Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu

Hiện nay trên thế giới đang tiếp tục tập trung nghiên cứu và phát triển loại vật liệu bê tông mới này và đã từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, nhà cao tầng, các cô

NGUYỄN LỘC KHA

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN,TÍNH CHẤT CƠ HỌC

BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VÀ ỨNG DỤNG

TRONG KẾT CẤU CẦU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN LỘC KHA

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ HỌC

BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VÀ ỨNG DỤNG

TRONG KẾT CẤU CẦU

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ: 62.58.25.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS-TS Phạm Duy Hữu

2 PGS-TS Nguyễn Ngọc Long

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả luận án

Nguyễn Lộc Kha

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thày, cô Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận ánTiến sĩ Kỹ thuật

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 Nghiên cứu sinh niên khóa 2010 – 2014đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này;

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Duy Hữu,

PGS.TS Nguyễn Ngọc Long đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên cứu đề tài,

hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Lộc Kha

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 4

1.1 Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã được công bố trên thế giới 4

1.1.1 Mở đầu: 4

1.1.2 Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ 45; 48; 49 5

1.1.3 Các nghiên cứu và ứng dụng về bê tông cường độ siêu cao ở Châu Âu và Châu Á 9

1.1.4 Các vật liệu chế tạo của bê tông cường độ siêu cao 13

1.1.5 Các ứng xử cơ học của bê tông cường độ siêu cao 17

1.1.6 Độ đặc và độ khuếch tán Ion Clo của bê tông cường độ siêu cao 20

1.1.7 Co ngót và từ biến của bê tông cường độ siêu cao 22

1.1.7.1 Co ngót 22

1.1.7.2 Từ biến: 23

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã được công bố ở Việt Nam 23

1.3 Mục tiêu của đề tài 24

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 24

1.5 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 27

2.1 Tổng quát về thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao 27

2.2 Vật liệu chế tạo 27

2.2.1 Xi măng 27

2.2.2 Các phụ gia hóa học 29

2.2.3 Muội silic 31

2.2.4 Cốt liệu lớn 34

2.2.5 Bột 37

2.2.6 Sợi thép 39

2.3 Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc 40

2.3.1 Mở đầu 40

2.3.2 Tối ưu hóa cường độ siêu cao bằng việc sử dụng mô hình độ đặc 41

2.3.3 Các nguyên tắc chính để tạo ra thành phần bê tông cường độ siêu cao 43

2.3.4 Thành phần hạt đảm bảo độ đặc cao phù hợp cấp phối hạt tối ưu 44

2.4 Thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao 45

2.4.1 Mở đầu 45

2.4.2 Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông 46

2.4.3 Kết quả thiết kế 49

2.4.4 Kiểm tra cấp phối 51

2.5 Kết luận chương 2 51

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ NÉN, UỐN VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 52

3.1 Mở đầu 52

3.1.1 Cường độ chịu nén 52

3.1.2 Ứng xử kéo khi uốn 53

3.1.3 Quy trình thí nghiệm uốn mẫu lăng trụ và phân tích 54

3.1.4 Kích thước mẫu (theo tiêu chuẩn Châu Âu) 54

3.2 Chế tạo các mẻ trộn thử 57

3.2.1 Kế hoạch thí nghiệm 57

3.2.2 Hỗn hợp bê tông thử nghiệm 58

3.3 Các kết quả thí nghiệm 60

3.3.1 Kết quả thử nghiệm độ chảy lan, cường độ chịu nén theo bảng 3.6; 3.7; 3.8 và

các hình 3.3; 3.4; 3.5; 3.6 60

3.3.2 Kết quả thử nghiệm cường độ chịu kéo - uốn 63

3.3.3 Thử nghiệm Mô đun đàn hồi 70

3.3.4 Kết luận về khả năng chịu nén, kéo khi uốn và mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao 73

3.4 Qui trình chế tạo bê tông cường độ siêu cao 73

3.4.1 Giới thiệu 73

3.4.2 Trình tự và thời gian trộn 74

3.4.3 Vận chuyển bê tông cường độ siêu cao 76

3.4.4 Đổ và đầm chắc 76

3.4.5 Dưỡng hộ bê tông 77

3.5 Kết luận chương 3 78

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ DẦM CẦU SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 79

4.1 Đặt vấn đề nghiên cứu 79

4.2 Cơ sở nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ siêu cao 80

4.2.1 Phương pháp nghiên cứu 80

4.2.2 Mục đích nghiên cứu 81

4.3 Chuẩn bị mẫu dầm thí nghiệm 82

4.3.1 Tính toán hỗn hợp cấp phối 82

4.3.2 Sản xuất mẫu dầm để thí nghiệm 82

4.4 Phương pháp và trình tự thí nghiệm dầm 85

4.4.1 Thiết bị thí nghiệm 85

4.4.2 Phương pháp thí nghiệm 85

4.4.3 Sơ đồ tính của dầm thí nghiệm23,43 85

4.4.4 Quá trình thí nghiệm: 86

4.5 Thu thập kết quả thí nghiệm 87 4.5.1 Số liệu kết quả thí nghiệm của các tổ hợp dầm 87 4.5.2 Tổng hợp tải trọng – độ võng của các dầm thí nghiệm tại 3 thời điểm đặc biệt91 4.5.3 Giá trị Mô men uốn thí nghiệm (Mtn) và cường độ kéo khi uốn của các tổ hợp dầm thí nghiệm theo công thức 4.3 và 4.4 92 4.6 Nhận xét kết quả thí nghiệm: 92 4.7 Tính toán và phân tích kết quả thí nghiệm 94 4.7.1 Xác định mối quan hệ giữa độ võng và độ mở rộng vết nứt (-w) theo hướng dẫn của SETRA/AFGC42 94 4.7.2 Xác định các mối quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt(-w); ứng suất – biến dạng (-) và quan hệ giữa mở rộng vết nứt và biến dạng (w-) 96 4.8 Phân tích công thức tính cường độ chịu kéo khí uốn của dầm (  ) 101 4.8.1 Sơ đồ tính toán: 101 4.8.2 Tính toán các hệ số của công thức tính khả năng chịu uốn của dầm (công thức 4-1) 103 4.8.3 Tính toán kết quả theo ACI-544 23và Imam et al 43, 49 104 4.8.4 So sánh khả năng chịu uốn của dầm thí nghiệm với khả năng chịu uốn của dầm khi tính theo ACI-544 23 và Imam et al 43, 49 105 4.8.5 Tính toán lại hệ số K trong công thức 4-1 từ kết quả thí nghiệm 105 4.9 Xây dựng các biểu đồ ( - ) ; (-) ; ( - w) từ kết quả thí nghiệm theo các hướng dẫn của SETRA / AFGC42 109 4.9.1 Xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng ( - )bê tông vùng nén của các dầm thí nghiệm,hình 4.10 109 4.9.2 Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – biến dạng vùng kéo ( - ) của các dầm thí nghiệm,hình 4.11 110 4.9.3 Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – độ võng ( - ) của các dầm thí nghiệm, hình 4.12 110 4.9.4 Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – độ mở rộng vết nứt (-w) của các dầm thí nghiệm, hình 4.13 111

4.10 Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông cường độ siêu

cao 112

4.10.1 Các tiêu chuẩn viện dẫn 112

4.10.2 Các phương pháp phân tích ứng xử uốn dầm cầu bằng bê tông cường độ siêu cao trên thế giới 113

4.10.3 Các số liệu từ thực nghiệm phục vụ cho việc phân tích ứng xử uốn của dầm cầu dự ứng lực bằng bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao 121

4.10.4 Khả năng chống cắt của bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao 122

4.10.5 Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao dự ứng lực cấp 130MPa 123

4.10.6 Mô tả mặt cắt ngang dầm I (theo bảng 4.14 và 4.15) 125

4.10.7 Vật liệu chế tạo dầm(bảng 4.16) 126

4.11 Kết luận chương 4 133

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134

1 KẾT LUẬN 134

2 KIẾN NGHỊ 136

3 CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 136

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thành phần BTCĐSC điển hình của một số nước Châu Âu 15

Bảng 1.2 Thành phần BTCĐSC điển hình theo Cục đường bộ Hoa Kỳ 15

Bảng 1.3: Độ rỗng chứa nước của các loại bê tông 22

Bảng 1.4: Hệ số khuếch tán Ion Clo của các loại bê tông 22

Bảng 2.1: Thành phần khoáng vậtcủa xi măng (%) theo ASTM 28

Bảng 2.2: Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam 28

Bảng 2.3: Các tính năng của phụ gia 31

Bảng 2.4: Tiêu chuẩn ASTM về muội silic 32

Bảng 2.5: Thành phần hóa học của đá Quartz 35

Bảng 2.6: Cấp phối của cốt liệu cát Quartz (% lọt sàng) 36

Bảng 2.7: Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt 36

Bảng 2.8: Thành phần hóa học của bột Quartz 38

Bảng 2.9: Lượng lọt sàng (%) của bột Quartz nghiền 39

Bảng 2.10: Các đặc tính độ đặc của vật liệu 45

Bảng 2.11: Tính toán độ đặc của hỗn hợp 48

Bảng 2.12: Công thức thiết kế bê tông cường độ siêu cao 49

Bảng 3.1: Độ võng đạt được khi tiến hành thí nghiệm 56

Bảng 3.2: Kế hoạch thí nghiệm 57

Bảng 3.3: Số mẫu cho mẻ trộn thử 58

Bảng 3.4: Thành phần vật liệu chế tạo 58

Bảng 3.5: Thành phần trộn mẫu thí nghiệm 59

Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm độ chảy lan 60

Bảng 3.7: Kết quả cường độ chịu nén 61

Bảng 3.8: Cường độ trung bình của các nhóm mẫu 62

Bảng 3.9: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 65

Bảng 3.10: Cường độ chịu kéo khi uốn khi xuất hiện các vết nứt đầu tiên 66

Bảng 3.11: Cường độ chịu kéo khi uốn lớn nhất 67

Bảng 3.12: Cường độ chịu kéo khi uốn ứng với độ võng 10mm 68

Bảng 3.13: Quan hệ giữa cường độ và biến dạng của bê tông cường độ siêu cao 69

Bảng 3.14: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông cường độ siêu cao 72

Bảng 3.15: Thành phần cơ bản của bê tông cấp phối C3 73

Bảng 4.1: Cấu tạo, diện tích và tỉ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo 83

Bảng 4.2: Cường độ chịu nén và Mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao nhóm mẫu C3 84

Bảng 4.3: Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cường độ siêu cao 84

Bảng 4.4:Số liệu kết quả thí nghiệm của các dầm 88

Bảng 4.5: Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm tải trọng - độ võng 91

Bảng 4.6: Tổng hợp Mô men và cường độ giới hạn kéo uốn tại 3 thời điểm 92

Bảng 4.7: Kết quả thực nghiệm và tính toán các giá trị tại các điểm độ mở rộng vết nứtdanh định đặc trưng (CMOD) 98

Bảng 4.8: Kết quả tính toán các hệ số của công thức 4-1 103

Bảng 4.9: Kết quả tính toán theo thí nghiệm, theo Imam và ACI-544 104

Bảng 4.10: Đối chiếu momen kháng uốn từ thực nghiệm với momen kháng uốn tính toán theo Imam và ACI-544 105

Bảng 4.11: Kết quả tính toán thực nghiệm tại các điểm danh định đặc trưng 106

Bảng 4.12: Các giá trị tính toán của bê tông cường độ 130MPa 121

Bảng 4.13: Đặc tính dầm tính toán 124

Bảng 4.14: Kích thước mặt cắt ngang dầm I L = 33m , h = 1,65m 125

Bảng 4.15: Kích thước mặt cắt ngang dầm I, L = 33m, h = 1,10 m 125

Bảng 4.16: Đặc tính vật liệu chế tạo dầm 126

Bảng 4.17: Đặc tính vật liệu cáp cường độ cao 127

Bảng 4.18: Kết quả tính toán độ võng do hoạt tải dầmH=1100mm 130

Bảng 4.19: Kết quả tính toán độ võng do tĩnh tải dầm H=1100mm 130

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Tương quan về chiều cao và trọng lượng giữa dầm bê tông truyền

thống và dầm bê tông cường độ siêu cao 5

Hình 1.2: Thiết kế mặt cầu lắp ghép từ bê tông cường độ siêu cao 7

Hình 1.3: Sơ đồ sản xuất mặt cầu từ bê tông cường độ siêu cao 7

Hình 1.4: Thi công mặt cầu lắp ghép và mối nối mặt cầu bằng bê tông cường độ siêu cao tại công trường 7

Hình 1.5: Các thí nghiệm dầm bê tông cường độ siêu cao của FHWA 8

Hình 1.6: Cầu đường ô tô năm 2005 và cầu dàn thép mặt sàn là bê tông cường độ siêu cao lắp ghép năm 2006 8

Hình 1.7: Các cầu sử dụng BTCĐSC mặt cắt dầm chữ T và chữ  xây dựng trên đường cao tốc Hoa Kỳ năm 2008 9

Hình 1.8: Dầm cầu có mặt cắt chữ П dùng BTCĐSC do FHWA thiết kế 9

Hình 1.9: Tương quan về trọng lượng trên 1 mét dài dầm theo Ductal 10

Hình 1.10: Cầu người đi bộ ở Seoul Hàn Quốc năm 2002 12

Hình 1.11: Cầu người đi bộ năm 1999 tại Sherbrooke 12

Hình 1.12: Mái nhà cửa sổ Millau bằng BTCĐSC năm 2004 12

Hình 1.13: Cầu Bourg –lès – Valence, France bằng BTCĐSC năm 2004 13

Hình 1.14: Thử nghiệm khả năng chịu công phá của bê tông cường độ siêu cao làm boongke trong các căn cứ quân sự của Iran năm 2008 13

Hình 1.15: Sợi thép được sử dụng phổ biến trong BTCĐSC 16

Hình 1.16: Các thành phần vật liệu chủ yếu của BTCĐSC 16

Hình 1.17: cấu trúc của các vật liệu chèn lấp lỗ rỗng của bê tông cường độ siêu cao 16

Hình 1.18: Sự phân bố thành phần hạt của bê tông cường độ siêu cao 17

Hình 1.19: Ảnh hưởng của các loại sợi đến cường độ của BTCĐSC 17

Hình 1.20: Quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt của bê tông cường độ siêu cao theo SETRA/AFGC 18

Hình 1.21: Quan hệ ứng ứng suất – độ mở rộng vết nứt theo DIN 19

Hình 1.22: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông cường độ siêu cao theo SETRA/AFGC (Pháp) 19

Hình 1.23: Quan hệ ứng suất – biến dạng đặc trưng theo DIN 20

Hình 1.24: Quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén 20

Hình 1.25: Cấu trúc vi mô của bê tông cường độ siêu cao và bê tông cường độ cao 21

Hình 1.26: Sự phân bổ kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao 21

Hình 1.27: Thí nghiệm độ khuếch tán Ion Clo bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao 22

Hình 2.1: Sơ đồsản xuất Silica Fume 32

Hình 2.2: Biểu đồ phân tích thành phần hóa học các khoáng siêu mịn 33

Hình 2.3: Muội silic 34

Hình 2.4: Mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ 34

Hình 2.5: Cát Quartz 37

Hình 2.6: Bột Quartz 38

Hình 2.7: Sợi thép 40

Hình 2.8: Biểu đồ thành phần hạt của các cốt liệu tính toán 50

Hình 2.9: Cấp phối hạt của bê tông thiết kế đối chiếu với cấp phối Fuller 51

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm 55

Hình 3.2: Mẻ trộn thử 60

Hình 3.3: Thí nghiệm độ chảy lan 60

Hình 3.4: Mẫu thử nén và uốn 61

Hình 3.5: Thí nghiệm nén 62

Hình 3.6: Dạng phá hoại 62

Hình 3.7: Quan hệ giữa cường độ chịu nén theo thời gian 63

Hình 3.8: Quan hệ giữa cường độ chịu nén với tỷ lệ N/CKD 63

Hình 3.9: Thí nghiệm uốn 64

Hình 3.10: Thí nghiệm uốn và dạng phá hoại mẫu 64

Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng 65

Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất - biến dạng của bê tông cường độ siêu cao nhóm mẫu C3lập theo hướng dẫn của SETRA-AFGC 70

Hình 3.13: Thí nghiệm mô đun đàn hồi 71

Hình 4.1: Biểu đồ ứng suất và biến dạng của kết cấu dầm chịu uốn theo ACI -544 80

Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo và thí nghiệm 9 dầm 82

Hình 4.3: Các hình ảnh đúc 9 dầm thí nghiệm 83

Hình 4.4: Các dầm đã hoàn thiện trước khi thí nghiệm 84

Hình 4.5: Sơ đồ tính toán của dầm thí nghiệm 85

Hình 4.6: Các hình ảnh trong quá trình thí nghiệm dầm 86

Hình 4.7: Hình ảnh dầm phá hoại khi thí nghiệm 86

Hình 4.8: Biểu đồ tải trọng và độ võng của các dầm thí nghiệm 91

Hình 4.9: Sơ đồ phân tích quan hệ giữa độ võng và độ mở rộng vết nứt 94

Hình 4.10: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén các dầm thí nghiệm 109 Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất – biến dạng (-) vùng kéo của các tổ hợp dầm 110

Hình 4.12: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất - độ võng ( - ) của các tổ hợp dầm thí nghiệm 110

Hình 4.13: Biểu đồ quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt (-w) của các tổ hợp dầm thí nghiệm 111

Hình 4.14: Biểu đồ xác định hệ số β 116

Hình 4.15: Biểu đồ khối ứng suất của bê tông thường 118

Hình 4.16: Biểu đồ khối ứng suất của bê tông cốt sợi cường độ cao HPC 118

Hình 4.17: Biểu đồ ứng xử ứng suất – biến dạng dọc trục từ kết quả thức nghiệm để thiết kế uốn cho dầm I bê tông cường độ siêu cao 122

Hình 4.18: Sơ đồ bố trí cáp dọc dầm h=1,1m 128

Hình 4.19: Các đặc trưng hình học mặt cắt đầu dầm h=1,1m 128

Hình 4.20: Các đặc trưng hình học mặt cắt giữa dầm h=1,1m 129

Hình 4.21: Sơ đồ tính độ võng của dầm theo TCN 272-05 129

Hình 4.22: Biểu đồ Mn/Mu khi cấp bê tông và chiều cao dầm thay đổi 132

Hình 4.23: Biểu đồ Vn/Vu khi cấp bê tông và chiều cao dầm thay đổi 132

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTCT : Bê tông cốt thép

BTCĐSC : Bê tông cường độ siêu cao

TCN : Tiêu chuẩn ngành

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

GTVT : Giao thông vận tải

AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials

(Hiệp hội các viên chức đường bộ và vận tải Mỹ) ACI : American Society for Testing and Materials (Hội thí nghiệm và vật

liệu Mỹ) CEB : Comité Européen du Béton (Uỷ ban Bê tông Châu Âu)

FIP : Fédération Internationale de la Précontraninte (Hiệp hội quốc tế về dự

ứng lực) JSCE : Japan Society of Civil Engineers (hội Kỹ sư Xây dựng Nhật Bản) RILEM : International Union of Laboratories and Experts in Contruction

Materials, Systems and Structures (Hiệp hội quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia về vật liệu xây dựng, hệ thống, kết cấu)

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

CMOD : Biến dạng hoặc độ nở rộng vết nứt danh định

FHWA : The Feleral Highway Administration and Department of

Transportation US (Cục đường bộ Hoa Kỳ)

UHSFRC : Ultra-High Steel Fibre Reinforced Concrete

AFGC : Association Francaise de Genie Civil (hội Kỹ sư Xây dựng Pháp) HPC : High Performance Concrete (Bê tông chất lượng cao)

UHPC : Ultra-High Performance Concrete (Bê tông siêu cường độ)

MỞ ĐẦU

Bê tông cường độ siêu sao là một loại vật liệu mới, được nghiên cứu và ứng dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong vài thập kỷ gần đây Đặc tính của loại bê tông này là có cường độ chịu nén rất cao có thể lên đến từ 100 -:- >200MPa, khả năng chịu kéo khi uốn lên đến 40MPa, khả năng chịu cắt tăng cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và đặc biệt là có độ bền và sự ổn định lâu dài Hiện nay trên thế giới đang tiếp tục tập trung nghiên cứu và phát triển loại vật liệu bê tông mới này và đã từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu công trình

Ở Việt Nam, đang phát triển cơ sở hạ tầng, nhiều công trình cầu, đường, hiện đại đang được xây dựng, nên việc nghiên cứu phát triển một loại vật liệu bê tông mới có cường độ siêu cao để tăng khả năng chịu lực, độ bền của công trình là vấn đề cần thiết

Chúng ta có thể nghĩ đến khả năng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu ở Việt Nam để có thể áp dụng thay thế cho một số dạng kết cấu cầu, đường bộ hiện nay và từng bước nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao này trong thiết kế một số các kết cấu của công trình cầu, đường, các nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác

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

nghiên cứu Đó chính là lý do Nghiên cứu sinh chọn đề tài để nghiên cứu

Tên đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông

cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu”

Mục đích nghiên cứu: Khi nghiên cứu vấn đề mới thì có thể đi theo

một trong hai hướng như sau:

Hướng lý thuyết: Nghiên cứu đề ra một lý thuyết mới về bê tông

cường độ siêu cao Về vấn đề này lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu

đã được Larard đề cập năm 1991 33, 34 Sau đó các hướng dẫn thành phần

theo cấp phối tối ưu của Fuller năm 1997 26 Các nghiên cứu thực nghiệm định lượng để đưa ra các hướng dẫn tính toán được thực hiện bỡi SETRA/AFGC (Pháp) năm 2002 42; phương pháp thiết kế theo DIN (Đức)

24; phương pháp thiết kế theo phân tích thực nghiệm ACI-544 23… Các

lý thuyết này nghiên cứu sinh sử dụng trong nghiên cứu của mình

Hướng thực nghiệm: Với điều kiện thi công, điều kiện về nhiệt độ,

điều kiện về tình hình vật liệu của mỗi khu vực, địa phương…Tùy theo phương pháp tính khác nhau thì cần thiết định lượng lại cho chính xác thông qua thực nghiệm và cũng từ thực nghiệm xác định các hệ số của các công thức nhờ vào phương pháp thống kê Đây cũng là một hướng được một số nước thực hiện như Hàn Quốc 43, Mỹ 45, 49… Đây là hướng thực hiện

và mục đích của nghiên cứu sinh thực hiện; tức là tiến hành theo hướng định lượng lại mô hình vật liệu từ các điều kiện vật liệu ở Việt Nam thông qua các thí nghiệm Thông qua thí nghiệm các tổ hợp dầm xác định lại hệ số K trong các công thức lý thuyết tính cường độ chịu kéo khi uốn của kết cấu dầm từ loại vật liệu Việt Nam nhằm tạo ra các thông số phục vụ tính toán kết cấu

Đối tượng nghiên cứu: Từ vật liệu trong nước,nghiên cứu thực

nghiệm, định lượng lại mô hình vật liệu và chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao có cường độ 120 -:- 140MPa và ứng dụng trong kết cấu cầu

Phạm vi nghiên cứu: Định lượng lại mô hình vật liệu thông qua thí

nghiệm, Phân tích thực nghiệm ứng xử uốn của dầm để tìm hệ số K, phân tích ứng xử uốn dầm cầu để xác định chiều cao mới của dầm cầu khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao Nghiên cứu sinh chỉ nghiên cứu dầm cầu dưới tác dụng của tải trọng tỉnh, các tải trọng động, tải trọng lặp chưa đề cập trong luận án này Về vật liệu bê tông cường độ siêu cao chỉ nghiên cứu về thành phần vật liệu, cường độ nén, kéo uốn, mô đun đàn hồi Các vấn đề về co ngót, biến dạng và thấm Clo là những vấn đề lớn chưa thực hiện ở luận án này và được đề xuất cho hướng nghiên cứu tiếp theo

Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài:

- Về lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết tính toán về độ đặc

tối ưu để thiết kế cấp phối bê tông cường độ siêu cao Phân tích ứng xử uốn

của dầm và dầm cầu để tìm ra công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn t và chiều cao dầm cầu

- Về thực nghiệm: Tìm kiếm vật liệu, chế tạo ra cấp phối vật liệu bê

tông cường độ siêu cao từ 120 -140MPa với vật liệu trong nước Từ thực nghiệm nêu lên các đặc trưng cơ học của bê tông cường độ siêu cao như cường độ nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi và đề xuất công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn t của bê tông cường độ siêu cao; phân tích ứng xử uốn của dầm cầu và đề xuất chiều cao dầm cầu khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao

Nội dung luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận như sau:

* Phần mở đầu: Giới thiệu sơ lược về bê tông cường độ siêu cao và

tên đề tài

tông cường độ siêu cao trên Thế giới và Việt Nam

* Chương 2: Nghiên cứu, tính toán thành phần cấp phối từ vật liệu

trong nước Từ đó tìm ra thành phần cấp phối của bê tông cường độ siêu cao với cường độ 120 – 140MPa

* Chương 3: Chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm để xác định các tính

năng cơ lý như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi…của vật liệu bê tông cường độ siêu cao

* Chương 4:Nghiên cứu thực nghiệm và phân tích ứng xử uốn của

dầm bê tông cốt thép và dầm cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao Từ thực nghiệm và phân tích, xác định lại công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cường độ siêu cao trong kết cấu dầm chịu uốn t và chiều cao dầm cầu

*Phần kết luận, kiến nghị: Trình bày kết luận trong quá trình nghiên

cứu, nêu kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

án đã được công bố trên thế giới

1.1.1 Mở đầu:

Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu mới được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, Đặc tính của bê tông này là có cường độ chịu nén từ 100 >200MPa, khả năng chịu uốn, cắt tăng cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và đặc biệt là có độ bền và sự ổn định lâu dài Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu công nghệ cao, các quy tắc công nghệ mới liên quan đến thành phần của nó Các ứng xử cơ học, các công thức về tính toán cũng như các hướng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng đã được công bố ở Pháp, Mỹ và Đức Một số ứng dụng đầu tiên ở Cananda, Châu Âu, Châu Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích của loại vật liệu mới này về chi phí, tính bền vững và nhiều tính năng ưu việt khác Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu thêm nhiều để đi đến những ứng dụng phổ biến thường xuyên dựa trên các quy định kỹ thuật toàn diện

Bê tông cường độ siêu cao có 7 thành phần là: Xi măng, nước, cốt liệu nhỏ (cát quartz), phụ gia siêu dẻo, muội Silic, các bột khoáng có độ cứng lớn

và cốt sợi thép cường độ cao 16], [33], [46],[49]

Các lý thuyết mới về thành phần hạt theo độ đặc tối ưu đã được Larrard trình bày 33, 34

Các lý thuyết về cấp phối hạt tối ưu đã được Schmidt 36 và Fuller

26 trình bày

Các hướng dẫn thiết kế đã được SETRA / AFGC (Pháp) 42 công bố Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và khuyến cáo bởi RILEM, DIN (Đức) 24, 31, 48;

Các thí nghiệm về định lượng lại mô hình vật liệu đã được FHWA (Hoa Kỳ) 49, 53 và Hàn Quốc 43 thực hiện vàtrình bày

Các nghiên cứu trên thế giớ

đang là thử nghiệm và các hướng dẫ

n vật liệu và phương pháp ch

m cụ thể Nhiều vấn đề lớn như

c các nước tiên tiến trên thế giớ

n nay trên thế giới các đề

a bê tông cường độ siêu cao

Các nghiên cứu về bê tông cư

48; 49

Chiếc cầu dầm I đầu tiên ở Hoa K

ấu nhịp bằng bê tông cường đ

năm 2006 và một số cầu khác khánh th

Theo các nghiên cứu ở Cục đư

a dầm cầu khi sử dụng bê tông cư

cầu sử dụng bê tông truyền th

ng bê tông cường độ siêu cao thì

I dự ứng lực sử dụng bê tông truy

ũng giảm hơn một nửa Điều này là m

n trúc và kinh tế - kỹ thuật, nh

hình 1.1

1.1: Tương quan về chiều cao

truyền thống và dầm

ới về bê tông cường độ siêu cao v

ẫn, khuyến cáo cho từng khu v

u và phương pháp chế tạo vật liệu cũng như các phương pháp

n như từ biến, co ngót, độ

ới tiếp tục nghiên cứu Như v tài nghiên cứu về tính năng, phsiêu cao vẫn còn mang tính thời sự

ê tông cường độ siêu cao

Hoa Kỳ được khai thông năm 200

ng độ siêu cao đưa vào khai thác thkhánh thành vào năm 2008

c đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cho th

bê tông cường độ siêu cao cũng khá

n thống Với dầm I dài 30mthì chiều cao dầm cầu giảm 50cm so v

ng bê tông truyền thống và trọng lư

này là một điều tuyệt vời đố

t, nhất là đối với các công trình c

u cao và trọng lượng giữa

m bê tông cường độ siêu cao

siêu cao vẫn còn

ng khu vực, cho từng

ư các phương pháp bền… vẫn đang Như vậy có thể nói tính năng, phạm vi sử

ự

c khai thông năm 2005; cầu thứ 2 siêu cao đưa vào khai thác thử nghiệm

(FHWA) cho thấy chiều ũng khá hấp dẫn so

m dự ứng lực sử

m 50cm so với dầm

ng lượng trên 1 mét

ối với yếu tố mỹ

i các công trình cầu trong đô

a dầm bê tông siêu cao

Ngoài ra, FHWA (Cục đường bộ Hoa Kỳ) còn tập trung vào phát triển

bê tông mặt cầu thành các mô-đun có thể lắp ghép tại chổ một cách nhanh chóng Những tính năng vượt trội của bê tông cường độ siêu cao đã tạo điều kiện thiết kế được cấu kiện mặt cầu có độ bền chắc cao hơn mặt cầu bê tông

đổ tại chổ thông thường mà tuổi thọ lại cao hơn đáng kể và đặc biệt có thể thi công lắp ghép một cách nhanh chóng Theo nghiên cứu của FHWA thì một tấm panel mặt cầu bằng bê tông cường độ siêu cao có biểu hiện tốt hơn hẳn các tính năng tương đương so với các bản mặt cầu bê tông đổ tại chổ thông thường, còn trọng lượng của nó thì nhẹ hơn 30% Sử dụng mặt cầu bằng bê tông cường độ siêu cao có trọng lượng nhẹ hơn dẫn đến làm tăng khả năng chịu tải của cầu cũ do giảm trọng lượng bản thân, giảm đáng kể thời gian thi công, giảm thời gian phong tỏa giao thông, giảm lượng nhân công, xe máy trên công trường như vậy hiệu quả kinh tế rất cao

Theo Imam M Friedland chủ nhiệm chương trình nghiên cứu về cầu và các kết cấu cầu của Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA)45 cho rằng: “Việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu mới có hiệu năng cao hơn, đó là những vật liệu có thể tạo ra những tác động cực kỳ quan trọng tới hiệu quả năng lực chịu tải của công trình cầu và đưa đến tổng mức chi phí cho vòng đời của công trình thấp hơn thì bê tông cường độ siêu cao là một trong những vật liệu mới, tiến bộ có tiềm năng như thế” Các hình ảnh thiết kế và sản xuất mặt cầu từ bê tông cường độ siêu cao được sản xuất trong nhà máy,và lắp ghép cho một số cây cầu trên các tuyến đường cao tốc ở Hoa Kỳ, như ở hình 1.2, hình 1.3

Hình ảnh thi công thay thế các

ng bê tông cường độ siêu cao

như ở trong hình 1.4

1.4: Thi công mặt cầu lắp ghép và m

cường độ siêu cao

ắp ghép từbê tông cường đ

ặt cầu từ bê tông cường độ

các mặt cầu cũ bằng các mô đun đúc ở công xưởng và lắp ghép t

p ghép và mối nối mặt cầu b siêu cao tại công trường

đưa vào sử dụng thay thế cho các dầ

Hình 1.5: Các thí nghiệm dầm bê tông cư

Hình ảnh một số công trình c

ng siêu cao do FHWA thiết k

Hình 1.6: Cầu đường ô tô năm 2005 và c

cường độ siêu cao

(FHWA) cũng đã có nhiều nghiên c

I và chữ  bằng bê tông cường đ

ầm bê tông truyền thống, hình

m bê tông cường độ siêu cao

công trình cầu được xây dựng ở Hoa

t kế, như ở hình 1.6; 1.7 và 1.8

ng ô tô năm 2005 và cầu dàn thép mặt sàn

siêu cao lắp ghép năm 2006

t sàn là bê tông

ở Châu Âu và Châu Á

ội nghiên cứu và thí nghiệ

ng Pháp (SETRA/AFREM; Cattenom và Civaux

một trong các cơ quan tiên phong trong vi

ộ siêu cao Các cơ quan này đ

và đưa vào sử dụng đầu tiên năm 200

ờng độ siêu cao với những gi

n như chế tạo những cấu ki

c, tăng cường, sửa chữa mặ

ộ siêu cao;hay việc sử dụng

i trọng lớn và những tòa nhà ch

ng BTCĐSC mặt cắt dầm chữ T và ch

ng cao tốc Hoa Kỳ năm 2008

chữ П dùng BTCĐSC do FHWA thi ứng dụng về bê tông cường độ si

ệm vật liệu xây dựng PhápCattenom và Civaux) 16,

t trong các cơ quan tiên phong trong việc nghiên c

Các cơ quan này đã nghiên cứu và ứng dụ

năm 2001 và từ đó đến nay vi

ng giải pháp công nghệ khác nhau đ

u kiện đúc sẵn dùng cho các k

ặt cầu hỏng bằng những tấ

ng bê tông cường độ siêu cao

ng tòa nhà chọc trời (Schmidt)34,

T và chữ  xây

do FHWA thiết kế ờng độ siêu cao

ng Pháp, hội kỹ sư xây

33, 34, 42

c nghiên cứu về bê tông

ụng cho cầu ô tô

n nay việc ứng dụng bê khác nhau đã được

n dùng cho các kết cấu cầu dự

ấm sàn bê tông siêu cao cho những cột

37 Năm 2001

ảnh sau đây cho th

thép, dầm bê tông truy

tương thích như những kết quả đã

nh sau đây cho thấy sự tương quan v

m bê tông truyền thống và d

u có cùng tải trọng thiết kế như

1.9: Tương quan về trọng lư

ại Đức các tổ chức tiêu chu

ngày càng nghiên cứu và ứng d

ác hệ thống tiêu chuẩn kỹ thu

ng đã được phát triển Cây c

dành cho người đi bộ và xe đạp vớ

m các cấu kiện đúc sẵn từ bê tông cư

t trong bê tông là 2mm

DafstB” một tổ chức tiêu chu

bê tông cường độ siêu cao vào năm 2003, DIN

ề viêc ban hành các tiêu chu

ng cụ thể và đưa ra các quy t

ng bê tông cường độ siêu cao Bourg – Valence

ọng lượng trên một đơn vị

ng thì dầm cầu bằng bê tông cư

ng bê tông truyền thống (kế

ã được nghiên cứu ở Hoa Ktương quan về trọng lượng trên 1mét dài c

ng và dầm bê tông cường độ siêu cao đnhư ở hình 1.9

ng lượng trên 1 mét dài dầm

c tiêu chuẩn “DAFSTB; DIN”24,

ng dụng sâu rộng bê tông cưthuật và các giải pháp nâng cao ch

ây cầu đầu tiên được xây d

ới chiều dài 135m và nhịp t

bê tông cường độ siêu cao với kích thư

c tiêu chuẩn của Đức đã tổ chức hvào năm 2003, DIN là một tổ các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đếquy tắc yêu cầu cho việc thiết k

siêu cao xây dựng hai

mét dài của các

bê tông cường độ siêu

ết quả này cũng Hoa Kỳ) Những hình

ng trên 1mét dài của dầm

siêu cao đối với

m theo Ductal

, 27,31,35,

bê tông cường độ siêu

i pháp nâng cao chất lượng

tông cường độ siêu cao Hội thảo ở Đức đã báo cáo những bí quyết về công nghệ và kinh nghiệm của bê tông cường độ siêu cao trên toàn thế giới Báo cáo này cũng đã đề cập đến các tiêu chuẩn thiết kế, các hướng dẫn về kết cấu xây dựng khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao; những yêu cầu về vật liệu,

về thiết kế và các kiếnnghị thiết kế khi nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường

độ siêu cao

Những nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao đầu tiên ở Đan Mạch

40được bắt đầu từ năm 1990 và đặt biệt đưa vào ứng dụng năm 2004 chủ yếu ở các ngành an ninh và quân sự

Hàn Quốc43 đã nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng cho cầu người đi bộ và cầu ô tô năm 2002 ởSeoul

Nhật Bản37 cũng là một trong những nước đi tiên phong trong việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong cầu đường bộtừ năm2004

Một số quốc gia khác cũng đang nghiên cứu và sử dụng bê tông cường

độ siêu cao trong các kết cấu nhà như Canada 38 năm 2000 và đặc biệt là Trung Quốc[50], 52năm 2004 bắt đầu nghiên cứu sử dụng bê tông cường độ siêu cao để lập dự án thiết kếtòa nhà có chiều cao đến 1 km ở Thượng Hải Các nước Trung Đông đặt biệt là Iran năm 2008 đã nghiên cứu và ứng dụng

bê tông cường độ siêu cao trong các công trình quân sự, trong các Bongke

Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và khuyến cáo bỡi RILEM; DIN (Đức); hiệp hội dự ứng lực Nhật Bản (JSCE); hội kỹ sư xây dựng Pháp (SETRA/AFGC); cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA)…

Như vậy, có thể nói rằng hiện nay trên thế giới các đề tài nghiên cứu

về tính năng, phạm vi sử dụng của bê tông cường độ siêu cao vẫn còn là tính thời sự rất lớn Nhiều nhà khoa học trên thế giới vẫn đang tập trung nghiên

cứu về bê tông cư

ác hình ảnh tiêu biểu cho việ

trong các công trình ở Châu Á và Châu Âu, như

Hình 1.10: Cầu người đi b

Hình 1.11: Cầu người đi b

Hình 1.12: Mái nhà cửa sổ

siêu cao để từng bước thay thế cho các lo

ệc nghiên cứu và ứng dụng bê tông

u Á và Châu Âu, như ở hình 1.10

i đi bộ ở Seoul Hàn Quốc năm 2002

i đi bộ năm 1999 tại Sherbrooke

Millau bằng BTCĐSC năm 2004

cho các loại bê tông

ng bê tông cường độ hình 1.10 -:- 1.14

c năm 2002

i Sherbrooke

năm 2004

siêu cao làm boongke trong các căn c

Các vật liệu chế tạo của b

Bê tông cường độ siêu cao đư

so với bê tông truyền thống d

ật liệu chế tạo của bê tông cường độ siêu cao

êu cao được cải thiện cả về cường độ chịu nén v

dựa trên 4 đặc điểm cơ bản sau:

ỷ lệ N/XM rất thấp từ 0,2 – 0,25 làm cho cấu trúc rất đặc chắc với

ảm thiểu lỗ rỗng mao quản, cái thiện

- Khả năng chèn khe cao của các thành phần hạt mịn dẫn đến giảm lượng nước yêu cầu trong quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông và làm tăng cường độ nén của bê tông cường độ siêu cao

- Sử dụng hàm lượng phụ gia siêu dẻo lớn để cải thiện tính năng công tác của hỗn hợp bê tông

- Sử dụng những sợi thép cường độ cao để tăng khả năng chịu kéo, khả năng chống cắt và độ dai của bê tông

Thành phần vật liệu của bê tông cường độ siêu cao gồm 7 thành phần: 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

- Cát: vẫn sử dụng các Quarzt với thành phần chính là SiO2 chiếm khoảng 96%, đường kính thường dùng khoảng 0,5mm – 1mm, là cốt liệu vật chất dạng hạt lớn nhất trong bê tông cường độ siêu cao

- Xi măng: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

- Muội Silic bao gồm các hạt siêu mịn có tỉ lệ diện tích bề mặt khoảng 20.000m /2 kg, có đường kính khoảng 1µm Muội Silic làm tăng phản ứngPuzơlan dựa trên sự thủy hóa Ca (OH)2, muội Silic hạn chế sự vón cục của các hạt xi măng khi thủy hóa

- Trong thành phần bê tông cường độ siêu cao có các sợi thép dài

từ 13 – 15mm, đường kính 0,2mm, cường độ chịu kéo 2.000MPa,

- Phụ gia siêu dẻo: Chất siêu dẻo thế hệ 3 (Polycarboxylate), phụ gia siêu dẻo tạo ra độ sụt bê tông từ 15 -22cm, thời gian đông cứng bê tông từ 1 –

4 giờ và có thể tăng cường độ giảm nước từ 30 – 40%

- Các bột khoáng: thường sử dụng các bột khoáng có độ cứng lớn như bột đá Quartz Bột Quartz rất cứng tạo ra độ bền vững cao cho cấu trúc cốt

liệu và có đường kính đủ nhỏ để chèn vào các kẽ giữa các hạt xi măng và cát Với các yếu tố trên làm cho cấu trúc của bê tông cường độ siêu cao chuyển từ cấu trúc kết tinh sang cấu trúc vô định hình Bê tông có sự thay đổi căn bản về mặt cấu trúc trở nên đồng nhất hơn, các vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu trong bê tônggần như không tồn tại sẽ tạo ra bê tông có cường độ rất cao

và hạn chế tối đa việc xuất hiện các vết nứt vi mô tại vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu khi bê tông đông kết.Các bảng 1.1 và bảng 1.2trình bày các nghiên cứu về thành phần và hàm lượng của vật liệu bê tông cường độ siêu cao ở Châu Âu và Mỹ

Bảng 1.1:Thành phần BTCĐSC điển hình của một số nước Châu Âu

u cơ bản của bê tông cường độ

c sử dụng phổ biến trong BTCĐSC

ần vật liệu chủ yếu của BTCĐSC

t liệu chèn lấp lỗ rỗng của bê tông cư

ộ siêu cao

Cement CEM I 52.5

ê tông tươi, tăng cường độ chịu

Hình 1.19 cho thấy ảnh hưởng của các loại sợi sử dụng trong b

ộ siêu cao như quan hệ giữ

a bê tông cường độ siêu cao như

thành phần hạt của bê tông cường đ

ên thế giới,hàm lượng sợi thép 43sẽ đáp ứng được tính công tác của hỗn ờng độ chịu kéo khi uốn và tăng độ dai cho

ởng của các loại sợi sử dụng trong b

các loại sợi đến cường độ củ

ọc của bê tông cường độ siêu cao

n tính toán về các mối quan hệ ứ

được Pháp và Đức xây dựng như th

1.23; 1.24

áo cáo của Đức (DafStB) đã

tính toán kết cấu theo các trạng thái giới hạn

ứng suất – biến dạng ở các giá trị giới hạn

cho vùng chịu nén, biến dạng 25

xác định từ các công thức như sau:

σ 2.0 -3.5‰ = f ctk0,5

σ 25‰ = β f ctk3,5

1.20: Quan hệ ứng suất – độ

siêu cao theo SETRA/AFGC

ểu đồ 1.20 thể hiện quan h

ẫn của (SETRA/AFGC) Pháp Trư

i quan hệ là tuyến tính, tương t

ộ cao Sau khi xuất hiện v

ộ siêu cao tăng chậm lên đế

ng khoảng 85% cường độ nén), và ti

khác hoàn toàn với bê tông truyền th

m nhanh, độ mở rộng vết nứ

bê tông bị phá hoại đột ngột Như v

ng hấp thụ cao hơn nhiều so v

ng suất – độ mở rộng vết nứứng xử của vật liệu bê tông cư

ng như thể hiện ở các hình 1.20; 1.21; 1.22;

ã xây dựng biểu đồ ứng suất

ết cấu theo các trạng thái giới hạn Ở Đức đang xem xét q

ị giới hạn của bê tông cường độ si

ến dạng 25‰ cho vùng bê tông chnhư sau:

ctk0,5 • 0,37 ctk3,5

ộ mở rộng vết nứt của bê tông cư siêu cao theo SETRA/AFGC

n quan hệ giữa ứng suất – độ mở rộ

Pháp Trước khi xuất hiện v

n tính, tương tự như bê tông truyền th

n vết nứt,độ mở rộng vết nứ

ến giới hạn wi tương ứng vớnén), và tiếp theo là ứng suất giả

n thống; sau khi vết nứt xu

ứt tăng nhanh vào vùng nén c

t Như vậy bê tông cường độ siêu cao có đ

u so với bê tông truyền thống Đi

ứt… Các hướng

u bê tông cường độ siêu các hình 1.20; 1.21; 1.22;

ựng biểu đồ ứng suất –biến dạng và

Ở Đức đang xem xét quan hệ

ờng độ siêu cao là cho vùng bê tông chịu kéo và đề

(1-1) (1-2)

bê tông cường độ

ộng vết nứt theo

n vết nứt đầu tiên

n thống và bê tông

ứt trong bê tông

ới ứng suất max

ảm đều, điều này

t xuất hiện thì ứng

t tăng nhanh vào vùng nén của bê tông và

siêu cao có độ dai và

ng Điều này được

ểu đồ ở hình 1.22 cho thấy v

a bê tông cường độ siêu cao Vớ

ng suất và biến dạng được coi là tuy

ùng kéo (góc ¼ thứ 3) với bê tông

n rõ rệt khá cao Ở Đức (tổ ch

ờng cong ứng suất biến dạng vùng kéo v

cao trong bê tông hấp thụ năng

t và làm cho kết cấu vẫn còn t

ủa Đức (DIN) đang nghiên c

t là 0,5mm và 3,5mm nhằm khai thác tối đa năng l

ng độ siêu cao này như ở hình 1.21

c coi là tuyến tính với biến d

i bê tông cường độ siêu cao thì ứng

chức DIN) cũng khuyến cáo

ng vùng kéo với biến dạng tính toán thiên

năng lượng và kìm

n còn tăng khả năng

c (DIN) đang nghiên cứu tính toán ở

i đa năng lực phục hình 1.21

ứt theo DIN

a bê tông cường độ siêu

ng suất – biến dạng nhất) mối quan hệ

n dạng là =2‰

ng suất chịu kéo

n cáo nên tính toán

ng tính toán thiên

Nhờ sự thay đổi cấu trúc của vật liệu

chuyển từ kết tinh sang cấu trúc vô định h

mô xuất hiện tại các v

làm cho bê tông cư

Quan sát dư

cao rất đặc sít,thể hiện sự li

tông cường độ cao HPC nh

an toàn là 15‰ như hình 1.23 và quan h

Nhiều nghiên cứu ở Mỹ, Phá

ộ đặc sít rất cao so với bê tông truy

ờ sự thay đổi cấu trúc của vật liệu

ừ kết tinh sang cấu trúc vô định h

ất hiện tại các vùng tiếp giáp vật liệu

bê tông cường độ siêu cao tr

Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy cấu trúc của b

ất đặc sít,thể hiện sự liên kết rất tốt giữa vữa v

ờng độ cao HPC như ở hình 1.25

và quan hệ ứng suất – biến d

ất – biến dạng đặc trưng

ng suất – biến dạng vùng nén

ộ khuếch tán Ion Clo của bê tông cư

ứu ở Mỹ, Pháp và Đức cho thấy bê tông

ê tông truyền thống và bê tông cư

ờ sự thay đổi cấu trúc của vật liệu nên làm bê tông cường độ si

ừ kết tinh sang cấu trúc vô định hình, gần như triệt tiêu

ếp giáp vật liệu trong quá trinh bê tông đông k

trở nên bền hơn

ới kính hiển vi cho thấy cấu trúc của bê tông cư

ết rất tốt giữa vữa và cốt liệu thôhình 1.25

n dạng vùng nén

c trưng theoDIN

vùng nén

ê tông cường độ

ê tông cường độ siêu

à bê tông cường độ cao

ờng độ siêu cao

êu các vết nứt vi quá trinh bê tông đông kết,

ê tông cường độ siêu

ốt liệu thô hơn hẵn bê

Lỗ rỗng chứa nước trong bê tông cư

Các lỗ rỗng khí của bê tông cư

ỗ rỗng mao quản được thể hiện trong

ủa thủy ngân Kết quả thí nghiệm cho thấy b

ỗng khá thấp so với bê tông thường v

c trong bê tông cường độ siêu cao

bê tông cường độ siêu cao được thể hiện

trong hình 1.26 thông qua

ết quả thí nghiệm cho thấy bê tông cường độ si

ờng và bê tông cường độ cao

ớc lỗ rỗng của bê tông thư cao và bê tông cường độ siêu cao

ng chứa nước được thực hiện bỡi SETRA/AFGC

siêu cao và bê tông

siêu cao

ể hiện bởi những thí nghiệmthấm ờng độ siêu cao có độ

a bê tông thường, bê tông

i SETRA/AFGC

Độ rỗng chứa

nước (%)

1.1.6.3 Đ

Ở Pháp, Đức

nghiệm về độ khuếch tán Ion Clo

bê tông cư

bê tông cư

Bê tông cư

12-16

Độ khuếch tán Ion Clo

Ở Pháp, Đức và Mỹ 28, 

ệm về độ khuếch tán Ion Clo trong

bê tông cường độ siêu cao và cho th

cường độ siêu cao so với các loại

Theo 42cho thấy khi không

ứng xử gần giống như bê tông cư

ứa nước của các loại bê tông

Bê tông cường

độ cao

BT cường độ rất cao

33, 42, 46, 49cũng đtrong bê tông thường, bê tông cưthấy khả năng chống thấm Ion

ới các loại bê tông truyền thống, như

ch tánIon Clo bê tông thư cao và bê tông cường độ siêu cao

ết quả thí nghiệm về hệ số khuyếch tán Ion C

bảng 1.4

ch tán Ion Clo của các loại bê tông

Bê tông cường

độ cao BT cường độ si2.10-12

ừ biến của bê tông cường độ siêu cao

không có xử lý nhiệt, thì bê tông cư

ư bê tông cường độ cao (HPC); còn khi có x

i bê tông

BT cốt sợi siêu cường độ 1,5-6

ũng đã có nhiều thí

ê tông cường độ cao, Ion Clo rất tốt ở , như ở hình 1.27

bê tông thường, bê tông

ề hệ số khuyếch tán Ion Clo được thực

i bê tông

ờng độ siêu cao 2.10-14

êu cao

bê tông cường độ siêu 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 = 550 /

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

( ) =

√ Với A=525; B=-2,5 và = −0,5 [ (∞) = 525 / ]

1.1.7.2 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 xử lý nhiệt,độ biến đổi của từ biến riêng được thể hiện qua công thức: ( ) = 1 + ( − ) + ℎ( ) (1-3)

Khi không có xử lý nhiệt, hệ số từ biến K=0,6 và mô đun đàn hồi của

bê tông cường độ siêu cao (E=50000MPa) lớn hơn nhiều so với bê tông truyền thống (E=35000MPa) nên từ biến của bê tông cường độ siêu cao nhỏ hơn nhiều so với từ biến của bê tông truyền thống

án đã được công bố ở Việt Nam

Ở Việt Nam: bê tông cường độ siêu cao là một đề tài còn khá mới Đến năm 2008 mới được một số nhà khoa học ở các trường Đại học Giao thông Vận tải1,2, 3, 4, 5, 7; Đại học Xây dựng 8, 9, 10,11,12Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh13… bắt đầu nghiên cứu về bê tông này,

các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí kỹ thuật trong nước Các nghiên cứu nêu trên được xem là những nghiên cứu ban đầu về bê tông siêu cường độ ở Việt Nam

Các tác giả chọn vật liệu sử dụng rất khác nhau như với trường ĐH Bách Khoa TP HCM sử dụng cốt liệu thô lớn nhất là đá với D=8mm, sử dụng sợi thép thường có y≤1000MPa;

Tác giả trường ĐH Xây dựng sử dụng tro trấu, tro bay, không sử dụng sợi thép trong thành phần hỗn hợp và chỉ mới tính đến cường độ nén

Nghiên cứu sinh cùng các tác giả của Trường Đại học GTVT đã thực hiện nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao sử dụng cát Quarzt được nghiền

ra từ đá Quarzt, không sử dụng tro bay, tro trấu mà sử dụng bột Quarzt nghiền ra từ đá Quarzt và trong hỗn hợp bê tông có thành phần là các sợi thép cường độ cao

Như vậy bê tông cường độ siêu cao đối với Việt Nam vẫn còn mang tính thời sự rất lớn, cần thiết có nhiều nghiên cứu để chế tạo ra bê tông này từ vật liệu trong nước góp phần bổ sung hoàn thiện hệ thống lý luận, tính toán và từng bước đưa vào ứng dụng thử nghiệm cho một số công trình xây dựng

1.3.Mục tiêu của đề tài

Từ vật liệu trong nước, theo các hướng dẫn của thế giới;nghiên cứu chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa Nghiên cứu thực nghiệm uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao để xác định

hê số K trong công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao từ đó đề xuất chiều cao của dầm cầu

1.4.Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, thí nghiệm các tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa Phân tích uốn kết cấu dầm, dầm cầu và từ đó định hướng sử dụng trong kết cấu

Sử dụng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để xác định về thành phần, các tính năng cơ học của bê tông cường độ siêu cao Thực nghiệm các

tổ hợp dầm và vận dụng các công thức lý thuyết trên thế giới để tìm ra hệ số

K trong công thức tính cường độ chịu uốn Sử dụng các phương pháp phân tích ứng xử uốn của dầm cầu khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao để tính toán và đề nghị chiều cao dầm cầu

1.5 Kết luận chương 1

Trong vòng vài thập kỉ qua một trong những bước đột phá của ngành bê tông là nghiên cứu tìm ra bê tông cường độ siêu cao Đây là một loại vật liệu công nghệ cao,các quy tắc công nghệ mới liên quan mật thiết đến thành phần của nó, đến các ứng xử cơ học của loại vật liệu này

Một kho lưu trữ lớn kiến thức về vật liệu, về các thiết kế hoàn thiện, các công trình kết cấu sử dụng bê tông cường độ siêu caođang được thực hiện Các kiến nghị kỹ thuật tạm thời đã được công bố ở Pháp, Mỹ và Đức Một số ứng dụng đầu tiên ởChâu Âu, Châu Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích lớn lao của bê tông cường độ siêu cao về chi phí xây dựng, tính bền vững và tuổi thọ công trình

Với những ưu điểm vượt trội của loại vật liệu mới này, cho phép chúng

ta có những suy nghĩ về việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu caotừ các vật liệu thành phần trong nước Việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao với vật liệu tại Việt Nam trên cơ sở tham khảo những kết quả nghiên cứu của các nước trên thế giới sẽ mở ra một hướng đi mới trong ngành vật liệu xây dựng, bỡi vì bê tông cường độ siêu caomang lại các ưu điểm sau:

- Độ dai: khả năng hỗ trợ sức chịu tải kể cả sau khi xuất hiện vết nứt (kết cấu vẫn còn khả năng tăng sức chịu tải)

- Siêu cường độ nén: cường độ nén có thể đạt được từ 100 đến

>200MPa

- Độ bền rất cao: nâng cao tuổi thọ lâu dài cho kết cấu, công trình