Nghiên cứu lớp mặt cầu bằng bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi thép (UHPFRC) trên bản thép trực hướng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG VĂN SỸ NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG VĂN SỸ NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt Mã số: 62.58.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Phạm Duy Hữu TS Trần Việt Hùng HÀ NỘI, 2017 i LỜI CÁM ƠN Luận án thực Bộ môn Công trình giao thông thành phố Công trình thủy, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vận tải hướng dẫn GS.TS Phạm Duy Hữu TS Trần Việt Hùng Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết sâu sắc tới GS.TS Phạm Duy Hữu TS Trần Việt Hùng tận tình hướng dẫn khoa học suốt trình thực luận án Tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô giáo Bộ môn Công trình giao thông thành phố Công trình thủy - Trường Đại học Giao thông vận tải động viên, giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cám ơn phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập trường Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Vật liệu xây dựng, Phòng Thí nghiệm vật liệu xây dựng, Trung tâm khoa học công nghệ Giao thông vận tải - Trường Đại học Giao thông vận tải tạo điều kiện giúp đỡ thực nghiên cứu thực nghiệm Cuối bày tỏ cảm ơn đồng nghiệp, gia đình người thân giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2017 Tác giả Đặng Văn Sỹ ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả luận án xin cam đoan công trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực chưa công bố công trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả Đặng Văn Sỹ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii  MỤC LỤC iii  DANH MỤC CÁC BẢNG x  MỞ ĐẦU 1  CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG .5  1.1 Mở đầu 5  1.2 Thành phần, tính UHPFRC 5  1.2.1 Thành phần UHPFRC 5  1.2.2 Tính học UHPFRC 9  1.2.3 Tính độ bền UHPFRC 15  1.3 Mô hình ứng xử uốn thiết kế UHPFRC 17  1.3.1 Chỉ dẫn thiết kế UHPFRC AFGC [23]: 18  1.3.2 Chỉ dẫn Hội kỹ sư xây dựng Nhật JSCE [65] 19  1.3.3 Chỉ dẫn thiết kế Australia 20  1.3.4 Hướng dẫn tính toán Mỹ 20  1.3.5 Các nghiên cứu nước 21  1.4 Lớp phủ mặt cầu thép trực hướng bê tông cốt sợi 23  1.4.1 Giới thiệu mặt cầu trực hướng lớp phủ mặt cầu 23  1.4.2 Ứng dụng mặt cầu trực hướng 25  1.4.3 Các hư hỏng mặt cầu thép trực hướng 28  1.4.4 Các mô hình sử dụng lớp phủ mặt cầu bê tông cốt sợi 30  1.4.5 Các nghiên cứu lớp phủ bê tông cốt sợi thép trực hướng 33  1.5 Xác định vấn đề nghiên cứu Luận án 37  1.5.1 Nhận xét 37  1.5.2 Các vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu 39  1.6 Kết luận chương 39  iv CHƯƠNG THÀNH PHẦN VÀ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI 40  2.1 Đặt vấn đề 40  2.2 Vật liệu chế tạo 40  2.2.1 Xi măng 40  2.2.2 Phụ gia siêu dẻo 41  2.2.3 Muội silic 42  2.2.4 Cát 42  2.2.5 Bột quartz 43  2.2.6 Sợi thép 43  2.3 Thiết kế thành phần UHPFRC-V 44  2.3.1 Mục tiêu thiết kế thành phần UHPFRC-V 44  2.3.2 Phương pháp thiết kế dựa lý thuyết tối ưu độ đặc 44  2.3.3 Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông 47  2.4 Chế tạo UHPFRC-V 49  2.4.1.Thành phần cấp phối cho mẻ trộn 49  2.4.2.Trình tự thời gian trộn 49  2.4.3 Bảo dưỡng bê tông 50  2.4.4 Nội dung số lượng mẫu thí nghiệm 50  2.5 Thí nghiệm xác định tính học UHPFRC-V 51  2.5.1 Phương pháp thí nghiệm 51  2.5.2 Kết thí nghiệm 54  2.6 Xác định ứng xử kéo uốn UHPFRC-V 59  2.6.1 Phân tích ngược xác định ứng xử kéo uốn UHPFRC-V 59  2.6.2 Mô hình ứng xử kéo uốn UHPFRC-V: 70  2.6.3 Mô hình ứng xử nén UHPFRC-V 71  2.6.4 Phân tích phương pháp PTHH 72  2.7 Kết luận chương 75  v CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN ÂM CỦA UHPFRCV TRÊN BẢN THÉP 77  3.1 Mở đầu 77  3.2 Mô hình ứng dụng UHPFRC-V mặt cầu trực hướng 77  3.3 Lựa chọn mô hình thí nghiệm 78  3.4 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 80  3.4.1 Vật liệu chế tạo 80  3.4.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 81  3.5 Phương pháp trình tự thí nghiệm 83  3.5.1 Thiết bị thí nghiệm 83  3.5.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: 85  3.5.3 Tiến trình thí nghiệm 86  3.6 Kết thí nghiệm 86  3.6.1 Quan sát ứng xử mẫu trực quan 86  3.6.2 Biểu đồ tải trọng - biến dạng kéo lớn UHPFRC-V 88  3.6.3 Biểu đồ tải trọng - độ võng: 92  3.6.4 Quan hệ tải trọng - bề rộng vết nứt 94  3.6.5 Quan hệ tải trọng - biến dạng mặt bên mẫu 98  3.7 Mô hình ứng xử uốn UHPFRC-V thép 99  3.7.1 Phân tích ngược phương pháp giải tích 99  3.7.2 Kiểm chứng mô hình phương pháp phần tử hữu hạn 106  3.8 Kết luận chương 108  CHƯƠNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG CÓ LỚP PHỦ BẰNG UHPFRC-V 110  4.1 Mở đầu 110  4.2 Cơ chế ứng xử học, phương pháp tính toán, phân tích kết cấu OSD 110  4.2.1 Các chế ứng xử kết cấu OSD 111  4.2.2 Phương pháp phân tích kết cấu mặt cầu thép trực hướng 113  4.3 Các trạng thái giới hạn 115  4.3.1 Trạng thái giới hạn mỏi 115  4.3.2 Trạng thái giới hạn UHPFRC-V [23] 116  vi 4.4 Ứng xử UHPFRC-V OSD phương pháp giải tích 118  4.4.1 Mô men âm mặt cầu trực hướng tải trọng khai thác 119  4.4.2 Mô men gây nứt mặt cắt 121  4.4.3 Ứng suất, biến dạng mặt cắt liên hợp thép - UHPFRC-V 124  4.5 Phân tích ứng xử kết cấu OSD có lớp phủ UHPFRC-V 126  4.5.1 Mục tiêu phân tích 126  4.5.2 Giới thiệu phần mềm, lựa chọn phần tử 127  4.5.3 Mô hình, vật liệu, điều kiện biên 127  4.5.4 Kết phân tích 132  4.6 Kết luận chương 136  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138  Những kết đạt luận án: 138  Những đóng góp luận án 139  Hạn chế đề tài: 139  Kiến nghị hướng nghiên cứu 139  DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ i  TÀI LIỆU THAM KHẢO ii  vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU Tiếng Anh ACI : (American Society for Testing and Materials) Hội thí nghiệm vật liệu Mỹ AFGC : (Association Francaise de Genie Civil) Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Pháp; ASTM : (American Society for Testing and Materials), Hiệp hội Thí nghiệm vật liệu Mỹ CEB : (Fédération Internationale de la Précontraninte) Hiệp hội quốc tế dự ứng lực DIN : (Deutsches Institut fyr Normung) Viện tiêu chuẩn Đức EA : (Epoxy Asphalt) Bê tông nhựa epoxy ECC : (Engineered Cementitious Composite) Bê tông có chất kết dính tổng hợp, sợi polymer FHWA : (Feleral Highway Administration) Cục đường liên bang - Mỹ FRC : (Fiber Reinforced Concrete) bê tông cốt sợi; FRD : (Fibre Reinforced Densit) Bê tông cốt sợi thương mại Densit® HPC : (High Performance Concretes): Bê tông chất lượng cao JSCE : (Japan Society of Civil Engineers) Hội Kỹ sư xây dựng Nhật Bản MA : (Mastic Asphalt) Mastic nhựa OSD : (Orthotropic Steel Deck) Bản thép trực hướng RILEM : (International Union of Laboratories and Experts in Contruction Materials) Hiệp hội quốc tế phòng thí nghiệm chuyên gia lĩnh vực vật liệu xây dựng SF : (Silica fume) Muội silic SFRC : (Steel Fiber Reinforced Concrete) Bê tông cốt sợi thép UHPC : (Ultra High Performance Concretes): Bê tông tính siêu cao UHPFRC : (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete): Bê tông tính siêu cao gia cường cốt sợi; ULS : (Ultimate Limit State) trạng thái giới hạn cường độ viii Tiếng Việt BQ KQTN MS N/X N/CKD PC PVA Q SD S50 S50.0 S60 S70 SU1, SU2; : Bột quartz : Kết thí nghiệm : Muội silic : Tỷ lệ nước xi măng : Tỷ lệ nước chất kết dính : Xi măng pooc lăng : Sợi Poly-Vinyl-Alcohol, : Quartz : Siêu dẻo : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V 50mm; : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V 50mm không bố trí cốt thép : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V 60mm; : Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V 70mm; SU3; SU4; SU4; SU5; SU6 - Ký hiệu mẫu thử UHPFRC-V thí nghiệm uốn điểm TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam; ST : Sợi thép TCN : Tiêu chuẩn ngành TTGH : Trạng thái giới hạn UHPFRC-V : Bê tông tính siêu cao gia cường cốt sợi đề xuất Luận án X : Xi măng Danh mục ký hiệu  : Ký hiệu cho giá trị biến dạng i : Biến dạng kéo thớ i el ; uel : Biến dạng giới hạn đàn hồi; Biến dạng giới hạn đàn hồi tính toán lim ; u,lim : Biến dạng giới hạn; biến dạng giới hạn tính toán 1% : Biến dạng1%; max : Biến K : hệ số xét đến phân tán cốt sợi; Kt : Hệ số điều chỉnh kích thước mẫu chịu uốn; cf : hệ số an toàn tính toán; fctfk : Giá trị đặc trưng cường độ kéo lớn sau nứt fctk,el : Giá trị đặc trưng cường độ chịu kéo giới hạn đàn hồi fctf,1%,k : Giá trị đặc trưng cường độ chịu kéo sau nứt ứng với biến dạng 1% dạng lớn tương ứng với vị trí xuất vết nứt cục ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG VĂN SỸ NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG Ngành: Kỹ thuật Xây dựng... chưa có nghiên cứu liên quan đến hướng ứng dụng UHPFRC làm lớp phủ mặt cầu trực hướng Việt Nam Do luận án lựa chọn đề tài Nghiên cứu lớp mặt cầu bê tông tính siêu cao gia cường cốt sợi thép (UHPFRC). .. UHPFRC-V thép trực hướng thay loại lớp phủ truyền thống 5 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG 1.1 Mở đầu Bê tông tính