đáp ứng tải trọng va đập của kết cấu tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao

Việc thêm các loại sợi như sợi thép, sợi polypropylen hoặc sợi cacbon đã làm tăng tính dẻo cho vật liệu bê tông có cường độ chịu nén lên đến 200 MPa, còn được gọi tên là bê tông tính năn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHU THỊ HẢI VINH

ĐÁP ỨNG TẢI TRỌNG VA ĐẬP CỦA KẾT CẤU TẤM LÀM BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

CHU THI HAI VINH

RESPONSE OF PLATE STRUCTURE MADE OF HIGH PERFORMANCE CONCRETE SUBJECTED TO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHU THỊ HẢI VINH

ĐÁP ỨNG TẢI TRỌNG VA ĐẬP CỦA KẾT CẤU TẤM LÀM BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO

Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số chuyên ngành: 9580201

Phản biện độc lập: PGS TS Nguyễn Lan Phản biện độc lập: PGS TS Trần Tuấn Kiệt

Phản biện: PGS TS Lê Anh Thắng Phản biện: PGS TS Nguyễn Minh Long Phản biện: PGS TS Bùi Quốc Bảo

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1 TS Bùi Đức Vinh

2 GS TSKH Nguyễn Viết Tuệ

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chu Thị Hải Vinh

ii

TÓM TẮT

Bê tông tính năng siêu cao (UHPC) là vật liệu thế hệ mới với nhiều tính năng vượt trội về khả năng chịu lực siêu cao và rất bền với môi trường làm việc có yếu tố xâm thực mạnh Các nội dung chính của nghiên cứu này là tiền đề cơ bản hướng đến các ứng dụng cho các công trình chịu tải trọng đặc biệt như tải trọng va đập, tải trọng nổ

Công thức thành phần vật liệu UHPC được phát triển dựa trên nguồn nguyên liệu có sẵn trong nước Cấp phối được tính toán, lựa chọn tối ưu hóa bằng phương pháp độ chặt (packing density) và khảo sát thực nghiệm trên cả hai pha: cốt liệu và pha hồ Pha cốt liệu bao gồm cát, đá nghiền CS-3, đá nghiền CS-5; pha hồ gồm có xi măng, silica fume, bột cát thạch anh và xỉ lò cao Việc sử dụng xỉ lò cao với tỷ lệ 20% khối lượng xi măng đã giúp bê tông phát triển cường độ sớm với fc_7d xấp xỉ 90% fc_28d Cường độ nén của mẫu đạt 130-150 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt 12÷29 MPa, cường độ chịu kéo trực tiếp đạt 7-8 MPa Ngoài ra, vi cấu trúc của pha hồ cũng được quan sát bằng kính hiển vi điện tử ở các độ phân giải khác nhau và cấu trúc nhiều lớp của tinh thể C-S-H được nhìn thấy rõ hơn ở các độ phóng đại 10,000 lần và 15,000 lần Kết quả của nghiên cứu này về phần vật liệu đã góp phần phát triển và tối ưu hóa thành phần bê tông UHPC, việc sử dụng xỉ lò cao thay thế một phần bột cát thạch anh không những giúp nâng cao chất lượng của bê tông mà còn giúp giảm giá thành sản phẩm và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường

Chương trình khảo sát thực nghiệm để đánh giá các đặc trưng cơ học và tính chất của hỗn hợp UHPC được tiến hành trên các nhóm mẫu với các tỉ lệ sợi thép lần lượt 0%, 1.0%, 1.5%, 2.0% và 2.5% theo thể tích bê tông Các thí nghiệm nén dọc trục, thí nghiệm uốn dầm RILEM và thí nghiệm kéo trực tiếp đã được triển khai với tổng cộng hơn 120 mẫu các loại Kết quả cho thấy cường độ chịu nén của các nhóm cấp phối khác nhau đạt khoảng 118÷151 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt 9÷29 MPa và cường độ chịu kéo trực tiếp đạt từ 7 ÷ 8 MPa Việc tăng hàm lượng sợi thép trong các nhóm mẫu giúp tăng khả năng hấp thụ và lan truyền năng lượng trong bê tông cốt sợi

Để đánh giá khả năng chịu lực va đập của tấm UHPC, khảo sát thực nghiệm với mô hình thí nghiệm tấm UHPC có kích thước (50050080)mm với hàm lượng sợi thép tương

iii

ứng 1.0 %, 1.5 % và 2.0 % được thiết kế và chế tạo Ứng xử của tấm khi chịu tải trọng va đập với vật nặng hình trụ tròn có khối lượng là 16kg, 25kg và 33kg Các đại lượng gia tốc, biến dạng được đo đạc và quan sát trong suốt quá trình thí nghiệm Kết quả ghi nhận thể hiện vùng diện tích hấp thụ xung lực tăng lên, bề rộng vết nứt trên bề mặt tấm giảm dần khi tăng hàm lượng sợi và tăng cường độ chịu nén của bê tông Có thể thấy rằng, sợi thép đóng vai trò quan trọng trong việc giảm bề rộng vết nứt và ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu lực của tấm so với 2 yếu tố còn lại là cường độ chịu nén của bê tông và cốt thép trong tấm

Phân tích ứng xử của tấm bằng mô phỏng số được thực hiện bằng bài toán Explicit Dynamic trong phần mềm ANSYS-AUTODYN Mô hình kết cấu tấm 3D đầy đủ được thiết lập, UHPC được mô tả bằng mô hình vật liệu RHT (RHT constituvive model for conctete) với các thông số dựa trên kết quả thí nghiệm từ Chương 4 Một số thông số được hiệu chỉnh phù hợp theo kết quả thí nghiệm nén trên mẫu trụ Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương quan về xu hướng giữa thí nghiệm và mô phỏng Ngoài ra, từ quá trình phân tích mô hình số, có thể quan sát được sự lan truyền ứng suất trong tấm và có thể dự đoán được vùng bê tông bị phá hoại khi chịu tải trọng va đập

Các kết quả nghiên cứu của luận án đã phát triển thành công được một tập hợp các cấp phối bê tông UHPC có thể ứng dụng ngay cho các công trình xây dựng, với mức chi phí hợp lý và các thông số đặc trưng đầy đủ cho tính toán thiết kế theo một số tiêu chuẩn hiện hành Phương pháp đo lường ứng suất - biến dạng trong thí nghiệm kéo trực tiếp của bê tông đã được đề xuất, giúp cải thiện về độ ổn định và chính xác của phép đo Ứng xử cơ bản của tấm UHPC chịu tải trọng va đập đã được đánh giá bằng phương pháp khảo sát thực nghiệm và mô phỏng số Mối tương quan giữa mô hình và thực nghiệm được xác định, đây cũng là tiền đề để phát triển các nghiên cứu tiếp theo

iv

ABSTRACT

Ultra-High Performance Concrete (UHPC) is a new material with many outstanding features, having a high capacity and being durable in an aggressive environment The main contents of this study are the basic criteria for applications of structures subjected to special loads, impact loads, and explosive loads

The UHPC composition is developed based on locally available raw materials The concrete constituent is calculated and optimized by the packing density method and the experiment is investigated in both phases: aggregates and cement paste Aggregates include sand, crushed stone CS-3, and crushed stone CS-5 The cementitious phase consists of cement, silica fume, silica powder, and blast furnace slag The content of blast furnace slag at 20% by weight of cement enhances the development strength at an early age with fc_7d approximately 90% fc_28d The compressive strength reaches 130-150 MPa, the flexural tensile strength is 12÷29 MPa, and the uniaxial tensile strength is 7-8MPa In addition, the microstructure of hardened cement paste was observed by Scanning Electron Microscope (SEM) with various resolutions, and the multilayered structure of the C-S-H crystal was seen at 10,000 and 15,000 This study has contributed to the UHPC composition, using blast furnace slag to partially replace silica powder not only improves the quality of concrete but also reduces minimizes products and minimizes their negative impact on the environment

An experimental program was conducted to evaluate the mechanical properties of the UHPC mixture with the proportions of steel fibers 0%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, and 2.5% by volume of concrete, respectively Uniaxial compression tests, RILEM beam bending tests, and direct tensile tests have been carried out with a total of more than 120 samples of all types The results show that the compressive strength is about 118÷151 MPa, the flexural tensile strength is 9÷29 MPa and the direct tensile strength is 7÷8 MPa Increasing steel fiber content in the concrete enhances the absorption and spread of energy in UHPC

UHPC plates of size (50050080) mm with a steel fiber content of 1.0%, 1.5%, and 2.0% respectively were fabricated to evaluate the behavior of the plate under impact

v

load The behavior of the plate subjected to impact load with some cylindrical masses of 16kg, 25kg, and 33kg The quantities of acceleration and deformation were measured and observed during the test process The results show that the shock absorption area increases, and the crack width on the plate surface decreases with increasing the steel fiber content and the compressive strength of concrete It can be seen that the content of steel fiber is an important factor in reducing the crack width and significantly affects the bearing capacity of the slab compared to the compressive strength and reinforcement in the slab

The analysis by numerical simulation has been performed by Explicit Dynamic in ANSYS-AUTODYN software A full 3D plate structure model was established, and UHPC was described by the RHT constitutive model for concrete with parameters based on experimental results from Chapter 4 Some parameters were calibrated according to the compression testing results on the cylindrical sample The simulation results show a correlation of the trend between the experiment and the simulation In addition, the stress propagation in the plate can be observed by numerical model and the failure area of the concrete can be predicted when subjected to impact loads

The results of the dissertation have successfully developed a set of UHPC concrete compositions that can be applied immediately in construction, with reasonable prices and complete parameters for designability according to some current standards A method of measuring stress-strain in the direct tensile test of concrete has been proposed, which improves the stability and accuracy of the measurement The basic behavior of the UHPC plate subjected to impact loads has been investigated by the experiment program and numerical simulation The correlation between the model and the experiment is determined, which is also a premise for the development of further studies

vi

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐH Quốc gia Tp Hồ Chí Minh đã hỗ trợ cho nghiên cứu này, và xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Xây dựng Miền Trung đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập và nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của TS Bùi Đức Vinh và GS TSKH Nguyễn Viết Tuệ Tác giả xin gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc đến hai người thầy hướng dẫn của mình Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, đã có lúc tác giả cảm thấy áp lực và không thể tiếp tục khi gia đình gặp biến cố lớn Tuy nhiên, ngay tại thời điểm đó, thầy Bùi Đức Vinh đã động viên tinh thần và hỗ trợ mọi mặt để tác giả có thể tiếp tục và hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu của mình Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Vật liệu Xây dựng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Phòng Đào tạo Sau đại học của trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã có những góp ý khoa học cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả học tập và làm việc tại trường

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã hỗ trợ và đồng hành cùng tác giả trong suốt 5 năm học tập Bản thân là một phụ nữ, hai con còn nhỏ nên việc đi học không tránh khỏi những vướng bận lo toan của cuộc sống hàng ngày Tác giả sẽ không thể hoàn thành được nghiên cứu này nếu không có sự hỗ trợ giúp đỡ từ gia đình Đặc biệt là sự hỗ trợ toàn diện từ chồng và cha mẹ 2 bên để bản thân có thể vượt qua khó khăn, tập trung học tập và hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu Nhân đây, cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể đội ngũ kỹ sư làm việc tại Công ty Hoàng Vinh TRCC đã hỗ trợ và chia sẻ mọi khó khăn của tác giả

Luận án trình bày các vấn đề liên quan đến bê tông tính năng siêu cao, đây là một vấn đề mới và nhiều khía cạnh cần được nghiên cứu vì ứng xử của loại bê tông này vô cùng phức tạp Do đó, trong quá trình thực hiện luận án không tránh khỏi sai sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè về nội dung luận án để tác giả có thể sửa chữa những sai sót cho luận án ngày càng hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

vii

Xin gửi tặng cho cha mẹ 2 bên và chồng Nguyễn Thanh Hải

cùng 2 con là Nguyễn Chu Hoàng và Nguyễn Hoàng Minh Châu, những người mà tôi yêu thương nhất

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

Lịch sử phát triển của bê tông tính năng siêu cao 1

Thách thức và ứng dụng của UHPC 2

Động lực cho nghiên cứu 5

Tính cấp thiết của đề tài 6

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 7

Phạm vi nghiên cứu của luận án 7

Nội dung và phương pháp nghiên cứu 7

Cấu trúc luận án 8

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 10

Ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến tính năng UHPC 10

Ảnh hưởng của thành phần sợi thép đến ứng xử của UHPC 12

Tấm chịu tải trọng va đập 15

Mô hình số của tải trọng va đập 18

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21

Nguyên tắc chế tạo UHPC 21

Các thành phần nguyên vật liệu 21

Cấu trúc vi mô của bê tông tính năng cao 25

Cơ chế truyền lực trong bê tông UHPC 26

Phương pháp thiết kế thành phần bê tông tính năng siêu cao 29

Ứng xử của UHPC khi chịu tải trọng va đập 30

3.6.1 Tải trọng va đập 30

3.6.2 Năng lượng trong tấm 32

ix

3.6.3 Tốc độ biến dạng của bê tông chịu tải trọng va đập 33

CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU CÔNG THỨC CHO VẬT LIỆU UHPC 38

Đặc trưng hóa tính năng cơ học của UHPC 38

4.1.1 Mẫu thí nghiệm 39

4.1.2 Khảo sát tính chất hỗn hợp bê tông 40

4.1.3 Khảo sát cường độ chịu nén 41

4.1.4 Khảo sát mô đun đàn hồi và hệ số nở hông 42

4.1.5 Khảo sát cường độ chịu kéo khi uốn 46

4.1.6 Năng lượng phá hủy 50

Tối ưu hóa thành phần cấp phối của bê tông tính năng siêu cao 53

4.2.1 Phương pháp thí nghiệm 53

4.2.2 Lựa chọn thành phần hạt cốt liệu 57

4.2.3 Lựa chọn thành phần cấp phối pha hồ 63

4.2.4 Cấu trúc vi mô của pha hồ 71

4.2.5 Lựa chọn thành phần cho bê tông tính năng siêu cao - UHPC 74

4.2.6 Tính năng của hỗn hợp bê tông 75

4.2.7 Cường độ của bê tông 77

4.2.8 Độ chảy của bê tông cốt sợi 80

4.2.9 Khảo sát cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của UHPFRC 82

4.2.10 Khảo sát cường độ chịu kéo khi uốn của UHPFRC 84

4.2.11 Khảo sát cường độ chịu kéo dọc trục 86

4.2.12 Giá thành của UHPC 95

Chế tạo mẫu và chuẩn bị thiết bị thí nghiệm 101

5.4.1 Công tác ván khuôn và đổ bê tông 101

5.4.2 Lắp đặt khung và thiết bị thí nghiệm 102

5.4.3 Chế tạo cảm biến đo gia tốc 106

5.6.3 Biến dạng trên bề mặt mẫu 112

5.6.4 Sự phát triển của vết nứt trong quá trình thí nghiệm 115

6.2.2 Mô hình vật liệu RHT cho bê tông chịu tải trọng va đập 122

Mô phỏng phân tích bài toán va đập 127

6.3.1 Hiệu chỉnh mô hình vật liệu bê tông UHPC 127

6.3.2 Mô hình cho mẫu trụ chịu nén dọc trục 129

6.3.3 Mô hình tấm UHPC chịu tải trọng va đập 132

Nhận xét 139

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 141

Vật liệu bê tông tính năng siêu cao 141

Ứng xử của tấm UHPC chịu tải trọng va đập 141

Mô phỏng số cho bài toán tấm UHPC dưới tác dụng của tải va đập 142

Hướng nghiên cứu tiếp theo 142

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

PHỤ LỤC 153

Phụ lục A: Thí nghiệm va đập 153

Phụ lục B: Gia tốc của tấm 155

Phụ lục C: Bài toán va đập (Explicit dynamic) trong ANSYS-AUTODYN 158

Phụ lục D: Kết quả thí nghiệm kéo thép 161

Phụ lục E: Kết quả các tính chất cơ học của UHPC 164

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của UHPC [7] 2

Hình 1.2 Cầu Thăng Long sau khi được cải tạo [9] 3

Hình 1.3 Tấm tường trang trí bằng UHPC 4

Hình 1.4 Khung máy phay CNC bằng UHPC [10] 4

Hình 1.5 Một số công trình quân sự [11]–[13] 5

Hình 1.6 Trình tự thực hiện nghiên cứu 8

Hình 2.1 Mối quan hệ giữa cường độ của bê tông và cốt liệu [15] 11

Hình 2.2 Độ chảy và cường độ chịu nén của bêtông [18] 11

Hình 2.3 Cường độ chịu kéo ứng với tuổi bê tông [8] 12

Hình 2.4 Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi [19] 13

Hình 2.5 Ảnh hưởng của hướng đổ bê tông đến ứng xử của dầm chịu uốn [20] 13

Hình 2.6 Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị các nhóm mẫu [23] 14

Hình 2.7 Thí nghiệm va đập tấm [27] 16

Hình 2.8 Hình dạng vết nứt trên bề mặt tấm [28] 16

Hình 2.9 Mô hình thí nghiệm [29] 17

Hình 2.10 Ảnh hưởng hình dạng vật nặng đến sự phá hoại của mẫu 17

Hình 2.11 Phá hoại của mẫu [31] 18

Hình 2.12 Hình dạng phá hoại được mô hình trong AUTODYN với RHT 19

Hình 2.13 So sánh phá hoại mẫu giữa 2 mô hình số [37] 20

Hình 3.1 Các mode phá hoại của cơ học phá hủy [59] 24

Hình 3.2 So sánh đường ứng suất - biến dạng giữa NSC và FRC [58] 25

Hình 3.3 Cấu trúc vĩ mô của bê tông [44] 26

Hình 3.4 Cấu trúc vi mô của vật liệu dưới kính hiển vi [61], [62] 26

Hình 3.5 Cơ chế truyền lực bên trong cấu trúc bê tông [64] 27

Hình 3.6 Quá trình phá hoại theo Glucklich [64] 28

Hình 3.7 Ứng xử chịu kéo của UHPFRC [65] 28

Hình 3.8 Khả năng làm việc của UHPC khi chịu kéo [66] 29

Hình 3.9 Sự phân bố cỡ hạt cốt liệu [43] 30

Hình 3.10 Mô hình cơ học về va đập của 2 vật nặng [69] 31

Hình 3.11 Dạng phá hoại của bê tông chịu tải trọng va đập [70] 32

Hình 3.12 Tốc độ biến dạng của kết cấu bê tông (s-1) [74] 34

Hình 4.1 Các thành phần chính của UHPC [7] 38

Hình 4.2 Độ chảy hỗn hợp bê tông 41

Hình 4.3 Sự phát triển cường độ các nhóm mẫu 42

xii

Hình 4.4 Dạng phá hoại nén của mẫu có và không có sợi thép 42

Hình 4.5 Thí nghiệm đo ứng suất - biến dạng của mẫu bê tông 43

Hình 4.6 Biểu đồ ứng suất - biến dạng của các nhóm mẫu 44

Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của nhóm N00 45

Hình 4.8 Kích thước mẫu thí nghiệm 46

Hình 4.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn dầm và thiết bị đo 47

Hình 4.10 Vết nứt của mẫu trong quá trình thí nghiệm 47

Hình 4.11 Hình dạng mẫu khi kết thúc thí nghiệm 48

Hình 4.12 Sợi thép giúp liên kết 2 phần của dầm 49

Hình 4.13 Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị của các nhóm mẫu 49

Hình 4.14 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và độ mở rộng vết nứt 50

Hình 4.15 Biểu đồ xác định mức hấp thụ năng lượng [85] 51

Hình 4.22 Độ rỗng của 3 trường hợp trộn cốt liệu [100] 63

Hình 4.23 Độ chảy của pha hồ 64

Hình 4.24 Công tác chế tạo và bảo dưỡng mẫu [100] 65

Hình 4.25 Mẫu vữa thí nghiệm nén [100] 65

Hình 4.26 Thời gian trộn và độ chảy của pha hồ sử dụng xỉ 66

Hình 4.27 Cường độ pha hồ nhóm cấp phối V1 [100] 66

Hình 4.28 Cường độ chịu nén của các nhóm cấp phối sử dụng SF nén [100] 67

Hình 4.29 Mặt cắt ngang của 2 nhóm mẫu khác nhau về loại SF sử dụng [100] 68

Hình 4.30 Thời gian trộn của 2 nhóm sử dụng loại SF khác nhau 69

Hình 4.31 Cường độ chịu nén của các nhóm V3 [100] 70

Hình 4.32 Cường độ bê tông 28 ngày tuổi của 2 nhóm SF khác nhau [100] 70

Hình 4.33 So sánh cường độ chịu nén của các nhóm mẫu [100] 71

Hình 4.34 Quan sát vi cấu trúc của bê tông bằng kính hiển vi điện tử 72

Hình 4.35 Gia công mẫu trước khi chụp SEM 72

Hình 4.36 Vi cấu trúc nhóm V1-20 73

Hình 4.37 Vi cấu trúc nhóm V3-0 73

Hình 4.38 Vi cấu trúc nhóm V3-50 73

Hình 4.39 Vi cấu trúc nhóm V3-50 ở 2 cấp độ phóng đại [100] 74

xiii

Hình 4.40 Thí nghiệm đo độ đồng nhất [100] 75

Hình 4.41 Độ chảy hỗn hợp bê tông [100] 76

Hình 4.42 Thí nghiệm nén [100] 77

Hình 4.43 Cường độ chịu nén của nhóm mẫu C1, C2, C3 [100] 78

Hình 4.44 Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm [115] 78

Hình 4.45 Lắp đặt mẫu và thiết bị đo 79

Hình 4.46 Biểu đồ quan hệ giữa lực và độ võng của nhóm C1, C2, C3 [100] 79

Hình 4.47 Tính không đồng nhất của hỗn hợp bê tông với 2.0% sợi thép 80

Hình 4.48 Độ chảy nhóm M20 và M25 82

Hình 4.49 Mẫu thí nghiệm nén 82

Hình 4.50 Sự phát triển cường độ của UHPC 83

Hình 4.51 Biểu đồ ứng suất biến dạng của TN nén dọc trục 84

Hình 4.52 Các mẫu dầm Rilem 84

Hình 4.53 Lắp đặt thiết bị cho thí nghiệm uốn dầm 85

Hình 4.54 Biểu đồ quan hệ giữa Lực-Độ võng của dầm 86

Hình 4.55 Thí nghiệm kéo trực tiếp dùng ngàm kẹp 87

Hình 4.56 Hệ lực tác dụng lên đầu của mẫu chịu kéo 87

Hình 4.57 Độ lệch trục giữa mẫu và thiết bị 88

Hình 4.58 Kích thước mẫu thí nghiệm 89

Hình 4.59 Lắp đặt 2 thanh cáp vào khuôn 89

Hình 4.60 Vị trí lắp LVDT 89

Hình 4.61 Chế tạo và dưỡng hộ mẫu 90

Hình 4.62 Hình dạng mẫu thí nghiệm kéo 90

Hình 4.63 Thí nghiệm kéo dọc trục 91

Hình 4.64 Biểu đồ Lực-Bề rộng vết nứt của TN kéo 92

Hình 4.65 Biểu đồ ứng suất và biến dạng của TN kéo 93

Hình 4.66 Hình dạng của nhóm mẫu không có sợi khi kết thúc TN 93

Hình 4.67 Hình dạng các nhóm mẫu có sợi sau khi kết thúc TN 94

Hình 4.68 Phân bố sợi thép trong mẫu 94

Hình 4.69 Tỷ lệ giá thành của các thành phần trong 1m3 bê tông (Nhóm C2) [100] 96

Hình 5.1 Kích thước khung thí nghiệm va đập 98

Hình 5.2 Khối lượng các vật nặng 99

Hình 5.3 Tấm thí nghiệm 100

Hình 5.4 Gia công 2 đế bê tông 101

Hình 5.5 Lắp đặt ván khuôn và đổ bê tông cho tấm 102

Hình 5.6 Nguyên lý hoạt động của xi lanh khí nén 103

Hình 5.12 Vị trí lắp cảm biến đo gia tốc 107

Hình 5.13 Bộ đo cảm biến gia tốc 108

Hình 5.14 Thời gian rơi của vật nặng 108

Hình 5.15 Biểu đồ gia tốc của vật nặng 109

Hình 5.16 Gia tốc của tấm N20S-H (25kg) 110

Hình 5.17 Gia tốc của tấm N20S-U (25kg) 110

Hình 5.18 Gia tốc tấm có 1.5% sợi thép (N15S-H (33kg)) 111

Hình 5.19 Gia tốc tấm có 2.0% sợi thép (N20S-H (33kg)) 111

Hình 5.20 Gia tốc tấm UHPC không có cốt thép (N15-U (25kg)) 112

Hình 5.21 Gia tốc tấm UHPC có cốt thép (N15S-U (25kg)) 112

Hình 5.22 Biến dạng của mẫu nhóm N10-U (16kg) 113

Hình 5.23 Biến dạng của mẫu nhóm N15-U (16kg) 113

Hình 5.24 Biến dạng của mẫu nhóm N15-H (16kg) 114

Hình 5.25 Biến dạng của các nhóm mẫu không có cốt thép (33kg) 114

Hình 5.26 Biến dạng của các nhóm mẫu có cốt thép (33kg) 115

Hình 5.27 Vùng bê tông bị vỡ tại vị trí tiếp xúc với vật nặng 116

Hình 5.28 Quan sát vết nứt nhỏ bằng kính hiển vi 117

Hình 5.29 Vết nứt trên bề mặt mẫu khác nhau về cường độ bê tông 119

Hình 5.30 Vết nứt trên bề mặt mẫu khác nhau hàm lượng sợi, không cốt thép 119

Hình 5.31 Vết nứt trên bề mặt mẫu có và không có cốt thép 120

Hình 6.1 Mô hình vật liệu đàn dẻo tái bền 122

Hình 6.2 Mô hình đàn dẻo phá hoại [33] 124

Hình 6.3 Mặt phá hoại của mô hình RHT 125

Hình 6.4 Biểu đồ ứng suất biến dạng song tuyến tính 125

Hình 6.5 Phần tử SOLID 186 130

Hình 6.6 Chia lưới cho mô hình nén dọc trục 130

Hình 6.7 Khai báo điều kiện biên và vận tốc cho mô hình 131

Hình 6.8 Ứng suất theo phương dọc trục 132

Hình 6.9 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của mẫu nén dọc trục 132

Hình 6.10 Mô hình 3D cho tấm UHPC 133

Hình 6.11 Chia lưới phần tử 133

xv

Hình 6.12 Khai báo điều kiện biên tại vị trí 2 gối tựa 134

Hình 6.13 Khai báo vận tốc va đập của vật nặng 134

Hình 6.14 Ứng suất Von-Mises của tấm không có cốt thép (33kg) 135

Hình 6.15 So sánh sự phân bố ứng suất Von-Mises của 2 tấm N15-U (33kg) 135

Hình 6.16 Mẫu N15S-U (33kg) 136

Hình 6.17 Chuyển vị của tấm khi chịu tác dụng của vật nặng 25kg 137

Hình 6.18 Chuyển vị của tấm khi chịu tác dụng của vật nặng 33kg 137

Hình 6.19 Biểu đồ gia tốc theo thời gian của mô hình 137

Hình 6.20 So sánh biểu đồ gia tốc của nhóm N15-U (25kg) 138

Hình 6.21 So sánh biểu đồ gia tốc của nhóm N15S-U (25kg) 138

Hình 6.22 Sự cân bằng năng lượng của hệ 139

xvi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông 39

Bảng 4.2 Các yêu cầu cơ bản cho thiết kế cấp phối bê tông 39

Bảng 4.3 Các nhóm mẫu thí nghiệm 40

Bảng 4.4 Độ chảy của các nhóm mẫu 41

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm của các nhóm mẫu bê tông 44

Bảng 4.6 So sánh giá trị mô đun đàn hồi của bê tông 45

Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm uốn mẫu dầm RILEM 48

Bảng 4.8 Khả năng hấp thụ năng lượng 52

Bảng 4.9 Cường độ chịu kéo khi uốn dư của các nhóm mẫu 53

Bảng 4.10 Thành phần nguyên vật liệu 55

Bảng 4.11 Thành phần hóa của xỉ lò cao (TCVN 11586:2016~S95) 56

Bảng 4.12 Hàm lượng lọt sàng của cốt liệu 57

Bảng 4.13 Các hỗn hợp cốt liệu 58

Bảng 4.14 Độ rỗng và hệ số lèn chặt của trường hợp Agg-1 59

Bảng 4.15 Độ rỗng và hệ số lèn chặt của trường hợp Agg-2 60

Bảng 4.16 Độ rỗng và hệ số lèn chặt của trường hợp Agg-3 61

Bảng 4.17 Các tỷ lệ cốt liệu tối ưu [100] 63

Bảng 4.18 Khối lượng các thành phần cấp phối cho 1 m3 bê tông 75

Bảng 4.19 Độ đồng nhất và độ chảy của hỗn hợp bê tông 76

Bảng 4.20 Khối lượng các thành phần cấp phối cho 1 m3 bê tông 81

Bảng 4.21 Độ chảy của hỗn hợp 81

Bảng 4.22 Cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi và hệ số poisson của mẫu 83

Bảng 4.23 Kết quả thí nghiệm uốn dầm Rilem 85

Bảng 4.24 Cường độ chịu kéo của các nhóm mẫu thuộc nhóm cấp phối CPV-01 92

Bảng 4.25 Cường độ chịu kéo của các nhóm mẫu thuộc nhóm cấp phối CPV-02 92

Bảng 4.26 So sánh Giá thành – Tính năng của UHPC 95

Bảng 5.1 Các nhóm mẫu thí nghiệm 100

Bảng 5.2 Lực va đập của vật nặng tác dụng vào tấm 109

Bảng 5.3 Bề rộng vết nứt các nhóm mẫu khi chịu tác dụng vật nặng 25kg 117

Bảng 5.4 Bề rộng vết nứt các nhóm mẫu khi chịu tác dụng vật nặng 33kg 118

Bảng 6.1 Các thông số khai báo mô hình cho kết cấu thép 122

Bảng 6.2 Các giá trị cường độ khai báo cho mô hình RHT 128

Bảng 6.3 Các thông số của mô hình RHT trong ANSYS [117] 128

Bảng 6.4 Kết quả của thực nghiệm và mô hình nén dọc trục 131

CEB Liên đoàn quốc tế về kết cấu bê tông

RHT Mô hình vật liệu Riedel-Hiermaier-Thoma

SG Cảm biến đo biến dạng - Strain gauge

UHPC Bê tông tính năng siêu cao

UHPFRC Bê tông cốt sợi tính năng siêu cao

xviii  , z Tốc độ biến dạng động

DIF Hệ số tăng tải trọng động

fc, fc_cyl Cường độ chịu nén mẫu trụ

fc_cube Cường độ chịu nén mẫu lập phương

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Bê tông tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete - UHPC) là bước phát triển mới trong công nghệ vật liệu bê tông Với các tính năng vượt trội của mình, UHPC có thể sử dụng cho các công trình đặc biệt như bản sàn cầu, kho chứa, các tấm tường mỏng hoặc cột chịu tải trọng lớn [1]

Lịch sử phát triển của bê tông tính năng siêu cao

Bê tông cường độ cao (High strength concrete – HSC) phát triển từ thập niên 1970, được ứng dụng cho các cột nhà cao tầng thay thế cho bê tông thường (Normal concrete – NSC) đang được sử dụng trong thời kỳ đó Với sự phát triển của công nghệ sản xuất phụ gia và việc sử dụng các phụ gia hoạt tính như silica fume đã góp phần tăng cường độ chịu nén của bê tông lên đến 150 MPa [2] Các tính năng khác của bê tông như độ chảy, mô đun đàn hồi, cường độ chịu uốn, khả năng chống thấm và độ bền cũng được cải thiện rõ rệt so với bê tông thường Ngoài ra, HSC còn đáp ứng được các yêu cầu sau [3]:

 Dễ dàng tạo khuôn và dầm chặt mà không bị phân tầng hay tách lớp;  Đặc tính cơ học bền với thời gian;

 Bê tông phát triển cường độ sớm;  Độ đặc sít cao;

 Có khả năng ổn định thể tích;  Bền với môi trường

Lịch sử hình thành và phát triển của bê tông được trình bày trong Hình 1.1 Việc phát triển công nghệ vật liệu trong những năm 2000 đã giúp cho việc ứng dụng HSC vào các công trình một cách rộng rãi Việc thêm các loại sợi như sợi thép, sợi polypropylen hoặc sợi cacbon đã làm tăng tính dẻo cho vật liệu bê tông có cường độ chịu nén lên đến 200 MPa, còn được gọi tên là bê tông tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Concrete – UHPC) hoặc bê tông cốt sợi tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Fiber Reinforced Concrete – UHPFRC) Hiện nay, theo tiêu chẩn ASTM C1856/1856M-17 [4], UHPC được định nghĩa là loại bê tông có cường độ chịu nén lớn hơn hoặc bằng 120 MPa (tương đương với 17000psi)

2

UHPC không những có cường độ chịu nén cao mà còn đạt nhiều tính năng quan trọng khác như: độ bền trong môi trường xâm thực mạnh, tính thấm rất thấp, ổn định thể tích tốt, có tính lưu động cao, dễ tạo hình, đổ khuôn, liên kết tốt với các bề mặt xung quanh [5]–[7] Với những ưu điểm này, có thể ứng dụng UHPC cho các công trình cao tầng chịu tải trọng động, giảm kích thước các cấu kiện, giảm chiều dày bản sàn, chiều cao dầm cũng như tăng chiều dài nhịp Tuy nhiên loại bê tông này chưa thể ứng dụng rộng rãi vì giá thành sản xuất bê tông còn cao, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu tăng cao Việc lựa chọn thành phần cấp phối bê tông hợp lý sẽ giúp nâng cao chất lượng vật liệu và giảm giá thành sản phẩm

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của UHPC [7]

Các tính chất nổi bật của UHPC thường được biết tới như cường độ chịu nén từ 120 MPa đến hơn 200 MPa, cường độ kéo từ 8-30 MPa, mô đun đàn hồi cao (> 45 GPa), ứng xử tuyến tính của vật liệu đến hơn 80% giới hạn bền nén, cấu trúc đặc sít rất cao [4], [7], [8] Việc đưa bê tông tính năng siêu cao ứng dụng vào thực tế sản xuất sẽ giúp tạo ra một loại bê tông mới, vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, khả năng chịu lực và đảm bảo được tính kinh tế

Thách thức và ứng dụng của UHPC

Mặc dù UHPC là bước nhảy vọt về công nghệ vật liệu bê tông với các tính năng về mặt cơ lý và độ bền hơn hẳn các loại bê tông truyền thống hay bê tông tính năng cao Thách thức lớn nhất của nó chính là chi phí sản xuất, với giá thành vật liệu cao hơn bê tông

3

truyền thống từ 5-10 lần, UHPC chỉ có thể được áp dụng đối với một số trường hợp cụ thể nhất định và đi kèm với giải pháp tổng thể hợp lý Một số ứng dụng điển hình của UHPC trong công trình được minh họa dưới đây

Cải tạo mặt cầu Thăng Long-Hà Nội, 2020-2021

Hình 1.2 Cầu Thăng Long sau khi được cải tạo [9]

Công trình cải tạo mặt cầu Thăng Long (Hình 1.2) được triển khai từ tháng 08/2020 đến tháng 01/2021 chính thức hoàn thành và đưa vào sử dụng, lớp bê tông nhựa liên kết với bản thép mặt cầu đã được thay thế bởi lớp UHPC dày 60mm, giữa chúng được liên kết với nhau bởi các các liên kết chống cắt Trên bề mặt lớp UHPC được trải một lớp thảm bê tông nhựa nóng Polymer để tạo độ êm thuận lợi cho các phương tiện qua lại Cho đến nay đây là công trình lớn nhất ứng dụng UHPC với hơn 10,000 m3 được thi công

Mặt dựng công trình WINK Hotel, 75 Nguyễn Bỉnh Khiêm –Tp HCM

Một ứng dụng điển hình khác của UHPC đó là các hạng mục trang trí trong công trình Hình 1.3 thể hiện một tấm mặt dựng bằng bê tông UHPC có kích thước 7.8m  6.0m, dày 60mm với 60% diện tích được đục lỗ Điểm đặc biệt ở hạng mục này yêu cầu độ bền vững hơn 70 năm, kết cấu vững chắc chống rung lắc và có độ ổn định cao Dựa trên các mẫu thực nghiệm, cuối cùng tấm tường trang trí bằng UHPC đã được chấp nhận Đến nay đã có hàng ngàn mét vuông hạng mục kết cấu mặt dựng bằng UHPC được lắp đặt trên các công trình cả nước

4

Hình 1.3 Tấm tường trang trí bằng UHPC

UHPC cho chế tạo máy công cụ

Hình 1.4 Khung máy phay CNC bằng UHPC [10]

Một ứng dụng ngoài xây dựng của UHPC là lĩnh vực chế tạo máy công cụ, đối với các loại máy có kích thước lớn như máy mài đường ray tàu điện, máy phay CNC, máy tiện CNC khổ lớn Việc dùng gang đúc các khối đế máy dần được thay thế bởi UHPC, vật

Động lực cho nghiên cứu

UHPC được coi là vật liệu mới so với chiều dài lịch sử phát triển của bê tông truyền thống, việc tìm kiếm các ứng dụng và làm cho nó trở nên phổ biến hơn, công trình bền vững hơn là ước muốn của các nhà nghiên cứu và kỹ sư xây dựng Những câu hỏi sau đây luôn xuất hiện, nó là động lực hình thành các ý tưởng cho nghiên cứu này

1 Liệu có thể tạo ra một loại vật liệu UHPC bằng nguyên vật liệu có sẵn với chi phí

thấp hơn hay không?

2 Tính năng dẻo dai của UHPC có cải thiện được khả năng chịu lực đập của công

trình hay không?

3 UHPC thường mỏng hơn, vậy ứng xử của kết cấu mỏng như thế nào khi chịu tải

trọng va đập với các mức tốc độ biến dạng vật liệu khác nhau?

4 Làm thế nào dự đoán một cách định tính và định lượng ứng xử của toàn bộ công

trình dưới tác động của tải xung kích?

6

5 Khả năng ứng dụng UHPC như thế nào?

Tính cấp thiết của đề tài

Nội dung của luận án là đánh giá ứng xử của kết cấu tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao chịu tải trọng va đập Bê tông tính năng siêu cao có khả năng cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chịu lực của công trình trong suốt vòng đời khai thác Hiện nay giá thành vật liệu của bê tông UHPC tương đối cao, việc tối ưu hóa thành phần nguyên liệu cũng như sử dụng các loại vật liệu sẵn có ở địa phương sẽ giúp tăng tính hiệu quả về mặt kinh tế Đồng thời, nghiên cứu này cũng sẽ là tiền đề, cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo ứng dụng cho các kết cấu công trình chuyên dụng như công trình quân sự chịu tải trọng nổ hoặc các công trình dân sự chịu tải trọng đặc biệt

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Tải trọng va đập là dạng tải trọng có thời gian tác dụng ngắn và bất ngờ Việc cải thiện khả năng chịu lực của kết cấu bằng loại vật liệu bê tông tính năng siêu cao là mục tiêu hướng đến của nghiên cứu này Các công trình dân sự được xây dựng bằng kết cấu bê tông làm việc trong vùng có mức độ nguy hiểm cao như đập thủy điện, các tường chắn hoặc các công trình quân sự phòng thủ như lô cốt, hầm trú ẩn đều là những kết cấu có khả năng đối mặt với tải trọng nổ hoặc tải trọng va đập do các loại vũ khí tấn công gây ra Do đó, việc tìm kiếm một loại vật liệu phù hợp cho các loại công trình này cần phải được tiến hành

Bên cạnh việc nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu mới này cho các kết cấu để cải thiện tính năng làm việc thì một vấn đề đặt ra hiện nay là giá thành của bê tông UHPC còn cao, việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này vào thực tế vẫn còn là thách thức lớn Để có thể khắc phụ vấn đề này, một trong những nội dung thực nghiệm của luận án là tiến hành tính toán thiết kế tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông sử dụng xỉ lò cao, là phế phẩm của ngành công nghiệp luyện gang thép Việc thiết kế thành phần cấp phối này vừa có thể giúp giảm giá thành sản phẩm vừa góp phần giảm thiểu tác động ô nhiễm đến môi trường, đó cũng một trong những đóng góp mang ý nghĩa thực tiễn mà đề tài mang lại

7

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Mục tiêu nghiên cứu là nhằm phát triển loại vật liệu UHPC và khảo sát ứng xử của tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao chịu tải trọng va đập

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài là xác định các tính năng cơ học của bê tông, thiết kế tối ưu thành phần cấp phối của bê tông và khảo sát ứng xử của tấm UHPC chịu tải trọng va đập Bên cạnh đó, mô hình phần tử hữu hạn 3D cho bài toán va đập được thiết lập với các kết quả thí nghiệm tính năng cơ học được dùng để hiệu chỉnh cho một số thông số mô hình RHT của bê tông

Phạm vi nghiên cứu của luận án

Luận án nghiên cứu đánh giá các đặc trưng cơ học của bê tông UHPC có cường độ chịu nén trong khoảng 100 - 150 MPa, các tính năng của bê tông được đánh giá ở trạng thái hỗn hợp bê tông và bê tông sau khi đóng rắn

Nghiên cứu ứng xử của tấm UHPC chịu tải trọng va đập được thực hiện với loại tải trọng va đập có vận tốc thấp (low velocity impact) Mô phỏng phần tử hữu hạn được xây dựng trong bài toán Explicit Dynamic của phần mềm ANSYS-AUTODYN

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nhằm thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu nêu trên, nội dung của luận án được tiến hành theo qui trình như thể hiện ở Hình 1.6 Chương trình thực nghiệm được đánh giá ở cấp độ vật liệu và ứng xử của kết cấu Ở cấp độ vật liệu, các thí nghiệm được thực hiện bao gồm: thí nghiệm nén một trục, thí nghiệm uốn dầm, thí nghiệm kéo trực tiếp nhằm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, cường độ chịu kéo khi uốn và tính toán năng lượng phá hủy của vật liệu Đánh giá ứng xử của tấm được thực hiện bằng 2 phương pháp là thực nghiệm và mô hình số Kết quả thu được nhằm đánh giá sự lan truyền ứng suất trong tấm, gia tốc, chuyển vị cũng như hình dạng phá hoại của tấm

khi chịu tải trọng va đập

8

Hình 1.6 Trình tự thực hiện nghiên cứu

Cấu trúc luận án

Luận án được chia thành các phần chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu Nội dung chương này đề cập về UHPC và những thách thức đang gặp phải Động lực nào cho nghiên cứu, mục tiêu và ý nghĩa khoa học của đề tài Chương 2: Tổng quan Kết quả của những nghiên cứu có trước về ứng xử của tấm chịu tải trọng va đập, cũng như xét đến ảnh hưởng của cốt liệu và sợi thép đến ứng xử của UHPC

Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày về hệ nguyên vật liệu, cấu trúc của bê tông và ứng xử của bê tông tính năng siêu cao (UHPC) khi chịu tải trọng va đập

Chương 4: Phát triển và tối ưu công thức cho vật liệu UHPC Chương này trình bày chương trình thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học và tối ưu thành phần cấp phối UHPC Đánh giá tính năng của bê tông ở trạng thái hỗn hợp bê tông và bê tông đã đóng rắn

Xác định cấp phối UHPC

Thí nghiệm các tính năng cơ học của UHPC

Thí nghiệm va đập của tấm UHPC

Tối ưu hóa thành phần

cấp phối UHPC

Cốt liệu Pha hồ

Mô phỏng phần tử hữu hạn tấm chịu tải trọng va đập

Phân tích kết quả

Đánh giá khả năng triển vọng ứng dụng vào thực tế

9

Chương 5: Khảo sát thực nghiệm kết cấu tấm UHPC chịu tải trọng va đập Nội dung chương này trình bày công tác chế tạo khung thí nghiệm và lắp đặt các thiết bị đo Từ các kết quả đo có thể đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tấm UHPC khi chịu lực

Chương 6: Mô phỏng số cho tấm UHPC chịu tải trọng va đập Mô hình số cho tấm được thực hiện bằng phần mềm ANSYS-AUTODYN Các thông số có được từ thí nghiệm ở Chương 4 được khai báo vào mô hình vật liệu của bê tông, từ đó đánh giá kết quả giữa mô hình mô phỏng và thực nghiệm

Chương 7: Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục

10

Bê tông tính năng siêu cao có những ưu điểm vượt trội hơn bê tông thường, có thể ứng dụng cho các kết cấu chuyên dụng hoặc các công trình chịu tải trọng đặc biệt Với các kết quả nghiên cứu có trước, có thể thấy rằng cốt liệu và sợi thép đóng vai trò quan trọng trong ứng xử của bê tông cốt sợi tính năng siêu cao Sử dụng UHPFRC sẽ giúp tăng độ bền và độ dẻo dai cho kết cấu, đặc biệt là các kết cấu chịu tải trọng đặc biệt Nội dung chương này trình bày các nghiên cứu của các tác giả trên thế giới đã thực hiện nhằm đánh giá ứng xử của vật liệu và cấu kiện được làm bằng UHPC khi chịu tác dụng của tải trọng va đập

Ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến tính năng UHPC

K.P Vishalakshi và cộng sự [14] nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu đến đặc trưng cơ học của bê tông thường và bê tông cường độ cao Cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm có “Grey Granite, Anorthosite, Charnockite, Limestone và Gneiss” Các loại đá trên khác nhau về thành phần khoáng vật, kết cấu bề mặt và cấu trúc tinh thể Kích thước cốt liệu khoảng từ 12 đến 20mm Kết quả cho thấy, với bê tông thường cường độ của các nhóm mẫu khi sử dụng các loại cốt liệu khác nhau thì giá trị không chênh lệch nhiều Tuy nhiên, với những nhóm mẫu bê tông cường độ cao, cốt liệu lại có sự ảnh hưởng rõ rệt Xu hướng này cũng được thể hiện tương tự khi thí nghiệm cường độ chịu kéo, uốn và năng lượng phá hủy

Ke-Ru Wu và các cộng sự [15] tiến hành thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của cốt liệu lớn đến cường độ chịu nén, kéo, mô đun đàn hồi và năng lượng phá hủy của bê tông Các nhóm cấp phối bê tông có cùng tỉ lệ nước – xi măng nhưng khác nhau về thành phần cốt liệu lớn gồm đá quartzite, granite, đá vôi và marble được chế tạo Hình 2.1 biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông và cường độ cốt liệu Theo đó, với những nhóm mẫu bê tông cùng cốt liệu từ đá Granite, với tỷ lệ N/X=0.44 thì cường độ

chịu nén của bê tông f’c=70.4MPa, trong khi đó với tỷ lệ N/X=0.26 thì cường độ chịu

nén của bê tông đạt f’c=99.1MPa và cũng là giá trị cao nhất của các nhóm mẫu Như vậy, với tỷ lệ hàm lượng N/X thấp thì cường độ bê tông tăng khi tăng cường độ của cốt liệu Tuy nhiên, sự ảnh hưởng này lại không rõ ràng đối với các mẫu chịu kéo Ảnh

11

hưởng của cốt liệu đến các tính năng cơ học của bê tông cũng được đề cập đến trong nhiều nghiên cứu khác [16], [17]

(a) Cường độ chịu nén (b) Cường độ chịu kéo

Hình 2.1 Mối quan hệ giữa cường độ của bê tông và cốt liệu [15]

Kim và cộng sự [18] nghiên cứu các đặc tính vật lý và cơ học của bê tông tính năng siêu cao khi có và không có cốt liệu lớn (Hình 2.2) Thực nghiệm cho thấy đối với UHPC có hạt cốt liệu nhỏ hơn 1.18mm, sợi thép và hạt cốt liệu không cản nhau quá nhiều, các hạt cốt liệu và sợi dễ dàng lăn trượt lên nhau, sự phân tán và định hướng của sợi thép trong bêtông đạt tối ưu Đối với UHPC có hạt cốt liệu lớn đến 8mm, sợi và các hạt cốt liệu lớn cản trở sự dịch chuyển của nhau làm cho sự phân tán và định hướng của sợi thép trong bêtông không đạt tối ưu, tính công tác của bêtông cốt sợi suy giảm mạnh theo lượng sợi gia cường và cường độ chịu kéo khi uốn cũng như tính dẻo dai thì kém hơn UHPC với thành phần cốt liệu nhỏ hơn 1.18mm Với hàm lượng sợi thép gia cường từ 1.0% đến 1.5% thể tích, cường độ nén của UHPC cũng gia tăng thêm so với khi chưa có sợi, nhưng độ tăng là không đáng kể (khoảng 5%)

Hình 2.2 Độ chảy và cường độ chịu nén của bêtông [18]

12

Ảnh hưởng của thành phần sợi thép đến ứng xử của UHPC

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm lượng sợi thép trong bê tông cốt sợi là một trong những yếu tố quyết định đến khả năng chịu lực của kết cấu Hassan và cộng sự [8] đã so sánh ứng xử chịu nén và chịu kéo dọc trục của 2 loại bê tông UHPC và UHPFRC Biến dạng của mẫu trong thí nghiệm kéo dọc trục của UHPFRC tối đa đạt được trong khoảng 1.5–3.0 ‰, trong khi đó giá trị này là khoảng 0.15–0.25 ‰ cho bê tông UHPC Bên cạnh đó, thành phần sợi thép lại ảnh hưởng không rõ rệt khi so sánh cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của hai loại bê tông này (Hình 2.3)

Hình 2.3 Cường độ chịu kéo ứng với tuổi bê tông [8]

Doo-Yeol Yoo và cộng sự [19] nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến tính chất cơ học của UHPFRC với 4 hàm lượng khác nhau là 1%, 2%, 3% và 4% với cùng cấp phối Các mẫu thử được bão dưỡng ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ đầu tiên, sau đó được dưỡng hộ ở nhiệt độ (90±2) độ trong 3 ngày tiếp theo Hình 2.4 mô tả sự ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi, theo đó với tỷ lệ 3% hàm lượng sợi cho khả năng chịu lực tối ưu nhất Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng sợi lên 4% thì cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi lại giảm

13

Hình 2.4 Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi [19]

Su Tae Kang và cộng sự [20] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự phân bố sợi thép đến khả năng chịu uốn của UHPFRC Chương trình thực nghiệm với các mẫu được chế tạo với hướng đổ song song và vuông góc với trục dọc cấu kiện như Hình 2.5a Khả năng chịu lực của dầm cũng như sự xuất hiện các vết nứt được ghi nhận nhằm đánh giá ứng xử của mẫu khi chịu uốn Bằng cách phân tích các mặt cắt theo các phương khác nhau, tác giả nhận thấy rằng sự phân bố sợi thép có liên quan đến hướng đổ của bê tông trong giai đoạn chế tạo mẫu Theo đó, khả năng chịu uốn của những mẫu có hướng đổ bê tông theo phương song song với trục dọc của cấu kiện tăng 61% so với những mẫu có hướng đổ bê tông theo phương vuông góc như thể hiện ở Hình 2.5b

a Hướng đổ bê tông b Biểu đồ lực - chuyển vị của TN uốn dầm

Hình 2.5 Ảnh hưởng của hướng đổ bê tông đến ứng xử của dầm chịu uốn [20]

14

Zemei Wu và cộng sự [21] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng và hình dạng sợi thép đến tính chất cơ học của bê tông cường độ cao Ba loại sợi thép khác nhau được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm sợi thẳng, sợi xoắn và sợi uốn cong ở 2 đầu Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ chảy của hỗn hợp bê tông bị ảnh hưởng bởi hình dạng sợi, cụ thể là độ chảy của 1%, 2%, 3% hàm lượng sợi thép dạng uốn móc lần lượt giảm 20.9%; 35.8% và 51.2% khi so sánh cùng cấp phối với mẫu sử dụng sợi thẳng Điều này có thể lý giải rằng sự biến dạng của sợi làm tăng ma sát giữa sợi thép và cốt liệu, từ đó tăng tính liên kết giữa chúng, dẫn đến giảm độ chảy của hỗn hợp bê tông Kết quả nghiên cứu còn cho thấy hàm lượng sợi và hình dáng sợi đều có ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ nén và ứng xử chịu uốn của vật liệu Sự ảnh hưởng của hình dạng sợi thép cũng được kiểm chứng cụ thể trong nghiên cứu khác của Doo-Yeol Yoo và cộng sự [22]

M.Orgass cùng cộng sự [23] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài sợi thép và kích cỡ cốt liệu đến tính năng cơ học của UHPFRC, hàm lượng sợi thép sử dụng trong nghiên cứu là 0%, 1% và 2% (Hình 2.6) Kết quả thí nghiệm cho thấy các nhóm mẫu bê tông RPC (Reactive powder concrete) vượt trội hơn các mẫu UHPC, cụ thể là ở cường độ chịu nén, nhóm mẫu C-UHPC có cỡ hạt cốt liệu đến 5mm cho giá trị cường độ chịu nén là 129MPa, giá trị này nhỏ hơn các mẫu C-RPC có cốt liệu hạt từ 0.3-0.8mm (đạt giá trị 154 MPa) ứng với mẫu có 2% sợi thép

Hình 2.6 Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị các nhóm mẫu [23]

15

Các mẫu dầm kích thước (100100500) mm với các hàm lượng sợi 0%, 1.0%, 2.0% được thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng chịu uốn của các mẫu với 2 loại sợi ngắn và dài như ở Hình 2.6 Việc tăng hàm lượng sợi thép dẫn đến việc làm tăng độ bền dẻo của bê tông, đặc biệt khả năng chịu lực tăng từ 34.6% đến 73.9% khi trộn 2 loại sợi thép vào bê tông với tỉ lệ 1.0% sợi ngắn và 1.0% sợi dài Việc trộn 2 loại sợi này cũng ảnh hưởng nhiều đến ứng xử sau nứt của dầm, giúp tăng độ dẻo dai cho cấu kiện

Việc nghiên cứu UHPC trong nước hiện nay cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm và thực hiện UHPC cũng đã được triển khai vào các dự án dân dụng và cầu đường, như việc sửa chữa mặt cầu Thăng Long năm 2020-2021 hoặc chế tạo các dầm cầu phân đốt căng sau [24] Trần và cộng sự [25], [26] đã đánh giá ảnh hưởng của sợi thép và sợi hỗn hợp đến tính năng của bê tông UHPC cốt liệu nhỏ tại Việt Nam Cát thạch anh sử dụng là 980kg/m3 và hàm lượng sợi lần lượt là 0.0%, 1.0%, 2.0% và 3.0% Kết quả cho thấy hàm lượng sợi ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp Cường độ chịu nén, kéo và uốn tăng tương ứng 23%, 87% và 157% khi tăng hàm lượng sợi từ 0% lên 3%

Với các kết quả nghiên cứu trên, có thể thấy rằng sợi thép đóng vai trò quan trọng trong ứng xử của bê tông UHPFRC, giúp cho loại bê tông này có thể sử dụng cho các cấu kiện chịu tải trọng đặc biệt như tải trọng va đập hoặc tải trọng nổ

Tấm chịu tải trọng va đập

S Elavenil và cộng sự [27] đã đánh giá ứng xử của tấm bê tông cốt sợi chịu tải trọng va đập, mục tiêu của bài báo là nghiên cứu mối liên quan giữa tải trọng với chuyển vị, vận tốc và gia tốc tấm 18 mẫu có kích thước (600600) mm được chế tạo và lắp đặt như Hình 2.7 với các chiều dày khác nhau 10mm, 25mm và 30mm, với 3 hàm lượng sợi thép là 0.5%, 0.75% và 1.0% Các cạnh của tấm được cố định ở tất cả các bên

Vật nặng làm bằng thép nặng 4.5kg được liên kết với sợi dây thép thẳng đứng để điều khiển cho vật nặng di chuyển lên xuống tác dụng vào tấm Chiều cao rơi của vật nặng là 750mm và được giữ cố định trong suốt quá trình thí nghiệm Kết quả cho thấy hàm lượng sợi thép ảnh hưởng không rõ ràng đến khả năng chịu lực với hàm lượng sợi nhỏ hơn 0.5% Khi hàm lượng sợi tăng 0.75% và 1.0% thì lúc này khả năng chịu lực tăng 60% Bên cạnh đó, khi càng tăng hàm lượng sợi thép thì vết nứt càng giảm, và bề rộng vết nứt của tấm bê tông cốt sợi nhỏ hơn rất nhiều so với tấm bê tông không có sợi

a Khung và mẫu thí nghiệm

Hình 2.9 Mô hình thí nghiệm [29]

Hình 2.10 Ảnh hưởng hình dạng vật nặng đến sự phá hoại của mẫu

Yu và cộng sự [30] đánh giá khả năng chịu tải va đập của con lắc tác động lên cấu kiện UHPFRC Kết quả nghiên cứu cho thấy chiều dài sợi thép đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu tán năng lượng của tấm Với tổng lượng sợi thép không đổi (2.0%), tỷ lệ sợi

18

ngắn dạng thẳng cao hơn sẽ làm giảm khả năng hấp thụ năng lượng của mẫu bê tông Ngoài ra, so với việc sử dụng 1 loại sợi thì việc sử dụng hỗn hợp sợi ngắn và dài hoặc sợi móc 2 đầu sẽ cho kết quả tốt hơn

Jin- Young Lee cùng cộng sự [31] tiến hành nghiên cứu thử nghiệm va đập của tấm 2 phương với bê tông có cường độ từ 25 MPa đến 180 MPa, trong đó sử dụng 2 loại sợi thép là sợi thẳng và sợi uốn móc 2 đầu Thí nghiệm được tiến hành với vật nặng được thả rơi từ độ cao nhất định xuống tấm bê tông Tấm thí nghiệm có kích thước (16001600105) mm Sau khi chịu tải trọng va đập, nếu so sánh trong cùng loại bê tông cường độ cao (180 MPa) thì mẫu không có sợi (UHPC-180-F0.0) bị phá hoại nhanh hơn, tương ứng với lần đập thứ 2, mẫu bị phá hoại theo hình dạng chọc thủng, trong khi đó các mẫu có sợi (UHPC-180-F2.0) chỉ bị nứt trên bề mặt và bị phá hoại ở lần đập thứ 11 của vật nặng (Hình 2.11) Bên cạnh đó, sự có mặt của sợi thép cũng giúp giảm độ võng và giảm rung cho tấm

a Tấm UHPC-180-F0.0 b Tấm UHPC-180-F2.0

Hình 2.11 Phá hoại của mẫu [31]

Mô hình số của tải trọng va đập

Bên cạnh việc đánh giá ứng xử của tấm bằng phương pháp thực nghiệm, các mô hình số cho kết cấu chịu tải trọng va đập đã được thiết lập bằng các phần mềm như ANSYS, ABAQUS hoặc LS-DYNA

19

Mô hình vật liệu RHT được Riedel và cộng sự [32]–[34] phát triển và đưa vào phân tích mô hình số trong ANSYS-AUTODYN vào những năm 2000 Đây là mô hình chảy dẻo cho vật liệu giòn, được sử dụng để phân tích mô phỏng số cho kết cấu chịu tải trọng va đập

Tu và Lu [35] đã đánh giá ứng xử của kết cấu khi chịu tải trọng nổ với mô hình vật liệu RHT Kết quả mô phỏng đã chỉ ra được rằng các vết nứt của thử nghiệm không hợp lý khi sử dụng các tham số mặc định, trên bề mặt chỉ có hiện diện một số vết nứt lớn Trong khi đó, việc sử dụng mô hình với các thông số đã được hiệu chỉnh cho kết quả được cải thiện rõ rệt hơn như thể hiện ở Hình 2.12 Có thể thấy rằng, giá trị mặc định không thể mô phỏng ứng xử thực tế của bê tông nên các thông số của mô hình vật liệu cần phải được hiệu chỉnh lại trong các điều kiện tải trọng khác nhau [36]

a Thông số mặc định b Thông số hiệu chỉnh Hình 2.12 Hình dạng phá hoại được mô hình trong AUTODYN với RHT

Heckoter và Siever [37] cũng đã tiến hành so sánh việc triển khai mô hình vật liệu RHT cho bê tông trong phân tích bằng phần mềm LS-DYNA và ANSYS-AUTODYN Sự phá hoại trên các mặt cắt của sàn được ghi nhận trong cả mô hình và thực nghiệm như ở Hình 2.13 Kết quả cho thấy ứng xử của kết cấu khi mô phỏng phụ thuộc vào kích thước chia lưới và các đặc tính của vật liệu khi chịu kéo