luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao uhpc trong điều kiện việt nam

Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm UHPC DƯL sử dụng vật liệu sẵn có trong nước, phục vụ ứng dụng cho kết cấu nhịp cầu tại Việt Nam.. Mục tiêu

Ngô Quý Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố

ở bất kỳ nơi nào

Tác giả luận án

Ngô Quý Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại

học trước đây và nay là Phòng Quản lý đào tạo Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội nơi

em học tập, đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm

– Đại học Huế nơi em đang công tác đã tạo điều kiện để em hoàn thành tốt luận án Tiến

sỹ này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Bình Hà, TS Lê Bá

Danh đã hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời

gian em thực hiện và hoàn thành luận án

Em xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Cầu Đường, tập thể cán bộ Bộ môn Cầu và

Công trình ngầm, Bộ môn Vật Liệu xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã tận

tình giúp đỡ, dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp những ý kiến quý báu trong quá

trình em thực hiện luận án

Em xin gửi lời cảm ơn đến chương trình nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp

Bộ: “Nghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao trong xây dựng cầu quy mô nhỏ

và trung bình” do PGS.TS Phạm Duy Hòa làm chủ nhiệm đã tạo điều kiện cho em tham

gia chương trình và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học, các chuyên

gia đã dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp những ý kiến quý báu cho luận án trong

quá trình thực hiện

Cuối cùng, em xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia đình

đã hết sức giúp em có hậu phương vững chắc, tạo điều kiện thuận lợi, khích lệ và động

viên tinh thần để em hoàn thành luận án Tiến sỹ này

Tác giả luận án

Ngô Quý Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC HÌNH VI DANH MỤC CÁC BẢNG IX DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT X

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO CHO KẾT CẤU NHỊP CẦU 7

1.1 Tổng quan về vật liệu UHPC 7

1.1.1 Khái niệm vật liệu UHPC 7

1.1.2 Các nguyên tắc chế tạo và ưu, nhược điểm của UHPC 7

1.1.3 Sự hình thành và phát triển của vật liệu UHPC 8

1.1.4 Thành phần vật liệu chế tạo UHPC 10

1.2 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu UHPC trên thế giới 12

1.3 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu UHPC ở Việt Nam 13

1.4 Tổng quan về ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng công trình cầu trên thế giới và ở Việt Nam 15

1.4.1 Ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng cầu trên thế giới 15

1.4.2 Tổng quan về ứng dụng vật liệu UHPC cho công trình cầu tại Việt Nam 20

1.5 Tổng quan nghiên cứu phương pháp xác định sức kháng uốn dầm UHPC 23

1.6 Tổng quan nghiên cứu các dạng đường quan hệ ứng suất – biến dạng áp dụng cho thiết kế uốn dầm UHPC 32

1.6.1 Hiệp hội kỹ sư dân dụng Nhật Bản (JSCE) 32

1.6.2 Hướng dẫn thiết kế K-UHPC của Hàn Quốc 33

1.6.3 Hiệp hội đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) 34

1.6.4 Chỉ dẫn thiết kế dầm UHPC DƯL của Ductal 35

1.6.5 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu UHPC của Hiệp hội xây dựng Pháp 36

1.7 Nghiên cứu phương pháp phân tích ứng xử dầm UHPC bằng mô hình số 42

1.8 Nhận xét rút ra từ nghiên cứu tổng quan và đề xuất nghiên cứu 43

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46

2.1 Nghiên cứu thực nghiệm 46

2.2 Cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu UHPC tại Việt Nam 50

2.2.1 Đường quan hệ ứng suất - biến dạng nén 51

2.2.2 Đường quan hệ ứng suất - biến dạng kéo 52

2.3 Cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL 57

2.3.1 Các giả thiết tính toán 57

2.3.2 Phương pháp xây dựng biểu đồ ứng suất khối chữ nhật tương đương trên tiết diện ngang và lập công thức xác định sức kháng uốn 58

2.4 Phương pháp mô hình số PTHH mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL 59 2.4.1 Mô hình hóa vật liệu UHPC 60

2.4.2 Mô hình hóa vật liệu cốt thép dự ứng lực 65

2.4.3 Phần tử sử dụng để mô hình hóa kết cấu UHPC 65

2.4.4 Phần tử sử dụng để mô hình hóa cốt thép dự ứng lực 66

2.4.5 Phần tử sử dụng để mô hình hóa liên kết giữa cốt thép dự ứng lực và UHPC 66

2.4.6 Mô hình hóa lực dự ứng lực 67

2.4.7 Thu thập kết quả từ mô hình số 67

2.5 Nhận xét Chương 2 67

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG ĐƯỜNG QUAN HỆ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN DẦM CẦU UHPC DƯL 69

3.1 Xử lý số liệu thí nghiệm uốn để xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng 69

3.2 Xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng UHPC phục vụ thiết kế 73

3.2.1 Quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC 73

3.2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC 74

3.3 Xác định sức kháng uốn dầm UHPC DƯL bằng phương pháp phân tích mặt cắt 76

3.3.1 Sức kháng uốn dầm UHPC DƯL tiết diện chữ I 76

3.3.2 Sức kháng uốn dầm UHPC DƯL tiết diện chữ T 80

3.4 Xây dựng công thức xác định vị trí trục trung hoà và sức kháng uốn danh

định của dầm UHPC DƯL 85

3.5 Nhận xét Chương 3 92

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH SỐ KẾT CẤU UHPC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 93

4.1 Kết quả mô hình số mẫu hình trụ thí nghiệm nén vật liệu UHPC 94

4.2 Kết quả mô hình số mẫu dầm thí nghiệm uốn vật liệu UHPC 96

4.3 Mô hình mẫu dầm UHPC DƯL tiết diện chữ I 99

4.3.1 Mô hình kết cấu dầm I – UHPC DƯL 99

4.3.2 Kết quả dầm sau khi cắt cáp dự ứng lực 100

4.3.3 Kết quả dầm khi gia tải thí nghiệm 101

4.4 Mô hình mẫu dầm UHPC DƯL tiết diện chữ T 104

4.4.1 Kết quả dầm sau khi cắt cáp dự ứng lực 105

4.4.2 Kết quả dầm khi gia tải thí nghiệm 105

4.5 Nhận xét Chương 4 108

CHƯƠNG 5 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THIẾT KẾ UỐN DẦM CẦU BẰNG VẬT LIỆU UHPC DƯL 110

5.1 Chọn kết cấu cầu phục vụ nghiên cứu 110

5.2 Kết quả tính toán sức kháng uốn dầm bằng công thức đề xuất 113

5.3 Kết quả phân tích khả năng chịu uốn dầm bằng mô hình số đề xuất 116

5.3.1 Kết quả mô hình hóa dầm I42 116

5.3.2 Kết quả mô hình số DƯL dầm I42 117

5.3.3 Kết quả phân tích độ võng và khả năng chịu uốn của dầm I42 118

5.3.4 Kết quả phân tích biến dạng và vị trí trục trung hòa tại giữa nhịp dầm I42 120 5.4 Đánh giá kết quả từ công thức và mô hình số dầm UHPC DƯL I42 122

5.5 Nhận xét Chương 5 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Các loại bê tông đặc biệt [33] 9

Hình 1.2 Sự phân bố ứng suất – biến dạng ở trạng thái giới hạn cường độ cho mặt cắt ngang chứa bó cáp dính bám [47] 24

Hình 1.3 Sự phân bố ứng suất – biến dạng ở trạng thái giới hạn cường độ cho mặt cắt ngang chứa bó cáp không dính bám [47] 25

Hình 1.4 Sự phân bố ứng suất, biến dạng trên tiết diện ngang dầm I-UHPC chịu uốn ở trạng thái giới hạn cường độ, (a) Trường hợp trục trung hòa qua sườn; (b) Trục trung hòa qua bản cánh trên [24] 26

Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất, biến dạng trên tiết diện ngang (a) trạng thái giới hạn sử dụng; (b) trạng thái giới hạn cường độ [70] 27

Hình 1.6 Các ví dụ điển hình về sự phân bố ứng suất, biến dạng ở sức kháng uốn danh nghĩa [60] 28

Hình 1.7 Các mô hình ứng suất khối điển hình cho đơn giản hóa phân tích: (a) biểu đồ biến dạng tuyến tính; (b) khối ứng suất nén dạng parabol, ứng suất kéo phân bố đều; (c) khối ứng suất nén dạng chữ nhật theo ACI, ứng suất kéo phân bố đều; (d) khối ứng suất nén dạng chữ nhật theo ACI, ứng suất kéo dạng hình tam giác; (e) khối ứng suất nén dạng hình tam giác, ứng suất kéo phân bố đều [60] 29

Hình 1.8 Sơ đồ phân bố ứng suất và biến dạng: (a) tiết diện, (b) biểu đồ phân bố biến dạng, (c) biểu đồ phân bố ứng suất [87] 30

Hình 1.9 Mô hình phân tích tiết diện nhiều lớp: (a) phân lớp tiết diện lý tưởng, (b) biểu đồ phân bố biến dạng lý tưởng, (c) biểu đồ phân bố ứng suất lý tưởng, (d) sự cân bằng lực trên tiết diện [87] 30

Hình 1.10 Lưu đồ tính toán sức kháng uốn dầm UHPC [93] 31

Hình 1.11 Đường cong ứng suất - biến dạng theo JSCE [18] 32

Hình 1.12 Biểu đồ ứng suất - biến dạng theo K-UHPC 33

Hình 1.13 Biểu đồ ứng suất - biến dạng UHPC [49] 35

Hình 1.14 Đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi nén [47] 36

Hình 1.15 Đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo [47] 36

Hình 1.16 Quan hệ ứng suất – biến dạng khi nén cho phân tích phi tuyến [42] 37

Hình 1.17 Quan hệ ứng suất – biến dạng nén cho thiết kế uốn TTGH cường độ [42] 38

Hình 1.18 Xác định cường độ chịu kéo sau nứt khi có xuất hiện cực đại cục bộ [42] 40

Hình 1.19 Xác định cường độ chịu kéo sau nứt khi không xuất hiện cực đại cục bộ [42] 40

Hình 1.20 Quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo UHPC cấu kiện dày nhóm T1* và T2* [42] 41

Hình 1.21 Quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo UHPC cấu kiện dày nhóm T3* [42] 41

Hình 1.22 Quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo UHPC cấu kiện mảnh dạng 1 [42] 41

Hình 1.23 Quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo UHPC cấu kiện mảnh dạng 2 [42] 42

Hình 1.24 Sơ đồ cấu trúc luận án 45

Hình 2.1 Cát quắc 48

Hình 2.2 Cốt sợi thép 50

Hình 2.3 Dạng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén [42] 51

Hình 2.4 Dạng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo [42] 52

Hình 2.5 Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên chiều cao nứt và không nứt [41] 54

Hình 2.6 Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên tiết diện ngang dầm ở trạng thái giới hạn khả năng chịu uốn dầm UHPC 58

Hình 2.7 Bề mặt giới hạn Drucker – Prager và Rankine trong không gian hai chiều [25] 60

Hình 2.8 Tổ hợp bề mặt giới hạn Drucker – Prager trong không gian ba chiều [25] 63

Hình 2.9 Mô hình HSD hàm số mũ (HSD2) 63

Hình 2.10 Mô hình HSD cốt thép gia cường (HSD4) 64

Hình 2.11 Mô hình HSD năng lượng phá hủy (HSD5) 64

Hình 2.12 Mô hình HSD năng lượng phá hủy (HSD6) 64

Hình 2.13 Hình dạng phần tử SOLID185 [25] 66

Hình 2.14 Hình dạng phần tử LINK180 [25] 66

Hình 2.15 Hình dạng phần tử COMBIN39 và đường cong lực – chuyển vị [25] 67

Hình 3.1 Đường quan hệ tải trọng – độ võng thí nghiệm uốn 4 điểm [7] 70

Hình 3.2 Đường quan hệ tải trọng – độ võng thí nghiệm uốn 3 điểm [7] 70

Hình 3.3 Cường độ chịu kéo sau nứt thí nghiệm uốn 3 điểm 72

Hình 3.4 Quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt thí nghiệm uốn 3 điểm 72

Hình 3.5 Đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC 74

Hình 3.6 Đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC 75

Hình 3.7 Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén UHPC 76

Hình 3.8 Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên tiết diện ngang dầm I - UHPC 77

Hình 3.9 Biểu đồ mô men – độ cong trên tiết diện ngang dầm I - UHPC 79

Hình 3.10 Phân bố biến dạng, ứng suất trên tiết diện ngang dầm I - UHPC 79

Hình 3.11 Phân bố biến dạng, ứng suất trên tiết diện ngang dầm I - UHPC 80

Hình 3.12 Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên tiết diện ngang dầm T - UHPC 81

Hình 3.13 Biểu đồ mô men – độ cong trên tiết diện ngang dầm T - UHPC 83

Hình 3.14 Phân bố biến dạng, ứng suất trên tiết diện ngang dầm T - UHPC 83

Hình 3.15 Phân bố biến dạng, ứng suất trên tiết diện ngang dầm T - UHPC 84

Hình 3.16 Sự phân bố ứng suất khối tương đương trên tiết diện dầm T - UHPC 85

Hình 3.17 Mối quan hệ giữa hệ số 𝛼1 và cường độ chịu nén 𝑓𝑐′ 88

Hình 3.18 Mối quan hệ giữa hệ số 𝛽1 và cường độ chịu nén 𝑓𝑐′ 89

Hình 3.19 Mối quan hệ giữa hệ số 𝛽2 và cường độ chịu nén 𝑓𝑐′ 89

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng số phân tích biến dạng đàn hồi của mẫu 95

Hình 4.2 Kết quả phá hoại mẫu theo mô hình số và thực nghiệm 95

Hình 4.3 So sánh đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén giữa mô hình số và thực nghiệm 96

Hình 4.4 Mô hình 3D kết cấu dầm 97

Hình 4.5 Ứng suất trong bê tông khi chịu tải 97

Hình 4.6 Sự hình thành vết nứt và phá hoại dầm thí nghiệm 98

Hình 4.7 Quan hệ Tải trọng – độ võng từ mô hình số và thực nghiệm 99

Hình 4.8 Mô hình hoá kết cấu dầm I-UHPC 100

Hình 4-9 Kết quả độ vồng dầm I-UHPC sau khi cắt cáp 101

Hình 4.10 Kết quả mô hình biến dạng dẻo dầm I-UHPC trước khi phá hoại 102

Hình 4.11 So sánh sự hình thành vết nứt giữa mô hình số và thực nghiệm 102

Hình 4.12 Kết quả độ võng dầm I-UHPC khi gia tải 103

Hình 4.13 So sánh quan hệ tải trọng – độ võng dầm I-UHPC 103

Hình 4.14 Mô hình hoá kết cấu dầm T-UHPC 104

Hình 4.15 Kết quả độ vồng dầm T-UHPC sau khi cắt cáp 105

Hình 4.16 Kết quả mô hình biến dạng dẻo dầm T-UHPC trước khi phá hoại 106

Hình 4.17 So sánh sự hình thành vết nứt giữa mô hình số và thực nghiệm 107

Hình 4.18 Kết quả độ võng dầm T-UHPC khi gia tải 107

Hình 4.19 So sánh quan hệ tải trọng – độ võng dầm T-UHPC 108

Hình 5.1 Mặt cắt ngang cầu 111

Hình 5.2 Mặt cắt ngang dầm I42 111

Hình 5.3 Phân bố ứng suất khối chữ nhật 113

Hình 5.4 Bố trí gia tải phân tích thí nghiệm dầm I42 116

Hình 5.5 Mô hình hoá kết cấu dầm I42-UHPC 117

Hình 5.6 Độ vồng dầm I42-UHPC cao 1,1m sau khi cắt cáp 118

Hình 5.7 Độ võng dầm I42-UHPC cao 1,1m khi gia tải cực đại 119

Hình 5.8 Quan hệ Tải trọng - độ võng dầm I42-UHPC ứng với các chiều cao dầm khác nhau 119

Hình 5.9 Biến dạng dầm I42-UHPC cao 1,1m khi gia tải cực đại 120

Hình 5.10 Biến dạng dầm I42-UHPC khi gia tải cực đại 121

Hình 5.11 Vị trí trục trung hòa 122

Hình 5.12 So sánh sức kháng uốn dầm 123

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần vật liệu UHPC [50, 67, 76] 11

Bảng 1.2 Tổng hợp ứng dụng UHPC cho công trình cầu trên thế giới [96] 16

Bảng 1.3 Tổng hợp ứng dụng UHPC trong mối nối cầu [96] 18

Bảng 1.4 Tổng hợp ứng dụng UHPC cho lớp phủ mặt cầu [96] 20

Bảng 1.5 Tổng hợp ứng dụng UHPC cho công trình cầu ở Việt Nam [16] 21

Bảng 2.1 Thành phần vật liệu NUCE-UHPC [6] 47

Bảng 2.2 Tính chất cơ lý của cát quắc [14] 47

Bảng 2.3 Thành phần hạt cát quắc [14] 48

Bảng 2.4 Tính chất cơ lý của xi măng [14] 48

Bảng 2.5 Tính chất của GGBFS sử dụng trong nghiên cứu [14] 49

Bảng 2.6 Tính chất và thành phần hạt của SF [14] 49

Bảng 2.7 Thông số kỹ thuật của cốt sợi thép [14] 50

Bảng 3.1 Kết quả xác định cường độ chịu kéo đàn hồi từ thí nghiệm uốn 4 điểm 71

Bảng 3.2 Kết quả xác định cường độ chịu kéo sau nứt từ thí nghiệm uốn 3 điểm 72

Bảng 3.3 Các thông số đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC 73

Bảng 3.4 Các thông số đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC 74

Bảng 3.5 Kết quả phân tích ứng xử uốn dầm chữ I UHPC 78

Bảng 3.6 Kết quả điều chỉnh cốt thép dầm chữ I - UHPC 80

Bảng 3.7 Kết quả phân tích ứng xử uốn dầm chữ T UHPC 82

Bảng 3.8 Kết quả điều chỉnh cốt thép dầm chữ T - UHPC 84

Bảng 3.9 Kết quả xác định 𝛼1, 𝛽1, 𝛽2 theo cấp cường độ chịu nén UHPC 88

Bảng 3.10 So sánh kết quả tính toán sức kháng uốn dầm UHPC DƯL với các kết quả nghiên cứu đã công bố 91

Bảng 4.1 Tham số vật liệu UHPC sử dụng cho mô hình Drucker – Prager 93

Bảng 5.1 Vật liệu sử dụng cho dầm và bản mặt cầu [73] 111

Bảng 5.2 Kết quả xác định hệ số phân bố ngang 112

Bảng 5.3 Bảng kết quả tính toán nội lực mô men dầm 113

Bảng 5.4 Bảng kết quả tính toán sức kháng uốn và độ võng 115

Bảng 5.5 Độ vồng dầm sau khi cắt cáp DƯL 118

Bảng 5.6 Kết quả khả năng chịu uốn từ phân tích mô hình số 120

Bảng 5.7 Kết quả vị trí trục trung hòa 121

Bảng 5.8 Kết quả so sánh giá trị vị trí trục trung hòa 122

Bảng 5.9 Kết quả so sánh giá trị sức kháng uốn Mn 124

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACI American Concrete Institute Viện bê tông Mỹ

AFNOR Association Française de

Normalisation Hiệp hội tiêu chuẩn Pháp

AASHTO

American Association of State Highway and Transportation Officials

Hiệp hội Đường cao tốc và Giao thông Hoa Kỳ

LRFD Load and Resistance Factor

Design

Hệ số tải trọng và sức kháng thiết kế

ASTM American Society for Testing

CRC Compact Reinforced Composite Hỗn hợp gia cường đặc chắc

FHWA Federal Highway Administration Cục quản lý đường bộ liên bang

Mỹ FRC Fiber Reinforced Concrete Bê tông cốt sợi

GGBFS Ground Granulated Blast

Furnace Slag Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn HPC High Performance Concrete Bê tông chất lượng cao

Chữ viết tắt Tiếng Anh/Pháp Tiếng Việt

HSD Hardening, Softening and

JSCE Japan Society of Civil Engineers Hiệp hội kỹ sư xây dựng Nhật

Bản

khối lượng

PCE Polycarboxylate Ether Phụ gia siêu dẻo gốc

Polycarboxylate

RPC Reactive Powder Concrete Bê tông bột phản ứng

SCC Self Compacting Concrete Bê tông tự đầm

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-high performance concrete - UHPC) là một sản phẩm bê tông thế hệ mới, thành phần vật liệu chính bao gồm xi măng Poóc lăng, cát nghiền mịn, bột quắc, silica fume, phụ gia siêu dẻo, sợi thép và nước [86, 95] UHPC thể hiện tính chất cơ học vượt trội với cường độ chịu nén lớn hơn 120 MPa [29], cường

độ chịu kéo khi uốn lên đến 50 MPa [50], cường độ chịu kéo dọc trục từ 6 ÷ 12 MPa [41], mô đun đàn hồi từ 42 ÷55 GPa [1, 50] Ngoài ra, UHPC có độ đặc chắc, tính dẻo dai cao, khả năng chống ăn mòn tốt giúp tăng độ bền và tuổi thọ công trình

UHPC được nghiên cứu và ứng dụng đầu tiên vào những năm cuối thập niên 90 của thế kỷ XX Trong hơn hai thập kỷ qua, UHPC đang thu hút sự quan tâm ở nhiều quốc gia khác nhau trong việc ứng dụng cho kết cấu công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, công trình cầu, cảng biển, công nghiệp dầu khí, kết cấu ngoài khơi, kết cấu thủy lực, sửa chữa và phục hồi kết cấu [77] Trong tất cả những ứng dụng này thì ứng dụng UHPC trong lĩnh vực cầu đường được xem là phổ biến nhất [26] Ứng dụng UHPC cho kết cấu công trình cầu đã được thực hiện ở nhiều quốc gia khác nhau bao gồm Úc,

Áo, Canada, Trung Quốc, Cộng hòa Séc, Pháp, Đức, Ý, Nhật Bản, Malaysia, Hà Lan, New Zealand, Slovenia, Hàn Quốc, Thụy Sĩ và Hoa Kỳ [77]

Ở Việt Nam, nghiên cứu về UHPC được thực hiện trong khoảng 10 năm gần đây Các nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào thành phần cốt liệu và hướng đến sử dụng các vật liệu địa phương để chế tạo UHPC[2, 10-12, 15] Nhiều công trình đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng UHPC cho kết cấu nhằm nâng cao khả năng chịu lực, độ bền trong môi trường đặc biệt và tải trọng nổ [4, 7, 8, 17, 53].Việc áp dụng UHPC cho công trình cầu là một trong những hướng đi mới, mở ra cơ hội lớn cho sự phát triển cơ sở hạ tầng giao thông ở Việt Nam Tuy nhiên, việc đi sâu nghiên cứu về các dạng ứng xử kết cấu khi tham gia chịu lực phục vụ công tác tính toán, thiết kế loại vật liệu này vẫn còn hạn chế Điều này đã gây cản trở rất lớn trong việc ứng dụng loại vật liệu mới này cho kết cấu công trình cầu ở Việt Nam hiện nay Cụ thể, đến nay mặc dù chúng ta đã có một

số ứng dụng loại vật liệu này cho công trình cầu nhưng chỉ mới thử nghiệm đối với cầu quy mô nhỏ Đồng thời, cũng chưa ban hành bất cứ tiêu chuẩn nào về thiết kế, thi công

và nghiệm thu công trình sử dụng UHPC

UHPC có cường độ chịu kéo cao, vì vậy khi thiết kế uốn, cường độ chịu kéo của UHPC không bỏ qua như đối với bê tông thông thường Sự lý tưởng hóa đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và nén phục vụ thiết kế kết cấu UHPC là đề tài

được các nhà nghiên cứu quan tâm Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế, khuyến nghị thiết

kế và một số nhà nghiên cứu đã đề xuất một đường tuyến tính (dạng hình thang) và dạng hình xấp xỉ dạng chữ nhật [18, 41-43, 47, 56] Khi nghiên cứu thiết kế uốn dầm UHPC DƯL, tác giả Graybeal [49] kết luận rằng “Cho đến khi hoàn thành một số lượng đáng

kể các thí nghiệm uốn mô hình thực, thì không thể đưa ra một tập hợp các tham số chuẩn

để sử dụng trong thiết kế uốn dầm UHPC DƯL” Sau đó, một số nhà nghiên cứu đã thực hiện các nghiên cứu thiết kế uốn kết cấu UHPC Khi tính toán khả năng chịu uốn dầm UHPC, ứng suất khối Whitmey quen thuộc sử dụng cho kết cấu BTCT truyền thống là không còn phù hợp và được thay thế bằng đường tuyến tính hoặc đường hai đoạn thẳng cho các cấu kiện UHPC

Nhìn chung, các nghiên cứu đã xác định rằng mối quan hệ ứng suất – biến dạng cho UHPC trong kéo có ảnh hưởng đến mô men kháng uốn danh định lớn hơn quan hệ ứng suất – biến dạng trong nén Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc mô tả đặc trưng kéo của UHPC sử dụng phương pháp thí nghiệm phù hợp hoặc xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng đơn giản hóa phải dựa trên kết quả thí nghiệm Các phương pháp thiết kế uốn đã trình bày cho đến nay bao gồm biến dạng nén lớn nhất bằng hoặc cao hơn so với 0,003 [24, 47, 49, 70] Giới hạn biến dạng kéo được lấy trong hầu hết các nghiên cứu là 0,007 [49, 70], tương ứng với 70% biến dạng kéo thu được khi kéo tụt sợi trong dầm ngay trước khi nứt lớn, biến dạng cục bộ và phá huỷ dầm

Trên thế giới, đã có các tiêu chuẩn và khuyến nghị thiết kế uốn dầm UHPC, trong đó đáng chú ý là tiêu chuẩn của Pháp NF P18-710 (AFNOR), Thuỵ Sĩ SIA 2052 (SIA) và Canada CSA S6: 19 (CSA) Trong các tiêu chuẩn này, phương pháp thiết kế uốn dựa trên phân tích mặt cắt sử dụng nguyên lý cân bằng và tương thích biến dạng, đồng thời sử dụng các biểu đồ đường cong UHPC để xác định ứng suất trên tiết diện ngang Trong tiêu chuẩn thiết kế của Pháp và Canada, khả năng chịu mô men uốn của dầm UHPC cốt thép được tính toán từ điều kiện cân bằng lực trên tiết diện ngang với biểu đồ biến dạng tuyến tính gồm biên giới hạn biến dạng nén tương ứng với biến dạng phá vỡ UHPC và biên giới hạn biến dạng kéo tương ứng với kéo đứt cốt thép

Tóm lại, để tính toán sức kháng uốn của dầm UHPC DƯL, cần phải có các mô hình cơ học vật liệu được suy ra từ kết quả thí nghiệm cơ học vật liệu phù hợp với nhóm vật liệu UHPC, các mô hình cơ học vật liệu này cần được lý tưởng và đơn giản hoá để phục vụ tính toán Đồng thời, cần phải có một phương pháp tính toán sức kháng uốn cụ thể, thuận lợi bằng các công thức lập sẵn tương tự như các công thức tính toán được ban hành trong tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017 để áp dụng chung cho kết cấu UHPC DƯL chịu uốn phục vụ thiết kế dầm cầu ở Việt Nam Ngoài ra, trong điều kiện nghiên cứu bằng thực nghiệm gặp nhiều khó khăn, việc ứng dụng mô hình số phù hợp để mô phỏng ứng xử vật liệu UHPC cũng rất cần thiết hiện nay

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, với mong muốn cung cấp thêm các cơ sở khoa học phục vụ thiết kế uốn dầm cầu UHPC DƯL tại Việt Nam, nghiên cứu sinh đã

thực hiện đề tài nghiên cứu Tiến sĩ là: “Nghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực

sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt Nam”

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm UHPC DƯL sử dụng vật liệu sẵn có trong nước, phục vụ ứng dụng cho kết cấu nhịp cầu tại Việt Nam

3 Mục tiêu nghiên cứu

(1) Nghiên cứu tính chất cơ học UHPC sử dụng thành phần vật liệu và công nghệ trong nước được chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam, đồng thời đề xuất các đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và khi nén phục vụ thiết kế uốn

(2) Xây dựng cơ sở khoa học tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL, từ

đó đề xuất phương pháp và công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL

(3) Xây dựng mô hình số dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó đề xuất phương pháp mô hình số phù hợp để mô phỏng ứng xử vật liệu UHPC Có thể sử dụng mô hình số này để khảo sát các kết cấu nhịp UHPC DƯL

4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn được chế tạo từ các vật liệu thành phần sẵn có trong nước

Phạm vi nghiên cứu:

(1) Các tính chất cơ học bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và ứng xử khi kéo, nén của UHPC được chế tạo tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

(2) Nghiên cứu về sức kháng uốn của dầm UHPC DƯL ở trạng thái giới hạn cường độ

(3) Phương pháp mô hình số mô phỏng ứng xử uốn dầm đơn sử dụng phương pháp PTHH trong không gian 3 chiều

5 Phương pháp nghiên cứu

(1) Phương pháp nghiên cứu tài liệu: sử dụng để nghiên cứu tổng quan tài liệu nhằm kế thừa, tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu UHPC

đã được công bố thời gian gần đây Đồng thời, phương pháp này cũng phục vụ nghiên

cứu cơ sở lý thuyết tính toán sức kháng uốn dầm UHPC DƯL

(2) Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: sử dụng để xác định các tính chất cơ học vật liệu UHPC và đánh giá ứng xử khi uốn và sức kháng uốn của dầm UHPC DƯL

(3) Phương pháp mô hình số PTHH: sử dụng để mô hình hoá các ứng xử vật liệu UHPC cho các mẫu thí nghiệm cơ học vật liệu và mẫu dầm UHPC DƯL

(4) Phương pháp xử lý thông tin: các thông tin định tính và định lượng được xử

lý nhằm tìm ra các quy luật và các mối quan hệ phục vụ phân tích, so sánh kết quả nghiên cứu

6 Nội dung chính nghiên cứu

(1) Nghiên cứu tổng quan về UHPC DƯL trên thế giới và ở Việt Nam

(2) Nghiên cứu xây dựng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén cho UHPC sử dụng thành phần vật liệu ở Việt Nam để phục vụ tính toán sức kháng uốn của dầm cầu

(3) Nghiên cứu xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất dạng khối chữ nhật tương đương, từ đó đề xuất công thức tính sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL

(4) Nghiên cứu mô hình số bằng phương pháp PTHH để mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả kết quả thực nghiệm Từ đó,

có thể sử dụng mô hình số để nghiên cứu ứng xử uốn của dầm trong điều kiện hạn chế

- Luận án đã xây dựng cơ sở mô hình số đánh giá khả năng chịu uốn dầm UHPC

DƯL Có thể dùng mô hình số này để tiếp tục nghiên cứu, thiết kế dầm UHPC DƯL

Ý nghĩa thực tiễn:

- Luận án đã cung cấp cơ sở dữ liệu về các chỉ tiêu cơ học vật liệu UHPC phục

vụ thiết kế chịu uốn dầm UHPC DƯL trên cơ sở vật liệu thành phần ở Việt Nam

- Đề xuất cơ sở lý thuyết về tính toán sức kháng uốn, cơ sở lý thuyết về mô hình

số dầm UHPC DƯL phục vụ thiết kế nhịp cầu qua đó góp phần thúc đẩy việc ứng dụng loại vật liệu này cho kết cấu cầu tại Việt Nam

8 Những đóng góp mới của luận án

1 Luận án đã xây dựng mô hình đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén và kéo cho UHPC có sử dụng thành phần vật liệu trong nước chế tạo tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội để xác định khả năng chịu uốn của dầm cầu UHPC DƯL tại Việt Nam

2 Luận án đề xuất và xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất khối hình chữ nhật tương đương để tính sức kháng uốn của dầm cầu UHPC DƯL, với cạnh hình chữ nhật được thể hiện thông qua các hệ số quy đổi hình khối ứng suất (𝛼1, 𝛽1, 𝛽2) được biểu diễn bằng các công thức dưới đây:

9 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, kiến nghị và phần phụ lục, luận án được bố cục thành 5 chương với cấu trúc và nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu bê tông chất lượng siêu cao cho kết cấu nhịp cầu

Gồm các nội dung chính: Tổng quan về vật liệu UHPC; Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng vật liệu UHPC trên thế giới và ở Việt Nam; Tổng quan nghiên cứu phương pháp xác định sức kháng uốn dầm UHPC; Tổng quan nghiên cứu các dạng

đường quan hệ ứng suất – biến dạng áp dụng cho thiết kế uốn dầm UHPC; Nghiên cứu phương pháp phân tích ứng xử dầm UHPC bằng mô hình số Trên cơ sở đó, đề xuất nội dung cần nghiên cứu của luận án

Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Gồm các nội dung chính: Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén cho vật liệu UHPC; Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL; Phương pháp mô hình số PTHH để mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả tính toán sức kháng uốn, kết quả nghiên cứu thực nghiệm Kết quả nghiên cứu của chương này làm cơ sở cho nghiên cứu các chương tiếp theo

Chương 3: Xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng và đề xuất công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL

Gồm các nội dung chính: Xử lý số liệu thí nghiệm uốn để xây dựng đường quan

hệ ứng suất – biến dạng; Xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng UHPC phục vụ thiết kế; Xác định sức kháng uốn dầm UHPC DƯL bằng phương pháp phân tích mặt cắt; Xây dựng công thức xác định vị trí trục trung hoà và sức kháng uốn danh định của dầm UHPC DƯL Kết quả nghiên cứu của chương này là xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng UHPC, xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn và được kiểm chứng thông qua các nghiên cứu thực nghiệm được công bố trong thời gian gần đây

Chương 4: Mô hình số kết cấu uhpc bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Gồm các nội dung chính: Kết quả mô hình số mẫu hình trụ thí nghiệm nén vật liệu UHPC; Kết quả mô hình số mẫu dầm thí nghiệm uốn vật liệu UHPC; Mô hình mẫu dầm UHPC DƯL tiết diện chữ I và chữ T Kết quả nghiên cứu mô hình số được so sánh với kết quả thực nghiệm, qua đó đề xuất áp dụng mô hình số phù hợp khi phân tích kết cấu bằng vật liệu UHPC

Chương 5: Áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế uốn dầm cầu bằng vật liệu UHPC DƯL

Gồm các nội dung chính: Chọn kết cấu cầu phục vụ nghiên cứu; Kết quả tính toán sức kháng uốn dầm bằng công thức đề xuất; Kết quả phân tích khả năng chịu uốn dầm bằng mô hình số đề xuất; Đánh giá kết quả từ công thức và mô hình số dầm UHPC DƯL

Phụ lục: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên các mẫu thí nghiệm

UHPC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO CHO KẾT CẤU

NHỊP CẦU

1.1 Tổng quan về vật liệu UHPC

1.1.1 Khái niệm vật liệu UHPC

Vật liệu UHPC là một sản phẩm bê tông thế hệ mới, thành phần vật liệu chính bao gồm xi măng Poóc lăng, cát nghiền mịn, bột quắc, silica fume, phụ gia siêu dẻo, sợi thép và nước [86, 95] UHPC thể hiện tính chất cơ học vượt trội với cường độ chịu nén lớn hơn 120 MPa [29], cường độ chịu kéo khi uốn lên đến 50 MPa [50], cường độ chịu kéo dọc trục từ 6 ÷ 12 MPa [41], mô đun đàn hồi từ 42 ÷ 55 GPa [1, 50] Ngoài ra, UHPC có độ đặc chắc, tính dẻo dai cao, khả năng chống ăn mòn tốt giúp tăng độ bền và tuổi thọ công trình

1.1.2 Các nguyên tắc chế tạo và ưu, nhược điểm của UHPC

Cường độ, độ bền và tính dẻo dai cao của UHPC đạt được dựa trên các nguyên tắc sau [78, 79]:

1 Tỷ lệ N/CKD rất thấp, thường khoảng từ 0,15 đến 0,25, giúp giảm thiểu độ rỗng và tạo tính gián đoạn giữa các lỗ rỗng Nhờ đó, hạn chế quá trình xâm thực của môi trường vào bên trong bê tông

2 Độ đặc chắc cao nhờ vào sử dụng các cốt liệu mịn, lượng nước trong thành phần UHPC giảm

3 Sử dụng vật liệu đồng nhất, cường độ cao và đường kính cốt liệu giảm để chế tạo UHPC, trên nguyên tắc số lượng các vết nứt vi mô xuất hiện giữa các bề mặt cốt liệu

và cường độ chịu nén tỷ lệ với đường kính cốt liệu

4 Việc sử dụng chất phụ gia trước hết để cung cấp khả năng tự đầm chặt với tỷ

lệ N/CKD thấp, sau đó hầu hết lượng nước sẽ tham gia vào phản ứng thủy hóa xi măng, làm giảm rất nhiều thể tích lỗ rỗng và làm tăng cường độ chịu nén UHPC

5 Sử dụng cốt sợi thép để kiềm chế sự phát triển của cả vết nứt vi mô và vết

nứt vĩ mô, sau đó làm tăng độ dẻo dai, độ bền kéo, uốn và cường độ chịu cắt cho UHPC

6 Sử dụng nguyên tắc bảo dưỡng nhiệt ẩm để đạt được giá trị cường độ cao Các ưu điểm đáng chú ý nhất của UHPC là độ bền uốn, cường độ chịu nén, độ dẻo dai, độ cứng và khả năng chịu nhiệt, chống va đập cao, bền với môi trường Ngoài

ra UHPC cũng cung cấp chất lượng bề mặt cao cho các cấu kiện đúc sẵn [79] Khả năng

tự đầm cũng là điểm quan trọng ở trạng thái mới trộn, nó cho phép điều khiển hướng cốt sợi trong suốt quá trình đổ bê tông

Nhược điểm chính của UHPC là chi phí đầu tư ban đầu tính trên một mét khối UHPC cao hơn nhiều so với bê tông thông thường, nhưng đối với nhiều ứng dụng trở nên cạnh tranh được do khối lượng vật liệu yêu cầu cho các cấu kiện kết cấu nhỏ hơn nhiều so với bê tông thông thường [78] Việc giảm khối lượng vật liệu sử dụng vì những

lý do sau đây: không sử dụng cốt thép cấu tạo nên có thể giảm được chiều dày bảo vệ cốt thép dẫn đến tiết diện mảnh hơn và có thể mở rộng nhiều loại mặt cắt kết cấu tối ưu hơn Ngoài ra, chiều dày lớp bảo vệ cốt thép dự ứng lực được giảm nhờ vào khả năng chống thấm của vật liệu, đồng thời khả năng chịu kéo – nén cao cho thấy khối lượng vật liệu cần thiết ít hơn Điều này làm giảm trọng lượng bản thân kết cấu, và trong nhiều trường hợp có thể giảm một phần ba tĩnh tải [31] Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn, lý thuyết tính toán UHPC hiện vẫn chưa được thống nhất rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam

Có thể tìm thấy được những ứng dụng điển hình của UHPC nhằm giảm từ 50% đến 75% trọng lượng bản thân kết cấu so với bê tông thông thường [23, 32, 57, 59, 65, 78] Việc giảm trọng lượng kết cấu giúp cho quá trình vận chuyển và lắp đặt cấu kiện trở nên đơn giản và gọn nhẹ hơn, nhờ vậy kết cấu UHPC trở nên hiệu quả, đẹp và kinh

tế hơn, sự hài hòa này được gọi là nghệ thuật kết cấu “structural art” [33]

1.1.3 Sự hình thành và phát triển của vật liệu UHPC

UHPC là loại vật liệu hỗn hợp chất kết dính xi măng, được xem là sản phẩm công nghệ bê tông sáng tạo nhất trong vòng 30 năm qua [96] UHPC gia cường cốt sợi được xem là tổ hợp của ba công nghệ bê tông: bê tông tự đầm (self-compacting concrete

- SCC), bê tông cốt sợi (fiber reinforced concrete - FRC) và bê tông chất lượng cao (high-performance concrete - HPC) như trình bày ở Hình 1.1 [33]

Hình 1.1 Các loại bê tông đặc biệt [33]

Thế hệ đầu tiên của UHPC là vật liệu CRC (Compact Reinforced Composite) [96], được nhà nghiên cứu người Đan Mạch Hans Hendrik Bache công bố vào năm 1981 [28] CRC sử dụng bô xít thiêu kết làm cốt liệu và cốt sợi thép được trộn vào để cải thiện tính bền dai cho vật liệu Tuy nhiên, do vấn đề về tính năng của phụ gia siêu dẻo tại thời điểm đó, CRC khó đạt được tính đồng nhất vì độ sệt của nó

Trên cơ sở vật liệu CRC của Bache, vào năm 1993 tại phòng thí nghiệm Bouygues ở Pháp, hai nhà nghiên cứu Richard và Cheyrezy đã chế tạo thành công vật liệu RPC (Reactive Powder Concrete) và được xem là một trong những loại thuộc nhóm vật liệu UHPC [66] RPC có cường độ chịu nén trên 150 MPa và được chia thành 2 cấp: RPC200 có cường độ dưới 200 MPa và RPC800 có cường độ từ 200 MPa đến 800 MPa

Ngay sau sự phát triển của vật liệu CRC và RPC, việc nghiên cứu vật liệu mới UHPC được thực hiện ở nhiều quốc gia khác nhau, nhưng để cải thiện tính chất chịu kéo của UHPC vẫn còn là thách thức Trong trường hợp này, cốt sợi thép được đề nghị sử dụng để đạt độ bền kéo cao hơn cho vật liệu UHPC

Vào năm 2009, tại hội thảo quốc tế về vật liệu UHPC “Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete International Conference”, tổ chức tại Pháp, các tác giả Batoz J.F và Behloul M [30] đã lưu ý rằng công nghệ vật liệu UHPC sẽ mở ra một ứng dụng mới trong bảo vệ môi trường và tính năng siêu bền

Trong hai thập kỷ qua, UHPC đang thu hút sự quan tâm ở nhiều quốc gia khác nhau trong việc ứng dụng cho kết cấu công trình xây dựng dân dụng, cầu, sửa chữa và phục hồi kết cấu, công nghiệp dầu khí, kết cấu ngoài khơi, các kết cấu thủy lực, lớp phủ vật liệu [77] Trong tất cả những ứng dụng này thì ứng dụng UHPC trong lĩnh vực cầu

đường được xem là phổ biến nhất [26] Ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu công trình cầu đã được thực hiện ở nhiều quốc gia khác nhau bao gồm Úc, Áo, Canada, Trung Quốc, Cộng hòa Séc, Pháp, Đức, Ý, Nhật Bản, Malaysia, Hà Lan, New Zealand, Slovenia, Hàn Quốc, Thụy Sĩ và Hoa Kỳ [77]

Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu UHPC ở Việt Nam đang được quan tâm từ một số viện nghiên cứu, trường Đại học và các nhà khoa học trong nước Mặc dù những nghiên cứu này đã đạt được một số thành tựu bước đầu, tuy nhiên hầu hết mới chỉ tập trung vào hướng thành phần vật liệu và các ứng xử cơ học của loại vật liệu này Tác giả Hà N.B

và các cộng sự [5] đã tiến hành nghiên cứu phân tích và đánh giá xu hướng ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng cầu quy mô nhỏ và trung bình ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp khi ứng dụng vật liệu UHPC cho công trình cầu, đồng thời kiến nghị tăng cường nghiên cứu và xây dựng thí điểm các dạng kết cấu cầu bằng vật liệu UHPC để chứng minh tính hiệu quả của loại vật liệu này

1.1.4 Thành phần vật liệu chế tạo UHPC

Thành phần vật liệu chế tạo UHPC bao gồm [96]: xi măng, cát nghiền mịn, cát quắc (quartz sand), silica fume và các hỗn hợp phụ gia khoáng khác, sợi thép, phụ gia siêu dẻo Việc loại bỏ cốt liệu thô có thể cải thiện độ đồng nhất và cấu trúc bên trong của UHPC Độ đặc chắc cao của UHPC được cải thiện nhờ sử dụng cát nghiền mịn, cát quắc và silica fume làm giảm độ rỗng trong UHPC Ngoài ra, sợi thép chịu ứng suất kéo

có tác dụng làm chậm sự xuất hiện các vết nứt trong bê tông Để giảm lượng nước và tăng cường độ, một lượng lớn phụ gia siêu dẻo được thêm vào, nhưng cần sử dụng hàm lượng hợp lý tránh làm chậm quá trình đông kết của bê tông [96]

Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu đã được thực hiện nhằm mục đích tối ưu hóa thành phần vật liệu UHPC [35, 46, 62, 83, 95] Dựa trên các thành tựu

đã đạt được thông qua kết quả nghiên cứu, các sản phẩm UHPC thương mại đã được sản xuất và cung cấp có thành phần thể hiện ở Bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần vật liệu UHPC [50, 67, 76]

Loại Kg/m 3 Loại Kg/m 3 Loại Kg/m 3 Loại Kg/m 3

Xi măng Poóc lăng 746 - 1114 CEM I 52,5 1050 - ↑

Từ kết quả tổng hợp thành phần vật liệu UHPC có thể thấy rằng một lượng lớn

xi măng, silica fume, cát và cốt sợi thép được sử dụng trong UHPC Điều này làm cho giá trị ban đầu của UHPC vượt xa hơn so với bê tông thông thường Và hiện nay, đang

có những nỗ lực rất lớn để giảm thiểu chi phí vật liệu mà không làm mất đi các đặc tính lợi thế của UHPC

1.2 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu UHPC trên thế giới

UHPC ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào đặc tính cơ học vượt trội của nó, cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào thành phần chế tạo và tính chất cơ học, một số thành tựu nghiên cứu có thể kể đến như sau:

(1) Các loại sợi thép, hàm lượng sợi, chiều dài sợi L f và tỷ lệ hình dạng khác nhau được sử dụng trong hỗn hợp UHPC Các tham số trên được xem xét mức độ ảnh hưởng đến các tính chất vật liệu như: độ lưu động, cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi, cường độ chịu uốn, cường độ chịu kéo và năng lượng phá huỷ [22, 58, 71, 80, 82-84,

86, 89, 91, 92, 94, 95]

(2) Các công nghệ trộn, tỷ lệ thành phần hỗn hợp, quá trình đổ và bão dưỡng bê tông được nghiên cứu để đề xuất một quy trình công nghệ thi công phù hợp tại công trường và tại nhà máy sản xuất cấu kiện đúc sẵn mà không cần bất cứ biện pháp xử lý tiên tiến nào [22, 58, 71, 80, 82, 86, 89, 91, 95]

(3) Ảnh hưởng của cốt sợi đến độ bền của UHPC, các sợi đóng góp vào các tính chất cơ học và không mang lại bất cứ nhược điểm nào trong suốt vòng đời của kết cấu UHPC UHPC sử dụng 2% hàm lượng cốt sợi cho kết quả độ bền sau nứt và khả năng chịu tải trọng của dầm UHPC cốt thép cao hơn [22, 45, 58, 71, 82, 86, 92, 95]

(4) Khi sử dụng UHPC chứa 2,5 % hàm lượng cốt sợi cho kết quả cường độ chịu cắt cao hơn 250 % so với trường hợp không sử dụng cốt sợi [27] Cường độ chịu cắt cũng giảm khi giảm hàm lượng cốt sợi sử dụng Nhờ vào tính chất cầu nối tuyệt vời của cốt sợi tại vị trí bề mặt vết nứt, nên sự phá hoại do cắt trong dầm UHPC ít đột ngột hơn

so với dầm bê tông thông thường Ngoài ra, cả hai khuyến nghị AFGC-SETRA [19] và JSCE [20] đều đã cung cấp các công thức dự báo chính xác cường độ chịu cắt của dầm UHPC [88]

(5) Việc sử dụng cốt sợi sẽ cung cấp hiệu quả chống nứt tốt hơn, khả năng chịu

mô men xoắn cao hơn và cải thiện độ cứng chống xoắn Mô men chống xoắn cũng được cải thiện bằng cách tăng tỷ lệ cốt đai và cốt dọc Góc nghiêng của vết nứt cũng bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cốt đai và cốt dọc mà không chịu ảnh hưởng bởi hàm lượng cốt sợi [39]

(6) Khả năng chống va đập của dầm UHPC sẽ tốt hơn khi sử dụng từ 2% hàm lượng cốt sợi kết hợp với một lượng lớn cốt dọc, khả năng còn lại sau phá hoại va đập cũng được cải thiện khi sử dụng loại cốt sợi có chiều dài sợi dài hơn Các cột UHPC có khả năng chống nổ cao hơn đáng kể như ít biến dạng hơn, khả năng chịu phá hoại được cải thiện hơn so với cột bê tông cốt thép và bê tông thông thường Vì vậy, việc ứng dụng UHPC trong kết cấu chịu nổ là rất hiệu quả [85]

1.3 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu UHPC ở Việt Nam

Ở Việt Nam, nghiên cứu về vật liệu UHPC được thực hiện trong khoảng 10 năm gần đây Các nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào thành phần vật liệu và hướng đến sử dụng vật liệu địa phương để chế tạo UHPC [2, 10-12, 15]

Tác giả Nguyễn Công Thắng và các cộng sự [11] đã nghiên cứu chế tạo UHPC

sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume và tro bay sẵn có ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu cho thấy, hoàn toàn có thể sử dụng tro bay ở Việt Nam thay thế một phần xi măng để chế tạo UHPC, khi sử dụng kết hợp tro bay và silica fume sẽ làm tăng tính công tác của hỗn hợp UHPC, tổng lượng dùng phụ gia khoáng có thể thay thế xi măng đến 40% mà cường độ nén của UHPC vẫn đạt theo yêu cầu (>150 MPa) Điều này góp phần quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng UHPC trong công nghiệp xây dựng ở Việt Nam

Tác giả Văn Viết Thiên Ân và các cộng sự [2, 3] đã chế tạo thành công UHPC

sử dụng hỗn hợp phụ gia tro trấu – xỉ lò cao Tác giả Nguyễn Công Thắng và các cộng

sự [12] đã sử dụng silica fume và xỉ lò cao hạt hoá nghiền mịn để chế tạo UHPC Kết quả nghiên cứu cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng xỉ lò cao hạt hoá nghiền mịn ở Việt Nam thay thế một phần xi măng để chế tạo UHPC

Tác giả Nguyễn Văn Tuấn và các cộng sự [15] đã nghiên cứu chế tạo UHPC sử dụng phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng ở Việt Nam hướng tới phát triển bền vững Nghiên cứu đã sử dụng một số phụ gia khoáng sẵn có ở Việt Nam như silica fume, tro bay, tro trấu, bột đá vôi, cũng như một số tổ hợp phụ gia này trong việc chế tạo UHPC Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng các phụ gia khoáng sẵn có khác nhau

ở Việt Nam cải thiện và phát triển cường độ chịu nén so với mẫu đối chứng với hiệu quả khác nhau tùy thuộc vào loại phụ gia khoáng và điều kiện bảo dưỡng, trong đó việc cải thiện cường độ nén lớn nhất khi sử dụng phụ gia khoáng tro trấu, silica fume và xỉ lò cao hoạt hóa nghiền mịn khoảng 150 % và 125 % so với cường độ chịu nén mẫu đối chứng tương ứng ở điều kiện bảo dưỡng thường và nhiệt ẩm

Tác giả Phạm Duy Hữu và các cộng sự, Trường Đại học Giao thông Vận tải [10] đã thực hiện nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao sử dụng bột quắc được nghiền

từ đá quắc và trong hỗn hợp bê tông này còn có thành phần là các sợi thép cường độ cao Một số ít các nghiên cứu về UHPC tập trung vào hướng nghiên cứu thí nghiệm, tính toán và ứng dụng vật liệu này vào các công trình cầu, nhà cao tầng và các công trình biển [4, 8, 13, 15]

Sau khi nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu UHPC trong nước, các nghiên cứu tiếp tục tập trung vào tính chất cơ học vật liệu

Tác giả Nguyễn Công Thắng và các cộng sự [13] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của sợi thép phân tán đến khả năng chống nứt do co ngót của UHPC Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng sợi thép phân tán không những nâng cao được khả năng chống nứt do co ngót mà còn hạn chế sự phát triển vết nứt trong UHPC

Tác giả Văn Viết Thiên Ân và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của nano carbon và tro bay đến co ngót và khả năng kháng nứt [3] Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong chế tạo UHPC đã cải thiện tính công tác và co ngót của bê tông Với hàm lượng thay thế 20 % tro bay theo thể tích xi măng thì cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi đạt cao nhất Nano carbon cũng góp phần cải thiện cường độ chịu nén của UHPC, đồng thời Nano carbon đã cải thiện rõ rệt khả năng kháng nứt của UHPC

Tác giả Cù Việt Hưng và các cộng sự đã nghiên cứu dự báo sức kháng uốn của dầm UHPC [8] và ứng dụng tấm ván khuôn UHPC trong thi công bản mặt cầu bê tông cốt thép [9] Nghiên cứu đã tổng hợp các lý thuyết dự báo sức kháng uốn dầm UHPC theo các tài liệu hướng dẫn, khuyến nghị thiết kế Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng cốt sợi phân tán đã làm tăng đáng kể khả năng chịu kéo của UHPC, do vậy khi tính toán sức kháng uốn phải kể đến sự làm việc chịu kéo này Nghiên cứu tiến hành phân tích kết quả và so sánh với số liệu thí nghiệm về sức kháng uốn của dầm UHPC sử dụng cốt thép thường

Tác giả Lê Bá Danh và các cộng sự đã nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tác động tải trọng nổ của vật liệu UHPC [4] Kết quả nghiên cứu cho thấy, UHPC có khả năng chịu tải trọng nổ tốt hơn so với bê tông thông thường Việc sử dụng cốt sợi phân tán trong UHPC làm giảm xuất hiện vết nứt và hạn chế phát triển vết nứt dưới tải trọng nổ

Tác giả Trần Bá Việt và các cộng sự đã nghiên cứu thiết kế cầu cho xe thô sơ

và cầu nhỏ chịu hoạt tải xe 0,5HL-93 ở Việt Nam bằng vật liệu UHPC [74, 75] Ngoài nghiên cứu áp dụng UHPC cho công trình cầu, tác giả Trần Bá Việt và các cộng sự cũng

đã tiến hành nghiên cứu giải pháp kết cấu lắp ghép sử dụng UHPC cho công trình xây dựng trên đảo [17]

Tác giả Phạm Duy Hòa và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu Đề xuất một số tiết diện chữ I định hình cho dầm cầu dự ứng lực căng trước sử dụng vật liệu UHPC sản xuất tại Việt Nam [6] Nghiên cứu đã đề xuất 3 mặt cắt ngang dầm UHPC DƯL dạng chữ I cho các chiều dài nhịp định hình phổ biến tại Việt Nam bao gồm 18,6 m, 24,5 m

và 33 m Sử dụng vật liệu UHPC đã giảm chiều cao trung bình của dầm UHPC DƯL tiết diện chữ I 20 %; đồng thời trọng lượng của phiến dầm giảm trung bình từ 1,3 – 1,7 lần so với dầm BTCT DƯL Ngoài ra, trong dầm UHPC DƯL không cần dùng cốt thép thường, đây cũng là một lợi thế khi áp dụng UHPC

1.4 Tổng quan về ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng công trình cầu trên thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng cầu trên thế giới

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng vật liệu UHPC cho công trình cầu ngày càng phổ biến ở nhiều khu vực trên thế giới Vật liệu UHPC ứng dụng vào công trình cầu chủ yếu tập trung vào kết cấu nhịp như dầm cầu, các mối nối liên kết dầm cầu, bản mặt cầu để tăng tính toàn khối và liên tục hóa kết cấu nhịp, tăng chiều dài nhịp, giảm chiều cao kết cấu

1.4.1.1 Ứng dụng UHPC cho cấu kiện dầm cầu

Bảng 1.2 dưới đây tổng hợp các công trình cầu điển hình trên thế giới ứng dụng UHPC cho kết cấu chịu lực, đồng thời cũng là bảng phân tích ngắn gọn về xu hướng và mục đích ứng dụng UHPC trong kết cấu cầu

Bảng 1.2 Tổng hợp ứng dụng UHPC cho công trình cầu trên thế giới [96]

TT Tên cầu Quốc gia Năm Cấu kiện ứng dụng Mục đích ứng dụng

khảo sát các thuộc tính vật liệu

2 Cat Point

Creek

Mỹ 2008 Dầm chữ I DƯL Sử dụng đặc tính chịu kéo để

đơn giản hóa việc xây dựng

3 Jakway Park Mỹ 2008 Dầm chữ PI DƯL Cung cấp hướng dẫn thiết kế

trong tương lai sử dụng kết cấu dầm chữ PI - UHPC

nhanh tiến độ thi công

8 Pont du

Diable

Pedestrian

Pháp 2008 Dầm chữ U DƯL Tăng chiều dài nhịp và tạo tính

thanh mảnh cho cầu

9 Friedberg Đức 2007 Dầm chữ PI DƯL Sử dụng các đặc tính độ bền cao

để thay thế kết cấu cũ

TT Tên cầu Quốc gia Năm Cấu kiện ứng dụng Mục đích ứng dụng

10 Shepherds

Gully Creek

Úc 2005 Dầm chữ I DƯL Cầu thử nghiệm để cải thiện khả

năng chịu lực và thay thế các cầu gỗ quá tuổi

thanh mảnh và nhẹ

tông dẫn đến trọng lượng nhẹ và hiệu quả vật liệu cao hơn

13 Papatoetoe

footbridge

New Zealand

2005 Dầm chữ PI DƯL Giảm chiều cao dầm, giảm chi

phí móng và chi phí lắp dựng

Quốc

2002 Dầm chữ PI DƯL Kỷ niệm quan hệ ngoại giao với

Pháp và cải thiện chất lượng vòm

15 Office

Pedestrian

Hàn Quốc

2009 Cầu dây văng Kết cấu nhẹ và ứng suất hợp lý

16 Kampung

Linsum

Malaysia 2010 Dầm chữ U DƯL Loại bỏ các thành phần chịu cắt

và tận dụng khả năng chịu uốn

và chịu cắt đáng kể của UHPC

17 Celakovice

Pedestrian

Cộng hòa Séc

2013 Bản phân đoạn Chi phí bảo trì và chi phí vòng

2006 Dầm chữ T DƯL Cải thiện chất lượng và độ bền

suốt đời của cầu

19 Fuzhou

University

Landscape

Trung Quốc

2015 Kết cấu vòm Cầu thử nghiệm nhằm thúc đẩy

ứng dụng UHPC

Quốc

2017 Dầm chữ PI DƯL Giảm trọng lượng kết cấu, thi

công thuận tiện

21 Batu 6 Malaysia 2016 Dầm chữ U DƯL Tăng chiều dài nhịp giản đơn

Malaysia 2023 Dầm chữ I DƯL Giảm trọng lượng kết cấu, thi

công thuận tiện

Kết quả tổng hợp trên cho thấy, xu hướng ứng dụng UHPC cho kết cấu dầm chịu lực đang trở nên phổ biến với các mục tiêu chính: cải thiện chất lượng và độ bền kết cấu, giảm chiều cao dầm để kết cấu trở nên thanh mảnh, giảm trọng lượng kết cấu và phát huy tính hiệu quả của vật liệu, tăng khả năng chống chịu với thời tiết và môi trường, giảm chi phí phần móng, chi phí lắp dựng, chi phí bảo trì và chi phí vòng đời công trình

1.4.1.2 Ứng dụng UHPC trong các mối nối cầu

Để đảm bảo độ an toàn lâu dài cho hệ thống giao thông, cần phải quan đến tất cả các bộ phận của cầu bao gồm các mối nối (như các mối nối ướt theo phương dọc và phương ngang, khe co giãn, ) Bảng 1.3 tổng hợp ứng dụng UHPC cho các mối nối cầu

Bảng 1.3 Tổng hợp ứng dụng UHPC trong mối nối cầu [96]

TT Tên cầu Quốc gia Năm Mục đích ứng dụng

4 State Route 42 Mỹ 2012 Mối nối giữa các tấm panel mặt cầu và khóa

10 Eagle River Canada 2009 Mối nối giữa các dầm hộp liền kề và gờ lan

can đúc sẵn và liên tục hóa kết cấu

TT Tên cầu Quốc gia Năm Mục đích ứng dụng

16 Nipigon River Canada 2016 Liên kết giữa các phân đoạn đúc sẵn và phân

đoạn đúc tại chỗ và mối nối dọc, ngang cầu với dầm thép

Trong công trình cầu, để đảm bảo hiệu quả liên kết, phương pháp liên kết thông thường của các cấu kiện đúc sẵn đỏi hỏi kết cấu cốt thép chi tiết, phức tạp, làm tăng khó khăn trong thi công và khó đạt tính chất cơ học cần thiết ở khu vực liên kết Vật liệu UHPC cung cấp một trong những giải pháp cho thiết kế và thi công mối nối liên kết các cấu kiện cầu đúc sẵn, với cường độ chịu nén cao, cường độ chịu kéo cao, từ biến thấp

và độ bền rất tốt Sử dụng UHPC cho phép các chi tiết cốt thép ở vùng liên kết đơn giản hơn, vì vậy quá trình thi công trở nên dễ dàng UHPC có thể sử dụng ở những vị trí liên kết nhỏ và cung cấp hiệu quả tổng thể tốt hơn Từ đó, xu thế ứng dụng loại vật liệu này cũng là một ưu thế lựa chọn và ngày càng trở nên phổ biến ở các nước Mỹ và Canada

1.4.1.3 Ứng dụng UHPC trong lớp phủ mặt cầu

Lớp phủ mặt cầu là bộ phận chịu mài mòn trực tiếp của công trình cầu, chúng không chỉ bị tác động bởi lực ma sát bánh xe mà còn chịu ảnh hưởng bởi thời tiết, khí hậu và sự giãn nở do nhiệt độ

Ở Trung Quốc, tuổi thọ lớp phủ mặt cầu truyền thống giảm đáng kể do quá trình tăng lưu lượng giao thông liên tục trong những năm gần đây, vì vậy, một số nhà nghiên

cứu đã xem xét sử dụng vật liệu UHPC để thay thế cho chúng để tăng độ bền và tuổi thọ lớp phủ mặt cầu

Bảng 1.4 tổng hợp ứng dụng vật liệu UHPC cho lớp phủ mặt cầu ở Trung Quốc trong những năm gần đây

Bảng 1.4 Tổng hợp ứng dụng UHPC cho lớp phủ mặt cầu [96]

TT Tên cầu Năm Vị trí Loại cầu

2 Buddha Chen 2014 Quảng Đông Cầu dầm hộp thép liên tục tiết diện

thay đổi

5

Dong Ting Lake

Second

1.4.1.4 Ứng dụng UHPC cho cầu nhịp lớn

Hiện nay, đang tồn tại một số vấn đề trong cầu nhịp lớn: (1) Độ võng và vết nứt trong dầm hộp liên tục bê tông ứng suất trước; (2) Vết nứt ở lớp phủ mặt cầu thép và kết cấu mặt cầu; (3) Vết nứt bê tông ở khu vực mô men âm của dầm thép liên hợp bê tông cốt thép

Ảnh hưởng của độ võng và vết nứt trong cầu dầm bê tông nhịp lớn là một vấn

đề rất nghiêm trọng Ngày nay, các nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng dầm hộp liên tục UHPC ứng suất trước thành mỏng một phương để giải quyết vấn đề này Nghiên cứu cho thấy loại kết cấu UHPC mới này có hiệu quả giảm vết nứt và độ võng dầm cầu Việc

sử dụng UHPC với cường độ chịu kéo lớn để thay thế cho bê tông thông thường có thể tăng đáng kể độ cứng bản mặt cầu, cải thiện ứng suất trong lớp phủ mặt cầu, giảm ứng suất mỏi cho kết cấu thép và giảm vết nứt hiệu quả Vì vậy, UHPC là vật liệu có tiềm năng rất lớn trong lĩnh vực xây dựng cầu nhịp lớn

1.4.2 Tổng quan về ứng dụng vật liệu UHPC cho công trình cầu tại Việt Nam

Hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng UHPC cho công trình cầu ở Việt Nam

đang rất được quan tâm Năm 2016 nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng có ứng dụng đầu tiên về việc sử dụng UHPC để chế tạo cầu cho người đi bộ với nhịp chính cầu Đập Đá tại khu vực 4, Phường III, thành phố Vị Thanh, tỉnh Hậu Giang Cầu có chiều dài nhịp là 18m, chiều rộng 2,2 m, hoạt tải phân bố 300 Kg/cm2

Năm 2019, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã nghiên cứu, thiết kế, xây dựng

và chuyển giao thành công cầu An Thượng tại tỉnh Hưng Yên bằng vật liệu UHPC [9] Cầu có 3 dầm tiết diện chữ I và tấm ván khuôn cho thi công bản mặt cầu làm bằng vật liệu UHPC Cầu An Thượng có tổng chiều dài (tính đến đuôi mố) là 31 m với tổng bề rộng mặt cắt ngang là 5 m, được thiết kế 1 nhịp 21 m (kết cấu UHPC có chiều dài lớn nhất lại Việt Nam tính đến thời điểm này) với hoạt tải thiết kế 0,5HL93

Bảng 1.5 Tổng hợp ứng dụng UHPC cho công trình cầu ở Việt Nam [16]

TT Tên cầu Vị trí Năm Dài x rộng - Tải trọng

TT Tên cầu Vị trí Năm Dài x rộng - Tải trọng

Kết quả nghiên cứu trên cho thấy, tiềm năng sử dụng vật liệu UHPC đã và đang được khẳng định trong xây dựng công trình cầu trên thế giới và ở Việt Nam Trong đó, việc ứng dụng UHPC cho công trình cầu ở Việt Nam có tính khả thi cao nhờ vào nguồn trữ lượng vật liệu chế tạo rất dồi dào và đa dạng Hiện nay, đã có một số doanh nghiệp trong nước được chuyển giao công nghệ và bước sản xuất thương mại sản phẩm UHPC,

có thể kể đến là Công ty TNHH Đầu tư và Xây dựng Thành Hưng, Công ty TNHH một thành viên bê tông Xuân Mai, Công ty Cổ phần BETON6, Công ty cổ phần bê tông ly tâm Thủ Đức 1 Tuy vậy, việc phát triển ứng dụng chưa được mở rộng do thiếu lý thuyết tính toán kết cấu, chưa ban hành các tiêu chuẩn về thiết kế, thi công và nghiệm thu đồng thời chưa có định mức vật liệu

1.5 Tổng quan nghiên cứu phương pháp xác định sức kháng uốn dầm UHPC

Khi nghiên cứu thiết kế uốn dầm UHPC DƯL, tác giả Graybeal [49] trình bày

“Cho đến khi hoàn thành một số lượng đáng kể các thí nghiệm uốn mô hình thực, thì không thể đưa ra một tập hợp các tham số chuẩn để sử dụng trong thiết kế uốn dầm UHPC DƯL” Sau đó một số nhà nghiên cứu đã thực hiện các nghiên cứu thiết kế uốn kết cấu UHPC Khi tính toán sức kháng uốn dầm UHPC, ứng suất khối Whitmey quen thuộc sử dụng cho kết cấu BTCT thông thường là không còn phù hợp và được thay thế bằng đường tuyến tính hoặc đường hai đoạn thẳng cho các cấu kiện UHPC Nhìn chung, các nghiên cứu đã xác định rằng mối quan hệ ứng suất – biến dạng cho UHPC kéo có ảnh hưởng đến khả năng chịu mô men uốn hơn quan hệ ứng suất – biến dạng nén Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc mô tả đặc trưng kéo của UHPC thông qua việc

sử dụng phương pháp thí nghiệm và xây dựng quan hệ ứng suất – biến dạng kéo phải dựa trên kết quả thí nghiệm đáng tin cậy

Đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo của UHPC có sự khác biệt cơ bản

so với bê tông thông thường Trong các cấu kiện bê tông thông thường, cường độ chịu kéo của bê tông bị bỏ qua Cường độ chịu kéo của UHPC tùy thuộc vào lượng cốt sợi

sử dụng Với một số hỗn hợp, cường độ chịu kéo cực đại lớn hơn cường độ xuất hiện vết nứt đầu tiên thể hiện tính chất tăng bền cơ học Ngoài ra, cường độ chịu kéo có thể vượt quá 15 MPa, đây là một đóng góp rất đáng kể cho khả năng chịu kéo của kết cấu

Sự lý tưởng hóa đường quan hệ ứng suất – biến dạng chịu kéo trong các cấu kiện UHPC tiếp tục là đề tài nghiên cứu với một số nhà nghiên cứu đề xuất một đường hai đoạn thẳng (dạng hình thang) và một số nhà nghiên cứu đề xuất một hình xấp xỉ dạng chữ nhật

Các phương pháp thiết kế uốn đã trình bày cho đến nay bao gồm biến dạng nén lớn nhất bằng hoặc cao hơn so với 0,003 [24, 47, 49, 70] Giới hạn biến dạng kéo được lấy trong hầu hết các nghiên cứu là 0,007 [49, 70], tương ứng với 70% biến dạng kéo thu được khi kéo tuột cốt sợi trong dầm ngay trước khi nứt lớn, biến dạng cục bộ và phá huỷ dầm

Trên thế giới, đã có các tiêu chuẩn và khuyến nghị thiết kế uốn dầm UHPC,

trong đó đáng chú ý là tiêu chuẩn của Pháp NF P18-710 (AFNOR), Thuỵ Sĩ SIA 2052 (SIA) và Canada CSA S6: 19 (CSA) Trong các tiêu chuẩn này, phương pháp thiết kế uốn dựa trên phân tích mặt cắt sử dụng nguyên lý cân bằng và tương thích biến dạng, đồng thời sử dụng các biểu đồ đường cong vật liệu UHPC để xác định ứng suất trên tiết diện ngang Trong tiêu chuẩn thiết kế của Pháp và Canada, khả năng chịu mô men uốn của dầm UHPC được xác định từ điều kiện cân bằng lực trên tiết diện ngang với biểu

đồ biến dạng tuyến tính gồm biên giới hạn biến dạng nén tương ứng với biến dạng vỡ UHPC và biên giới hạn biến dạng kéo tương ứng với kéo đứt cốt thép Đối với khuyến nghị thiết kế của Thuỵ Sĩ, khả năng chịu mô men uốn được tính toán khi biến dạng kéo trong tiết diện đạt đến giới hạn biến dạng kéo của UHPC (𝜀𝑡,𝑙𝑖𝑚), thu được từ kết quả thí nghiệm vật liệu

Các tác giả Gowripalan và Gilbert [47] đã phát triển bộ chỉ dẫn thiết kế cho dầm UHPC DƯL của DUCTAL Khi ước tính khả năng chịu mô men uốn của dầm UHPC DƯL, đề nghị sử dụng sự phân bố ứng suất và biến dạng trên tiết diện ngang với trường hợp có cốt thép dính bám và không dính bám như trình bày ở Hình 1.2, 1.3 Với tiết diện

ngang có dính bám cốt thép, biến dạng nén lớn nhất được giới hạn ε o,u = 0,0035 Cường

độ chịu uốn thiết kế thu được bằng cách nhân mô men lý thuyết với hệ số giảm cường

độ 𝜙 Hệ số giảm cường độ lấy bằng 0,8 cho trường hợp mặt cắt có cốt thép bó cáp dính bám và 0,7 cho trường hợp mặt cắt có cốt thép bó cáp không dính bám

Hình 1.2 Sự phân bố ứng suất – biến dạng ở trạng thái giới hạn cường độ cho

mặt cắt ngang chứa bó cáp dính bám [47]

Hình 1.3 Sự phân bố ứng suất – biến dạng ở trạng thái giới hạn cường độ cho

mặt cắt ngang chứa bó cáp không dính bám [47]

Tác giả Graybeal [49] đã đề nghị sử dụng các chỉ tiêu sau cho thiết kế uốn dầm UHPC DƯL:

(1) Cường độ chịu nén lớn nhất bằng 165 MPa, tương ứng với 0,85𝑓𝑐′ khi dưỡng

hộ nhiệt ẩm

(2) Cường độ chịu kéo bằng 10,3 MPa, tương ứng với 0,5 lần khả năng chịu kéo dọc trục trước và sau nứt

(3) Giá trị mô đun đàn hồi bằng 52,4 GPa

(4) Giới hạn biến dạng kéo 0,007, tương ứng với 70% biến dạng kéo thu được khi kéo tụt sợi trong dầm ngay trước khi nứt lớn, biến dạng cục bộ và phá huỷ dầm

Tác giả Almansour và Lounis [24] đã sử dụng một đường hai đoạn thẳng ở phía nén và bỏ qua sự đóng góp độ bền kéo khi ước tính sức kháng uốn của cấu kiện UHPC DƯL Sự phân bố ứng suất, biến dạng của dầm tiết diện chữ I – UHPC DƯL và bản mặt cầu được trình bày ở Hình 1.4

Hình 1.4 Sự phân bố ứng suất, biến dạng trên tiết diện ngang dầm I-UHPC chịu uốn ở trạng thái giới hạn cường độ, (a) Trường hợp trục trung hòa qua sườn; (b) Trục trung

hòa qua bản cánh trên [24]

Tác giả Aaleti và các cộng sự [70] đã đề xuất sự phân bố ứng suất, biến dạng để ước tính cường độ chịu uốn bản mặt cầu UHPC như Hình 1.5 Đề xuất này tương tự với

đề nghị của tác giả Graybeal [49] cho dầm I – UHPC DƯL, bao gồm các chỉ tiêu sau:

(1) UHPC thể hiện khả năng chịu kéo tốt sau khi đạt cường độ vết nứt đầu tiên, cho đến khi xảy ra hiện tượng cốt sợi thép bị kéo tuột ra khỏi bê tông ở biến dạng kéo

(ε tu) bằng 0,007 Giá trị này là một ước tính an toàn khi cốt sợi bị kéo tuột và được

khuyến nghị cho thiết kế Tương ứng với giới hạn cường độ chịu kéo (f tu) của UHPC được lấy là 8,27MPa

(2) UHPC thể hiện đặc trưng ứng suất – biến dạng tuyến tính khi nén đến khi phá hoại nén bắt đầu ở biến dạng nén bằng 0,0032 Vì vậy, biến dạng nén tại trạng thái giới

hạn cường độ (ε cu ) được lấy bằng 0,0032 và tương ứng với cường độ chịu nén (f cu) được lấy bằng 165MPa

Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất, biến dạng trên tiết diện ngang (a) trạng thái giới hạn sử

dụng; (b) trạng thái giới hạn cường độ [70]

Tác giả Naaman [60] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các quan hệ ứng suất – biến dạng khác nhau đến khả năng chịu mô men uốn của tiết diện bê tông cốt sợi Hình 1.6 trình bày các phân bố có thể xảy ra đối với sức kháng uốn danh nghĩa và Hình 1.7 trình bày các mô hình ứng suất khối tiêu biểu cho đơn giản hóa phân tích Các kết quả thu được:

(1) Trong tất cả các trường hợp, giá trị mô men uốn danh nghĩa M n, cho thấy độ nhạy rất ít đối với các hình dạng của khối ứng suất bê tông khi nén (hình chữ nhật, hình parabol hoặc hình tam giác) và bị ảnh hưởng chủ yếu bởi đặc trưng kéo của vật liệu

(2) Khi thay thế hình dạng khối ứng suất chịu kéo từ hình chữ nhật với ứng suất trung bình sau nứt 𝜎𝑝𝑐 thành hình tam giác với cùng ứng suất 𝜎𝑝𝑐 làm giảm mô đun phá hoại (MOR) khoảng 28 % Tác giả Naaman [60] định nghĩa MOR là giá trị lớn nhất của ứng suất uốn đàn hồi tương đương, ứng với sức kháng uốn danh nghĩa của một dầm