Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) phục vụ ứng dụng cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HOÀNG NGỌC HỒI NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TƠNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO (UHPC) PHỤC VỤ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG KHU VỰC TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số : 85.80.205 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2019 Công trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ VIỆT HẢI Phản biện 1: TS NGUYỄN VĂN MỸ Phản biện 2: TS NGUYỄN THẾ DƯƠNG Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, ĐHĐN trường ĐHBK - Thư viện Khoa Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) loại vật liệu mới, nghiên cứu áp dụng thử nghiệm nước tiên tiến giới vài thập kỷ gần Đặc tính quan trọng loại vật liệu là: cường độ chịu nén cao, từ 120MPa đến 200MPa; khả chịu kéo uốn đạt tới 40MPa; khả chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp chống thấm cao; độ bền độ ổn định lâu dài Do loại vật liệu phù hợp với kết cấu cầu có yêu cầu cường độ cao, tuổi thọ dài giảm thiểu trọng lượng kết cấu Hiện nay, giới có nhiều cơng trình cầu ứng dụng loại vật liệu này.Tại Việt Nam, vật liệu UHPC nghiên cứu khoảng 10 năm trở lại đây, chế tạo thành công vật liệu UHPC sử dụng nguồn cốt liệu địa phương, thiết kế, thi cơng thí điểm dầm cầu UHPC cho người xe thô sơ, khổ cầu 2.2m, chiều dài nhịp 18m nhiều địa phương khác năm 2016, 2017 Do loại vật liệu mới, việc đưa vào ứng dụng phổ biến gặp nhiều khó khăn như: thiếu thơng tin vật liệu; chưa có đầy đủ quy trình thiết kế, thi cơng, nghiệm thu; chưa kiểm nghiệm nhiều từ công trình thực tế ứng dụng; chưa có đánh giá tính ưu việt vật liệu UHPC cho yếu tố kiến trúc, kết cấu, mơi trường, chi phí đầu tư, tuổi thọ khai thác; chưa đánh giá trữ lượng nguồn cung ứng vật liệu địa phương Xuất phát từ yêu cầu trên, việc lựa chọn thực đề tài “Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) phục vụ ứng dụng cho kết cấu cơng trình giao thơng khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế” cần thiết cấp bách Mục tiêu nghiên cứu: a Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu thành phần cấp phối vật liệu UHPC Đưa kết luận hướng phát triển đề tài b Mục tiêu cụ thể: Xác định loại thành phần cốt liệu nước để chế tạo vật liệu UHPC Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi thép đến cường độ vật liệu UHPC Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết cấu cơng trình giao thơng địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) Các loại thành phần cấp phối chế tạo vật liệu UHPC Đặc điểm Kết cấu cơng trình giao thơng khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm thông qua mẫu chế tạo phịng thí nghiệm Nghiên cứu lý thuyết sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Sử dụng phương pháp lý thuyết tính tốn để đánh giá kết phân tích Ý nghĩa khoa học giá trị thực tiễn đề tài: Xác định thành phần cốt liệu chế tạo vật liệu UHPC Làm sở lựa chọn hàm lượng cốt sợi tối ưu cho vật liệu UHPC Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết cấu cơng trình giao thơng địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế Cấu trúc luận văn: Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan vật liệu UHPC giới Việt Nam Chương 2: Nghiên cứu thành phần cốt liệu ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi đến cường độ UHPC Chương 3: Nghiên cứu đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu cơng trình giao thơng khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU UHPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TƠNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI: Thực tế tranh nghiên cứu bê tơng cho thấy rằng, cơng nghệ bê tơng có bước phát triển chậm trước năm 1960 với cường độ nén lớn từ 15-20MPa Bằng việc phát ứng dụng loại phụ gia khống hoạt tính phụ gia siêu dẻo đánh dấu bước tiến lớn công nghệ bê tông Đầu năm 1970 với việc sử dụng phụ gia giảm nước, cường độ nén bê tơng có bước phát triển lớn, đạt từ 60-80MPa với tỷ lệ N/CKD = 0.3[1] Vào năm 1990 nghiên cứu ứng dụng loại bê tơng hạt mịn với mục đích để hạn chế vết nứt nhỏ kết cấu mỏng chịu tải trọng triển khai phịng thí nghiệm Bouygues Pháp Từ đây, thuật ngữ UHPC sử dụng giới, với cường độ nén yêu cầu lớn 150Mpa [2] Trong giai đoạn từ 1992 - 1994 có liên kết cơng ty Pháp cơng ty Rhodia, Lafarge and Bouygues Pháp, để phát triển ứng dụng thương mại sản phẩm UHPC với tên thương mại “Ductal” Cục đường Hoa Kỳ (FHWA) bắt đầu nghiên cứu UHPC từ năm 2001 tới đạt bước tiến lớn việc đưa công nghệ bê tông tiên tiến UHPC đến với ngành công nghiệp bê tông ngành giao thông vận tải Chiếc cầu Hoa Kỳ sử dụng UHPC với kết cấu dầm chữ I hoàn thành năm 2008, thời điểm cầu khác với mặt làm UHPC đưa vào sử dụng Với yêu cầu nâng cao chất lượng đảm bảo an tồn ngành giao thơng vận tải, FHWA đề mục tiêu nghiên cứu, cụ thể sau [9]: − Đánh giá khả ứng dụng UHPC ngành giao thông vận tải − Xác định tính kỹ thuật kết cấu sử dụng UHPC − Hỗ trợ để triển khai triệt để dự án nghiên cứu UHPC mà FHWA triển khai, với nghiên cứu ban đầu chủ yếu tập trung vào tính chất lý UHPC, đánh giá độ bền sở xác định tuổi thọ cơng trình, so sánh hiệu kinh tế, kỹ thuật, môi trường sử dụng UHPC so với bê tông dự ứng lực thông thường Từ năm 2004 FHWA thiết kế, xây dựng thử nghiệm kết cấu dầm mặt lắp ghép UHPC Kết nghiên cứu cho thấy, trọng lượng đơn vị mét dài dầm cầu có độ tải trọng chế tạo UHPC nhẹ nhiều so với dầm chế tạo bê tông truyền thống Chiều cao dầm UHPC thấp nhiều, với dầm dài 30 m chế tạo bê tông truyền thống chiều cao 1.5m dầm UHPC chiều cao 1m Trong năm gần nhà nghiên cứu Hoa Kỳ nỗ lực nghiên cứu chế tạo cấu kiện mặt cầu với tiêu chí tăng tuổi thọ, đẩy nhanh tiến độ thi công Đến nghiên cứu ứng dụng UHPC phát triển đến nhiều lĩnh vực xây dựng, giới chưa ban hành tiêu chuẩn chung thiết kế, thi công UHPC 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TƠNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG GIỚI Ở VIỆT NAM: Ở Việt Nam nghiên cứu UHPC cịn mẻ, kết nghiên cứu cơng bố chưa nhiều Các tác giả Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Công Thắng -Trường ĐH Xây dựng tiến hành nghiên cứu khả chế tạo UHPC Việt Nam với quy mô đề tài cấp Trường năm 2006 [16-18] Các tác giả cho UHPC hoàn toàn chế tạo điều kiện vật liệu có Việt Nam Việc nghiên cứu phát triển UHPC đạt kết khả quan vài đơn vị khác Năm 2009, tác giả Nguyễn Văn Chánh cộng - Trường ĐH Bách khoa Tp HCM [20] thực nghiên cứu tổng quan UHPC Ở Việt Nam xu hướng phát triển loại bê tông chất lượng siêu cao tương lai lớn Hiện nay, có số cơng bố việc ứng dụng UHPC thực tế cụ thể sau: − Năm 2014 nhóm nghiên cứu Trường Đại học Xây dựng có ứng dụng sử dụng UHPC để chế tạo bể xử lý nước thải lắp đặt sẵn nhà máy lọc dầu Nghi Sơn − Năm 2016 nhóm nghiên cứu Đại học Xây dựng tiếp tục có nghiên cứu ứng dụng sản phẩm Bê tông chất lượng siêu cao chế sản phẩm cọc cừ bê tông để thay cho cọc cừ lasen thép Sản phẩm cọc cừ chế tạo ứng dụng thành công dự án Rừng Dương, Vũng Tàu với 6000m dài cừ bê tông chất lượng siêu cao − Gần năm 2017 nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu ứng dụng hệ bê tông chất lượng siêu cao để chế tạo vỏ đài tưởng niệm liệt sỹ trung đoàn 207 Ấp Đá Biên, Long An Bê tông chất lượng siêu cao sử dụng công trình có cường độ nén đạt 120 MPa cường độ uốn đạt 12MPa chế tạo ốp ngồi tạo hình dáng kiến trúc theo thiết kế Sản phẩm có kích thước chiều dài lớn đến gần 6m Đây sản phẩm có xét đến tính mỹ thuật kiến trúc nên việc nghiên cứu, chế tạo kiểm soát chất lượng sản phẩm phức tạp so với sản phẩm kết cấu thơng thường − Năm 2016 nhóm nghiên cứu Viện Khoa học Cơng Nghệ Xây dựng có ứng dụng việc sử dụng UHPC để chế tạo cầu cho người với nhịp cầu Đập Đá khu vực 4, Phường III, thành phố Vị Thanh, Hậu Giang Cầu có chiều dài nhịp 18m, chiều rộng 2.2m tải trọng, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2 − Năm 2017 nhóm nghiên cứu Viện Khoa học Cơng Nghệ Xây Dựng tiếp tục có ứng dụng việc sử dụng UHPC để chế tạo cầu cho người bộ, cầu Năng An - Xuân Hồi - Ninh Bình với thơng số kỹ thuật sau: • Dầm cầu UHPC • Kích thước sườn chính: bxhxL = 120x350x12000 mm • Kích thước sườn phụ: 80x100x2200 mm • Kích thước mặt: hxBxL = 35x2200x12000mm • Tải trọng: người bộ, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2 , hoạt tải tập trung 500kg − Năm 2019, Trường Đại học Xây dựng nghiên cứu, thiết kế, xây dựng chuyển giao thành công cầu dân sinh An Thượng tỉnh Hưng Yên vật liệu UHPC [25, 26] Trong tương lai gần việc sử dụng UHPC Việt Nam tập trung vào ứng dụng xây dựng dân dụng mà ứng dụng lớn lĩnh vực cầu đường loại vật liệu giải pháp cho lĩnh vực ứng dụng Đặc biệt UHPC sử dụng kết hợp với vật liệu khác để tạo loại vật liệu composite với ưu điểm vượt trội cường độ độ bền CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CỐT LIỆU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CỐT SỢI ĐẾN CƯỜNG ĐỘ UHPC 2.1 TỔNG QUÁT VỀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO: 2.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO: 2.2.1 Xi măng: Trong thành phần chế tạo vật liệu UHPC, xi măng chất kết dính Các nghiên cứu bê tơng cường độ siêu cao giới thường sử dụng xi măng PCA 42,5 ; PCA 52,5; PCA 62,5 loại I loại III Các nghiên cứu nước rằng, xi măng Pooclăng loại I PC40 hoàn tồn sử dụng để chế tạo UHPC Thành phần khoáng vật xi măng PC40 phổ biến Việt Nam ghi bảng 2.1 [32] 2.2.2 Các phụ gia hóa học: Các phụ gia hóa học nói chung sản xuất từ lignin sunphonat, axít cacbonxilic (phenol cao phân tử) hydrat hóa, nhóm hydrat – cacbon, Melamin, Naptalin Việc chọn loại liều lượng cần tiến hành thực nghiệm Các phụ gia hóa học góp phần tăng đáng kể cường độ nén, kiểm sốt tốc độ đơng kết bê tơng, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện khả làm việc độ bền theo thời gian bê tông 2.2.3 Muội silic: Muội silic sản phẩm phụ lấy từ trình nung thạch anh với than đá lò hồ quang điện ngành sản xuất silicon hợp kim thép silicon, khói bay có hàm lượng dioxit silic vơ định hình cao chứa tinh thể hình cầu mịn 2.2.4 Cốt liệu lớn: Cốt liệu lớn sử dụng phổ biến để chế tạo UHPC cát Quartz nghiền từ đá Quarzt 2.2.4.1 Nguồn gốc cốt liệu : Khi bắt đầu nghiên cứu bê tông chất lượng cao bê tông cường độ siêu cao, người ta sử dụng loại cát thạch anh có đường kính từ 0,5-8 mm Có nhiều tác giả tìm kiếm loại cốt liệu khác để thay với đường kính khác mà chủ yếu sử dụng cát nghiền từ đá Bazan với đường kính đến 1mm 2.2.4.2 Thành phần cấp phối cát Quartz : Tuỳ theo yêu cầu cường độ bê tơng mà đường kính lớn cốt liệu thay đổi.Theo 33 phân tích tối ưu độ chặt bê tông, F.de Larrard cho đường kính lớn cốt liệu có ảnh hưởng quan trọng đến độ đặc tối ưu hỗn hợp cốt liệu, ảnh hưởng đến cường độ nén bê tông 2.2.5 Bột Quartz: Hàm lượng xi măng nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao giới khoảng từ 900 đến 1.200kg/m Bột thạch anh với đường kính trung bình từ 3μm đến 4μm sử dụng để lấp đầy lỗ rỗng cực nhỏ Các hạt lấp đầy khoảng trống hạt xi măng với muội silic làm cho đường biểu diễn thành phần hạt cốt liệu trở nên liên tục làm cho độ đặc hỗn hợp tăng lên Nếu độ đặc muội silic bình thường 0,64, sau sử dụng thêm bột thạch anh, độ đặc tăng lên dến 0,716 33 2.2.6 Sợi thép : Theo báo cáo tổng quan thành phần bê tông cường độ siêu cao Châu Âu 29,[36] cho thấy sợi thép làm tăng độ dai chobê tông cường độ siêu cao, hấp thụ lượng tải trọng tăng cường khả chịu lực sau xuất vết nứt Các nghiên cứu giới cho thấy độ dai bê tông cường độ siêu cao phụ thuộc vào cường độ chịu kéo sợi thép Với bê tơng thơng thường, thường dùng sợi thép có giới hạn chảy