SLIDE TRÌNH BÀY LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬTCHUYÊN NGÀNH XÂY DỰNG CẦU HẦM TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀIBê tông cường độ siêu sao là một loại vật liệu mới, được nghiên cứu và ứng dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong vài thập kỷ gần đây. Hiện nay trên thế giới đang từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, các công trình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu công trình.Ở Việt Nam, 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.
Trang 1NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU
CAO TRONG THIẾT KẾ DẦM CẦU CHỮ I
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS PHẠM DUY ANH
NGƯỜI THỰC HIỆN: KHUẤT VĂN SƠN
HÀ NỘI, THÁNG 11-2015
Trang 2TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Bê tông cường độ siêu sao là một loại vật liệu mới, được nghiên cứu và ứng dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong vài thập kỷ gần đây Hiện nay trên thế giới đang từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, các công trình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu công trình
Ở Việt Nam, 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
Trang 3TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
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 các kết cấu của công trình nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác
Do đó việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trong thiết kế kết cấu của công trình nói chung
và dầm cầu chữ I nói riêng là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Trang 4MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết tính toán về các đặc tính cơ học, vật liệu chế tạo, để thiết kế cấp phối bê tông cường độ siêu cao ứng dụng trong thiết kế dầm cầu chữ
I tại Việt Nam
Phân tích, đánh giá được ưu nhược điểm của dầm cầu chữ I ứng dụng bê tông cường độ siêu cao so với các loại dầm cầu bê tông khác
Trang 5CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Trang 6CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRONG THIẾT KẾ DẦM CẦU
Khái niệm chung về bê tông
Nhược điểm của BTXM thường và những biện pháp khắc phục
Phương pháp xác định cường độ chịu nén của BTXM
Khái niệm bê tông cường độ cao và siêu cao
So sánh BTCĐSC với BTCĐC và bê tông thường
Ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trên thế giới
Các công trình nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao
đã được công bố ở Việt Nam
Trang 7KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BÊ TÔNG
- Bê tông được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu được lựa chọn hợp
lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, chất kết
dính, nước và phụ gia
- Cát và đá dăm là thành phần vật liệu khoáng, đóng vai trò bộ khung chịu lực
- Hỗn hợp xi măng và nước là thành phần hoạt tính trong bê
tông, lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu và dính kết cốt liệu
thành một khối đá và được gọi là bê tông.
- Các chất phụ gia làm tính chất của bê tông trở nên đa dạng
và đáp ứng được các yêu cầu của bê tông và kết cấu bê tông.
- Bê tông cần thỏa mãn yêu cầu về cường độ, tính công tác,
đặc tính kết cấu và độ bền do tác động của thời tiết, v.v…
Trang 8NHƯỢC ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG
Trang 9- Pozzolan tự nhiên, tro bay, muội silic và xỉ lò cao là các chất độn hạt mịn đôi khi được dùng để thay thế một phần và/hoặc tăng
thêm một số đặc tính của bê tông Việc sử dụng bột silic mịn hơn
xi măng hàng trăm lần tạo ra một cấu trúc bê tông có độ đặc cao
và làm tăng cường độ chịu nén của nó Ngoài ra, các chất
pozzolans còn phản ứng với hydroxit canxi có cường độ thấp để biến chúng thành các hydoxit silicat canxi có cường độ cao.
- Việc sử dụng hợp lý các chất phụ gia siêu dẻo tính năng cao
cùng với các chất độn siêu mịn có thể tạo ra các hỗn hợp bê tông
có cấu trúc tối ưu với cường độ chịu nén cao Các bê tông này không chỉ có độ bền cơ học mà còn độ bền hóa học, tuổi thọ cũng như độ chống thấm cao.
NHƯỢC ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG THƯỜNG VÀ NHỮNG BIỆN PHÁP KHẮC
PHỤC
Trang 10PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU
NÉN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG
- Người ta thường sử dụng cường độ chịu nén để phân cấp bê tông được sử dụng trong kết cấu Cường độ chịu nén của bê tông
có tuổi 28 ngày và được bảo dưỡng trong điều kiện chuẩn
Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông xi măng
Trang 11KHÁI NIỆM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ
SIÊU CAO
- Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete - HSC) là loại
bê tông có cường độ chịu nén ngày thứ 28 từ 42 đến 100
Mpa, sử dụng tỷ lệ N/X thấp, các khoáng siêu mịn, các chất siêu dẻo và các cốt liệu truyền thống.
- Bê tông cường độ siêu cao (BTCĐSC) là loại bê tông có
cường độ chịu nén ngày thứ 28 từ 100 ÷ 200 MPa, độ bền cao
và sự ổn định lâu dài BTCĐSC có 7 thành phần chủ yếu là: xi măng, nước, cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, muội silic, các bột khoáng có độ cứng lớn và các cốt sợi thép cường độ cao
Trang 12SO SÁNH BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VỚI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ BT
THƯỜNG
Theo tỷ lệ N/X:
- Bê tông thường: N/X = 0,4 - 0,6.
- Bê tông cường độ cao: N/X = 0,3 - 0,4.
- Bê tông cường độ siêu cao: N/X = 0,2 - 0,25.
Các tính năng của BTCĐSC và bê tông thường
Tính năng Đơn vị BTCĐSC Bê tông thường Cường độ nén Mpa 100÷200 ~ 40
Mô đun đàn hồi Gpa 48÷60 ~ 35
Cường độ kéo Mpa 9÷20 ~ 3
Biến dạng % 0,05÷0,2 0
Vết nứt đầu tiên Mpa 7÷16 ~ 3
Trang 13ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
TRÊN THẾ GIỚI
- Cầu WILD (Áo): là một dự án thí điểm thi công theo phân đoạn kết hợp với xoay kết cấu vòm lắp ghép từ hai phía Vì vậy, các đặc tính nhanh chóng đông kết và cấu trúc bền vững của bê tông cường độ siêu cao đã được sử dụng.
Trang 14ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
TRÊN THẾ GIỚI
- Cầu Log Čezsoški (Slovenia): có chiều dài 65m, sau một
khoảng thời gian dài được khai thác đã bị xuống cấp nên đã được tăng cường sửa chữa bằng cách phủ lên toàn bộ mặt cầu một lớp bê tông cường độ siêu cao
Trang 15ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
TRÊN THẾ GIỚI
- Một số công trình khác trên thế giới sử dụng loại vật liệu mới BTCĐSC:
+ Mái che nhà ga xe lửa tại Calgary, Alberta, Canada
+ Cầu Glenmore/Legsby tại Calgary, Alberta, Canada
+ Kết cấu mái tại nhà ga Milau – Pháp
+ Cầu đi bộ tại Seoul, Hàn Quốc
+ Cầu Cat Point Creek, Mỹ
Trang 16CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO ĐÃ ĐƯỢC
CÔNG BỐ Ở VIỆT NAM
- Để chế tạo bê tông tự đầm cường độ siêu cao thì:
+ Các tác giả trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG HCM sử dụng cốt liệu nhỏ là cát tự nhiên và cát nhân tạo, sử dụng cốt liệu lớn là
đá dăm đến 10mm và phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate.+ Các tác giả trường ĐH Xây dựng sử dụng Silica Fume và xỉ lò
cao để thay thế một phần xi măng và dùng kết hợp hai loại
phụ gia SF và BFS
+ GS.TS Phạm Duy Hữu ở trường Đại học Giao thông vận tải
Hà Nội sử dụng cốt liệu nhỏ là bộ Quaz và cát Quaz
Trang 17CHƯƠNG II: CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
Đặc tính vật liệu của bê tông BTCĐSC
Đặc tính kết cấu của bê tông BTCĐSC
Trang 18ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
1 Độ đặc của bê tông cường độ siêu cao
- Độ đặc sít của cấu trúc: Bê tông cường độ
siêu cao có độ đặc sít rất cao so với bê tông truyền thống và bê tông cường độ cao
- Lỗ rỗng chứa nước trong bê tông cường độ siêu cao: bê tông cường độ siêu cao có độ rỗng khá thấp so với bê tông thường và bê tông cường độ cao
Độ rỗng chứa nước (%)
Bê tông thườn g
Bê tông cường
độ cao
BT cường
độ siêu cao
BT cốt sợi cường
độ siêu cao
12 - 16 9 - 12 6 - 9 1,5 - 6 18
Trang 19ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
2 Co ngót và từ biến của bê tông cường độ siêu cao
- Co ngót: Khi không có xử lý nhiệt, thì bê tông cường độ siêu cao có ứng xử gần giống như bê tông cường độ cao (HSC); còn khi có xử lý nhiệt thì co ngót rất nhỏ gần như bằng 0
- Từ biến: Khi có xử lý nhiệt, từ biến giảm mạnh, khi không
có xử lý nhiệt từ biến của bê tông cường độ siêu cao nhỏ hơn nhiều so với từ biến của bê tông truyền thống
Trang 20
ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
3 Modun đàn hồi: Khi tăng cường độ nén, Môđun đàn hồi cũng tăng đáng kể Môđun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao tăng 1,5 - 2 lần so với bê tông thường.
4 Cường độ chịu kéo, nén của bê tông BTCĐSC: Bê tông cường độ rất cao có cường độ chịu
nén đến 150 - 200 MPa và độ bền
cao Khi tăng cường độ nén, cường
độ kéo cũng tăng tuy nhiên tốc độ
tăng chậm hơn
Trang 21
ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
5 Tính thấm khí: Theo kết quả nghiên cứu của Viện Công
nghệ Liên bang Lausanne, tính thấm khí của tấm được
nghiên cứu với một hệ thống thử nghiệm tính thấm khí
Torrent, Kết quả chỉ ra không có phân bố ưu tiên của giá trị
kT Rõ ràng là chất lượng của chất nền được phân bố ngẫu nhiên trong tấm, đặc biệt
Trang 22ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
6 Độ khuếch tán Ion Clo: Theo kết quả thí nghiệm tại nhiều nước, khả năng chống thấm Ion Clo của bê tông cường
độ siêu cao rất tốt so với các loại bê tông truyền thống
Ở Pháp, kết quả thí nghiệm về hệ số khuếch tán Ion Clo được thực hiện trong bảng sau:
Hệ số khuếch tán Ion Clo của các loại bê tông
Hệ số
khuếch
tán (m2/s)
Bê tông thường
Bê tông cường độ cao
Bê tông cường độ siêu cao
2.10 -11 2.10 -12 2.10 -14
Trang 23ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
1 Độ bền của BTCĐSC
Độ bền được cải tiến của BTCĐSC để chống lại các loại khí độc hại, các chất lỏng, clorua, sương giá hay đóng tan băng được cải thiện bởi độ đặc và cấu trúc hạt của chất kết dính và vùng tiếp xúc giữa vữa và cốt liệu thô cũng
như cấu trúc đặc hơn của sản phẩm hydrat hóa
So sánh giữa độ bền của BTCĐSC với bê tông thường
Trang 24ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
2 Cường độ nén uốn, kéo uốn
Theo kết quả nghiên cứu ở trường đại học New Mexico State cho thấy cường độ chịu kéo uốn, nén uốn của bê tông BTCĐSC
có chứa sợi thép lớn hơn 68% so với bê tông BTCĐSC không chứa sợi thép Cường độ chịu kéo khi uốn chủ yếu phụ thuộc vào cường độ bê tông, loại và số lượng sợi được sử dụng.
Thí nghiệm uốn tấm tròn BTCĐSC
Trang 25ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
3 Sức kháng cắt
Phương trình thiết kế ACI-code giản đơn giả định rằng sức kháng cắt tỷ lệ thuận với căn bậc 2 của cường độ chịu nén: Vnorm = (Vu/bd)(fcy)1/2
Tải trọng lý thuyết và thực nghiệm của bê tông BTCĐSC
Kết quả nghiên cứu thể hiện trong bảng trên cho thấy rằng sức kháng cắt bình thường tăng trung bình 3% bằng tỷ lệ cốt thép tăng từ 1.2% đến 1.7% trong các dầm.
Trang 26ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
4 Tải trọng phá hoại danh định
Tải trọng phá hoại danh định được thể hiện trong bảng dưới:
Kết quả kiểm tra thực nghiệm đối với các mẫu dầm
5 Quan hệ giữa lực, ứng xuất với biến dạng và tải trọng với chuyển vị của BTCĐSC
Theo nghiên cứu của Đại học LEIPZIP, Đức thì quan hệ giữa lực và biến dạng, tải trọng với chuyển vị được thể hiện như sau:
Trang 27ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
Quan hệ giữa lực
và biến dạng
Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị
Trang 28ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
6 Độ bền mỏi của BTCĐSC
Các thí nghiệm tải trọng mỏi dưới tác dụng của lực nén, cho thấy BTCĐSC đã có một ứng xử khá tốt và độ bền cao của BTCĐSC với các sợi tăng cường không dẫn đến
sự bất lợi đối với hiện tượng mỏi
7 Khả năng chịu lửa của BTCĐSC
Do BTCĐSC có độ đặc cao, một áp lực lớn có thể được phát sinh khi BTCĐSC tiếp xúc với lửa Điều này có thể dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của bê tông, làm giảm chất lượng của bê tông Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách thêm các sợi Ví dụ như sợi polypropylene
Trang 29CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẦU DẦM CHỮ
I ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
Tổng quát về thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao
Vật liệu chế tạo
Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc
Thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao
Thiết kế dầm cầu chữ I dự ứng lực và sử dụng bê tông cường độ siêu
Trang 30TỔNG QUÁT VỀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
- Các kết quả nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao bao gồm lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần,… phục vụ thiết kế kết cấu, các thử nghiệm trên kết cấu thật đã bước đầu áp dụng trong các kết cấu nhà, bến cảng, cầu và các công trình đặc biệt khác.
- Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu trên cơ sở chất dính kết xi măng Nguyên tắc cơ bản để cải thiện tính chất của bê tông là giảm các khuyết tật, giảm thiểu tối đa các vết vi nứt và lỗ rỗng mao quản trong bê tông Các nghiên cứu đầu tiên về bê tông này ở Pháp và Canada sử dụng xi măng trong khoảng 900 -1200 kg/m3
Trang 31
VẬT LIỆU CHẾ TẠO
1 Xi măng: có vai trò chủ chốt trong việc liên kết các loại vật liệu rời rạc thành khối bê tông đồng nhất.
2 Các phụ gia hóa học: góp phần tăng cường độ nén, kiểm soát tốc
độ đông kết bê tông, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện khả năng làm việc và độ bền theo thời gian của bê tông.
3 Muội silic: có hàm lượng dioxit silic và độ mịn cực cao nên là vật liệu có hiệu ứng Puzolanic cao.
4 Cốt liệu lớn: Việc sử dụng cát Quartz với kích thước hạt nhỏ sẽ làm cho tính đặc chắc của bê tông được tăng cao.
5 Bột: bột Quartz được sử dụng để lấp đầy các lỗ rỗng cực nhỏ.
Trang 32
CHẾ TẠO BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
THEO LÝ THUYẾT TỐI ƯU VỀ ĐỘ ĐẶC
- Tối ưu hóa cường độ siêu cao bằng việc sử dụng mô hình độ đặc: cụ thể là Mô hình chất huyền phù thể rắn.
- Các nguyên tắc chính để tạo ra thành phần BTCĐSC: nâng cao tính đồng nhất của bê tông bằng cách giới hạn lượng cốt liệu thô, cải thiện các tính chất của vữa bằng cách cho thêm phụ gia puzơlan, cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông bằng cách giảm tỉ
lệ N/CKD; nâng cao độ đặc của hỗn hợp bột; nâng cao cấu trúc vi
mô của bê tông bằng cách xử lý nhiệt sau khi đông kết; tối ưu hóa các thành phần hỗn hợp và kết hợp với việc sử dụng công nghệ trộn và bảo dưỡng; sử dụng các sợi thép cường độ cao và kích thước nhỏ.
- Thành phần hạt đảm bảo độ đặc cao phù hợp cấp phối hạt tối ưu:
sử dụng 3 mô hình sau: Mô hình Andreaxen, Mô hình của Fuller,
Mô hình Fuller, Thompson
Trang 33THIẾT KẾ THÀNH PHẦN
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
- Bê tông cường độ siêu cao được thiết kế theo phương pháp thể tích tuyệt đối trên cơ sở lý thuyết tối ưu về độ đặc Với giả thuyết tổng thể tích đặc là 1m3 Sử dụng công thức Larrard để tính độ đặc cho hỗn hợp 4 thành phần gồm: Xi măng, Muội silic, Cát quartz, Bột quartz
- Học viên đã tiến hành tính toán 5 thành phần bê tông Với tỷ lệ MS/X bằng từ 0,23 đến 0,25 Lượng xi măng biến đổi từ 800; 850; 900; 950 và 1.050 kg Hàm lượng cát Quartz trên xi măng bằng 1,05 đến 1,1 Hàm lượng bột Quartz cho thêm vào với mục tiêu giảm lượng xi măng sử dụng Kết quả cho thấy rằng độ đặc của hỗn hợp vật liệu khoáng ở khoảng tương đương với công thức của Larrard.
Trang 34
THIẾT KẾ DẦM CẦU CHỮ I DỰ ỨNG LỰC VÀ
SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
Các trường hợp tính toán, thiết kế như trong bảng sau:
1 Dầm cầu chữ I dự ứng lực sử dụng bê tông thường:
- Chiều dài dầm: L = 32m Bố trí cốt thép
- Chiều cao dầm: H = 1.2m DƯL tại mặt
- Cốt thép DƯL: 42 tao cáp cắt giữa dầm
Các trường hợp TH1 TH2 TH3 Giữ nguyên
Trang 36Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết ở trên có thể so sánh dầm
bê tông cốt thép cường độ siêu cao so với dầm bê tông cốt thép thường như bảng sau:
Cốt thép DƯL 42 tao cáp 35 tao cáp Giảm 16.7%
Trang 37KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết Luận:
- Loại bê tông cốt thép cường độ siêu cao ứng dụng cho dầm cầu được sử dụng để phân tích, so sánh có các chỉ tiêu cơ lý, thành phần vật liệu như sau:
+ Xi măng (800 kg/m3), Silica Fume (240 kg/m3), Cát (1230 kg/m3), Phụ gia siêu dẻo (80 kg/m3), Nước (217.57 kg/m3)
+ Ở 28 ngày tuổi, cường độ nén đặc trưng là 152 Mpa, cường độ chịu kéo khi uốn là 14.73 Mpa, mô đun đàn hồi là 40.99 Gpa
- Bê tông cốt thép cường độ siêu cao có cấu trúc tối ưu với cường độ chịu nén đến 150 Mpa hoặc hơn ngay tại công trường Loại bê tông này không chỉ có độ bền cơ học mà còn
độ bền hóa học, tuổi thọ cũng như độ chống thấm cao.