NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ HỌC BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VÀ ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU CẦU TÓM TẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN LỘC KHA NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ HỌC BÊ TƠNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VÀ ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU CẦU CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM MÃ SỐ: 62.58.25.01 TÓM TẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS-TS Phạm Duy Hữu PGS-TS Nguyễn Ngọc Long HÀ NỘI - 2013 MỞ ĐẦU Bê tông cường độ siêu loại vật liệu mới, nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm nước tiên tiến giới vài thập kỷ gần Đặc tính loại bê tơng có cường độ chịu nén cao lên đến từ 100 -:- >200MPa, khả chịu kéo uốn lên đến 40MPa, khả chịu cắt tăng cao, khả chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp lớn đặc biệt có độ bền ổn định lâu dài Hiện giới bước ứng dụng thử nghiệm nhiều cơng trình cầu, nhà cao tầng, cơng trình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả chịu lực độ bền kết cấu cơng trình Ở Việt Nam, phát triển sở hạ tầng, nhiều cơng trình cầu, đường đại xây dựng, nên việc nghiên cứu phát triển loại vật liệu bê tơng có cường độ siêu cao để tăng khả chịu lực, độ bền cơng trình vấn đề cần thiết Chúng ta nghĩ đến khả nghiên cứu chế tạo ứng dụng bê tông cường độ siêu cao từ vật liệu Việt Nam để áp dụng thay cho số dạng kết cấu cầu, đường bước nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao thiết kế số kết cấu công trình cầu, đường, nhà cao tầng, cơng trình đặc biệt khác Đó lý Nghiên cứu sinh chọn đề tài để nghiên cứu Tên đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất học bê tông cường độ siêu cao ứng dụng kết cấu cầu” Mục đích nghiên cứu: Hướng lý thuyết: Lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu Larard trình bày Các hướng dẫn tính tốn thành phần theo cấp phối tối ưu Fuller năm 1997 Các nghiên cứu thực nghiệm định lượng thực bỡi SETRA/AFGC năm 2002; phương pháp thiết kế theo DIN; phương pháp thiết kế theo ACI-544… Các lý thuyết nghiên cứu sinh sử dụng nghiên cứu Hướng thực nghiệm: Định lượng lại thông qua thực nghiệm từ thực nghiệm xác định lại hệ số công thức Đây hướng số nước Hàn Quốc, Mỹ thực Hướng mục đích nghiên cứu sinh thực hiện; tức tiến hành theo hướng định lượng lại mơ hình vật liệu từ điều kiện vật liệu Việt Nam thơng qua thí nghiệm từ thí nghiệm xác định lại cơng thức tính cường độ chịu kéo uốn nhằm tạo thông số phục vụ tính tốn kết cấu Đối tượng nghiên cứu: Từ vật liệu nước, nghiên cứu thực nghiệm xác định mơ hình vật liệu chế tạo bê tơng cường độ siêu cao có cường độ 120 -:- 140MPa ứng dụng kết cấu cầu 3 Phạm vi nghiên cứu: Định lượng lại mơ hình vật liệu thơng qua thí nghiệm, Phân tích thực nghiệm ứng xử uốn dầm để tìm cơng thức t, phân tích ứng xử uốn dầm cầu để xác định chiều cao dầm cầu Nghiên cứu sinh nghiên cứu dầm cầu tác dụng tải trọng tỉnh, tải trọng động, tải trọng lặp chưa đề cập luận án Ý nghĩa khoa học thực tiển đề tài: - Về lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết tính tốn độ đặc tối ưu để thiết kế cấp phối bê tông cường độ siêu cao Phân tích ứng xử uốn dầm dầm cầu để tìm cơng thức tính cường độ chịu kéo uốn t chiều cao dầm cầu - Về thực nghiệm: Tìm kiếm vật liệu, chế tạo cấp phối vật liệu bê tông cường độ siêu cao từ 120 -140MPa với vật liệu nước Từ thực nghiệm nêu lên đặc trưng học bê tông cường độ siêu đề xuất công thức tính cường độ chịu kéo uốn t; phân tích ứng xử uốn dầm cầu đề xuất chiều cao dầm cầu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1.Các cơng trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án công bố giới Bê tông cường độ siêu cao loại vật liệu nghiên cứu phát triển giới từ năm 1990 Các ứng xử học, công thức tính tốn hướng dẫn thiết kế kỹ thuật xây dựng công bố Pháp, Mỹ Đức Một số ứng dụng Cananda, Châu Âu, Châu Á Mỹ chứng minh lợi ích loại vật liệu chi phí, tính bền vững nhiều tính ưu việt khác Với ưu điểm vượt trội bê tơng này, cho phép có suy nghĩ việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao từ vật liệu thành phần nước, sở tham khảo kết nghiên cứu nước giới, mở hướng ngành vật liệu xây dựng kết cấu cơng trình 1.2 Các nghiên cứu bê tơng cường độ siêu cao Hoa Kỳ, Châu Âu Châu Á Các lý thuyết thành phần hạt theo độ đặc tối ưu Larrard trình bày Các lý thuyết cấp phối hạt tối ưu Schmidt Fuller trình bày Các hướng dẫn thiết kế SETRA / AFGC công bố Các hướng dẫn thiết kế công nghệ chế tạo nghiên cứu khuyến cáo RILEM, DIN; Các thí nghiệm định lượng lại mơ hình vật liệu FHWA (Hoa Kỳ) Hàn Quốc thực 4 Các hình ảnh từ 1.1 -:-1.6 giớ ới thiệu kết cấu cầu, nhà ứng dụng quân điển hình Hình 1.1: So sánh trọng lượng chiềuu cao c dầm bê tông cường độ siêu cao bê tơng truyền truy thống Hình 1.2: Các cầu sử dụng bê tông cường ng độ đ siêu cao mặt cắt dầm chữ T chữ  M Mỹ Hình 1.3:Cầu người Seoul Hàn Quốc năm 2002 Hình 1.5: Cầu Bourg –lès – Valence, France năm 2004 Hình 1.4: Mái nhà cửa sổ Millau năm 2004 Hình 1.6: Thử nghiệm khả chịu công phá sử dụng quân Iran 1.3.Các cơng trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án công bố Việt Nam Ở Việt Nam: bê tông cường độ siêu cao đề tài Đến năm 2008 số nhà khoa học trường ĐH Giao thông Vận tải; ĐH Xây dựng; ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh… bắt đầu nghiên cứu bê tông Các nghiên cứu nêu xem nghiên cứu ban đầu bê tông siêu cường độ Việt Nam Như bê tông cường độ siêu cao Thế giới Việt Nam cịn mang tính thời lớn, cần thiết có nhiều nghiên cứu để chế tạo bê tơng từ vật liệu nước góp phần bổ sung hồn thiện hệ thống lý luận, tính tốn bước đưa vào ứng dụng thử nghiệm cho số cơng trình xây dựng 1.4.Mục tiêu đề tài Từ vật liệu nước, theo hướng dẫn giới; nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ siêu cao từ 120 -:- 140MPa Nghiên cứu thực nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao để xác định hệ số K cơng thức tính cường độ chịu kéo uốn Phân tích ứng xử uốn dầm cầu sử dụng bê tơng cường độ siêu cao từ đề xuất chiều cao dầm cầu 1.5.Nội dung phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, thí nghiệm tính chất học bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa Phân tích uốn kết cấu dầm, dầm cầu từ định hướng sử dụng kết cấu Sử dụng phương pháp lý thuyết thực nghiệm để xác định thành phần, tính học bê tơng cường độ siêu cao cơng thức tính cường độ chịu kéo uốn chiều cao dầm cầu Chương 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 2.1 Vật liệu chế tạo: 2.1.1/ Xi măng, phụ gia siêu dẻo muội Silic Nghiên cứu sinh sử dụng xi măng PC40-Bút Sơn loại I phù hợp với quốc tế thực tế xi măng Việt nam Luận án sử dụng phụ gia Policacbol silat hãng Sika Việt Nam với kí hiệu 3000-20 tính phù hợp tiêu chuẩn ASTM C494 loại C Luận án sử dụng muội Silic Sika Việt Nam bán thị trường có tính đảm bảo tiêu chuẩn ASTM 1230-95a, hình 2.1 Hình 2.1:: Muội Mu silic 2.1.2/ Cốt liệu lớn bột quarzt Cốt liệu lớn: Sử dụng ng cát quarzt quar nghiền từ đá quarzt mỏ Thanh Sơn-Phú Thọ theo tiêu chuẩn chu hướng dẫn quốc tế Nghiên cứu sinh khai thác chế tạo cát Quartz (là vật v chất dạng hạt lớn cấp phối bê tơng) đường kính lớn nhấtt 0,6 mm, mm thành phần cấp phối bảng 2.1 hình 2.2 Bảng 2.1: Thành phần ần cấp phối hạt cát Quarzt Cỡ sàng (mm) Lư Lượng lọt sàng i, A% 0,63 100 0,315 67,1 0,14 41,6 0,075 13,9 Bột Quartz nghiền nhỏ từ đá Quartz Q Thanh Sơn-Phú Thọ với đường kính khoảng 27,9m hình 2.3 Hình 2.3: Bột Quartz Hình 2.2: Cát Quartz 2.1.3/ Sợi thép Sử dụng sợi thép củaa hãng BeKeart Đức, sợi thép loại Dramix kí hiệu OL13-20 có đường ng kính D = 0,2 mm chiều chi dài L = 13 mm Giới hạn chảy 2.000 MPa, với hàm lượng 2% theo thể th tích, hình 2.4 Hình 2.44: Sợi thép Như vật liệu đượ ợc sử dụng bê tông bê tông cường độ siêu cao thí nghiệm m sau Xi măng PC 40 Bút Sơn Cát Quartz bột Quartz chế tạo từ đá Quartz khai thác t từ mỏ đá Thanh Sơn –Phú Thọ, muội Silic phụ gia siêu dẻo củủa hãng Sika Việt Nam, sợi thép Dramix nhập từ Thượng Hải Trung Quốc c Đánh giá v nguồn cung cấp vật liệu cho thấy có đủ nguồn vật liệuu có sẵn s Việt Nam phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế để chế tạo bê tông cường ng độ đ siêu cao 2.2/ Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu độ đặc 2.2.1/ Mở đầu Trong luận án, lý thuyết tốii ưu hóa độ đ đặc Mooney Larrad sử dụng nghiên cứu tính tốn chính, lý thuyết thuy đường cong cấp phối tối ưu Fuller xem xét đối chiếuu 2.2.2/ Tính tốn lựa chọn hỗn hợp p bê tơng Từ lý thuyết tối ưu hóa độộ đặc Mooney, Mooney theo hướng dẫn Thomson, Larard nghiên cứu sinh đãã tiến ti hành tính tốn thiết lập cơng thức bê tơng kí hiệu sau: C1, C2, C3 bảng 2.2 Bảng 2.2: Công thức thiết ết kế bê tông cường độ siêu cao Thành phần C1 C2 C3 Xi măng Bút sơn PC40, kg/m3 800 850 900 Muội silic (25%X), kg/m3 195,5 195,5 207 Cát Quartz Q1, kg/m3 900 935 977 Bột Quartz Q2, kg/m3 280 150 120 Sợi thép, kg/m3 160 170 160 Chất siêu dẻo, kg 16 17 18 Nước, lít 160 170 170 Tỷ lệ N/X 0,20 0,20 0,20 Biểu đồ phân bố thành phần ần hạt với cỡ hạt lớn l 0,6mm, cỡ hạt nhỏ 0,00001mm theo hình 2.5 Hình 2.5: Biểu đồ thành ành phần ph hạt cốt liệu 2.2.3/ Kiểm tra cấp phối Căn vào công thức bêê tông, tông lập nên đường cấp phối bê tông đối chiếu với đường ờng cấp phối tối ưu Fuller theo biểu đồ hình 2.6 Hình 2.6: Cấp phối bê tơng cường độ siêu cao đối chiếu với cấp phối Fuller Kết kiểm tra đối chiếu cấp phối thiết kế C1, C2, C3 cho thấy cấp phối thiết kế sát với cấp phối theo công thức Fuller Nghiên cứu chương đạt kết sau - Đã khai thác chế tạo cát bột quartz theo tiêu chuẩn - Đã lựa chọn loại xi măng, muội Silic, sợi thép phù hợp với bê tông cường độ siêu cao - Sử dụng mô hình tối ưu hố độ đặc thiết kế thành phần bê tông C1, C2, C3 - Kiểm tra thành phần cấp phối hạt phù hợp với nghiên cứu Pháp lý thuyết cấp phối tối ưu Fuller Chương 3: THÍ NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ NÉN, UỐN VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 3.1/ Mở đầu Trong chương này, Nghiên cứu sinh trình bày thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo đặc trưng mô đun đàn hồi bê tông cường độ siêu cao 3.1.1/ Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén xác định với bê tơng 3, 7, 28 ngày tuổi Theo mẫu hình trụ có kích thước d=10cm, h =20cm để xác định cường độ chịu nén Mẫu bảo dưỡng điều kiện bình thường 3.1.2/ Ứng xử kéo uốn Ứng xử kéo uốn vật liệu đặc trưng giá trị thí nghiệm sau: - Cường độ kéo uốn đàn hồi bê tông cường độ siêu cao (ftj) Giá trị ứng với phần biến dạng đàn hồi thời điểm xuất vết nứt với biến dạng tương đối 1‰ Trị số độ mở rộng vết nứt 0,05mm, độ võng phạm vi 1mm - Cường độ chịu kéo uốn lớn (ứng với mômen uốn lớn nhất) thông thường ứng với biến dạng 3‰ - Cường độ chịu kéo uốn thời điểm biến dạng tối đa ứng với độ võng dầm thí nghiệm 10mm, thí nghiệm cường độ kéo uốn thực theo Tiêu chuẩn Châu Âu (RILEM) 9 3.1.3/ Quy trình thí nghiệm uốn mẫu u trụ tr phân tích Hai loại thí nghiệm đề xuấtt th giới Kiểu 1: Thí nghiệm uốn điểm m mẫu m lăng trụ khơng có khấc cho phép suy cường độ chịu kéo sau điềuu chỉnh ch số quan hệ hiệu ứng tỉ lệ Kiểu 2: Thí nghiệm uốn điểm m mẫu m lăng trụ có khấc, áp dụng phương pháp phân tích ngược theo hướng dẫnn c RILEM Nghiên cứu sinh chọnn phương pháp thí nghiệm nghi uốn bốn điểm mẫu dầm theo hướng dẫn củaa Châu Âu (hình 3.1) 3.1.4/ Kích thước mẫu (theo tiêu chuẩn chu Châu Âu) Các mẫu hình lăng trụ mặt cắt vuông cạnh a chiều dài 4*a, với a=15cm Mẫu thử có kích thước: c: 15*15*60 (cm) a Thiết bị thí nghiệm Trong thí nghiệm uốn điểm theo hướng dẫn Châu Âu, thiết bị đo cần cố định mẫu ẫu phận đặc biệt để đo độ võng v thực mẫu thí nghiệm (hình 3.1) .1) Hình 3.1: Mơ hình thí hí nghiệm nghi uốn điểm b Thu thập kết Các số liệu thí nghiệm ệm cần đ thực với tần số Hz Các số liệu cần thu thập là: + Độ võng + Lực + Biểu đồ tải trọng – độ võng c Tính tốn độ mở rộng vết nứt, biến ến dạng… Biết độ võng f0 ứng với ới đoạn cuối vùng v đàn hồi, độ mở rộng vết nứt (w) đánh giá qua quan hệ độộ võng v theo hướng dẫn (SETRA – AFGC): 3.2/ Chế tạo mẫu thí nghiệm 3.3/ Các kết thí nghiệm: + Kết thử nghiệm độ chảy ch lan, cường độ chịu nén theo bảng 3.1; 3.2 ; 3.3 hình 3.2 ; 3.3 10 Bảng 3.1: Kết thí nghiệm độ chảy lan Ký hiệu mẫu thử Độ sụt bê tông (cm) Độ chảy lan (cm) Ngày đúc mẫu C1 24,00 C2 29,00 C3 27,00 45,00 29/3/2011 64,00 1/4/2011 50,50 6/4/2011 Hình 3.3: Thí nghiệm độ chảy lan Hình 3.2: Mẻ trộn thử Bảng 3.2: Kết cường độ chịu nén Ký Cường độ chịu nén (MPa) Ngày Stt hiệu đúc R3 TB3 S3 R7 TB7 S7 R 28 TB28 S28 mẫu C11 29/3 65,89 109,89 134,70 C1 C2 C3 C12 29/3 66,53 100,63 C13 29/3 C14 29/3 71,72 69,77 101,23 106,59 126,90 127,59 3,32 5,33 5,22 74,65 111,76 132,63 C15 29/3 72,48 102,36 119,79 C16 29/3 67,36 113,69 128,90 C21 1/4 68,55 111,47 121,36 C22 1/4 67,89 106,34 128,63 C23 1/4 C24 1/4 71,66 72,65 115,19 112,46 137,24 130,01 3,69 5,28 5,73 75,12 120,69 133,68 C25 1/4 78,34 115,31 124,36 C26 1/4 74,35 105,73 134,80 C31 6/4 82,42 115,51 142,56 C32 6/4 C33 6/4 80,23 84,75 112,36 113,06 132,21 139,21 5,07 5,57 6,21 77,64 105,61 129,38 C34 6/4 86,62 122,38 122,63 144,77