Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt sợi thép đến sức kháng va chạm của bê tông tính năng siêu cao (uhpc) cấp trường

-iMỤC LỤC CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO (UHPC) 1.1 KHÁI NIỆM VỀ BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO 1.1.1 Mở đầu 1.1.2 Các nghiên cứu UHPC công bố 1.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA UHPC 1.2.1 Nguyên tắc chế tạo UHPC 1.2.2 Xi măng 1.2.3 Phụ gia khống hoạt tính 1.2.4 Chất bột trơ 1.2.5 Cốt liệu 1.2.6 Phụ gia siêu dẻo 1.2.7 Cốt sợi thép 1.2.8 Một số công thức thành phần UHPC 1.3 CÁC TÍNH CHẤT KỸ THUẬT CỦA UHPC 11 1.3.1 Độ chảy 11 1.3.2 Cƣờng độ chịu nén 11 1.3.3 Cƣờng độ chịu kéo dọc trục 13 1.3.4 Cƣờng độ chịu kéo uốn 16 1.3.5 Cƣờng độ ép chẻ 18 1.3.6 Mô đun đàn hồi hệ số pốt-xơng (Poisson) 19 1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA UHPC 22 1.4.1 Ứng dụng cơng trình cầu 22 1.4.2 Ứng dụng xây dựng nhà 24 1.4.3 Một số ứng dụng khác 27 1.5 KẾT LUẬN 27 CHƢƠNG - SỨC KHÁNG VA CHẠM CỦA BÊ TÔNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 30 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 30 -ii2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỨC KHÁNG VA CHẠM CỦA BÊ TÔNG 32 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SỨC KHÁNG VA CHẠM CỦA BÊ TÔNG 34 2.3.1 Thí nghiệm tải trọng rơi (Drop-weight test) 34 2.3.2 Thí nghiệm va chạm kiểu lắc Charpy 36 2.3.3 Thí ngiệm Hopkinson (Split Hopkinson Bar – SHB) 36 2.3.4 Thí nghiệm va chạm cố định tốc độ biến dạng 38 2.3.5 Thí nghiệm va chạm có thiết bị đo tự động (Instrumented impact test) 38 CHƢƠNG - THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA CỐT SỢI THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG VA CHẠM CỦA UHPC 40 3.1 VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 40 3.1.1 Xi măng 40 3.1.2 Phụ gia khống hoạt tính 41 3.1.3 Chất bột trơ 42 3.1.4 Cốt liệu 42 3.1.5 Phụ gia siêu dẻo 43 3.1.6 Cốt sợi thép 43 3.1.7 Công thức thành phần UHPC 44 3.2 THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 45 3.2.1 Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén UHPC 45 3.2.2 Thí nghiệm xác định sức kháng va chạm UHPC 45 3.3 NHẬN XẾT KẾT QUẢ 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 * KẾT LUẬN 51 * KIẾN NGHỊ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 -iiiDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT KÝ HIỆU Ý NGHĨA A Diện tích tiết diện D Đường kính DxH E Năng lượng va chạm Ec Mô đun đàn hồi bê tông fc Cường độ chịu nén bê tông fct Cường độ chịu kéo uốn bê tông fct,el g Gia tốc trọng trường 10 H Chiều cao 11 lf Chiều dài cốt sợi 12 m Khối lượng 13 v Vận tốc 14 ε Biến dạng tương đối 15 σ Ứng suất 16  Hệ số poát - xơng Đường kính x chiều cao (Diameter x Height) Giới hạn đàn hồi chịu kéo bê tông -ivDANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT CHỮ VIẾT TẮT AFGC ASTM CKD DAfStb EN FHWA FIB HPC LCPC 10 11 12 13 NSC PVA PCE RILEM 14 15 16 17 RPC SF SMF UHPC 18 UHPFRC 19 USACE Ý NGHĨA Hip hi Xõy dng Phỏp (Association Franỗaise de Gộnie Civil) Hội Thí nghiệm Vật liệu Mỹ (American Society for Testing and Materials) Chất kết dính Uỷ ban Bê tơng Cốt thép Đức (Deutscher Ausschuss für Stahlbeton) (German Committee for Structural Concrete) Tiêu chuẩn châu Âu cho sản phẩm sử dụng (European standards for products and services) Cục đƣờng cao tốc liên bang (Mỹ) (Federal Highway Administration) Liên đoàn bê tông quốc tế (Federation International du Beton) Bê tông tính cao (High Performance Concrete) Trung tâm thí nghiệm cầu đƣờng (Laboratoire Central des Ponts et Chaussees) Bê tông cƣờng độ thƣờng (Normal Strength Concrete) Poly Vinyl Alcohol Poly Carbonxylate Ether Liên minh quốc tế phịng thí nghiệm chuyên gia vật liệu kết cấu xây dựng (Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux, systèmes de construction et ouvrages) hay (International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures) Bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete) Cốt sợi thép (Steel Fiber) Cốt sợi thép nhỏ (Steel Micro Fiber) Bê tơng tính siêu cao (Ultra High Performance Concrete) Bê tơng tính siêu cao cốt sợi (Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete) Trung tâm Nghiên cứu Phát triển kỹ thuật Công binh Lục quân Mỹ (U.S Army Corps of Engineers Engineer Research and Development Center) -vDANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 - Công thức thành phần UHPC điển hình Ductal Bảng 1-2 –Công thức thành phần UHPC phát triển LCPC đƣợc gọi CEMTECmultiscale 10 Bảng 1-3 – Một số công thức UHPC phát triển Đại học Kassel (Đức) 10 Bảng 1-4 – Công thức thành phần theo báo cáo USACE 10 Bảng 1-5 – So sánh tính chất kỹ thuật UHPC với bê tơng cƣờng độ thƣờng (NSC) bê tơng tính cao (HPC) 28 Bảng 1-6 - So sánh thành phần điển hình UHPC với bê tơng cƣờng độ thƣờng (NSC), bê tơng tính cao (HPC) 29 Bảng 3-1 – Thành phần hoá học xi măng PC40 Bút Sơn 40 Bảng 3-2 – Các tiêu kỹ thuật xi măng PC40 Bút Sơn 40 Bảng 3-3 – Thành phần hố học muội si-líc SF-90 41 Bảng 3-4 – Các tính chất vật lý muội si-líc 41 Bảng 3-5 – Kết phân tích thành phần hạt bột thạch anh 42 Bảng 3-6 – Kết phân tích thành phần hạt cát thạch anh hạt mịn hạt thô 43 Bảng 3-7 – Các tiêu kỹ thuật cốt sợi thép 43 Bảng 3-8 – Thành phần vật liệu thí nghiệm 44 Bảng 3-9 – Kí hiệu mẫu số lƣợng mẫu thí nghiệm 44 Bảng 3-10 – Kết thí nghiệm cƣờng độ chịu nén mẫu UHPC 45 Bảng 3-11 – Kết thí nghiệm sức kháng va chạm 47 -vi- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 - So sánh vật liệu thành phần bê tông thƣờng, bê tông tự đầm số loại UHPC Hình 1-2 - Quan hệ ứng suất – biến dạng chịu nén UHPFRC 13 Hình 1-3 – Các quy luật ứng suất – biến dạng kéo UHPFRC trƣờng hợp (a) vật liệu tăng cứng kéo, (b) vật liệu tăng cứng kéo thấp (c) vật liệu không tăng cứng kéo 15 Hình 1-4 - Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC có 2% cốt sợi thép 15 Hình 1-5 - Mơ hình ứng suất - biến dạng kéo UHPFRC 16 Hình 1-6 - Quan hệ ứng suất uốn – độ võng UHPC với số loại cốt sợi khác 17 Hình 1-7 - Mối quan hệ cƣờng độ chịu kéo uốn với chiều cao mẫu thử UHPC với hàm lƣợng cốt sợi 2% cƣờng độ 160 – 180 MPa 18 Hình 1-8 - Ứng xử điển hình UHPC thí nghiệm theo ASTM C496 19 Hình 1-9 – Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC khơng cốt sợi 20 Hình 1-10 - Quan hệ mô đun đàn hồi cƣờng độ chịu nén UHPC 21 Hình 1-11 - Quan hệ hệ số Poisson với mức ứng suất UHPC 21 Hình 1-12 - Cầu hành Sherbrooke, bang Quebec, Canada 23 Hình 1-13 - Cầu UHPC Bourg-lès-Valence dầm cầu dạng chữ  DƢL 23 Hình 1-14 - Cầu Năng An – Xuân Hồi huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình 24 Hình 1-15 – Mặt cắt ngang cột nhà Park City Musashi-Kosugi 25 Hình 1-16 - Cột UHPC hình thân MuCEM, thành phố Marseille, Pháp 26 Hình 1-17 - Mái nhà ga trung chuyển Shawnessy, Calgary, Canada 26 Hình 2-1- Phá huỷ bê tông dƣới tác dụng tĩnh tải tải trọng va chạm 32 Hình 2-2 - Đƣờng phá huỷ dƣới tác dụng tải trọng va chạm 32 Hình 2-3 – Mơ hình thí nghiệm tải trọng rơi 35 Hình 2-4 – Mơ hình thí nghiệm va chạm kiểu co lắc Charpy 36 Hình 2-5 – Sơ đồ thí nghiệm Hopkinson 37 -viiHình 2-6 – Mơ hình thí nghiệm tải trọng rơi có thiết bị đo tự động (Instrumented Drop – Weight test) 39 Hình 3-1 – Biểu đồ cấp phối hạt bột thạch anh, cát mịn cát thô 42 Hình 3-2 – Cốt sợi thép nhỏ (micro) cốt sợi thép kiểu trịn có móc đầu 44 Hình 3-3 - Thiết bị thí nghiệm, sơ đồ cắt mẫu thiết bị cắt mẫu 46 Hình 3-4 – Biểu đồ quan hệ lƣợng va chạm với hàm lƣợng sợi thép 48 Hình 3-5 – Biểu đồ so sánh lƣợng va chạm mẫu UHPC chứa hàm lƣợng cốt sợi khác so với mẫu không cốt sợi 48 Hình 3-6 – Biểu đồ so sánh lƣợng va chạm gây vết nứt loại cốt sợi thép khác (cốt sợi thép micro cốt sợi thép kiểu trịn có móc đầu) với hàm lƣợng cốt sợi thép 0,5% , 1,0% 1,5% 49 Hình 3-7 – Biểu đồ so sánh lƣợng va chạm gây phá huỷ mẫu loại cốt sợi thép khác (cốt sợi thép micro cốt sợi thép kiểu trịn có móc đầu) với hàm lƣợng cốt sợi thép 0,5% , 1,0% 1,5% 50 Hình 3-8– Mẫu thí nghiệm sau phá huỷ 50 -viiiMỞ ĐẦU Bê tơng tính siêu cao (Ultra High Performance Concrete – UHPC) hệ bê tơng với nhiều tính vƣợt trội so với bê tông truyền thống nhƣ cƣờng độ chịu nén siêu cao ( Rn > 140 MPa), cƣờng độ chịu kéo cao (Rku> 15MPa), độ bền khả hấp thụ lƣợng (hay sức kháng va chạm) cao UHPC bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ đầu năm 1990 Pháp đến có nhiều cơng trình xây dựng sử dụng UHPC nhiều nƣớc giới Việc sử dụng cốt sợi thành phần UHPC cải thiện đáng kể khả hấp thụ hay sức kháng va chạm đồng thời giúp làm tăng cƣờng độ UHPC Nghiên cứu Sandy Leonhardt đồng nghiệp với cốt sợi thép có đƣờng kính d = 0.16 0.5mm, dài L = 6mm, cho thấy cốt sợi thép có tác dụng tăng cƣờng đáng kể sức kháng va chạm UHPC [1] Tại Việt Nam, có nhiều cơng trình nghiên cứu UHPC có vài cơng trình thử nghiệm sử dụng UHPC Tuy nhiên đến Việt Nam chƣa có báo cáo sức kháng va chạm UHPC -1CHƢƠNG - 1.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO (UHPC) KHÁI NIỆM VỀ BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO 1.1.1 Mở đầu Bê tơng tính siêu cao (Ultra High Performance Concrete – UHPC) hệ bê tơng với nhiều tính vƣợt trội so với bê tông truyền thống bê tông cƣờng độ cao Nó xuất phát từ ý tƣởng phát triển loại bê tông hạt mịn vào đầu năm 1980, với vữa xi măng đặc đồng để ngăn ngừa phát triển vết nứt vi mô trình kết cấu chịu lực Ban đầu cỡ hạt đƣợc giới hạn dƣới 1mm độ đặc cao đạt đƣợc nhờ sử dụng loại phụ gia khoáng hoạt tính trơ nên cịn đƣợc gọi bê tơng bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete – RPC) [2] Đặc điểm bật UHPC cƣờng độ chịu nén 140MPa, cƣờng độ chịu kéo uốn 15MPa, khả hấp thụ lƣợng (hay sức kháng va chạm) khả chịu tải trọng lặp lớn, đặc biệt có độ bền cao Các đặc tính đạt đƣợc nhờ việc tối ƣu hố thành phần sử dụng tỷ lệ nƣớc / chất kết dính (N/CKD) thấp để có đƣợc độ đặc cao Đồng thời việc sử dụng cốt sợi tăng cƣờng cho UHPC nâng cao đáng kể khả chịu kéo, độ dai, khả hấp thụ lƣợng… Các nghiên cứu nhằm phát triển ứng dụng UHPC kết cấu bắt đầu vào khoảng năm 1985 [2] Kết cấu sử dụng UHPC cầu hành Sherbrook, vùng Quebec, Canada hoàn thành vào tháng năm 1997 [3] Ứng dụng công nghiệp UHPC đƣợc sử dụng nhà máy điện hạt nhân Civaux Cattenom (nƣớc Pháp năm 1997 – 1998) để thay dầm cầu thép nối tháp giải nhiệt [4] Yếu tố định sử dụng UHPC dự án Civaux Cattenom khơng phải cƣờng độ siêu cao UHPC mà độ bền vật liệu với mong muốn cơng trình có tuổi thọ khai thác dài với chi phí bảo trì sửa chữa nhỏ Điều cho thấy vật liệu đƣợc định nghĩa theo đặc tính bật khác thay đặc tính cƣờng độ cao Do thuật ngữ ―Bê tơng tính siêu cao‖ (Ultra high performance concrete) đƣợc sử dụng thay cho thuật ngữ ―Bê tông cƣờng độ siêu cao‖ (Ultra high strength concrete)[4] -2Năm 2001, cầu đƣờng ô tô sử dụng UHPC đƣợc xây dựng tuyến đƣờng Bourg-lès-Valence vùng Drôme, nƣớc Pháp Cầu sử dụng dầm giản đơn có chiều dài 20,5 22,5m UHPC cốt sợi thép dự ứng lực kéo trƣớc [5] Năm 2002, khuyến nghị ứng dụng UHPC kết cấu đƣợc xuất Pháp đề cập đến tính chất học, độ bền thiết kế kết cấu Đến có nhiều chƣơng trình nghiên cứu UHPC nhiều nƣớc giới đầy đủ vấn đề nhƣ : thành phần, tính chất kỹ thuật, công nghệ chế tạo, thiết kế kết cấu ứng dụng [6] Cũng có nhiều cơng trình ứng dụng UHPC đƣợc thực nhiều nƣớc giới đủ lĩnh vực xây dựng nhƣ cơng trình giao thơng, cơng trình dân dụng, cơng trình cơng nghiệp, cơng trình cấp – nƣớc, Mặc dù có nhiều chƣơng trình nghiên cứu, phát triễn nhƣ ứng dụng UHPC triển khai nhiều nƣớc giới, nhƣng đến chƣa có định nghĩa thống UHPC Theo Hiệp hội Xây dựng Pháp (Association Franỗaise de Gộnie Civil - AFGC), bờ tụng tớnh siêu cao cốt sợi (UHPFRC) vật liệu từ đá xi măng, có cƣờng độ chịu nén đặc trƣng lớn từ 150 MPa đến 250 MPa có chứa thành phần cốt sợi thép [7] Theo Cục đƣờng cao tốc liên bang thuộc Bộ Giao thông Vận tải Mỹ (Federal Highway Administrion – FHWA), UHPC đƣợc định nghĩa loại vật liệu hỗn hợp xi măng bao gồm thành phần đƣợc lựa chọn tối ƣu thành phần hạt với tỷ lệ nƣớc / chất kết dính nhỏ 0,25 hàm lƣợng cao cốt sợi tăng cƣờng phân tán Các đặc trƣng học UHPC bao gồm cƣờng độ chịu nén 21,7 ksi (150 MPa), cƣờng độ chịu kéo 0,72 ksi (5MPa) UHPC có cấu trúc lỗ rỗng khơng liên tục nhằm giảm thâm nhập chất lỏng, làm tăng đáng kể độ bền so với bê tông truyền thống bê tơng tính cao [8] 1.1.2 Các nghiên cứu UHPC công bố * Các báo cáo UHPC giới Châu Âu nơi giới nghiên cứu phát triển UHPC Năm 1994, De Larrard báo cáo chế tạo đƣợc UHPC có cƣờng độ vƣợt 150 MPa cách tối ƣu hoá vật liệu với thành phần hạt đạt độ đặc cao sử dụng hạt siêu mịn Năm 1995, -413.1.2 Phụ gia khống hoạt tính Phụ gia khống hoạt tính cho thí nghiệm sử dụng muội si-líc loại Silica Fume SF90, xuất xứ Trung Quốc, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật theo ASTM C1240-05 EN 13263-2009 Thành phần hố học tính chất vật lý muội si-líc bảng 3-3 bảng 3-4 Bảng 3-3 – Thành phần hố học muội si-líc SF-90 STT 10 11 12 13 Tên tiêu SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2 O Na2O C SO3 Si tự ClĐộ ẩm Mất nung Đơn vị Kết % % % % % % % % % % % % % 95,38 0,0063 0,20 0,13 0,37 0,68 0,28 0,007 0,003 0,006 0,001 1,86 0,99 Giới hạn theo Giới hạn theo ASTM C1240 EN 13263 > 85 > 85 < 1,0 < 2,0 < 0,4 < 0,3 < 3,0 < 6,0 < 4,0 Bảng 3-4 – Các tính chất vật lý muội si-líc STT Tên tiêu Đơn vị % % Kết 6,12 1,39 Lƣợ Độ phân tán hạt cỡ tính từ giá trị trung bình Diện tích bề mặt riêng m2/g 20,02 Khối lƣợng riêng g/cm3 2,2 Khối lƣợng thể tích xốp kg/m 368 Chỉ số độ hoạt tính ngày % 118 Giới hạn theo Giới hạn theo ASTM C1240 EN 13263 < 10 15 > 105 15 - 35 (>100/14ngày) -423.1.3 Chất bột trơ Chất bột trơ sử dụng thí nghiệm bột cát thạch anh có nguồn gốc từ cát mịn Móng Cái, Quảng Ninh cỡ hạt từ – 0.4mm, hàm lƣợng oxit silic (SiO2) > 98%, có kết phân tích thành phần hạt nhƣ bảng 3-5 Bảng 3-5 – Kết phân tích thành phần hạt bột thạch anh Cỡ sàng (mm) 5.0 2.5 1.25 0.63 0.315 0.15 0.07 Lƣợng sót tích luỹ A(%) 0.0 0.0 0.0 0.0 10.4 74.3 15.3 Lƣợng lọt qua sàng L(%) 100 100 100 100 89.6 25.7 84.7 3.1.4 Cốt liệu Cốt liệu cho UHPC sử dụng cát thạch anh phối hợp từ loại: hạt mịn hạt thơ có nguồn gốc từ mỏ cát trắng Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên, hàm lƣợng oxit silic (SiO2) > 98% thành phần hạt nhƣ Error! Reference source not found 100 Cát thạch anh thô (1.21.7) Cát thạch anh PĐ(0.5-1) 90 80 Bột thạch anh MC(0-0.4) Lượng sót (%) 70 60 50 40 30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Cỡ hạt (μm) 1.2 1.4 Hình 3-1 – Biểu đồ cấp phối hạt bột thạch anh, cát mịn cát thơ -43Bảng 3-6 – Kết phân tích thành phần hạt cát thạch anh hạt mịn hạt thô Cát mịn PĐ(0.5-1.0) A (%) L (%) 0.0 100 0.0 100 0.0 100 9.0 91.0 93.9 6.1 97.9 2.1 100 Cỡ sàng (mm) 5.0 2.5 1.25 0.63 0.315 0.15 0.07 Cát thô (1.2-1.7) A (%) L (%) 0.0 100 0.0 100 0.0 100 92.5 7.5 98.8 1.2 99.6 0.4 99.6 0.4 3.1.5 Phụ gia siêu dẻo Phụ gia siêu dẻo sử dụng MasterGlenium ACE 8568 gốc Polycarboxylate Ether (PCE) hãng BASF phù hợp với loại F theo tiêu chuẩn ASTM C494 3.1.6 Cốt sợi thép Cốt sợi thép sử dụng thí nghiệm gồm 02 loại: sợi thép nhỏ (micro) sợi thép kiểu trịn có móc đầu (Hình 3-2) Các tiêu kỹ thuật hai loại cốt sợi thép đƣợc ghi bảng 3-7 Bảng 3-7 – Các tiêu kỹ thuật cốt sợi thép Sợi trịn có móc đầu Chỉ tiêu kỹ thuật Sợi Micro Đƣờng kính sợi d (mm) 0.2±0.008 0.5 ±0.04 Chiều dài sợi L (mm) 13±0.5 30±2 Tỷ số hình học (L/d) 65 60 Chiều dài móc l (mm) - 2–4 Chiều sâu móc h (mm) - 1.8 ±0.3 Góc uố - 45O Góc xoắn sợi - 30O Số lƣợng sợi 1kg - 1700 > 2850 > 1200 ASTM A820 ASTM A820 Độ bền kéo (MPa) Tiêu chuẩn -44- Hình 3-2 – Cốt sợi thép nhỏ (micro) cốt sợi thép kiểu trịn có móc đầu 3.1.7 Công thức thành phần UHPC Thành UHPC đƣợc lựa chọn với cƣờng độ chịu nén thiết kế 100MPa, sử dụng cốt sợi thép có hàm lƣợng thay đổi: 0%, 0.5%, 1.0% 1.5% Thành phần vật liệu cụ thể nhƣ bảng 3-8, ký hiệu số lƣợng loại mẫu nhƣ bảng 3-9 Bảng 3-8 – Thành phần vật liệu thí nghiệm Hàm X N lƣợng sợi (kg) (kg) Bột th.anh (0-0.4)(kg) Cát mịn Cát thô Muội (0.5-1) (kg) (1.2-1.7)(kg) silic (kg) Siêu dẻo Sợi thép (kg) (kg) 0% 727 161 510 219 729 80.8 36.4 0.5% 727 161 506 217 722 80.8 36.4 39 1.0% 727 161 501 215 716 80.8 36.4 79 1.5% 727 161 496 213 709 80.8 36.4 118 Bảng 3-9 – Kí hiệu mẫu số lƣợng mẫu thí nghiệm STT Kí hiệu mẫu 130 131 132 133 141 142 143 Hàm lƣợng sợi 0% 0,5 % SMF 1,0 % SMF 1,5% SMF 0,5% SF 1,0 SF 1,5 SF Mẫu nén 02 02 02 02 02 02 02 Mẫu va chạm 01 01 01 01 01 01 01 Tổng số mẫu 03 03 03 03 03 03 03 Ghi mẫu D100xH200 mẫu D100xH200 mẫu D100xH200 mẫu D100xH200 mẫu D100xH200 mẫu D100xH200 mẫu D100xH200 -453.2 THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.2.1 Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén UHPC Cƣờng độ chịu nén UHPC đƣợc xác định theo tiêu chuẩn ASTM C39 mẫu hình trụ trịn kích thƣớc D100xH200mm Kết thí nghiệm cƣờng độ đƣợc ghi bảng 3-10 Bảng 3-10 – Kết thí nghiệm cƣờng độ chịu nén mẫu UHPC Kí hiệu Hàm R1 R2 Rtb mẫu lƣợng sợi (MPa) (MPa) (MPa) 130 0% 105,72 92,98 99,35 mẫu D100xH200 131 0,5 % SMF 90,78 106,01 98,40 mẫu D100xH200 132 1,0 % SMF 93,42 108,65 101,03 mẫu D100xH200 133 1,5% SMF 108,35 112,31 110,33 mẫu D100xH200 141 0,5% SF 88,59 104,93 96,76 mẫu D100xH200 142 1,0 SF 107,42 92,98 100,20 mẫu D100xH200 143 1,5 SF 109,63 109,30 109,47 mẫu D100xH200 STT Ghi 3.2.2 Thí nghiệm xác định sức kháng va chạm UHPC * Phương pháp thí nghiệm: Thí nghiệm xác định sức kháng va chạm UHPC sử dụng phƣơng pháp tải trọng rơi (Drop Weight Test) theo hƣớng dẫn ACI 544.2R-89 Đây phƣơng pháp đơn giản xác định sức kháng va chạm bê tông đƣợc thực cách thả nhiều lần nặng để tạo tác động va chạm lên mẫu bê tông đến mẫu xuất vết nứt nhìn thấy đến mẫu phá huỷ Thiết bị gồm nặng có khối lƣợng m = 4,54 kg trƣợt thẳng đứng theo trƣợt đƣợc cố định giá đỡ Quả nặng rơi tự từ độ cao H = 457mm đập xuống viên bi thép có đƣờng kính D = 50mm đặt mẫu đƣợc định vị giá định vị nhƣ Xung quanh mẫu có khung thép kích thƣớc 110x110 để xác định trạng thái phá huỷ mẫu Mẫu thí nghiệm đƣợc cắt từ mẫu trụ D100xH300 làm mẫu có D100xH50 theo sơ đồ hình 3-3 -46Mẫu đƣợc đƣa vào vị trí, đặt viên bi lên thả nặng rơi tự đập vào viên bi thép đến xuất vết nứt nhìn thấy đến phá huỷ (khi vết nứt mở rộng làm cạnh mẫu tiếp xúc với khung thép cách mẫu 5mm) Đếm số lần thả viên bi thép xuất vết nứt (N1) mẫu phá huỷ (N2) Hình 3-3 - Thiết bị thí nghiệm, sơ đồ cắt mẫu thiết bị cắt mẫu Năng lƣợng va chạm gây vết nứt (E1) gây phá huỷ mẫu (E2) đƣợc tính theo cơng thức (3.1) (3.2) (3-1) (3-2) Trong đó: N1 – Số lần thả nặng gây vết nứt ; N2 – Số lần thả nặng gây phá huỷ mẫu ; m – khối lƣợng nặng (kg), m = 4,54 kg ; -47v – vận tốc nặng va chạm (m/s) ; g – gia tốc trọng trƣờng (m/s2), g = 9.81 m/s2 ; H – chiều cao thả nặng (m), H = 0,457 m * Kết thí nghiệm Kết thí nghiệm xác định số lần thả kết tính lƣợng va chạm gây vết nứt đầu tiên, lƣợng va chạm gây phá huỷ mẫu đƣợc ghi bảng 3-11 Bảng 3-11 – Kết thí nghiệm sức kháng va chạm STT Kí hiệu N1 (vết nứt đầu tiên) N2 (phá huỷ) E1 E2 mẫu TB TB (J) (J) 130 4 3,67 5,00 74,63 101,77 131 8,00 18 20 25 21,00 162,83 427,43 132 10 11 14 11,67 22 24 39 28,33 237,46 576,69 133 19 25 35 26,33 41 65 76 60,67 535,98 1.234,78 141 6,33 10 13 10,33 128,91 210,32 142 11 9,00 11 15 19 15,00 183,18 305,30 143 10 12 14 12,00 15 21 29 21,67 244,24 440,99 3.3 NHẬN XẾT KẾT QUẢ Kết thí nghiệm cho thấy việc sử dụng cốt sợi thép cải thiện đáng kể sức kháng va chạm UHPC hàm lƣợng cốt sợi cao sức kháng va chạm UHPC cao (Hình 3-4) Khi sử dụng cốt sợi thép kiểu trịn có móc hai đầu (d=0.5mm L =30mm) với hàm lƣợng 0,5 – 1,5% lƣợng va chạm gây vết nứt tăng từ 1,73 đến 3,27 lần, lƣợng va chạm gây phá huỷ mẫu tăng từ 2,07 đến 4,33 lần so với UHPC không sử dụng cốt sợi Khi sử dụng cốt sợi thép micro với hàm lƣợng 0,5 đến 1,5% lƣợng va chạm gây vết nứt tăng 2,18 đến 7,18 lần tăng 4,20 đến 12,13 lần trƣờng hợp phá huỷ mẫu so với mẫu UHPC không sử dụng cốt sợi (Bảng 3-11) -48- Năng lượng va chạm (J) 1,400.00 1,200.00 1,000.00 800.00 E1/SMF 600.00 E1/SF E2/SMF 400.00 E2/SF 200.00 0.5% 1.0% 1.5% Hàm lượng cốt sợi thép (%) Hình 3-4 – Biểu đồ quan hệ lƣợng va chạm với hàm lƣợng sợi thép 14 12 10 0% 0.5% 1.0% 1.5% E1 (SMF) E1 (SF) E2 (SMF) E2 (SF) Hình 3-5 – Biểu đồ so sánh lƣợng va chạm mẫu UHPC chứa hàm lƣợng cốt sợi khác so với mẫu không cốt sợi Năng lượng gây vết nứt (J) -49- 600.00 500.00 400.00 300.00 E1/SMF E1/SF 200.00 100.00 0.5% 1.0% 1.5% Hàm lượng sợi thép (%) Hình 3-6 – Biểu đồ so sánh lƣợng va chạm gây vết nứt loại cốt sợi thép khác (cốt sợi thép micro cốt sợi thép kiểu trịn có móc đầu) với hàm lƣợng cốt sợi thép 0,5% , 1,0% 1,5% Với hàm lƣợng cốt sợi, UHPC sử dụng cốt sợi thép micro có kết sức kháng va chạm cao cốt sợi thép trịn đƣờng kính 0.5mm lƣợng va chạm gây vết nứt gây phá hoại mẫu (Hình 3-6 Hình 3-7) Điều đƣợc giải thích cốt sợi micro có số lƣợng sợi đơn vị khối lƣợng cao hơn, đồng thời chiều dài sợi ngắn bị ảnh hƣởng tƣợng định hƣớng theo chiều dài mẫu Vì vậy, với hàm lƣợng sợi (hay khối lƣợng sợi) số lƣợng sợi thép micro vắt ngang vết nứt nhiều làm tăng hiệu ―khâu‖ vết nứt cốt sợi Kết thí nghiệm cho thấy, mẫu UHPC khơng có cốt sợi có xu hƣớng phá hoại sau xuất vết nứt (số lần thả nặng không tăng thêm nhiều (Bảng 3-11) hình thành vết nứt chạy thẳng qua tâm mẫu (Hình 3-8) Trong đó, mẫu UHPC có sử dụng cốt sợi thép, sau xuất vết nứt đầu tiên, chịu đƣợc nhiều lần va chạm (Bảng 3-11), đồng thời có phá huỷ với nhiều vết nứt hƣớng tâm (Hình 3-8) Điều giải thích thời gian va chạm xảy nhanh, vài mili giây, nên ứng suất kéo tăng nhanh kết hợp với tập -50trung ứng suất đầu vết nứt làm vết nứt phát triển nhanh theo đƣờng ngắn Do với UHPC khơng cốt sợi thƣờng phá huỷ nhanh sau xuất vết nứt Năng lượng phá huỷ mẫu E2 (J) 1,400.00 1,200.00 1,000.00 800.00 E2/SMF 600.00 E2/SF 400.00 200.00 0.5% 1.0% 1.5% Hàm lượng sợi thép (%) Hình 3-7 – Biểu đồ so sánh lƣợng va chạm gây phá huỷ mẫu loại cốt sợi thép khác (cốt sợi thép micro cốt sợi thép kiểu trịn có móc đầu) với hàm lƣợng cốt sợi thép 0,5% , 1,0% 1,5% Đối với UHPC cốt sợi, cốt sợi có tác dụng ―khâu‖ vết nứt, nên hình thành vết nứt, cốt sợi vắt ngang vết nứt hạn chế mở rộng vết nứt tạo phân phối lại ứng suất kéo vết nứt vi mô làm phát triển thêm vết nứt khác Vì lƣợng va chạm gây phá huỷ mẫu tăng lên nhiều, đồng thời mẫu có xu hƣớng phá huỷ với nhiều vết nứt 1,5%SMF 1,0%SMF 0,5%SMF Hình 3-8– Mẫu thí nghiệm sau phá huỷ 0% -51KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * KẾT LUẬN - Việc sử dụng cốt sợi thép cải thiện đáng kể sức kháng va chạm UHPC vết nứt phá huỷ mẫu.Hàm lƣợng cốt sợi cao sức kháng va chạm UHPC cao - UHPC khơng có cốt sợi, dƣới tác dụng va chạm lặp lại, có xu hƣớng phá huỷ sau xuất vết nứt vết nứt phát triển nhanh theo dạng đƣờng thẳng - UHPC có cốt sợi có khả chịu va chạm cao sau xuất vết nứt Mẫu có xu hƣớng phá hoại với nhiều vết nứt hƣớng vào điểm va chạm - Khi thí nghiệm phƣơng pháp tải trọng rơi (Drop Weight test) theo hƣớng dẫn ACI 544.2R-89 (tái phê duyệt 1999), UHPC sử dụng cốt sợi thép kiểu trịn có móc hai đầu (d=0.5mm L =30mm) với hàm lƣợng 0,5 – 1,5% lƣợng va chạm gây vết nứt tăng từ 1,73 đến 3,27 lần, lƣợng va chạm gây phá huỷ mẫu tăng từ 2,07 đến 4,33 lần so với UHPC không sử dụng cốt sợi UHPC sử dụng cốt sợi thép micro với hàm lƣợng 0,5 đến 1,5% lƣợng va chạm gây vết nứt tăng 2,18 đến 7,18 lần tăng 4,20 đến 12,13 lần trƣờng hợp phá huỷ mẫu so với UHPC không sử dụng cốt sợi - UHPC sử dụng cốt sợi thép micro có xu hƣớng cải thiện sức kháng va chạm tốt so với việc sử dụng cốt sợi có đƣờng kính lớn với hàm lƣợng cốt sợi * KIẾN NGHỊ - Sử dụng cốt sợi thép để cải thiện sức kháng va chạm UHPC, cốt sợi thép micro có hiệu so với cốt sợi có đƣờng kính lớn - Tiếp tục nghiên cứu ảnh hƣởng cốt sợi thép đến sức kháng va chạm UHPC thí nghiệm theo phƣơng pháp tải trọng rơi có thiết bị đo tự động - Nghiên cứu sức kháng va chạm cấu kiện UHPC cốt sợi thép có khơng có cốt thép -52TÀI LIỆU THAM KHẢO Sandy Leonhardt, Dirk Lowke, Christoph Gerlen (2012), ―Effect of fibers on impact resistance of untra high performance concrete‖, Processings of the 3th International Symposium on UHPC and Nanotechnology for High Performance Construction Material, Kassel University Press, Kassel, Germany Michael Schmidt and Ekkehard Fehling (2004), ―Ultra High Performance Concrete: Research, Development and Application in Europe‖, International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel University Press, Kassel, Germany Pierre Y Blaise and Marca Couture (1999), ―Precast, Prestressed Pedestrian Bridge— World’s First Reactive Powder Concrete Structure‖, PCI Journal Vol 44,pp.60-71, Precast / Prestressed Concrete Institute, USA E Fehling, M Schmidt, J Walraven, T Leubecher, S Fröhlich (2014), ―Ultra-High Performance Concrete: Foundamental, Design, Examples‖, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, Germany Ziad Hajar, Alain Simon, Daniel Lecointre, Jerome Petitjean (2004), ―Design and Construction of the world first Ultra – High Performance Concrete road bridges‖, International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel University Press, Kassel, Germany Henry G Russel Benjamin Graybeal (2013), ―Ultra-High Performance Concrete: A state of the Art Report for Bridge Community‖, Federal Highway Administrations FHWA – HRT – 13 – 060, USA Association Fran aise de Génie Civil - AFGC (2013), ―Ultra high performance fibre- reinforced concrete Recommendations―, Revised Edition, Paris, France Benjamin Graybeal (2011), ―Ultra-High Performance Concrete‖, Tech Note, FHWA- HRT-11-038, Federal Highway Administration, McLean, VA, USA Benjamin Graybeal (2005), ―Characterization of the behavior of Ultra-High Performance Concrete‖, Doctoral Desertation, University of Maryland, USA -5310 Vivek Bindiganavile, Nemkumar Banthia, and Brendt Aarup (2002), ―Impact Response of Ultra-High-Strength Fiber-Reinforced Cement Composite‖, ACI Materials Journal, USA 11 Sandy Leonhardt, Dirk Lowke, Christoph Gerlen (2012), ―Effect of Fibres on Impact Resistance of Ultra High Performance Concrete‖ , Processings of the 3th International Symposium on UHPC and Nanotechnology for High Performance Construction Material, Kassel University Press, Kassel, Germany 12 R Yu, P Spiesz, H.J.H Brouers (2014), ―Static properties and impact resistance of a green ultra high performance hibrid fibre reinforced concrete (UHPHFRC): Experiments and modeling‖, Construction and Building Materials, p158-171 13 Doo-Yeol Yoo, Nemkumar Banthia, and Young-Soo Yoon (2016), ―Impact Resistance of Ultra High Performane Fibre Reinforced Concrete with Different Steel Fibers‖, 9th RILEM International Symposium on Fiber Reinforced Concrete - BEFIB 2016, Vancourver, Canada 14 GS TS Phạm Duy Hữu (2011) ―Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tơng có cƣờng độ siêu cao ứng dụng kết cấu cầu nhà cao tầng ( UHSFRC)‖, đề tài nghiên cứu khoa học cấp mã số B2010 – 04 – 130 TĐ, Bộ Giáo dục Đào tạo, Hà Nội, Việt Nam 15 TS Nguyễn Văn Tuấn, ThS Nguyễn Công Thắng, PGS TS Phạm Hữu Hanh (2014), ―Nghiên cứu chế tạo bê tông cƣờng độ siêu cao với cƣờng độ nén 200 MPa sử dụng vật liệu có sẵn Việt Nam‖, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, Hà Nội, Việt Nam 16 Nguyễn Lộc Kha (2013), ―Nghiên cứu thành phần, tính chất học bê tông cƣờng độ siêu cao ứng dụng kết cấu cầu‖, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, Trƣờng Đại học Giao Thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam 17 Nguyễn Công Thắng (2016), ―Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lƣợng siêu cao sử dụng phụ gia khoáng vật liệu có sẵn Việt Nam‖, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, Trƣờng Đại học Xây dựng, Hà Nội, Việt Nam 18 Văn Viết Thiên Ân (2015), ―Nghiên cứu nâng cao độ bền bê tông chất lƣợng siêu cao sử dụng mơi trƣờng axít Sunphuríc‖, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, Trƣờng Đại học Xây dựng, Hà Nội, Việt Nam -5419 Đặng Văn Sỹ (2015), ―Phát triển mặt cầu bê tông chất lƣợng siêu cao cho hệ thống mặt cầu thép trực hƣớng Việt Nam ―, Tạp chí Giao thơng Vận tải, Hà Nội, Việt Nam 20 E Sakai, K Aizawa, A Nakumura, H Kato, M Daimon (2008), ―Influence of superplasticizers on the fluidity of cements with different amount of aluminate phase‖, Proceedings of the Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel University Press, Kassel, Germany 21 ASTM C150 – 07 (2007), ―Standard Specification for Portland Cement‖, American Society for Testing and Material, USA 22 BS EN 196-1 : 2005, ―Methods of testing cement - Part 1: Determination of strength‖, British Standards Institution, UK 23 Yuliarti K (2013), ―Innovation and Application of Ultra High Performance Concrete‖, Engineering International Conference “UNNES Conservation” 2013 Proceeding, ISBN979-25-2783, Indonesia 24 T Hirschi, F Wombacher (2008), ―Influence of different superplasticizers on UHPC‖, Proceedings of the Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel University Press, Kassel, Germany 25 BS EN 206 : 2013, ―Concrete — Specification, performance, production and conformity‖, British Standards Institution, UK 26 CRD C162-92 (1992), ―Standard test method for Direct Tensile Strength of Cylindrical Concrete or Mortar Specimens‖, US Army Corps of Engineers, Department of Defense, USA 27 RILEM TC 162-TDF (2001), ―Test and Design methods for Steel Fibre Reinforced Concrete: Uni-axial tension test for steel fibre reinforced concrete‖, Materials and Structures, V 34, No 235, pp 3–6, RILEM Publications, Bagneux, France 28 Theresa M Ahlborn, Erron J Peuse, Donald Li Misson (2012), ―Ultra-High- Performance-Concrete for Michigan Bridges : Material Performance – Phase I‖, Michigan Department of Transportation, MDOT RC-1525, USA -5529 Ma J., Orgass M., Dehn F et al (2004), ―Comparative Investigations on Ultra-High Performance Concrete with and without Coarse Aggregates‖, International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel University Press, Kassel, Germany 30 Lihe Zang (2008), ―Impact Resistance of High Strenth Fiber Reinforced Concrete‖, Doctoral thesis, University of British Columbia, Vancouver, Canada 31 Ramesh K T (2008), ―High Strain Rate and Impact Experiments‖, Springer Handbook of Experimental Solid Mechanics, Part D/33.1, Springer US, USA 32 Zielinski A J (1982), ―Fracture of Concrete and Motar Under Uniaxial Impact Tensile Loading‖, Delft University Press, Holland 33 B P Hughes and R Gregory (1972), ―Concrete subjected to high rates of loading in compression‖, Magazine of Concrete, Institute of Civil Engineering, UK 34 Ali Abd_Elhakam Aliabdo (2013), ―Effect of internal short fibers, steel reinforcement, and surface layer on impact and penetration resistance of concrete‖, Alexandria Engineering Journal, Alexandria University, Egypt 35 G.I Sezer, S Yazici and A Sezer (2014), ―Dependence of Impact Resistance of Steel Fiber Reinforced Concrete on Aggregate Origin‖, International Conference on Computational and Experimental Science and Engineering (ICCESEN), Turkey 36 ACI 544.2R-89 (Reapproval 1999), ―Measurement Properties of Fiber Reinforced Concrete‖, American Concrete Institute, USA