Sử dụng bê tông cốt sợi polymer dùng cho kết cấu cánh cống lấy nước

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Đức Dũng i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực luận văn, với nỗ lực thân với giúp đỡ tận tình thầy cơ, quan bạn bè đồng nghiệp, luận văn thạc sĩ : “Sử dụng bê tông cốt sợi Polyme dùng cho kết cấu cánh cống lấy nước” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ biết ơn sâu sắc Ban giám hiệu, thầy cô Khoa Đại học sau Đại học, Khoa cơng trình trường Đại học Thuỷ lợi; Bộ môn Vật liệu xây dựng – Trường Đại học Thủy lợi giảng dạy, giúp đỡ nhiệt tình suốt trình học tập thực luận văn Đồng thời tác giả xin chân thành cám ơn hướng dẫn, dẫn giúp đỡ tận tình PGS.TS Hồng Phó Un, TS Nguyễn Quang Bình Tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè gia đình nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập thực luận văn Trong khuôn khổ Luận văn Thạc sĩ, hạn chế điều kiện thời gian trình độ nên chắn không tránh khỏi tồn tại, hạn chế Tác giả mong nhận bảo thầy giáo bạn bè, đồng nghiệp Những điều giúp ích nhiều cho cá nhân tác giả việc hoàn thiện phát triển nghề nghiệp thân q trình cơng tác Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Đức Dũng ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI PHẠM VI NGHIÊN CỨU NỘI DUNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI VÀ CÁNH CỐNG LẤY NƯỚC 1.1 Tổng quan bê tông cốt sợi 1.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTCS giới 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu BTCS Thế giới 1.1.2.2 Tình hình ứng dụng BTCS Thế giới 1.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTCS Việt Nam 1.1.3.1 Tình hình nghiên cứu BTCS Việt Nam 1.1.3.2 Tình hình ứng dụng BTCS Việt Nam 1.1.4 Một số ưu nhược điểm BTCS 1.2 Cơ sở khoa học việc sử dụng cốt sợi bê tông 1.2.1 Vai trị sợi việc nâng cao tính chất học bê tông 12 1.2.2 Vai trò sợi việc hạn chế nứt 15 1.3 Tổng quan loại cửa van 18 1.3.1 Cấu tạo chung cửa van 18 iii 1.3.2 Các yêu cầu thiết kế cửa van 18 1.3.3 Phân loại 19 1.3.4 Một số loại cửa van thông dụng 19 1.3.4.1 Cửa van phẳng 19 1.3.4.2 Cửa van cung 20 Kết luận chương 22 CHƯƠNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 23 2.1 Vật liệu sử dụng 23 2.1.1 Xi măng 23 2.1.2 Nước 24 2.1.3 Cốt liệu 24 2.1.4 Cốt sợi 26 2.1.5 Phụ gia khoáng 28 2.1.6 Phụ gia siêu dẻo 33 2.2 Tiêu chuẩn áp dụng nghiên cứu 35 2.3 Một số quy trình áp dụng nghiên cứu 37 2.3.1 Quy trình trộn bê tơng phịng thí nghiệm 37 2.3.2 Phương pháp chế tạo mẫu bê tông 38 2.3.3 Phương pháp thử tính cơng tác hỗn hợp bê tông 39 Kết luận chương 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 42 3.1 Sự ảnh hưởng thành phần hạt đến bê tông cốt sợi 42 iv 3.2 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông 46 3.2.1 Tính tốn thành phần bê tông 46 3.2.2 Hiệu chỉnh cấp phối bê tông 52 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi đến số tính chất bê tơng 53 3.3.1 Ảnh hưởng cốt sợi đến tính công tác 53 3.3.2 Ảnh hưởng cốt sợi đến cường độ nén 54 3.3.3 Ảnh hưởng cốt sợi đến cường độ kéo uốn 56 3.4 Phương pháp thiết kế cánh cống (cửa van phẳng) 59 3.4.1 Bản mặt 60 3.4.2 Xác định lực đóng mở cửa van 60 3.5 Áp dụng tính tốn cánh cống cơng trình cống Bằng Lai – Hải Dương 62 3.5.1 Giới thiệu cơng trình 62 3.5.2 Thơng số tính tốn 64 3.5.3 Phương pháp tính tốn 65 3.5.4 Tính tốn ứng suất 65 Kết luận chương 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 Kết luận: 71 Kiến nghị 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC QUY TRÌNH THI CÔNG BÊ TÔNG CỐT SỢI POLYMER 75 1.1 Quy trình trộn 75 v 1.2 Yêu cầu thi công 75 1.2.1 Yêu cầu kỹ thuật gia công chế tạo xưởng 75 1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật lắp đặt 76 PHỤ LỤC MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 78 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Bê tông cốt sợi Hình 1.2 Sử dụng BCĐCCST cơng trình giao thơng Hình 1.3 Ứng xử học bê tông cốt sợi chịu kéo [3,4] 13 Hình 1.4 Sự tương tác sợi cốt liệu 14 Hình 1.5 Mơ hình hóa q trình hình thành vết nứt 16 Hình 1.6 Sự hình thành vết nứt tải trọng uốn .17 Hình 1.7 Cửa van Phẳng .20 Hình 1.8 Cửa van cung 21 Hình 2.1 Ảnh cốt sợi polyprolylene 28 Hình 2.2 Tro tuyển Phả Lại 32 Hình 2.3 Phụ gia khống hoạt tính silicafume .33 Hình 2.4 Trộn BTCS 38 Hình 2.5 Chuẩn bị kính, đổ BTCS vào gạt mặt côn .40 Hình 2.6 Rút để vật liệu chảy xịe 40 Hình 2.7 Vét vữa bê tơng dính thành ống .40 Hình 2.8 Đo độ chảy xỏe hỗn hợp bê tông cốt sợi .40 Hình 3.1 Các kiểu xếp hạt cốt liệu 43 Hình 3.2 Cường độ nén BTCS tuổi ngày 55 Hình 3.3 Cường độ nén BTCS tuổi ngày 56 Hình 3.4 Cường độ nén BTCS tuổi 28 ngày 56 Hình 3.5 Cường độ kéo uốn BTCS tuổi ngày 58 Hình 3.6 Cường độ kéo uốn BTCS tuổi ngày 58 Hình 3.7 Cường độ kéo uốn BTCS tuổi 28 ngày 59 Hình 3.8 Cách bố trí, lắp ghép cánh cống 64 Hình 3.9 Cắt ngang cánh cống .64 Hình 3.10 Một phần cắt ngang cánh cống 66 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ảnh hưởng hàm lượng sợi tính chất bê tơng Bảng 1.2 Thuộc tính loại sợi khác 10 Bảng 1.3 Các thông số số loại cốt sợi thép 11 Bảng 2.1 Tính chất lí ximăng PCB40 Thăng Long: 23 Bảng 2.2 Các tính chất lý cát nghiền 25 Bảng 2.3 Thành phần hạt cát nghiền 25 Bảng 2.4 Các tiêu lý sợi Polypropylene 26 Bảng 2.5 Kết thí nghiệm phụ gia khống hoạt tính tro tuyển Phả Lại 31 Bảng 2.5 Tính chất lí tro tuyển Phả Lại 32 Bảng 2.6 Kết thí nghiệm phụ gia khống hoạt tính silicafume 32 Bảng 2.7 Đặc tính kỹ thuật phụ gia siêu dẻo 35 Bảng 2.8 Đặc tính kỹ thuật phụ gia chống phân tầng 35 Bảng 2.9 Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu 36 Bảng 2.10 Các tiêu chuẩn thí nghiệm bê tông 37 Bảng 2.11 Chỉ tiêu cần xác định hình dáng, kích thước viên mẫu 39 Bảng 3.1 Sự phụ thuộc độ xốp vào kiểu xếp hạt 44 Bảng 3.2 Sự phụ thuộc độ rỗng vào phối hợp cấp hạt 45 Bảng 3.3 Thế tích cốt liệu lớn m3 bê tơng 46 Bảng 3.4 Bảng ước lượng lượng dùng nước dựa vào độ sụt hỗn hợp bê tông D max cốt liệu 47 viii Bảng 3.5 Bảng tra tỷ lệ N/CKD dựa vào cường độ nén kích thước hạt cốt liệu trường hợp có khơng có PGSD .48 Bảng 3.6 Thể tích chiếm chỗ vật liệu: .50 Bảng 3.7 Thành phần vật liệu cấp phối gốc 51 Bảng 3.8 Thành phần cấp phối tang giảm 10% CKD 51 Bảng 3.9 Một số tính chất bê tông 52 Bảng 3.10 Thành phần cấp phối sau điều chỉnh 52 Bảng 3.11 Thành phần cấp phối bê tông M60 sở 53 Bảng 3.12 Thành phần cấp phối bê tông sử dụng cốt sợi 54 Bảng 3.15 Thành phần cấp phối bê tông sử dụng cốt sợi đề xuất 59 Bảng 3.16 Các công thức tính lực ma sát gioăng (vật chắn nước) 62 Bảng 3.17 Thông số mặt cắt dầm cánh cống (cửa van) 66 Bảng 3.18 Biểu đồ áp lực cơng thức tính tải trọng tĩnh 66 Bảng 3.19 Các cơng thức tính ứng suất cánh cống BTCS (cửa van) 67 Bảng 3.20 Kết tính ứng suất ứng với độ dày h khác cánh cống 68 ix KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT KÍ HIỆU Ý NGHĨA D Độ chảy hỗn hợp bê tông CVC Bê tơng truyền thống CKD Chất kết dính PGSD Phụ gia siêu dẻo PSK Phụ gia khoáng SF Silica fume FA Tro bay TG BĐĐK Thời gian bắt đầu đông kết TG KTĐK Thời gian kết thúc đông kết 10 X, XM Xi măng 11 C Cốt liệu mịn - Cát 12 Đ Cốt liệu thô - Đá 13 CL Cốt liệu (cát + đá) 14 N Nước 15 Vc Độ công tác hỗn hợp bê tông đầm lăn 16 R Cường độ 17 W Khả chống thấm 18 PG Phụ gia nói chung 19 HHBT Hỗn hợp bê tơng 20 CP Cấp phối 21 BT Bê tông 22 BTT Bê tơng thường x 3.5.2 Thơng số tính tốn Cánh cống BTCS có kích thước bxh = (3x3) m gồm tấm có kích thước (1x3)m, dày h cm Hai liên kết thép nẹp rộng 10cm dày 10ly với bu lông M14 dài 12cm, bu lơng treo cánh cống M16 dài 12cm Hình 3.8 Cỏch b trớ, lp ghộp cỏnh cng Bê tông cốt sợi polymer Bê tông cốt sợi polymer Hỡnh 3.9 Ct ngang cánh cống 64 3.5.3 Phương pháp tính tốn Phải xác định áp lực nước tĩnh tác dụng lên cửa van Áp lực nước động theo phương ngang xuất mở cửa phần Do cột áp không cao, cửa khơng lớn nên tính sơ trị số áp lực động lấy trị số áp lực tĩnh vị trí tương đương Trọng lượng thân cửa van tính tốn theo kết cấu Phải tính tốn xác định bề dầy mặt (dầm ngang giữa) Dầm ngang tính tốn kiểm tra trường hợp chịu lực bất lợi Dầm ngang làm việc dầm đơn gối tựa đầu với tải trọng phân bố qtt: q tt = q n (3.6) Trong đó: q n - tải trọng phân bố áp lực nước tác dụng theo phương ngang, N/cm; Xác định q tt tùy thuộc tổ hợp mực nước tác dụng vào cửa van từ thượng lưu hạ lưu Xác định mô men lớn Mmax xuất dầm Từ ứng suất uốn cho phép vật liệu bê tông cốt sợi, xác định mô men chống uốn yêu cầu Wyc tra giá trị cho Phải tính độ võng dầm so sánh độ võng cho phép nhằm thoả mãn điều kiện biến dạng làm việc Các kết cấu bê tông cốt sợi liên kết bu lơng cần phải tính tốn kiểm tra khả chịu cắt, chịu dập, chịu kéo để lựa chọn thích hợp 3.5.4 Tính tốn ứng suất Chọn kích thước dầm hình chữ nhật, kích thước bxh = (300xh)cm 65 Bảng 3.17 Thông số mặt cắt dầm cánh cống (cửa van) Đặc trưng tiết diện theo trục Kích thước (h), cm b, cm Wx, cm3 Jx, cm4 300 1250 3125 10 300 5000 25000 15 300 11250 84375 Bª tông cốt sợi polymer Hỡnh 3.10 Mt phn ct ngang cánh cống -Cơng thức tính tải trọng tĩnh lên cánh cống BTCS (cửa van) Bảng 3.18 Biểu đồ áp lực cơng thức tính tải trọng tĩnh Biểu đồ áp lực Công thức xác định Công thức xác định vị áp lực nước P trí đặt áp lực H c TH1: Ht P Hc P = γ B H 2t 66 Hc = Ht TH2: P = γ B (H 2t − H 2h ) Hc P Ht 2.(H 3t − H 3h ) Hc = 3.(H 2t − H 2h ) Hh Từ biểu đồ áp lực bảng 3.18 tác giả chọn tính tốn ứng suất trường hợp với thông số sau: Chiều cao cột nước thượng lưu H t = 3m, hạ lưu nước H h = Bảng 3.19 Các cơng thức tính ứng suất cánh cống BTCS (cửa van) Cơng thức tính Cơng thức xác định vị trí đặt áp lực H c q – áp lực nước phân bố theo chiều ngang; q = γ B H B – chiều rộng thông thủy; H – chiều cao cột nước đến dầm q l2 M= Khoảng cách hai gối tựa động l = B + 2c (c – chiều sâu hèm cửa, c = cm) Ứng suất uốn dầm σ = M ≤ [σ ] W σ= [σ u ] n Wyc ≥ M [σ ] W – mô men chống uốn [σ u ] - ứng suất uốn cho phép bê tông cốt sợi n - hệ số điều kiện làm việc W yc - mơ men chống uốn u cầu tính theo mặt cắt 67 Cơng thức tính Cơng thức xác định vị trí đặt áp lực H c 5.q.l4 = f ≤ [f] 384EJ l – khoảng hai gối tự động bên; Kết tính tốn: Bảng 3.20 Kết tính ứng suất ứng với độ dày h khác cánh cống σ , Ru b h q M W (m) (m) (kN) (kN.m) (m3) (kN/m2) Mpa (m) 0.06 84 94.5 0.0018 52500 52.50 0.054688 0.07 84 94.5 0.00245 38571.43 38.57 0.034439 0.08 84 94.5 0.0032 29531.25 29.53 0.023071 0.09 84 94.5 0.00405 23333.33 23.33 0.016204 0.1 84 94.5 0.005 18900 18.90 0.011813 0.11 84 94.5 0.00605 15619.83 15.62 0.008875 0.12 84 94.5 0.0072 13125 13.13 0.006836 0.13 84 94.5 0.00845 11183.43 11.18 0.005377 0.14 84 94.5 0.0098 9642.857 9.64 0.004305 0.15 84 94.5 0.01125 8400 8.40 0.0035 f Theo kết nghiên cứu BTCS ta thấy: bê tông cốt sợi PP M60 sử dụng 3% cốt sợi có cường độ kéo uốn tuổi 28 ngày 13,19 MPa Cịn theo kết tính tốn cánh cống 68 cơng trình cống Bằng Lai – Hải Dương, chiều dày cánh cống 0,13 m (13cm) yêu cầu cường độ uốn vật liệu làm cánh cống 11,18 MPa (