh trì (phía Bắc) 1.4 Bê tông chất lượng cao (HPC) trong xây dựng cầu và các công trình giao thông khu vực Nam bộ:

Các cầu trên tuyến đường cao tốc Sài gòn - Trung Lương, Xa lộ Đông Tây đang được thi công đã sử dụng bê tông cường độ cao sớm để rút ngắn thời gian chờ căng cáp Những công trình tiếp xúc với môi trường xâm thực cao như: các hệ thống thoát và xử lý nước thải, các công trình cầu, cảng ở vùng nước mặn, nước lợ đều sử dụng loại bê tông bền sun phát và clorit

CHUONG 2 NGHIEN CUU DAC TINH CAC VAT LIEU KHU VUC NAM BO DUNG CHE TAO BE TONG CHAT LUONG CAO (HPC) TRONG XAY DUNG CAU VA CAC CONG TRINH TREN DUONG 2.1 Dat van dé: muc tiéu nghiên cứu của Chương 2 là thống kê, phân tích, thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu cơ lý và hóa học của các loại vật liệu địa phương: xi mang, đá dăm, cát, nước, các loại phụ gia, các chất bổ trợ So sánh với các tiêu chuẩn, quy trình của Việt Nam và quốc tế xem các vật liệu này có đáp ứng được yêu cầu chế tạo bê tông chất lượng cao không? Kiến nehị một số giải pháp khắc phục trong trường hợp thiếu nguyên vật liệu 2.2 Nghiên cứu các loại vật liệu:

2.2.1.Xi mang.

*/ Các tiêu chuẩn về xi măng đang sử dụng: Tiêu chuẩn TCVN (Việt Nam);

Tiêu chuẩn ASTM (Mỹ); Tiêu chuẩn Châu Âu; Tiêu chuẩn Úc

*/ Các loại xi măng sử dụng cho công trình cầu, đường khu vực Nam bộ: xi

mang Ha Tiên, Holcim, Nghi Sơn, Chính Phong, Hoàng Thạch Trong đó,

xi măng Holcim và Nghi Sơn có nhiều tính năng cơ lý phù hợp với xi măng

loại I (xi măng poóc lăng có phụ gia khoáng) ký hiệu PCB40

2.2.2 Đá dăm:

*/ Nguồn cung cấp đá dăm cho các công trình cầu ở Nam bộ:

- Khu vực Miền Đông Nam bộ: các mỏ đá tập trung nhiều ở tỉnh Đồng Nai,

sau đó là Vũng Tàu, Bình Dương, Bình Phước

- Khu vực Miền Tây Nam bộ: đây là khu vực đồng bằng, chỉ có một số tỉnh

giáp giới Campuchia có núi đá như: Kiên Giang, An Giang còn nguồn

cung cấp đá xây dựng chủ yếu là từ khu vực Miền Đông chở về

*/ Kết quả thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của một số loại đá

đăm: hiện nay tại khu vực Nam bộ, đá Hóa An được sử dụng nhiều nhất do

chất luợng cao và ổn định

2.2.3 Cát dùng để sản xuất bê tông khu vực Nam bộ:

*/Kết quả thí nghiệm phân tích chất lượng một số mỏ cát:

Bảng 2.6: Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu chính

5.5 Thử nghiệm kết cấu cống bê tông cốt thép sử dụng bê tông B80:

5.5.1 Lựa chọn các tham số của ống cống thí nghiệm:

- Công được thiết kế và thí nghiệm kiểm tra theo TCXDVN 372: 2006 quy định về “Ống bê tông cốt thép thoát nước”; tiết điện hình tròn, đường

kính trong 600, dầy 85 mm, dài 2500 mm; cốt thép kéo nguội Ra = 3800kg/em2; sử dụng bê tông chất lượng cao B80

Tổ hợp cống thí nghiệm gồm 03 cống bê tông chất lượng cao (B80) và

03 cống bê tông thông thường (B40) đối chứng

5.5.2 Chế tạo ống cống:

5.5.3 Thi nghiém trén ong cong:

a Kha nang chiu tai cua ông công:

1⁄2 MẶT CẮT DỌC

MAT CAT NGANG 1⁄2 CHÍNH DIEN

Hình 5.10: Cấu tạo cống Jacking @600

Bảng 5.7: So sánh kết quả với cấp tải và lực ép theo TCXDVN 372: 2006

Tải trọng thử theo phương pháp ép 3 cạnh (KN/m)

Hạt |KLthể[ KL | Hàm | Tạp chất | Mô

TT Tên mỏ cát <0.14| tích | riêng | lượng | hữu cơ đun

1 | Cat Tan Ba 1.8 | 1450 | 2.63 | 0.95 | m.chuẩn | 3.15

2 | Cát Đồng Nai 5.5 | 1495 | 2.69 | 0.95 | mầu số I | 2.83

3 | Cát Sài Gòn-Cát Lái | 1.5 | 1340 2.6 1 m.chuẩn | 2.85

4 | Cat Tri An 2.1 | 1350 | 2.62 | 0.85 nt 2.89

5 | Cát sông La Ngà 7.1 | 1495 | 2.65 | 0.61 | mầu số1l | 2.49

6 | Cat song Thi Tinh 3.9 | 1390 | 2.61 0.9 mầu số 2 | 1.95

7 | Cát Vàm Cỏ Đông 5.12 | 1631 | 2.61 | 3.05 nt 2.282

Duong kinh Cap tai thap (T) |Câp tải tiêu chuân (TC Câp tải cao (C)

T danh dinh mm Lực | Lực | Lực | Lực | Lực | Lực Lực Lực | Lực

T không | làm | cực | không| làm | cực |không| làm | cực

nứt | việc | đại nứt | việc đại nứt việc đại

| | Béténg B40 | 22.67 | 38.84] 52.92

2 | Bé téng B80 55.901] 66.894] 85.66

b Kết quả thử độ thấm nước của ống công Ø 600:

- Bê tông chất lượng cao B80 đạt độ chống thấm B16

- Bê tông chất lượng cao B40 đạt độ chống thâm B8

5.6 So sánh hiệu quả kinh tế sử dụng bê tông chất lượng cao (cường độ cao) về mặt chịu lực:

18

x 4200mm; chiều dài tính toán của nhịp là 4000 mm Sử dụng bê tông chat

lượng cao (cường độ > 80 MPa)

2620

s

3622

100 | 4000 100

Hình 5.3: Cấu tạo dầm bê tông cốt thép thí nehiệm

Dầm được thiết kế theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN - 272 - 05; các

tính toán chi tiết theo Phụ lục 1 đính kèm

3.4.2 Chế tạo dâm: Cấp phối bê tông: Vật liệu xem Chương 2 và 3

Thí nghiệm xác định: tải trọng phá | |

hoại thực tế của dầm; chuyển vị (độ toca | 1000 | 1000 | 1000

võng) tại giữa nhịp; sự xuất hiện và

Hình 5.4: Sơ đồ thí nghiệm dầm a/ Tai trong thi nghiệm: theo tính toán thiết kế, ngoài tải trọng bản thân dầm

mở rộng vết nứt

phải chịu hai lực tập trung đặt tại 1/4 và 3/4 nhịp

Bảng 5.3: So sánh kết quả thí nghiệm dầm

7 Cát Hồng Ngự 4.8 | 1340 | 2.64 1.1 m.chuẩn | 2.27

9 | Cát Tân Châu 26.6 | 1380 | 2.62 | 1.48 | mầu số 1 | 1.62 10[ Cát Lộc An 52 |1378 | 2.69 | 1.16 | m.chuẩn | 2.30

13 | Cat Niéc lu6ng-CPC} 1.4 | 1380 | 2.61 | 1.01 nt 2.59

Két qua thi Don vi Bé tong Bé tong chat So sánh

M giữa nhịp KN.m | 144,032,000 163,532,000 | Tang 14%

Độ võng giữa nhịp

cấp tải VI

Chiếu rộng vết nứt

b/ Chất tải thí nghiệm: mỗi cấp của tải trọng thí nghiệm được chọn là

2x2000 kg (không tính tải trọng bản thân) Tải trọng sẽ được chất từng cấp

theo quy định cho đến cấp mà dầm bị phá hoại

*JMột vài giải pháp khắc phục tình trạng thiếu cát: cần đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng cát biển mịn để đổ bê tông cấp thấp; đầu tư công nghệ sản xuất

bê tông bằng cát nghiền từ đá; xây dựng kế hoạch chiến lược và qui định that chat ché cho việc khai thác, sử dụng cát, tránh lãng phí

2.2.4 Phu gia:

Mục đích của việc thêm phụ gia là để cải thiện các tính chất của bê tông khi chưa hóa cứng và khi đã hóa cứng sao cho phù hợp với các yêu cầu của người sử dụng nhằm tiết kiệm xi măng, dễ thi công hoặc đem lại hiệu quả cao về kỹ thuật, kinh tế

Một số loại phụ gia thông dụng: phụ gia điều chỉnh tốc độ đông cứng của bê tông; piảm nước thường; giảm nước bậc cao (siêu dẻo); phụ gia hoat

tính puzơlan; xỉ lò cao; tro bay; muội Silic; tro trấu

Tại khu vực Nam bộ nguồn cung cấp chính: các cơ sở sản xuất của nước ngoài tại Việt Nam

2.2.5 Nước trộn bê tông: tại các tỉnh Miễn Tây đều nằm trong khu vực nước mặn, nước lợ hoặc nước phèn Như vậy, trong khu vực này hầu như nước không đủ tiêu chuẩn để đổ bê tông, phải sử dụng bằng nước máy

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH NĂNG CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG CHẤT

LƯỢNG CAO (CƯỜNG ĐỘ > 80 MPA) SỬ DỤNG VẬT LIỆU KHU

VUC NAM BỘ TRONG XÂY DỰNG CẦU

3.1 Đặt vấn đề: Chương này nghiên cứu phương pháp thiết kế thành phần cấp phối bê tông chất lượng cao có cường độ > 80 MIPa sử dụng vật liệu địa phương khu vực Nam bộ Thí nghiệm xác định một số tính năng cơ học của

bê tông; đánh giá mối quan hệ giữa bê tông thông thường và bê tông cường

độ cao Nghiên cứu quan hệ giữa yếu tố vật liệu và cường độ của bê tông

chất lượng cao bằng phương pháp Quy hoạch thực nghiệm Đưa ra bảng tính

năng bê tông chất lượng cao sử dụng vật liệu địa phương dùng làm cầu và

các công trình trên đường khu vực Nam bộ

3.2 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông chất lượng cao B80:

Trong luận án, áp dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông chất

lượng cao của Viện bê tông Hoa Kỳ; Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 Bộ GTVT-

Việt Nam Các bước thiết kế cụ thể như sau:

*/ Cường độ yêu câu: ACI khuyên sử dụng cường độ yêu cầu Ryc được xác

định theo công thức sau:

*/ Lua chon tuổi của bê tông khi thiết kế: lựa chọn thành phần bê tông có

R, +11.6

09 MPa (mau lap

thể bị ảnh hưởng bởi tuổi bê tông Tuổi bê tông được lựa chọn khác nhau

phụ thuộc các yêu cầu của công trình, thường được qui định sau 28 ngày

*/ Xác định thành phần cốt liệu thô (đá): lượng đá cho Im” bê tông được

tính như sau: Ð = Vụ y„ (kg/m”) (3.5); trong đó: Vụ- Thể tích đầm chặt của

đá được thí nghiệm theo ASTM 39 đảm bảo y, = 1.602 - 1,634 g/cm'

*/ Cốt liệu nhỏ: tỷ lệ đá/cát nên từ 1.5 + 1.9 Luong cát (kg/mỶ bê tông)

được tính như sau: Vị = 1000 - Vị¡- Vự„- Vụ, - Vax - Wak (3.6)

C= Vụ D, (3.7); trong đó : o, - khối lượng riêng của cát

*/ Xác định tỉ lệ NuócIXI măng (NIX) hoặc NướcIChất kết dính (NICKD):

Tổng lượng xi măng và bột khoáng được qui định là lượng chất kết

dính (CKD) Bê tông chất lượng cao sử dụng chất phụ gia siêu dẻo có tỉ lệ

N/CKD = 0.22 + 0.35 va d6 sut cao từ 18 ~ 20 em

*/ Tính toán hàm lượng vật liệu kết đính:

Trọng lượng của vật liệu kết dính cần thiết trên mỶ bê tông có thể xác

định được bằng cách chia lượng nước cho tỷ lệ N/CKD Từ hàm lượng chat

kết dính xác định lượng xi măng tối ưu dùng cho bê tông

tông ở tuổi 28 ngày Phương trình hồi quy chung:

y=bạ+bhbiXi+b,X,+b;X;+b,X,X,+

by XX, +b, X,X, +b, Xe +b, X2 +b, X2 + by XXX; (4.7)

Trong đó: bạ, b,, b; : là hệ số hồi quy; X;, X¿, X: là các biến mã 4.5.1 Kết qud thực nghiệm về co ngót bê tông:

Trong luận án đã sử dụng phần mềm thống kê STATISTICA để xác định các hệ hồi quy Sau khi kiểm tra tính tương hợp của các hệ số bị theo tiêu chuẩn Student và tiêu chuẩn Fisher ta có phương trình độ co ngót của bê tông phụ thuộc vào các giá trị biến mã như sau:

Y = 0.0708 + 0.0101 X,+0.009 X?+0.0072 X? (4.12) 4.5.2 Phân tích kết qua thí nghiệm:

Quan hệ giữa độ co ngót của bê tông cường độ cao với tỷ lệ N/CKD,

Đ, N được biểu diễn:

N

£2 = 0.0708 + 0.0101 — — + 0.0029 * + 0.0072 N? (4.15)

CHUONG 5 NGHIEN CUU THUC NGHIEM DAM VA ONG CONG BE TONG

COT THEP BE TONG CHAT LUONG CAO (HPC) 5.1 Dat vấn đề: Chương này nghiên cứu kết cấu dầm mặt cắt hình chữ nhật

và cống tròn bê tông cốt thép sử dụng bê tông chất lượng cao (cường độ >

80 MPa) Thí nghiệm, phân tích kết quả, so sánh với các nghiên cứu trong

và ngoài nước; tính giá thành để so sánh hiệu quả kinh tế giữa bê tông chất lượng cao và bê tông thông thường; đưa ra một số lưu ý về quy trình công nghệ chế tạo bê tông chất lượng cao; đề xuất, dự kiến một số hướng sử dụng

bê tông chất lượng cao trong kết cấu cầu

5.4 Thử nghiệm dâm bê tông cốt thép sử dụng bê tông chất lượng cao (cường độ > 80 MPa):

5.4.1 Lựa chọn các tham số của dâm thí nghiệm:

Dầm giản đơn, cốt thép thường; chịu hai lực tập trung tại 1/4 và 3/4 chiều dài nhịp Tiết diện mặt cắt ngang hình chữ nhật, kích thước 200 x 400

16 Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy tốc độ co ngót của bê tông cường

độ cao phát triển rất mạnh trong 3 ngày đầu tiên, bằng 69% so với độ co

ngót của bê tông tuổi 28 ngày

So sánh với các Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, Tiêu chuẩn

CEB-FIP Model Code, ACI 209 két quả nghiên cứu thực nghiệm về co ngót

của bê tông B80 là đảm bảo yêu cầu áp dụng với các cầu lớn (0.0002>

0.0000832) và phù hợp với nghiên cứu trước đây tại Việt Nam và thế giới

s* Thí nghiệm độ chống thấm của bê tông:

Kết quả thực nghiệm theo TCVN 3116:1993 cho thấy: bê tông cấp

BS0 thử nghiệm với cùng một lượng xi măng và lượng dùng phụ gia thay

đổi sẽ có được độ chống thấm: bê tông sử dụng 10% MS: độ chống thấm 28

neày đạt B16, bê tông sử dụng 5% MS có độ chống thấm đạt B12

Bảng 4.7 Các chỉ tiêu về tính năng bền va co ngót bê tong B80

*/ Xác định lượng muội silic:

Thành phần muội silíc trong bê tông chiếm từ 5 -I5 % theo khối lượng

xi măng Tổng khối lượng chất kết dính: CKD = X + MS (3.9)

*/ Xác định công thức bê tông; thử nghiệm cường độ, độ bền và tính công lác; điều chỉnh thành phần theo mẻ trộn thứ

*/ Kết luận

3.3 Thí nghiệm xác định một số tính năng cơ học của bê tông chất lượng cao (cường độ > 80MIPa):

3.3.1 Tính toán thành phần bê tông chất lượng cao B80:

Bảng 3.5 Kết quả tính toán thành phần bê tông cường độ > 80 Mpa

Kết quả thí nghiệm Các chỉ tiêu bền Đơn vị theo tuổi (ngày)

Độ thấm clorit của bê tong B80 su dung

MS=8%, tro bay=15%

Độ co ngót bê tông B80 sử dụng

mm/m | 0.079 | 0.11 | 0.116

MS=5%XM

Độ co ngót bê tông B80 sử dụng

mm/m | 0.057 | 0.079 | 0.0832 MS=10%XM

Độ chống thấm nước bê tông B8O, 28

ngay su dung MS=5%XM

Độ chống thấm nước bê tông B8O, 28 5

4.5 Nghiên cứu quan hệ giữa vật liệu và độ co ngót của bê tông chất lượng

cao bằng phương pháp Quy hoạch thực nghiệm

Hàm mục tiêu trong nghiên cứu này được chọn là độ co ngót của bê

4 | Chat siéu déo 0.8kg/100kg XM | kg 4.16

3.3.2 Công tác thí nghiệm:

*/ Kế hoạch thí nghiệm:

Chế tạo bê tông tuơi theo công nghệ trộn quy định và xác định độ sụt bằng côn Abram; chế tạo các mẫu thử; xác định cường độ chịu nén, chịu kéo khi uốn của bê tông ở các tuổi 3, 7 và 28 ngày; mối quan hệ giữa cường

độ bê tông chất lượng cao với phụ gia khoáng siêu mịn; mô đun đàn hồi của

bê tông theo tuổi 3, 7, 28 ngày; phân tích các quy luật ứng xử cơ học của bê

tông để khẳng định sự phù hợp của loại bê tông này so với các định luật về

bê tông chất lượng cao theo các tài liệu nước ngoài

*/ Tron vita bé tong làm mẫu thí nghiệm: trộn theo 2 pha (hướng dẫn của

Châu Âu)

*/ Chế tạo mâu: Tiêu chuẩn áp dụng ASTM C31M

*/ Phương pháp thứ nghiệm:

s* Thử nghiệm bê tông tươi: xác định độ sut theo ASTM C143

s* Thử nghiệm tính năng cơ học của bê tông: theo ASTM C39

Thí nghiệm mô đun đàn hồi : ASTM C496

3.3.3 Kết quả thí nghiệm và phản tích:

*/ Cường độ chịu nén và chịu kéo khi uốn của bê tông BS0:

% Về sự phát triển cường độ nén theo thời gian: cường độ trong những

ngày đầu rất cao và giai đoạn trước 7 ngày tăng rất nhanh (đặc biệt là trước

3 ngày) Từ 14 đến 28 ngày cường độ bê tông tăng chậm và sau 28 ngày đồ

thị dần dần tiệm cận với đường nằm ngang như bê tông thông thường

s* Cường độ kéo khi uốn của bê tông chất lượng cao B80:

- Giá trị cường độ kéo khi uốn của bê tông chất lượng cao cũng tăng theo

cường độ nén nhưng tỷ lệ tăng không giống nhau và có xu hướng không

tăng thêm khi cường độ nén tăng

- Tỷ lệ Rị*“/ Re “8 bình quân là 2.43 Như vậy, R„„ của bê tông chất

lượng cao B80 đã tăng lên đáng kể so với R.„ của bê tông thông thường

- Sự phát triển R.„: ở giai đoạn trước 7 ngày R,„ phát triển khá nhanh; sau 14

ngày phát triển rất chậm Trị số cường do R,, dat dén 9.97 MPa 1a rat có ý

nghĩa về độ bền chống nứt (bê tông thông thường R,„ = 4.75 MPa)

*/ Ảnh hưởng của phụ gia siêu mịn đến cường độ của bê tông:

Kết quả thí nghiệm bê tông B8O với hàm lượng phụ gia khoáng hoạt

tính siêu mịn (MS) thay đổi từ 5, 10, 15 đến 20% xi măng cho thấy: cường

độ R;; của bê tông B80 sử dụng MS với hàm lượng 15% xi mang là cao

Mức độ thấm clo phụ thuộc vào thời gian, chất lượng bê tông, chiều dày lớp bê tông và nồng độ clorit

Bê tông sử dụng tro bay, muội silic hoặc kết hợp giữa muội silic với tro bay cho khả năng chống thấm nước, chống thấm clo và chống ăn mòn sun phat tăng lên khác nhau

4.4 Nghiên cứu thực nghiệm với vật liệu Nam bộ:

4.4.1, Cong tac thí nghiệm:

*/ K€ hoach thí nghiệm: vật liệu đưa vào thí nghiệm, phương pháp trộn vữa, chế tạo và bảo dưỡng mẫu đã trình bầy trong Chương 3

*J Phương pháp thí nghiệm:

s* Thí nghiệm đo độ thấm Clorit của bê tông B8O: theo ASTM C 1202 s* Thí nghiệm độ co ngót của bê tông B8O: theo TCVN 3117:1993

s* Thí nghiệm độ chống thấm của bê tông B80: theo TCVN 3116:1993 4.4.2 Phân tích kết qua thí nghiệm:

% Thí nghiệm đo độ thấm ion Cl” cta bê tông B80, tuổi 28 ngày theo tiêu chuẩn ASTM C1202: giá trị điện lượng là 205 culông < 1000 culông Như vậy độ thấm clo ở mức độ rất thấp, chứng tỏ bê tông B80 có 8% muội silic và 15% tro bay có độ bền chịu nước biển cao So sánh kết quả đo cho thấy độ thấm clo thấp hơn 15 lần so với bê tông B40 không dùng muội silic hoặc

tro bay hoặc kết hợp giữa muội silic với tro bay

s*_ Thí nghiệm độ co ngót của bê tông: với sự tham gia của phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng hoạt tính siêu min có hiệu ứng Puzơlan mạnh đã làm giảm đáng kể độ co ngót của bê tong B80 Diéu nay phù hợp với các nghiên cứu tại Việt Nam và trên thế giới

8à =0/4166 7 7 8e =0.5036 8 6g = 0.5016 5 Nếu tăng lượng phụ gia hoạt tính siêu mịn thì độ co ngót cũng giảm

10%A4S =072 c