Nghiên cứu lớp mặt cầu bằng bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi thép (UHPFRC) trên bản thép trực hướng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG VĂN SỸ NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP UHPFRC TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG LUẬN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐẶNG VĂN SỸ

NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐẶNG VĂN SỸ

NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt

Mã số: 62.58.02.06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TS Phạm Duy Hữu

TS Trần Việt Hùng

HÀ NỘI, 2017

LỜI CÁM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Công trình giao thông thành phố và Công trình thủy, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phạm Duy Hữu và TS Trần Việt Hùng

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết hơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Duy Hữu và TS Trần Việt Hùng đã tận tình hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận án Tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô giáo trong Bộ môn Công trình giao thông thành phố và Công trình thủy - Trường Đại học Giao thông vận tải đã động viên, giúp

đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cám ơn phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại trường Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Vật liệu xây dựng, Phòng Thí nghiệm vật liệu xây dựng, Trung tâm khoa học công nghệ Giao thông vận tải - Trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình và người thân đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Hà Nội, ngày 05 tháng 9 năm 2017

Tác giả

Đặng Văn Sỹ

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả luận án xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả

Đặng Văn Sỹ

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii 

MỤC LỤC iii 

DANH MỤC CÁC BẢNG x 

MỞ ĐẦU 1 

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG 5 

1.1 Mở đầu 5 

1.2 Thành phần, tính năng của UHPFRC 5 

1.2.1 Thành phần của UHPFRC 5 

1.2.2 Tính năng cơ học của UHPFRC 9 

1.2.3 Tính năng về độ bền của UHPFRC 15 

1.3 Mô hình ứng xử uốn thiết kế của UHPFRC 17 

1.3.1 Chỉ dẫn thiết kế UHPFRC của AFGC [23]: 18 

1.3.2 Chỉ dẫn của Hội kỹ sư xây dựng Nhật bản JSCE [65] 19 

1.3.3 Chỉ dẫn thiết kế của Australia 20 

1.3.4 Hướng dẫn tính toán ở Mỹ 20 

1.3.5 Các nghiên cứu trong nước 21 

1.4 Lớp phủ mặt cầu bản thép trực hướng bằng bê tông cốt sợi 23 

1.4.1 Giới thiệu về mặt cầu trực hướng và lớp phủ mặt cầu 23 

1.4.2 Ứng dụng mặt cầu trực hướng 25 

1.4.3 Các hư hỏng của mặt cầu thép trực hướng 28 

1.4.4 Các mô hình sử dụng lớp phủ mặt cầu bằng bê tông cốt sợi 30 

1.4.5 Các nghiên cứu về lớp phủ bê tông cốt sợi trên bản thép trực hướng 33 

1.5 Xác định vấn đề nghiên cứu của Luận án 37 

1.5.1 Nhận xét 37 

1.5.2 Các vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu 39 

1.6 Kết luận chương 1 39 

CHƯƠNG 2 THÀNH PHẦN VÀ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU

CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI 40 

2.1 Đặt vấn đề 40 

2.2 Vật liệu chế tạo 40 

2.2.1 Xi măng 40 

2.2.2 Phụ gia siêu dẻo 41 

2.2.3 Muội silic 42 

2.2.4 Cát 42 

2.2.5 Bột quartz 43 

2.2.6 Sợi thép 43 

2.3 Thiết kế thành phần UHPFRC-V 44 

2.3.1 Mục tiêu thiết kế thành phần UHPFRC-V 44 

2.3.2 Phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết tối ưu độ đặc 44 

2.3.3 Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông 47 

2.4 Chế tạo UHPFRC-V 49 

2.4.1.Thành phần cấp phối cho một mẻ trộn 49 

2.4.2.Trình tự và thời gian trộn 49 

2.4.3 Bảo dưỡng bê tông 50 

2.4.4 Nội dung và số lượng mẫu thí nghiệm 50 

2.5 Thí nghiệm xác định tính năng cơ học của UHPFRC-V 51 

2.5.1 Phương pháp thí nghiệm 51 

2.5.2 Kết quả thí nghiệm 54 

2.6 Xác định ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V 59 

2.6.1 Phân tích ngược xác định ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V 59 

2.6.2 Mô hình ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V: 70 

2.6.3 Mô hình ứng xử nén của UHPFRC-V 71 

2.6.4 Phân tích bằng phương pháp PTHH 72 

2.7 Kết luận chương 2 75 

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN ÂM CỦA

UHPFRC-V TRÊN BẢN THÉP 77 

3.1 Mở đầu 77 

3.2 Mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên mặt cầu trực hướng 77 

3.3 Lựa chọn mô hình thí nghiệm 78 

3.4 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 80 

3.4.1 Vật liệu chế tạo 80 

3.4.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 81 

3.5 Phương pháp và trình tự thí nghiệm 83 

3.5.1 Thiết bị thí nghiệm 83 

3.5.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: 85 

3.5.3 Tiến trình thí nghiệm 86 

3.6 Kết quả thí nghiệm 86 

3.6.1 Quan sát ứng xử của mẫu bằng trực quan 86 

3.6.2 Biểu đồ tải trọng - biến dạng kéo lớn nhất của UHPFRC-V 88 

3.6.3 Biểu đồ tải trọng - độ võng: 92 

3.6.4 Quan hệ tải trọng - bề rộng vết nứt 94 

3.6.5 Quan hệ giữa tải trọng - biến dạng mặt bên của mẫu 98 

3.7 Mô hình ứng xử uốn của UHPFRC-V trên bản thép 99 

3.7.1 Phân tích ngược bằng phương pháp giải tích 99 

3.7.2 Kiểm chứng mô hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn 106 

3.8 Kết luận chương 3 108 

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG CÓ LỚP PHỦ BẰNG UHPFRC-V 110 

4.1 Mở đầu 110 

4.2 Cơ chế ứng xử cơ học, phương pháp tính toán, phân tích kết cấu OSD 110 

4.2.1 Các cơ chế ứng xử của kết cấu OSD 111 

4.2.2 Phương pháp phân tích kết cấu mặt cầu thép trực hướng 113 

4.3 Các trạng thái giới hạn 115 

4.3.1 Trạng thái giới hạn mỏi 115 

4.3.2 Trạng thái giới hạn của UHPFRC-V [23] 116 

4.4 Ứng xử của UHPFRC-V trên OSD bằng phương pháp giải tích 118 

4.4.1 Mô men âm trên mặt cầu trực hướng do tải trọng khai thác 119 

4.4.2 Mô men gây nứt của mặt cắt 121 

4.4.3 Ứng suất, biến dạng trên mặt cắt liên hợp bản thép - UHPFRC-V 124 

4.5 Phân tích ứng xử kết cấu OSD có lớp phủ bằng UHPFRC-V 126 

4.5.1 Mục tiêu phân tích 126 

4.5.2 Giới thiệu phần mềm, lựa chọn phần tử 127 

4.5.3 Mô hình, vật liệu, điều kiện biên 127 

4.5.4 Kết quả phân tích 132 

4.6 Kết luận chương 4 136 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138 

1 Những kết quả đạt được của luận án: 138 

2 Những đóng góp mới của luận án 139 

3 Hạn chế của đề tài: 139 

4 Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo 139 

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ i 

TÀI LIỆU THAM KHẢO ii 

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

Tiếng Anh

ACI : (American Society for Testing and Materials) Hội thí nghiệm và vật liệu

Mỹ AFGC : (Association Francaise de Genie Civil) Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Pháp; ASTM : (American Society for Testing and Materials), Hiệp hội Thí nghiệm vật

liệu Mỹ CEB : (Fédération Internationale de la Précontraninte) Hiệp hội quốc tế về dự

ứng lực DIN : (Deutsches Institut fyr Normung) Viện tiêu chuẩn Đức

EA : (Epoxy Asphalt) Bê tông nhựa epoxy

ECC : (Engineered Cementitious Composite) Bê tông có chất kết dính tổng hợp,

sợi polymer FHWA : (Feleral Highway Administration) Cục đường bộ liên bang - Mỹ

FRC : (Fiber Reinforced Concrete) bê tông cốt sợi;

FRD : (Fibre Reinforced Densit) Bê tông cốt sợi thương mại Densit®

HPC : (High Performance Concretes): Bê tông chất lượng cao

JSCE : (Japan Society of Civil Engineers) Hội Kỹ sư xây dựng Nhật Bản

MA : (Mastic Asphalt) Mastic nhựa

OSD : (Orthotropic Steel Deck) Bản thép trực hướng

RILEM : (International Union of Laboratories and Experts in Contruction

Materials) Hiệp hội quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu xây dựng

SF : (Silica fume) Muội silic

SFRC : (Steel Fiber Reinforced Concrete) Bê tông cốt sợi thép

UHPC : (Ultra High Performance Concretes): Bê tông tính năng siêu cao

UHPFRC : (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete): Bê tông tính năng

siêu cao gia cường cốt sợi;

ULS : (Ultimate Limit State) trạng thái giới hạn cường độ

PC : Xi măng pooc lăng

PVA : Sợi Poly-Vinyl-Alcohol,

SD : Siêu dẻo

S50 : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V là 50mm;

S50.0 : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V là 50mm không bố trí cốt thép S60 : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V là 60mm;

S70 : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V là 70mm;

SU1, SU2; SU3; SU4; SU4; SU5; SU6 - Ký hiệu các mẫu thử UHPFRC-V trong thí

nghiệm uốn 4 điểm

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam;

el ; uel : Biến dạng giới hạn đàn hồi; Biến dạng giới hạn đàn hồi tính toán

lim ; u,lim : Biến dạng giới hạn; biến dạng giới hạn tính toán

1% : Biến dạng1%;

K : hệ số xét đến phân tán cốt sợi;

Kt : Hệ số điều chỉnh kích thước mẫu chịu uốn;

cf : hệ số an toàn khi tính toán;

fctfk : Giá trị đặc trưng của cường độ kéo lớn nhất sau nứt

fct,fm : là ứng suất chịu kéo lớn nhất trung bình sau nứt của UHPFRC-V

fcm : Cường độ chịu nén trung bình

fcd : Cường độ nén thiết kế của UHPFRC

fck : Cường độ chịu nén đặc trưng

fc’ : Cường độ chịu nén của bê tông

fct : Cường độ chịu kéo đặc trưng

E : Mô đun đàn hồi tính toán

Ec : Mô đun đàn hồi đặc trưng

Ecm : Mô đun đàn hồi trung bình

c : Hệ số tính toán của bê tông theo AFGC và EN 1992-1.1

w : Ký hiệu bề rộng vết nứt trong bê tông

Leq : Chiều dài đặc trưng chuyển đổi quan hệ biến dạng - bề rộng vết nứt theo

JSCE [65]

Lf : Chiều dài cốt sợi thép

fck : Cường độ chịu nén đặc trưng

 : Ký hiệu ứng suất kéo trong UHPFRC-V

i

 : Ứng suất kéo ở thớ i

i

 : Là độ cong của mặt cắt ở bước tải i

c : Chiều cao trục trung hòa của mặt cắt

i

 : Là hệ số xác định chiều cao trục trung hòa ở bước thứ i

cc : Hệ số có tính đến những ảnh hưởng lâu dài đối với cường độ nén và các

tác động tiêu cực do tải trọng tác dụng

Mcr : Mô men gây nứt

M- : Mô men âm

Mi : Mô men ở bước tải thứ i

[50].75 : Mẫu thử có chiều dày lớp phủ 75mm, trong nghiên cứu của Morakoshi

[50]

12PL+70EA : Mặt cầu bản thép dày 12mm, lớp phủ bằng EA dày 70mm

12PL+EA : Bản thép dày 12mm có lớp phủ bằng epoxy asphalt

12PL+MA : Bản thép dày 12mm có lớp phủ bằng mastic asphalt

12PL+UHPFRC-V: Bản thép dày 12mm có lớp phủ bằng UHPFRC-V

14PL+EA : Bản thép dày 14mm có lớp phủ bằng epoxy asphalt

14PL+MA : Bản thép dày 14mm có lớp phủ bằng mastic asphalt

14PL+UHPFRC-V: Bản thép dày 14mm có lớp phủ bằng UHPFRC-V

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần và tính năng của các UHPFRC thương mại [30] 6 

Bảng 1.2 Thành phần cấp phối UHPC [2] 8 

Bảng 1.3 Giá trị hệ số poisson [45] 12 

Bảng 1.4 Hệ số giãn nở nhiệt của UHPC [45] 13 

Bảng 1.5 Tổng hợp các tính năng cơ học của UHPC [45] 15 

Bảng 2.1 Yêu cầu thiết kế thành phần UHPFRC của luận án 40 

Bảng 2.2 Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 (Bút Sơn) 40 

Bảng 2.3 Các đặc tính kỹ thuật của xi măng PC40 - Bút Sơn 41 

Bảng 2.4 Mô tả sản phẩm SikaViscocret3000-20M 41 

Bảng 2.5 Các chỉ tiêu của muội silic theo ASTM C1240 42 

Bảng 2.6 Thành phần hóa học của đá Quartz 43 

Bảng 2.7 Cỡ hạt của cát Quartz 43 

Bảng 2.8 Thành phần hạt của bột Quartz nghiền 43 

Bảng 2.9 Các đặc trưng vật lý của vật liệu chế tạo UHPFRC-V 45 

Bảng 2.10 Thành phần UHPFRC thiết kế theo độ đặc tối ưu 48 

Bảng 2.11 Bảng tính độ đặc các cấp phối 48 

Bảng 2.12 Thành phần UHPFRC-V theo tỷ lệ khối lượng xi măng 49 

Bảng 2.13 Thành phần cấp phối cho một mẻ trộn 60 lít 49 

Bảng 2.14 Độ chảy lan của các mẻ trộn thử nghiệm 50 

Bảng 2.15 Nội dung thí nghiệm 51 

Bảng 2.16 Số mẫu thí nghiệm 51 

Bảng 2.17 Hệ số phân phối student [23] 51 

Bảng 2.18 Cường độ nén 7 ngày của UHPFRC-V 55 

Bảng 2.19 Cường độ nén 28 ngày của UHPFRC-V 55 

Bảng 2.20 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi 55 

Bảng 2.21 Bảng tính giá trị đặc trưng mô đun đàn hồi 56 

Bảng 2.22 Cường độ chịu kéo uốn ứng với vết nứt đầu tiên 58 

Bảng 2.23 Kết quả phân tích ngược các mẫu SU1; SU2; SU3 67 

Bảng 2.24 Kết quả phân tích ngược các mẫu SU4; SU5; SU6 67 

Bảng 2.25 Tổng hợp kết quả phân tích ngược 68 

Bảng 2.26 Hệ số tương quan giữa cường độ kéo sau nứt và cấp bê tông 69 

Bảng 2.27 Kết quả phân tích thí nghiệm uốn 4 điểm bằng PTHH 74 

Bảng 3.1 Thời gian cho phép thi công của keo epoxy 81 

Bảng 3.2 Nội dung thí nghiệm uốn mẫu bản liên hợp 81 

Bảng 3.3 Ứng suất - biến dạng vết nứt đầu tiên và thời điểm vết nứt mở rộng 90 

Bảng 3.4 Tải trọng, mô men âm trung bình ở trạng thái khởi điểm vết nứt 91 

Bảng 3.5 So sánh mô men gây nứt thí nghiệm với mô men khai thác 92 

Bảng 3.6 Tải trọng tương ứng với các bề rộng vết nứt khác nhau 96 

Bảng 3.7 So sánh với nghiên cứu của Murakoshi [50] 97 

Bảng 3.8 So sánh mẫu có và không bố trí cốt thép 97 

Bảng 3.9 Mô men âm thí nghiệm theo bề rộng vết nứt trên UHPFRC-V 98 

Bảng 3.10 Hệ số chiết giảm cường độ của UHPFRC-V trên bản thép 108 

Bảng 4.1 Các cơ chế ứng xử của kết cấu cầu thép trực hướng [36] 111 

Bảng 4.2 Bề rộng vết nứt cho phép của UHPFRC [23] 117 

Bảng 4.3 Bảng tính giá trị biến dạng, chiều rộng vết nứt ở các TTGH 118 

Bảng 4.4 Mô men âm tính toán trên kết cấu mặt cầu 121 

Bảng 4.5 Mô men gây nứt của mặt cắt 122 

Bảng 4.6 Hệ số an toàn với các trường hợp cấu tạo mặt cầu khác nhau 123 

Bảng 4.7 Ứng suất lớn nhất trên bản thép 12mm với các lớp phủ khác nhau 125 

Bảng 4.8 Biến dạng kéo lớn nhất trên lớp phủ 125 

Bảng 4.9 Đặc trưng vật liệu của lớp phủ bằng EA, MA 131 

Bảng 4.10 Biến dạng lớn nhất ở mặt trên của lớp phủ 132 

Bảng 4.11 Ứng suất lớn nhất trên bản thép, đường hàn 132 

Bảng 4.12 Ứng suất lớn nhất trên bản thép, đường hàn khi không có lớp phủ 132 

Bảng 4.13 So sánh ứng suất trên bản thép 133 

Bảng 4.14 So sánh ứng suất trên đường hàn 133 

Bảng 4.15 Biến dạng lớn nhất ở mặt trên của lớp phủ 135 

Bảng 4.16 Ứng suất lớn nhất trên bản thép 135 

Bảng 4.17 So sánh ứng suất trên bản thép 136 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Thành phần tối ưu UHPFRC [60] 7 

Hình 1.2 Ứng xử kéo lý tưởng của UHPFRC biến dạng cứng [41] 11 

Hình 1.3 Các loại ứng xử kéo của một UHPFRC: a) Loại 3; b) loại 2; c) loại 1 12 

Hình 1.4 Mô hình ứng xử nén của UHPFRC theo AFGC 18 

Hình 1.5 Mô hình ứng xử kéo của UHPFRC loại 3 19 

Hình 1.6 Mô hình ứng xử của UHPFRC, Nhật Bản, [65] 20 

Hình 1.7 Mô hình vật liệu đề xuất Gowripalan và Gilbert [40] 20 

Hình 1.8 Ứng xử UHPC theo mô hình của Aaleti [18] 21 

Hình 1.9 Sơ đồ thử nghiệm uốn bản UHPFRC [13] 21 

Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm ứng xử uốn của dầm UHPFRC [5] 22 

Hình 1.11 Mô hình tính toán UHPFRC, Nguyễn Lộc Kha [5] 22 

Hình 1.12 Ứng dụng UHPFRC xây dựng cầu dân sinh ở Việt Nam 23 

Hình 1.13 Mặt cắt ngang điển hình của mặt cầu trực hướng 24 

Hình 1.14 Dạng cầu dầm hở - bản thép trực hướng [36] 26 

Hình 1.15 Dạng kết cấu nhịp dầm hộp đôi, cầu San Mateo-Hayward [36] 26 

Hình 1.16 Thi công thay thế mặt cầu treo Lions Gate, Canada [36] 27 

Hình 1.17 Các dạng hư hỏng ở mặt cầu trực hướng [64] 29 

Hình 1.18 Các loại vết nứt trong kết cấu mặt cầu thép trực hướng [29] 30 

Hình 1.19 Mô hình 1, sử dụng bê tông cốt sợi thép SFRC [50] 30 

Hình 1.20 Mặt cắt ngang bản mặt cầu Caland, Hà Lan [77] 31 

Hình 1.21 Thi công lớp phủ mặt cầu Caland, Hà Lan [37] 31 

Hình 1.22: Ứng dụng UHPFRC ở cầu Illzach - Pháp [44] 32 

Hình 1.23 Mô hình ứng dụng UHPFRC trên bản thép trực hướng [68] 32 

Hình 1.24 Kết quả thí nghiệm kéo trực tiếp [46] 33 

Hình 1.25 Thí nghiệm uốn 3 điểm mẫu liên hợp bản thép - UHPC [46] 34 

Hình 1.26 Thí nghiệm uốn mẫu liên hợp của Murakoshi [50] 34 

Hình 1.27 Mô hình thí nghiệm uốn lớp phủ [73] 35 

Hình 1.28 Biểu đồ tải trọng - độ võng; tải trọng - tách lớp [73] 35 

Hình 1.29 Thí nghiệm mỏi [37] 36 

Hình 1.30 Mẫu thí nghiệm tải trọng bánh xe 36 

Hình 1.31 Kết quả thí nghiệm tải trọng bánh xe [50] 36 

Hình 1.32 Kích thước mẫu thí nghiệm tải trọng bánh xe [56] 37 

Hình 1.33 Sơ đồ thí nghiệm tải trọng bánh xe [56] 37 

Hình 2.1 SikaViscocret3000-20M 41 

Hình 2.2 Muội silic Sikacrete PP1 42 

Hình 2.3 Bột Quartz 43 

Hình 2.4 Sơ đồ khối thiết kế thành phần UHPFRC-V 47 

Hình 2.5 Trộn bê tông tính năng siêu cao bằng máy trộn cưỡng bức 49 

Hình 2.6 Thí nghiệm mô đun đàn hồi 52 

Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm 53 

Hình 2.8 Chuẩn bị khuôn, đúc mẫu 53 

Hình 2.9 Thí nghiệm uốn 4 điểm, dạng phá hoại mẫu 54 

Hình 2.10 Các dạng phá hoại mẫu nén 54 

Hình 2.11 Biểu đồ tải trọng - độ võng từ thí nghiệm uốn 4 điểm 56 

Hình 2.12 Sơ đồ xác định ứng suất khởi điểm vết nứt fct,el 57 

Hình 2.13 Biểu đồ tải trọng - độ võng đại diện 58 

Hình 2.14 Giới hạn biểu đồ ứng suất - biến dạng trong phân tích ngược 59 

Hình 2.15 Phân bố ứng suất, biến dạng trên mặt cắt 61 

Hình 2.16 Biểu đồ mô men đơn vị, sử dụng tính độ võng của dầm 63 

Hình 2.17 Phân bố mô men, độ cong trong dầm thí nghiệm 63 

Hình 2.18 Sơ đồ khối tính biểu đồ mô men - độ cong 64 

Hình 2.19 Sơ đồ khối phân tích ngược tìm quan hệ ứng suất - biến dạng 66 

Hình 2.20 Các thanh scroll điều chỉnh biểu đồ ứng suất - biến dạng giả định 67 

Hình 2.21 Biểu đồ ứng suất - biến dạng mẫu SU1, SU2; SU3, SU4 68 

Hình 2.22 Sơ đồ ứng suất - biến dạng mẫu SU5, SU6 69 

Hình 2.23 Biểu đồ ứng suất - biến dạng trung bình, đặc trưng của 6 mẫu 69 

Hình 2.24 Mô hình ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V 71 

Hình 2.25 Mô hình ứng xử nén của UHPFRC [23] 72 

Hình 2.26 Mô hình ứng xử nén của UHPFRC-V 72 

Hình 2.27 Mô hình vật liệu của UHPFRC-V trong Midas FEA 73 

Hình 2.28 Kết quả mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm bằng Midas FEM 75 

Hình 3.1 Mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng 78 

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm bản liên hợp chịu mô men âm 79 

Hình 3.3 Chuẩn bị bề mặt bản thép 82 

Hình 3.4 Hình ảnh đúc, bảo dưỡng mẫu 83 

Hình 3.5 Thiết bị thí nghiệm 84 

Hình 3.6 Bộ gối uốn, thanh neo mẫu thí nghiệm uốn 85 

Hình 3.7 Sơ đồ, hình ảnh gán thiết bị đo lên mẫu 85 

Hình 3.8 Gắn thiết bị đo lên mẫu 85 

Hình 3.9 Vị trí xuất hiện các vết nứt trên mẫu 87 

Hình 3.10 Các dạng mặt cắt phá hoại mẫu 88 

Hình 3.11 Biểu đồ tải trọng - biến dạng mặt trên của UHPFRC-V 89 

Hình 3.12 Biểu đồ tải trọng - biến dạng trung bình ở mép trên UHPFRC-V 90 

Hình 3.13 Tải trọng, mô men âm trung bình ở trạng thái khởi điểm vết nứt 91 

Hình 3.14 Tải trọng, mô men âm ở trạng thái vết nứt bắt đầu mở rộng 91 

Hình 3.15 Biểu đồ tải trọng - độ võng của các tổ mẫu 93 

Hình 3.16 Sơ đồ tính toán bề rộng vết nứt từ giá trị độ võng 95 

Hình 3.17 Biểu đồ tải trọng - bề rộng vết nứt 95 

Hình 3.18 So sánh với kết nghiên cứu thực nghiệm của Murakoshi [50] 96 

Hình 3.19 Mô men âm theo bề rộng vết nứt 98 

Hình 3.20 Bố trí lá dán đo biến dạng mặt bên của mẫu 98 

Hình 3.21 Biểu đồ tải trọng - biến dạng mặt bên 99 

Hình 3.22 Sơ đồ tính khi TTH qua chỗ tiếp giáp: thép - UHPFRC-V 101 

Hình 3.23: Sơ đồ tính toán khi TTH qua UHPFRC-V 102 

Hình 3.24 Sơ đồ tính toán khi TTH qua bản thép 103 

Hình 3.25 Sơ đồ tính toán khả năng chịu uốn âm của mặt cắt liên hợp 105 

Hình 3.26 Mô hình ứng xử của UHPFRC-V trên bản thép 106 

Hình 3.27 Mô hình mẫu thí nghiệm bằng Midas FEA 106 

Hình 3.28 Phân tích mẫu liên hợp bản thép - UHPFRC-V bằng Midas FEA 107 

Hình 3.29 So sánh kết quả tính toán và thí nghiệm mẫu bản liên hợp 107 

Hình 4.1 Mức thiết kế thích hợp cho các chi tiết mặt cầu trực hướng [36] 114 

Hình 4.2 Sơ đồ tính mô men âm lớn nhất trên lớp phủ mặt cầu 119 

Hình 4.3 Sơ đồ ứng suất, biến dạng của mặt cắt tính đổi khi nứt 122 

Hình 4.4 Mô men gây nứt của mặt cầu - mô men âm do tải trọng khai thác 123 

Hình 4.5 Sơ đồ tính ứng suất, biến dạng trên mặt cắt bản thép - UHPFRC-V 124 

Hình 4.6 Ứng suất lớn nhất trên bản thép trực hướng 126 

Hình 4.7 Kích thước, hình dạng mẫu phân tích 128 

Hình 4.8 Mô hình đường hàn liên kết giữa bản thép và sườn dọc 129 

Hình 4.9 Cấu tạo mặt cắt ngang mặt cầu sườn hở 129 

Hình 4.10 Mô hình kết cấu mặt cầu trực hướng sườn hở 130 

Hình 4.11 Mô hình tải trên kết cấu bản thép trực hướng 131 

Hình 4.12 Biến dạng lớn nhất trên lớp phủ với các loại lớp phủ khác nhau 132 

Hình 4.13 Ứng suất lớn nhất trên bản thép với các lớp phủ khác nhau 133 

Hình 4.14 Ứng suất lớn nhất trên đường hàn với các lớp phủ khác nhau 133 

Hình 4.15 Ứng suất trên bản thép, đường hàn với các trường hợp lớp phủ 134 

Hình 4.16 Biến dạng lớn nhất trên lớp phủ với các loại lớp phủ khác nhau 135 

Hình 4.17 Ứng suất lớn nhất trên đường hàn với các lớp phủ khác nhau 135 

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Trong cầu thép, đặc biệt là các công trình cầu vượt nhịp lớn, cầu di động thì mặt cầu bản thép trực hướng (OSD) là một sự lựa chọn được ưu tiên vì các lý do: Hệ thống OSD có trọng lượng bản thân nhỏ, độ cứng lớn; tiến độ thi công nhanh Ngoài ra mặt cầu trực hướng cũng là một giải pháp tốt cho việc thay thế hệ thống mặt cầu cũ nhằm nâng cao khả năng chịu tải và kéo dài tuổi thọ khai thác

Hệ thống OSD đã được sử dụng thành công cho rất nhiều cây cầu trên thế giới, đặc biệt là ở châu Âu, châu Á và Nam Mỹ Nhiều trong số các kết cấu cầu hiện đại, tráng lệ nhất trên thế giới hiện nay sử dụng các hệ thống bản thép trực hướng Ở Việt Nam các công trình cầu như: Cầu Thăng Long - Hà Nội, cầu Thuận Phước Đà Nẵng, cầu Cần Thơ cũng cấu tạo hệ mặt cầu theo dạng này

Thực tế khai thác cho thấy một số hư hỏng đối với loại mặt cầu này như: Hư hỏng lớp phủ mặt cầu; các hư hỏng tại các mối hàn, bản thép, sườn do sự xuống cấp của vật liệu làm lớp phủ, sự gia tăng của tải trọng xe chạy [7, 44, 50, 51, 73, 77] Những hư hỏng này làm giảm chất lượng khai thác, giảm khả năng chịu tải và tuổi thọ của cầu Vấn đề đặt ra là tìm biện pháp để sửa chữa và kéo dài tuổi thọ các công trình cầu cũ đã xuất hiện các hư hỏng và đề xuất những cải tiến trong thiết kế đối với các công trình cầu mới

Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kéo dài thời gian khai thác, giảm thiểu các hư hỏng nêu trên thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên phạm vi toàn thế giới

Xu hướng chung là sử dụng bê tông xi măng cốt sợi làm lớp phủ mặt cầu trực hướng thay thế các lớp phủ truyền thống [44, 46,50, 73, 77, 68]

Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC - Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete) với các tính năng vượt trội so với bê tông truyền thống đã được phát triển từ những năm 1990, trong những năm gần đây việc nghiên cứu, ứng dụng trong xây dựng cầu ngày càng được phát triển Ở Việt Nam nhiều nghiên cứu chế tạo bê tông này đã được thực hiện [1, 2, 3, 9, 10, 11] Với các nguồn vật liệu có sẵn trong nước có thể chế tạo được bê tông có cường độ nén trên 100MPa, cường độ chịu kéo uốn và các chỉ tiêu độ bền cải thiện đáng kể so với các loại bê tông truyền thống Những kết quả nghiên cứu bước đầu ở Việt Nam cho thấy

tiềm năng của việc ứng dụng bê tông tính năng siêu cao trong thực tiễn tại nước ta nói chung và trong mặt cầu thép trực hướng nói riêng

Hiện chưa có nghiên cứu nào ở Việt Nam theo hướng ứng dụng bê tông UHPFRC-V làm lớp phủ mặt cầu bản thép trực hướng

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, xác định mô hình vật liệu bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi từ nguồn vật liệu sẵn có trong nước (UHPFRC-V); nghiên cứu ứng xử uốn của UHPFRC-V trên OSD; đề nghị một loại lớp phủ mặt cầu mới làm tiền đề cho việc nghiên cứu, ứng dụng vào kết cấu cầu thép trực hướng ở Việt Nam là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn và khoa học Hiện nay chưa có nghiên cứu liên quan đến hướng ứng dụng UHPFRC làm lớp phủ mặt cầu trực hướng ở Việt Nam Do đó luận án lựa chọn đề tài “Nghiên cứu lớp mặt cầu bằng bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi thép (UHPFRC) trên bản thép trực hướng” làm đề tài của luận án

- Đề xuất mô hình sử dụng UHPFRC-V trên cầu thép trực hướng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận án:

- Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi từ các vật liệu sẵn có ở Việt Nam;

- Ứng xử uốn cục bộ của kết cấu mặt cầu bản thép trực hướng có lớp phủ bằng UHPFRC

- Nghiên cứu ứng xử uốn của kết cấu mặt cầu trực hướng có lớp mặt bằng UHPFRC-V bằng phương pháp phần tử hữu hạn

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp phân tích kết cấu bằng phần tử hữu hạn bằng phần mềm thương mại Midas Fea

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

Ý nghĩa khoa học của Luận án:

- Từ kết quả thực nghiệm, xây dựng mô hình ứng xử nén, kéo uốn của

UHPFRC-V phục vụ tính toán, phân tích kết cấu mặt cầu bản thép trực hướng có lớp phủ bằng UHPFRC - V

- Đề xuất mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên mặt cầu thép trực hướng ở Việt Nam và chứng minh được hiệu quả của giải pháp ứng dụng UHPFRC-V trên kết cấu OSD trong việc giảm ứng suất, biến dạng trên bản thép, đường hàn

Ý nghĩa thực tiễn của Luận án:

Luận án đề xuất mô hình sử dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng, làm cơ

sở cho việc nghiên cứu, áp dụng UHPFRC-V trong xây dựng cầu ở Việt Nam

6 Nội dung luận án

Luận án gồm 4 chương, được tóm tắt như sau:

Chương 1: Tổng quan về bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi và các nghiên cứu ứng dụng trên bản thép trực hướng

Chương 1 trình bày các nội dung chính như sau:

- Các nghiên cứu về thành phần, tính năng của UHPFRC trong nước và trên thế giới

- Mô hình ứng xử uốn, cách xây dựng mô hình ứng xử uốn của UHPFRC

- Các hư hỏng trên kết cấu OSD, mô hình ứng dụng bê tông xi măng cốt sợi trên bản thép trực hướng, các nghiên cứu liên quan đến ứng xử của bê tông cốt sợi trên bản thép trực hướng

- Xác định các vấn đề luận án cần tập trung nghiên cứu

Chương 2: Thành phần và tính năng của UHPFRC-V

Chương này gồm các nội dung:

- Lựa chọn thành phần, thiết kế cấp phối UHPFRC-V

- Thí nghiệm độ chảy lan, cường độ nén, mô đun đàn hồi, uốn 4 điểm

- Phân tích ngược xác định ứng xử kéo sau nứt của UHPFRC-V

- Xây dựng mô hình ứng xử nén, kéo uốn của UHPFRC-V

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn âm của UHPFRC-V trên bản thép

Chương này gồm các nội dung chính:

- Đề xuất mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng

- Thí nghiệm uốn 3 điểm mẫu liên hợp “bản thép - UHPFRC-V” chịu mô men

âm xác định được loại ứng xử, dạng phá hoại của UHPFRC-V trên OSD; các quan hệ tải trọng - biến dạng kéo lớn nhất trên UHPFRC-V, tải trọng - độ võng

- Phân tích ngược xác định mô hình ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V trên bản thép, xác định hệ số chiết giảm cường độ của UHPFRC-V khi làm việc trên bản thép

- Kiểm chứng mô hình ứng xử của UHPFRC-V bằng phương pháp PTHH Đề xuất mô hình ứng xử của UHPFRC-V để áp dụng trong Chương 4

Chương 4: Phân tích ứng xử kết cấu bản thép trực hướng có lớp phủ bằng UHPFRC-V

Chương này gồm các nội dung chính:

- Trình bày cơ chế ứng xử, các phương pháp tính toán, phân tích kết cấu OSD, lựa chọn mức tính toán phù hợp

- Tính toán ứng suất trên bản thép, biến dạng kéo trên bản UHPFRC-V chịu tải trọng khai thác theo 22TCN 272-05 bằng phương pháp giải tích Kết quả thu được sẽ

là cơ sở để lựa chọn sơ bộ chiều dày lớp UHPFRC-V

- Tính toán ứng suất trên bản thép, ứng suất trên đường hàn liên kết bản thép và sườn dọc, biến dạng kéo trên bản UHPFRC-V cho 2 dạng kết cấu sườn kín và sườn hở kích thước thật bằng phương pháp PTHH Chứng minh hiệu quả của giải pháp ứng dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng thay thế các loại lớp phủ truyền thống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI

VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG 1.1 Mở đầu

Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC) là một loại vật liệu được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, đặc tính của bê tông này là có cường độ nén từ 100 đến hơn 200MPa [70, trang 355]; [71, trang 212, 16] khả năng chịu uốn, cắt cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và có độ bền và sự ổn định lâu dài hơn so với bê tông truyền thống

Với hướng nghiên cứu của luận án, để có cơ sở cho việc tính toán, thiết kế thành phần và ứng dụng UHPFRC trên mặt cầu trực hướng (OSD), chương này sẽ trình bày tổng quan về các vấn đề:

- Thành phần và tính năng UHPFRC;

- Mô hình ứng xử của UHPFRC sử dụng trong thiết kế, tính toán;

- Các nghiên cứu, ứng dụng bê tông cốt sợi, UHPFRC trên bản thép trực hướng

1.2 Thành phần, tính năng của UHPFRC

1.2.1 Thành phần của UHPFRC

Vật liệu chủ yếu để chế tạo UHPFRC gồm: Cát quartz, bột quartz, muội silic, xi măng, sợi thép, phụ gia siêu dẻo và nước Trải qua hơn 25 năm phát triển, đến nay bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi trên thế giới được nghiên cứu, ứng dụng dưới 2 dạng: Dạng thứ nhất là các sản phẩm thương mại; dạng thứ hai là UHPFRC sử dụng các loại vật liệu địa phương với thành phần được nghiên cứu, lựa chọn từ các vật liệu sẵn có của một số nước

1.2.1.1 Thành phần của UHPFRC trên thế giới

- UHPFRC thương mại

Ở các nước Châu Âu, Nam Mỹ thường sử dụng các sản phẩm UHPFRC thương mại như: Ductal®, BSI®, CRC®, CEMTECmultiscale®, BCV® Trong đó bê tông Ductal® được sử dụng phổ biến nhất Thành phần và tính năng chủ yếu của 5 loại UHPFRC thương mại được Camacho giới thiệu ở Bảng 1.1 [30] UHPFRC thương mại sử dụng một tỷ lệ N/X thấp, từ 0,16 ÷ 0,25 Lượng xi măng từ 746 kg/m3 ÷ 1050 kg/m3 Muội silic khoảng (15÷ 32,43) % khối lượng xi măng Cát trong cấp phối của Ductal® và CEMTEC multiscale ® sử dụng loại cát mịn, với cỡ hạt < 0,6mm

Cường độ nén của UHPFRC thương mại ở 28 ngày tuổi, tuỳ theo điều kiện bảo dưỡng mà giá trị này nằm trong khoảng 120 ÷ 300 MPa

Bảng 1.1 Thành phần và tính năng của các UHPFRC thương mại [30]

Loại kg/m 3 Loại kg/m 3 Loại kg/m3 Loại kg/m3 Loại kg/m 3

Xi măng PC 746 1114 Chất kết

dính (binder)

- UHPFRC sử dụng vật liệu sẵn có ở một số nước khác

Cho đến nay có rất nhiều công bố liên quan đến việc lựa chọn các loại vật liệu,

thành phần của UHPFRC từ các vật liệu địa phương Giá trị cường độ nén của các

UHPFRC dạng này thường từ (100 ÷ 200) MPa, tùy theo điều kiện bảo dưỡng

+ Nghiên cứu của Camacho và cộng sự (2012) [30]:

Camacho và cộng sự (2012) đã giới thiệu 28 loại cấp phối UHPFRC sử dụng 2 loại

xi măng CEM I 52.5 và CEM I 42,5 N với lượng xi măng sử dụng (700 ÷ 1000) kg/m3;

3 loại cát (0 ÷ 0,6) mm, (0 ÷ 2) mm và (2 ÷ 3) mm, được phối hợp với nhau tạo ra độ

đặc lớn nhất cho bê tông; muội silic với hàm lượng (10 ÷ 25)% xi măng Sợi thép

Dramix® đường kính 0,38 mm Kết quả nghiên cứu cho thấy với lượng xi măng (700 ÷

900) kg/m3, muội silic từ (10 ÷ 25)% khối lượng xi măng và trong điều kiện bảo dưỡng

trong phòng (không bảo dưỡng nhiệt) cường độ nén của bê tông đạt (101 ÷ 138) MPa

+ Nghiên cứu của Park và cộng sự (2008) [60]:

Park và cộng sự (2008) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần vật liệu đến

cường độ nén của UHPFRC trên 18 loại cấp phối khác nhau [60] Vật liệu sử dụng

gồm: Xi măng pooc lăng (800÷1000) kg/m3; muội silic (0 ÷ 35%) khối lượng xi măng;

2 loại cát có cỡ hạt (0,3÷0,5) mm và (0,17÷0,3) mm; bột nghiền 2 loại, với cỡ hạt trung

bình tương ứng là 100µm và 13 µm, (1 ÷ 1,3) khối lượng xi măng và sợi thép đường

kính 0,2mm, chiều dài 13mm, cường độ kéo 2500 MPa hàm lượng 2% theo thể tích

của bê tông, tỷ lệ N/CKD từ 0,16 ÷ 0,24 Từ kết quả nghiên cứu, các tác giả đề xuất

một tỷ lệ tối ưu của cấp phối chế tạo UHPFRC (Hình 1.1)

Cát (1,1)

Muội silic (0,25)

Xi măng (1,0)

Sợi thép 2% thể tích

Nước (0,25) Siêu dẻo

Hình 1.1 Thành phần tối ưu UHPFRC [60]

+ Nguyên cứu của Fidjestol và cộng sự (2012): Nghiên cứu 31 cấp phối

UHPFRC từ các vật liệu sẵn có ở Na Uy Vật liệu thành phần gồm: xi măng CEM 42,5 N hoặc CEM I- 52,5 Cát với cỡ hạt lớn nhất được sử dụng là 0,5 mm, một số cấp phối sử dụng đến cỡ hạt 1mm Khối lượng chất kết dính (750 ÷ 1100) kg/m3 Tỷ lệ N/CKD từ (0,16 ÷ 0,2); hàm lượng muội silic (20 ÷ 30) % khối lượng xi măng; sợi thép 2% thể tích của bê tông Cường độ nén của các mẫu thử hình lập phương cạnh 50

I-mm ở 28 ngày, không được bảo dưỡng nhiệt: (101 ÷ 146,3) MPa Các mẫu được bảo dưỡng nhiệt, cường độ nén đều đạt trên 150 MPa [38]

+ Nguyên cứu của Cwirzen và cộng sự (2008): Nghiên cứu 4 thành phần cấp

phối UHPC sử dụng xi măng pooc lăng CEM I 42,5 N khối lượng (800 ÷ 1000) kg/m3, hàm lượng muội silic 25% khối lượng xi măng với các tỷ lệ N/X thay đổi (0,22 ÷ 0,26)

để nghiên cứu ảnh hưởng của bảo dưỡng nhiệt đến cường độ của bê tông Kết quả nghiên cứu cho thấy các mẫu không được bảo dưỡng nhiệt có cường độ nén từ (132

÷138) MPa, các mẫu được bảo dưỡng nhiệt, cường độ nén từ 171 đến 183 MPa [34]

1.2.1.2 Thành phần UHPFRC ở Việt Nam

Ở Việt Nam, cũng đã có các nghiên cứu liên quan đến loại vật liệu UHPFRC, các nghiên cứu này đã nghiên cứu và thiết kế thành phần cũng như đánh giá một số tính năng của UHPFRC chế tạo từ vật liệu sẵn có ở Việt Nam 2, 3, 4, 7 9, 10, 13

- Nghiên cứu của Phạm Duy Hữu và cộng sự (2011, 2012) đã nghiên cứu 3 loại

cấp phối UHPFRC: C1; C2; C3 với thành phần cấp phối thể hiện ở Bảng 1.2 Các loại vật liệu sử dụng gồm: Xi măng PC40 Bút Sơn; muội silic, phụ gia siêu dẻo của Sika Việt Nam, cát quart cỡ hạt lớn nhất 0,6mm và bột quartz [2] [3]

Cường độ nén trên mẫu thử hình trụ 100x200 mm2 từ (125,6 ÷139,2) MPa ở 28 ngày tuổi; cường độ kéo uốn: cường độ kéo uốn ở vết nứt đầu tiên: từ (9,8÷12,06) MPa; cường độ chịu kéo uốn lớn nhất: từ (16,36÷33,49) MPa; cường độ chịu kéo uốn với độ võng 10 mm từ (2,03 ÷ 3,9) MPa; mô đun đàn hồi: (46,2 ÷ 49,3) GPa

- Nghiên cứu của Nguyễn Công Thắng và cộng sự (2013): Trong nghiên cứu

này, tác giả sử dụng muội silic kết hợp với xỉ lò cao nghiền mịn làm phụ gia khoáng cho

UHPC Vật liệu được dùng gồm: xi măng pooc lăng Sông Gianh PC40; muội silic dạng

hạt rời của hãng Elkem; cốt liệu là cát quartz có đường kính cỡ hạt trung bình khoảng

315μm; phụ gia siêu dẻo (PGSD) sử dụng của hãng BASF có gốc polycarboxylate Thí

nghiệm nén được thực hiện trên mẫu thử 40x40x160 (mm3) cho thấy giá trị cường độ

nén của UHPC đạt từ (150 ÷ 153) MPa [10]

- Nghiên cứu của Trần Bá Việt và cộng sự (2015) đã sử dụng cấp phối UHPC

gồm: 1000 kg xi măng, 300 kg cát nghiền, 450 kg cát trắng, 300 kg tro bay, 100 kg muội

silic, 30 kg siêu dẻo và 215 lít nước cho 1 m3 bê tông Kết quả thí nghiệm cường độ nén

28 ngày đạt 190 MPa, cường độ kéo trực tiếp đạt 12 MPa ; mô đun đàn hồi 48 GPa [14]

1.2.1.3 Nhận xét

Thành phần chủ yếu của UHPFRC bao gồm: Cát quartz, bột quartz, muội silic,

sợi thép, phụ gia siêu dẻo và nước Trong đó:

- Xi măng: Thường sử dụng loại xi măng CEM I 42,5 N (thế giới), PC40 (các

nghiên cứu ở Việt Nam); lượng xi măng sử dụng phổ biến (700 ÷ 1100) kg/m3 Xu

hướng sử dụng khối lượng xi măng ≤ 900 kg/m3

- Muội silic được sử dụng từ (10÷30)% theo khối lượng xi măng, nhiều nghiên

cứu kết luận sử dụng tỷ lệ này 25% là tối ưu [30, 60, 69, 70, 71]

- Cát quartz: Hàm lượng cát theo tỷ lệ cát trên xi măng (C/X) trong khoảng

0,7 ÷ 1,42 Cỡ hạt cát (0 ÷ 0,6) mm

- Bột quartz với cỡ hạt tương đương xi măng, được sử dụng để thay thế một phần

xi măng trong hỗn hợp Thường sử dụng không quá 30% lượng xi măng

- Sợi thép sử dụng từ (0 ÷ 6)% theo thể tích của bê tông Để đảm bảo tính công tác cho hỗn hợp bê tông đồng thời đảm bảo tính dẻo dai cần thiết, hàm lượng

sử dụng tối ưu (theo thể tích) là 2% [40, 60, 65, 73]

- Tỷ lệ N/X thường sử dụng từ 0,16 ÷ 0,24

Từ các nguồn vật liệu sẵn có trong nước: Xi măng PC40, cát quartz, bột quartz, muội silic, siêu dẻo, có thể chế tạo bê tông với cường độ nén trên 100 MPa, cường độ kéo uốn đạt trên 15 MPa

Các nghiên cứu về ứng xử của UHPFRC theo hướng ứng dụng vào kết cấu ở trong nước còn chưa nhiều và chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu cường độ nén của UHPFRC Cần có nhiều nghiên cứu về thành phần, tính năng, mô hình ứng xử của vật liệu phục vụ cho việc phát triển loại bê tông này vào thực tiễn ở Việt Nam

1.2.2 Tính năng cơ học của UHPFRC

Tính năng cơ học của UHPFRC bao gồm các tính năng liên quan đến ứng xử nén, kéo, uốn, va chạm, ứng xử nhiệt, Trong mục này sẽ trình bày tóm tắt các nghiên cứu về các tính năng có liên quan đến việc thiết kế kết cấu sử dụng UHPFRC

- Cường độ nén

Cường độ nén là một tính năng quan trọng của bê tông, cường độ nén ở 28 ngày tuổi là căn cứ để xác định cấp bê tông cũng như cơ sở để phân loại bê tông Cường độ nén phụ thuộc thành phần vật liệu, điều kiện bảo dưỡng và hình dạng kích thước mẫu thử và tuổi mẫu

Garybeal (2006) báo cáo cường độ nén của gần 1000 mẫu thử cường độ nén trong các điều kiện bảo dưỡng khác nhau [42] Các mẫu thử hình trụ 76x152 (mm2) được bảo dưỡng trong các điều kiện khác nhau Các phương pháp bảo dưỡng gồm: Bảo dưỡng nhiệt ở 900C và 95 % độ ẩm trong 48 giờ sau khi đúc mẫu 24 giờ; bảo dưỡng nhiệt ở 600C và 95 % độ ẩm trong 48 giờ sau khi đúc mẫu 15 ngày; bảo dưỡng trong phòng, nhiệt độ 230C Cường độ nén của bê tông 28 ngày trong các điều kiện bảo dưỡng tương ứng đạt 193 MPa, 170MPa và 126 MPa

Kích thước và hình dạng của mẫu thử ảnh hưởng đến giá trị của cường độ nén cũng như độ lệch chuẩn trong các giá trị thí nghiệm Với mẫu kích thước càng nhỏ thì cường độ càng cao và độ lệch chuẩn càng lớn [63] Kích thước thường được sử dụng

là 70/140; 110/220 và 150/300 (mm2) [63] Skazlic và cộng sự [63] nghiên cứu ảnh

hưởng kích thước mẫu thử đến cường độ nén của trên 10 cấp phối UHPC khác nhau

Kích thước các mẫu thử được sử dụng: 70/140; 100/200 và 150/300 (mm2) Cường

độ nén của mẫu 70/140 đạt (1,05 ÷ 1,15) lần cường độ nén của mẫu 100/200 và mẫu

150/300 đạt (0,85 ÷ 0,95) lần cường độ nén của mẫu 100/200

Graybeal [42] đề xuất công thức tính cường độ nén của UHPFRC theo thời gian t

(ngày) trong điều kiện phòng thí nghiệm theo công thức 1.1

Trong đó: f ct', ,f t c' lần lượt là cường độ nén ở t ngày, 28 ngày và thời gian sau

khi đúc mẫu tính bằng ngày Công thức này được tính từ 0,9 ngày sau khi đúc trở đi

- Mô đun đàn hồi:

Mô đun đàn hồi của UHPFRC có tương quan với cường độ nén của UHPFRC,

các công thức thực nghiệm thường thể hiện ở dạng quan hệ giữa mô đun đàn hồi với

căn bậc hai hoặc căn bậc 3 giá trị cường độ nén

Graybeal đề nghị công thức: Ec = 46200 '

c

f (ksi) Các nghiên cứu ở Châu Âu [23] sử dụng dạng công thức: Ec = k0 ' 31

c

f (MPa) trong đó k0 tùy thuộc vào cấp bê tông

- Cường độ kéo dọc trục:

Sự có mặt của cốt sợi làm cho UHPFRC có cường độ chịu kéo tăng đặc biệt là

cường độ chịu kéo sau nứt lớn Tùy theo hàm lượng cốt sợi mà cường độ chịu kéo sau

nứt có thể lớn hơn cường độ nứt đầu tiên của UHPFRC Đối với UHPFRC thì giá trị

cường độ kéo ở vết nứt đầu tiên và cường độ kéo lớn nhất sau nứt là các thông số quan

trọng và được đề cập trong nhiều báo cáo liên quan đến UHPFRC Cường độ kéo dọc

trục của UHPFRC được xác định bằng thí nghiệm kéo trực tiếp [45]

Ứng xử kéo dọc trục của UHPFRC loại biến dạng cứng được biểu diễn theo sơ

đồ Hình 1.2 (Graybeal, 2006) gồm 4 giai đoạn gồm:

(I) Giai đoạn ứng xử đàn hồi, vết nứt đầu tiên xuất hiện ở cuối giai đoạn này

(II) Giai đoạn đoạn này các vi vết nứt xuất hiện trong UHPFRC do ứng suất kéo

vượt quá sức kháng nứt của bê tông nền

(III) Giai đoạn này khi biến dạng tăng lên, ở các vị trí đã xuất hiện vi vết nứt cốt sợi làm việc, các vi vết nứt sẽ mở rộng, biến dạng trên bề mặt UHPFRC tăng lên (IV) Khi vết nứt bất kỳ nào đó nơi cốt sợi bị kéo tuột khỏi bê tông nền, vết nứt này mở rộng và phát triển thành vết nứt cục bộ Và thường trong thiết kế kết cấu, chỉ xét cường độ chịu kéo của UHPFRC đến trạng thái xuất hiện vết nứt cục bộ hay là điểm cuối của giai đoạn III (Hình 1.2)

Hình 1.2 Ứng xử kéo lý tưởng của UHPFRC biến dạng cứng [41]

Theo Graybeal (2006), cường độ kéo ở vết nứt đầu tiên đạt khoảng 9 MPa với các mẫu được bảo dưỡng nhiệt và 6,2 MPa với các mẫu không được bảo dưỡng nhiệt Tương quan giữa cường độ nén và cường độ kéo sau nứt của UHPFRC 2% cốt sợi thép (theo thể tích): f ct  0,65. f c'(MPa); f ct  6,7. f c' (ksi)

- Ứng xử kéo uốn:

Theo AFGC (2013), UHPFRC thể hiện ứng xử tuyến tính chịu kéo đàn hồi đến một giá trị giới hạn của fct,el, với mô đun đàn hồi là giống nhau ở cả hai lực kéo và nén Khi xuất hiện vết nứt, cốt sợi tiếp nhận ứng suất từ bê tông nền truyền qua Tùy theo hàm lượng sợi, cường độ cốt sợi, hình thức cấu tạo của cấu kiện chịu uốn mà ứng xử sau nứt của UHPFRC khác nhau, được chia thành 3 loại:

Loại 1: Biến dạng mềm (strain - softening) đặc điểm của loại ứng xử này là ứng

suất sau nứt nhỏ hơn ứng suất giới hạn đàn hồi fct, el (Hình 1.3c)

Loại 2: Biến dạng cứng thấp (low strain - hardening), đặc điểm của ứng xử loại 2

là ứng suất sau nứt bằng hoặc lớn hơn không đáng kể so với ứng suất giới hạn đàn hồi

2% thể tích bê tông) thường có ứng xử loại 1 và loại 2

cường độ kéo lớn nhất sau nứt

đàn hồi

Hình 1.3 Các loại ứng xử kéo của một UHPFRC: a) Loại 3; b) loại 2; c) loại 1

Loại 3: Biến dạng cứng (strain - hardening), ứng xử loại này là ứng suất sau nứt

lớn hơn ứng suất giới hạn đàn hồi fct,el kể cả khi điều chỉnh ứng suất sau nứt bằng hệ số

phân bố cốt sợi Loại này thường gặp với các cấu kiện mỏng với chiều dày nhỏ hơn 3

lần chiều dài cốt sợi, hàm lượng sợi sử dụng ≥ 2% thể tích bê tông (Hình 1.3a)

Theo AFGC (2013), ứng xử kéo của UHPFRC được xác định thông qua thí

nghiệm kéo trực tiếp hoặc thí nghiệm uốn 4 điểm đối với UHPFRC biến dạng cứng,

uốn 3 điểm trên mẫu có khấc đối với UHPFRC có biến dạng mềm

- Hệ số poisson:

Hệ số poisson của UHPC từ 0,16 - 0,21, giá trị hệ số poisson của một số nghiên

cứu thể hiện trên Bảng 1.3 [45]

Bảng 1.3 Giá trị hệ số poisson [45]

0,2 Simon 0,16 Joh 0,21 Ahlborn 0,19 Bonneau 0,18 Graybeal 0,18 Ozyildirim

- Ứng xử mỏi:

Behloul và cộng sự (2005) nghiên cứu thí nghiệm mỏi trên mẫu uốn hình lăng trụ

100x100x400 (mm3) từ 2 loại UHPC khác nhau Trước khi thí nghiệm mỏi dầm đã

chịu tải trọng để tạo vết nứt rộng 0,3mm Tải trọng thí nghiệm mỏi tần số 5 Hz giá trị

tải trọng tương đương với lực gây ra ứng suất từ 10 - 90 % giá trị cường độ nứt của

UHPC Sau 1 triệu chu kỳ cho thấy không có dấu hiện về sự ảnh hưởng của tải trọng

Graybeal và Hartmann (2013) tiến hành thí nghiệm mỏi trên dầm theo sơ đồ uốn

4 điểm, kích thước 51x51x204 (mm3) Các dầm thí nghiệm đều không bị phá hoại sau

6 triệu chu kỳ Với các dầm trước khi thí nghiệm đã tạo vết nứt, kết quả cho thấy chỉ

có 1 mẫu dầm bị phá hoại ở 9950 chu kỳ, các mẫu còn lại phá hoại sau 129700 chu kỳ

Trong các mẫu dầm bị phá hoại mỏi, sợi thép được quan sát bị phá hoại do kéo đứt

nhiều hơn trường hợp bị kéo tuột khỏi bê tông nền [43]

Thí nghiệm mỏi trên dầm I đã được Ocel và Graybeal (2007), tải trọng gây mỏi

đạt ngưỡng gây nứt do cắt và uốn trên dầm, kết quả thí nghiệm cho thấy: các vết nứt

đầu tiên xuất hiện ở 0,64 triệu chu kỳ và sau 12 triệu chu kỳ, mặc dù có sự xuất hiện,

mở rộng của các vết nứt nhưng không cho thấy có sự hư hỏng do mỏi, thay đổi ứng xử

tổng thể của dầm [58]

Như vậy, với những nghiên cứu ở trên thấy rằng, do cường độ cao và sự phân tán

mịn của cốt sợi, UHPFRC cho thấy khả năng chịu tải trọng mỏi là vượt trội so với bê

tông thường

- Hệ số giãn nở nhiệt:

Russell và Graybeal [45] tổng hợp giá trị hệ số giãn nở nhiệt trong một số nghiên

cứu thể hiện ở Bảng 1.4

Bảng 1.4 Hệ số giãn nở nhiệt của UHPC [45]

15,6 Graybeal

12 Fehling

12 Simon 14,8 Ahlborn

12 Behloul Theo AFGC 2013 [23], hệ số giãn nở nhiệt của UHPFRC:11.10-6/0C

- Sức kháng va chạm:

Với sự có mặt của cốt sợi, sự dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng của

UHPFRC lớn hơn nhiều so với các loại bê tông truyền thống Ở một số nước UHPFRC

là một trong những giải pháp cho xây dựng kết cấu chứa nguyên liệu phóng xạ và kết

cấu bảo vệ [23, 45]

+ Nghiên cứu của Graybeal và Hartmann (2013) cho thấy sức kháng va chạm của

UHPC lớn hơn bê tông cốt sợi thường (FRC) khoảng 3 lần Mức độ hấp thụ năng

lượng của UHPC lớn hơn (3 ÷ 4) lần so với FRC [43]

+ Nghiên cứu của Yu và cộng sự (2016) nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài sợi đến sức kháng va chạm của UHPFRC Nghiên cứu được tiến hành với 7 loại mẫu thử có hàm lượng cốt sợi thép không đổi bằng 2% (theo thể tích) và 1 loại mẫu không có sợi thép Chiều dài sợi đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng tiêu hao năng lượng của UHPFRC Tỷ lệ sợi ngắn trong các mẫu thử càng lớn, mức tiêu thụ năng lượng càng giảm; khả năng hấp thụ năng lượng của các mẫu có 2% (theo thể tích) cốt sợi lớn hơn nhiều so với các mẫu không bố trí cốt sợi; việc phối hợp các loại sợi có chiều dài khác nhau sẽ cải thiện được khả năng chống va chạm của UHPFRC [79]

- Từ biến:

Từ biến của UHPFRC được thí nghiệm trên mẫu trụ chịu nén với một ứng suất không đổi theo thời gian Giá trị biến dạng theo thời gian của mẫu thử được ghi lại Từ biến của UHPFRC có thể được thể hiện dưới dạng: hệ số từ biến bằng biến dạng từ biến/ biến dạng ban đầu hoặc đặc trưng từ biến (specific creep) là tỷ số giữa biến dạng

từ biến/ ứng suất tác dụng [45]

Nghiên cứu của Graybeal (2006) trên mẫu thử hình trụ đường kính 102 mm, thời gian đặt tải 4, 21, 28 ngày tùy thuộc vào hình thức bảo dưỡng mẫu Hệ số từ biến sau 1 năm từ 0,29 đến 0,78 tương ứng với đặc trưng từ biến (0,040,15).10-6/psi Trong khi giá trị này của bê tông thường là (0,251 ).10-6/psi [41]

Các nghiên cứu về từ biến cho thấy hệ số từ biến của UHPC trong khoảng (0,290,85) [45] Từ biến phụ thuộc vào hình thức bảo dưỡng, tuổi bê tông và thời gian đặt tải

Theo AFGC [23], UHPFRC nếu không được bảo dưỡng nhiệt thì từ biến của nó tương đương với bê tông chất lượng cao HPC Các giá trị hệ số từ biến được AFGC đề nghị sử dụng khi thiết kế sơ bộ:

 = 0,8 nếu không bảo dưỡng nhiệt;

 = 0,4 nếu được bảo dưỡng nhiệt chỉ vài giờ sau khi chế tạo, với nhiệt độ 600C;

 = 0,2 nếu bảo dưỡng nhiệt được tiến hành khi UHPFRC đã đông cứng, ở 900C

- Co ngót:

Cũng như các loại bê tông truyền thống, có hai loại co ngót xuất hiện trong UHPFRC đó là co ngót khô và co ngót nội sinh Mức độ co ngót phụ thuộc vào chế độ bảo dưỡng mẫu Nếu UHPFRC được bảo dưỡng nhiệt, thì co ngót chủ yếu là co ngót nội sinh [23]

Các kết quả nghiên cứu về co ngót được Henry và công sự (2013): biến dạng từ

biến của UHPC không được bảo dưỡng nhiệt là 555.10-6 Tốc độ co ngót ban đầu của

UHPC khoảng 64.10-6/giờ và 400.10-6 trong 24 giờ đầu tiên đối với mẫu không được

bảo dưỡng nhiệt Khi được bảo dưỡng nhiệt co ngót khô gần như không xảy ra [45]

Theo AFGC (2013) khi không được bảo dưỡng nhiệt co ngót nội sinh là 550.10-6

và 150.10-6 co ngót khô trong môi trường độ ẩm trung bình khoảng 50 ÷ 70% Đối với

trường hợp bảo dưỡng ngay sau khi đổ bê tông, nhiệt độ 900C chỉ có co ngót nội sinh

là 550×10-6 Trường hợp bảo dưỡng nhiệt sau khi bê tông đông cứng, ở 600C thì tổng

co ngót là 550×10-6 trước khi bảo dưỡng nhiệt, sau đó tổng co ngót bằng 0

Bảng 1.5 Tổng hợp các tính năng cơ học của UHPC [45]

Tính năng Miền giá trị

1.2.3 Tính năng về độ bền của UHPFRC

Tính năng độ bền của bê tông được thể hiện thông qua kết quả của thí nghiệm

thấm ion clo, thấm nước, cacbonat hóa, độ bền sun phát, các tác động của môi trường

biển Các nghiên cứu cho thấy với tỷ lệ N/X thấp (0,18 ÷ 0,22) và độ đặc chắc cao,

các tính năng độ bền của UHPFRC lớn hơn nhiều so với các loại bê tông truyền thống

- Độ thấm điện lượng ion clo:

Độ thấm của bê tông thường được đánh giá bằng tiêu chuẩn AASHTO T277

(ASTM C1202) Bê tông có độ thấm nhỏ hơn 100 Culông được xem là thấm ion clo

không đáng kể Các thử nghiệm được tiến hành bởi Graybeal cho kết quả độ thấm điện

lượng ion clo là: 40 Culông ở 28 ngày đối với các mẫu được bảo dưỡng bằng hơi

nước; 360 và 76 Culông ở 28 và 56 ngày với mẫu không được bảo dưỡng nhiệt [42]

Một số báo cáo liên quan đến độ thấm điện lượng ion clo được tổng hợp sau đây:

+ Ahlborn và cộng sự (2008) giá trị độ thấm ion clo dưới 100 Culông cho cả

UHPC được bảo dưỡng trong không khí và bê tông được bảo dưỡng nhiệt [20];

+ Nghiên cứu của Bonneau và cộng sự (1997) cho giá trị độ thấm ion clo từ 6÷9 Culông cho hai loại UHPC khác nhau [28];

+ Nghiên cứu của Thomas và cộng sự (2012) cho độ thấm ion clo của UHPC từ 0÷19 Culông ở tuổi 28 ngày [66];

+ Ozyildirim (2011): độ thấm ion clo của UHPC 19 ÷ 35 Culông [59]

- Xâm nhập ion clo theo AASHTO T 259:

Thử nghiệm xâm nhập clo theo AASHTO T259 cũng đã được báo cáo bởi Graybeal (2006) Thử nghiệm này bao gồm việc tạo hố đọng nước trên bề mặt của bê tông với một dung dịch natri clorua 3% trong 90 ngày và sau đó xác định sự xâm nhập clo vào bê tông Kết quả cho thấy hàm lượng ion clo bề mặt tăng cao nhưng lượng clo xâm nhập vào bê tông là cực nhỏ

- Thấm nước:

Gao và cộng sự (2005) đã thử nghiệm độ thấm của UHPC bằng cách sử dụng thử nghiệm có áp lực Kết quả cho thấy không có rò rỉ nước xảy ra khi áp lực nước tăng lên 0,1÷1,6 MPa với tốc độ tăng 14,5 psi (0,1 MPa) cho mỗi 8 giờ Sau khi loại bỏ áp lực nước, hơi nước đã thâm nhập 0,11 inch (2,7 mm) vào các mẫu thử [88]

- Cacbonat hóa:

Cacbonat hóa của bê tông là một quá trình mà khí CO2 từ không khí xâm nhập vào bê tông và phản ứng với các sản phẩm hydrat hóa khác nhau Độ sâu của cacbonat thường được đo bằng cách áp dụng dung dịch chỉ thị màu phenolphtalein vào bề mặt của bê tông và đo chiều sâu thay đổi màu sắc [45]

Piérard và cộng sự (2012) báo cáo rằng chiều sâu carbonat hóa từ 0,006÷0,008 inch (1,5÷2,0 mm) sau khi tiếp xúc 1 năm với không khí CO2 1 % [61]

- Sức kháng mài mòn:

Độ mài mòn của UHPFRC được xác định bằng khối lượng (gam) lượng bê tông

bị bào mòn bởi một thiết bị cắt quay trong khoảng thời gian nhất định (2 phút)

+ Horszczaruk [47] nghiên cứu độ bền mài mòn của bê tông cốt sợi cường độ cao

83 ÷ 100 MPa theo ASTM C944 Sau 2 phút khối lượng suy giảm của 10 loại bê tông thử nghiệm từ 0,14 ÷ 0,25 gram

+ Graybeal (2006) thử nghiệm độ bền mài mòn của UHPC theo ASTM C944 Sức kháng mài mòn bề mặt bê tông được thí nghiệm bằng phương pháp quay trên mẫu

trụ có đường kính 6 inch (152 mm) được bảo dưỡng theo các hình thức khác nhau Kết quả cho thấy phương pháp bảo dưỡng bằng hơi nước có tác động đáng kể đến độ bền mài mòn của UHPFRC Với các mẫu được bảo dưỡng bằng hơi nước mất khoảng từ 0,1 ÷ 0,3 gram, trong khi các mẫu không được bảo dưỡng mất từ 1÷3 gram [42]

- Độ bền sun phát:

Piérard (2012) báo cáo không có sự suy thoái, hư hỏng của UHPC khi ngâm trong dung dịch Na2SO4 trong 500 ngày [61] Các tác giả nhận xét rằng: với bê tông cốt thép thường để đạt tuổi thọ 100 năm chiều dày lớp bảo vệ cần tối thiểu là 65mm,

bê tông chất lượng cao là 25mm trong khi UHPFRC là 5mm

- Độ bền trong môi trường biển:

Thomas và cộng sự (2012) nghiên cứu ba loại UHPFRC được đặt trong một vị trí tiếp xúc biển tại đảo Treat Me Các điều kiện tiếp xúc bao gồm 20-ft (6 m) nước và hơn 100 chu kỳ đóng và tan băng mỗi năm Sau 5 đến 15 năm tiếp xúc và hơn 1.500 chu kỳ đóng băng và tan băng, không có bằng chứng của sự suy thoái hoặc suy thoái của các tính chất cơ học của UHPFRC Độ sâu thâm nhập clo là thấp hơn nhiều so với quan sát cho HPC điển hình trong cùng một môi trường Với độ đặc lớn của UHPFRC,

nó ngăn ngừa các yếu tố có hại xâm nhập và vì vậy các tính năng về độ bền như độ thấm, mài mòn, carbonat hóa là tốt hơn nhiều so với bê tông chất lượng cao [66] Ứng dụng UHPFRC trong kết cấu xây dựng cầu nói chung, trong mặt cầu thép nói riêng, có thể đối phó với các yếu tố bất lợi của khí hậu ngày càng khắc nghiệt, góp phần nâng cao tuổi thọ, tính bền vững của công trình

1.3 Mô hình ứng xử uốn thiết kế của UHPFRC

Ứng xử uốn sử dụng trong thiết kế kết cấu bằng UHPFRC được thể hiện bằng ứng xử nén và ứng xử kéo khi uốn của UHPFRC

- Ứng xử nén đặc trưng bởi cường độ nén, mô đun đàn hồi và quan hệ ứng suất -biến dạng

- Ứng xử kéo khi uốn, tùy theo hàm lượng cốt sợi sử dụng chiều dày của cấu kiện, loại ứng xử sau nứt và trạng thái giới hạn tính toán mà ứng xử kéo đặc trưng bởi quan hệ ứng suất - biến dạng hoặc quan hệ ứng suất - bề rộng vết nứt

Đến nay, một số quốc gia như Pháp, Australia, Nhật, Mỹ đã ban hành các bản chỉ dẫn, dự thảo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bằng UHPFRC

1.3.1 Chỉ dẫn thiết kế UHPFRC của AFGC [23]:

Hiệp hội kỹ sư xây dựng Pháp ban hành bản chỉ dẫn thí nghiệm, xây dựng mô hình vật liệu và tính toán kết cấu bằng UHPFRC Các chỉ dẫn này đã được ứng dụng

để thiết kế, xây dựng nhiều công trình bằng UHPFRC trên thế giới như cầu đi bộ Sherbrooke, nhà ga Shawnessy, Canada; cầu đi bộ Seon Yu, Hàn Quốc; cầu đi bộ Sakata Mirai, Nhật Bản; cầu tòa thánh Phêrô, thay thế lớp phủ mặt cầu trực hướng cầu

Illzach, Pháp [22, 23, 62] Theo AFGC mô hình ứng xử của UHPFRC như sau:

Ứng xử nén:

Ứng xử nén được xác định bằng cường độ nén đặc trưng, mô đun đàn hồi và mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng khi chịu nén của UHPFRC

Khi tính toán, sử dụng mô hình ứng xử nén của UHPFRC thể hiện trên Hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình ứng xử nén của UHPFRC theo AFGC

fcm là giá trị trung bình cường độ nén thí nghiệm

fcd là cường độ nén tính toán ở TTGH cường độ của UHPFRC

fck là cường độ nén tính toán ở TTGH sử dụng của UHPFRC

Ứng xử kéo uốn của UHPFRC:

Mô hình ứng xử của UHPFRC có ứng xử loại 3 (Hình 1.5) [23]

Hình 1.5 Mô hình ứng xử kéo của UHPFRC loại 3

Các giá trị trên các Hình 1.5 được xác định từ kết quả thí nghiệm kéo trực tiếp hoặc uốn 4 điểm, trong đó:

el ; uel là biến dạng giới hạn đàn hồi; Biến dạng giới hạn đàn hồi tính toán;

lim ; u,lim là biến dạng giới hạn; biến dạng giới hạn tính toán;

K là hệ số xét đến phân tán cốt sợi, K = 1,25;

cf là hệ số an toàn khi tính toán, cf = 1,3;

fctfk là giá trị đặc trưng của cường độ kéo lớn nhất sau nứt;

1.3.2 Chỉ dẫn của Hội kỹ sư xây dựng Nhật bản JSCE [65]

Chỉ dẫn của Hội kỹ sư xây dựng Nhật bản JSCE, mô hình vật liệu UHPFRC sử dụng 2% (theo thể tích) vi cốt sợi thép:

- Ứng xử nén: Mô hình ứng xử nén của UHPFRC (Hình 1.6a) Trong đó: f'ck là cường độ nén đặc trưng trên mẫu thử hình trụ đường kính 100mm, 180 MPa Ec là mô đun đàn hồi của bê tông

- Ứng xử kéo: Ứng xử kéo của UHPFRC (Hình 1.6b), có thể xác định bằng thí

nghiệm kéo trực tiếp hoặc sử dụng kết quả phân tích ngược (inverse analysis) từ thí nghiệm uốn Cường độ kéo đặc trưng tính toán: ftk = 8,8 MPa;

cr; 1; 2 là biến dạng giới hạn đàn hồi; biến dạng tương ứng với trạng thái vết nứt cục bộ bắt đầu mở rộng và biến dạng giới hạn khi chịu kéo của bê tông









a) ứng xử nén b) ứng xử kéo khi uốn

Hình 1.6 Mô hình ứng xử của UHPFRC, Nhật Bản, [65]

1.3.3 Chỉ dẫn thiết kế của Australia

Trong chỉ dẫn thiết kế dầm UHPFRC ứng suất trước [40], bê tông cấp 150 MPa,

sử dụng 2% (theo thể tích) cốt sợi thép mô hình vật liệu (Hình 1.7)

a) Mô hình ứng xử nén b) Mô hình ứng xử kéo

Hình 1.7 Mô hình vật liệu đề xuất Gowripalan và Gilbert [40]

- Ứng xử nén của UHPFRC thể hiện trên Hình 1.7a, trong đó: f'c cường độ đặc trưng xác định theo thí nghiệm nén mẫu hình trụ đường kính 70 hoặc 100mm

- Ứng xử kéo uốn của UHPFRC thể hiện trên Hình 1.7b Trong đó: Lf là chiều dài cốt sợi, Lf = 13mm; D = chiều cao mặt cắt tính toán

1.3.4 Hướng dẫn tính toán ở Mỹ

Trong chỉ dẫn thiết kế bản mặt cầu bằng UHPC của FHWA [18], mô hình ứng xử của UHPC được sử dụng như Hình 1.8

UHPFRC 165 MPa trong bản mặt cầu với hàm lượng sợi thép 2% thể tích [18],

sử dụng đến một biến dạng giới hạn 0,007 ở vùng kéo tương ứng với cường độ chịu kéo không đổi 8MPa (1,2 ksi) (Hình 1.8b)

 2 biến dạng nén biến dạng kéo

0,004 0,007 0,012 0,002 0,004 0,006 0,008

0,4 0,8 1,2 1,6

Hình 1.8 Ứng xử UHPC theo mô hình của Aaleti [18]

1.3.5 Các nghiên cứu trong nước

- Trần Bá Việt và cộng sự (2015) [14] nghiên cứu ứng xử bản UHPFRC chịu

uốn theo sơ đồ Hình 1.9, việc xếp tải thông qua các quả nặng 25 kg Các thông số thu được gồm: tải trọng, chuyển vị tại giữa nhịp bản và biến dạng ở bề mặt bản bê tông Vật liệu UHPFRC có cường độ nén 190MPa, mô đun đàn hồi 4,8 GPa Thí nghiệm được tiến hành trên 03 mẫu MT-01; MT-02; MT-03 có diện tích 2,2x0,4 (m2) Mẫu MT-01 dày 3mm là mẫu đối chứng, chỉ bố trí cốt thép đường kính 6mm ô lưới 100x100(mm2) Mẫu MT-02 dày 3mm và MT-03 dày 4mm sử dụng cốt sợi hàm lượng 3% thể tích, không bố trí cốt thép

Kết quả cho thấy mẫu sử dụng cốt sợi (MT-02, MT-03) có khả năng chịu tải lớn hơn, số lượng vết nứt ít hơn so với mẫu sử dụng cốt thép (MT-01) Mẫu MT-01 xuất hiện 8 vết nứt rộng khoảng 0,3mm dưới tải trọng 200kg trong khi mẫu MT02 chỉ xuất hiện 2 vết nứt rộng 0,1mm khi chịu tải 500kg Mẫu MT-03 không xuất hiện vết nứt khi chịu tải đến 600 kg

Hình 1.9 Sơ đồ thử nghiệm uốn bản UHPFRC [13]

- Nguyễn Lộc Kha (2013), [5] nghiên cứu thực nghiệm ứng xử cơ học của

UHPFRC chế tạo ở Việt Nam trên 9 mẫu dầm có tiết diện hình chữ nhật theo Tiêu chuẩn ACI 544 với 3 tổ hợp mẫu: Tổ hợp 1: 3 dầm, sử dụng 2 thanh thép thường

12mm bố trí ở vùng chịu kéo; tổ hợp 2: 3 dầm, sử dụng 2 thanh cốt thép thường

16mm; tổ hợp 3: 3 dầm, sử dụng 2 thanh thép thường 20mm Cấu tạo dầm và sơ

đồ thí nghiệm như Hình 1.10

Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm ứng xử uốn của dầm UHPFRC [5]

Vật liệu UHPFRC có cường độ nén trung bình 139,21 MPa; mô đun đàn hồi 47,5 MPa; cường độ kéo uốn lớn nhất 24,22 MPa

Từ kết quả thí nghiệm uốn 4 điểm theo sơ đồ trên, tác giả thu được biểu đồ tải trọng - độ võng từ đó thiết lập biểu đồ ứng xử kéo uốn của UHPFRC theo chỉ dẫn của AFGC (2002) và ACI-544 Biểu đồ ứng suất - biến dạng tác giả đề xuất sử dụng tính toán UHPFRC tính toán theo ACI-544 cho kết cấu cầu (Hình 1.11)

Hình 1.11 Mô hình tính toán UHPFRC, Nguyễn Lộc Kha [5]

Sử dụng mô hình vật liệu, tính toán về sức kháng uốn của dầm UHPFRC dự ứng lực chiều dài 33m cho kết cấu cầu theo 22TCN 272-05 Kết quả cho thấy việc ứng dụng UHPFRC sẽ tăng khả năng chịu tải 1,82 lần và có thể giảm 38 % chiều cao dầm

- Nguyễn Công Thắng (2013) [11] nghiên cứu thực nghiệm uốn trên 1 tấm bản

bằng UHPFRC (cường độ nén 150MPa) có kích thước 1mx2,2mx40mm chịu uốn với

5 cấp tải trọng: 3kN, 6 kN, 9kN, 12kN và tải trọng trương ứng trạng thái phá hoại mẫu Kết quả thí nghiệm cho thấy biến dạng đàn hồi khoảng 0,015%; biến dạng ở trạng thái vết nứt cục bộ mở rộng khoảng 0,35 %

- Ứng dụng UHPFRC trong xây dựng cầu ở Việt Nam: Viện Khoa học công nghệ xây dựng đã nghiên cứu, ứng dụng UHPFRC trong xây dựng cầu giao thông nông thôn [17] Công trình cầu đầu tiên được xây dựng là cầu Đập Đá - Hậu Giang với kết cấu cầu dầm chữ pi, dự ứng lực, chiều dài nhịp 18mm, cấp bê tông 160 MPa Công trình

cầu thứ hai với kết cấu và vật liệu tương tự đã được xây dựng là cầu Năng An - Xuân Hồi, Ninh Bình (Hình 1.12) Các công trình cầu này được thiết kế dựa trên tiêu chuẩn của Hàn Quốc và Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 [72]

Hình 1.12 Ứng dụng UHPFRC xây dựng cầu dân sinh ở Việt Nam

Ngày 25 tháng 01 năm 2017 Bộ Giao thông vận tải ban hành Công văn số 999/BGTVT-KHCN về việc áp dụng thí điểm cầu bê tông tính năng siêu cao trong dự

án LRAMP [16], điều này cho thấy tính khả khi của việc áp dụng loại bê tông tiên tiến này trong kết cấu xây dựng nói chung, kết cấu cầu nói riêng

Tuy nhiên hiện các nghiên cứu theo hướng xây dựng mô hình vật liệu phục vụ tính toán, phân tích kết cấu còn nhiều hạn chế Việc nghiên cứu theo hướng xây dựng

mô hình vật liệu phục vụ tính toán và phân tích kết cấu là có ý nghĩa trong việc đẩy mạnh ứng dụng UHPFRC vào thực tiễn ở Việt Nam

1.4 Lớp phủ mặt cầu bản thép trực hướng bằng bê tông cốt sợi

1.4.1 Giới thiệu về mặt cầu trực hướng và lớp phủ mặt cầu

Mặt cầu bản thép trực hướng (Orthotropic Steel Deck - OSD) đầu tiên được phát triển bởi một nhà thiết kế người Đức trong những năm 1930 và lần đầu tiên được xây dựng vào năm 1936 Cho đến nay phần lớn trong số các kết cấu cầu hiện đại, tráng lệ nhất trên thế giới sử dụng các hệ thống OSD: cầu qua vịnh San Francisco Oakland; cầu treo ở California và cầu treo dự kiến qua eo biển Messina, Ý…Với hai dạng mặt cầu trực hướng thường gặp đó là dạng có sườn hở và sườn kín (Hình 1.13) [36]

Hệ thống bản thép trực hướng đã được sử dụng thành công cho hàng ngàn cây cầu trên toàn thế giới, đặc biệt là ở châu Âu, châu Á và Nam Mỹ Ở Việt Nam các công trình cầu sử dụng loại mặt cầu này đó là cầu Thăng Long ở Hà Nội, cầu Thuận Phước ở Đà Nẵng, cầu Cần Thơ [12]