(Vật liệu mới) BÊ TÔNG CỐT SỢI CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TĂNG CƯỜNG CHO BẢN MẶT CẦU

Bê tông cốt sợi cường độ siêu cao (UHPFRC) là vật liệu gốc xi măng, thường cấu tạo bởi xi măng, cát thạch anh, silicafum và sợi. Nó có những đặc tính tuyệt vời: cường độ nén tương đối cao (≥150 MPa) và cường độ kéo (≥ 7MPa), độ bền biến dạng dưới ứng suất kéo (với một lượng sợi nhất định) và hệ số thấm rất thấp bởi chất kết dính được tối ưu hóa đặc chắc. Những tính chất này khiến UHPFRC phù hợp với những bộ phận kết cấu cần độ bền cơ học và chịu tác động của môi trường khắc nghiệt. Ví dụ, lớp mặt UHPFRC hoặc UHPFRC kết hợp với cốt thép (RUHPFRC) ở trên bề mặt của bản mặt cầu bê tông cốt thép là sự kết hợp hiệu quả làm tăng độ bền và cải thiện độ bền của các cấu kiện. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với những cấu kiện nơi mà UHPFRC chủ yếu chịu ứng suất kéo do tải trọng bánh xe. Bài báo trình bày một số kiến thức cơ bản về UHPFRC như là một loại vật liệu để cải thiện chất lượng cho bản mặt cầu. Thứ nhất, tính chịu kéo tĩnh của UHPFRC được mô tả. Sau đó, độ mỏi khi kéo của UHPFRC được giải thích dựa trên kết quả thực nghiệm. Cuối cùng, hai ví dụ về ứng dụng của UHPFRC cho bản mặt cầu ở Thụy Sĩ được trình bày.

BÊ TÔNG CỐT SỢI CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TĂNG CƯỜNG CHO BẢN MẶT CẦU Tohru MAKITA1 TÓM TẮT: Bê tông cốt sợi cường độ siêu cao (UHPFRC) vật liệu gốc xi măng, thường cấu tạo xi măng, cát thạch anh, silicafum sợi Nó có đặc tính tuyệt vời: cường độ nén tương đối cao (≥150 MPa) cường độ kéo (≥ 7MPa), độ bền biến dạng ứng suất kéo (với lượng sợi định) hệ số thấm thấp chất kết dính tối ưu hóa đặc Những tính chất khiến UHPFRC phù hợp với phận kết cấu cần độ bền học chịu tác động môi trường khắc nghiệt Ví dụ, lớp mặt UHPFRC UHPFRC kết hợp với cốt thép (R-UHPFRC) bề mặt mặt cầu bê tông cốt thép kết hợp hiệu làm tăng độ bền cải thiện độ bền cấu kiện Phương pháp đặc biệt hiệu cấu kiện nơi mà UHPFRC chủ yếu chịu ứng suất kéo tải trọng bánh xe Bài báo trình bày số kiến thức UHPFRC loại vật liệu để cải thiện chất lượng cho mặt cầu Thứ nhất, tính chịu kéo tĩnh UHPFRC mô tả Sau đó, độ mỏi kéo UHPFRC giải thích dựa kết thực nghiệm Cuối cùng, hai ví dụ ứng dụng UHPFRC cho mặt cầu Thụy Sĩ trình bày TỪ KHÓA: Cementitious material, Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC), Static tensile behaviour, Tensile fatigue behaviour, Improvement of bridge deck slabs GIỚI THIỆU Để bắt kịp với mức tăng tải trọng giao thông, mặt cầu cần phải tăng khả chịu tải trọng Từ người quản lý đường phải quản lý số lượng lớn cầu với ngân sách hạn chế, yêu cầu phải có phương pháp làm tăng cường độ mặt cầu Trong bối cảnh này, giải pháp đề xuất lớp mặt bê tông cốt sợi cường độ siêu cao (UHPFRC) UHPFRC kết hợp với cốt thép (R-UHPFRC) mặt cầu để cải thiện chất lượng cho mặt cầu giáo sư Eugen Brühwiler Viện Công nghệ Lausanne liên bang Thụy Sĩ vào năm 1999 (Hình 1) Do đặc tính UHPFRC cường độ nén cường độ kéo cao (≥ 150 and MPa, tương ứng), độ bền biến dạng ứng suất kéo mật độ nén cao, áp dụng UHPFRC chỗ cụ thể mà cấu kiện cần độ bền học chịu tác động môi trường khắc nghiệt can thiệp cấp tốc để tăng độ bền cải thiện độ bền cấu kiện Phương pháp đặc biệt hiệu cấu kiện nơi mà UHPFRC chủ yếu chịu ứng suất kéo tải trọng bánh xe Trong trường hợp này, chu kỳ lặp lại ứng suất kép đặt lên UHPFRC lớp R-UHPFRC độ mỏi kéo UHPFRC R-UHPFRC cần kiểm chứng trình thiết kế Tiến sĩ ès sc.,Công ty TNHH Nippon Expressway miền Trung, Nhật Bản Trong báo này, tính chịu kéo tĩnh UHPFRC mô tả Ngoài ra, độ mỏi kéo UHPFRC giải thích dựa kết thực nghiệm Cuối cùng, hai ví dụ ứng dụng UHPFRC cho mặt cầu Thụy Sĩ trình bày LỚP UHPFRC HOẶC R-UHPFRC UFPFRC or R-UHPFRC layer Hình Bản mặt cầu bê tông cốt thép cải tiến lớp UHPFRC (hoặc R-UHPFRC) TÍNH CHỊU KÉO TĨNH CỦA UHPFRC VÀ R-UHPFRC UHPFRC thuộc nhóm vật liệu composites xi măng cốt sợi cường độ cao (HPFRCC) (Hình 2) Điều làm nên khác biệt từ bê tông cốt sợi (FRC) độ bền biến dạng ứng suất kéo kèm theo nhiều microcracking Hình Phân loại theo cấp bậc vật liệu gốc xi măng [1] Một đặc trưng điển hình độ bền biến dạng ứng suất kéo UHPFRC miêu tả 03 lĩnh vực sau (Hình 3): - Miền đàn hồi bị ảnh hưởng tính chất chất kết dính đạt đến cường độ kéo tính chất gọi cường độ đàn hồi giới hạn fe Các vết nứt nhỏ bắt đầu xuất giá trị ứng suất vùng tiệm cận với giới hạn đàn hồi - Các vết nứt nhỏ khắc phục kiểm soát cốt sợi.Sau thêm cốt sợi Các vết nứt nhỏ xuất nhiều mẫu thí nghiệm miền bền biến dạng Tỷ lệ ứng - - suất kéo modun biến dạng giảm đáng kể Độ bền biến dạng kéo dài sức kháng đạt giới hạn độ bền kéo fu đạt phần yếu mẫu thử Trong miền biến dạng mềm vượt giới hạn bền, vết nứt xuất phần yếu nhìn thấy mắt thường Do để xác định vị trí biến dạng vùng nứt vùng bên phải tải trọng áp dụng Cuối cùng, mẫu thử gãy thành hai phần cuối trình hóa mềm Đồ bền kéo tĩnh UHPFRC phụ thuộc vào hướng cách bố trí cốt sợi Để gia tăng ổn định độ tin cậy cho độ bền kéo UHPFRC cách sử dụng thêm gia cố sử dụng thêm cốt sợi Figure Sơ đồ thể phản ứng lại lực kéo UHPFRC ĐỘ BỀN MỎI CỦA UHPFRC Các thí nghiệm nghiên cứu tính bền mỏi UHPFRC thực miền bền biến dạng kéo UHPFRC Chi tiết thí nghiệm báo cáo [4] Trong phần này, tóm tắt phát thí nghiệm độ bền mỏi UHPFRC Mẫu thí nghiệm UHPFRC sử dụng cho thí nghiệm độ bền mỏi đúc liền có mặt cắt ngang hình chữ nhật (Hình 4a) Hỗn hợp UHPFRC bao gồm 3% khối lượng cốt sợi thép có chiều dài 13mm có đường kính 0.16 mm sử dụng Xi măng loại CEM III/B có hàm lượng xỉ lò cao ( 66-80%) Mẫu thí nghiệm có chiều dài 750mm có mắt cắt ngang 150x40 mm.Đê mẫu thía nghiệm gãy vùng trung tâm dài 250 mm thí người ta gia cố thêm nhôm có kích thước 250x 150x2 mm phần cuối mẫu Hai biến áp vi sai biến đổi tuyến tính 250 mm cảm biến dịch chuyển với chiều dài đo dịch chuyển 50 mm sử dụng để đo mẫu biến dạng Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính lắp đặt hai mặt mẫu thử để đo biến dạng toàn phần Δℓg cảm biến dịch chuyển lắp đặt bề mặt mẫu để đo vị trí biến dạng Δℓ1 vúng liên tiếp Thí nghiệm độ bền mỏi vơi biên độ lực không đổi gồm thí nghiệm khác tiến hành ứng suất khác đặc trưng ứng suất mỏi áp dụng lớn σmax biến dạng áp dụng trước εpre Mỗi thử nghiệm mỏi mô tả sau, đường cong ứng suất biến dạng tĩnh mô tả theo Hình 4b: - Thí nghiệm S1: Ứng suất mỏi lớn miền đàn hồi Thí nghiệm S2: Biến dạng áp dụng ban đầu đưa vào miền bền biến dạng theo thí nghiệm bền mỏi - Thí nghiệm 3: Biến dạng áp dụng ban đầu đựa vào miền biến dạng dẻo theo thí nghiệm bền mỏi Ứng suất mỏi nhỏ σmin 0.82 Mpa cho thí nhiệm 10% σmax cho thí nghiệm Từ kết thử nghiệm vẽ sơ đồ SN, giới hạn chịu mỏi mức 10 triệu chu kỳ xác định vào khoảng 70%, 55-65% 45% giới hạn cường độ đàn hồi cho loạt S1, S2 S3, tương ứng (Hình 5) 10 triệu chu kỳ mỏi chọn số thực tế cho đại diện cho trục tải cầu có lưu lượng xe cao, coi biên miền mỏi chu kỳ cao Biến dạng toàn phần vị trí biến dạng vẽ sơ đồ theo số lượng số chu kỳ mỏi N thí nghiệm Đường cong biến dạng mỏi thu dược từ thí nghiệm cho thấy tính chất đặc biệt phân bố lại biến dạng cục bộ, thay đổi vị trí biến dạng thay đổi phạm vi biến dạng Biến dạng gây tải trọng trước tương đối cao thí nghiệm 3, biến dạng lại có số biến dạng mỏi trội tính biến dạng mỏi đáng lưu ýđã không quan sát (a) (b) Figure (a) Hình dạng mẫu thử UHPFRC thiết bị đo lường and (b) Sơ đồ kéo tĩnh UHPFRC định nghĩa thí nghiệm mỏi (c) Hình Biểu đồ S-N (a) chuỗi S1, (b) chuỗi S2 (c) chuỗi S3 ỨNG DỤNG Từ năm 2004, Thụy Sĩ, UHPFRC R-UHPFRC áp dụng thành công cho nhiều kết cấu bê tông xây dựng cầu đường công trình xây dựng để cải thiện khả chịu tải độ bền [5, 6] Hai trường hợp ứng dụng thực tế UHPFRC R-UHPFRC mô tả phần 4.1 CẦU BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP CỦA ĐƯỜNG LIÊN BANG Bê tông cốt thép toàn khối (RC) cầu (Pont des Vernettes) xây dựng vào năm 1963 với cột hỗ trợ gia cường cách áp dụng UHPERC R-UHPFRC cho toàn bề mặt sàn bao gồm lề đường vào mùa thu năm 2011 Cây cầu nằm gần Lausanne phần đường giao thông liên bang (Hình 6a) Khả chịu tải cầu xác định không đủ với loại xe tương lai Bên cạnh đó, bề mặt sàn cầu xấu clorua ăn mòn thép UHPFRC dày 25mm thiết kế cho việc củng cố chống thấm sàn, ngoại trừ khu vực cột nơi thiết kế để nâng cao khả chịu uốn kháng cắt với cốt thép vằn đường kính từ 18mm đến 22mm lớp UHPFRC dày 65mm (Hình 7) Hỗn hợp UHPFRC gồm có xi măng, bột khoáng đá vôi, silica fume, cát thạch anh, sợi thép 4.5% khối lượng phụ gia siêu dẻo Bột khoáng đá vôi sử dụng kinh tế, tính khả thi thân thiện môi trường UHPFRC [7] Vật liệu UHPFRC chuẩn bị chỗ pha trộn khoảng 300 lít cho mẻ Đầu tiên gỡ bỏ làm nhám bề mặt RC sâu từ 20mm đến 40mm tia nước áp lực cao UHPFRC sau đúc với công tụ tiêu chuẩn đơn giản (Hình 6b) Cuối áo đường bitum áp dụng nhũ tương bitum bề mặt UHPFRC sau ba ngày kể từ ngày đóng rắn Giao thông hai chiều giữ đường công vụ Hình (a) Cầu Pont des Vernettes (b) Thi công UHPFRC với công cụ đơn giản 13.40 m R-UHPFRC: 65 mm UHPFRC: 25 mm (rebar: Φ18,Φ22) UHPFRC: 25 mm (a) (b) Hình (a) Mặt (b) mặt cắt ngang A-A cầu Pont des Vernettes 4.2 DẦM HỘP BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC CHO CẦU TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC [8] Vào mùa hè năm 2014 2015, R-UHPFRC bao phủ mặt sàn 2.150 m-dài hai dầm hộp bê tông dự ứng lực song song cầu cạn Chillon xây dựng vào năm 1969 (hình 8a) Mỗi cầu chống đỡ hai mươi hai cột chia thành năm phần độc lập việc sử dụng khe co giãn Các cầu nằm bờ hồ Geneva gần Montreux Thụy Sĩ, lưu lượng đường cao tốc A9 nối liền khu vực hồ Geneva bang Valais với khoảng 50.000 xe ngày Trong thời gian thi công cải tạo năm 2012, phát cầu bị ảnh hưởng phản ứng cốt liệu kiềm (AAR) Để làm chậm tốc độ AAR, bê tông cần phải bảo vệ khỏi xâm nhập nước Bên cạnh đó, để tránh việc giảm cường độ bê tông AAR, sàn dầm hộp cần thiết kế tăng cường Do đó, Lớp UHPFRC với thép vằn đường kính 12mm thiết kế dày 40-50mm để chống thấm tăng cường độ (Hình 8b) Trong ứng dụng này, UHPFRC yêu cầu để hiển thị hành vi “ Biến dạng – độ cứng” ứng suất kéo tĩnh Ngoài ra, UHPFRC cần phải có tính trực hướng đúc dốc lên đến 7% Vật liệu UHPFRC chuẩn bị trạm trộn chỗ khoảng 500 lít pha trộn mẻ Sau gia công bề mặt tạo nhắm sàn với tia nước áp lực cao, thép vằn lắp đặt, sau UHPFRC đúc cách sử dụng máy rải đặc biệt mà đặt, đầm kết thúc UHPFRC (Hình 8c) Xe tải Dumper cung cấp thường xuyên cho máy UHPFRC tươi Để chắn bê tông sàn không tiếp xúc với nước, màng chống thấm sử dụng bề mặt UHPFRC 80mm dày vỉa hè bitum cuối đặt Công việc sửa chữa thực cho cầu phía nam vào mùa hè năm 2014 cầu nối hướng Bắc vào mùa hè năm 2015 Tất công việc sửa chữa tiến hành vòng tháng cho cầu Giao thông hai chiều đảm bảo suốt thời gian nâng cao chất lượng sửa chữa (a) 12.10 m R-UHPFRC: 40 ~ 50 mm (rebar: Φ12) (b) (c) Hình (a) cầu cạn Chillon, (b) mặt cắt ngang điển hình cầu cạn Chillon (c) máy rải đặc biệt cho máy đúc UHPFRC KẾT LUẬN Trạng thái kéo tĩnh chịu mỏi kéo UHPFRC giải thích đặc tính tuyệt vời Áp dụng UHPFRC cho cầu Thụy Sĩ để cải thiện khả chịu tải độ bền Hiệu công nghệ chứng minh 10 năm kinh nghiệm Thụy Sĩ, Nhật Bản, nhà đầu tư bắt đầu phát triển UHPFRC đổ chỗ hỗn hợp cách sử dụng vật liệu địa phương bao phủ mặt sàn RC cầu đường cao tốc TÀI LIỆU THAM KHẢO Habel, K., Structural Behaviour of Elements Combining Ultra-High Performance Reinforced Concretes (UHPFRC) and Reinforced Concrete, Doctoral thesis No 3036, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2004 http://infoscience.epfl.ch/record/33507 Wuest, J., Denarié, E and Brühwiler E., “Measurement and modelling of fibre distribution and orientation in UHPFRC”, Proceedings of the 5th workshop on High Performance Fiber Reinforced Cement Composites (HPFRCC-5), Mainz, Germany, 2007 Oesterlee, C., Structural response of reinforced UHPFRC and RC composite members, Doctoral thesis No 4848, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2010 http://infoscience.epfl.ch/record/150553 Makita, T and Brühwiler, E., “Tensile fatigue behaviour of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC)”, Materials and Structures, Vol 47, Issue 3, 2014, 475-491 Brühwiler, E and Denarié, E., “Rehabilitation and strengthening of concrete structures using Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete”, Structural Engineering International, Vol 23, No 4, 2013, 450-457 Denarié, E and Brühwiler, E., “Cast-on site UHPFRC for improvement of existing structures – Achievements over the last 10 years in practice and research”, Proceedings of the 7th workshop on High Performance Fiber Reinforced Cement Composites (HPFRCC7), Stuttgart, Germany, 2015 Denarié, E., Kazemi-Kamyab, M., Brühwiler, E., Haddad, B and Nendaz S., “Béton fibré ultra performant pour la maintenance, un nouvel élan”, Tracés, Vol 137, Issue 12, 2011, 20-23 Brühwiler, E., Bastien-Masse, M., Mühlberg, H., Houriet, B., Fleury, B., Cuennet, S., Schär, P., Boudry, F and Maurer, M “Strengthening the Chillon viaducts deck slabs with reinforced UHPFRC”, Proceedings of IABSE Conference – Structural Engineering: Providing Solutions to Global Challenges, Geneva, Switzerland, 2015