Nghiên cứu bê tông siêu tính năng (Ultra High Performance Concrete- UHPC) ứng dụng cho kết cấu xây dựng là lĩnh vực nghiên cứu được nhiều sự quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Bài viết trình bày những nghiên cứu về UHPC và đề xuất dạng mặt cắt dầm Double Tee nhịp tải trọng 0,45 HL93 ứng dụng cho cầu giao thông nông thôn tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL).
Trang 1Nghiên cứu ứng dụng bê tông siêu tính năng trong xây dựng dầm cầu cho giao thông
nông thôn tại Đồng bằng sông Cửu Long
Research on the application of Ultra High Performance Concrete in the construction of rural traffic bridges in Mekong Delta
> TRẦN BÁ VIỆT1, NGÔ VĂN THỨC2, LƯƠNG THẾ HÙNG3
Email: vietbach57@yahoo.com; Tel: 0903406501
dựng Miền Tây Email: ngovanthuc@mtu.edu.vn; Tel: 0939423461
3 Công ty CP Sáng tạo và CGCN Việt Nam
TÓM TẮT:
Nghiên cứu bê tông siêu tính năng (Ultra High Performance Concrete- UHPC) ứng dụng cho kết cấu xây dựng là lĩnh vực nghiên cứu được nhiều sự quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt Nam
UHPC là công nghệ mới, cho phép chế tạo dầm cầu với kích thước mỏng, nhẹ, kháng ăn mòn, tuổi thọ cao, hạn chế mức tối đa bảo trì
và cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công Bài viết trình bày những nghiên cứu về UHPC và đề xuất dạng mặt cắt dầm Double Tee nhịp tải trọng 0,45 HL93 ứng dụng cho cầu giao thông nông thôn tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL)
Từ khóa: UHPC, độ dẻo dai; đường cong ứng suất biến dạng; dầm
UHPC; dầm Double Tee
ABSTRACT:
Research on Ultra High Performance Concrete (UHPC) applied to building structures is a research field of great interest in the world and Vietnam UHPC is a new technology that allows the manufacturing of bridge girders with thin, light dimensions, corrosion resistance, long life, minimum maintenance, and accelerates the construction progress This paper presents the researches on UHPC and proposes a cross-section of the Double Tee girder loaded of 0.45 HL93 to be applied to rural traffic bridges in the Mekong Delta region
Keywords : UHPC; toughness; stress and deformation relationship curve; UHPC beam; Double Tee beam
1 ĐẶT VẤN DỀ
Trong khoảng 30 năm gần đây, các nước tiến tiến cũng như Việt nam đã nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao có cường độ lên đến 150 MPa Trên nền bê tông này sẽ bổ sung sợi thép, sợi tổng hợp, hay sợi lai Hybrid để tạo ra bê tông siêu tính năng (UHPC) UHPC không chỉ có cường độ chịu nén siêu cao mà còn có các tính năng vượt trội khác như cường độ chịu kéo, môdul đàn hồi, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn Theo nghiên cứu của Kim Jee-sang và cộng sự (2014), chất lượng cũng như cấu trúc của UHPC là vô cùng đặc chắc Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng nếu một loại bê tông có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày trên 120 MPa thì
sự ăn mòn sợi thép sẽ được giới hạn ở bề mặt bên ngoài của bê tông Kể cả khi những sợi thép trên bề mặt kết cấu bị ăn mòn, không có sự lan truyền ăn mòn sâu tới 5 mm phía dưới bề mặt Các thí nghiệm về mức độ thấm Clo đã được thực hiện trong các loại bê tông thường (NC), bê tông chất lượng cao (HPC) và bê tông tính năng siêu cao bởi các nhà nghiên cứu trên thế giới (Shah
2005, Voort 2008), kết quả có thể nhận thấy UHPC có mức độ thấm ion Clo rất nhỏ so với bê tông thường Hệ số thấm Clo nhỏ hơn 45 lần so với bê tông thường Hay nói cách khác là khả năng bảo vệ cốt thép trong bê tông UHPC cao hơn rất nhiều so với bê tông thường Điều đó có nghĩa là nếu so với bê tông thường tuổi thọ của bê tông UHPC tăng lên nhiều lần Và với cường độ trên 150 MPa tuổi thọ của kết cấu UHPC trong môi trường biển, với chiều dày lớp bảo vệ > 20mm có thể đạt trên 150 năm
Hình 1 Khả năng chống ăn mòn Clo của UHPC so với NC và HPC (Voort 2008)
Trang 2Hình 2 So sánh mức độ thấm Clo của UHPC so với NC và HPC (Shah 2005)
ĐBSCL, với vùng ảnh hưởng của triều, là vùng có nguy cơ môi
trường nước nhiễm mặn và nhiễm phèn Cùng với đó là nhu cầu
xây dựng hạ tầng giao thông nông thôn rất lớn, vì vậy Ngân hàng
Thế giới - với viện trợ ODA 3 bên qua WB của chính phủ Nhật Bản,
thông qua chương trình tài trợ LRAMP- hệ thống cầu Nông thôn
cho các tỉnh của Việt Nam, đã chọn Cầu Từ Ô tỉnh Trà Vinh để hỗ
trợ xây cầu theo công nghệ UHPC, thông qua đó đánh giá khả
năng thiết kế, chế tạo, xây dựng, sử dụng, bảo trì cầu sử dụng
UHPC
Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng UHPC trong
xây dựng cầu giao thông nông thôn tại ĐBSCL Kết quả nghiên cứu
là cơ sở nhân rộng mô hình có hiệu quả kinh tế kỹ thuật, cho các
dự án tài trợ tiếp theo của WB, không chỉ cho Việt Nam, mà còn
cho các nước trong khu vực
2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO UHPC
Xi măng: 40 MPa/50MPa phù hợp với TCVN 2682: 2009
Silica fume: nghiên cứu sử dụng Silica Fume phù hợp tiêu
chuẩn ASTM C1240
Quazt: SiO2> 92%
Hình 3 Cát quazt Cam Ranh
Quazt nghiền: SiO2 > 92%
Sợi thép: Có độ bền kéo> 2400MPa Tỷ lệ hướng sợi là 65-125
Hình 4 Sợi thép (2400-2850MPa)
Phụ gia siêu dẻo: theo ASTM C494 loại F, hàm lượng chất rắn>
45% Khả năng giảm nước 40%
Nước: phù hợp TCVN: 4506: 2012
3 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1 Các kết quả nghiên cứu về bê tông UHPC:56 03
3.1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến tính công tác của hỗn hợp UHPC
Bảng 1 Ảnh hưởng của hầm lượng sợi thép đến độ chảy xòe
Hình 5 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến độ chảy xòe của hỗ hợp UHPC
Hình 6 Thử nghiệm độ chảy xòe
3.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến phát triển cường độ nén theo thời gian
Bảng 2 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến phát triển cường độ nén theo thời gian, mẫu D10xH20cm
Cấp phối
Sợi thép,
%
1 ngày 3 ngày 7 ngày
14 ngày
28 ngày
60 ngày
Hình 7 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ nén theo thời gian - mẫu D10xH20cm
Trang 33.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến phát triển cường
độ uốn theo thời gian
Bảng 3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến phát triển cường
độ uốn, mẫu 10x10x 40 cm theo thời gian Cấp phối Sợi
thép, % 1 ngày 3 ngày 7 ngày 14 ngày 28 ngày 60 ngày
Hình 8 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến phát triển cường độ uốn, mẫu 10x10x40cm tại 28 ngày
3.1.4 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến phát triển cường độ chịu kéo trực tiếp của UHPC theo thời gian
Sử dụng khuôn có kích thước kéo 5x10x50 cm, kết quả được thể hiện qua bảng và biểu đồ sau
Bảng 4 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ kéo tại theo thời gian
Cấp phối
Sợi thép, %
1 ngày
3 ngày 7 ngày 14 ngày 28 ngày
60 ngày
Hình 9 Ảnh hưởng hàm lượng sợi thép đến phát triển cường độ chịu kéo
3.1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến modul đàn hồi
Bê tông sợi có mô dul đàn hồi thể hiện khả năng biến dạng dưới tải trọng khác biệt lớn so với bê tông thường
Bảng 5 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến mô dul đàn hồi
Modul đàn hồi ( K-UHPC)
30 Modul ®μn håi, GPa
20 50
10
2,1
40 60
Hình 10 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến modul đàn hồi
3.1.7 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến khả năng chống mài mòn của bê tông
Các kết quả thử nghiên cứu độ mài mòn của bê tông UHPC với các hàm lượng sợi thép khác nhau được trình bày trong bảng 6 (mỗi cấp phối thử 3 mẫu, kết quả cho trong Bảng 6 là kết quả trung bình)
Bảng 6 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến độ mài mòn
Số TT Tên mẫu Hàm lượng sợi thép,( %) Độ mài mòn (g/ cm2)
UHPC khi cho thêm sợi thép từ 2 đến 3%, khả năng chống mài mòn tăng lên từ 18% đến 23% Còn nếu so với bê tông thường độ
khoảng 300% đến 350%
3.1.8 Khả năng chống thấm của UHPC
Bảng 7 Kết quả xác định khả năng chống thấm của UHPC
Áp lực thí nghiệm MPa
Kết quả quan sát hiện tượng thấm trên từng mẫu Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6
14 Không thấm Không thấm Không thấm Không thấm Không thấm Không thấm
18 Không thấm Không thấm Không thấm Không thấm Không thấm Không thấm
20 Không thấm Không thấm Không thấm Không thấm Không thấm thấm Không Kết quả trong Bảng 7 thể hiện UHPC có thể chịu được trên 20MPa Cấp chống thấm đạt được >20 MPa, cho thấy bê tông UHPC có thể chống xâm nhập Clo rất tốt, có nghĩa là khả năng chống ăn mòn clo rất cao
3.2 Đề xuất mặt cắt dạng Double Tee UHPC áp dụng cho cầu nông thôn tại ĐBSCL
3.2.1 Tiêu chuẩn áp dụng
NF P 18- 470: 2017 Concrete-Ultra-high performance fibre-reinforced concrete - Specifications, performance, production and conformity
NF P 18- 710: 2016 National addition to Eurocode 2-Design of concrete structures: specific rules for Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC)
NF P18-451: 2018 Concrete - Execution of concrete structures - Specific rules for UHPRFC
TCVN 11823-3:2017: Thiết kế cầu đường bộ
3.2.2 Phương pháp thiết kế
Theo Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang (FHWA), tại báo cáo FHWA-HRT-14-028, đã nghiên cứu phát triển một họ dầm
Pi bằng UHPC (tương tự Double Tee), nhưng cho phép bố trí cáp
Trang 4tập trung và tiết kiệm vật liệu hơn, dùng cho tải trọng lớn HL 93,
nhịp từ 20-41m
Trên cơ sở này, để thuận tiện cho chế tạo khuôn, dự án LRAM
chọn thiết kế mặt cắt dầm Tee/Double Tee cho các cầu có tải trọng
nhỏ hơn hoặc bằng 0,65HL93 và nhịp <24m Cụ thể là 2 cầu thiết
kế 2x 16m, và 1 cầu 3x20m đã được thiết kế và xây dựng trong năm
2018 tại 3 tỉnh là Thái Nguyên, Nghệ An và Trà Vinh( ĐBSCL)
Hình 11 Họ dầm UHPC mặt cắt chữ Pi, nhịp từ 20-41, tải HL93 ( FHWA-Cục quản lý
đường cao tốc liên bang Hoa Kỳ)
Để thiết kế ở trạng thái giới hạn SLS và ULS, NF P18-710 cho
phép sử dụng mối quan hệ ứng suất-biến dạng của UHPC khi nén
như trong Hình 12
Hình 12 Quan hệ ứng suất-biến dạng của UHPC khi nén UHPC, NF P 18-710
Hình 13 Đường cong ứng suất-biến dạng khi kéo theo Tiêu chuẩn NF P18-710
Hình 14 Biểu đồ ứng suất biến dạng khi nén- kéo đối với UHPC (soft strain) NF P18- 710
3.2.3 Mặt cắt điển hình dầm UHPC cho cầu giao thông
nông thôn
Hình 15 Mặt cắt của dầm cầu UHPC của dự án LRAM
Hình 16 Bố trí cáp và thép của dầm Double Tee UHPC
Hình 17 Mối nối dọc giữa hai dầm Double Tee tại hiện trường bằng UHPC đáp ứng FHWA- Hoa Kỳ
4 KẾT LUẬN
Đã nghiên cứu chế tạo một họ UHPC với cường chịu nén 120÷150 MPa và cường độ chịu kéo từ 7 MPa đến 11 MPa
Đã đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến các tính năng của UHPC Kết quả thể hiện UHPC có thể sử dụng hàm lượng sợi thép lên đến 4% và cho kết quả cao nhất so với các hàm lượng khác Khả năng chống thấm của UHPC được xác định với kết quả trên 20MPa Qua đó có thể khẳng định, UHPC đáp ứng các yêu cầu thiết kế kết cấu và độ bền lâu, chống chịu ăn mòn trong môi trường nước phèn, nước biển ở khu vực ĐBSCL
Nghiên cứu đã đề xuất dạng mặt cắt dầm Double Tee sử dụng UHPC nhịp 16m và nhịp 20m ứng suất trước, đơn giản trong chế tạo, vận chuyển, rút ngắn thòi gian trong cẩu lắp và thi công mối nối UHPC tại hiện trường
Lời cảm ơn: Tác giả Ngô Văn Thức được tài trợ bởi Nhà tài trợ
thuộc Tập đoàn Vingroup và hỗ trợ bởi chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (VinBigdata), mã số VINIF.2020.TS.86
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 US Department of Transportation Federal highway administration (FHWA), Material property characterization of Ultra-high performance Concrete, August, 2018
2 Kim Jee-sang; Kim Byung-suk, Design Guidelines for K-UHPC, Korea Institute of construction technology, Feb., 2014
3 Voort V, Design and field testing of tapered H-shaped Ultra High Performance Concrete piles, Iowa State University 2008
4 Shah S.P, Untra High performance concrete, properties and applications
5 Francoi TOUTLEMONDE and Jacques RESPLENDINO, Proceedings of the RILEM-fib-
6 Iowa State University, Design, construction, and field testing of an Ultra-high performance Concrete Pi-Girder bridge, Final report January, 2011
7 Plank J, New developments in admixtures for precast and ready-mix concrete ICCX Middle East 2018 (International Concrete Conference & Exhibition), Sharjah (U.A.E.), November 25 – 26, 2018, Conference proceedings, p 24-32
8 NF P 18- 470: 2017 Concrete - Ultra-high performance fibre-reinforced concrete - Specifications, performance, production and conformity
9 NF P 18- 710: 2016 National addition to Eurocode 2 - Design of concrete structures: specific rules for Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC)
10 NF P18-451: 2018 Concrete - Execution of concrete structures - Specific rules for UHPRFC
11 TCVN 11823-3:2017: Thiết kế cầu đường bộ
12 FHWA-HRT-09-069: October 2009: Structural Behavior of a 2nd Generation UHPC Pi-Girder
13 FHWA-HRT-10-079:November2010: Finite Element Analysis of UHPC:Structural Performance
of an AASHTO Type II Girder and a 2nd-Generation Pi-Girder
14 ACI PRC-239-18: Ultra-High Performance Concrete: An Emerging Technology Report
15 Benjamin Graybeal and Myint Lwin: UHPC: A Bridge of the Future – A Solution Today ASPIRE Magazine, Spring 2010, pp 47–48 2010
WB- DRVN Report piloting and scaling up building climate residient bridges in poor rural areas, 2019 Hanoi Vietnam