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

HOÀNG NGỌC HOÀI 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬ

HOÀNG NGỌC HOÀI

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2019

DUT.LRCC

HOÀNG NGỌC HOÀI

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ VIỆT HẢI

Đà Nẵng – Năm 2019

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi thực hiện Các đoạn trích dẫn và số liệu sử dụng trong luận văn đều được dẫn nguồn có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi

Đà Nẵng, ngày 16 tháng 12 năm 2019 Tác giả luận văn

Hoàng Ngọc Hoài

DUT.LRCC

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các quý Thầy Cô trong khoa xây dựng cầu đường, Phòng Đào tạo Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm hết sức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường

Bằng tất cả tấm lòng, tôi cũng xin gửi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp lời cảm ơn và những tình cảm chân thành nhất, những người đã khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tôi theo hết khóa học đào tạo cao học và hoàn thành luận văn

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Đỗ Việt Hải đã tận tình hướng

dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn!

DUT.LRCC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

“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”

Học viên: Hoàng Ngọc Hoài Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 Khóa: K36 (2018-2019) Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Đề tài đã nghiên cứu thành phần cấp phối chế tạo vật liệu UHPC có sử dụng một số nguồn cốt liệu chính ở trong nước trên cơ sở kế thừa kết quả các nghiên cứu đã công bố gần đây Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu UHPC hoàn toàn có thể chế tạo sử dụng một số nguồn cốt liệu sẵn có ở trong nước Tác giả đã tiến hành chế tạo mẫu thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi thép đến tính chất cơ học vật liệu UHPC Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc sử dụng cốt sợi thép với hàm lượng 2% thể tích đạt hiệu quả tối ưu nhất Đề tài cũng đánh giá đặc điểm hiện trạng giao thông tỉnh Thừa Thiên Huế, qua đó đề xuất nghiên cứu ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu tấm đan chắn rác, kết quả nghiên cứu đã đạt được như sau: Giảm 25% khối lượng vật liệu sử dụng khi ứng dụng vật liệu UHPC Giảm 20% chiều dày tiết diện tấm chắn rác so với vật liệu BTCT thông thường Tăng 31% diện tích thoát nước dẫn đến khả năng thoát nước tốt hơn so với tấm chắn rác bằng BTCT thông thường Ngoài ra, khi sử dụng vật liệu BTCT thường, khả năng chế tạo chỉ phù hợp cho loại đan chắn rác đơn (loại 1) Khi tăng kích thước để chế tạo loại đan đôi (loại 2) thì khó đảm bảo khả năng chịu lực hoặc tiết diện rất lớn, hiệu quả thoát nước không cao Vì vậy, việc ứng dụng vật liệu UHPC trong trường hợp này là phù hợp

Từ Khóa: Bê tông chất lượng siêu cao

DUT.LRCC

Abstract:

“ A RESEARCH ON COMPONENTS OF ULTRA-HIGH MANCE CONCRETE (UHPC) FOR THE APPLICATION OF TRANS- PORTATION STRUCTURES IN THUA THIEN HUE PROVINCE”

PERFOR-This research studied the composition of UHPC materials using some of the main aggregate materials in the country based on the results of recently pub-lished studies The results show that UHPC materials can be manufactured by using some of the aggregate materials available in the country The author gener-ated samples in the laboratory to study the effects of the steel fiber content on the mechanical properties of UHPC materials The experimental results show that the use of steel fiber reinforced with 2% volume content reaches the best efficiency This research also assesses the characteristics of the current transportation system

in Thua Thien Hue province, thereby proposing conducting a research about the application of UHPC materials for structures of trash screens The results are as follows: reducing 25% in the weight of materials when applying UHPC materials; Reducing 20% in the thickness of the cross section of the trash screen comparing with reinforced concrete materials; Increasing 31% in the drainage area that leads

to better drainage than reinforced concrete screens In addition, reinforced crete materials are only suitable for single-type trash weaving (Type 1) For man-ufacturing the double knit type (Type 2), the larger size is required that leads to unsecure capacity and larger cross sections, the low drainage efficiency as wells

con-In this case, therefore, the application of UHPC materials for the transportation system in Thua Thien Hue province, particularly in structures of trash screens is appropriate

Key words: Ultra High Performance

DUT.LRCC

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN 8

MỞ ĐẦU ………10

1.Lý do chọn đề tài: 10

2.Mục tiêu nghiên cứu: 10

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 11

4.Phương pháp nghiên cứu: 11

5.Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài: 11

6.Cấu trúc luận văn: ……… ……… 11

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU UHPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 3

1.1.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI 3

1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG GIỚI Ở VIỆT NAM 11

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CỐT LIỆU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CỐT SỢI ĐẾN CƯỜNG ĐỘ UHPC 17

2.1.TỔNG QUÁT VỀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 17

2.2.VẬT LIỆU CHẾ TẠO 17

2.2.1.Xi măng 17

2.2.2.Các phụ gia hóa học 18

2.2.3.Muội silic 20

2.2.4.Cốt liệu lớn 21

2.2.4.1.Nguồn gốc của cốt liệu 21

2.2.4.2.Thành phần cấp phối của cát Quartz 22

2.2.5.Bột Quartz 23

2.2.6.Sợi thép 25

2.3.TỶ LỆ THÀNH PHẦN CỐT LIỆU ĐIỂN HÌNH UHPC TRÊN THẾ GIỚI 26

2.4.QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU UHPC 27

2.4.1.Vật liệu thí nghiệm 27

2.4.2.Quy trình thí nghiệm 27

2.4.2.1.Thí nghiệm nén mẫu hình trụ 27

2.4.2.2.Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt 29

DUT.LRCC

2.5.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU UHPC 30

2.5.1 Thí nghiệm nén mẫu hình trụ khi xử lý số liệu đo bằng strain gauges: 38

2.5.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt:……… 39

2.5.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm:……….39

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 32

3.1.ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 32

3.1.1.Hiện trạng hệ thống giao thông 32

3.1.2.Quy hoạch phát triển kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ 37

3.1.3.Đánh giá nhu cầu ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế 38

3.2.LỰA CHỌN KẾT CẤU ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÍNH HIỆU QUẢ KHI ỨNG DỤNG VẬT LIỆU UHPC 40

3.2.1 Đặc điểm và tình hình sử dụng vật liệu cho hệ thống thoát nước đô thị thành phố Huế hiện nay:……… … 40

3.2.2.Kích thước chính tấm chắn rác bằng bê tông cốt thép thường: 42

3.2.3.Đề xuất kích thước chính tấm chắn rác bằng UHPC: 43

3.2.3.1.Tấm chắn rác loại 1: Có kích thước tương đương với tấm chắn rác hiện đang sử dụng 43

3.2.3.2.Tấm chắn rác loại 2: Có kích thước mở rộng so với tấm chắn rác hiện đang sử dụng 43

3.3.MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU BẰNG MÔ HÌNH SỐ 44

3.3.1.Phương pháp phân tích: 44

3.3.2.Mô hình hóa phần tử hữu hạn: 44

3.3.3.Các bước thực hiện: 45

3.3.3.1 Tham chiếu: 45

3.3.3.2 Phần tiền xử lý: 45

3.3.3.3 Xây dựng mô hình hình học và chia lưới: 47

3.3.3.4 Khai báo vật liệu 49

3.3.3.5 Điều kiện biên và tải trọng 60

3.3.4.Phần xử lý kết quả: 52

DUT.LRCC

3.3.4.1 Chuyển vị lớn nhất theo phương Y 53

3.3.4.2 Ứng suất lớn nhất theo phương thứ 2 54

3.3.4.3 Ứng suất lớn nhất trong cốt thép 55

3.3.4.4 Đường cong quan hệ tải trọng – độ võng : 56

3.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA VIỆC ỨNG DỤNG VẬT LIỆU UHPC CHO TẤM CHẮN RÁC 56

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DUT.LRCC

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Cầu đi bộ Sherbrooke, Quebec, Canada (1997) [5] 4

Hình 1-2 Cầu Millau, Pháp (2004) [6] 5

Hình 1-3 Chiều cao dầm bê tông UHPC và bê tông thông thường [10] 6

Hình 1-4 Cầu Mars Hill, Iowa trong quá trình lắp ghép và hoàn thiện 7

Hình 1-5 Cầu BOURG LÈS VALENCE sử dụng UHPC 8

Hình 1-6 Thi công các tấm panel mặt cầu Kaag, Sassenheim tại Hà Lan [7] 9

Hình 1-7 Cầu bắc qua sông Perak, Perak, Malaysia 10

Hình 1-8 Bể xử lý nước thải lắp đặt sẵn sử dụng tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn [24] 12

Hình 1-9 Quá trình chế tạo, thử nghiệm và ứng dụng cừ UHPC 13

Hình 1-10 Cầu Đập Đá, tỉnh Hậu Giang sử dụng vật liệu UHPC 14

Hình 1-11 Cầu Năng An – Xuân Hồi, tỉnh Ninh Bình sử dụng vật liệu UHPC 15 Hình 1-12 Cầu An Thượng, tỉnh Hưng Yên sử dụng vật liệu UHPC 16

Hình 2-1 Sơ đồ sản xuất Silica Fume 20

Hình 2-2 Mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ 22

Hình 2-3 Cát Quartz 23

Hình 2-4 Bột Quartz 25

Hình 2-5 Sợi thép 26

Hình 2-6 Kích thước mẫu hình trụ 28

Hình 2-7 Bố trí thí nghiệm nén mẫu hình trụ 28

Hình 2-8 Kích thước mẫu thí nghiệm 3 điểm uốn 29

Hình 2-9 Bố trí thí nghiệm uốn 3 điểm 29

Hình 3-1 Bản đồ hiện trạng giao thông tỉnh Thừa Thiên Huế 32

Hình 3-2 Đan thu nước và nắp hố ga bằng gang đúc 41

Hình 3-3 Đan thu nước và nắp hố ga bằng BTCT truyền thống 41

Hình 3-4 Một số hiện tượng hư hỏng kết cấu BTCT 41

Hình 3-5 Cấu tạo tấm chắn rác bê tông cốt thép thường 42

Hình 3-6 Cấu tạo tấm chắn rác UHPC loại 1 43

Hình 3-7 Cấu tạo tấm chắn rác UHPC loại 2 43

DUT.LRCC

Hình 3-8 Đặc trưng hình học của phần tử SOLID65 46

Hình 3-9 Đặc trưng hình học của phần tử LINK180 47

Hình 3-10 Mô hình 3-D chia lưới phần tử hữu hạn 47

Hình 3-10 Mô hình 3-D cốt thép 48

Hình 3-12 Mô hình 3-D chia lưới phần tử hữu hạn 48

Hình 3-13 Mô hình 3-D cốt thép 49

Hình 3-14 Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông 50

Hình 3-15 Mô hình phá hủy của bê tông 50

Hình 3-16 Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của cáp dự ứng lực 52

Hình 3-17 Chuyển vị theo phương thẳng đứng, (a) loại 1; (b) loại 2 53

Hình 3-18 Ứng suất chính lớn nhất, (a) loại 1; (b) loại 2 54

Hình 3-19 Ứng suất lớn nhất trong cốt thép, (a) loại 1; (b) loại 2 55

Hình 3-20 Đường cong quan hệ tải trọng – độ võng, (a) loại 1; (b) loại 2 56

DUT.LRCC

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Đặc tính của dầm UHPC sử dụng cho cầu BOURG LES VALENCE 7 Bảng 1-2 Một số tính chất của UHPC của dầm cầu BOURG LÈS VALENCE

sau 12 năm sử dụng [12] 8

Bảng 2-1 Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam 18

Bảng 2-2 Các tính năng của phụ gia 19

Bảng 2-3 Tiêu chuẩn ASTM về muội silic (ASTM C1240-93) 21

Bảng 2-4 Thành phần hóa học của đá Quartz 22

Bảng 2-5 Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt 23

Bảng 2-6 Thành phần hóa học của bột Quartz 24

Bảng 2-7 Thành phần cốt liệu UHPC điển hình trên thế giới [33] 26

Bảng 2-8 Cấp phối bê tông UHPC 27

Bảng 2-9 Tính chất cốt sợi thép 27

Bảng 2-10 Bảng tính chất vật liệu bê tông UHPC 31 Bảng 3-1 Thống kê cầu trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế 33DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

(Ameri-can Society for Testing and Materials)

AFGC-SETRA

Hiệp hội xây dựng Pháp (Association Française

de Génie Civil - Service d'études techniques des routes et autoroutes)

11 BSI Bê tông công nghiệp đặc biệt (Special

Indus-trial Concrete)

Perfor-mance Concrete) DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) là loại vật liệu mới, được nghiên cứu

và áp dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong vài thập kỷ gần đây Đặc tính quan trọng của loại vật liệu này là: cường độ chịu nén rất cao, có thể từ 120MPa đến hơn 200MPa; khả năng chịu kéo uốn có thể đạt tới hơn 40MPa; khả năng chịu tác động 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

DUT.LRCC

b Mục tiêu cụ thể:

Xác định các loại thành phần cốt liệu trong nước để chế tạo vật liệu UHPC Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi thép đến cường 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 và ở Việt Nam

Chương 2: Nghiên cứu thành phần cốt liệu và ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi đến cường độ UHPC

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

DUT.LRCC

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” Ban đầu các sản phẩm này được sử dụng chủ yếu cho ầm cầu đúc sẵn, tấm lát mặt cầu, nhà chờ

xe buýt Hiện nay, UHPC đã được sử dụng trong một số công trình như: sửa chữa các kết cấu làm việc trong môi trường ăn mòn, mài mòn, sử dụng cho mặt sàn các công trình có yêu cầu độ cứng lớp mặt lớn Một bước ngoặt lớn khác là năm 1997, khi Richard và Cheyrezy [3] nâng được giá trị cường độ nén của bê tông lên đến 800MPa với một số công nghệ đặc biệt khi chế tạo, bảo dưỡng và vật liệu sử dụng

Việc ứng dụng UHPC đầu tiên được công nhận là sản phẩm của Richard

và Cheyrezy [4] Sản phẩm của nhóm nghiên cứu là ứng dụng UHPC chế tạo cầu người đi bộ dự ứng lực, đúc sẵn ở Sherbrooke, Quebec - Canada năm 1997 (hình 1.1)

DUT.LRCC

Hình 1-1 Cầu đi bộ Sherbrooke, Quebec, Canada (1997) [5]

Ở Pháp, hiệp hội xây dựng (AFGC/SETRA) đi đầu trong việc nghiên cứu

về UHPC Các nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, cho cầu dự ứng lực, các công trình mang tính thẩm mỹ, nhà máy điện hạt nhân Sản phẩm UHPC

“Ductal” được sản xuất bởi Lafarge - Pháp được sử dụng rất rộng trong những công trình chịu tải lớn, những kết cấu nhà chọc trời Một trong những công trình mang tính thế kỷ của nước Pháp ứng dụng loại bê tông UHPC là cây cầu cạn Millau (Hình1.2) Đây là một cầu bắc qua thung lũng của sông Tarn gần Millau ở miền nam nước Pháp Cầu này do kiến trúc sư người Anh Norman Foster và kỹ

sư về cầu người Pháp Michel Virlogeux thiết kế và bắt đầu đưa vào thi công ngày 10/10/2001 Đây là cây cầu cao nhất thế giới, với đỉnh cao nhất của một cột của

nó là 343m, cao hơn tháp Eiffel (hình 1.2)

DUT.LRCC

Hình 1-2 Cầu Millau, Pháp (2004) [6]

Tại Đức người ta đã ứng dụng UHPC trong các kết cấu cầu, sử dụng công nghệ đúc sẵn trong nhà máy và lắp ráp Những nghiên cứu đầu tiên ở Đan Mạch chủ yếu trong lĩnh vực an ninh và quân sự Ở Seoul Hàn Quốc [7] đã nghiên cứu

và ứng dụng cho cầu người đi bộ và cầu ô tô năm 2002 Ở Nhật Bản có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng UHPC cho cầu đường bộ, trong các kết cấu chịu ăn mòn

Ở Nhật Bản và Trung Quốc [8], các nghiên cứu về UHPC rất nhiều Trên thực tế

đã có rất nhiều ý tưởng được đưa ra, như dự án "nhà siêu cao tầng – Sky City 1000” với sự nghiên cứu và liên kết của 97 công ty Nhật Bản, thiết kế một thành phố với những tòa nhà với chiều cao hàng ngàn mét và tuổi thọ là 1000 năm Công

ty Taisei tại Nhật Bản đã nêu ra một ý tưởng về những tòa nhà siêu cao tầng, dự án“X-SEED4000”; đó là thiết kế một thành phố với những tòa nhà cao 4000 m và đường kính của nền móng sẽ rộng 6000 m Hiện nay tòa nhà Bionic tại Hồng Kông, Trung Quốc đã được quy hoạch với chiều cao là 1180 m

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]:

DUT.LRCC

 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 (hình1.3)

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 Theo các nghiên cứu của FHWA, các tấm mặt cầu chế tạo bằng UHPC có các chỉ tiêu cơ lý tốt hơn so với bê tông truyền thống, chiều cao giảm đi đáng kể, đồng thời trọng lượng của nó nhẹ hơn khoảng 30% Khi đó sẽ giảm thời gian thi công, giảm chi phí nhân công, đồng thời sẽ làm tăng khả năng chịu tải của cầu cũ, làm tăng hiệu quả kinh tế

Hình 1-3 Chiều cao dầm bê tông UHPC và bê tông thông thường [10]

Cầu Mars Hill là cầu đầu tiên trên cao tốc sử dụng UHPC (hình 1.13) Với dầm chữ I nhịp dài 33 m cao 1.07 m (với bê tông truyền thống cao 1.57 m) Khi thi công người ta cũng đã loại bỏ được các thanh cốt thép chịu cắt đồng thời vẫn đảm bảo khả năng chịu lực

DUT.LRCC

Hình 1-4 Cầu Mars Hill, Iowa trong quá trình lắp ghép và hoàn thiện

Cây cầu sử dụng bê tông UHPC đầu tiên ở Pháp là cầu BOURG LES VALENCE BRIDGES (hình 1.5) với thông số như trong bảng 1.1 Cây cầu này được hoàn thành năm 2002 bởi công ty Eiffage của Pháp Trong quá trình thi công

đã sử dụng hệ lắp ghép gồm các dầm và tấm mặt cầu bằng UHPC, quá trình này

đã kết hợp được các tính năng vượt trội như cường độ rất cao, độ bền theo thời gian lớn, trọng lượng nhẹ và như vậy sẽ cho phép tạo điều kiện để thiết kế được các cấu kiện có độ bền cao hơn việc đổ bê tông tại chỗ và đặc biệt có thể thi công lắp ghép nhanh chóng, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian phong tỏa giao thông, giảm lượng nhân công, như vậy sẽ tăng rất lớn hiệu quả về kinh tế Một số tính chất của dầm UHPC sử dụng trong cầu BOURG LES VALENCE, cụ thể [11]:

Bảng 1-1 Đặc tính của dầm UHPC sử dụng cho cầu BOURG LES VALENCE

DUT.LRCC

Hình 1-5 Cầu BOURG LÈS VALENCE sử dụng UHPC

Sau 12 năm sử dụng và tiếp xúc với các tác động của môi trường, François Toutlemonde đã tiến hành đánh giá lại kết cấu dầm cầu UHPC, các kết quả cho thấy, bề mặt của dầm có xuất hiện hiện tượng gỉ của sợi thép, tuy nhiên, khi khoan mẫu để xác định cường độ, mô đun đàn hồi, mức độ thấm ion clo của mẫu tại hiện trường cho thấy, cường độ nén và mô đun đàn hồi của UHPC tăng khoảng 20% so với, cụ thể kết quả UHPC sau 12 năm được trình bày ở bảng 1.2

Bảng 1-2 Một số tính chất của UHPC của dầm cầu BOURG LÈS VALENCE

sau 12 năm sử dụng [12]

DUT.LRCC

độ nén ở tuổi 28 ngày lớn hơn 180 MPa, đây là sản phẩm của công ty bê tông Hurks Beton Công tác thi công các tấm panel mặt cầu được thể hiện trên Hình1.6

Hình 1-6 Thi công các tấm panel mặt cầu Kaag, Sassenheim tại Hà Lan [7]

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu Malaysia đã nỗ lực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng UHPC vào thực tế Nổi bật là sản phẩm với tên thương mại là DURA®, đây là sản phẩm do công ty Dura Technology Sdn Bhd - Malaysia

DUT.LRCC

nghiên cứu và chế tạo Đến nay, UHPC đã được sử dụng trong rất nhiều công trình và nhiều lĩnh tại Malaysia như: Công trình cầu, công trình chịu ăn mòn, các công trình kiến trúc [13] Một trong những công trình mang tính đột phá là cây cầu bắc qua sông Perak, với chiều dài nhịp 100m, chiều rộng là 5m (hình 1.7) Đây được đánh giá là cây cầu nhịp đơn dài nhất thế giới khi sử dụng UHPC với

Rn đạt 186MPa

Hình 1-7 Cầu bắc qua sông Perak, Perak, Malaysia

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 Chỉ dẫn cho thiết kế thi công sử dụng UHPC trong các ứng dụng kết cấu

Dầm cao 4.0m, bề rộng bản cánh 5.0m DUT.LRCC

có thể tham khảo một số tài liệu một số tổ chức trên thế giới như: chỉ dẫn thiết kế

và thi công UHPC của Hiệp hội xây dựng Pháp AFGC/SETRA [2, 11, 14], Hiệp hội xây dựng Nhật Bản năm về chỉ dẫn thiết kế và thi công UHPC, chỉ dẫn thiết

kế cho UHPC của ACI 293-2011 [15]

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 Năm 2013, tác giả Lê Trung Thành [17] đã công bố kết quả về nâng cao độ bền dẻo dai cho bê tông khi sử dụng cốt sợi, trong đó đã so sánh giữa

hệ BTT, BTCLC và UHPC, kết quả cho thấy UHPC có độ bền dẻo dai vượt trội

so với bê tông thường Gần đây (năm 2015), tác giả Văn Viết Thiên Ân [19] đã công bố kết quả về nâng cao độ bền của UHPC sử dụng trong môi trường axit sunfuric Kết quả đã khẳng định, UHPC sử dụng PGK SF hoặc hỗn hợp RHA+GBFS đã cải thiện khả năng chống ăn mòn của UHPC so với HHBT chỉ sử dụng GBFS Đến nay, các nghiên cứu về UHPC tại trường ĐH Xây dựng đã đạt được cường độ nén ở tuổi 28 ngày đạt trên 200MPa sử dụng xi măng PC40 [18]

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 Sản phẩm là UHPC với cường độ đạt 150MPa sử dụng cốt sợi thép phân tán và bảo dưỡng nhiệt ẩm Năm 2011, tác giả Phạm Duy Hữu và các cộng sự - Trường

ĐH Giao thông vận tải [21] tiến hành đề tài nghiên cứu cấp Bộ trọng điểm về công nghệ chế tạo bê tông cường độ siêu cao ứng dụng trong kết cấu cầu và nhà cao tầng Kết quả trong nghiên cứu đã đạt được cường độ nén ở tuổi 28 ngày khoảng 140MPa Trong những năm gần đây (2015), tác giả Trần Bá Việt và cộng

sự - Viện KHCN Xây dựng [22, 23] đã nghiên cứu và chế tạo thành công UHPC

ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn đạt cường độ nén đạt 150MPa sử dụng phụ gia khoáng tro trấu ở Việt Nam

DUT.LRCC

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 (Hình 1.8) Bê tông đạt cường độ uốn ở tuổi 28 ngày trên 12MPa và cường độ nén trên 120MPa Khi đó bể xử lý nước thải với dung tích 1,5 m3 đã tích hợp các thiết bị xử lý nước thải có chiều dày thành bể chế tạo là 30 mm

Hình 1-8 Bể xử lý nước thải lắp đặt sẵn sử dụng tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn

[24]

 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 (Hình 1.9)

DUT.LRCC

Hình 1-9 Quá trình chế tạo, thử nghiệm và ứng dụng cừ UHPC

 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 (Hình 1.10) Cầu có chiều dài nhịp là 18m, chiều rộng 2.2m tải trọng, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2

DUT.LRCC

Hình 1-10 Cầu Đập Đá, tỉnh Hậu Giang sử dụng vật liệu UHPC

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 (Hình 1.11) với các thông số kỹ thuật cơ bản như sau:

Hình 1-11 Cầu Năng An – Xuân Hồi, tỉnh Ninh Bình sử dụng vật liệu

UHPC

 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] Cầu có 3 dầm mặt cắt ngang chữ I và tấm ván khuôn cho thi công bản mặt cầu làm bằng vật liệu UHPC Cầu An Thượng có tổng chiều dài (tính đến đuôi mố) là 31m với tổng bề rộng mặt cắt ngang là 5m, được thiết kế 1 nhịp 21m (kết cấu UHPC có chiều dài lớn nhất lại Việt Nam tính đến thời điểm này) với hoạt tải thiết kế 0,5HL93

DUT.LRCC

Hình 1-12 Cầu An Thượng, tỉnh Hưng Yên sử dụng vật liệu UHPC 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

DUT.LRCC

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:

Trong 10 năm gần đây công nghệ bê tông đã có những bước tiến rất nhanh

Bê tông chất lượng cao (HPC) đã dần thay thế bê tông truyền thống (NC) trong các công trình xây dựng [1] Bê tông cường độ siêu caocó độ bền cao và có cường

độ nén từ 120 đến >150MPa thi công và bảo dưỡng trong điều kiện bình thường đã được tiến hành nghiên cứu ở Canada, Đan Mạch, Đức, Mỹ Trung Quốc, và Anh, Pháp [5, 7, 9, 27-31] Các kết quả nghiên cứu về bê tông cường

độ siêu cao bao gồm lựa chọn vật liệu,thiết kế thành phần,xác định các tính năng, xác định mô hình cơ học vật liệu phục vụ thiết kế kết cấu,các thử nghiệm trên kết cấu thật và đã bước đầu áp dụng trong các kết cấu nhà,bến cảng, cầuvà các công trình đặc biệt khác

Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu trên cơ sở chất dính kết

xi măng Nguyên tắc cơ bản để cải thiện tính chất của bê tông là giảm các khuyết tật, giảm thiểu tối đa các vết vi nứt và lỗ rỗng mao quản, trong bê tông Các nghiên cứu đầu tiên về bê tông này ở Pháp và Canada sử dụng xi măng trong khoảng 900-1200 kg/m3

2.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO:

Trong chương này, trình bày các nghiên cứu về vật liệu để chế tạo bê tông cường độ siêu cao như: xi măng, cốt liệu, bột, muội silic, nước, chất siêu dẻo, sợi thép

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]

DUT.LRCC

Bảng 2-1 Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam

và độ bền theo thời gian của bê tông

Chất làm chậm góp phần kiểm soát quá trình hydrat hóa ban đầu vì vậy nó tạo cho bê tông tốc độ đông kết mong muốn trong các điều kiện thời tiết được dự kiến trước

Các chất giảm nước thông thường ASTM C494 kiểu A có tác dụng làm tăng cường độ, kéo dài thời gian đông kết, độ sụt của bê tông tăng khoảng 2 lần

Chất giảm nước cao ASTM C494 loại F và G mang lại cường độ cao hơn

và sớm hơn Chất giảm nước cao nhằm mục đích tăng cường độ nếu giữ nguyên

độ sụt hoặc tăng độ sụt từ 3-4 lần nếu giữ nguyên cường độ Ở Việt Nam các chất này gọi là các phụ gia siêu dẻo đã được dùng phổ biến trong các công trình cầu lớn với liều lượng từ 0,5-3 lít/100kg xi măng

Phụ gia siêu dẻo:

Có 5 loại phụ gia siêu dẻo thuộc 3 thế hệ: thế hệ 1 là A, thế hệ 2 là B và thế hệ 3 là C

+ A- Ligno Sul phonates (LS): Là phụ gia siêu dẻo thế hệ 1 từ các chất cao phân tử tự nhiên Lignin (từ gỗ và senlulo), độ giảm nước tối đa là 10%, có thể làm chậm đông kết, độ sụt giảm 30% sau 30 phút, lượng dùng ≈ 2,5% lượng

xi măng

DUT.LRCC

+ B1-Polime gốc sulphonat melamin: Phụ gia siêu dẻo gốc URE và madehyd có tác dụng giảm nước tối đa đến 25%, lượng dùng từ 1,5-2,5%khối lượng xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 40 phút và cho cường độ sớm (R3

Phor-= 0,85R28), thời gian thi công ngắn, tỷ lệ N/X < 0,4 và phù hợp với khí hậu nóng

+ B2 – Naphthalen Sulphonat Polycondesat : Nguồn gốc từ than đá, giảm nước tối đa 25%, lượng dùng 1,5-2,5% khối lượng xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 50 phút

+ B3 – Chất siêu dẻo thế hệ thứ hai: Vinylcopolyme: Thành phần chính là : Sunfonat Vinylcopolyme (dầu thô) giảm nước tối đa đến 30%, lượng dùng 1,5-2% khối lượng xi măng, giảm độ sụt ban đầu đến 50% sau 100 phút, tạo ra độ sụt đến 22 cm, kéo dài thời gian thi công

+ C – Chất siêu dẻo thế hệ ba: PolyCarboxylat (PC): Gốc Polyme cao phân tử tổng hợp, giảm nước tới 40 % (tỷ lệ N/X có thể đến 0,27), bê tông có thể đạt đến độ sụt 22 cm, cho cường độ cao, duy trì được tính công tác trong thời gian dài Loại phụ gia đặc biệt này có thể thay đổi cấu tạo phân tử để phụ gia phù hợp với các yêu cầu đặc biệt Với bê tông cường độ siêu cao thường dùng chất phụ gia siêu dẻo loại PC (phụ gia siêu dẻo thế hệ thứ 3); với bê tông tự đầm

có thể dùng loại cải tiến là: Polyme Viscocrete (PV)

Các phụ gia siêu dẻo có thể thí nghiệm theo tiêu chuẩn Anh – BS 5075; ASTM – C494 Ở Việt Nam có thể chọn các chất siêu dẻo chế tạo trong nước và các sản phẩm của Sika, của Đức, Ý, của Mỹ

Ở Việt Nam, sử dụng phụ gia PolyCarboxylat của hãng Sika Việt Nam với kí hiệu 3000-20 (chất siêu dẻo thế hệ thứ 3) với các tính năng như trong bảng 2.2:

Bảng 2-2 Các tính năng của phụ gia

DUT.LRCC

Điều kiện lưu trữ Lưu trữ trong điều kiện khô ráo,tránh ánh nắng mặt trời

trực tiếp và nhiệu độ từ +5C và 30C Thời hạn sử dụng 6 tháng nếu lưu trữ đúng cách trong bao bì nguyên chưa mở

Muội silic gồm các hạt thủy tinh rất mịn với một diện tích bề mặt lên tới 20.000 m2/kg khi được đo bằng phương pháp hấp thụ Nitơ Sự phân bố bề mặt kích thước hạt của một loại muội silic điển hình cho thấy hầu hết các hạt đều nhỏ hơn 1m với đường kính trung bình khoảng 0,1m nhỏ hơn kích thước của hạt xi măng gấp 100 lần Trọng lượng riêng của muội silic phổ biến là 2,2g/cm3, nhưng cũng có thể cao hơn 2,5g/cm3

Khối lượng thể tích được lựa chọn từ 320kg/m3

160-Muội silic vì có hàm lượng dioxit silic và độ mịn cực cao nên là vật liệu

có hiệu ứng Puzolanic cao Muộisilic phản ứng với Ca(OH)2 trong quá trình hydrat hóa xi măng để tạo ra hợp chất kết dính bền vững-CSH (canxi Silicat hy-drat) Muội silic được sử dụng làm phụ gia cho bê tông cường độ cao và b tông cường độ siêu cao Hàm lượng muội silic thông thường nằm trong phạm vi từ 5-15% lượng xi măng Sơ đồ sản xuất của Silica Fume trình bày ở hình 2.1

Hình 2-1 Sơ đồ sản xuất Silica Fume

DUT.LRCC

Các thành phần hóa học của muội Silic theo tiêu chuẩn ASTM được trình bày ở bảng 2.3

Bảng 2-3 Tiêu chuẩn ASTM về muội silic (ASTM C1240-93)

Độ mịn (lượng tích lũy trên sàng 45m) (%)

Khối lượng riêng (kg/m3

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 Thời gian gần đây 46, 36khi nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao người ta thường sử dụng cát Quartz Việc sử dụng cát Quartz với kích thước hạt nhỏ sẽ làm cho tính đặc chắc của bê tông được tăng cao, ngoài ra cường độ của

bê tông cũng được cải thiện đáng kể và giảm được hàm lượng chất kết dính 33

Loại cát Quartz sử dụng để chế tạo UHPC ở Việt Nam được nghiền từ loại đá Quartz tại mỏ Thanh Sơn-Phú Thọ, như ở hình 2.2

DUT.LRCC

Hình 2-2 Mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ

Đá Quartzit này là loại đá thuộc nhóm đá biến chất, kiến trúc hạt biến tinh với cấp hạt mịn là chính Thành phần khoáng vật chủ yếu là thạch anh, ngoài ra còn gặp xirexit, fenpat được trình bày ở bảng 2.4 Loại đá này có màu vàng, trắng, hồng nhạt hoặc xám Đá rất cứng, khó bị phong hóa khi lộ ra ngoài không khí Ở Việt Nam thường gặp nhiều ở Thanh Hóa, Phú Thọ, Lạng Sơn…

Bảng 2-4 Thành phần hóa học của đá Quartz

STT Tên chỉ tiêu khoáng hóa Kết quả Đơn vị Phương pháp thử

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 Cường độ nén của bê tông phụ thuộc vào độ dày của lớp vữa tối đa Điều đó lý giải rằng xu thế hiện nay, tùy theo công nghệ và giá thành của việc

DUT.LRCC

nghiền nhỏ cốt liệu mà người ta đã sử dụng cốt liệu đường kính từ 0- 0,5 mm hoặc 0-0,6 mm hoặc 0-0,8 mm

Cát quartz dùng để chế tạo bê tông cường độ siêu cao là loại cát có đường kính nhất định sau khi nghiền mịn đá Quarzt gốc và sàng với kích thước nhỏ tùy theo từng yêu cầu của mỗi thí nghiệm mà người ta có kích thước hạt cát Quartz riêng Ở Việt Nam đã khai thác chế tạo cát Quartz từ mỏ Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ (hình 2.3), thành phần cấp phối hạt như trong bảng 2.5

Bảng 2-5 Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt

Cỡ sàng (mm)

DUT.LRCC

0,716 33 Do tỷ lệ N/X thấp, nên chỉ có một phần xi măng được thuỷ hoá, các hạt xi măng không thuỷ hoá nằm trong hỗn hợp và có vai trò như cốt liệu, các hạt

xi măng có độ cứng thấp nên không tốt cho vai trò cốt liệu.Vì vậy nếu chúng ta thay thế bằng bột thạch anh trơ, cứng, thì chúng ta sẽ giảm bớt được hàm lượng

xi măng trong bê tông và phần bột này sẽ đóng vai trò của cốt liệu tốt hơn nhiều

so với bột xi măng chưa được thủy hóa

Khái niệm về bột là bao gồm xi măng cộng với bột mịn và muội silic Tài liệu28 của trường đại học Kassel Đức đã tổng kết và cho thấy rằng có thể sử dụng bột đá vôi, bột Quartz hoặc bột tro bay; tuy nhiên các nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng bột đá vôi ít có hiệu quả nhất, mà chủ yếu là sử dụng bột Quartz

Có thể sử dụng 2 loại bột Quartz là Q1 hoặc Q2 (theo cách phân tích của ASTM):

- Bột Quartz Q1 có đường kính trung bình 2,92 μm và có độ đặc là 47% theo thể tích, tỷ diện tích 18.000 cm2/g

- Bột Quartz Q2 có đường kính trung bình 42 μm và có độ đặc là 48.6% theo thể tích, tỷ diện tích 3.590 cm2/g

Thông thường hiện nay trên thế giới sử dụng bột Quartz có đường kính trung bình từ 5 – 30μm với liều lượng sử dụng từ 0-30% khối lượng xi măng; tương ứng với nó thì giảm lượng xi măng trong bê tông từ 30 – 0 %

Ở Việt Nam sử dụng bột Quartz được nghiền nhỏ từ đá Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ với đường kính khoảng 27,9m (hình 2.4) Thành phần hóa học của loại bột đá này như trong bảng 2.6

Bảng 2-6 Thành phần hóa học của bột Quartz

STT Tên chỉ tiêu khoáng hóa Kết quả Đơn vị Phương pháp thử

Hình 2-4 Bột Quartz

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 Với bê tông cường độ siêu caotrên thế giới thường sử dụng cốt sợi thép có giới hạn chảy từ 2.000 – 2.600MPa Các thử nghiệm bê tông cường độ siêu cao ở Đức, Hàn Quốc, Pháp sử dụng các sợi thép có đường kính 0,25 mm và chiều dài 13 -:-17 mm., giới hạn chảy là 2.500 Mpa

Theo tài liệu [27] các nghiên cứu ở Thổ Nhĩ Kỳ thì đề nghị sử dụng sợi thép L = 6mm và D = 0,15 mm, khối lượng riêng là 7,85g/cm3, giới hạn chảy là 2.250 MPa Theotài liệu [28] thì sử dụng sợi thép đường kính là 0,2 mm và chiều dài là 13 mm, giới hạn chảy là 2.500 MPa Theo tài liệu [30] các nghiên cứu ở Thuỵ Sỹ thì đề nghị sử dụng sợi thép L = 25 mm và đường kính là D = 0,16 mm Theo tài liệu [49] của Ủy ban đường cao tốc Hoa Kỳ năm 2006 sợi thép được sử dụng do công ty Bekaert có đường kính là 0,2 mm, dài 12,7 mm và có giới hạn chảy là 2.600 MPa

DUT.LRCC

Đã có nhiều nghiên cứu ở Châu Âu, Châu Á và ở Mỹ 36, 43, 49

sử dụng sợi thép trong bê tôngcường độ siêu cao là các sợi thép cường độ cao, chiều dài l=13mm, đường kính D=0,2mm, với hàm lượng từ 1,0 đến 3,0% Tuy nhiên hiệu quả nhất từ các kết quả thí nghiệm trên thế giới đã chỉ ra rằng sử dụng với hàm lượng 2% thì sẽ phát huy năng lực của các sợi thép, đạt được độ dai của bê tông trong quá trình chịu lực và thuận tiện cho công tác nhào trộn

bê tông

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

Hình 2-5 Sợi thép

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 2-7 Thành phần cốt liệu UHPC điển hình trên thế giới [33]

Thành phần vật liệu Kg/m 3 Tỷ lệ % theo khối lượng

Nước 110 - 260 5 - 8

Kích thước lớn nhất của cốt liệu

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 2-8 Cấp phối bê tông UHPC

Hàm lượng

cốt sợi

Lượng vật liệu tính cho một m3, kg