Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu

Chia sẻ: Trần Khánh Dư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

432
lượt xem 120
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu nhằm nghiên cứu lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu đã được Larard; trình bày các hướng dẫn tính toán thành phần theo cấp phối tối ưu của Fuller năm 1997; các nghiên cứu thực nghiệm định lượng được thực hiện bỡi SETRA/AFGC năm 2002; phương pháp thiết kế theo DIN; phương pháp thiết kế theo ACI-544.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu

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 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
i 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
ii 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 “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu”; 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
iii 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
iv 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
v 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
vi 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
vii 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
viii 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
ix 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
x 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
xi 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
xii 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
xiii 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)
1 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
2 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
3 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 * Chương 1: Trình bày tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng bê 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.
4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1.Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận 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.
5 Các nghiên cứu trên thế giớ về bê tông cường độ siêu cao v còn c ới vẫn đang là thử nghiệm và các hướng dẫ khuyến cáo cho từng khu v cho từng th ẫn, ng vực, điều kiện vật liệu và phương pháp ch tạo vật liệu cũng như các phương pháp nv u chế ư thí nghiệm cụ thể. Nhiều vấn đề lớn như từ biến, co ngót, độ bền… vẫn đang n được các nước tiên tiến trên thế giớ tiếp tục nghiên cứu. Như v có thể nói c nư ới vậy rằng hiện nay trên thế giới các đề tài nghiên cứu về tính năng, ph n th phạm vi sử dụng của bê tông cường độ siêu cao vẫn còn mang tính thời sự a ự. 1.1.2. Các nghiên cứu về bê tông cư ê cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ êu 48; 45; 48 49 Chiếc cầu dầm I đầu tiên ở Hoa K được khai thông năm 200 cầu thứ 2 Chi Kỳ c 2005; có kết cấ nhịp bằng bê tông cường đ siêu cao đưa vào khai thác th nghiệm ấu ng độ thử năm 2006 và một số cầu khác khánh th m thành vào năm 2008 Theo các nghiên cứu ở Cục đư c c đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cho th chiều thấy cao của dầm cầu khi sử dụng bê tông cư ad cường độ siêu cao cũng khá hấp dẫn so ũng n thống. Với dầm I dài 30m dự ứng lực sử với dầm cầu sử dụng bê tông truyền th m dụng bê tông cường độ siêu cao thì chiều cao dầm cầu giảm 50cm so v dầm ng cư m với cầu chữ I dự ứng lực sử dụng bê tông truy thống và trọng lư d ng truyền ng lượng trên 1 mét dài cũng giảm hơn một nửa. Điều này là m điều tuyệt vời đố với yếu tố mỹ ũng gi một ối quan kiến trúc và kinh tế - kỹ thuật, nh là đối với các công trình c trong đô n t, nhất i cầu thị như ở hình 1.1 Hình 1.1: Tương quan về chiều cao và trọng lượng giữa dầm bê tông 1. u a truyền thống và dầm bê tông cường độ siêu cao m