Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực" là sử dụng vật liệu muội silic nano silic và các loại vật liệu chế tạo bê tông thông thường, dùng qui hoạch thực nghiệm để thiết kế và chế tạo bê tông chất lượng cao có cường độ nén tối ưu của bê tông 70Mpa. Ứng dụng bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic trong kết cấu dầm chịu lực và tính toán tuổi thọ công trình.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ HỒNG LAM NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO SỬ DỤNG MUỘI SILIC VÀ NANO SILIC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU TRONG MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC NGÀNH: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt MÃ SỐ : 958.02.06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. ĐÀO DUY LÂM GS.TS. PHẠM DUY HỮU Hà Nội, 08 - 2022 0
Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. ĐÀO DUY LÂM GS.TS. PHẠM DUY HỮU Phản biện 1: ……………………………………………… ……………………………………………………………. Phản biện 2 ……………………………………………… ………………………………………………………….. Phản biện 3: ……………………………………………… …………………………………………………………….. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại ………………………………………………………………… vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: …………………………………. i
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống hạ tầng giao thông nói chung cũng như kết cấu hệ thống giao thông đường bộ, đường sắt và đường thủy-cảng biển nói riêng có vai trò đặc biệt quan trọng trong thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội theo hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa. Theo quy hoạch thời kì 2021- 2030 tầm nhìn đến năm 2050, hệ thống giao thông đường bộ bổ sung mới có 9014km cao tốc, 29797km Quốc lộ; đối với hệ thống cảng biển, xây dựng 16 cảng biển phía Bắc và 25 cảng phía Nam. Các công trình dân dụng, đường sắt, nhà máy, khu công nghiệp…cần một lượng bê tông xi măng rất lớn. Cùng với phát triển số lượng thì quy mô công trình cũng hiện đại không kém, cần vật liệu để chế tạo bê tông cường độ cao (HSC), bê tông chất lượng cao (HPC) hay bê tông tính năng siêu cao (UHPC). Hiện nay, việc nghiên cứu phối trộn bê tông HSC và HPC chủ yếu sử dụng muội silic hoặc kết hợp tro bay xỉ lò cao, bê tông UHPC thông thường kết hợp sợi thép và sợi carbon mang lại hiệu quả rất lớn nếu được áp dụng đại trà. Mục tiêu phát triển mạng lưới công trình đường bộ và hệ thống cảng biển phải thích ứng với biến đổi khí hậu và phát triển bền vững. Khi xây dựng công trình cầu đường ven biển, cảng biển chịu ăn mòn trực tiếp của môi trường biển như: xâm nhập ion clo, ăn mòn sunphat, … ngoài cường độ cao còn phải xem xét đến yếu tố độ bền để phù hợp với điều kiện làm việc khắc nghiệt của môi trường. Trong những năm gần đây, để nghiên cứu loại bê tông đáp ứng yêu cầu cường độ cao và độ bền tốt, vật liệu nano cũng đã được sử dụng. Công nghệ nano trong bê tông là đưa các hạt có kích cỡ nanomet lèn chặt các hạt lớn hơn tối ưu phân bố cỡ hạt một cách hoàn hảo, bằng 1
cách kết hợp đồng nhất hạt thô và mịn trong hỗn hợp. Vật liệu nano có kích cỡ cực nhỏ có thể lấp đầy các khoảng trống giữa xi măng và muội silic dẫn đến mức lèn chặt cao hơn và tạo ra một hỗn hợp vữa kết dính chặt chẽ hơn, nhiều canxi silicat hydrate (C-S-H) hơn. Điều này làm tăng đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông. Một vài vật liệu nano đã được nghiên cứu làm phụ gia bê tông, bao gồm nano silic (nano-SiO2), nano-titan (nano-TiO2), nano-alumina (nano- Al2O3), nano- clay, nano-iron (nano-Fe2O3), và nano-CaCO3. Nano silic là một trong những vật liệu nano đầu tiên được sử dụng trong bê tông xi măng nhưng mang lại hiệu quả vô cùng lớn, bổ sung nano silic vào bê tông làm tăng hoạt tính pozzolanic, nhiều canxi silicat hydrat (C-S-H) được tạo ra bằng cách tác dụng canxi hydroxit (CH) từ hydrat hóa. Hoạt tính pozzolanic này tạo ra gel C-S-H có độ cứng cao sẽ làm cho vi cấu trúc ITZ (interfacial transition zone) đặc và đồng nhất hơn. Do đó, sẽ làm tăng cường độ và độ bền của bê tông [18]. Điều này cải thiện cường độ và độ bền của vật liệu xi măng nhờ giảm số lượng kích thước lỗ rỗng, phá vỡ các kết nối lỗ rỗng làm tăng cao độ cứng của pha C-S-H [67]. Hơn nữa, các hạt nano silic làm tăng mật độ của vật liệu xi măng, chèn đầy các khoảng trống và lỗ rỗng, tạo điều kiện thủy hóa bằng cách tác động như những hạt nhân trung tâm, gel C-S-H tăng lên và đóng vai trò quan trọng trong việc làm chệch hướng và khóa chặt các vết nứt [59]. Trong trường hợp bê tông thông thường, có nano silic sẽ cải thiện vi cấu trúc của vùng bề mặt trong bê tông và vữa. Thêm nano silic vào bê tông, có thể có hai cơ chế phản ứng xảy ra trong quá trình hydrat hóa xi măng. Hydrat hóa xi măng được đẩy nhanh khi thêm nano silic. H2SiO2-4 phản ứng với Ca2+ sẵn có sẽ hình thành bổ sung canxi silicat hydrat (C-S-H), các hạt C-S-H này được lan truyền trong nước giữa các hạt xi măng và nó như 2
hạt “mầm” làm cho sự hình thành pha C-S-H chặt hơn. Việc hình thành pha C-S-H không chỉ giới hạn trên bề mặt hạt như trong C3S tinh khiết mà nó còn diễn ra trong không gian lỗ rỗng. Sự hình thành số lượng lớn hạt C-S-H gây ra sự tăng tốc độ hydrat xi măng sớm. Hơn nữa, phản ứng puzzolanic của nano silic với canxi hydroxit được hình thành trong suốt quá trình hydrat hóa, tạo thêm C-S-H là thành phần chính làm tăng cường độ, mật độ và độ cứng xi măng. Đồng thời canxi hydroxit thành phần không đóng góp vào sự phát triển cường độ bê tông đã được triệt tiêu. Ngoài phương pháp chế tạo nano silic từ hóa chất tinh khiết đắt tiền thì Việt Nam đã chế tạo nano silic từ tro trấu, vừa giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra được phụ gia bê tông hiệu quả cao. Theo yêu cầu thực tiễn phát triển hệ thống hạ tầng giao thông đòi hỏi chất lượng bê tông ngày càng cao, chúng ta có thể nghĩ đến nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic trong xây dựng kết cấu công trình cầu đường, cảng biển chịu ảnh hưởng bởi khí hậu và thời tiết. Đó là lý do nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic từ phụ phẩm nông nghiệp để nghiên cứu. Tên đề tài: “Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực” Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng vật liệu muội silic nano silic và các loại vật liệu chế tạo bê tông thông thường, dùng qui hoạch thực nghiệm để thiết kế và chế tạo bê tông chất lượng cao có cường độ nén tối ưu của bê tông 70Mpa. Ứng dụng bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic trong kết cấu dầm chịu lực và tính toán tuổi thọ công trình. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3
* Đối tượng nghiên cứu: Bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic và kết cấu dầm chịu uốn. * Phạm vi nghiên cứu: Bê tông chất lượng cao muội silic và nano silic cường độ 70Mpa, ứng dụng kết cấu dầm chịu lực U38 và tính toán dự báo tuổi thọ công trình. Phương pháp nghiên cứu: Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: Nghiên cứu tài liệu: Tham khảo và nghiên cứu các đề tài, báo cáo nghiên cứu và ứng dụng của loại bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic, các tiêu chuẩn kỹ thuật, v.v… Phương pháp kế thừa: Các nghiên cứu trước đây về bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic, các phương pháp tính toán kết cấu dầm, dầm chữ U, phương pháp tính toán ACI 318-14, v.v… Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic. Thí nghiệm xác định mô men tới hạn của dầm chịu lực. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu: * Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu sử dụng bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic có độ bền cao trong các kết cấu dầm chịu uốn để thiết kế và thi công các công trình cầu vượt biển, các cầu cảng sẽ làm tăng tuổi thọ của công trình, giảm chi phí bảo trì và sửa chữa, mang lại sự an toàn cho các công trình bê tông và BTCT trong xây dựng. * Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã lựa chọn các loại vật liệu phù hợp để thiết kế và chế tạo bê tông chất lượng cao sử dụng vật liệu muội silic và nano sillic với cường độ nén tối ưu của bê tông cấp 70MPa. Đây là loại bê tông có cường độ và tính bền cao, có thể ứng dụng cho tất cả các công trình bê 4
tông và BTCT làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp là tro trấu để điều chế nano silic làm phụ gia cho bê tông chất lượng cao sẽ mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật và môi trường. Bố cục của luận án: Luận án gồm có Phần mở đầu và 4 chương, Kết luận và kiến nghị. Mở đầu. Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu bê tông muội silic-nano silic Chương 2: Vật liệu và quy hoạch thực nghiệm bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic Chương 3: Nghiên cứu kết cấu dầm chịu uốn sử dụng bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic Chương 4: Ứng dụng bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic Kết luận và kiến nghị TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG MUỘI SILIC-NANO SILIC 1.1. Tổng quan bê tông chất lượng cao sử dụng vật liệu Nano Nano được làm từ SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2 hoặc ZrO2 đã được nghiên cứu[40], [63], [84], [85], [86]. Cấu trúc ở quy mô nanomet để phát triển vật liệu xi măng composit đa chức năng, với chất lượng cơ học cao và độ bền cao, có thể có nhiều tính chất mới lạ như: tự làm sạch, tự làm lành, tính dẻo dai, và khả năng tự kiểm soát các vết nứt [69]. Nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất trong bê tông là nano silic (NS) và cũng là chủ đề chính của nhiều nghiên cứu hiện nay. 1.2. Ảnh hưởng nano silic đến tính chất bê tông 5
Thêm NS vào bê tông ngoài tác dụng lèn chặt còn làm tăng hoạt tính pozzolanic trong đó nhiều (C-S-H) được tạo ra bằng cách phản ứng với (CH) trong quá trình hydrat hóa. Hoạt tính pozzolanic này tạo ra gel C-S-H có độ cứng cao sẽ làm cho vi cấu trúc ITZ đặc và đồng nhất hơn. Nó sẽ làm tăng cường độ và độ bền của bê tông [59],[76]. 1.3. Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic Trên thế giới bê tông nano silic đã được nghiên cứu đã vài thập kỷ và áp dụng vào công trình như: Cầu Garnerplatzbucke (Đức-2007). Việt Nam chỉ mới nghiên cứu vài năm gần đây, chủ yếu sử dụng nano silic chế tạo qui mô phong thí nghiệm từ tro trấu. Và kết quả khá khả quan. 1.4. Nghiên cứu kết cấu sử dụng bê tông nano silic và độ bền bê tông Các nghiên cứu của T.S. Mustafa, J. Sridhar [62]…nghiên cứu vai trò NS ảnh hưởng đến ứng xử uốn của dầm. Các nghiên cứu Trần Hữu Bằng [1], Forood Torabian Isfahani[47]…nghiên cứu độ bền về ăn mòn clorua. 1.5. Kết luận chương 1 Các hạt nano silic trong hỗn hợp bê tông có vai trò như là “chất độn” chèn đầy vào các khoảng trống và lỗ rỗng trong hỗn hợp bê tông của các cỡ hạt lớn hơn do đó sẽ làm tăng độ đặc, độ rỗng giảm, làm cho cấu trúc vi mô dày đặc hơn ở vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) giữa cốt liệu và hồ xi măng. Bê tông xi măng có NS sẽ xảy ra phản ứng trong quá trình hydrat hóa của xi măng. NS tạo ra H2SiO2-4 phản ứng với Ca2 + do Ca(OH)2 tạo ra sẽ hình thành bổ sung (C-S-H), làm cho bê tông sử dụng NS thay đổi từ tính chất cơ học cho đến độ bền của bê tông theo hướng 6
tích cực: Cường độ nén, cường độ kéo khi uốn, tính thấm, chống ăn mòn, chống xâm thực đều tăng lên rất nhiều so với bê tông không sử dụng NS. Hầu hết các kết quả nghiên cứu về bê tông sử dụng nano silic trên thế giới đều cho kết quả rất tốt về loại vật liệu này. Tại Việt Nam, kết quả nghiên cứu ban đầu ứng dụng nano silic có kết quả khả quan, tuy nhiên số liệu nghiên cứu còn khá ít và chưa nghiên cứu sâu để ứng dụng bê tông chất lượng cao vào các kết cấu bê tông và BTCT cầu đường. Hầu hết kết quả nghiên cứu đưa ra giá trị tối ưu hàm lượng nano silic khoảng từ 1-3%CKD. Luận án sẽ lựa chọn nghiên cứu sử dụng hàm lượng NS thay đổi trong phạm vi 1,2 đến 2,8%CKD để thiết kế cấp phối bê tông chất lượng cao với cường độ 70MPa. Để tối ưu hàm lượng NS và giảm kinh phí cho các thí nghiệm, luận án sẽ sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tìm ra hàm lượng NS tối ưu, thỏa mãn được các yêu cầu kỹ thuật của bê tông chất lượng cao. VẬT LIỆU VÀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO MUỘI SILIC-NANO SILIC 2.1. Lựa chọn vật liệu nghiên cứu Xi măng sử dụng PC40 của Bút Sơn. Muội silic (Sikacrete PP1) của hãng Sika Việt Nam. Nano silic được chế tạo từ tro trấu tại Trung tâm Nghiên cứu Hóa học Ứng dụng, Trường Đại học Thủy lợi. Đá dăm tại Kim Bảng – Hà Nam. Cát Sông Lô-Phú Thọ. Phụ gia Sika Viscocrete 3000-20M. Nuớc phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 4506:2012. 7
2.2. Quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ N/CKD và hàm lượng Nano silic đến cường độ nén và độ thấm ion clo 2.2.1. Chọn thông số nghiên cứu Hàm mục tiêu: Cường độ chịu nén của BTXM và độ thấm ion. Yếu tố ảnh hưởng: X1: Tỷ lệ Nước/CKD; X2: Tỷ lệ % Nano silic Bảng 2-8. Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng Giá trị X1 X2 Khoảng biến thiên 0,26 ≤ X1 ≤0,34 1,2 ≤ X2 ≤2,8 X0j 0,3 2,0 ΔXj 0,04 0,8 2.2.2. Lập kế hoạch thực nghiệm tương quan giữa mã thực và biến mã hóa Lập bảng thực nghiệm tương quan giữa biến mã thực và biến mã hóa, kế hoạch thực nghiệm tại tâm, …theo tài liệu tham khảo [15] 2.2.3. Thiết kế cấp phối bê tông xi măng theo Tiêu chuẩn ACI211.4R-08 Nghiên cứu và lựa chọn các yếu tố trong thiết kế cấp phối theo tiêu chuẩn ACI211.4R-08 [27] 2.3. Thực nghiệm thiết kế thành phần bê tông xi măng- muội silic- nano silic Tiến hành thiết kế thực nghiệm thiết kế 9 cấp phối theo lý thuyết mục 2.2.3 được 9 cấp phối như bảng 2-21. Bảng 2-21. Thành phần cấp phối theo quy hoạch thực nghiệm STT N/ Đ C N X SF NS PGSD Kí hiệu HH CKD (kg) (kg) (lit) (kg) (kg) (kg) (lít) 1 C026-12NS 0,26 1060 613 160,4 538,5 47,4 7,1 7,1 2 C026-20NS 0,26 1060 590 160,4 555,3 49,4 12,34 7,4 3 C026-28NS 0,26 1060 610 160,4 529 47,4 16,6 7,1 4 C030-12NS 0,3 1060 664 160,4 485,8 42,8 6,4 6,4 5 C030-20NS 0,3 1060 662 160,4 481,5 42,8 10,7 6,4 6 C030-28NS 0,3 1060 661 160,4 477,2 42,8 15 6,4 7 C034-12NS 0,34 1060 719 160,4 428,5 37,8 5,7 5,7 8 C034-20NS 0,34 1060 717 160,4 424,8 37,8 9,44 5,7 8
STT N/ Đ C N X SF NS PGSD Kí hiệu HH CKD (kg) (kg) (lit) (kg) (kg) (kg) (lít) 9 C034-28NS 0,34 1060 716 160,4 421 37,8 13,2 5,7 2.4. Kết quả thực nghiệm tính chất bê tông Xác định độ sụt theo ASTM C43, Cường độ nén theo ASTM C39, Độ thấm Ion Clo bằng phương pháp thấm nhanh theo ASTM C1202. 2.5. Tính toán theo quy hoạch thực nghiệm Tiến hành xử lý số liệu thu được hai phương trình hồi quy:  N  Cường độ: y1 = 94,50 − 110, 7    + 26, 67  ( NS) − 6, 667  ( NS) 2  CKD   N  Độ thấm ion Clo: y 2 = −178, 25 + 1406, 25    − 34, 688  NS  CKD  2.6. Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của bê tông nano silic theo cấp phối tối ưu theo quy hoạch thực nghiệm Thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi cho bê tông có (N/CKD=0,26, NS=2%) 2.7. Kết luận chương 2 Kết quả quy hoạch thực nghiệm đã thu được 2 phương trình: Cường độ chịu nén:  N  f 'c28 = 94,50 − 110, 7    + 26, 67  ( NS) − 6, 667  ( NS) 2 (2-12)  CKD  Phương trình cường độ chịu nén bê tông phụ thuộc vào biến X1(N/CKD) là tuyến tính. Cường độ chịu nén của bê tông phụ thuộc bậc 2 vào biến X2(NS). Giá trị cực trị tại X2=NS=2%.  N  Độ thấm ion Clo: y2 = −178, 25 + 1406, 25    − 34,688  NS (2-13)  CKD  Độ thấm ion Clo phụ thuộc tuyến tính cả 2 biến X1 và X2 Bảng 2-30, Bảng 2-31, ta thấy việc sử dụng kết hợp giữa nano silic và muội silic cấp phối nghiên cứu có hiệu quả rõ rệt làm tăng cường độ tuổi sớm cho bê tông nhất là 3 và 7 ngày tuổi. Cường độ chịu kéo 9
khi uốn đạt đến 8,95MPa, mô đun đàn hồi 50946MPa. Tóm lại, có thể thấy rằng bê tông này có tính chất cơ lý phù hợp để nghiên cứu ứng dụng cho kết cấu yêu cầu chất lượng cao trong quá trình phát triển xây dựng hiện nay, ngoài ra nó còn hiệu quả trong việc đẩy nhanh tiến độ thi công công trình sẽ giảm giá thành xây dựng. NGHIÊN CỨU KẾT CẤU DẦM CHỊU UỐN SỬ DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO MUỘI SILIC-NANO SILIC 3.1. Cơ sở nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ cao 3.1.1. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, so sánh mô men tới hạn các tiêu chuẩn ACI318, CEB-FIP, CSA, NZS. Xem xét phương pháp tính phù hợp cho bê tông chất lượng cao sử dụng NS. 3.1.2. Cơ sở xác định mô men tới hạn theo tiêu chuẩn ACI318.14 cho cấu kiện chịu uốn cốt thép đơn tiết diện chữ nhật Bê tông vùng kéo: Đối với ACI 318 bỏ qua không tính đến độ bền chịu kéo của bê tông (xem Mục 10.2.5 của ACI). Bê tông vùng nén: Đối với vùng chịu nén hình chữ nhật có bề rộng b và chiều cao tới trục trung hoà c. 3.1.3. Xây dựng quan hệ giữa mô men và góc xoay trong dầm chịu uốn Xây dựng quan hệ giữa Mô men và góc xoay trên cơ sở lý thuyết của tiêu chuẩn ACI318 và phân tích mặt cắt cấu kiện chịu uốn (Park và Paulay [92]). Từ công thức (3-7) đến (3-20). 10
M Mu My h ds As Mcr a0 b  cr.a cr.b y u Hình 3-6. Quan hệ giữa mô men và góc xoay trong dầm chịu uốn cốt thép đơn  a Mô men tới hạn: M u = 0,85  f 'c  ab  d s −  (3-19)  2 c c1 Góc xoay tới hạn: u = = (3-20) c a 3.2. Thí nghiệm dầm và thu thập số liệu 3.2.1. Chuẩn bị mẫu dầm thí nghiệm Theo thiết kế cấp phối cho hỗn hợp 6 (tối ưu) Bảng 2-21. 3.2.2. Sản xuất mẫu dầm thí nghiệm 20 5x60=300 130 300 130 5x60=300 20 20 110 20 150 70 1060 70 1200 Hình 3-11. Sơ đồ cấu tạo cốt thép và vị trí thiết bị thí nghiệm 9 dầm 20 110 20 130 150 150 3.3. Phương pháp và trình tự thí nghiệm dầm 20 20 110 20 20 110 20 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm 150 150 Hệ thống thiết bị đo lường đa năng (Compact DAQ Multifunction System) National Instruments (Mỹ). 11
3.3.2. Quá trình thí nghiệm Tiến hành nén 9 mẫu dầm thu thập Tải trọng, chuyển bị, biến dạng bê tông vùng nén, thép vùng kéo bằng load cell, LDVT, strange gauge. Hình 3-17. Tiến hành Hình 3-18. Biểu đồ tải trọng -độ võng thí nghiệm cho nhóm dầm 2D12 3.4. Thu thập kết quả thí nghiệm dầm Số liệu thu thập cho dầm 2D12-1 thể hiện bảng 3-3. Bảng 3-3. Số liệu thu thập điển hình dầm 2D12-1 DẦM 2D12-1 Load Chuyển vị giữa Biến dạng thép Biến dạng nén Điểm (KN) dầm (mm) chịu kéo s Bê tông c 0 1,13 0,037951 0,000016 0,000001 A 21,35 0,798672 0,000096 0,000230 B 49,48 6,21878 0,002344 0,001737 C 58,52 23,982055 0,011328 0,008362 3.5. Biểu đồ tải trọng và độ võng Biểu đồ quan hệ tải trọng và độ võng thể hiện Hình 3-18 đến 3-21. 3.6. Nhận xét Quá trình ứng xử của dầm được chia thành 3 giai đoạn: Giai đoạn đàn hồi chưa có vết nứt (Đoại OA trên đồ thị). Giai đoạn có vết nứt đến lúc thép đạt giá trị chảy (Đoạn AB). Giai đoạn sau khi thép chảy dẻo đến phá hoại (Đoạn BC) Hình 3-18. 3.7. Tính toán mô men tới hạn theo lý thuyết và kết quả thực nghiệm Tính toán mômen tới hạn Mu lý thuyết sử dụng các tham số xác 12
định khối ứng suất bê tông chịu nén quy đổi hình chữ nhật tương đương được đề xuất bởi ACI 318-14 (2014), CEB-FIP MC90 (1991), CSA A23.3-04 (2004) và NZS 3101-95 (1995), như trong Bảng 3-5. Công thức xác định: M u =   f 'c 1  cb ( d s − 0,51  c ) (3-21) Tính toán mô men tới hạn Mu thực nghiệm bằng phương pháp cơ học thông thường như sơ đồ Hình 3-22. P/2 P/2 70 380 300 380 70 1200 Hình 3-22. Sơ đồ tính toán mô men tới hạn của dầm Bảng 3-8. Kết quả phân tích và thực nghiệm và giá trị tính toán mô men tới hạn theo các tiêu chuẩn khác nhau DẦM MTN ACI 318 CEB-FIB MC90 CSA A23.3-04 NZS 3101-95 Mu k=(MTN Mu k=(MTN Mu k=(MTN Mu k=(MTN (KN.m) /Mu) (KN.m) /Mu) (KN.m) /Mu) (KN.m) /Mu) 2D12-1 11.20 9.98 1.12 9.76 1.15 9.92 1.13 9.91 1.13 2D12-2 11.48 9.7 1.19 9.4 1.22 9.6 1.20 9.59 1.20 2D12-3 11.35 9.8 1.16 9.6 1.18 9.8 1.16 9.8 1.16 2D14-1 14.42 13.1 1.08 12.7 1.12 13.0 1.09 13.0 1.09 2D14-2 14.86 12.8 1.16 12.4 1.19 12.7 1.17 12.7 1.17 2D14-3 14.78 13.1 1.12 12.7 1.15 13.0 1.13 13.0 1.13 2D16-1 17.18 15.6 1.10 15.0 1.14 15.5 1.11 15.4 1.11 2D16-2 17.54 15.8 1.11 15.1 1.15 15.6 1.12 15.6 1.12 2D16-3 17.36 15.8 1.08 15.1 1.12 15.6 1.09 15.6 1.09 Trung bình: 1.12 1.16 1.13 1.13 Nhận xét: Mô men tới hạn giữa thực nghiệm và theo các tiêu chuẩn có sự chênh lệch khá lớn, trung bình giá trị thực nghiệm cao hơn từ 12-16%. Như vậy ta có thể nhận thấy các lý thuyết tính toán này bỏ qua làm việc vùng kéo bê tông có thể chưa phù hợp thực tế làm việc của loại bê tông này. 3.8. Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán sức kháng theo thực nghiệm có xét đến vùng chịu kéo của bê tông 13
3.8.1. Xây dựng cơ sở lý thuyết xác định chiều cao vùng tham gia chịu kéo của bê tông Xem xét bê tông vùng kéo như 1 khối chữ nhật, chiều cao là x và cường độ chịu kéo là ft. 0.003 0.85f'c a=1.c c ds ft x r b As.fy As.fy Hình 3-24. Mô hình giả thuyết bê tông làm việc chịu uốn có xét đến vùng chịu kéo Phương tình cân bằng có xét đến vùng chịu kéo của bê tông:   X = 0  0,85  f 'c  a  b = A s f y + x  b  f t    a  a a x  (3-23)  M / 0 = 0  M u = A s f y  d s − 2  + x  b  f t    − 2 + 2      1  3.8.2. Xây dựng phương trình quan hệ giữa x và a Từ 9 giá trị Mu thực nghiệm thay vào hệ phương trình (3-23), phương trình hồi quy chiều cao vùng kéo x xác định theo chiều cao vùng nén a: x = 33, 737 + 0, 325  a (3-33) 3.8.3. Nhận xét Đề xuất phương trình xác định mô men tới hạn cho loại bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic với cường độ thiết kế 70MPa:  a  a a x M u = As f y  ds −  + x  b  f t   − +  (3-34)  2  1 2 2  Với: Khối ứng suất bê tông chịu kéo giả thuyết là (x.ft) 3.9. Xây dựng đường cong quan hệ mô men và góc xoay 3.9.1. Xây dựng đường quan hệ mô men và góc xoay lý thuyết 14
Tiến hành xây dựng đường quan hệ mô men và góc xoay cho dầm 2D12-1 trên các thông số tiết diện như mục 3.8.1. Áp dụng công thức từ (3-6) đến (3-20). 3.9.2. Xác định mô men tới hạn và góc xoay theo công thức thực nghiệm có xét đến vùng bê tông chịu kéo Căn cứ công thức xây dựng trong mục 3.9.1 và 3.9.2 tính toán giá trị mô men và góc xoay tương ứng cho 9 dầm như bảng 3-12. Bảng 3-12. Bảng tính giá trị góc mô men và góc xoay lý thuyết Dầm Giá trị Mcr.a Mcr.b My MACIu Mftu 2D12-1 M (KN.m) 5.32 5.32 9.64 9.97 11.39  (rad/mm)x10-5 0.24 1.11 1.85 28.18 17.23 2D12-2 M(KN.m) 5.28 5.28 9.34 9.64 11.06  (rad/mm)x10 -5 0.24 1.19 1.92 28.18 17.23 2D12-3 M(KN.m) 5.38 5.38 9.57 9.89 11.30  (rad/mm)x10 -5 0.24 1.15 1.87 28.18 17.23 2D14-1 M(KN.m) 5.41 5.41 12.95 13.35 14.90  (rad/mm)x10-5 0.24 0.89 1.90 20.83 14.07 2D14-2 M(KN.m) 5.35 5.35 12.44 12.80 14.34  (rad/mm)x10-5 0.24 0.96 1.98 20.83 14.07 2D14-3 M(KN.m) 5.39 5.39 12.75 13.13 4.68  (rad/mm)x10-5 0.20 0.92 1.93 20.83 14.07 2D16-1 M(KN.m) 5.46 5.46 15.41 15.88 17.55  (rad/mm)x10-5 0.20 0.78 1.93 16.77 12.02 2D16-2 M(KN.m) 5.70 5.70 15.29 15.75 17.41  (rad/mm)x10-5 0.25 0.83 1.95 16.77 12.00 2D16-3 M(KN.m) 5.45 5.45 15.29 15.75 17.41  (rad/mm)x10-5 0.24 0.79 1.95 16.77 12.02 3.9.3. Giá trị góc xoay thực nghiệm Dựa trên nguyên lý Bernoulli, tham khảo [92] kết quả thực nghiệm của các dầm thu được từ các cảm biến đo biến dạng gắn trên thép chịu kéo và bê tông chịu nén ở mặt cắt giữa nhịp. Tính toán góc xoay  theo Hình 2-36 15
c kds Truïc trung hoaø ds  s Hình 3-26. Tính toán Hình 3-27. Biểu đồ quan hệ mô men góc xoay thực nghiệm tới hạn và góc xoay dầm 2D12-1 Bảng 3-13. Giá trị mô men và góc xoay thực nghiệm dầm 2D12-1 Biến dạng thép Biến dạng nén Góc xoay thực Điểm Load MTN chịu kéo s Bê tông c nghiệm  KN KN.m Rad/mm(x10-5) 0 1.13 0.22 0.000016 0.000001 0.0136 A 21.35 4.06 0.000096 0.000230 0.2608 B 49.48 9.40 0.002344 0.001737 3.2650 C 58.52 11.12 0.011328 0.008362 15.7506 3.9.4. Biểu đồ góc xoay thực nghiệm và lý thuyết Hình 3-27. Thể hiện biểu đồ quan hệ mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D12-1 3.9.5. Tính dẻo của dầm nghiên cứu Theo Park và Paulay [92] tính dẻo của kết cấu thường được ký hiệu là u và được định nghĩa tỷ số dẻo theo công thức sau: u = u /  y . Tính toán được biểu đồ Hình 3-36 Hình 3-36. Quan hệ tỷ số dẻo và hàm lượng cốt thép dầm thí nghiệm 16
Tỷ số dẻo của bê tông nghiên cứu khá cao phù hợp với kết cấu chịu tải trọng động. 3.9.6. Nhận xét Nhìn chung kết quả các biểu đồ cho thấy các đường cong momen- góc xoay giữa phương pháp giải tích cải tiến và phương pháp thực nghiệm có sự tương đồng với nhau. 3.10. Kết luận chương 3 Xây dựng phương trình xác định mô men tới hạn cải tiến xem xét đến vùng chịu kéo của bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic:  a  a a x M u = As f y  d s −  + x  b  f t   − +   2  1 2 2  x.ft: Là khối bê tông chịu kéo giả định Chiều cao vùng kéo x xác định theo chiều cao vùng nén a: x = 33, 737 + 0, 325  a Từ Hình 3-27 đến Hình 3-35 biểu diễn mối quan hệ giữa momen và góc xoay tương ứng của tiết diện dầm tại mặt cắt giữa nhịp theo phương pháp giải tích và phương pháp đo thực nghiệm. Kết quả các biểu đồ cho thấy các đường cong momen-góc xoay giữa phương pháp giải tích cải tiến và phương pháp thực nghiệm có sự tương đồng với nhau rất rõ ở 2 giai đoạn làm việc của tiết diện: giai đoạn đàn hồi trước khi nứt và giai đoạn thép chảy dẻo đến khi phá hoại. Hầu hết các mẫu thí nghiệm cho thấy sự sai lệch tại điểm nứt và điểm giới hạn giữa 2 phương pháp là tương đồng, điều này có thể thấy độ tin cậy của phương pháp hiệu chỉnh mà nghiên cứu đã đề xuất. 17
ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO MUỘI SILIC-NANO SILIC 4.1. Kết cấu dầm chịu uốn U38m Luận án phân tích khả năng chịu uốn tiết diện chữ U Hình 4-1, chiều dài 38m, sử dụng 77 tao cáp loại 15,2mm độ chùng nhão thấp. Tiến hành tính toán sức kháng uốn của dầm bê tông không NS và sử dụng 2%NS có xét đến phần chịu kéo của bê tông, kết quả Bảng 4-6. Bảng 4-6. Bảng kết quả tính toán cho các dầm U38m Tham số U38-C70 U38-C70-2NS f'c 70 93 Eb 26752 50946 Ed 42299 50946 h 1400 1400 h2 232,3 232,3 b'f 2212 3305,6 h'=h+h2 1632,3 1632,3 k 0,28 0,28 1 0,65 0,65 c 227,87 133,49 a 148,11 86,77  1 1 fps 1766,69 1813,78 Mr 2,33×1010 2,94×1010 Theo kết quả tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN11823- 2017, kết cấu dầm sử dụng bê tông C70-2NS thì sức kháng uốn của kết cấu nhịp tăng lên khá cao 26%, phù hợp ứng dụng loại bê tông này trong cấu kiện làm việc chịu kéo. 4.2. Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu vùng biển do ăn mòn clo 4.2.1. Cơ sở tính toán thiết kế kết cấu theo độ bền theo tiêu chuẩn TCVN 12041:2017 18