bài giảng nghiên cứu áp dụng bê tông siêu tính năng gia cố cốt sợi thép vào các công trình giao thông

• Hiện nay, có nhiều định nghĩa khác nhau về vật liệu bê tông siêu tính nănggia cố cốt sợi Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete –UHPFRC.• Theo ACI Committee of American Concr

Trang 1

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG BÊ TÔNG SIÊU TÍNH NĂNG GIA CỐ CỐT SỢI THÉP VÀO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

PGS.TS Ngô Trí Thường

Bộ môn Công trình Giao thông, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi

Hà Nội, tháng 01 năm 2024

Trang 2

PGS.TS Ngô Trí Thường – Email: trithuong@tlu.edu.vn

Đặt vấn đề!

Trang 3

• Hiện nay, có nhiều định nghĩa khác nhau về vật liệu bê tông siêu tính nănggia cố cốt sợi (Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete –UHPFRC).

• Theo ACI (Committee of American Concrete Institue), Ủy ban Viện bê tôngHòa Kỳ, bê tông siêu tính năng là lớp bê tông gốc xi măng có cường độchịu nén ≥ 150 MPa; ngoài ra cốt sợi thường được trộn vào nhằm tăng độbền kéo, khả năng hấp thụ năng lượng [1].

• Theo FHWA (Federal Highway Administration – FHWA), Cục quản lýđường cao tốc liên bang Mỹ, UHPFRC là vật liệu composite gốc xi măngbao gồm các vật liệu dạng hạt mịn với đường cong cấp phối tối ưu, được giacường bởi các sợi thép siêu nhỏ rời rạc có cường độ rất cao và tỷ lệnước/ximăng (N/X) rất nhỏ (N/X < 0,25).

Định nghĩa về UHPFRCs

Trang 4

Advanced Cement Composite Laboratory

• Tính chất cơ lý của UHPFRCs

Strain up to peak stress (%)Displacement (mm)

pc > 0.5

pc > 10

Compressive strain (%)

c> 0.003f’c >150

Đường cong ứng suất –biến dạng nén of UHPFRCCs

Tính chất kéo, nén của UHPFRC

Trang 5

• Tính chất cơ lý của UHPFRCs

Trang 7

 Tối ưu hóa cấp phối hạt để cải thiện độ đồng nhất và đạt được hỗn hợp siêu độ đặc chắc. Tỷ lệ N/X cực thấp, do đó giảm được tỷ lệ lỗ rỗng và mao mạch, kích thước lỗ rỗng, các

vấn đề hư hỏng của bê tông, ví dụ: cacbonat hóa, cải thiện khả năng chống thấm và dẫn tớiđộ bền và cường độ cao.

 Các cốt sợi siêu nhỏ cường độ cao được trộn vào để tăng cường độ độ bền kéo, tăng khả

năng chống va đập và mài mòn.

 Được bảo dưỡng trong điều kiện đặc biệt (nhiệt độ và độ ẩm cao) ngay sau khi chế tạo

giúp tăng tốc độ co ngót khô và ướt, cải thiện các đặc tính tổng thể của vật liệu, dẫn tới sựổn định về thể tích, độ rão nhỏ và độ co ngót không đáng kể.

Trang 8

Advanced Cement Composite LaboratoryPGS.TS Ngô Trí Thường – Email: trithuong@tlu.edu.vn 8

Không khí: 2%Nước: 18 %Muội silic: 10%

Phụ gia: 1%Xi măng 28%

Cốt sợi: 3%Cát silic 2: 9%Cát silic 1: 22%

Pha vữa

64% Bột khoáng: 8%

Pha hạt 76%Pha vữa 24%

Không khí: 2%Nước: 13%

Đá dăm: 65%Xi măng: 9%

Cát: 22%

Bê tông siêu tính năng (UHP-FRC)w/c= 0.19; 290 MPa

Trang 9

Nguyên lý chế tạo

•Kích thước hạt của từng vật liệu thành phần và một các tính chất cơ bản:

Trang 10

Lịch sử phát triển UHPFRCs

•Rất khó để thống kê một cách đầy đủ, rõ ràng về lịch sử hình thành, sự phát triển của vật liệu

UHPFRC Tuy nhiên, theo Naaman và Wille [24], có thể liệt kê lại quá trình hình thành, phát

triển của vật liệu UHPFRC thông qua sự hình thành của bốn vật liệu thành phần chính củahỗn hợp và sự kết hợp giữa các yếu tố này: vữa xi măng, cốt sợi, lực dính giữa vữa xi măngvà cốt sợi và sản phẩm UHPFRC.

•Mục đích chung của các nhà nghiên cứu là làm sao tăng được cường độ chịu nén của bê tông.•Từ những năm 1970, hỗn hợp bê tông với cường độ siêu cao, đến 510 MPa, được báo cáo từ

việc chuẩn bị mẫu trong điều kiện đặc biệt về chân không, nhiệt độ và áp suất bảo dưỡngmẫu Vào những năm 1980, Bache và cộng sự đã công bố vật liệu UHPFRC gia cố cốt sợi vàsử dụng tỷ lệ N/X rất thấp, có cường độ > 200 MPa, không cần điều kiện đặc biệt về nhiệt độvà chân không, được gọi tên là “micro-defect-free cement”.

•Tuy nhiên, những loại bê tông này không dễ để đưa vào ứng dụng do các điều kiện khắt khevề chế tạo và bảo dưỡng.

Trang 11

Vữa (paste); trộn chân không; độrỗng thấp; mẫu thí nghiệm nhỏ.

1972510Roy et al.(US)

Vữa; áp suất cao và nhiệt độ bảodưỡng cao; mẫu thí nghiệm nhỏ.1981200Birchall et al (UK)MDF (Micro-Defect-Free) Vữa; bổ sung polymer; Cường độ

uốn lên đến 150 Mpa.1981-

120 - 250Bache; Hjorth (Denmark)

DENSIT; COMPRESSIT Vữa và bê tông; Điều kiện bảo dưỡngthông thường; sử dụng muội silic siêumịn.

120 - 250Bache; Young; Jennings; Aitcin

(Denmark; US;Canada)

DSP (Densified Small Particles)

Tăng cường độ đặc chắc; ử dụngmicrosilica; sử dụng phụ gia siêu dẻo;

1980’sLên đến 120Nhiều tác giả trên ở nhiều nước khác

High Strength Concrete; High Performance

Concrete(HSC; HPC)

Bê tông với phụ gia đặc biệt và cốtliệu, ứng dụng vào kết cấu; sử dụngchất siêu dẻo; bảo dưỡng bìnhthường; độ bền tốt hơn.

Trang 12

1987Khoảng mở Naaman (US)HPFRCC

(High Performance FiberReinforced Cement Composites)

Vữa và bê tông gia cố cốt sợi cókhả năng tăng cường độ chịu kéosau vết nứt đầu tiên (strain-hardening).

1991Khoảng mở Reinhardt and

Naaman (Germany, US)

(First International Workshop)

Hướng tới giảm hàm lượng cốt sợimà vẫn tăng được tính năng

1992Khoảng mở Li and Wu (US)ECC (Engineered

Cementitious Composites)

Chủ yếu là vữa với sợi tổng hợp;khả năng tăng cường độ chịu kéosau vết nứt đầu tiên (strain-hardening in tension)

1994Khoảng 150 De Larrard (France) Ultra-High Performance Concrete

Tối ưu hóa vật liệu với độ đặc chắccao và cốt liệu siêu mịn

Trang 13

1998 và sau đó

Lên đến 200 Lafarge; (Chanvilliard;Rigaud; Behloul) France

DUCTALBảo dưỡng 90oC trong 3 ngày; Hàmlượng fiber lên đến 6% (Đã đượcthương mại hóa)

2000 và sau đó

Lên đến 200 Rossi et al LCPC(France)

Lên đến 200 Many researchers worldwide

(Ulm, Graybeal, Rossi)

UHPC and UHP-FRCNhiều công thức hỗn hợp liên quanđến DUCTAL

2005Lên đến 140 Karihaloo (UK)CARDIFRCTối ưu hóa cấp phối hạt và quá trìnhtrộn vữa

2005Lên đến 200 Jungwirth (Switzerland)

CERACEMCông thức tương tự DUCTAL, cốtsợi lớn hơn, cốt liệu to hơn

2004Khoảng mở>150

Fehling & Schmidt (Germany)

Hội nghị quốc tế lần thứ 1 về UHPC

Nhiều công thức liên quan đếnDUCTAL có và không có bảo dưỡngnhiệt; Có và không có cốt sợi

Trang 14

Lịch sử phát triển UHPFRCs

•2005.Khoảng mở Schmidt et al (Germany)

Tòa nhà bền vững với UHPC

German DFG funded broaderinitiative (2005-2012)

2008Khoảng mở>150

Nhiều công thức liên quan đếnDUCTAL có và không có bảodưỡng nhiệt; Có và không có cốtsợi

2011>150Accorsi & Meyer (US)

Hội thảo UHPFRCHội thảo đầu tiên tại Mỹ2011Lên đến 290 Wille & Naaman

UHP-FRCKhông bảo dưỡng nhiệt; Tối ưuhỗn hơp; ghi nhận phương phápthí nghiệm kéo trực tiếp;

Cuộc họp đầu tiên: 10/20112012Giao động

lớn: >150

Trang 15

Tỷ lệ cát A/B 20/8030/7030/70100/020/8030/7030/70100/0 100/0Cốt sợi 0.000.000.000.000.15/0.250.220.18-0.27 0.22-0.31 0.71

Trang 16

Các loại cốt sợi sử dụng cho UHPFRCs

•aHàm lượng chất rắn;bKích thước hạt tối đa 0,2mm (1/128 in.);cKích thước hạt tối đa0,8mm (1/32 in.);

•dKhông rung, không cắt phẳng bể mặt; e twisted (T) fiber; f straight (S) fiber; g Ngay tạivết nứt đầu tiên theo sau là sự phá hủy ngay lâp tức

Trang 17

Trang 18

Tính chất cơ học UHPFRCs

Cường độ chịu nén

Phương pháp thí nghiệm

Cường độ

Cường độ chịu kéo

Cường độ

Cường độ chịu uốn

Cường độ

Cường độ chịu cắt

Cường độ

Chống ăn mòn

Trang 19

• Áp dụng cho các công trình chịu tác động của tải trọng cực đoan như: va đập, nổ Ví dụ: Tường bê tông chịu tác dụng của đạn bắn, phá nổ; Công trình chịu tác dụng động đất…

Trang 20

 Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của cốt sợi đến tốc độ phát triển vết nứt trong UHPFRCs. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ gia tải đến tốc độ phát

triển vết nứt, làm tiền đề cho việc nghiên cứu, thiết kế kết cấu sử dụng vật liệu UHPFRCs chịu tải trọng cực đoan như va đập, nổ.

Mục đích nghiên cứu

Trang 21

• Thành phần cốt liệu của UHPFRCs (Park et al 2008)

Chương trình thí nghiệm

Xi măng(Cement)

Muội silic (Silica

Cát quartz(Silica

Bột khoáng (Silica powder)

Phụ gia siêu dẻo (Super-plasticizer)

CementSuper-plasticizerClass powder

Silica fumeMetakaolinSilica sand

Trang 22

• Thành phần cốt liệu của UHPFRCs (Park et al 2008)

Đường kính(mm)

Chiều dài(mm)

Cường độ kéo(MPa)

Mô đun đàn hồi(GPa)

Trang 23

• Quy trình trộn bê tông

Muội Silic + Cát quartz

Xi măng (Loại I)+ Bột khoáng

Nước + Phụ gia siêu dẻo

Cốt sợi thép

Thay đổi tốc độ vòng quay của máy trộn

Trang 24

• Mẫu thí nghiệm

Trang 25

• Thí nghiệm uốn 3 điểm, tải trọng tĩnh

Trang 26

• Thí nghiệm uốn 3 điểm, tải trọng động

Trang 27

• Quá trình phát triển vết nứt (High speed camera)

Trang 28

• Tính toán tốc độ phát triển vết nứt theo DIC

Trang 29

• Tính toán tốc độ phát triển vết nứt theo EDAs

Trang 30

• Kết quả

Chương trình thí nghiệmLoạt thí nghiệmSố hiệu mẫuTốc độ gia tảiTốc độ vết nứt, n,

Tốc độ vếtnứt, n,

Trang 31

• Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, có thể sử dụng phương pháp

DIC và EDA kết hợp với hệ thống camera tốc độ cao để xác định tốc độ phát triển vết nứt trong mẫu bê tông UHPFRCs, mặc dù phương pháp DIC cho thấy hiệu quả và chính xác hơn Một số kết luận có thể được rút ra từ kết quả thí nghiệm như sau:

– Tốc độ phát triển vết nứt trong mẫu UHPFRCs tăng khi tốc độ gia tải tăng.

– Cốt sợi có tác dụng đáng kể trong việc hạn chế tốc độ phát triển vết nứt trong mẫu UHPFRCs Những tính chất này hứa hẹn việc áp dụng vật liệu UHPFRCs vào công trình thực tế, chịu tải trọng động như động đất, va chạm, phá nổ…v.v.

Kết luận

Trang 32

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN

Trang 33

BÊ TÔNG THÔNG MINHSMART CONCRETE

PGS.TS Ngô Trí Thường

Bộ môn Công trình Giao thông, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi

Hà Nội, tháng 01 năm 2024

Trang 34

Bê tông tự làm sạch

•.

Trang 35

Bê tông tự làm sạch

•.

Trang 36

Bê tông tự chữa lành

•.

Trang 37

•.

Trang 38

Bê tông tự cảm biến

•.

Trang 39

•.

Trang 40

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN

Trang 41

HỌC PHẦN: XÂY DỰNG NỀN MẶT ĐƯỜNG

TRANSPORTATION ENGINEERING DIVISION

Trang 42

3 THI CÔNG VÀ NGHIỆM THU MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA NÓNG

(Hot Mix Asphalt Concrete Pavement)TCVN 8819: 2011

Trang 43

+ Mặt đường BTN nóng (bao gồm 1 lớp hoặc 1 số lớp có chiều dàyquy định) được chế tạo từ hỗn hợp bê tông nhựa nóng.

+ Hỗn hợp BTN nóng: Hỗn hợp bao gồm các cốt liệu (đá dăm, cát,bột khoáng) có tỷ lệ phối trộn xác định, được sấy nóng và trộn đềuvới nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỷ lệ xác định quathiết kế Hỗn hợp bê tông nhựa nóng được chế tạo tại trạm trộn.

3 Thi công nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa (BTN) nóng

4.1 Khái niệm và phân loại.

Trang 44

Phân loại BTN:

+ Theo độ rỗng dư:

Bê tông nhựa chặt (viết tắt là BTNC): có độ rỗng dư từ 3% đến 6%,Trong thành phần hỗn hợp bắt buộc phải có bột khoáng;

Bê tông nhựa rỗng (viết tắt là BTNR): có độ rỗng dư từ 7% đến 12%

Trang 45

+Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định của BTN chặt, được phân ra 4loại:

 BTNC 9,5; BTNC 12,5;BTNC 19; BTNC 4,75.

+ Giới hạn về thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu (thí nghiệm theoTCVN 7572-2: 2006) và phạm vi áp dụng của các loại BTNC quyđịnh tại Bảng 1

Trang 46

+ Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định với bê tông nhựa rỗng, đượcphân thành 3 loại:

BTNR 19;BTNR 25;BTNR 37,5.

Giới hạn về thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu (thí nghiệm theoTCVN 7572-2: 2006) và phạm vi áp dụng của các loại BTNR quyđịnh tại Bảng 2.

Trang 47

+ Cấp phối hỗn hợp BTN phải nằm trong giới hạn quy định tại Bảng1 và Bảng 2 Mục 4.1.

+ Hỗn hợp BTN với hàm lượng nhựa tối ưu được thiết kế theophương pháp Marshall phải thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật.

+ Chỉ tiêu kỹ thuật của BTNC theo Bảng 3+ Chỉ tiêu kỹ thuật của BTNR theo Bảng 4.

4.2 Yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp BTN.

Trang 48

4.3 Yêu cầu vật liệu của hỗn hợp BTN.

Trang 49

4.3.2 Cát

+ Cát dùng để chế tạo bê tông nhựa là cát thiên nhiên, cát xay, hoặchỗn hợp cát thiên nhiên và cát xa

+ Cát thiên nhiên không được lẫn tạp chất hữu cơ (gỗ, than ).

+ Cát xay phải được nghiền từ đá có cường độ nén không nhỏ hơncường độ nén của đá dùng để sản xuất ra đá dăm.

+ Cát sử dụng cho BTNC 4,75 phải có hàm lượng nằm giữa hai cỡsàng 4,75 mm-1,18 mm không dưới 18 %.

+ Các chỉ tiêu cơ lý của cát phải thoả mãn các yêu cầu quy định tạiBảng 6.

Trang 50

4.3.3 Bột khoáng

+ Bột khoáng là sản phẩm được nghiền từ đá các bô nát ( đá vôi canxit, đolomit ), có cường độ nén của đá gốc lớn hơn 20 MPa, từ xỉbazơ của lò luyện kim hoặc là xi măng.

+ Đá các bô nát dùng sản xuất bột khoáng phải sạch, không lẫn cáctạp chất hữu cơ, hàm lượng chung bụi bùn sét không quá 5%.

+ Bột khoáng phải khô, tơi, không được vón hòn.

+ Các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng phải thoả mãn các yêu cầu quyđịnh tại Bảng 7.

Trang 51

Phối hợp các công việc trong quá trình thi công

+ Phải đảm bảo nhịp nhàng hoạt động của dây chuyền: trạm trộn, vậnchuyển, rải, lu lèn.

+ Bố trí trạm trộn có khoảng cách hợp lý.

+ Nhiệt độ quy định đối với từng giai đoạn tại Bảng 9.Điều kiện thi công

+ Đảm bảo điều kiện nhiệt độ.

+ Đảm bảo thời gian thi công phù hợp.

4.5 Thi công lớp BTN.

Trang 52

Yêu cầu về đoạn rải thử:

+ Trước khi thi công đại trà hoặc khi sử dụng một loại bê tông nhựakhác, phải tiến hành thi công thử một đoạn rải thử.

+ Kết quả rải thử là cơ sở để chấp thuận thi công đại trà về:Công thức chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa (theo 6.3.3);Phương án và công nghệ thi công

+ Nếu đoạn thi công thử chưa đạt được chất lượng yêu cầu thì phảilàm một đoạn thử khác.

4.5 Thi công lớp BTN.