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 TÔNG 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: 1. GS-TS. Phạm Duy Hữu 2. PGS-TS. Nguyễn Ngọc Long HÀ NỘI - 2013 2 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 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. 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: Hướng lý thuyết: Lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu đã được Larard trình bày. Các hướng dẫn tính toán thành phần theo cấp phối tối ưu của Fuller năm 1997. Các nghiên cứu thực nghiệm định lượng được thực hiện bỡi SETRA/AFGC năm 2002; phương pháp thiết kế theo DIN; phương pháp thiết kế theo ACI-544… Các lý thuyết này nghiên cứu sinh sử dụng trong nghiên cứu của mình Hướng thực nghiệm: Định lượng lại thông qua thực nghiệm và từ thực nghiệm xác định lại các hệ số của các công thức. Đây cũng là một hướng được một số nước như Hàn Quốc, Mỹ thực hiện. Hướng 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 và cũng từ các thí nghiệm xác định lại công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn 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 xác định 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. 3 Phạm vi nghiên cứu: Định lượng lại mô hình vật liệu thông qua thí nghiệm, Phân tích thực nghiệm ứng xử uốn của dầm để tìm công thức  t , phân tích ứng xử uốn dầm cầu để xác định chiều cao mới của dầm cầu. Nghiên cứu sinh chỉ nghiên cứu dầm cầu dưới tác dụng của tải trọng tỉnh, các tải trọng động, tải trọng lặp chưa đề cập trong luận án này. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài: - Về lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết tính toán về độ đặc tối ưu để thiết kế cấp phối bê tông cường độ siêu cao. Phân tích ứng xử uốn của dầm và dầm cầu để tìm ra công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn  t và chiều cao dầm cầu. - Về thực nghiệm: Tìm kiếm vật liệu, chế tạo ra cấp phối vật liệu bê tông cường độ siêu cao từ 120 -140MPa với vật liệu trong nước. Từ thực nghiệm nêu lên các đặc trưng cơ học của bê tông cường độ siêu và đề xuất công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn  t ; phân tích ứng xử uốn của dầm cầu và 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 công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã được công bố trên thế giới Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu mới được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990. Các ứng xử cơ học, các công thức về tính toán cũng như các hướng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng đã được công bố ở Pháp, Mỹ và Đức. Một số ứng dụng đầu tiên ở Cananda, Châu Âu, Châu Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích của loại vật liệu mới này về chi phí, tính bền vững và nhiều tính năng ưu việt khác. Với những ưu điểm vượt trội của bê tông này, cho phép chúng ta có những suy nghĩ về việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu thành phần trong nước, trên cơ sở tham khảo những kết quả nghiên cứu của các nước trên thế giới, sẽ mở ra một hướng đi mới trong ngành vật liệu xây dựng và kết cấu công trình 1.2. Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ, ở Châu Âu và Châu Á Các lý thuyết mới về thành phần hạt theo độ đặc tối ưu đã được Larrard trình bày Các lý thuyết về cấp phối hạt tối ưu đã được Schmidt và Fuller trình bày. Các hướng dẫn thiết kế đã được SETRA / AFGC công bố Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và khuyến cáo bởi RILEM, DIN; Các thí nghiệm về định lượng lại mô hình vật liệu đã được FHWA (Hoa Kỳ) và Hàn Quốc thực hiện. 4 Các hình ảnh từ 1.1 -:-1.6 giới thiệu các kết cấu cầu, nhà và các ứng dụng trong quân sự điển hình Hình 1.1: So sánh về trọng lượng và chiều cao của dầm bê tông cường độ siêu cao và bê tông truyền thống Hình 1.2: Các cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao mặt cắt dầm chữ T và chữ  ở Mỹ Hình 1.3:Cầu người đi bộ ở Seoul Hàn Quốc năm 2002 Hình 1.4: Mái nhà cửa sổ Millau năm 2004 Hình 1.5: Cầu Bourg –lès – Valence, France năm 2004 Hình 1.6: Thử nghiệm khả năng chịu công phá sử dụng trong quân sự Iran 5 1.3.Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã được công bố ở Việt Nam Ở Việt Nam: bê tông cường độ siêu cao là một đề tài còn khá mới. Đến năm 2008 mới được một số nhà khoa học ở các trường ĐH Giao thông Vận tải; ĐH Xây dựng; ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh… bắt đầu nghiên cứu về bê tông này. Các nghiên cứu nêu trên được xem là những nghiên cứu ban đầu về bê tông siêu cường độ ở Việt Nam. Như vậy bê tông cường độ siêu cao đối với Thế giới và Việt Nam vẫn còn mang tính thời sự rất lớn, cần thiết có nhiều nghiên cứu để chế tạo ra bê tông này từ vật liệu trong nước góp phần bổ sung hoàn thiện hệ thống lý luận, tính toán và từng bước đưa vào ứng dụng thử nghiệm cho một số công trình xây dựng. 1.4.Mục tiêu của đề tài Từ vật liệu trong nước, theo các hướng dẫn của thế giới; nghiên cứu chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao từ 120 -:- 140MPa. Nghiên cứu thực nghiệm uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao để xác định hệ số K trong công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn. Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao từ đó đề xuất chiều cao của dầm cầu. 1.5.Nội dung và phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, thí nghiệm các tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa. Phân tích uốn kết cấu dầm, dầm cầu và từ đó định hướng sử dụng trong kết cấu. Sử dụng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để xác định về thành phần, các tính năng cơ học của bê tông cường độ siêu cao và công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn và 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 và muội Silic Nghiên cứu sinh sử dụng xi măng PC40-Bút Sơn loại I phù hợp với quốc tế và thực tế xi măng ở Việt nam Luận án sử dụng phụ gia Policacbol silat của hãng Sika Việt Nam với kí hiệu 3000-20 các tính năng phù hợp tiêu chuẩn ASTM C494 loại C Luận án sử dụng muội Silic do Sika Việt Nam bán trên thị trường cũng có tính năng đảm bảo các tiêu chuẩn ASTM 1230-95a, hình 2.1 6 Hình 2.1: Muội silic 2.1.2/ Cốt liệu lớn và bột quarzt Cốt liệu lớn: Sử dụng cát quarzt được nghiền ra từ đá quarzt tại mỏ Thanh Sơn-Phú Thọ theo các tiêu chuẩn hướng dẫn của quốc tế. Nghiên cứu sinh đã khai thác chế tạo cát Quartz (là vật chất dạng hạt lớn nhất trong cấp phối bê tông) đường kính lớn nhất là 0,6 mm, thành phần cấp phối như bảng 2.1 và hình 2.2 Bảng 2.1: Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt C ỡ sàng (mm) Lư ợ ng l ọ t trên sàng i, A% 0,63 100 0,315 67,1 0,14 41,6 0,075 13,9 Bột Quartz được nghiền nhỏ từ đá Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ với đường kính khoảng 27,9m như hình 2.3. Hình 2.2: Cát Quartz Hình 2.3: Bột Quartz 2.1.3/ Sợi thép Sử dụng sợi thép của hãng BeKeart Đức, sợi thép loại Dramix kí hiệu là OL13-20 có đường kính D = 0,2 mm chiều dài L = 13 mm. Giới hạn chảy là 2.000 MPa, với hàm lượng là 2% theo thể tích, như ở hình 2.4 Hình 2.4: Sợi thép Như vậy các vật liệu chính được sử dụng trong bê tông bê tông cường độ siêu cao và các thí nghiệm sau này là Xi măng PC 40 Bút Sơn. Cát Quartz và bột Quartz được chế tạo từ đá Quartz khai thác từ mỏ đá Thanh Sơn –Phú 7 Thọ, muội Silic và phụ gia siêu dẻo của hãng Sika Việt Nam, sợi thép Dramix được nhập từ Thượng Hải Trung Quốc. Đánh giá về nguồn cung cấp vật liệu cho thấy rằng có đủ nguồn vật liệu có sẵn ở Việt Nam phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế để chế tạo bê tông cường độ siêu cao. 2.2/ Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc 2.2.1/ Mở đầu Trong luận án, lý thuyết tối ưu hóa độ đặc của Mooney và Larrad được sử dụng nghiên cứu tính toán chính, lý thuyết về đường cong cấp phối tối ưu Fuller sẽ được xem xét đối chiếu. 2.2.2/ Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông Từ lý thuyết tối ưu hóa độ đặc của Mooney, theo các hướng dẫn của Thomson, Larard nghiên cứu sinh đã tiến hành tính toán và đã thiết lập được 3 công thức bê tông được kí hiệu như sau: C1, C2, C3 như ở bảng 2.2 Bảng 2.2: Công thức thiết kế bê tông cường độ siêu cao Thành ph ầ n C1 C2 C3 Xi măng Bút sơn PC40, kg/m 3 800 850 900 Mu ộ i silic (25%X), kg/m 3 195 , 5 195 , 5 207 Cát Quartz Q1, kg/m 3 900 935 977 B ộ t Quartz Q2, kg/m 3 280 150 120 S ợ i thép, kg/m 3 160 170 160 Ch ấ t siêu d ẻ o, kg 16 17 18 Nư ớ c, lít 160 170 170 T ỷ l ệ N/ X 0 , 20 0 , 20 0 , 20 Biểu đồ phân bố thành phần hạt với cỡ hạt lớn nhất là 0,6mm, cỡ hạt nhỏ nhất là 0,00001mm theo hình 2.5. Hình 2.5: Biểu đồ thành phần hạt của các cốt liệu 2.2.3/ Kiểm tra cấp phối Căn cứ vào các công thức bê tông, lập nên đường cấp phối của bê tông và đối chiếu với đường cấp phối tối ưu của Fuller theo biểu đồ hình 2.6 8 Hình 2.6: Cấp phối của bê tông cường độ siêu cao đối chiếu với cấp phối Fuller Kết quả kiểm tra đối chiếu cấp phối thiết kế C1, C2, C3 cho thấy rằng các cấp phối được thiết kế rất sát với cấp phối theo công thức của Fuller. Nghiên cứu ở chương 2 đã đạt được kết quả sau - Đã khai thác và chế tạo cát và bột quartz theo tiêu chuẩn. - Đã lựa chọn được các loại xi măng, muội Silic, sợi thép phù hợp với bê tông cường độ siêu cao - Sử dụng mô hình tối ưu hoá độ đặc đã thiết kế được thành phần bê tông C1, C2, C3. - Kiểm tra thành phần cấp phối hạt phù hợp với các nghiên cứu của Pháp và lý thuyết cấp phối tối ưu của 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 và mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao. 3.1.1/ Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén được xác định với bê tông ở 3, 7, 28 ngày tuổi. Theo thì các mẫu hình trụ có kích thước d=10cm, h =20cm để xác định cường độ chịu nén. Mẫu được bảo dưỡng trong điều kiện bình thường. 3.1.2/ Ứng xử kéo khi uốn Ứng xử kéo khi uốn của vật liệu được đặc trưng bằng 3 giá trị thí nghiệm như sau: - Cường độ kéo khi uốn đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao (f tj ). Giá trị này ứng với phần biến dạng đàn hồi ở thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên với biến dạng tương đối là 1‰. Trị số độ mở rộng vết nứt là 0,05mm, độ võng trong phạm vi 1mm. - Cường độ chịu kéo uốn lớn nhất (ứng với mômen uốn lớn nhất) thông thường ứng với biến dạng là 3‰. - Cường độ chịu kéo khi uốn ở thời điểm biến dạng tối đa ứng với độ võng của dầm thí nghiệm là 10mm, thí nghiệm cường độ kéo uốn được thực hiện theo Tiêu chuẩn của Châu Âu (RILEM). 9 3.1.3/ Quy trình thí nghiệm uốn mẫu trụ và phân tích Hai loại thí nghiệm được đề xuất trên thế giới. Kiểu 1: Thí nghiệm uốn 4 điểm trên mẫu lăng trụ không có khấc cho phép suy ra cường độ chịu kéo sau khi điều chỉnh một số quan hệ hiệu ứng tỉ lệ. Kiểu 2: Thí nghiệm uốn 3 điểm trên mẫu lăng trụ có khấc, áp dụng phương pháp phân tích ngược theo hướng dẫn của RILEM. Nghiên cứu sinh chọn phương pháp thí nghiệm uốn bốn điểm trên mẫu dầm theo hướng dẫn của Châu Âu (hình 3.1) 3.1.4/ Kích thước mẫu (theo tiêu chuẩn Châu Âu) Các mẫu hình lăng trụ mặt cắt vuông cạnh a và chiều dài 4*a, với a=15cm. Mẫu thử có kích thước: 15*15*60 (cm) a. Thiết bị thí nghiệm Trong thí nghiệm uốn 4 điểm theo các hướng dẫn của Châu Âu, thiết bị đo cần được cố định trên mẫu bằng một bộ phận đặc biệt để đo độ võng thực của mẫu khi thí nghiệm (hình 3.1). Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm b. Thu thập kết quả Các số liệu trong khi thí nghiệm cần được thực hiện với tần số 5 Hz. Các số liệu cần thu thập là: + Độ võng + Lực + Biểu đồ tải trọng – độ võng c. Tính toán độ mở rộng vết nứt, biến dạng… Biết độ võng f 0 ứng với đoạn cuối của vùng đàn hồi, độ mở rộng vết nứt (w) được đánh giá qua quan hệ độ võng theo hướng dẫn của (SETRA – AFGC): 3.2/ Chế tạo các mẫu thí nghiệm 3.3/ Các kết quả thí nghiệm: + Kết quả thử nghiệm độ chảy lan, cường độ chịu nén theo bảng 3.1; 3.2 ; 3.3 và các hình 3.2 ; 3.3 10 Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm độ chảy lan Ký hi ệu mẫu thử C1 C2 C3 Đ ộ sụt của b ê tông (cm) 24,00 29,00 27,00 Đ ộ chảy lan (cm) 45,00 64,00 50,50 Ngày đúc m ẫu 29/3/2011 1 /4/2011 6/4 /2011 Hình 3.2: Mẻ trộn thử Hình 3.3: Thí nghiệm độ chảy lan Bảng 3.2: Kết quả cường độ chịu nén Stt Ký hiệu mẫu Ngày đúc Cường độ chịu nén (MPa) R3 TB3 S3 R7 TB7 S7 R 28 TB28 S28 C1 C11 29/3 65,89 69,77 3,32 109,89 106,59 5,33 134,70 127,59 5,22 C12 29/3 66,53 100,63 122,63 C13 29/3 71,72 101,23 126,90 C14 29/3 74,65 111,76 132,63 C15 29/3 72,48 102,36 119,79 C16 29/3 67,36 113,69 128,90 C2 C21 1/4 68,55 72,65 3,69 111,47 112,46 5,28 121,36 130,01 5,73 C22 1/4 67,89 106,34 128,63 C23 1/4 71,66 115,19 137,24 C24 1/4 75,12 120,69 133,68 C25 1/4 78,34 115,31 124,36 C26 1/4 74,35 105,73 134,80 C3 C31 6/4 82,42 84,75 5,07 115,51 113,06 5,57 142,56 139,21 6,21 C32 6/4 80,23 112,36 132,21 C33 6/4 77,64 105,61 129,38 C34 6/4 86,62 122,38 144,77 [...]... nhà nghiên cứu trong việc nghiên cứu vật liệu bê tông cường độ siêu cao 2 KIẾN NGHỊ 2.1/ Có thể ứng dụng bê tông cường độ siêu cao vào kết cấu dầm cầu, sản xuất bản mặt cầu lắp ghép hoặc các khu vực cục bộ cần tăng cường khả năng đặc biệt cho kết cấu cầu 2.2/ Có thể sử dụng phương pháp thí nghiệm, mô hình tính toán đã lập để tính toán kết cấu dầm cầu 3 CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 3.1/ Cần nghiên cứu. .. et al (1995) tính cường độ chịu kéo khi uốn bê tông cốt sợi thép cường độ cao (HPC) cấp bê tông . 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 TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VÀ ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU CẦU CHUYÊN. cầu và từ đó định hướng sử dụng trong kết cấu. Sử dụng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để xác định về thành phần, các tính năng cơ học của bê tông cường độ siêu cao và công thức tính cường. tính cường độ chịu kéo khi uốn (  ) của bê tông cường độ siêu cao. 4.2/ Cơ sở nghiên cứu phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ siêu cao. Chọn phương pháp nghiên