Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu lớp mặt cầu bằng bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi thép (UHPFRC) trên bản thép trực hướng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG VĂN SỸ NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG VĂN SỸ NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG Ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số: 62.58.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Phạm Duy Hữu TS Trần Việt Hùng HÀ NỘI, 2017 i LỜI CÁM ƠN Luận án thực Bộ mơn Cơng trình giao thơng thành phố Cơng trình thủy, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Giao thông vận tải hướng dẫn GS.TS Phạm Duy Hữu TS Trần Việt Hùng Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết sâu sắc tới GS.TS Phạm Duy Hữu TS Trần Việt Hùng tận tình hướng dẫn khoa học suốt trình thực luận án Tơi xin chân thành cám ơn q thầy giáo Bộ mơn Cơng trình giao thơng thành phố Cơng trình thủy - Trường Đại học Giao thông vận tải động viên, giúp đỡ tạo điều kiện để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cám ơn phịng Đào tạo sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình học tập trường Tơi xin trân trọng cảm ơn Bộ mơn Vật liệu xây dựng, Phịng Thí nghiệm vật liệu xây dựng, Trung tâm khoa học công nghệ Giao thông vận tải - Trường Đại học Giao thông vận tải tạo điều kiện giúp đỡ thực nghiên cứu thực nghiệm Cuối tơi bày tỏ cảm ơn đồng nghiệp, gia đình người thân giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2017 Tác giả Đặng Văn Sỹ ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả luận án xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả Đặng Văn Sỹ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii  MỤC LỤC iii  DANH MỤC CÁC BẢNG x  MỞ ĐẦU 1  CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG .5  1.1 Mở đầu 5  1.2 Thành phần, tính UHPFRC 5  1.2.1 Thành phần UHPFRC 5  1.2.2 Tính học UHPFRC 9  1.2.3 Tính độ bền UHPFRC 15  1.3 Mơ hình ứng xử uốn thiết kế UHPFRC 17  1.3.1 Chỉ dẫn thiết kế UHPFRC AFGC [23]: 18  1.3.2 Chỉ dẫn Hội kỹ sư xây dựng Nhật JSCE [65] 19  1.3.3 Chỉ dẫn thiết kế Australia 20  1.3.4 Hướng dẫn tính tốn Mỹ 20  1.3.5 Các nghiên cứu nước 21  1.4 Lớp phủ mặt cầu thép trực hướng bê tông cốt sợi 23  1.4.1 Giới thiệu mặt cầu trực hướng lớp phủ mặt cầu 23  1.4.2 Ứng dụng mặt cầu trực hướng 25  1.4.3 Các hư hỏng mặt cầu thép trực hướng 28  1.4.4 Các mơ hình sử dụng lớp phủ mặt cầu bê tông cốt sợi 30  1.4.5 Các nghiên cứu lớp phủ bê tông cốt sợi thép trực hướng 33  1.5 Xác định vấn đề nghiên cứu Luận án 37  1.5.1 Nhận xét 37  1.5.2 Các vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu 39  1.6 Kết luận chương 39  iv CHƯƠNG THÀNH PHẦN VÀ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI 40  2.1 Đặt vấn đề 40  2.2 Vật liệu chế tạo 40  2.2.1 Xi măng 40  2.2.2 Phụ gia siêu dẻo 41  2.2.3 Muội silic 42  2.2.4 Cát 42  2.2.5 Bột quartz 43  2.2.6 Sợi thép 43  2.3 Thiết kế thành phần UHPFRC-V 44  2.3.1 Mục tiêu thiết kế thành phần UHPFRC-V 44  2.3.2 Phương pháp thiết kế dựa lý thuyết tối ưu độ đặc 44  2.3.3 Tính tốn lựa chọn hỗn hợp bê tơng 47  2.4 Chế tạo UHPFRC-V 49  2.4.1.Thành phần cấp phối cho mẻ trộn 49  2.4.2.Trình tự thời gian trộn 49  2.4.3 Bảo dưỡng bê tông 50  2.4.4 Nội dung số lượng mẫu thí nghiệm 50  2.5 Thí nghiệm xác định tính học UHPFRC-V 51  2.5.1 Phương pháp thí nghiệm 51  2.5.2 Kết thí nghiệm 54  2.6 Xác định ứng xử kéo uốn UHPFRC-V 59  2.6.1 Phân tích ngược xác định ứng xử kéo uốn UHPFRC-V 59  2.6.2 Mơ hình ứng xử kéo uốn UHPFRC-V: 70  2.6.3 Mơ hình ứng xử nén UHPFRC-V 71  2.6.4 Phân tích phương pháp PTHH 72  2.7 Kết luận chương 75  v CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN ÂM CỦA UHPFRCV TRÊN BẢN THÉP 77  3.1 Mở đầu 77  3.2 Mơ hình ứng dụng UHPFRC-V mặt cầu trực hướng 77  3.3 Lựa chọn mơ hình thí nghiệm 78  3.4 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 80  3.4.1 Vật liệu chế tạo 80  3.4.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 81  3.5 Phương pháp trình tự thí nghiệm 83  3.5.1 Thiết bị thí nghiệm 83  3.5.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: 85  3.5.3 Tiến trình thí nghiệm 86  3.6 Kết thí nghiệm 86  3.6.1 Quan sát ứng xử mẫu trực quan 86  3.6.2 Biểu đồ tải trọng - biến dạng kéo lớn UHPFRC-V 88  3.6.3 Biểu đồ tải trọng - độ võng: 92  3.6.4 Quan hệ tải trọng - bề rộng vết nứt 94  3.6.5 Quan hệ tải trọng - biến dạng mặt bên mẫu 98  3.7 Mơ hình ứng xử uốn UHPFRC-V thép 99  3.7.1 Phân tích ngược phương pháp giải tích 99  3.7.2 Kiểm chứng mơ hình phương pháp phần tử hữu hạn 106  3.8 Kết luận chương 108  CHƯƠNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG CÓ LỚP PHỦ BẰNG UHPFRC-V 110  4.1 Mở đầu 110  4.2 Cơ chế ứng xử học, phương pháp tính tốn, phân tích kết cấu OSD 110  4.2.1 Các chế ứng xử kết cấu OSD 111  4.2.2 Phương pháp phân tích kết cấu mặt cầu thép trực hướng 113  4.3 Các trạng thái giới hạn 115  4.3.1 Trạng thái giới hạn mỏi 115  4.3.2 Trạng thái giới hạn UHPFRC-V [23] 116  vi 4.4 Ứng xử UHPFRC-V OSD phương pháp giải tích 118  4.4.1 Mô men âm mặt cầu trực hướng tải trọng khai thác 119  4.4.2 Mô men gây nứt mặt cắt 121  4.4.3 Ứng suất, biến dạng mặt cắt liên hợp thép - UHPFRC-V 124  4.5 Phân tích ứng xử kết cấu OSD có lớp phủ UHPFRC-V 126  4.5.1 Mục tiêu phân tích 126  4.5.2 Giới thiệu phần mềm, lựa chọn phần tử 127  4.5.3 Mơ hình, vật liệu, điều kiện biên 127  4.5.4 Kết phân tích 132  4.6 Kết luận chương 136  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138  Những kết đạt luận án: 138  Những đóng góp luận án 139  Hạn chế đề tài: 139  Kiến nghị hướng nghiên cứu 139  DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ i  TÀI LIỆU THAM KHẢO ii  vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU Tiếng Anh ACI : (American Society for Testing and Materials) Hội thí nghiệm vật liệu Mỹ AFGC : (Association Francaise de Genie Civil) Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Pháp; ASTM : (American Society for Testing and Materials), Hiệp hội Thí nghiệm vật liệu Mỹ CEB : (Fédération Internationale de la Précontraninte) Hiệp hội quốc tế dự ứng lực DIN : (Deutsches Institut fyr Normung) Viện tiêu chuẩn Đức EA : (Epoxy Asphalt) Bê tông nhựa epoxy ECC : (Engineered Cementitious Composite) Bê tơng có chất kết dính tổng hợp, sợi polymer FHWA : (Feleral Highway Administration) Cục đường liên bang - Mỹ FRC : (Fiber Reinforced Concrete) bê tông cốt sợi; FRD : (Fibre Reinforced Densit) Bê tông cốt sợi thương mại Densit® HPC : (High Performance Concretes): Bê tơng chất lượng cao JSCE : (Japan Society of Civil Engineers) Hội Kỹ sư xây dựng Nhật Bản MA : (Mastic Asphalt) Mastic nhựa OSD : (Orthotropic Steel Deck) Bản thép trực hướng RILEM : (International Union of Laboratories and Experts in Contruction Materials) Hiệp hội quốc tế phịng thí nghiệm chuyên gia lĩnh vực vật liệu xây dựng SF : (Silica fume) Muội silic SFRC : (Steel Fiber Reinforced Concrete) Bê tông cốt sợi thép UHPC : (Ultra High Performance Concretes): Bê tơng tính siêu cao UHPFRC : (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete): Bê tông tính siêu cao gia cường cốt sợi; ULS : (Ultimate Limit State) trạng thái giới hạn cường độ viii Tiếng Việt BQ KQTN MS N/X N/CKD PC PVA Q SD S50 S50.0 S60 S70 SU1, SU2; : Bột quartz : Kết thí nghiệm : Muội silic : Tỷ lệ nước xi măng : Tỷ lệ nước chất kết dính : Xi măng pooc lăng : Sợi Poly-Vinyl-Alcohol, : Quartz : Siêu dẻo : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V 50mm; : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V 50mm khơng bố trí cốt thép : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V 60mm; : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V 70mm; SU3; SU4; SU4; SU5; SU6 - Ký hiệu mẫu thử UHPFRC-V thí nghiệm uốn điểm TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam; ST : Sợi thép TCN : Tiêu chuẩn ngành TTGH : Trạng thái giới hạn UHPFRC-V : Bê tơng tính siêu cao gia cường cốt sợi đề xuất Luận án X : Xi măng Danh mục ký hiệu  : Ký hiệu cho giá trị biến dạng i : Biến dạng kéo thớ i el ; uel : Biến dạng giới hạn đàn hồi; Biến dạng giới hạn đàn hồi tính tốn lim ; u,lim : Biến dạng giới hạn; biến dạng giới hạn tính tốn 1% : Biến dạng1%; max : Biến K : hệ số xét đến phân tán cốt sợi; Kt : Hệ số điều chỉnh kích thước mẫu chịu uốn; cf : hệ số an toàn tính tốn; fctfk : Giá trị đặc trưng cường độ kéo lớn sau nứt fctk,el : Giá trị đặc trưng cường độ chịu kéo giới hạn đàn hồi fctf,1%,k : Giá trị đặc trưng cường độ chịu kéo sau nứt ứng với biến dạng 1% dạng lớn tương ứng với vị trí xuất vết nứt cục 135 Bảng 4.15 Biến dạng lớn mặt lớp phủ 14PL+ UHPFRC-V Chiều dày lớp phủ (mm) Biến dạng (U.10-6) 14PL+ EA Biến dạng EA/U (EA.10-6) 1310 11,74 14PL+ MA Biến dạng MA/U (MA.10-6) 753 6,75 50 112 60 91 1184 13,01 600 6,59 70 77 1043 13,53 474 6,15 Bảng 4.16 Ứng suất lớn thép Khơng có lớp phủ 14PL+ UHPFRC-V 14PL+ EA 14PL+MA Ứng suất (MPa) Chiều dày lớp phủ (mm) Ứng suất (MPa) 130,84 Chiều dày lớp phủ (mm) 50 23,20 50 16 118,75 60 21,56 18 101,56 70 20 86,90 - Chiều dày (mm) Ứng suất (MPa) 14 Ứng suất (MPa) 102,97 Chiều dày lớp phủ (mm) 50 60 91,24 60 49,48 20,05 70 81,06 70 40,39 - - - - - 61,69 1400 Biến dạng lớp phủ (.10-6) 1200 1000 800 600 14PL+ UHPFRC-V 14PL+ EA 12PL+ MA 400 200 50 60 70 Chiều dày lớp phủ (mm) Hình 4.16 Biến dạng lớn lớp phủ với loại lớp phủ khác 14 16 18 20 Chiều dày bản thép (mm) 22 24 180 160 140 140 120 120 100 100 Ứng suất (MPa) 160 80 80 14PL+ UHPFRC-V 14PL+EA 14PL+ MA PL+0 lớp phủ 60 40 60 Ứng suất (MPa) 12 180 40 20 20 0 10 20 30lớp phủ40 Chiều dày (mm) 50 60 70 Hình 4.17 Ứng suất lớn đường hàn với lớp phủ khác 136 Bảng 4.17 So sánh ứng suất thép Chiều 14PL+ 14PL+ EA 14PL+ MA dày UHPFRC-V lớp Ứng suất (MPa) Ứng suất (MPa) chênh lệch (%) Ứng suất (MPa) chênh lệch (%) phủ (1) (2) [(2)-(1)]/(2)*100 (3) [(3)-(1)]/(3)*100 (mm) 50 23,20 102,97 77,47 61,69 62,39 60 21,56 91,24 76,37 49,48 56,43 70 20,05 81,06 75,27 40,39 50,36 Kết phân tích mẫu sườn hở với khoảng cách sườn 380mm, chiều dày thép 14mm cho thấy việc sử dụng UHPFRC-V làm giảm biến dạng kéo lớp phủ mặt cầu, ứng suất thép so với loại mặt cầu truyền thống Ứng suất thép liên kết thép sườn giảm 50,36 - 77,47 % với lớp phủ mặt cầu epoxy asphalt mastic asphalt 4.6 Kết luận chương (1) Kết tính tốn mơ men âm lớn mặt cầu mô men gây nứt cho mặt cắt liên hợp thép - UHPFRC-V cho thấy sử dụng UHPFRC-V có chiều dày 50 ÷ 70 mm cho kết cấu mặt cầu thép trực hướng đảm bảo khả chống nứt cho mặt cầu, cụ thể: - Bản thép dày 12mm, chiều dày lớp phủ 50mm thích hợp với khoảng cách sườn tăng cường dọc < 310 mm, với hệ số an tồn: 1,02 ÷ 1,94; - Bản thép dày 12mm, chiều dày lớp phủ 60mm; thép 14mm, lớp phủ 50mm sử dụng khoảng cách sườn tăng cường dọc