Nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trong thiết kế dầm cầu chữ I

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRONG THIẾT KẾ DẦM CẦU CHỮ ILUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬTNGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌCTS. Phạm Duy AnhHà Nội 2015LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.LỜI CẢM ƠNSau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy, cô Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật “Nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trong thiết kế dầm cầu chữ I”; Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Cầu hầm Trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội, các cán bộ quản lý và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy lớp Cao học cầu hầm khóa 2013 2015 đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này.Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Duy Anh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên cứu đề tài, hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn.MỤC LỤCLỜI CAM ĐOANiLỜI CẢM ƠNiiMỤC LỤCiiiDANH MỤC CÁC BẢNG BIỂUviDANH MỤC CÁC HÌNH ẢNHviiDANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮTxPHẦN MỞ ĐẦU1CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRONG THIẾT KẾ DẦM CẦU41.1. Khái niệm chung về bê tông41.2. Nhược điểm của bê tông xi măng thường và những biện pháp khắc phục41.3. Phương pháp xác định cường độ chịu nén của bê tông xi măng51.4. Khái niệm bê tông cường độ cao và siêu cao.61.5. So sánh bê tông cường độ siêu cao với bê tông cường độ cao và bê tông thường61.6. Ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trên thế giới71.6.1. Cầu WILD Völkermarkt (Áo)71.6.2. Cầu Log Čezsoški Soča river, Slovenia111.6.3. Một số công trình khác trên thế giới sử dụng loại vật liệu mới BTCĐSC131.7. Các công trình nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao đã được công bố ở Việt Nam15CHƯƠNG 2. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO.172.1. Đặc tính vật liệu của bê tông BTCĐSC172.1.1. Độ đặc của bê tông cường độ siêu cao172.1.2. Co ngót và từ biến của bê tông cường độ siêu cao192.1.3. Modun đàn hồi212.1.4. Cường độ chịu kéo, nén của bê tông BTCĐSC222.1.5. Tính thấm khí272.1.6. Độ khuếch tán Ion Clo282.2. Đặc tính kết cấu của bê tông BTCĐSC282.2.1. Độ bền của BTCĐSC282.2.2. Cường độ nén uốn, kéo uốn302.2.3. Sức kháng cắt322.2.4. Tải trọng phá hoại danh định332.2.5. Quan hệ giữa lực, ứng xuất với biến dạng và tải trọng với chuyển vị của BTCĐSC342.2.6. Độ bền mỏi của BTCĐSC352.2.7. Khả năng chịu lửa của BTCĐSC36CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẦU DẦM CHỮ I ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO373.1. Tổng quát về thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao373.2. Vật liệu chế tạo373.2.1. Xi măng383.2.2. Các phụ gia hóa học383.2.3. Muội silic393.2.4. Cốt liệu lớn413.2.5. Bột433.3. Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc453.3.1. Mở đầu453.3.2. Tối ưu hóa cường độ siêu cao bằng việc sử dụng mô hình độ đặc453.3.3. Các nguyên tắc chính để tạo ra thành phần bê tông cường độ siêu cao463.3.4. Thành phần hạt đảm bảo độ đặc cao phù hợp cấp phối hạt tối ưu473.4.2. Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông493.5. Thiết kế dầm cầu chữ I dự ứng lực và sử dụng bê tông cường độ siêu cao523.5.1. Dầm cầu chữ I dự ứng lực sử dụng bê tông thường523.5.2. Dầm cầu chữ I dự ứng lực sử sụng bê tông cường độ siêu cao573.5.3. Kết quả thiết kế603.6. Đánh giá ưu nhược điểm của dầm cầu chữ I ứng dụng bê tông cường độ siêu cao61KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ62TÀI LIỆU THAM KHẢO65

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHUẤT VĂN SƠN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRONG THIẾT KẾ DẦM CẦU CHỮ I

Ngành: Xây dựng Cầu Hầm

Mã số: 60.58.02.05.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Phạm Duy Anh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trongbất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Khuất Văn Sơn

Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban giámhiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Cầu hầm - Trường đại học Giao thôngvận tải Hà Nội, các cán bộ quản lý và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạylớp Cao học cầu hầm khóa 2013 - 2015 đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện chotôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này.

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Duy Anh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên cứu đề tài, hiệu chỉnh và hoàn

thiện luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Khuất Văn Sơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRONG THIẾT KẾ DẦM CẦU 4

1.1 Khái niệm chung về bê tông 4

1.2 Nhược điểm của bê tông xi măng thường và những biện pháp khắc phục 4

1.3 Phương pháp xác định cường độ chịu nén của bê tông xi măng 5

1.4 Khái niệm bê tông cường độ cao và siêu cao 6

1.5 So sánh bê tông cường độ siêu cao với bê tông cường độ cao và bê tông thường 6

1.6 Ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trên thế giới 7

1.6.1 Cầu WILD - Völkermarkt (Áo) 7

1.6.2 Cầu Log Čezsoški - Soča river, Slovenia 11

1.6.3 Một số công trình khác trên thế giới sử dụng loại vật liệu mới BTCĐSC 13

1.7 Các công trình nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao đã được công bố ở Việt Nam 15

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 17

2.1 Đặc tính vật liệu của bê tông BTCĐSC 17

2.1.1 Độ đặc của bê tông cường độ siêu cao 17

2.2 Đặc tính kết cấu của bê tông BTCĐSC 28

2.2.1 Độ bền của BTCĐSC 28

2.2.2 Cường độ nén uốn, kéo uốn 30

2.2.3 Sức kháng cắt 32

2.2.4 Tải trọng phá hoại danh định 33

2.2.5 Quan hệ giữa lực, ứng xuất với biến dạng và tải trọng với chuyển vị của BTCĐSC 34

2.2.6 Độ bền mỏi của BTCĐSC 35

2.2.7 Khả năng chịu lửa của BTCĐSC 36

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẦU DẦM CHỮ I ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 37

3.1 Tổng quát về thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao 37

3.2 Vật liệu chế tạo 37

3.2.1 Xi măng 38

3.2.2 Các phụ gia hóa học 38

3.2.3 Muội silic 39

3.2.4 Cốt liệu lớn 41

3.2.5 Bột 43

3.3 Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc 45

3.3.1 Mở đầu 45

3.3.2 Tối ưu hóa cường độ siêu cao bằng việc sử dụng mô hình độ đặc 45

3.3.3 Các nguyên tắc chính để tạo ra thành phần bê tông cường độsiêu cao 463.3.4 Thành phần hạt đảm bảo độ đặc cao phù hợp cấp phối hạt tốiưu 473.4.2 Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông 49

3.5 Thiết kế dầm cầu chữ I dự ứng lực và sử dụng bê tông cường

độ siêu cao 52

3.5.1 Dầm cầu chữ I dự ứng lực sử dụng bê tông thường 523.5.2 Dầm cầu chữ I dự ứng lực sử sụng bê tông cường độ siêu cao 573.5.3 Kết quả thiết kế 60

3.6 Đánh giá ưu nhược điểm của dầm cầu chữ I ứng dụng bê tông cường độ siêu cao 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Bảng 2.3: Cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông BTCĐSC (Mpa) 24

Bảng 2.4: Cường độ chịu kéo chẻ của hỗn hợp bê tông BTCĐSC (Mpa) 25

Bảng 2.5: Tỷ lệ hỗn hợp được sử dụng 26

Bảng 2.6: Đặc tính cơ học của bê tông BTCĐSC 26

Bảng 2.7: Hệ số khuếch tán Ion Clo của các loại bê tông 28

Bảng 2.8: So sánh giữa độ bền của BTCĐSC với bê tông thường 30

Bảng 2.9: Tải trọng lý thuyết và thực nghiệm của bê tông BTCĐSC 33

Bảng 2.10: Kết quả kiểm tra thực nghiệm đối với các mẫu dầm 34

Bảng 3.1: Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt 42

Bảng 3.2: Lượng lọt sàng (%) của bột Quartz nghiền 44

Bảng 3.3: Tính toán độ đặc của hỗn hợp 51

Bảng 3.4: Các trường hợp tính toán, thiết kế 52

Bảng 3.5: Bố trí cốt thép dự ứng lực 56

Bảng 3.6: Bố trí cốt thép dự ứng lực 58

Bảng 3.7: So sánh dầm BTCĐSC và dầm BTCT thường 61

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông xi măng 6

Hình 1.2: So sánh cường độ chịu nén của bê tông thường, bê tông cường độ cao và BTCĐSC 7

Hình 1.3: Kết cấu hình học cầu WILD 8

Hình 1.4: Nét đặc biệt trong công nghệ thi công cầu WILD 8

Hình 1.5: Cấu tạo dầm 1 đến dầm 3 (sử dụng vật liệu BTCĐSC) 9

Hình 1.6: Bố trí các sợi cáp dự ứng lực 9

Hình 1.7: Các khớp liên kết (sử dụng vật liệu BTCĐSC) 10

Hình 1.8: Một số hình ảnh thi công cầu WILD 10

Hình 1.9: Cầu WILD sau khi đã hoàn thành 10

Hình 1.10: Cầu Log Čezsoški, Soča river, Slovenia 11

Hình 1.11: Cầu Log Čezsoški hiện hữu 12

Hình 1.12: Hình ảnh khi thi công lớp BTCĐSC 12

Hình 1.13: Hình ảnh cầu Log Čezsoški sau khi tăng cường 13

Hình 1.14: Mái che nhà ga xe lửa tại Calgary, Alberta, Canada 13

Hình 1.15: Cầu Glenmore/Legsby 14

Hình 1.16: Hình dáng kiến trúc lạ mắt của mái nhà ga 14

Hình 1.17: Nét thanh mảnh của vòm được chế tạo bằng BTCĐSC 14

Hình 1.18: Cầu Cat Point Creek xây dựng ở Mỹ năm 2008 với dầm I sử dụng BTCĐSC 15

Hình 2.1: Ảnh hưởng của vật liệu chèn lấp các lỗ rỗng đến cấu trúc của BTCĐSC 17

Hình 2.2: Ảnh hưởng của độ đặc chất độn đến tính lưu biến của BTCĐSC 18

Hình 2.3: Cấu trúc vi mô của BTCĐSC và bê tông cường độ cao 18

Hình 2.4: Sự phân bổ kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao 19

Hình 2.5: Sự biến đổi của co ngót theo thời gian của BTCĐSC khi có và không có cốt liệu thô 20

Hình 2.9: Sự thay đổi cường độ chịu kéo chẻ theo chế độ xử lý 25

Hình 2.10: Độ thấm kT phân bố dọc theo trọc dọc của tấm 27

Hình 2.11: Thí nghiệm độ khuếch tán Ion Clo bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao 28

Hình 2.12: Sự phân bổ kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, HPC và BTCĐSC 29

Hình 2.13: Những giá trị độ thấm clo đối với bê tông thường, HPC và BTCĐSC 29

Hình 2.14: Thử nghiệm với thuốc nổ TNT 30

Hình 2.15: Thí nghiệm uốn tấm tròn BTCĐSC 31

Hình 2.16: Ảnh chụp X-quang 3 mẫu có sự sắp xếp khác nhau giữa các sợi thép 32

Hình 2.17: Quan hệ ứng suất - biến dạng vùng nén 34

Hình 2.18: Quan hệ giữa lực và biến dạng 35

Hình 2.19: Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị 35

Hình 2.20: Biểu đồ S-N của BTCĐSC so sánh với bê tông thường (NC) 36

Hình 3.1: Các thành phần chủ yếu của BTCĐSC 37

Hình 3.2: Muội silic 41

Hình 3.3: Mỏ Quartzit Thanh Sơn - Phú Thọ 41

Hình 3.4: Cát Quartz 43

Hình 3.5: Bột Quartz 44

Hình 3.6: Kích thước mặt cắt giữa nhịp 55

Hình 3.7: Kích thước mặt cắt gối 55

Hình 3.8: Bố trí cốtthép DƯL tại mặt cắt giữa dầm và mặt cắt gối 56

Hình 3.9: Bố trí cốt thép DƯL theo phương dọc dầm 57

Hình 3.10: Bố trí cốt thép DƯL tại mặt cắt giữa dầm và mặt cắt gối 58

Hình 3.11: Bố trí cốt thép DƯL theo phương dọc dầm 58

Hình 3.12: Kích thước tại mặt cắt giữa nhịp 59

Hình 3.13: Kích thước tại mặt cắt đầu dầm 60

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

ACI: American Concrete Institute

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

UHSFRC: Ultra-High Strength Fibre Reinforced Concrete

AFGC: Association Francaise de Genie Civil (hội Kỹ sư Xây dựng Pháp) NC: Nomal Concrete (Bê tông thường)

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

HSC: High Strength Concrete (Bê tông cường độ cao)

BTCĐSC: Bê tông cường độ siêu cao

DƯL: Dự ứng lực

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài.

Bê tông cường độ siêu sao là một loại vật liệu mới, được nghiên cứu vàứng dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong vài thập kỷ gầnđây Đặc tính của loại bê tông này là có cường độ chịu nén rất cao có thể lên đến

từ 100 đến > 200MPa, khả năng chịu kéo khi uốn lên đến 40MPa, khả năngchịu cắt tăng cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn vàđặc biệt là có độ bền và sự ổn định lâu dài Hiện nay trên thế giới đang từngbước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, nhà cao tầng, các côngtrình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu côngtrình

Ở Việt Nam, đang phát triển cơ sở hạ tầng, nhiều công trình cầu, đườnghiện đại đang được xây dựng, nên việc nghiên cứu phát triển một loại vật liệu bêtông mới có cường độ siêu cao để tăng khả năng chịu lực, độ bền của công trình

Như vậy việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao đang làvấn đề thời sự được các nhà khoa học thế giới và Việt Nam quan tâm nghiên

cứu Đó chính là lý do tôi chọn đề tài để nghiên cứu

Tên đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trong thiết

kế dầm cầu chữ I”.

2 Đối tượng nghiên cứu.

Từ vật liệu trong nước, nghiên cứu lý thuyết xác định mô hình vật liệu, chếtạo ra bê tông cường độ siêu cao có cường độ 100 - 150MPa và ứng dụng trongkết cấu cầu

Nghiên cứu khả năng ứng dụng của bê tông cường độ siêu cao để thiết kếdầm cầu chữ I trong thành phố.

5 Phương pháp nghiên cứu.

Nghiên cứu lý thuyết để xác định thành phần, các tính năng cơ học của bêtông cường độ siêu cao, tổng hợp, đánh giá và ứng dụng kết quả nghiên cứutrong bài toán thiết kế dầm cầu chữ I

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu.

Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết tính toán về các đặc tính cơ học, vậtliệu chế tạo, để thiết kế cấp phối bê tông cường độ siêu cao ứng dụng trong thiết

kế dầm cầu chữ I tại Việt Nam Qua đó đánh giá được ưu nhược điểm của dầmcầu chữ I ứng dụng bê tông cường độ siêu cao so với các loại dầm cầu bê tôngkhác

7 Kết cấu của luận văn.

Chương 1 Tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độsiêu cao trong thiết kế thiết kế dầm cầu

1.1 Khái niệm chung về bê tông

1.2 Nhược điểm của bê tông xi măng thường và những biện pháp khắcphục

1.3 Phương pháp xác định cường độ chịu nén của bê tông xi măng

1.4 Khái niệm bê tông cường độ cao và siêu cao

1.5 So sánh bê tông cường độ siêu cao với bê tông cường độ cao và bêtông thường

1.6 Ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trên thế giới

1.7 Các công trình nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao đã được công

bố ở Việt Nam

Chương 2 Các đặc tính cơ học của bê tông cường độ siêu cao

2.1 Đặc tính vật liệu của bê tông BTCĐSC

2.2 Đặc tính kết cấu của bê tông BTCĐSC

Chương 3 Giải pháp thiết kế bản mặt cầu dầm cầu chữ I ứng dụng bê tôngcường độ siêu cao

3.1 Tổng quát về thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao

Bê tông là một loại vật liệu chủ yếu của thế kỷ 20 được chế tạo từ hỗn hợpvật liệu được lựa chọn hợp lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn (đá dăm hoặcsỏi), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính (ximăng…), nước và phụ gia Cát và đádăm là thành phần vật liệu khoáng, đóng vai trò bộ khung chịu lực Hỗn hợp ximăng và nước (hồ xi măng) là thành phần hoạt tính trong bê tông, nó bao bọcxung quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu và khi hồ xi măng rắnchắc, nó dính kết cốt liệu thành một khối đá và được gọi là bê tông Các chấtphụ gia rất phong phú và chúng làm tính chất của bê tông trở nên đa dạng và đápứng được các yêu cầu ngày càng phát triển của bê tông và kết cấu bê tông [2, tr.4] Bê tông cần thỏa mãn yêu cầu về cường độ, tính công tác, đặc tính kết cấu và

độ bền do tác động của thời tiết và tác động của tải trọng đặc biệt (động đất, gió,tải trọng lặp)

1.2 Nhược điểm của bê tông xi măng thường và những biện pháp khắc phục

Trong bê tông có cường độ thông thường, vùng dính bám giữa đá xi măng

và cốt liệu thường là vùng yếu, do đó, các vết nứt thường xuất hiện xung quanhcác hạt cốt liệu Sự hình thành các vùng yếu này trong bê tông thường phụ thuộcvào việc sản xuất bê tông Để cải thiện cường độ, độ bền, tính chống thấm vàmột số tính chất khác của bê tông người ta tìm cách loại bỏ bớt những vùng nàythông qua việc sử dụng các chất độn hạt mịn, có kích thước hạt nhỏ hơn nhiều

so với hạt xi măng và phụ gia siêu dẻo tính năng cao [6, tr 7]

Các phụ gia siêu dẻo là các hợp chất polimer chứa các nhóm axit sulfonic

có khả năng ngăn cản sự tiếp xúc của nước với các chất kết dính trong thời gian

đổ bê tông và qua đó tăng tạm thời tính công tác của bê tông Việc sử dụng cáchợp chất này cho phép sử dụng tỷ lệ nước/xi măng thấp (0.3 hoặc thậm chí 0.25)

trong khi vẫn giữ được tính công tác với độ sụt 175 đến 225 mm và nhờ đó, tạo

ra bê tông có cường độ cao và tính thấm nước thấp [6, tr 7]

Pozzolan tự nhiên, tro bay, muội silic và xỉ lò cao là các chất độn hạt mịnđôi khi được dùng để thay thế một phần và/hoặc tăng thêm một số đặc tính của

bê tông Bột silic hay microsilica là đồng sản phẩm khi chế tạo silic sắt Loại bộtnày mịn hơn xi măng hàng trăm lần và có khả năng làm đầy các khoảng trốnggiữa các hạt xi măng cũng như các cốt liệu mịn, qua đó, tạo ra một cấu trúc bêtông có độ đặc cao và làm tăng cường độ chịu nén của nó Ngoài ra, các chấtpozzolans còn phản ứng với hydroxit canxi có cường độ thấp để biến chúng thànhcác hydoxit silicat canxi có cường độ cao Khi dùng để thay thế khoảng 5% đến10% xi măng portland, chất này có thể tạo ra bê tông cường độ cao [6, tr 7].Việc sử dụng hợp lý các chất phụ gia siêu dẻo tính năng cao cùng với cácchất độn siêu mịn như đã nói ở trên có thể tạo ra các hỗn hợp bê tông có cấu trúctối ưu với cường độ chịu nén đến 150 Mpa hoặc hơn ngay tại công trường Các

bê tông này không chỉ có độ bền cơ học mà còn độ bền hóa học, tuổi thọ cũngnhư độ chống thấm cao [6, tr 8]

1.3 Phương pháp xác định cường độ chịu nén của bê tông xi măng

Người ta thường sử dụng cường độ chịu nén để phân cấp bê tông được sửdụng trong kết cấu Cường độ chịu nén của bê tông được xác định bằng thínghiệm, phụ thuộc vào kích thước và hình dạng mẫu thử, tốc độ đặt tải, điềukiện bảo dưỡng cũng như phương pháp thử [6, tr 8]

Hầu hết các Tiêu chuẩn đều quy định tuổi của bê tông khi xác định cường

độ chịu nén là 28 ngày do sau thời điểm này cường độ bê tông phát triển rấtchậm Theo tiêu chuẩn 22 TCN 272 - 05, đối với bê tông được dùng trong các côngtrình cầu, cường độ chịu nén được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C-39 với việcnén đến phá hoại mẫu thử hình trụ có đường kính 150 mm và chiều cao 300 mm

Bê tông khi thí nghiệm có tuổi 28 ngày và được bảo dưỡng trong điều kiện chuẩn.Thời gian chất tải cho đến khi phá hoại là khoảng 2 đến 3 phút [6, tr 8] Hình 1.1

mô tả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông xi măng [7]

1.4 Khái niệm bê tông cường độ cao và siêu cao.

Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete - HSC) là loại bê tông cócường độ chịu nén ngày thứ 28 từ 42 đến 100 Mpa, sử dụng tỷ lệ N/X thấp, cáckhoáng siêu mịn, các chất siêu dẻo và các cốt liệu truyền thống [1, tr 54]

Bê tông cường độ siêu cao (BTCĐSC) là một loại vật liệu mới được nghiêncứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, BTCĐSC có cường độ rất cao từ

100 ÷ 200 MPa, độ bền cao và sự ổn định lâu dài BTCĐSC có 7 thành phần chủyếu là: xi măng, nước, cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, muội silic, các bột khoáng

có độ cứng lớn và các cốt sợi thép cường độ cao

1.5 So sánh bê tông cường độ siêu cao với bê tông cường độ cao và bê tông thường

- Bê tông cường độ siêu cao (BTCĐSC): Cấp cường độ lớn hơn 100 Mpa

và nhỏ hơn hoặc bằng 200MPa, tỷ lệ N/X = 0,20,25

Bảng 1.1: Các tính năng của BTCĐSC và bê tông thường

Hình 1.2: So sánh cường độ chịu nén của bê tông thường, bê tông cường độ cao

và BTCĐSC [7]

1.6 Ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trên thế giới

1.6.1 Cầu WILD - Völkermarkt (Áo)

Cầu WILD là một dự án thí điểm thi công theo phân đoạn kết hợp với xoaykết cấu vòm lắp ghép từ hai phía Vì vậy, các đặc tính ưu việt và công năng của

bê tông cường độ siêu cao (BTCĐSC) đã được sử dụng: nhanh chóng đông kết

và cấu trúc bền vững

Cây cầu dài 158 m, trong đó khoảng 70 m là kết cấu vòm Hai nửa của kếtcấu vòm này được cấu tạo từ các dầm và khớp chế tạo sẵn, được liên kết vớinhau bằng các sợi cáp cường độ cao Hai nửa được lắp ráp theo phương dọc cầu

và dễ dàng xoay quanh bản lề được bố trí tại chân vòm Sau khi đã đưa vòm vàođúng vị trí và tiến hành liên kết, các bộ phận khác như trụ, dầm, bản mặt cầu…

sẽ lần lượt được hoàn thành

Hình 1.3: Kết cấu hình học cầu WILD

Dự án xây dựng cầu WILD là một bước đột phá trong việc phát triển kỹthuật xây dựng cầu ở Áo: Nguyên tắc thiết kế vẫn theo cách xây dựng truyềnthống nhưng thay đổi cấu trúc mảnh mai và sáng tạo của BTCĐSC

Hình 1.4: Nét đặc biệt trong công nghệ thi công cầu WILD

Bên cạnh thế mạnh về nén, BTCĐSC còn có độ rỗng rất thấp Điều này làyếu tố quyết định làm cho BTCĐSC không thấm chất lỏng và làm tăng sứckháng của bê tông đối với các yếu tố hóa học và yếu tố khắc nghiệt của khí hậu

Vì vậy BTCĐSC không chỉ có khả năng chịu áp lực cơ học mà còn có thể hạnchế tối đa tác động hóa học và thời tiết Độ bền của nó thường được so với đágranit Tuổi thọ của cầu WILD được dự đoán là 200 năm

Các kỹ sư tạo dự ứng lực bằng cách sử dụng sợi cáp dự ứng lực chạy trongkhông gian bên trong của các dầm Như có thể thấy trong hình 3 sợi mono được

bố trí đồng đều dọc theo ngoại vi của không gian bên trong:

Hình 1.5: Cấu tạo dầm 1 đến dầm 3 (sử dụng vật liệu BTCĐSC)

Hình 1.7: Các khớp liên kết (sử dụng vật liệu BTCĐSC)

Hình 1.8: Một số hình ảnh thi công cầu WILD

Hình 1.9: Cầu WILD sau khi đã hoàn thành

1.6.2 Cầu Log Čezsoški - Soča river, Slovenia

Cầu Log Čezsoški nằm về phía Tây – Bắc Slovenia, cầu có chiều dài 65m(được xác định bằng khoảng cách giữa hai gối đặt tại hai mố cầu) được cấu tạobởi một dầm liên tục ba nhịp, mặt cắt ngang dạng hộp bản rỗng rộng 4,5m Saumột khoảng thời gian dài được khai thác và sử dụng, dưới tác động của xe cộ vàkhí hậu, kết cấu hiện hữu cấu tạo từ các dầm hộp bê tông cốt thép thường(Nomal Concrete) đang dần dần xuống cấp cần thiết được nâng cấp và cải tạo.Các kỹ sư đã nghiên cứu và áp dụng một phương pháp mới, thay thế các phươngpháp tăng cường sửa chữa cổ điển đó là bằng cách sử dụng vật liệu bê tôngcường độ siêu cao BTCĐSC

Hình 1.10: Cầu Log Čezsoški, Soča river, Slovenia

Hình 1.11: Cầu Log Čezsoški hiện hữu

Với mục đích cải thiện và tăng khả năng chịu lực cho cầu, áp dụng côngnghệ vật liệu mới, các kỹ sư đã sử dụng bê tông cường độ siêu cao như một giảipháp ưu việt nhất và chưa bao giờ được thực nghiệm Theo đó sẽ có một lớpBTCĐSC dày 2,5 cm được bao phủ lên toàn bộ mặt cầu và phần lề người đi bộkhác mức

Hình 1.12: Hình ảnh khi thi công lớp BTCĐSC

Điều này sẽ tận dụng được khả năng chịu lực và chịu bào mòn củaBTCĐSC, bảo vệcầu khỏi chịu tác động của các yếu tố khí hậu Để tăng cườngcho kết cấu dầm chủ, tiếp theo sẽ có một lớp bê tông cường độ siêu cao dày 2,5

cm được gia cố vào phần đường xe chạy Việc bố trí thêm một lớp BTCĐSC lênđúng vị trí chịu nén trong sơ đồ làm việc của dầm chủ là hoàn toàn hợp lý, điềunày sẽ làm cho thế mạnh về cường độ siêu cao của bê tông được phát huy tối đa.Giữa các lớp bê tông mới, giữa bê tông mới với kết cấu bê tông cũ được liên kếtvới nhau bởi các loại keo cường độ siêu cao, đảm bảo sự làm việc liên hợp đượchiệu quả.

Hình 1.13: Hình ảnh cầu Log Čezsoški sau khi tăng cường

1.6.3 Một số công trình khác trên thế giới sử dụng loại vật liệu mới BTCĐSC

1.6.3.1 Mái che nhà ga xe lửa tại Calgary, Alberta, Canada

Hình 1.14: Mái che nhà ga xe lửa tại Calgary, Alberta, Canada

Hình 1.15: Cầu Glenmore/Legsby

1.6.3.3 Kết cấu mái tại nhà ga Milau - Pháp

Hình 1.16: Hình dáng kiến trúc lạ mắt của mái nhà ga

1.6.3.4 Cầu đi bộ tại Seoul, Hàn Quốc

Hình 1.17: Nét thanh mảnh của vòm được chế tạo bằng BTCĐSC

1.6.3.5 Cầu Cat Point Creek, Mỹ

Hình 1.18: Cầu Cat Point Creek xây dựng ở Mỹ năm 2008 với dầm I sử dụng BTCĐSC

1.7 Các công trình nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao đã được công

bố ở Việt Nam

Ở Việt Nam, hiện chưa có công trình nào ứng dụng vật liệu bê tông cường

độ siêu cao để xây dựng nên loại vật liệu này vẫn còn là một đề tài khá mới Tuynhiên, một số nhà khoa học ở các trường đại học ở Việt Nam đã bắt đầu nghiêncứu và thí nghiệm loại bê tông này

Các tác giả chọn vật liệu sử dụng rất khác nhau như với trường ĐH BáchKhoa, ĐHQG - HCM sử dụng cốt liệu nhỏ là cát tự nhiên kết hợp cát nhân tạonghiền từ đá, sử dụng cốt liệu lớn là đá dăm đến 10 mm và phụ gia siêu dẻo gốcpolycarboxylate để chế tạo bê tông tự đầm cường độ siêu cao với cường độ nénthay đổi từ 140 đến 170 MPa [4]

Các tác giả trường ĐH Xây dựng sử dụng Silica Fume và xỉ lò cao hoạt hóanghiền mịn ở Việt Nam để thay thế một phần xi măng trong hỗn hợp và dùng kếthợp hai loại phụ gia SF và BFS đã xác định được cường độ nén lớn nhất đạtđược là 158 MPa và 164 MPa tương ứng với chế độ bảo dưỡng tự nhiên và bảodưỡng nhiệt ẩm cao [8]

Như vậy bê tông cường độ siêu cao đã có những nghiên cứu bước đầu tạiViệt Nam với việc sử dụng các loại vật liệu khác nhau Tuy vậy, cần thiết cónhiều nghiên cứu khác với sự tham gia của các nhà khoa học để chế tạo ra bêtông này từ vật liệu trong nước góp phần bổ sung hoàn thiện hệ thống lý luận,tính toán, lựa chọn được loại vật liệu có tính kinh tế và từng bước đưa vào ứngdụng thử nghiệm cho một số công trình xây dựng nhất là các công trình có yêucầu đặc biệt tại Việt Nam.

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 2.1 Đặc tính vật liệu của bê tông BTCĐSC

2.1.1 Độ đặc của bê tông cường độ siêu cao

2.1.1.1 Độ đặc sít của cấu trúc

Nhiều nghiên cứu ở Mỹ, Pháp và Đức cho thấy bê tông cường độ siêu cao

có độ đặc sít rất cao so với bê tông truyền thống và bê tông cường độ cao Nhờ

sự thay đổi cấu trúc của vật liệu nên làm bê tông cường độ siêu cao chuyển từkết tinh sang cấu trúc vô định hình, gần như triệt tiêu các vết nứt vi mô xuất hiệntại các vùng tiếp giáp vật liệu trong quá trình bê tông đông kết, làm cho bê tôngcường độ siêu cao trở nên bền hơn

Hình 2.1 cho thấy ảnh hưởng của vật liệu đến cấu trúc của BTCĐSC vàhình 2.2 cho thấy sự phát triển mật độ chèn lấp khi sử dụng 2 loại bột Quartzkhác nhau (Q1 và Q2) được trộn với những hàm lượng khác nhau Các hạt mịnhơn sẽ lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu lớn hơn Đồng thời, độ nhớtứng với tỉ lệ nước/hạt mịn không đổi = 0,26, giảm từ 7.500 đến dưới 5.000mPa

s Nếu hàm lượng những hạt mịn tiếp tục tăng vượt quá tỷ trọng lèn chặt lớnnhất của hỗn hợp thì tính lưu biến của hỗn hợp sẽ không còn tối ưu nữa (khôngđạt được giá trị mong muốn) Để tối ưu hóa độ đặc chắc của BTCĐSC và đảmbảo tính lưu biến của hỗn hợp đạt giá trị tốt nhất, bột Quartz thường được sửdụng khoảng 150 - 250kg/m3 [10]

Hình 2.1: Ảnh hưởng của vật liệu chèn lấp các lỗ rỗng đến cấu trúc của

BTCĐSC

Hình 2.2: Ảnh hưởng của độ đặc chất độn đến tính lưu biến của BTCĐSC

Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy cấu trúc của BTCĐSC rất đặc khít, thểhiện sự liên kết rất tốt giữa vữa và cốt liệu thô hơn hẳn bê tông cường độ caoHSC như ở hình 2.3

Hình 2.3: Cấu trúc vi mô của BTCĐSC và bê tông cường độ cao

2.1.1.2 Lỗ rỗng chứa nước trong bê tông cường độ siêu cao

Theo tài liệu [10] các lỗ rỗng khí của bê tông cường độ siêu cao được thểhiện bởi những lỗ rỗng mao quản được thể hiện trong hình 2.4 thông qua thínghiệm thấm của thủy ngân Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông cường độ siêucao có độ rỗng khá thấp so với bê tông thường và bê tông cường độ cao

Hình 2.4: Sự phân bổ kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, bê tông cường độ

cao và bê tông cường độ siêu cao

Kết quả thí nghiệm lỗ rỗng chứa nước được thực hiện bởi SETRA/AFGCnhư ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Độ rỗng chứa nước của các loại bê tông

Độ rỗng chứa

nước (%)

Bê tôngthường

Bê tông cường

độ cao

BT cường độsiêu cao

Theo [22] cho thấy khi không có xử lý nhiệt, thì bê tông cường độ siêu cao

có ứng xử gần giống như bê tông cường độ cao (HSC); còn khi có xử lý nhiệt thì

co ngót rất nhỏ gần như bằng 0

* Khi có xử lý nhiệt, co ngót riêng bằng 0

* Khi không có xử lý nhiệt co ngót tổng là ε = 550 μm/m

Công thức đề xuất về sự biến đổi của co ngót riêng là:

Hình 2.5: Sự biến đổi của co ngót theo thời gian của BTCĐSC khi có và không

có cốt liệu thô

2.1.2.2 Từ biến:

Với các nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy:

* Khi có xử lý nhiệt, từ biến giảm mạnh (hệ số từ biến K = 0,2)

* Khi không có xử lý nhiệt, độ biến đổi của từ biến riêng được thể hiện quacông thức:

Khi không có xử lý nhiệt, hệ số từ biến K = 0,6 và mô đun đàn hồi của bêtông cường độ siêu cao (E=50000Mpa) lớn hơn nhiều so với bê tông truyềnthống (E=35000Mpa) nên từ biến của bê tông cường độ siêu cao nhỏ hơn nhiều

so với từ biến của bê tông truyền thống [5]

2.1.3 Modun đàn hồi

Khi tăng cường độ nén, Môđun đàn hồi cũng tăng đáng kể Môđun đàn hồicủa bê tông cường độ siêu caotăng 1,5 - 2 lần so với bê tông thường Theo nhữngtài liệu đã nghiên cứu và kết quả đã thực nghiệm ở Việt Nam, mô đun đàn hồi củaBTCĐSC biến đổi từ 46500 Mpa đến 49300 Mpa (46,5 Gpa đến 49,3 Gpa), vớicường độ nén của bê tông từ 110 đến 150 Mpa Theo các kết quả nghiên cứu ởĐức thông báo là mô đun đàn hồi cũng biến đổi từ 45 đến 50 Gpa, kết quả nghiêncứu ở Ấn Độ [11] cũng cho thấy mô đun đàn hồi lớn nhất của bê tông BTCĐSC

là 50 Gpa đối với mẫu bê tông cốt sợi được xử lý nhiệt 01 ngày, có hàm lượng bộtQuartz chiếm 40% khối lượng của xi măng, số liệu cụ thể như sau:

Bảng 2.2: Modun đàn hồi theo lý thuyết của hỗn hợp bê tông BTCĐSC (Gpa)

Tỷ lệ % hàm lượng bột Quartz so với

khối lượng xi măng

Hình 2.6: Sự thay đổi modun đàn hồi theo lý thuyết theo chế độ xử lý

Theo kết quả nghiên cứu của Ai cập [13], cho thấy mô đun đàn hồi của bêtông cường độ siêu cao khi bê tông được 28 ngày lên tới 40.99 Gpa đối với bêtông BTCĐSC không có thêm sợi thép và lên tới 45.1 Gpa đối với bê tôngBTCĐSC có thêm sợi thép

2.1.4 Cường độ chịu kéo, nén của bê tông BTCĐSC

Cường độ chịu nén của bê tông là tính chất quan trọng để đánh giá chấtlượng của bê tông mặc dù trong một số trường hợp thì độ bền và tính chốngthấm còn quan trọng hơn Cường độ của bê tông liên quan trực tiếp đến cấu trúccủa hồ xi măng đã đông cứng, cấu trúc của bê tông Cường độ chịu nén của bêtông phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ nước/ximăng trong bê tông Biểu đồ 2.7 chothấy mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông với tỷ lệ nước/ximăngtrong bê tông

Hình 2.7: Sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông theo tỷ lệ nước/ximăng

Bê tông cường độ rất cao có cường độ chịu nén đến 150 - 200 MPa và độbền cao Khi tăng cường độ nén, cường độ kéo cũng tăng tuy nhiên tốc độ tăngchậm hơn Theo kết quả nghiên cứu ở trường đại học New Mexico State [12]cho thấy bê tông BTCĐSC có cường độ chịu nén lớn nhất là 165.6 Mpa, cường

độ chịu kéo chẻ lớn nhất là 18.3 Mpa Kết quả nghiên cứu ở Ấn Độ [11] cũngcho thấy bê tông BTCĐSC có cường độ chịu nén lớn nhất là 187 Mpa đạt đượcvới mẫu bê tông cốt sợi có hàm lượng bột Quartz chiếm 40% khối lượng của ximăng và được xử lý nhiệt 01 ngày, cường độ chịu kéo chẻ lớn nhất là 17 Mpađạt được với mẫu bê tông cốt sợi có hàm lượng bột Quartz chiếm 40% khốilượng của xi măng và được xử lý nhiệt 03 ngày

Kết quả nghiên cứu ở Ấn Độ [11] được thể hiện qua các bảng 2.3, bảng 2.4

và hình 2.8, hình 2.9

Xử lý nhiệt ba ngày 171 160 179 168

Hình 2.8: Sự thay đổi cường độ chịu nén theo tỷ lệ % bột Quartz với khối lượng

xi măng

Bảng 2.4: Cường độ chịu kéo chẻ của hỗn hợp bê tông BTCĐSC (Mpa)

Tỷ lệ % hàm lượng bột Quartz so với

khối lượng xi măng

Hình 2.9: Sự thay đổi cường độ chịu kéo chẻ theo chế độ xử lý

Theo kết quả nghiên cứu của Ai cập [13], cho thấy bê tông cường độ siêucao được 28 ngày có cường độ chịu nén lên tới 152 Mpa, cường độ chịu kéo khiuốn lên tới 14.73 Mpa đối với bê tông BTCĐSC không có thêm sợi thép vàcường độ chịu nén lên tới 154.5 Mpa, cường độ chịu kéo khi uốn lên tới 30.26Mpa đối với bê tông BTCĐSC có thêm sợi thép Số liệu cụ thể như sau:

Bảng 2.6: Đặc tính cơ học của bê tông BTCĐSC

2.1.5 Tính thấm khí

Theo kết quả nghiên cứu của Viện Công nghệ Liên bang Lausanne [15],tính thấm khí của tấm được nghiên cứu với một hệ thống thử nghiệm tính thấmkhí Torrent Hệ thống này dựa trên phép đo sự gia tăng áp lực sau khi sử dụngmột máy hút chân không trong một thời gian xác định Một cặp buồng chânkhông với một buồng chính tròn ở trung tâm và một buồng đốt thứ cấp baoquanh làm giảm ảnh hưởng của việc hút không khí bên cạnh vào khối lượng đođạc được xem xét.

38 phép đo, 8 hướng dọc và 4 hướng ngang xắp xếp trong một lưới cânđối 33 - 30 cm2 được chụp Kết quả chỉ ra không có phân bố ưu tiên của giá trị

kT Rõ ràng là chất lượng của chất nền được phân bố ngẫu nhiên trong tấm, đặcbiệt là không có gradient chiều cao có thể được quan sát thấy Giá trị trung bìnhhình học của kT bằng 0.0046*10-16 m2,giá trị mà đại diện cho lớp thấm thấp nhất

và bằng một nhân tố thấp hơn khoảng 10 lần so với bê tông truyền thống chấtlượng tốt nhất Hình 2.10 cho thấy sự phân bố của kT dọc theo bốn vết dọc vớikhoảng cách 30cm vẽ bản đồ bề mặt tấm

Hình 2.10: Độ thấm kT phân bố dọc theo trọc dọc của tấm

Trong trạng thái phục vụ của một thành phần cấu trúc đó là tính thấm nền

và vi nứt, cái mà mà định nghĩa chức năng bảo vệ của của lớp BTCĐSC trong