Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu thành phần, tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ dùng trong xây dựng cầu ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG THÙY CHI NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TƠNG CỐT LIỆU NHẸ DÙNG TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI-2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG THÙY CHI NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TƠNG CỐT LIỆU NHẸ DÙNG TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG MÃ SỐ: 62-58-02-05 Hướng dẫn khoa học: GS Phạm Duy Hữu - ĐH Giao thông vận tải GS Eric Garcia-Diaz – ĐH Mỏ Alès, CH Pháp HÀ NỘI-2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Đặng Thùy Chi iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian dài khảo cứu tài liệu, nghiên cứu thí nghiệm tổng hợp, luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu thành phần, tính chất bê tơng cốt liệu nhẹ dùng cơng trình cầu Việt Nam» hồn thành Để đạt kết này, xin chân thành cảm ơn Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Duy Hữu, người trực tiếp hướng dẫn, đưa hướng nghiên cứu, đóng góp nhiều ý kiến q báu sửa chữa câu chữ để luận án hồn thành Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Giáo sư Eric Garcia-Diaz, người tận tình hướng dẫn cung cấp cho tơi nhiều tài liệu q giá để hồn thành luận án này, cho dù có khoảng cách xa địa lý Để đạt kết này, nỗ lực phấn đấu thân, cịn có giúp đỡ cá nhân, tập thể, quan hữu quan Tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp môn Vật liệu xây dựng, đồng nghiệp Khoa Kỹ thuật xây dựng, Đại học Giao thơng vận tải hết lịng giúp đỡ tơi q trình thực luận án Tôi xin cảm ơn giúp đỡ Ban Giám Hiệu, trường ĐH Công nghệ Giao thông vận tải; lãnh đạo anh chị em thí nghiệm viên phịng thí nghiệm Cơng trình - Đại học Cơng Nghệ GTVT, phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng – Đại học Thủy Lợi phịng thí nghiệm Bê tông – Viện Khoa học xây dựng giúp đỡ tơi thực thí nghiệm q trình nghiên cứu Với tình cảm chân thành, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến PGS TS Nguyễn Ngọc Long, Hiệu trưởng trường Đại học Giao thơng vận tải, Phịng Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu hầm tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi q trình học tập hồn thành luận án iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ xi DANH MỤC BẢNG xv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Những đóng góp luận án CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 1.1 Khái quát bê tông nhẹ 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển 1.1.2 Khái niệm phân loại bê tông nhẹ 1.2 Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ 10 1.2.1 Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cốt liệu nhẹ 10 1.2.1.1 Cốt liệu tự nhiên 10 1.2.1.2 Cốt liệu nhân tạo 11 1.2.2 Các tính chất lý cốt liệu nhẹ 13 1.2.2.1 Độ rỗng vi cấu trúc 13 1.2.2.2 Khối lượng thể tích 14 1.2.2.3 Độ hút nước 16 1.2.2.4 Các tính chất học cốt liệu nhẹ 17 1.3 Các tính chất bê tơng cốt liệu nhẹ 18 1.3.1 Khối lượng thể tích 18 v 1.3.2 Cường độ nén 18 1.3.3 Mô đun đàn hồi 21 1.3.4 Hệ số giãn nở nhiệt 22 1.3.5 Từ biến co ngót 22 1.3.6 Độ bền 24 1.4 Bê tông cốt liệu nhẹ xây dựng cầu 24 1.4.1 BTCLN tiêu chuẩn thiết kế cầu 25 1.4.1.1 Tiêu chuẩn Việt Nam Mỹ 25 1.4.1.2 Tiêu chuẩn châu Âu 26 1.4.2 Ưu nhược điểm BTCLN sử dụng xây dựng cầu 27 1.4.3 Các khuyến cáo ứng dụng BTCLN công trình cầu 29 1.5 Tình hình nghiên cứu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ Việt Nam 29 1.6 Kết luận chương 32 CHƯƠNG - VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 33 2.1 Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ 33 2.1.1 Cốt liệu nhẹ 33 2.1.1.1 Nguồn gốc 33 2.1.1.2 Thành phần hạt cốt liệu nhẹ 34 2.1.1.3 Khối lượng riêng, khối lương thể tích độ hút nước cốt liệu nhẹ 35 2.1.1.4 Khối lượng thể tích xốp độ hổng 36 2.1.1.5 Độ bền nén xi lanh (độ nén giập) 37 2.1.2 Cát 38 2.1.2.1 Xác định thành phần hạt cát 38 2.1.2.2 Khối lượng riêng, khối lượng thể tích độ hút nước 39 2.1.2.3 Khối lượng thể tích xốp độ hổng 39 2.1.3 Xi măng 40 2.1.4 Phụ gia khoáng 41 2.1.5 Nước 41 2.1.6 Phụ gia dẻo 41 vi 2.2 Phương pháp chế tạo mẫu thử BTCLN 41 2.2.1 Chuẩn bị vật liệu 41 2.2.2 Nhào trộn hỗn hợp 42 2.2.2.1 Qui trình 43 2.2.2.2 Qui trình 43 2.2.3 Đổ mẫu đầm nén 44 2.2.4 Bảo dưỡng 45 CHƯƠNG – NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 46 3.1 Các phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ 46 3.1.1 Phương pháp ACI 211.2 – 98 46 3.1.2 Phương pháp Chandra Berntsson 49 3.1.1.1 Nguyên tắc thiết kế 49 3.1.1.2 Các bước tính tốn 49 3.1.3 Phương pháp Bazenov 52 3.1.4 Phân tích ưu nhược điểm phương pháp 57 3.2 Phương pháp đồng hóa vật liệu composit mơ hình dự báo cường độ bê tông 58 3.2.1 Các phương pháp đơn giản để đồng hóa vật liệu 58 3.2.1.1 Mơ hình Voigt (mơ hình song song) 58 3.2.1.2 Mơ hình Reuss (mơ hình nối tiếp) 59 3.2.1.3 Giới hạn (biên) Hashin-Shtrikman (HS) 60 3.2.2 Mơ hình nối tiếp/song song dự báo cường độ bê tông cốt liệu nhẹ 61 3.2.3 Mơ hình biến động dự báo cường độ vữa xi măng – cát 63 3.2.3.1 Vật rắn không đồng gồm đá xi măng loại cốt liệu 63 3.2.3.2 Vật rắn đồng tương đương 64 3.2.3.3 Vật rắn đồng tương đương chứa đá xi măng N hạt cốt liệu 65 3.2.3.4 Tính tốn trường ứng suất nhận 66 3.2.3.5 Mơ hình dự báo 67 vii 3.2.4 Áp dụng mơ hình biến động mơ hình nối tiếp/song song để tính cường độ BTCLN 67 3.2.4.1 Xác định gần đặc trưng hồ xi măng 67 3.2.4.2 Xác định đặc trưng vữa xi măng 68 3.2.4.3 Tính cường độ nén bê tông cốt liệu nhẹ 68 3.3 Sử dụng mơ hình biến động mơ hình nối tiếp/song song để thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ 68 3.3.1 Vật liệu sử dụng 68 3.3.2 Phương pháp thí nghiệm 69 3.3.3 Các bước thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ theo mơ hình nối tiếp/song song mơ hình biến động 70 3.3.4 Tính tốn thành phần bê tơng đặc trưng học theo mơ hình nối tiếp/song song mơ hình biến động 73 3.3.5 Kết thực nghiệm thành phần bê tông 79 3.3.5.1 Kết thí nghiệm độ sụt 79 3.3.5.2 Kết thí nghiệm khối lượng thể tích bê tông nhẹ 80 3.3.5.3 Kết thí nghiệm cường độ nén ngày 28 bê tơng nhẹ 81 3.4 Phân tích ảnh hưởng thành phần đến tính chất BTCLN 83 3.4.1 Khối lượng thể tích bê tơng 83 3.4.1.1 Ảnh hưởng loại cốt liệu đến khối lượng thể tích BTCLN 83 3.4.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ cốt liệu đến KLTT BTCLN 84 3.4.2 Cường độ chịu nén BTCLN 85 3.4.2.1 Ảnh hưởng loại cốt liệu đến cường độ chịu nén BTCLN 85 3.4.2.2 Ảnh hưởng tỉ lệ cốt liệu đến cường độ chịu nén BTCLN 86 3.4.2.3 Ảnh hưởng tỉ lệ N/CKD đến cường độ chịu nén BTCLN 87 3.4.3 Quan hệ cường độ chịu nén KLTT BTCLN 88 3.5 Kết luận chương 88 CHƯƠNG – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊ TƠNG CỐT LIỆU NHẸ CHỊU LỰC 90 4.1 Kế hoạch thí nghiệm 90 viii 4.2 Vật liệu, thành phần phương pháp chế tạo BTCLN chịu lực 91 4.2.1 Vật liệu sử dụng 91 4.2.2 Thành phần bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực 92 4.2.3 Phương pháp chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực 92 4.3 Khối lượng thể tích, cường độ chịu nén BTCLN chịu lực 93 4.3.1 Xác định KLTT cường độ chịu nén BTCLN chịu lực 93 4.3.2 Kết thí nghiệm KLTT cường độ chịu nén BTCLN chịu lực 94 4.3.3 Phân tích kết thí nghiệm KLTT cường độ chịu nén BTCLN chịu lực 97 4.4 Mô đun đàn hồi BTCLN chịu lực 98 4.4.1 Mô đun đàn hồi BTCLN chịu lực 98 4.4.2 Kết thí nghiệm mô đun đàn hồi BTCLN chịu lực 98 4.4.3 Phân tích kết thí nghiệm mơ đun đàn hồi BTCLN chịu lực 100 4.5 Cường độ chịu kéo BTCLN chịu lực 104 4.5.1 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo BTCLN 104 4.5.2 Kết thí nghiệm cường độ chịu kéo BTCLN chịu lực 106 4.5.3 Diễn giải kết thí nghiệm cường độ chịu kéo BTCLN chịu lực 107 4.5.3.1 Quan hệ cường độ chịu kéo bửa cường độ chịu nén BTCLN 109 4.5.3.2 Quan hệ cường độ chịu kéo uốn cường độ chịu nén BTCLN 111 4.6 Độ chống thấm nước độ thấm ion clo BTCLN chịu lực 113 4.6.1 Thí nghiệm xác định độ chống thấm thấm ion clo BTCLN 113 4.6.2 Kết thí nghiệm độ chống thấm độ thấm ion clo BTCLN chịu lực 115 4.6.3 Diễn giải kết thí nghiệm độ chống thấm độ thấm ion clo BTCLN chịu lực 116 4.7 Kết luận chương 117 CHƯƠNG - THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 119 ix 5.1 Cơ sở lý thuyết ứng xử uốn cấu kiện chịu uốn 119 5.1.1 Điều kiện tương thích 119 5.1.2 Các điều kiện cân 120 5.2 Phương pháp phân tích dầm BTCLN chịu uốn túy theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 121 5.2.1 Nguyên tắc tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép 121 5.2.2 Phân tích giai đoạn làm việc dầm BTCLN chịu uốn túy theo tiêu chuẩn AASHTO 122 5.3 Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn dầm BTCLN 124 5.3.1 Vật liệu thành phần BTCLN chế tạo dầm thí nghiệm 124 5.3.2 Mẫu dầm thí nghiệm 125 5.3.3 Thiết bị thí nghiệm 126 5.3.4 Qui trình thí nghiệm 127 5.3.5 Kết thí nghiệm ứng xử uốn dầm BTCLN chịu tác dụng tải trọng ngắn hạn 128 5.3.5.1 Kết thí nghiệm 128 5.3.5.2 Kiểu phá hoại 129 5.3.5.3 Ứng xử nứt 130 5.3.5.4 Mô men chảy dẻo 130 5.3.5.5 Mô men tới hạn sức kháng uốn 131 5.3.5.6 Độ võng tác dụng tải trọng khai thác 132 5.4 Phân tích sức kháng uốn dầm cầu BTCLN cấp 40 MPa theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 (22 TCN 272-05) 133 5.4.1 Vật liệu kích thước hình học kết cấu nhịp 133 5.4.1.1 Vật liệu làm kết cấu nhịp 133 5.4.1.2 Kích thước hình học kết cấu nhịp 134 5.4.2 Tải trọng thiết kế 135 5.4.3 Kết tính tốn 136 5.4.3.1 Kiểm tra sức kháng uốn mặt cắt nhịp 136 134 KLTT củaa bê tông làm d dầm kg/m3 2400 24 1700 KLTT bê tông làm lan can, g gờ chắn kg/m3 2400 2400 Mô đun đàn hồi củaa bê tông làm dầm d MPa 31975 19062  Cốt thép thường (dùng cho c hai loại dầm) Giới hạn chảy cốtt thép d dọc chủ fy = 42 20 MPa loại thép khác Giới hạn chảy tất lo fy1 = 240 24 MPa Mô đun đàn hồi: Es = 200 20 000 MPa 5.4.1.2 Kích thước hình ình học h kết cấu nhịp a Số liệu chung Chiều dài dầm (mm): 18000 Khẩu độ nhịp (mm): 17400 Khoảng cách dầm m (mm): 18600 b Kích thước mặt cắtt ngang ccầu Kết cấu nhịp cầu có mặtt ccắt ngang gồm dầm T18 (Hình 11) 9000 300 x 1860 Hình 11 Mặt cắt ngang cầu Chiều rộng phần xe chạy y (mm): 8000 Số xe: Chiều rộng lề hành (mm): Chiều rộng gờ lan can (mm): 500 Chiều dày mặt cầu u (mm): 200 Số lượng dầm chủ Khoảng cách dầầm chủ (mm) 1860 Chiều dày lớp phủ mặt cầầu (mm) 50 135 Chiều dày lớp tạo phẳng ng (mm) c 100 Kích thước dầm chủ ủ b hf hv h bw hw Hình 12 Mặt cắt ngang dầm Kích thước dầm chủ đượ ợc tổng hợp Bảng 10 Bảng ng 10 Kích thước mặt cắt ngang dầm Kích thước mặ ặt cắt ngang Đơn vị Dầm T18- Dầm T18T145 N128 Tổng chiều cao dầm , h mm 1450 1250 Chiều cao sườn dầm, m, hw mm 1100 900 Chiều dày phần n vát cánh, hv mm 150 150 Chiều dày cánh, hf mm 200 200 Bề rộng phần n vát cánh, k mm 750 750 Bề rộng cánh, b mm 1560 1560 Bề rộng bụng, bw mm 350 350 5.4.2 Tải ải trọng thiết kế Tải trọng thiết kế tổ hợp Bảng 11 Dầm m tính tốn dầm d biên Bảng 11 Tải trọng thiết kế Loại tảii tr trọng Đơn vị Dầm Dầm T18-T145 T18-N128 Tĩnh tải Bê tông thông thư thường kg/m3 2400 1700 Lớp phủ mặt cầu kg/m3 2400 1700 136 Lan can gờ chắn kg/m3 2400 2400 Cốt thép thường kg/m3 7850 7850 Hoạt tải thiết kế theo AASHTO 2007 (22 TCN 272-05): HL93 Xe tải, P1 kN 35 35 kN 145 145 kN 110 110 kN/m 9,3 9,3 0 0,548 0,532 P2 = P Xe hai trục, P4 = P5 Tải trọng Người Hệ số phân bố ngang Hình 13 Sơ đồ xe tải xe hai trục thiết kế 5.4.3 Kết tính toán 5.4.3.1 Kiểm tra sức kháng uốn mặt cắt nhịp  Điều kiện kiểm tra: Trong Mu ≤ Mn Mu mơ men uốn tính tốn Mn mô men kháng uốn danh định  hệ số sức kháng   = 0,9 Mô men uốn tính tốn: Mơ men uốn mặt cắt nhịp tác động tĩnh tải, hoạt tải được tổng hợp Bảng 12 Bảng 12 Tổng hợp mơ men uốn tính tốn Tải trọng (kNm)  Dầm T18-T145 Dầm T18-N128 Mô men uốn tĩnh tải 1732,6 1278,7 Mô men uốn hoạt tải 1552,5 1507,4 Mô men uốn tổng cộng 3285,1 2786,1 Mô men kháng uốn danh định Mô men kháng uốn danh định tính theo cơng thức: 137 a h a  M n  AS f y  d s    0,85 f 'c b  bw 1h f   f 2  2    (5.12) Trong đó: As diện tích cốt thép chịu kéo, mm2 fy giới hạn chảy cốt thép chịu kéo, MPa fc’là cường độ chịu nén đặc trưng bê tông tuổi 28 ngày, MPa b bề rộng cánh, mm bw bề rộng sườn dầm, mm hf chiều dày cánh chịu nén, mm ds khoảng cách từ thớ nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo, mm a chiều cao khối ứng suất tương đương a = 1.c 1 hệ số chuyển đổi ứng suất khối, 1 = 0,764 c khoảng cách từ mép dầm đến trục trung hòa c = As.fy /0,85.1.f’c.be Bảng 13 Tổng hợp sức kháng uốn Mô men uốn (kNm) Dầm T18-T145 Dầm T18-N128 Sức kháng uốn danh định Mn 4101,0 3594,5 Sức kháng uốn tính tốn Mr = Mn 3690,9 3235,0 Từ Bảng 12 Bảng 13, cho thấy mặt cắt nhịp hai dầm T145 N128 có sức kháng uốn danh định lớn mơ men uốn tính tốn Cả hai dầm đạt yêu cầu sức kháng uốn theo AASHTO 2007 22TCN 272-05 Bảng 14 So sánh sức kháng uốn hai dầm Mô men (kNm) Dầm T18-T145 Dầm T18-N128 Sức kháng uốn tính tốn Mr 3690,9 3235,0 Mơ men uốn tĩnh tải 1732,6 1278,7 1958,2 1956,3 Mô men uốn cho phép hoạt tải [Mh] = Mr - Mt Bảng 13 cho thấy hai dầm có sức kháng uốn dự trữ cho hoạt tải [Mh] xấp xỉ 138 5.4.3.2 Kiểm tra độ võng mặt cắt nhịp Kết tính tốn độ võng mặt cắt nhịp hoạt tải gây tổng hợp Bảng 15 Bảng 15 Tổng hợp độ võng Độ võng (mm) Độ võng hoạt tải Dầm T18-T145 Dầm T18-N128 4,5 6,7 Độ võng cho phép [fv] = L/800 = 22,25mm Cả hai dầm đạt yêu cầu độ võng Như vậy, hai dầm bê tông nặng T145 BTCLN N128 đạt yêu cầu sức kháng uốn độ võng theo tiêu chuẩn AASHTO 2007 22TCN 272-05 Khi sử dụng BTCLN kết cấu dầm, giảm chiều cao dầm T18 từ 1,45m xuống 1,28m (tương đương khoảng 12%), nhận kết cấu dầm có sức kháng uốn tương đương 5.5 Kết luận chương Các thí nghiệm tiến hành dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng ngắn hạn cho thấy ảnh hưởng BTCLN lên độ võng khả chịu uốn dầm Thông qua kết nghiên cứu thực nghiệm phân tích thảo luận nêu trên, số kết luận chủ yếu rút sau: Đường cong tải trọng - độ võng dầm BTCLN cho thấy tác dụng tải trọng ngắn hạn dầm chế tạo từ BTCLN có xu hướng (ban đầu tuyến tính, cốt thép bắt đầu chảy cuối phá hủy bê tông vỡ bê tông đặc trưng vùng xuống biểu đồ tải trọng – độ võng) Sức kháng uốn dầm BTCLN tính từ tiêu chuẩn AASHTO sử dụng để nhận đánh giá an toàn cho kết cấu chịu uốn Dầm bê tông cốt thép chế tạo từ BTCLN bị phá hủy theo kiểu phá hoại điển hình dầm bê tơng nặng thơng thường (chảy cốt thép sau vỡ bê tơng vùng nén) Tuy vậy, kết luận khơng mở rộng với tất loại BTCLN cường độ nén hay KLTT nằm ngồi phạm vi chương Cần có chương trình thực nghiệm, thực nhiều thí nghiệm để củng cố kết luận 139 Phân tích ứng xử uốn dầm cầu T18 bê tông cốt thép cho thấy thay bê tơng nặng thơng thường BTCLN có cường độ, giảm chiều cao dầm 12% nhận kết cấu dầm có sức kháng uốn tương đương 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài tập trung nghiên cứu, lựa chọn vật liệu, phương pháp chế tạo, thiết kế thành phần BTCLN chịu lực khả ứng dụng loại vật liệu xây dựng cầu Các kết luận luận án bao gồm: a Lựa chọn vật liệu khả chế tạo BTCLN chịu lực Trên sở nghiên cứu tổng quan BTCLN, nghiên cứu sinh tiến hành, khảo sát lựa chọn vật liệu, phương pháp chế tạo phù hợp để sản xuất BTCLN Kết thực nghiệm cho thấy chế tạo BTCLN chịu lực sở vật liệu sét nở keramzit sử dụng Loại bê tông nhẹ nhận có KLTT nhỏ 2000 kg/m3 đạt cường độ chịu nén từ 30 - 60 MPa Luận án phân tích yếu tố ảnh hưởng đến đến cường độ khối lượng thể tích bê tơng nhẹ; đồng thời đề xuất cơng thức thực nghiệm mô tả quan hệ hai đại lượng Đây tiền đề để nghiên cứu ứng dụng vật liệu sau có sở việc lựa chọn cốt liệu chế tạo bê tông Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ BTCLN chất lượng cốt liệu, cường độ vữa xi măng tỉ lệ thể tích cốt liệu nhẹ Với loại cốt liệu định, có giới hạn trần cường độ bê tông nhẹ Nghiên cứu cho thấy cường độ chịu nén ngày 28 BTCLN sử dụng loại cốt liệu nhẹ khác khác biệt Như vậy, để đạt cường độ cao cần đặc biệt lưu ý lựa chọn loại cốt liệu keramzit có chất lượng tốt b Nghiên cứu phương pháp thiết kế thành phần BTCLN Luận án sử dụng phương pháp đồng hóa vật liệu composit để đề xuất công thức dự báo cường độ BTCLN sở mơ hình học Trước hết, mơ hình biến động Shink cho phép ước tính cường độ vữa xi măng biết đặc trưng xi măng cát Bên cạnh đó, mơ đun đàn hồi vữa xi măng xác định từ giới hạn Hashin – Shtrikman, trường hợp đơn 141 giản chịu nén trục hệ số poisson hai pha xấp xỉ Tiếp theo, mơ hình nối tiếp/song song De Larrard cho phép ước tính cường độ BTCLN xác định mô đun đàn hồi cốt liệu nhẹ, cường độ mô đun đàn hồi vữa xi măng – cát theo mơ hình Kết hợp mơ hình tạo nên phương pháp dự báo cường độ BTCLN từ đặc trưng vật liệu đầu vào Trên sở công thức dự báo cường độ vữa xi măng bê tông, đề tài đề xuất phương pháp thiết kế thành phần BTCLN theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối Kết thực nghiệm thành phần cho thấy mơ hình học cho dự báo tốt cường độ BTCLN sử dụng làm sở cho việc thiết kế thành phần loại bê tông c Thực nghiệm tính chất BTCLN chịu lực Trên sở kết vật liệu, thành phần BTCLN nói trên, nghiên cứu sinh chế tạo thành công BTCLN chịu lực có cường độ đặc trưng lên tới 62 MPa, KLTT từ 1700 đến 1900 kg/m3, độ chảy cao, đáp ứng yêu cầu sử dụng kết cấu chịu lực nói chung cơng trình cầu nói riêng Một số tính chất học độ bền nghiên cứu phân tích sau: Mơ đun đàn hồi BTCLN cường độ cao thấp khoảng 34% so với bê tơng truyền thống có cường độ nén Kết thí nghiệm dường phù hợp với tiêu chuẩn Na Uy, thấp đánh giá tiêu chuẩn ACI EN đặc tính đàn hồi Cường độ chịu kéo bửa BTCLN trung bình 0,88 lần so với cường độ kéo bửa bê tơng nặng có cường độ nén Công thức đề xuất ACI 318-2011 EN 1992-1-1-2004 đánh giá xác cường độ chịu kéo bửa BTCLN cường độ cao Cường độ chịu kéo uốn BTCLN trung bình 0,73 lần so với cường độ kéo uốn bê tơng nặng có cường độ nén Kết thí nghiệm thấp cơng thức ACI 318-2011 trường hợp cường độ chịu kéo uốn BTCLN cường độ nén đặc trưng 45 đạt cấp chống thấm B10, hai loại BTCLN cường độ nén đặc trưng 57 62 đạt cấp B12 BTCLN có độ chống thấm 142 ion clo cao so với bê tơng nặng có cường độ nén, trường hợp đạt mức thấp (tương đương loại bê tông cường độ cao) d Thực nghiệm ứng xử uốn dầm bê tông cốt thép chế tạo từ BTCLN Luận án nghiên cứu ứng xử uốn dầm bê tông cốt thép chế tạo từ BTCLN Kết thực nghiệm cho thấy dầm BTCLN bị phá hủy theo kiểu phá hoại điển hình dầm bê tông nặng thông thường (chảy cốt thép sau vỡ bê tơng vùng nén) Sức kháng uốn dầm BTCLN tính từ tiêu chuẩn AASHTO sử dụng để nhận đánh giá an toàn cho kết cấu chịu uốn Quan hệ tải trọng – độ võng tác dụng tải trọng ngắn hạn dầm chế tạo từ BTCLN có xu hướng (ban đầu tuyến tính, cốt thép bắt đầu chảy cuối phá hủy bê tông vỡ bê tơng vùng nén) Phân tích số ứng xử uốn dầm cầu T18 bê tông cốt thép thường cho thấy thay bê tông nặng thơng thường BTCLN có cường độ, giảm chiều cao dầm 12% nhận kết cấu dầm có sức kháng uốn tương đương Kiến nghị Có thể sử dụng mơ hình học phương pháp đồng hóa vật liệu composit để dự báo cường độ BTCLN ứng dụng qui trình đề xuất thiết kế thành phần BTCLN Mở rộng chương trình nghiên cứu thực nghiệm nhiều loại cốt liệu nhẹ để khẳng định kết luận tính chất học BTCLN chịu lực Nghiên cứu số tính chất khác BTCLN chịu lực khả dính bám với cốt thép, quan hệ ứng suất – biến dạng chịu nén Để ứng dụng BTCLN chịu lực kết cấu cầu, cần nghiên cứu sức kháng cắt, khả chịu va chạm cấu kiện bê tơng cốt thép nhằm hồn thiện hiểu biết ứng xử kết cấu chịu lực vật liệu 143 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Đặng Thùy Chi (2013), “Thực trạng phát triển nhu cầu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ xây dựng cầu Việt Nam”, Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, số 42, 6/2013 Đặng Thùy Chi, Lê Minh Cường, Nguyễn Duy Mạnh (2014), Nghiên cứu thành phần tính chất bê tông cốt liệu nhẹ sử dụng kết cấu cầu, Đề tài NCKH cấp trường mã số T2014-VKTXD-06, Chủ nhiệm đề tài Đặng Thùy Chi, Phạm Duy Hữu, Thái Khắc Chiến (2015), “Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực để ứng dụng kết cấu cầu Việt Nam”, Tạp chí Giao thơng vận tải, số 7/2015 Thái Khắc Chiến, Phạm Duy Hữu, Đặng Thùy Chi (2016), “Ảnh hưởng keramzit đến cường độ chịu nén bê tông nhẹ”, Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, số 50, 2/2016 Đặng Thùy Chi, Vũ Việt Cường (2016), Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử nén bê tông keramzit, Đề tài NCKH cấp trường mã số T2016VKTXD-15, Chủ nhiệm đề tài Chi Thuy Dang, Huu Duy Pham, Ha Thanh Le, Eric Garcia-Diaz (2016), “A study on high strength lightweight aggregate concrete”, The 7th International Conference of Asian Concrete Federation (ACF), Hanoi, 11/2016 Thuy Chi Dang, Duy Huu Pham (2016), “Effiency of type and content of lightweight aggregates on strength of lightweight aggregate concretes”, The International Conference on Sustainable in Civil Engineering (ICSCE), Hanoi, 11/2016 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22TCN 272 (2005), Tiêu chuẩn Thiết kế Cầu, Bộ Giao thông vận tải IU M Bazenov, Bạch Đình Thiên, Trần Ngọc Tính (2009), Công nghệ bê tông, Nhà xuất Xây dựng Nguyễn Văn Chánh, Lê Phúc Lâm (2005),"Nghiên cứu công nghệ chế tạo hạt keramzit để ứng dụng sản xuất vật liệu nhẹ", Hội thảo khoa học Công nghệ mới, TP Hồ Chí Minh Đặng Thùy Chi, Phạm Duy Hữu, Thái Khắc Chiến (2015), "Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực để ứng dụng kết cấu cầu Việt Nam", Tạp chí Giao thơng vận tải số 7/2015 Nguyễn Tiến Đích, Nguyễn Đăng Do (2001), Nghiên cứu sử dụng vật liệu nhẹ cho nhà cơng trình, Báo cáo kết đề tài mã số RDN 06-01, Bộ Xây dựng Nguyễn Văn Đỉnh (2001),Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cốt liệu rỗng, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Hải Dương (2012 ), "Đá bọt núi lửa bị lãng phí", tamnhin.net Nguyễn Duy Hiếu (2009),Nghiên cứu chế tạo bê tơng keramzit chịu lực có độ chảy cao, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Xây dựng, Hà Nội Phạm Duy Hữu, Ngơ Xn Quảng, Mai Đình Lộc (2011), Vật liệu xây dựng, Nhà xuất Giao thông vận tải Bộ KHCN (1993), TCVN 3116:1993 Bê tông nặng - Phương pháp xác định độ chống thấm, Bộ Xây dựng Bộ KHCN (1993), TCVN 3118:1993 Bê tông nặng - phương pháp xác định cường độ chịu nén Bộ KHCN (1997), TCVN 6220:1990 Cốt liệu nhẹ cho bê tông - Sỏi, dăm sỏi, cát keramzit - Yêu cầu kỹ thuật, Bộ Xây dựng Bộ KHCN (1997), TCVN 6221:1991 Cốt liệu nhẹ cho bê tông - sỏi, dăm sỏi cát keramzit - phương pháp thử Bộ KHCN (2006), TCVN 7570:2006 Cốt liệu cho bê tông vữa - yêu cầu kỹ thuật Bộ KHCN (2006), TCVN 7572: 2006 Cốt liệu cho bê tông vữa - phương pháp thử, Bộ Xây dựng Nguyễn Mạnh Kiểm (1982), "Dùng xỉ than làm cốt liệu bê tông nhẹ", Thông tin TBKT xây dựng 1: 9-11 Nguyễn Mạnh Kiểm, Cao Duy Tiến (1985), Sử dụng tro xỉ nhiệt điện để làm bê tông nhẹ đảm bảo phương tiện phù hợp, Viện Khoa học cơng nghệ xây dựng Mai Đình Lộc, Phạm Duy Hữu (2007), "Một số kết nghiên cứu thực nghiệm cường độ bê tơng tính cao có cường độ nén mẫu trụ 110MPa chế tạo từ vật liệu miền Bắc Việt Nam", Tạp chí Giao thơng vận tải số 18, 6/2007 Nguyễn Đình Nghị (1995), Nghiên cứu công nghệ sản xuất cốt liệu nhẹ keramzit bê tông keramzit, Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học mã số RD 94-30 Bộ Xây dựng Trương Văn Quyết (2016),Nghiên cứu thực nghiệm độ bền chống cacbonat hóa ion clo bê tơng cơng trình cầu, Luận án Thạc sĩ Kỹ thuật, Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội 145 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 Đinh Văn Thành et al (2005),"Một số nguồn nguyên liệu khoáng làm vật liệu nhẹ cách âm, cách nhiệt Việt Nam", Hội thảo khoa học VLXD Kiến trúc nhiệt đới EN 206 (2013), Concrete - Specification, performance, production and conformity, European Committee for Standardization, ACI 211-2 (1998), Standard Practice for Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete, American Concrete Institute ACI 213R (1987), Guide for structural lightweight aggregate concrete American Concrete Institute ACI 213R (2003), Guide for structural lightweight aggregate concrete American Concrete Institute ACI 318 (2011), Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, American Concrete Institute ACI 363R (2003), Report on High Strength Concrete, American Concrete Institute EN 1992-1-1 (2004), Design of concrete structures - Part 1-1 : General rules and rules for buildings, European Committee for Standardization EN 1992-2 (2005), Design of concrete structures - Concrete bridges, European Committee for Standardization NS 3473 (1992), Design of concrete structures, Edition 4: Norweigan H Al-Khaiat, N Haque (1999), "Strength and durablity of lightweight and normal weight concrete", Journal of master civil engineering 11 (3): 231-5 P B Bamforth, E Nolan (2000),"UK high strength LWAC in construction", Proceedings of Second International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete, Kristiansand, Norway: 440-452 J A Bogas, R Nogueira (2014), "Tensile Strength of Structural Expanded Clay Lightweight Concrete Subjected to Different Curing Conditions", KSCE Journal of Civil Engineering: 1780-1791 T W Bremner, T A Holm (1986), "Elastic compatibility and the behavior of concrete", ACI Journal: 244-250 K van Breugel (1998), LWAC material properties: State-of-the-art, Technical Report BE96-3942/R2, European Union - Brite Euram III, EuroLightCon ASTM C39 (2001), Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens, American Society for Testing and Materials ASTM C78 (2002), Standard Test Method for Flexural Strength of Concrete, American Society for Testing and Materials ASTM C469 (2002), Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson’s Ratio of Concrete in Compression, American Society for Testing and Materials ASTM C496 (2004), Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens, American Society for Testing and Materials ASTM C567 (2004), Standard Test Method for Determining Density of Structural Lightweight Concrete, American Society for Testing and Materials ASTM C1202 (2003), Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration, American Society for Testing and Materials ASTM C1611 (2014), Standard Test Method for Slump Flow of Self-Consolidating Concrete, American Society for Testing and Materials R L Carrasquillo, A H Nilson, F O Slate (1981), "Properties of High Strength Concrete Subject to Short-Term Loads", ACI Journal V 78, No 3: 171-178 146 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 J Castro et al (2011), "Absorption and desorption properties of fine lightweight aggregate for application to internally cured concrete mixtures", Cement & Concrete Composites 33: 1001-1008 S Chandra, L Berntsson (2002), Lightweight Aggregate Concrete (Science, Technology and Application), Noyes Publications J M Chi et al (2003), "Effect of aggregate properties on the strength and stiffness of lightweight concrete", Cement and Concrete Composites 25: 197-205 J L Clarke (2005), Strutural Lightweight Aggregate Concrete, Blackie Academic & Professional J D Eshelby (1957),"The determination of the elastic eld of an ellipsoidal inclusion and related problems", Proc R Soc London, Ser A: 376-396 EuroLightCon (2000), Mechanical properties of lightweight aggregate concrete, Document BE96-3492/R23, European Union-Brite Euram III G Fagerlund (1978), Frost resistance of concrete with porous aggregate, Report of cement and concrete institute, Sweden T Faust (2000),"Properties of different matrixes and LWAs and their influences on the behaviour of structural LWAC", Proceedings of second International Symposium on structural lightweight aggregate concrete, Kristiansand, Norway 502-511 S Fergestad (1998), "Raftsundet bridge in Lofoten, Norway, a cantilevered bridge with a lightweight concrete main span of 298m" B Gonzàlez-Corrochano et al (2010), "Microstructure and mineralogy of lightweight aggregates produced from washing aggregate sludge, fly ash and used motor oil", Cement & Concrete Composites 332: 694-707 L Gündüz (2008), "The effects of the pumice aggregate/cement ratios on the lowstrength concrete properties", Construction and Building Materials 22: 721-728 Z Hashin, S Shtrikman (1963), "A variational approach to the theory of the elastic behaviour of multiphase materials", Journal of Mechanics and Physics of Solids 11: 127–140 S Helland (2000), "Lightweight aggregate concrete in Norwegian Bridges" S Helland, M Maage (1995),"Strength Loss in Unremixed LWA Concrete", Proceedings of International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete, Sandefjörd, Norway: 533–540 G C Hoff (1992), "High strength lightweight aggregate concrete for artic applications", ACI SP-136: 1-245 T A Holm, T W Bremner (1991),"The durability of structural lightweight concrete", Proceedings Second International CANMET/ACI Conference, Montreal, Canada T A Holm, T W Bremner, J B Newman (1984), "Lightweight aggregate concrete subject to severe weathering", Concrete International 6: 49-54 Expanded Shale Clay and Slate Institute (1971), Lightweight concrete (history, applications, economics), Expanded Shale Clay and Slate Institute K Kawakami, K Matsuda, T Kumai (1994), "Elastic modulus of hardened cement paste", Transactions of the Japan Concrete Institute 16: 73-80 Y C Liao, C Y Huang (2011), "Effects of CaO addition on lightweight aggregates produced from water reservoir sediment", Construction and Building Materials 25: 2997-3002 H S Lim et al (2011), "Reinforced Lightweight Concrete Beams in Flexure", ACI Structural Journal Vol 108(1) 147 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 X Liu, KS Chia, MH Zhang (2011), "Water absortion, permeability and resistanceto chloride-ion penetration of lightweight aggregate concrte", Construction and building materials 25: 335-343 AAASHTO LRFD (2007), Bride Design Specifications, American Association of State Highway and Transportation Officials G C Mays, R A Barnes (1991), "The performance of lightweight aggregate concrete structures in service", The Structural Engineer 69 (20): 351-361 T Mori, K Tanaka (1973), "Average stress in matrix and average elastic energy of materials with mis tting inclusions", Acta Metallurgica 21: 571-574 A Neville, P-C Aïtcin (1998), "High performance concrete - an overview", Materials and Structure 31: 111-7 Cement and Concrete Industry Publications (2006), Guide to the Use of Lightweight Aggregate Concrete in Bridges, Cromwell Press, UK J M Rochholz (1979), "Determination of elastic properties of lightweight aggregate by ultrasonic pulse velocity measurement", The International Journal of lightweight concretes 1: 78-90 P Shafigh et al (2011), "An investigation of the flexural behaviour of reinforced lightweight concrete beams", International Journal of the Physical Sciences Vol 6(10): 2414-2421 S Smeplass (1992), Mechanical properties - Lightweight concrete, Report 4.5, High Strength Concrete SP4 - Materials Design, SINTEF T Sugiyama, T W Bremner, T A Holm (1996), "Effect of stress on gas permeability in concrete", ACI Materials Journal 93 (5): 443-450 P Suraneni et al (2015), "Factors affecting the strength of structural lightweight aggregate concrete with and without bers in the 1,200–1,600 kg/m3 density range", Materials and Structures R N Swamy, G H Lambert (1984), "Flexural behaviour of reinforced concrete beams made with fly ash coarse aggregates", The International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete Vol 6(3) R N Swamy, H Lambert (1981), "The microstructure of Lytag aggregate", International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete 3(4): 273282 E Thorenfeldt (1995),"Design criteria of lightweight aggregate concrete", Proceedings of Internat Symp on Structural Lightweight Aggregate Concrete, Sandefjord, Norway 720-732 R Wasserman, A Bentur (1996),"Interfacial interactions in lightweight concrete for structural applications", The International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete: 79-90 I Yoshitaka et al (2000),"Fundamental characteristics of concrete using high strength artificial lightweight aggregate made of fly ash", Proceedings of second Internat Symp on structural lightweight concrete, Kristiansand, Norway KS Youm et al (2016), "Experimental study on strength and durability of lightweight aggregate concrete containing silica fume", Construction and Material Builidings 114: 517-527 D Zhang et al (2004), "Development of thermal energy storage concrete", Cement and Concrete Research 34: 927-934 MH Zhang, O E Gjorv (1990), "Microstructure of interfacial zone between lightweight aggregate and cement paste", Cement and Concrete Research 20(4): 610-618 148 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 MH Zhang, O E Gjorv (1991), "Mechanical properties of high-strength lightweight concrete", ACI Materials Journal 88(2): 150-158 MH Zhang, O E Gjorv (1991), "Permeability of high-strength lightweight concrete", ACI Materials Journal 88(5): 463-469 MH Zhang, O E Gjorv (1992), "Penetration of cement paste into lightweight aggregate", Cement and Concrete Research 22(1): 47-55 MH Zhang, O E Gjörv (1991), "Characteristics of Lightweight Aggregates for High-Strength Concrete", ACI Materials Journal 88 M-19: 150-158 M Arnauld, M Virlogeux (1986), Granulats et bétons légers, Press National des Ponts et Chaussées L Bello (2014),Mise au point d'un méthodologie pour formuler de nouveaux bétons auto-placants légers et durables, Thèse doctorale, Collège Doctoral Languedoc-Roussillon Y Ke (2008),Caractérisation du comportement mécanique des bétons de granulats légers: expérience et modélisation, Thèse doctorale, Université de Cergy-Pontoise F De Larrard (1999), Structures granulaires et formulation des bétons, Ouvrage d'art OA 34, Etudes et Recheches des Laboratoires des Ponts et Chaussées J Marchand et al (1994), Propriétés mécaniques des pâtes de ciment avec et sans fumée de silice, Rapport interne LCPC, Paris D Morin (1976),Sur les bétons légers et leurs comportement mécanique sous des sollicitations biaxiales, Thèse doctorale, Université Paul Sabatier de Toulouse A M Neville (2000), Propriétés des bétons, Eyrolles M Shink (2003),Compatiblité élastique, comportement mécanique et opimisation des béons de granulats légers, Thèse doctorale, Université Laval, Québec A Vaquier (1986), "Etude des migrations de l’eau dans les bétons légers extrait de «Granulats et Bétons Légers»", Presse de l’École Nationale des Ponts et Chaussées: 247-254 M Virlogeux (1986), Généralités sur les caractères des bétons légers, extrait de «Granulats et Bétons Légers» Press National des Ponts et Chaussées Bộ KHCN (2009), "TCVN 2682:2009 Xi măng poóc lăng yêu cầu kỹ thuật"