tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu

Chúng ta có thể nghĩ đến khả năng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu ở Việt Nam để có thể áp dụng thay thế cho một số dạng kết cấu cầu, đường bộ hiệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN LỘC KHA

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ HỌC

BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VÀ ỨNG DỤNG

TRONG KẾT CẤU CẦU

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ: 62.58.25.01

TÓM TẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS-TS Phạm Duy Hữu

2 PGS-TS Nguyễn Ngọc Long

HÀ NỘI - 2013

lên đến từ 100 -:- >200MPa, khả năng chịu kéo khi uốn lên đến 40MPa, khả năng chịu cắt tăng cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và đặc biệt là có độ bền và sự ổn định lâu dài Hiện nay trên thế giới đang từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu công trình

Ở Việt Nam, đang phát triển cơ sở hạ tầng, nhiều công trình cầu, đường hiện đại đang được xây dựng, nên việc nghiên cứu phát triển một loại vật liệu bê tông mới có cường độ siêu cao để tăng khả năng chịu lực, độ bền của công trình là vấn đề cần thiết

Chúng ta có thể nghĩ đến khả năng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng

bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu ở Việt Nam để có thể áp dụng thay thế cho một số dạng kết cấu cầu, đường bộ hiện nay và từng bước nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao này trong thiết kế một số các kết cấu của công trình cầu, đường, các nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác

Đó chính là lý do Nghiên cứu sinh chọn đề tài để nghiên cứu

Tên đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông cường độ

siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu”

Mục đích nghiên cứu:

Hướng lý thuyết: Lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu đã được Larard

trình bày Các hướng dẫn tính toán thành phần theo cấp phối tối ưu của Fuller năm 1997 Các nghiên cứu thực nghiệm định lượng được thực hiện bỡi SETRA/AFGC năm 2002; phương pháp thiết kế theo DIN; phương pháp thiết

kế theo ACI-544… Các lý thuyết này nghiên cứu sinh sử dụng trong nghiên cứu của mình

Hướng thực nghiệm: Định lượng lại thông qua thực nghiệm và từ thực

nghiệm xác định lại các hệ số của các công thức Đây cũng là một hướng được một số nước như Hàn Quốc, Mỹ thực hiện Hướng và mục đích của nghiên cứu sinh thực hiện; tức là tiến hành theo hướng định lượng lại mô hình vật liệu từ các điều kiện vật liệu ở Việt Nam thông qua các thí nghiệm

và cũng từ các thí nghiệm xác định lại công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn nhằm tạo ra các thông số phục vụ tính toán kết cấu

Đối tượng nghiên cứu: Từ vật liệu trong nước, nghiên cứu thực nghiệm xác

định mô hình vật liệu và chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao có cường độ

120 -:- 140MPa và ứng dụng trong kết cấu cầu

Phạm vi nghiên cứu: Định lượng lại mô hình vật liệu thông qua thí nghiệm,

Phân tích thực nghiệm ứng xử uốn của dầm để tìm công thức t, phân tích ứng xử uốn dầm cầu để xác định chiều cao mới của dầm cầu Nghiên cứu sinh chỉ nghiên cứu dầm cầu dưới tác dụng của tải trọng tỉnh, các tải trọng động, tải trọng lặp chưa đề cập trong luận án này

Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài:

- Về lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết tính toán về độ đặc tối ưu

để thiết kế cấp phối bê tông cường độ siêu cao Phân tích ứng xử uốn của dầm và dầm cầu để tìm ra công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn t và chiều cao dầm cầu

- Về thực nghiệm: Tìm kiếm vật liệu, chế tạo ra cấp phối vật liệu bê tông

cường độ siêu cao từ 120 -140MPa với vật liệu trong nước Từ thực nghiệm nêu lên các đặc trưng cơ học của bê tông cường độ siêu và đề xuất công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn t; phân tích ứng xử uốn của dầm cầu và đề xuất chiều cao dầm cầu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1.Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã được công bố trên thế giới

Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu mới được nghiên cứu

và phát triển trên thế giới từ năm 1990 Các ứng xử cơ học, các công thức về tính toán cũng như các hướng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng đã được công

bố ở Pháp, Mỹ và Đức Một số ứng dụng đầu tiên ở Cananda, Châu Âu, Châu

Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích của loại vật liệu mới này về chi phí, tính bền vững và nhiều tính năng ưu việt khác

Với những ưu điểm vượt trội của bê tông này, cho phép chúng ta có những suy nghĩ về việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu thành phần trong nước, trên cơ sở tham khảo những kết quả nghiên cứu của các nước trên thế giới, sẽ mở ra một hướng đi mới trong ngành vật liệu xây dựng và kết cấu công trình

1.2 Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ, ở Châu Âu

Hình 1.1: So sánh về trọng lượng và chiều cao c

bê tông truy

Hình 1.2: Các cầu sử dụng bê tông cường đ

u cao của dầm bê tông cường độ siêu cao và

bê tông truyền thống

ng độ siêu cao mặt cắt dầm chữ T và chữ  ở

Mỹ

Hình 1.4: Mái nhà cửa sổ Millau năm

2004

Hình 1.6: Thử nghiệm khả năng chịu

công phá sử dụng trong quân sự Iran

Như vậy bê tông cường độ siêu cao đối với Thế giới và Việt Nam vẫn còn mang tính thời sự rất lớn, cần thiết có nhiều nghiên cứu để chế tạo ra

bê tông này từ vật liệu trong nước góp phần bổ sung hoàn thiện hệ thống lý luận, tính toán và từng bước đưa vào ứng dụng thử nghiệm cho một số công trình xây dựng

1.4.Mục tiêu của đề tài

Từ vật liệu trong nước, theo các hướng dẫn của thế giới; nghiên cứu chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao từ 120 -:- 140MPa Nghiên cứu thực nghiệm uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao để xác định hệ số K trong công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao từ đó đề xuất chiều cao của dầm cầu

1.5.Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, thí nghiệm các tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa Phân tích uốn kết cấu dầm, dầm cầu và từ đó định hướng sử dụng trong kết cấu Sử dụng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để xác định về thành phần, các tính năng cơ học của bê tông cường độ siêu cao và công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn và chiều cao dầm cầu

Chương 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN

BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 2.1 Vật liệu chế tạo:

2.1.1/ Xi măng, phụ gia siêu dẻo và muội Silic

Nghiên cứu sinh sử dụng xi măng PC40-Bút Sơn loại I phù hợp với quốc tế và thực tế xi măng ở Việt nam

Luận án sử dụng phụ gia Policacbol silat của hãng Sika Việt Nam với

kí hiệu 3000-20 các tính năng phù hợp tiêu chuẩn ASTM C494 loại C

Luận án sử dụng muội Silic do Sika Việt Nam bán trên thị trường cũng có tính năng đảm bảo các tiêu chuẩn ASTM 1230-95a, hình 2.1

Hình 2.1: Mu

2.1.2/ Cốt liệu lớn và bột quarzt

Cốt liệu lớn: Sử dụng cát quar

Thanh Sơn-Phú Thọ theo các tiêu chu

sinh đã khai thác chế tạo cát Quartz (là v

phối bê tông) đường kính lớn nhất là 0,6 mm

2.1 và hình 2.2

Bảng 2.1: Thành phần cấp phối hạt của cát

0,63 0,315 0,14 0,075 Bột Quartz được nghiền nhỏ từ đá Q

kính khoảng 27,9m như hình 2.3

Hình 2.2: Cát Quartz

2.1.3/ Sợi thép

Sử dụng sợi thép của hãng BeKeart

OL13-20 có đường kính D = 0,2 mm chi

2.000 MPa, với hàm lượng là 2% theo th

Hình 2.4

Như vậy các vật liệu chính đượ

độ siêu cao và các thí nghiệm sau này

và bột Quartz được chế tạo từ đá Quartz khai t

: Muội silic

ng cát quarzt được nghiền ra từ đá quarzt tại mỏ tiêu chuẩn hướng dẫn của quốc tế Nghiên cứu (là vật chất dạng hạt lớn nhất trong cấp

t là 0,6 mm, thành phần cấp phối như bảng

ần cấp phối hạt của cát Quarzt

Lượng lọt trên sàng i, A%

100 67,1 41,6 13,9

đá Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ với đường

Hình 2.3: Bột Quartz

a hãng BeKeart Đức, sợi thép loại Dramix kí hiệu là

ng kính D = 0,2 mm chiều dài L = 13 mm Giới hạn chảy là

thể tích, như ở hình 2.4

4: Sợi thép

ợc sử dụng trong bê tông bê tông cường

m sau này là Xi măng PC 40 Bút Sơn Cát Quartz

đá Quartz khai thác từ mỏ đá Thanh Sơn –Phú

7Thọ, muội Silic và phụ gia siêu dẻo củ

được nhập từ Thượng Hải Trung Quốc Đánh giá v

cho thấy rằng có đủ nguồn vật liệu có s

chuẩn quốc tế để chế tạo bê tông cường đ

2.2/ Chế tạo bê tông cường độ siêu cao

2.2.1/ Mở đầu

Trong luận án, lý thuyết tối ưu hóa đ

được sử dụng nghiên cứu tính toán chính, lý thuy

tối ưu Fuller sẽ được xem xét đối chiếu

2.2.2/ Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông

Từ lý thuyết tối ưu hóa độ đặc của Mooney

Thomson, Larard nghiên cứu sinh đã ti

3 công thức bê tông được kí hiệu như sau: C1, C2, C3

2.2.3/ Kiểm tra cấp phối

Căn cứ vào các công thức bê tông

tông và đối chiếu với đường cấp phối tối

7

ủa hãng Sika Việt Nam, sợi thép Dramix

c Đánh giá về nguồn cung cấp vật liệu

u có sẵn ở Việt Nam phù hợp với các tiêu

ng độ siêu cao

siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc

i ưu hóa độ đặc của Mooney và Larrad chính, lý thuyết về đường cong cấp phối

u

p bê tông

ộ đặc của Mooney, theo các hướng dẫn của

ã tiến hành tính toán và đã thiết lập được

Hình 2.6: Cấp phối của bê tông cường độ siêu cao đối chiếu với cấp phối Fuller

Kết quả kiểm tra đối chiếu cấp phối thiết kế C1, C2, C3 cho thấy rằng các cấp phối được thiết kế rất sát với cấp phối theo công thức của Fuller

Nghiên cứu ở chương 2 đã đạt được kết quả sau

- Đã khai thác và chế tạo cát và bột quartz theo tiêu chuẩn

- Đã lựa chọn được các loại xi măng, muội Silic, sợi thép phù hợp với

bê tông cường độ siêu cao

- Sử dụng mô hình tối ưu hoá độ đặc đã thiết kế được thành phần bê tông C1, C2, C3

- Kiểm tra thành phần cấp phối hạt phù hợp với các nghiên cứu của Pháp và lý thuyết cấp phối tối ưu của Fuller

Chương 3: THÍ NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ NÉN, UỐN VÀ MÔ ĐUN ĐÀN

HỒI CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO

3.1.2/ Ứng xử kéo khi uốn

Ứng xử kéo khi uốn của vật liệu được đặc trưng bằng 3 giá trị thí nghiệm như sau:

- Cường độ kéo khi uốn đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao (ftj) Giá trị này ứng với phần biến dạng đàn hồi ở thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên với biến dạng tương đối là 1‰ Trị số độ mở rộng vết nứt là 0,05mm, độ võng trong phạm vi 1mm

- Cường độ chịu kéo uốn lớn nhất (ứng với mômen uốn lớn nhất) thông thường ứng với biến dạng là 3‰

- Cường độ chịu kéo khi uốn ở thời điểm biến dạng tối đa ứng với độ võng của dầm thí nghiệm là 10mm, thí nghiệm cường độ kéo uốn được thực hiện theo Tiêu chuẩn của Châu Âu (RILEM)

3.1.3/ Quy trình thí nghiệm uốn mẫu tr

Hai loại thí nghiệm được đề xuất trên th

Kiểu 1: Thí nghiệm uốn 4 điểm trên m

suy ra cường độ chịu kéo sau khi điều ch

Kiểu 2: Thí nghiệm uốn 3 điểm trên m

pháp phân tích ngược theo hướng dẫn c

Nghiên cứu sinh chọn phương pháp thí nghi

theo hướng dẫn của Châu Âu (hình 3.1)

3.1.4/ Kích thước mẫu (theo tiêu chu

Các mẫu hình lăng trụ mặt c

a=15cm Mẫu thử có kích thước: 15*15*60

a Thiết bị thí nghiệm

Trong thí nghiệm uốn 4 điểm

bị đo cần được cố định trên mẫu bằng một bộ phận đặc biệt để đo độ vthực của mẫu khi thí nghiệm (hình 3.1)

Biết độ võng f0 ứng với đoạn cuối của v

nứt (w) được đánh giá qua quan hệ độ v

(theo tiêu chuẩn Châu Âu)

ắt vuông cạnh a và chiều dài 4*a, với c: 15*15*60 (cm)

theo các hướng dẫn của Châu Âu, thiết

ẫu bằng một bộ phận đặc biệt để đo độ võng 1)

hí nghiệm uốn 4 điểm

ệm cần được thực hiện với tần số 5 Hz

ến dạng…

ới đoạn cuối của vùng đàn hồi, độ mở rộng vết

ộ võng theo hướng dẫn của (SETRA –

chảy lan, cường độ chịu nén theo bảng

Ngày đúc mẫu 29/3/2011 1/4/2011 6/4/2011

Bảng 3.2: Kết quả cường độ chịu nén

115,51 113,06

5,57

142,56 139,21

6,21

Ri: Cường độ nén ngày thứ i

TBi: Cường độ nén trung bình ngày thứ i

Si: Độ lệch chuẩn theo cường độ nén ngày thứ i

Bảng 3.3: Cường độ trung bình của các nhóm mẫu

(MPa)

Độ lệch chuẩn (S)

Biến dạng tương đối

Hình 3.4: Quan hệ giữa cường độ chịu

+Kết quả thử nghiệm cường độ chịu kéo - uốn

Thí nghiệm uốn 4 điểm được thực hiện tại trường Đại Học Giao thông Vận tải Trình tự thí nghiệm uốn tuân thủ theo hướng dẫn của RILEM,

hình 3.6

Hình 3.6: Thí nghiệm uốn và dạng phá hoại mẫu

Kết quả thí nghiệm được trình bày ở trong bảng 3.4, hình 3.7

Bảng 3.4: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng

0 50 100 150

M Pa

3 28

Hình 3.7: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng

Quan hệ giữa cường độ và độ mở rộng vết nứt, biến dạng… trong trường hợp uốn 4 điểm được tính theo hướng dẫn của SETRA/AFGC, kết quả

Biến dạng (o/oo)

Tải trọng P(kN)

Cường độ chịu kéo khi uốn

Ru (MPa)

Cường độ đặc trưng 0,7265xRu (MPa)

+ Mô hình ứng suất biến dạng

Xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng theo

Âu (SETRA/AFGC) cho nhóm mẫu C3

hình 3.8

Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suấ

cao nhóm mẫu C3 lập theo hư

+Thử nghiệm Mô đun đàn h

- Thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh và h

cao theo tiêu chuẩn ASTM mẫu kích thư

ựng biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng theo hướng dẫn Châu

ẫu C3 làm cơ sở cho việc phân tích kết cấu,

ất - biến dạng của bê tông cường độ siêu hướng dẫn của SETRA/AFGC

E (Mpa) 46500 47200 49300

+Bình luận kết quả

Căn cứ vào kết quả thí nghiệm thì thấy rằng : E= 9200 x f1/3cj

Hệ số K0 =9200, nằm trong khoảng hướng dẫn của các tiêu chuẩn Châu Âu

+Kết luận về khả năng chịu nén, kéo khi uốn và mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao

Với 3 thành phần bê tông đã thực hiện cho thấy cấp phối C3 (theo bảng 3.7) có cường độ nén cao nhất là 139,2 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đặc trưng lớn nhất là 24,22MPa

Bảng 3.7: Thành phần của bê tông cấp phối C3

- Độ chảy lan của hỗn hợp thử nghiệm từ 45 – 64 cm, phù hợp với

các yêu cầu quốc tế độ chảy lan >50cm

- Cường độ chịu nén của bê tông cường độ siêu cao thử nghiệm đạt

từ 125,6 đến 139,2 MPa ở 28 ngày tuổi Với biến dạng tương đối đạt xấp xỉ 3,5‰

- Cường độ chịu kéo khi uốn ở vết nứt đầu tiên: từ 9,8 – 12,06 MPa ; Cường độ chịu kéo uốn lớn nhất : từ 16,36 – 33,49 MPa Cường độ chịu kéo uốn với độ võng 10mm : từ 2,03 - 3,9 MPa Cường độ đặc trưng đàn hồi : từ 7,12 – 8.76 MPa Cường độ đặc trưng lớn nhất : từ 11,8 – 24,22MPa

- Mô đun đàn hồi thí nghiệm đạt

trong khoảng từ 45 – 55 GPa theo các thí nghi

- Mô hình ứng suất – biến dạng phục vụ cho tính to

hướng dẫn của Châu Âu cho nhóm mẫu C3

Chương 4 : NGHIÊN CỨU THỰ

XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐ

BÊ TÔNG CƯỜNG Đ 4.1/ Đặt vấn đề nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu của ACI-544 thì mô t

tông cốt sợi thông thường cấp 40MPa,

Kết quả nghiên cứu của Imam et al (1995)

tông cốt sợi thép cường độ cao (HPC)

Như vậy với dầm bê tông cường độ siêu cao

MPa, thì sử dụng công thức tính cường đ

hợp? Nghiên cứu này nhằm từ thực nghi

để đánh giá và tìm ra sự phù hợp của công th

() của bê tông cường độ siêu cao

4.2/ Cơ sở nghiên cứu phân tích ứng x

bê tông cường độ siêu cao.

Chọn phương pháp nghiên cứu từ tiêu chu

(Biểu đồ ứng suất - biến dạng tính toán

Imam như hình 4.1)

Hình 4.1: Biểu đồ tính toán kết c

(a): Biểu đồ phân bố lực ; (b): Biểu đ

Theo ACI-544, công thức tính Mô men u

ồi thí nghiệm đạt : 46,2 – 49,3 GPa Trị số này nằm

55 GPa theo các thí nghiệm quốc tế

ến dạng phục vụ cho tính toán được lập theo

a Imam et al (1995) tính cường độ chịu kéo khi uốn bê

cấp bê tông <100MPa

siêu cao, cường độ chịu nén từ 120 -140

ng độ chịu kéo khi uốn như thế nào là phù

c nghiệm và áp dụng các lý thuyết tính toán công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn

ng xử uốn của dầm bê tông cốt thép với

tiêu chuẩn ACI-544 và Imam et al (1995) tính toán đã được xây dựng theo ACI -544 và

t cấu dầm chịu uốn theo ACI -544

u đồ ứng suất; (c): Biểu đồ biến dạng

c tính Mô men uốn của dầm bê tông cốt sợi thép như

(4-2)

a bê tông cốt sợi thép