Tiến Sĩ Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2013

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC . iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH . x
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . xiii
MỞ ĐẦU . 1


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG
CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM . . 4
1.1. Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã được công
bố trên thế giới 4
1.1.1. Mở đầu: . 4
1.1.2. Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ 45; 48; 49 5
1.1.3. Các nghiên cứu và ứng dụng về bê tông cường độ siêu cao ở Châu Âu và
Châu Á 9
1.1.4. Các vật liệu chế tạo của bê tông cường độ siêu cao . 13
1.1.5. Các ứng xử cơ học của bê tông cường độ siêu cao 17
1.1.6. Độ đặc và độ khuếch tán Ion Clo của bê tông cường độ siêu cao . 20
1.1.7. Co ngót và từ biến của bê tông cường độ siêu cao . 22
1.1.7.1. Co ngót . 22
1.1.7.2. Từ biến: 23
1.2. Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã được công
bố ở Việt Nam 23
1.3. Mục tiêu của đề tài . 24
1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 24
1.5. Kết luận chương 1 25


CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 27
2.1. Tổng quát về thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao . 27
2.2. Vật liệu chế tạo . 27
2.2.1. Xi măng . 27
2.2.2. Các phụ gia hóa học 29
2.2.3. Muội silic 31
2.2.4. Cốt liệu lớn 34
2.2.5. Bột . 37
2.2.6. Sợi thép . 39
2.3. Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc 40
2.3.1. Mở đầu 40
2.3.2. Tối ưu hóa cường độ siêu cao bằng việc sử dụng mô hình độ đặc . 41
2.3.3. Các nguyên tắc chính để tạo ra thành phần bê tông cường độ siêu cao . 43
2.3.4. Thành phần hạt đảm bảo độ đặc cao phù hợp cấp phối hạt tối ưu . 44
2.4. Thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao 45
2.4.1. Mở đầu 45
2.4.2. Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông 46
2.4.3. Kết quả thiết kế 49
2.4.4. Kiểm tra cấp phối 51
2.5. Kết luận chương 2 51


CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ NÉN, UỐN VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO . 52
3.1. Mở đầu . 52
3.1.1. Cường độ chịu nén 52
3.1.2. Ứng xử kéo khi uốn . 53
3.1.3. Quy trình thí nghiệm uốn mẫu lăng trụ và phân tích . 54
3.1.4. Kích thước mẫu (theo tiêu chuẩn Châu Âu) 54
3.2. Chế tạo các mẻ trộn thử 57
3.2.1. Kế hoạch thí nghiệm 57
3.2.2. Hỗn hợp bê tông thử nghiệm . 58
3.3. Các kết quả thí nghiệm . 60
3.3.1. Kết quả thử nghiệm độ chảy lan, cường độ chịu nén theo bảng 3.6; 3.7; 3.8 và
các hình 3.3; 3.4; 3.5; 3.6 60
3.3.2. Kết quả thử nghiệm cường độ chịu kéo - uốn 63
3.3.3. Thử nghiệm Mô đun đàn hồi . 70
3.3.4. Kết luận về khả năng chịu nén, kéo khi uốn và mô đun đàn hồi của bê tông
cường độ siêu cao . 73
3.4. Qui trình chế tạo bê tông cường độ siêu cao . 73
3.4.1. Giới thiệu . 73
3.4.2. Trình tự và thời gian trộn . 74
3.4.3. Vận chuyển bê tông cường độ siêu cao . 76
3.4.4. Đổ và đầm chắc . 76
3.4.5. Dưỡng hộ bê tông 77
3.5. Kết luận chương 3 78


CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ DẦM CẦU SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO . 79
4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu 79
4.2. Cơ sở nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông
cường độ siêu cao. 80
4.2.1. Phương pháp nghiên cứu . 80
4.2.2. Mục đích nghiên cứu . 81
4.3. Chuẩn bị mẫu dầm thí nghiệm 82
4.3.1. Tính toán hỗn hợp cấp phối . 82
4.3.2. Sản xuất mẫu dầm để thí nghiệm. 82
4.4. Phương pháp và trình tự thí nghiệm dầm 85
4.4.1. Thiết bị thí nghiệm 85
4.4.2. Phương pháp thí nghiệm 85
4.4.3. Sơ đồ tính của dầm thí nghiệm23,43 85
4.4.4. Quá trình thí nghiệm: . 86
4.5. Thu thập kết quả thí nghiệm . 87
4.5.1. Số liệu kết quả thí nghiệm của các tổ hợp dầm 87
4.5.2. Tổng hợp tải trọng – độ võng của các dầm thí nghiệm tại 3 thời điểm đặc biệt91
4.5.3. Giá trị Mô men uốn thí nghiệm (Mtn) và cường độ kéo khi uốn của các tổ hợp
dầm thí nghiệm theo công thức 4.3 và 4.4 92
4.6. Nhận xét kết quả thí nghiệm: 92
4.7. Tính toán và phân tích kết quả thí nghiệm 94
4.7.1. Xác định mối quan hệ giữa độ võng và độ mở rộng vết nứt (-w) theo hướng
dẫn của SETRA/AFGC42 94
4.7.2. Xác định các mối quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt(-w); ứng suất – biến
dạng (-) và quan hệ giữa mở rộng vết nứt và biến dạng (w-) 96
4.8. Phân tích công thức tính cường độ chịu kéo khí uốn của dầm () . 101
4.8.1. Sơ đồ tính toán: . 101
4.8.2. Tính toán các hệ số của công thức tính khả năng chịu uốn của dầm (công thức
4-1) . 103
4.8.3. Tính toán kết quả theo ACI-544 23và Imam et al 43, 49 . 104
4.8.4. So sánh khả năng chịu uốn của dầm thí nghiệm với khả năng chịu uốn của
dầm khi tính theo ACI-544 23 và Imam et al 43, 49 . 105
4.8.5. Tính toán lại hệ số K trong công thức 4-1 từ kết quả thí nghiệm . 105
4.9. Xây dựng các biểu đồ ( - ) ; (-) ; ( - w) từ kết quả thí nghiệm theo các
hướng dẫn của SETRA / AFGC42 . 109
4.9.1. Xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng ( - )bê tông vùng nén của
các dầm thí nghiệm,hình 4.10 . 109
4.9.2. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – biến dạng vùng kéo ( - ) của các
dầm thí nghiệm,hình 4.11 . 110
4.9.3. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – độ võng ( - ) của các dầm thí
nghiệm, hình 4.12 . 110
4.9.4. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – độ mở rộng vết nứt (-w) của các
dầm thí nghiệm, hình 4.13 111
4.10. Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông cường độ siêu
cao 112
4.10.1. Các tiêu chuẩn viện dẫn . 112
4.10.2. Các phương pháp phân tích ứng xử uốn dầm cầu bằng bê tông cường độ siêu
cao trên thế giới 113
4.10.3. Các số liệu từ thực nghiệm phục vụ cho việc phân tích ứng xử uốn của dầm
cầu dự ứng lực bằng bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao 121
4.10.4. Khả năng chống cắt của bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao . 122
4.10.5. Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao
dự ứng lực cấp 130MPa 123
4.10.6. Mô tả mặt cắt ngang dầm I (theo bảng 4.14 và 4.15) . 125
4.10.7. Vật liệu chế tạo dầm(bảng 4.16) 126
4.11. Kết luận chương 4 133
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 134
1. KẾT LUẬN . 134
2. KIẾN NGHỊ 136
3. CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO . 136
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . 137
TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU
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. Đặc tính của loại bê tông này là có cường độ chịu nén rất cao có thể lên đến từ 100 -:- >200MPa, khả năng chịu kéo khi uốn lên đến 40MPa, khả năng chịu cắt tăng cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và đặc biệt là có độ bền và sự ổn định lâu dài. Hiện nay trên thế giới đang tiếp tục tập trung nghiên cứu và phát triển loại vật liệu bê tông mới này và đã từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết
cấu công trình.
Ở Việt Nam, đang phát triển cơ sở hạ tầng, 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.
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 từng bước nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao này trong thiết kế một số các kết cấu của công trình cầu, đường, các nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác.
Như vậy việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao đanglà vấn đề thời sự được các nhà khoa học thế giới và Việt Nam quan tâm nghiên cứu. Đó chính là lý do Nghiên cứu sinh chọn đề tài để nghiên cứu.
Tên đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu”.
Mục đích nghiên cứu: Khi nghiên cứu vấn đề mới thì có thể đi theo một trong hai hướng như sau:
Hướng lý thuyết: Nghiên cứu đề ra một lý thuyết mới về bê tông cường độ siêu cao. Về vấn đề này lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu đã được Larard đề cập năm 1991 33, 34. Sau đó các hướng dẫn thành phần theo cấp phối tối ưu của Fuller năm 1997 26. Các nghiên cứu thực nghiệm định lượng để đưa ra các hướng dẫn tính toán được thực hiện bỡi SETRA/AFGC (Pháp) năm 2002 42; phương pháp thiết kế theo DIN (Đức) 24; phương pháp thiết kế theo phân tích thực nghiệm ACI-544 23 Các lý thuyết này nghiên cứu sinh sử dụng trong nghiên cứu của mình Hướng thực nghiệm: Với điều kiện thi công, điều kiện về nhiệt độ, điều kiện về tình hình vật liệu của mỗi khu vực, địa phương Tùy theo phương pháp tính khác nhau thì cần thiết định lượng lại cho chính xác thông qua thực nghiệm và cũng từ thực nghiệm xác định các hệ số của các công thức nhờ vào phương pháp thống kê. Đây cũng là một hướng được một số nước thực hiện như Hàn Quốc 43, Mỹ 45, 49 Đây là hướng thực hiện và mục đích của nghiên cứu sinh thực hiện; tức là tiến hành theo hướng định
lượng lại mô hình vật liệu từ các điều kiện vật liệu ở Việt Nam thông qua các thí nghiệm. Thông qua thí nghiệm các tổ hợp dầm xác định lại hệ số K trong các công thức lý thuyết tính cường độ chịu kéo khi uốn của kết cấu dầm từ loại vật liệu Việt Nam nhằm tạo ra các thông số phục vụ tính toán kết cấu. Đối tượng nghiên cứu: Từ vật liệu trong nước,nghiên cứu thực nghiệm, định lượng lại mô hình vật liệu và chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao có cường độ 120 -:- 140MPa và ứng dụng trong kết cấu cầu.