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 năng gia cố cốt sợi (Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete – UHPFRC).

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

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

3

Định nghĩa về UHPFRCs

Trang 4

Advanced Cement Composite Laboratory

• Tính chất cơ lý của UHPFRCs

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.50

2 4 6 8 10 12 14

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

Compressive strain (%)



c > 0.003 f’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 tới

độ 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 sự

ổn 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

Nguyên lý chế tạo

• Tỷ lệ phần vữa (paste phase) của vật liệu UHPC cao gấp 2,5 lần so với NC, trong khi đó

tỷ lệ phần hạt lại nhỏ hơn đáng kể để cơ bản lấp đầy lỗ trống còn lại:

Bê tông thường (NC) w/c= 0.45; 30 MPa

Pha hạt 34%

Không khí: 2%

Nước: 18 % Muội silic: 10%

Pha hạt 76%

Pha vữa 24%

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 của hỗn hợp và sự kết hợp giữa các yếu tố này: vữa xi măng, cốt sợi, lực dính giữa vữa xi măng

và 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 dưỡng mẫu Vào những năm 1980, Bache và cộng sự đã công bố vật liệu UHPFRC gia cố cốt sợi và

sử dụng tỷ lệ N/X rất thấp, có cường độ > 200 MPa, không cần điều kiện đặc biệt về nhiệt độ

và 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 khe

về chế tạo và bảo dưỡng.

Trang 11

1981 200 Birchall et al (UK) MDF (Micro-Defect-Free) Vữa; bổ sung polymer; Cường độ

uốn lên đến 150 Mpa.

1981-1983

120 - 250 Bache; Hjorth

(Denmark)

DENSIT; COMPRESSIT Vữa và bê tông; Điều kiện bảo dưỡng

thông thường; sử dụng muội silic siêu mịn.

1980’

all

120 - 250 Bache; Young;

Jennings; Aitcin (Denmark; US;

Canada)

DSP (Densified Small

Particles)

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

1980’s Lên đến 120 Nhiều tác giả trên ở

nhiều nước khác

nhau

High Strength Concrete;

High Performance Concrete (HSC; HPC)

Bê tông với phụ gia đặc biệt và cốt liệu, ứng dụng vào kết cấu; sử dụng chất siêu dẻo; bảo dưỡng bình thường; độ bền tốt hơn.

Trang 12

• .

Năm f’c [MPa] Nguồn Tên Điều kiện đặc biệt

1987 Lên đến 140 Bache (Denmark) CRC (Compact

Reinforced Concrete)

Bê tông với hàm lượng cốt sợi cao

sử dụng với cốt thép gia cường thông thường.

1987 Khoảng mở Naaman (US) HPFRCC

(High Performance Fiber Reinforced Cement Composites)

Vữa và bê tông gia cố cốt sợi có khả năng tăng cường độ chịu kéo sau vết nứt đầu tiên (strain- hardening).

1991 Khoảng mở Reinhardt and

Naaman (Germany, US)

HPFRCC (First International Workshop)

Hướng tới giảm hàm lượng cốt sợi

mà vẫn tăng được tính năng

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

Cementitious Composites)

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

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

Concrete (UHPC)

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

Trang 13

• Năm. f’c [MPa] Nguồn Tên Điều kiện đặc biệt

1995 Lên đến 800 Richard & Cheyrezy RPC (Reactive Powder

Concrete)

Vữa và bê tông; Bảo dưỡng với nhiệt

độ và áp suất; Khả năng đặc chắc của cốt liệu.

DUCTAL Bảo dưỡng 90 o C trong 3 ngày; Hàm

lượng fiber lên đến 6% (Đã được thương mại hóa)

UHPC and UHP-FRC Nhiều công thức hỗn hợp liên quan

CERACEM Công thức tương tự DUCTAL, cốt

sợi lớn hơn, cốt liệu to hơn

Trang 14

• 2005 Khoảng mở Schmidt et al

(Germany)

Tòa nhà bền vững với UHPC

German DFG funded broader initiative (2005-2012)

2008 Khoảng mở

>150

Fehling &

Schmidt (Germany)

Hội nghị quốc tế lần thứ

2 về UHPC

Nhiều công thức liên quan đến DUCTAL có và không có bảo dưỡng nhiệt; Có và không có cốt sợi

2011 >150 Accorsi & Meyer

(US)

Hội thảo UHPFRC Hội thảo đầu tiên tại Mỹ

2011 Lên đến 290 Wille & Naaman

(US-Germany)

UHP-FRC Không bảo dưỡng nhiệt; Tối ưu

hỗn hơp; ghi nhận phương pháp thí nghiệm kéo trực tiếp;

Hội nghị quốc tế lần thứ

3 về UHPC

Trang 15

Tỷ lệ cát A/B 20/80 30/70 30/70 100/0 20/80 30/70 30/70 100/0 100/0 Cốt sợi 0.00 0.00 0.00 0.00 0.15/0.25 0.22 0.18-0.27 0.22-0.31 0.71

Trang 16

Các loại cốt sợi sử dụng cho UHPFRCs

• a Hàm lượng chất rắn; b Kích thước hạt tối đa 0,2mm (1/128 in.); c Kích thước hạt tối đa 0,8mm (1/32 in.);

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

Trang 17

Trang 18

Phương pháp thí nghiệm

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…

19

Định nghĩa về UHPFRCs

Cần phải hiểu rõ tĩnh chất cơ học của vật liệu UHPFRCs, đặc biệt là cơ

chế phát triển vết nứt, quyết định đến cơ chế phá hủy của UHPFRCs?

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.

20

Mục đích nghiên cứu

Trang 21

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

Cát quartz (Silica sand)

Bột khoáng (Silica powder)

Phụ gia siêu dẻo ( Super -plasticizer)

Nước (Water)

Cement Super-plasticizer Class powder

Silica fume Metakaolin Silica sand

Trang 22

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

Chiều dài (mm)

Trọng lượng (g/cc)

Cường độ kéo (MPa)

Mô đun đàn hồi

(GPa)

Trang 23

• Quy trình trộn bê tông

Bột khoáng

Nước + Phụ gia siêu dẻo

Cốt sợi thép

Thay đổi tốc độ vòng quay của máy trộn

Trang 24

• Mẫu thí nghiệm

24

Chương trình thí nghiệm

Trang 25

• Thí nghiệm uốn 3 điểm, tải trọng tĩnh

25

Trang 26

• Thí nghiệm uốn 3 điểm, tải trọng động

26

Trang 27

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

27

Trang 28

• Tính toán tốc độ phát triển vết nứt theo DIC

28

Trang 29

• Tính toán tốc độ phát triển vết nứt theo EDAs

29

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.

31

Kết luận

Trang 32

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN

Trang 33

BÊ TÔNG THÔNG MINH

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

Trang 46

Trang 47

+ Cấp phối hỗn hợp BTN phải nằm trong giới hạn quy định tại Bảng

1 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

Trang 53

Chuẩn bị mặt bằng

+ Phải làm sạch bề mặt trước khi rải

+ Nếu là mặt đường cũ thì phải sửa chữa chỗ lồi lõm, vá ổ gà, bùvênh mặt

+ Bề mặt chuẩn bị phải bảo đảm cao độ, độ bằng phẳng, độ dốcngang, độ dốc dọc với các sai số nằm trong phạm vi cho phép mà cáctiêu chuẩn kỹ thuật tương ứng đã quy định

Trang 54

Chuẩn bị mặt bằng

+ Tưới vật liệu thấm bám hoặc dính bám: trước khi rải bê tông

nhựa phải tưới vật liệu thấm bám hoặc dính bám

+ Phải sử dụng máy chuyên dụng để tưới nhựa thấm hoặc dính bám +Chỉ được tưới dính bám hoặc thấm bám khi bề mặt đã được chuẩn bịđầy đủ theo quy định tại 8.4.1, 8.4.2 và 8.4.3

+ Phải định vị trí và cao độ và phạm vi rải chính xác trước khi tiếnhành rải BTN

Định dạng
Số trang	61
Dung lượng	1,62 MB