Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) phục vụ ứng dụng cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều công trình cầu ứng dụng loại vật liệu mới này.Tại Việt Nam, vật liệu UHPC cũng được nghiên cứu trong khoảng 10 năm trở lại đây, đã chế tạo thành công

TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ VIỆT HẢI

Phản biện 1: TS NGUYỄN VĂN MỸ

Phản biện 2: TS NGUYỄN THẾ DƯƠNG

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, ĐHĐN tại trường ĐHBK

- Thư viện Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

va chạm, chịu tải trọng lặp và chống thấm cao; độ bền và độ ổn định lâu dài Do đó loại vật liệu này rất phù hợp với kết cấu cầu có yêu cầu

về cường độ cao, tuổi thọ dài và giảm thiểu được trọng lượng kết cấu

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều công trình cầu ứng dụng loại vật liệu mới này.Tại Việt Nam, vật liệu UHPC cũng được nghiên cứu trong khoảng 10 năm trở lại đây, đã chế tạo thành công vật liệu UHPC sử dụng nguồn cốt liệu địa phương, đã thiết kế, thi công thí điểm dầm cầu UHPC cho người đi bộ và xe thô sơ, khổ cầu 2.2m, chiều dài nhịp 18m tại nhiều địa phương khác nhau trong năm 2016,

2017

Do là loại vật liệu mới, việc đưa vào ứng dụng phổ biến sẽ gặp nhiều khó khăn như: thiếu thông tin về vật liệu; chưa có đầy đủ quy trình thiết kế, thi công, nghiệm thu; chưa được kiểm nghiệm nhiều từ các công trình thực tế đã ứng dụng; chưa có đánh giá tính ưu việt của vật liệu UHPC cho từng yếu tố kiến trúc, kết cấu, môi trường, chi phí đầu tư, tuổi thọ khai thác; chưa đánh giá trữ lượng nguồn cung ứng vật liệu tại từng địa phương

Xuất phát từ các yêu cầu trên, việc lựa chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) phục vụ ứng dụng cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế” là rất cần thiết và cấp bách

2 Mục tiêu nghiên cứu:

a Mục tiêu tổng quát:

Nghiên cứu thành phần cấp phối vật liệu UHPC

Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

2

độ vật liệu UHPC

Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết cấu công trình giao thông trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC)

Các loại thành phần cấp phối chế tạo vật liệu UHPC

Đặc điểm Kết cấu công trình giao thông ở khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế

4 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu thực nghiệm thông qua mẫu chế tạo trong phòng thí nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn

Sử dụng các phương pháp lý thuyết tính toán để đánh giá các kết quả phân tích

5 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài:

Xác định thành phần cốt liệu chế tạo vật liệu UHPC

Làm cơ sở lựa chọn hàm lượng cốt sợi tối ưu cho vật liệu UHPC

Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết cấu công trình giao thông trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế

6 Cấu trúc luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan vật liệu UHPC trên thế giới

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU UHPC

TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI:

Thực tế về bức tranh nghiên cứu về bê tông cho thấy rằng, công nghệ bê tông có bước phát triển chậm trước những năm 1960 với cường độ nén lớn nhất từ 15-20MPa Bằng việc phát hiện và ứng dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu dẻo đã đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ bê tông Đầu những năm 1970 với việc

sử dụng phụ gia giảm nước, cường độ nén của bê tông đã có bước phát triển lớn, đạt từ 60-80MPa với tỷ lệ N/CKD = 0.3[1]

Vào năm 1990 các nghiên cứu ứng dụng loại bê tông hạt mịn với mục đích để hạn chế các vết nứt nhỏ của các kết cấu mỏng khi chịu tải trọng đã được triển khai tại phòng thí nghiệm Bouygues của Pháp

Từ đây, thuật ngữ về UHPC đã được sử dụng trên thế giới, với cường

độ nén yêu cầu lớn hơn 150Mpa [2]

Trong giai đoạn từ 1992 - 1994 đã có sự liên kết giữa các công ty của Pháp đó là công ty Rhodia, Lafarge and Bouygues của Pháp, để phát triển và ứng dụng thương mại các sản phẩm của UHPC với tên thương mại là “Ductal”

Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) bắt đầu nghiên cứu UHPC

từ năm 2001 tới nay đã đạt được những bước tiến lớn trong việc đưa công nghệ bê tông tiên tiến UHPC đến với ngành công nghiệp bê tông

và ngành giao thông vận tải Chiếc cầu đầu tiên của Hoa Kỳ sử dụng UHPC với kết cấu dầm chữ I hoàn thành năm 2008, cũng trong thời điểm này một cây cầu khác với bản mặt được làm bằng UHPC được đưa vào sử dụng Với yêu cầu nâng cao chất lượng cũng như đảm bảo

an toàn trong ngành giao thông vận tải, FHWA đã đề ra các mục tiêu nghiên cứu, cụ thể như sau [9]:

− Đánh giá khả năng ứng dụng UHPC trong ngành giao thông vận tải

− Xác định các tính năng kỹ thuật của các kết cấu khi sử dụng UHPC

− Hỗ trợ để triển khai triệt để các dự án nghiên cứu về UHPC

mà FHWA đang triển khai, với các nghiên cứu ban đầu chủ yếu tập trung vào các tính chất cơ lý của UHPC, đánh giá được độ bền trên cơ sở đó xác định tuổi thọ của công trình,

so sánh hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, môi trường khi sử dụng UHPC so với bê tông dự ứng lực thông thường

Từ năm 2004 FHWA đã thiết kế, xây dựng và thử nghiệm các kết cấu dầm và bản mặt lắp ghép bằng UHPC Kết quả nghiên cứu cho thấy, trọng lượng trên một đơn vị mét dài của các dầm cầu có cùng khẩu độ và tải trọng khi chế tạo bằng UHPC nhẹ hơn nhiều so với dầm chế tạo bằng bê tông truyền thống Chiều cao của dầm UHPC cũng thấp hơn nhiều, với dầm dài 30 m khi chế tạo bằng bê tông truyền thống chiều cao là 1.5m trong khi đó dầm UHPC chiều cao là 1m

Trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đã

nỗ lực nghiên cứu chế tạo các cấu kiện mặt cầu với tiêu chí tăng tuổi thọ, đẩy nhanh tiến độ thi công

Đến nay nghiên cứu ứng dụng UHPC phát triển đến nhiều lĩnh vực xây dựng, mặc dù trên thế giới chưa ban hành tiêu chuẩn chung về thiết kế, thi công UHPC

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG GIỚI Ở VIỆT NAM:

Ở Việt Nam các nghiên cứu về UHPC còn mới mẻ, các kết quả nghiên cứu được công bố chưa nhiều Các tác giả Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Công Thắng -Trường ĐH Xây dựng

đã tiến hành nghiên cứu khả năng chế tạo UHPC ở Việt Nam với quy

mô đề tài cấp Trường năm 2006 [16-18] Các tác giả cho rằng UHPC hoàn toàn có thể chế tạo được trong điều kiện vật liệu hiện có ở Việt Nam

Việc nghiên cứu và phát triển UHPC cũng đạt được kết quả khả quan ở một vài đơn vị khác Năm 2009, các tác giả Nguyễn Văn Chánh và các cộng sự - Trường ĐH Bách khoa Tp HCM [20] thực hiện nghiên cứu tổng quan về UHPC

Ở Việt Nam xu hướng phát triển loại bê tông chất lượng siêu cao trong tương lai là rất lớn Hiện nay, có một số công bố về việc ứng dụng UHPC trong thực tế cụ thể như sau:

− Năm 2014 nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Xây dựng đã

có ứng dụng đầu tiên là sử dụng UHPC để chế tạo bể xử lý nước thải lắp đặt sẵn tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn

− Năm 2016 nhóm nghiên cứu tại Đại học Xây dựng tiếp tục

có nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm Bê tông chất lượng siêu cao chế sản phẩm cọc cừ bê tông để thay cho cọc cừ lasen thép Sản phẩm cọc

cừ này đã được chế tạo và ứng dụng thành công tại dự án Rừng Dương, Vũng Tàu với trên 6000m dài cừ bê tông chất lượng siêu cao

− Gần đây năm 2017 nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng hệ bê tông chất lượng siêu cao để chế tạo tấm vỏ đài tưởng niệm liệt sỹ trung đoàn 207 tại Ấp Đá Biên, Long An Bê tông chất lượng siêu cao được sử dụng trong công trình có cường độ nén đạt trên 120 MPa và cường độ uốn đạt trên 12MPa chế tạo các tấm ốp ngoài tạo ra hình dáng kiến trúc theo thiết kế Sản phẩm có kích thước về chiều dài lớn nhất đến gần 6m Đây là sản phẩm có xét đến cả tính mỹ thuật và kiến trúc nên việc nghiên cứu, chế tạo và kiểm soát chất lượng sản phẩm phức tạp hơn so với các sản phẩm kết cấu thông thường

− Năm 2016 nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Công Nghệ Xây dựng có ứng dụng đầu tiên về việc sử dụng UHPC để chế tạo cầu cho người đi bộ với nhịp chính cầu Đập Đá tại khu vực 4, Phường III, thành phố Vị Thanh, Hậu Giang Cầu có chiều dài nhịp là 18m, chiều rộng 2.2m tải trọng, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2

− Năm 2017 nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Công Nghệ Xây Dựng tiếp tục có ứng dụng về việc sử dụng UHPC để chế tạo cầu cho người đi bộ, cầu Năng An - Xuân Hồi - Ninh Bình với các thông

số kỹ thuật cơ bản như sau:

• Dầm cầu UHPC

• Kích thước sườn chính: bxhxL = 120x350x12000 mm

• Kích thước sườn phụ: 80x100x2200 mm

• Kích thước bản mặt: hxBxL = 35x2200x12000mm

• Tải trọng: người đi bộ, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2, hoạt tải tập trung 500kg

− Năm 2019, Trường Đại học Xây dựng đã nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và chuyển giao thành công cầu dân sinh An Thượng tại tỉnh Hưng Yên bằng vật liệu UHPC [25, 26]

Trong tương lai gần việc sử dụng UHPC ở Việt Nam sẽ không thể chỉ tập trung vào các ứng dụng trong xây dựng dân dụng

mà còn được ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực cầu đường bởi vì loại vật liệu này có thể là các giải pháp mới cho các lĩnh vực ứng dụng Đặc biệt là khi UHPC được sử dụng kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra một loại vật liệu composite mới với các ưu điểm vượt trội về cường

độ và độ bền

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CỐT LIỆU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CỐT SỢI ĐẾN CƯỜNG

ĐỘ UHPC 2.1 TỔNG QUÁT VỀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO:

2.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO:

2.2.1 Xi măng:

Trong thành phần chế tạo vật liệu UHPC, xi măng là chất kết dính cơ bản Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao trên thế giới thường sử dụng xi măng PCA 42,5 ; PCA 52,5; PCA 62,5 loại I

và loại III Các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra rằng, xi măng Pooclăng loại I PC40 hoàn toàn có thể sử dụng để chế tạo UHPC Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 phổ biến ở Việt Nam được ghi ở bảng 2.1 [32]

2.2.2 Các phụ gia hóa học:

Các phụ gia hóa học nói chung đều được sản xuất từ lignin sunphonat, các axít cacbonxilic (phenol cao phân tử) được hydrat hóa, các nhóm hydrat – cacbon, Melamin, Naptalin Việc chọn loại và liều lượng cần tiến hành bằng các thực nghiệm Các phụ gia hóa học này góp phần tăng đáng kể cường độ nén, kiểm soát tốc độ đông kết bê tông, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện khả năng làm việc và độ bền theo thời gian của bê tông

2.2.3 Muội silic:

Muội silic là một sản phẩm phụ được lấy ra từ quá trình nung thạch anh với than đá trong các lò hồ quang điện của ngành sản xuất silicon và các hợp kim thép silicon, khói bay ra có hàm lượng dioxit silic vô định hình cao và chứa các tinh thể hình cầu rất mịn

2.2.4 Cốt liệu lớn:

Cốt liệu lớn sử dụng phổ biến để chế tạo UHPC là cát Quartz được nghiền từ đá Quarzt

2.2.4.1 Nguồn gốc của cốt liệu :

Khi bắt đầu nghiên cứu về bê tông chất lượng cao và bê tông cường độ siêu cao, người ta đã sử dụng các loại cát thạch anh có đường kính từ 0,5-8 mm Có nhiều tác giả đã tìm kiếm các loại cốt liệu khác

để thay thế với các đường kính khác nhau mà chủ yếu là sử dụng cát nghiền từ đá Bazan với đường kính đến 1mm

2.2.4.2 Thành phần cấp phối của cát Quartz :

Tuỳ theo yêu cầu về cường độ của bê tông mà đường kính lớn nhất của cốt liệu có thể thay đổi.Theo 33 khi phân tích về tối ưu

độ chặt của bê tông, F.de Larrard cho rằng đường kính lớn nhất của cốt liệu có ảnh hưởng rất quan trọng đến độ đặc tối ưu của hỗn hợp cốt liệu, do đó sẽ ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông

2.2.5 Bột Quartz:

Hàm lượng xi măng trong các nghiên cứu đầu tiên về bê tông cường độ siêu cao trên thế giới khoảng từ 900 đến 1.200kg/m3 Bột thạch anh với đường kính trung bình từ 3μm đến 4μm đã được sử dụng để lấp đầy các lỗ rỗng cực nhỏ Các hạt của nó lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt xi măng và cùng với muội silic làm cho đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu trở nên liên tục và làm cho độ đặc của hỗn hợp được tăng lên Nếu như độ đặc của muội silic bình thường là 0,64, thì sau khi sử dụng thêm bột thạch anh, độ đặc có thể tăng lên dến 0,716 33

2.2.6 Sợi thép :

Theo báo cáo tổng quan về thành phần bê tông cường

độ siêu cao ở Châu Âu 29,[36] cho thấy rằng sợi thép sẽ làm tăng

độ dai chobê tông cường độ siêu cao, hấp thụ năng lượng do tải trọng

và tăng cường khả năng chịu lực sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy độ dai của bê tông cường độ siêu cao phụ thuộc vào cường độ chịu kéo của sợi thép Với bê tông thông thường, thường dùng các sợi thép có giới hạn chảy <800MPa

Bê tông cốt sợi cường độ cao thì dùng các sợi thép có giới hạn chảy khoảng 1.000MPa

Các nghiên cứu ở trong nước sử dụng sợi thép loại Dramix

kí hiệu là OL13-20 có đường kính D = 0,2 mm chiều dài L = 13mm, giới hạn chảy là 2.000MPa thuộc loại chất lượng cao như ở hình 2.5

2.3 TỶ LỆ THÀNH PHẦN CỐT LIỆU ĐIỂN HÌNH UHPC TRÊN THẾ GIỚI :

Thành phần cốt liệu điển hình sử dụng trên thế giới như ở bảng 2.7

Bảng 2-1 Thành phần cốt liệu UHPC điển hình trên thế giới

Tỷ lệ N/X, theo khối lượng 0.14 – 0.25

2.4 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU UHPC:

2.4.1 Vật liệu thí nghiệm:

Thành phần vật liệu của bê tông cường độ siêu cao (UHPC)

sử dụng trong thí nghiệm này được thể hiện chi tiết trong Bảng 2.9

Cốt sợi thép sử dụng có đường kính là 0.2 mm, chiều dài là 13 mm với các tính chất được thể hiện trong Bảng 2.10

Bảng 2-2 Cấp phối bê tông UHPC

Hình 2-1 Bố trí thí nghiệm nén mẫu hình trụ

2.4.2.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt

Bố trí thí nghiệm

Lắp đặt thiết bị đo như hình 2.9 bao gồm: 1 thiết bị cảm biến

đo võng (LVDT) để xác định độ võng dầm tại giữa nhịp

Hình 2-2 Bố trí thí nghiệm uốn 3 điểm

2.5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU UHPC:

2.5.1 Thí nghiệm nén mẫu hình trụ khi xử lý số liệu đo bằng strain gauges:

Tổ hợp Mẫu F max (Mpa) E

2.5.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt:

Kết quả thí uốn 3 điểm có sẵn vết nứt được lấy theo kết thí nghiệm của nhóm nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) cho kết cấu hạ tầng kỹ thuật thoát nước

đô thị” mã số: DHH 2019-02-115 Do vậy, từ đó ta bảng số liệu Các giá trị cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và mô đun đàn hồi trong bảng được làm tròn để đưa vào xác định sức kháng uốn theo lý thuyết:

2.5.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm tính chất cơ học vật liệu UHPC thể hiện

ở bảng 2.10 Các giá trị cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và mô đun đàn hồi trong bảng được làm tròn để đưa vào xác định sức kháng uốn theo lý thuyết

Bảng 2-4 Bảng tính chất vật liệu bê tông UHPC

Hàm lượng

cốt sợi (%)

Cường độ chịu nén

fc′(Mpa)

Cường độ chịu kéo

ft(Mpa)

Mô đun đàn hồi

E (Gpa)

Hệ số poisson

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy thành phần vật liệu UHPC

có hàm lượng cốt sợi 2.0% có cường độ chịu nén tốt, vì vậy kiến nghị

sử dụng thành phần vật liệu này để nghiên cứu trong đề tài với các chỉ tiêu cụ thể như sau:

- Mô đun đàn hồi của bê tông: 42 GPa

- Hệ số Poisson: 0.22

- Cường độ chịu nén: 120 Mpa

- Cường độ chịu kéo: 6 MPa

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG VẬT LIỆU UHPC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 3.1 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG TỈNH THỪA THIÊN HUẾ:

3.1.1 Hiện trạng hệ thống giao thông:

a) Hiện trạng đường bộ

Theo số liệu thu thập và kết quả khảo sát thực tế, tổng chiều dài của mạng lưới đường bộ trên địa bàn tỉnh 2.809 tuyến/4.791,2 Km gồm:

- Đường bê tông xi măng: 1.226,5 Km

- Đường bê tông nhựa: 562,9 Km

- Đường đá dăm láng nhựa: 659,8 Km

64 cầu với tổng chiều dài cầu là: 3.970,16 md, trong đó:

+ Đường nội thị có 50 cầu, tổng chiều dài 3.367,56 md + Đường Tỉnh lộ: 14 cầu, chiều dài 602,6 md

Số liệu thống kê các cầu tỉnh Thừa Thiên Huế xem bảng 3.1

3.1.2 Quy hoạch phát triển kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ:

1 Quy hoạch mạng lưới giao thông đường bộ:

a) Giao thông đối ngoại:

+ Hệ thống quốc lộ: