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

157 trang ngocly 2690

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu thành phần,tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_thanh_phantinh_chat_co_hoc_be_tong_cuong.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu thành phần,tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2013
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 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
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Lộc Kha
ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thày, cô Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận ánTiến sĩ Kỹ thuật “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu”; Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Cầu hầm - Trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội, các cán bộ quản lý và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy lớp Nghiên cứu sinh niên khóa 2010 – 2014đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này; Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Duy Hữu, PGS.TS Nguyễn Ngọc Long đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên cứu đề tài, hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn. Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2013 Tác giả Nguyễn Lộc Kha
iii 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
iv 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
v 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
vi 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
vii 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
viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thành phần BTCĐSC điển hình của một số nước Châu Âu 15 Bảng 1.2 Thành phần BTCĐSC điển hình theo Cục đường bộ Hoa Kỳ 15 Bảng 1.3: Độ rỗng chứa nước của các loại bê tông 22 Bảng 1.4: Hệ số khuếch tán Ion Clo của các loại bê tông 22 Bảng 2.1: Thành phần khoáng vậtcủa xi măng (%) theo ASTM 28 Bảng 2.2: Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam 28 Bảng 2.3: Các tính năng của phụ gia 31 Bảng 2.4: Tiêu chuẩn ASTM về muội silic 32 Bảng 2.5: Thành phần hóa học của đá Quartz 35 Bảng 2.6: Cấp phối của cốt liệu cát Quartz (% lọt sàng) 36 Bảng 2.7: Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt 36 Bảng 2.8: Thành phần hóa học của bột Quartz 38 Bảng 2.9: Lượng lọt sàng (%) của bột Quartz nghiền 39 Bảng 2.10: Các đặc tính độ đặc của vật liệu 45 Bảng 2.11: Tính toán độ đặc của hỗn hợp 48 Bảng 2.12: Công thức thiết kế bê tông cường độ siêu cao 49 Bảng 3.1: Độ võng đạt được khi tiến hành thí nghiệm 56 Bảng 3.2: Kế hoạch thí nghiệm 57 Bảng 3.3: Số mẫu cho mẻ trộn thử 58 Bảng 3.4: Thành phần vật liệu chế tạo 58 Bảng 3.5: Thành phần trộn mẫu thí nghiệm 59 Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm độ chảy lan 60 Bảng 3.7: Kết quả cường độ chịu nén 61 Bảng 3.8: Cường độ trung bình của các nhóm mẫu 62 Bảng 3.9: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 65 Bảng 3.10: Cường độ chịu kéo khi uốn khi xuất hiện các vết nứt đầu tiên 66 Bảng 3.11: Cường độ chịu kéo khi uốn lớn nhất 67 Bảng 3.12: Cường độ chịu kéo khi uốn ứng với độ võng 10mm 68
ix Bảng 3.13: Quan hệ giữa cường độ và biến dạng của bê tông cường độ siêu cao 69 Bảng 3.14: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông cường độ siêu cao 72 Bảng 3.15: Thành phần cơ bản của bê tông cấp phối C3 73 Bảng 4.1: Cấu tạo, diện tích và tỉ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo 83 Bảng 4.2: Cường độ chịu nén và Mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao nhóm mẫu C3 84 Bảng 4.3: Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cường độ siêu cao 84 Bảng 4.4:Số liệu kết quả thí nghiệm của các dầm. 88 Bảng 4.5: Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm tải trọng - độ võng 91 Bảng 4.6: Tổng hợp Mô men và cường độ giới hạn kéo uốn tại 3 thời điểm 92 Bảng 4.7: Kết quả thực nghiệm và tính toán các giá trị tại các điểm độ mở rộng vết nứtdanh định đặc trưng (CMOD) 98 Bảng 4.8: Kết quả tính toán các hệ số của công thức 4-1 103 Bảng 4.9: Kết quả tính toán theo thí nghiệm, theo Imam và ACI-544 104 Bảng 4.10: Đối chiếu momen kháng uốn từ thực nghiệm với momen kháng uốn tính toán theo Imam và ACI-544 105 Bảng 4.11: Kết quả tính toán thực nghiệm tại các điểm danh định đặc trưng 106 Bảng 4.12: Các giá trị tính toán của bê tông cường độ 130MPa 121 Bảng 4.13: Đặc tính dầm tính toán 124 Bảng 4.14: Kích thước mặt cắt ngang dầm I. L = 33m , h = 1,65m 125 Bảng 4.15: Kích thước mặt cắt ngang dầm I, L = 33m, h = 1,10 m 125 Bảng 4.16: Đặc tính vật liệu chế tạo dầm 126 Bảng 4.17: Đặc tính vật liệu cáp cường độ cao 127 Bảng 4.18: Kết quả tính toán độ võng do hoạt tải dầmH=1100mm 130 Bảng 4.19: Kết quả tính toán độ võng do tĩnh tải dầm H=1100mm 130
x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Tương quan về chiều cao và trọng lượng giữa dầm bê tông truyền thống và dầm bê tông cường độ siêu cao 5 Hình 1.2: Thiết kế mặt cầu lắp ghép từ bê tông cường độ siêu cao 7 Hình 1.3: Sơ đồ sản xuất mặt cầu từ bê tông cường độ siêu cao 7 Hình 1.4: Thi công mặt cầu lắp ghép và mối nối mặt cầu bằng bê tông cường độ siêu cao tại công trường 7 Hình 1.5: Các thí nghiệm dầm bê tông cường độ siêu cao của FHWA 8 Hình 1.6: Cầu đường ô tô năm 2005 và cầu dàn thép mặt sàn là bê tông cường độ siêu cao lắp ghép năm 2006 8 Hình 1.7: Các cầu sử dụng BTCĐSC mặt cắt dầm chữ T và chữ  xây dựng trên đường cao tốc Hoa Kỳ năm 2008 9 Hình 1.8: Dầm cầu có mặt cắt chữ П dùng BTCĐSC do FHWA thiết kế 9 Hình 1.9: Tương quan về trọng lượng trên 1 mét dài dầm theo Ductal 10 Hình 1.10: Cầu người đi bộ ở Seoul Hàn Quốc năm 2002 12 Hình 1.11: Cầu người đi bộ năm 1999 tại Sherbrooke 12 Hình 1.12: Mái nhà cửa sổ Millau bằng BTCĐSC năm 2004 12 Hình 1.13: Cầu Bourg –lès – Valence, France bằng BTCĐSC năm 2004 13 Hình 1.14: Thử nghiệm khả năng chịu công phá của bê tông cường độ siêu cao làm boongke trong các căn cứ quân sự của Iran năm 2008 13 Hình 1.15: Sợi thép được sử dụng phổ biến trong BTCĐSC 16 Hình 1.16: Các thành phần vật liệu chủ yếu của BTCĐSC 16 Hình 1.17: cấu trúc của các vật liệu chèn lấp lỗ rỗng của bê tông cường độ siêu cao 16 Hình 1.18: Sự phân bố thành phần hạt của bê tông cường độ siêu cao 17 Hình 1.19: Ảnh hưởng của các loại sợi đến cường độ của BTCĐSC 17 Hình 1.20: Quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt của bê tông cường độ siêu cao theo SETRA/AFGC 18 Hình 1.21: Quan hệ ứng ứng suất – độ mở rộng vết nứt theo DIN 19 Hình 1.22: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông cường độ siêu cao theo SETRA/AFGC (Pháp) 19
xi Hình 1.23: Quan hệ ứng suất – biến dạng đặc trưng theo DIN 20 Hình 1.24: Quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén 20 Hình 1.25: Cấu trúc vi mô của bê tông cường độ siêu cao và bê tông cường độ cao 21 Hình 1.26: Sự phân bổ kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao 21 Hình 1.27: Thí nghiệm độ khuếch tán Ion Clo bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao 22 Hình 2.1: Sơ đồsản xuất Silica Fume 32 Hình 2.2: Biểu đồ phân tích thành phần hóa học các khoáng siêu mịn 33 Hình 2.3: Muội silic 34 Hình 2.4: Mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ 34 Hình 2.5: Cát Quartz 37 Hình 2.6: Bột Quartz 38 Hình 2.7: Sợi thép 40 Hình 2.8: Biểu đồ thành phần hạt của các cốt liệu tính toán 50 Hình 2.9: Cấp phối hạt của bê tông thiết kế đối chiếu với cấp phối Fuller 51 Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm 55 Hình 3.2: Mẻ trộn thử 60 Hình 3.3: Thí nghiệm độ chảy lan 60 Hình 3.4: Mẫu thử nén và uốn 61 Hình 3.5: Thí nghiệm nén 62 Hình 3.6: Dạng phá hoại 62 Hình 3.7: Quan hệ giữa cường độ chịu nén theo thời gian 63 Hình 3.8: Quan hệ giữa cường độ chịu nén với tỷ lệ N/CKD 63 Hình 3.9: Thí nghiệm uốn 64 Hình 3.10: Thí nghiệm uốn và dạng phá hoại mẫu 64 Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng 65 Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất - biến dạng của bê tông cường độ siêu cao nhóm mẫu C3lập theo hướng dẫn của SETRA-AFGC 70 Hình 3.13: Thí nghiệm mô đun đàn hồi 71 Hình 4.1: Biểu đồ ứng suất và biến dạng của kết cấu dầm chịu uốn theo ACI -544 80
xii Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo và thí nghiệm 9 dầm 82 Hình 4.3: Các hình ảnh đúc 9 dầm thí nghiệm 83 Hình 4.4: Các dầm đã hoàn thiện trước khi thí nghiệm 84 Hình 4.5: Sơ đồ tính toán của dầm thí nghiệm 85 Hình 4.6: Các hình ảnh trong quá trình thí nghiệm dầm 86 Hình 4.7: Hình ảnh dầm phá hoại khi thí nghiệm 86 Hình 4.8: Biểu đồ tải trọng và độ võng của các dầm thí nghiệm 91 Hình 4.9: Sơ đồ phân tích quan hệ giữa độ võng và độ mở rộng vết nứt 94 Hình 4.10: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén các dầm thí nghiệm . 109 Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất – biến dạng (-) vùng kéo của các tổ hợp dầm 110 Hình 4.12: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất - độ võng ( - ) của các tổ hợp dầm thí nghiệm 110 Hình 4.13: Biểu đồ quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt (-w) của các tổ hợp dầm thí nghiệm 111 Hình 4.14: Biểu đồ xác định hệ số β 116 Hình 4.15: Biểu đồ khối ứng suất của bê tông thường 118 Hình 4.16: Biểu đồ khối ứng suất của bê tông cốt sợi cường độ cao HPC 118 Hình 4.17: Biểu đồ ứng xử ứng suất – biến dạng dọc trục từ kết quả thức nghiệm để thiết kế uốn cho dầm I bê tông cường độ siêu cao 122 Hình 4.18: Sơ đồ bố trí cáp dọc dầm h=1,1m 128 Hình 4.19: Các đặc trưng hình học mặt cắt đầu dầm h=1,1m 128 Hình 4.20: Các đặc trưng hình học mặt cắt giữa dầm h=1,1m 129 Hình 4.21: Sơ đồ tính độ võng của dầm theo TCN 272-05 129 Hình 4.22: Biểu đồ Mn/Mu khi cấp bê tông và chiều cao dầm thay đổi 132 Hình 4.23: Biểu đồ Vn/Vu khi cấp bê tông và chiều cao dầm thay đổi 132
xiii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTCT : Bê tông cốt thép BTCĐSC : Bê tông cường độ siêu cao TCN : Tiêu chuẩn ngành TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam GTVT : Giao thông vận tải AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội các viên chức đường bộ và vận tải Mỹ) ACI : American Society for Testing and Materials (Hội thí nghiệm và vật liệu Mỹ) CEB : Comité Européen du Béton (Uỷ ban Bê tông Châu Âu) FIP : Fédération Internationale de la Précontraninte (Hiệp hội quốc tế về dự ứng lực) JSCE : Japan Society of Civil Engineers (hội Kỹ sư Xây dựng Nhật Bản) RILEM : International Union of Laboratories and Experts in Contruction Materials, Systems and Structures (Hiệp hội quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia về vật liệu xây dựng, hệ thống, kết cấu) DIN : Deutsches Institut fyr Normung (Viện tiêu chuẩn Đức) CMOD : Biến dạng hoặc độ nở rộng vết nứt danh định FHWA : The Feleral Highway Administration and Department of Transportation. US (Cục đường bộ Hoa Kỳ) UHSFRC : Ultra-High Steel Fibre Reinforced Concrete AFGC : Association Francaise de Genie Civil (hội Kỹ sư Xây dựng Pháp) HPC : High Performance Concrete (Bê tông chất lượng cao) UHPC : Ultra-High Performance Concrete (Bê tông siêu cường độ)
1 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
2 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. 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 hệ số K, phân tích ứng xử uốn dầm cầu để xác định chiều cao mới của dầm cầu khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao. 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. Về vật liệu bê tông cường độ siêu cao chỉ nghiên cứu về thành phần vật liệu, cường độ nén, kéo uốn, mô đun đàn hồi. Các vấn đề về co ngót, biến dạng và thấm Clo là những vấn đề lớn chưa thực hiện ở luận án này và được đề xuất cho hướng nghiên cứu tiếp theo. 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
3 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 cao như cường độ nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi và đề xuất công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn t của bê tông cường độ siêu cao; phân tích ứng xử uốn của dầm cầu và đề xuất chiều cao dầm cầu khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao Nội dung luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận như sau: * Phần mở đầu: Giới thiệu sơ lược về bê tông cường độ siêu cao và tên đề tài * Chương 1: Trình bày tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trên Thế giới và Việt Nam. * Chương 2: Nghiên cứu, tính toán thành phần cấp phối từ vật liệu trong nước. Từ đó tìm ra thành phần cấp phối của bê tông cường độ siêu cao với cường độ 120 – 140MPa. * Chương 3: Chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm để xác định các tính năng cơ lý như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi của vật liệu bê tông cường độ siêu cao * 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. Từ thực nghiệm và phân tích, xác định lại công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cường độ siêu cao trong kết cấu dầm chịu uốn t và chiều cao dầm cầu *Phần kết luận, kiến nghị: Trình bày kết luận trong quá trình nghiên cứu, nêu kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo.
4 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 1.1.1. Mở đầu: Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu mới được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, Đặc tính của bê tông này là có cường độ chịu nén từ 100 >200MPa, khả năng chịu uốn, 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. Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu công nghệ cao, các quy tắc công nghệ mới liên quan đến thành phần của nó. 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. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu thêm nhiều để đi đến những ứng dụng phổ biến thường xuyên dựa trên các quy định kỹ thuật toàn diện. Bê tông cường độ siêu cao có 7 thành phần là: Xi măng, nước, cốt liệu nhỏ (cát quartz), phụ gia siêu dẻo, muội Silic, các bột khoáng có độ cứng lớn và cốt sợi thép cường độ cao 16], [33], [46],[49]. Các lý thuyết mới về thành phần hạt theo độ đặc tối ưu đã được Larrard trình bày 33, 34 Các lý thuyết về cấp phối hạt tối ưu đã được Schmidt 36 và Fuller 26 trình bày. Các hướng dẫn thiết kế đã được SETRA / AFGC (Pháp) 42 công bố Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và khuyến cáo bởi RILEM, DIN (Đức) 24, 31, 48; Các thí nghiệm về định lượng lại mô hình vật liệu đã được FHWA (Hoa Kỳ) 49, 53 và Hàn Quốc 43 thực hiện vàtrình bày.
5 Các nghiên cứu trên thế giới về bê tông cường độ siêu cao vẫn còn đang là thử nghiệm và các hướng dẫn, khuyến cáo cho từng khu vực, cho từng điều kiện vật liệu và phương pháp chế tạo vật liệu cũng như các phương pháp thí nghiệm cụ thể. Nhiều vấn đề lớn như từ biến, co ngót, độ bền vẫn đang được các nước tiên tiến trên thế giới tiếp tục nghiên cứu. Như vậy có thể nói rằng hiện nay trên thế giới các đề tài nghiên cứu về tính năng, phạm vi sử dụng của bê tông cường độ siêu cao vẫn còn mang tính thời sự. 1.1.2. Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ 45; 48; 49 Chiếc cầu dầm I đầu tiên ở Hoa Kỳ được khai thông năm 2005; cầu thứ 2 có kết cấu nhịp bằng bê tông cường độ siêu cao đưa vào khai thác thử nghiệm năm 2006 và một số cầu khác khánh thành vào năm 2008 Theo các nghiên cứu ở Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cho thấy chiều cao của dầm cầu khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao cũng khá hấp dẫn so với dầm cầu sử dụng bê tông truyền thống. Với dầm I dài 30m dự ứng lực sử dụng bê tông cường độ siêu cao thì chiều cao dầm cầu giảm 50cm so với dầm cầu chữ I dự ứng lực sử dụng bê tông truyền thống và trọng lượng trên 1 mét dài cũng giảm hơn một nửa. Điều này là một điều tuyệt vời đối với yếu tố mỹ quan kiến trúc và kinh tế - kỹ thuật, nhất là đối với các công trình cầu trong đô thị như ở hình 1.1 Hình 1.1: Tương quan về chiều cao và trọng lượng giữa dầm bê tông truyền thống và dầm bê tông cường độ siêu cao
6 Ngoài ra, FHWA (Cục đường bộ Hoa Kỳ) còn tập trung vào phát triển bê tông mặt cầu thành các mô-đun có thể lắp ghép tại chổ một cách nhanh chóng. Những tính năng vượt trội của bê tông cường độ siêu cao đã tạo điều kiện thiết kế được cấu kiện mặt cầu có độ bền chắc cao hơn mặt cầu bê tông đổ tại chổ thông thường mà tuổi thọ lại cao hơn đáng kể và đặc biệt có thể thi công lắp ghép một cách nhanh chóng. Theo nghiên cứu của FHWA thì một tấm panel mặt cầu bằng bê tông cường độ siêu cao có biểu hiện tốt hơn hẳn các tính năng tương đương so với các bản mặt cầu bê tông đổ tại chổ thông thường, còn trọng lượng của nó thì nhẹ hơn 30%. Sử dụng mặt cầu bằng bê tông cường độ siêu cao có trọng lượng nhẹ hơn dẫn đến làm tăng khả năng chịu tải của cầu cũ do giảm trọng lượng bản thân, giảm đáng kể thời gian thi công, giảm thời gian phong tỏa giao thông, giảm lượng nhân công, xe máy trên công trường như vậy hiệu quả kinh tế rất cao. Theo Imam M. Friedland chủ nhiệm chương trình nghiên cứu về cầu và các kết cấu cầu của Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA)45 cho rằng: “Việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu mới có hiệu năng cao hơn, đó là những vật liệu có thể tạo ra những tác động cực kỳ quan trọng tới hiệu quả năng lực chịu tải của công trình cầu và đưa đến tổng mức chi phí cho vòng đời của công trình thấp hơn thì bê tông cường độ siêu cao là một trong những vật liệu mới, tiến bộ có tiềm năng như thế”. Các hình ảnh thiết kế và sản xuất mặt cầu từ bê tông cường độ siêu cao được sản xuất trong nhà máy,và lắp ghép cho một số cây cầu trên các tuyến đường cao tốc ở Hoa Kỳ, như ở hình 1.2, hình 1.3
7 Hình 1.2: Thiết kế mặt cầu lắp ghép từbê tông cường độ siêu cao Hình 1.3: Sơ đồ sản xuất mặt cầu từ bê tông cường độ siêu cao Hình ảnh thi công thay thế các mặt cầu cũ bằng các mô đun mặt cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao đúc ở công xưởng và lắp ghép tại công trường, như ở trong hình 1.4 Hình 1.4: Thi công mặt cầu lắp ghép và mối nối mặt cầu bằng bê tông cường độ siêu cao tại công trường
8 Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cũng đã có nhiều nghiên cứu và thí nghiệm dầm cầu có mặt cắt chữ I và chữ  bằng bê tông cường độ siêu cao để đưa vào sử dụng thay thế cho các dầm bê tông truyền thống, hình 1.5 Hình 1.5: Các thí nghiệm dầm bê tông cường độ siêu cao của FHWA Hình ảnh một số công trình cầu được xây dựng ở Hoa Kỳ sử dụng bê tông cường siêu cao do FHWA thiết kế, như ở hình 1.6; 1.7 và 1.8 Hình 1.6: Cầu đường ô tô năm 2005 và cầu dàn thép mặt sàn là bê tông cường độ siêu cao lắp ghép năm 2006
9 Hình 1.7: Các cầu sử dụng BTCĐSC mặt cắt dầm chữ T và chữ  xây dựng trên đường cao tốc Hoa Kỳ năm 2008 Hình 1.8: Dầm cầu có mặt cắt chữ П dùng BTCĐSC do FHWA thiết kế 1.1.3. Các nghiên cứu và ứng dụng về bê tông cường độ siêu cao ở Châu Âu và Châu Á Hội nghiên cứu và thí nghiệm vật liệu xây dựng Pháp, hội kỹ sư xây dựng Pháp (SETRA/AFREM; Cattenom và Civaux) 16, 33, 34, 42 cũng là một trong các cơ quan tiên phong trong việc nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao. Các cơ quan này đã nghiên cứu và ứng dụng cho cầu ô tô và đưa vào sử dụng đầu tiên năm 2001 và từ đó đến nay việc ứng dụng bê tông cường độ siêu cao với những giải pháp công nghệ khác nhau đã được phát triển như chế tạo những cấu kiện đúc sẵn dùng cho các kết cấu cầu dự ứng lực, tăng cường, sửa chữa mặt cầu hỏng bằng những tấm sàn bê tông cường độ siêu cao;hay việc sử dụng bê tông cường độ siêu cao cho những cột chịu tải trọng lớn và những tòa nhà chọc trời (Schmidt)34,37. Năm 2001
10 và năm 2004 tại Pháp đã ứng dụng bê tông cường độ siêu cao xây dựng hai cây cầu nhịp dài 20,5m và 22,5m ở Bourg – Valence. Theo “Ductal – 2005” thì trọng lượng trên một đơn vị mét dài của các dầm cầu cùng khẩu độ và tải trọng thì dầm cầu bằng bê tông cường độ siêu cao khá nhẹ so với dầm cầu bằng bê tông truyền thống (kết quả này cũng tương thích như những kết quả đã được nghiên cứu ở Hoa Kỳ). Những hình ảnh sau đây cho thấy sự tương quan về trọng lượng trên 1mét dài của dầm thép, dầm bê tông truyền thống và dầm bê tông cường độ siêu cao đối với nhịp cầu có cùng tải trọng thiết kế như ở hình 1.9 Hình 1.9: Tương quan về trọng lượng trên 1 mét dài dầm theo Ductal Tại Đức các tổ chức tiêu chuẩn “DAFSTB; DIN”24, 27,31,35, 38ngày càng nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng bê tông cường độ siêu cao.Các hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật và các giải pháp nâng cao chất lượng sử dụng đã được phát triển. Cây cầu đầu tiên được xây dựng năm 2004 dành cho người đi bộ và xe đạp với chiều dài 135m và nhịp tối đa 40m bao gồm các cấu kiện đúc sẵn từ bê tông cường độ siêu cao với kích thước hạt lớn nhất trong bê tông là 2mm. “DafstB” một tổ chức tiêu chuẩn của Đức đã tổ chức hội thảo báo cáo về bê tông cường độ siêu cao vào năm 2003, DIN là một tổ chức chịu trách nhiệm về viêc ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến việc sản xuất, ứng dụng cụ thể và đưa ra các quy tắc yêu cầu cho việc thiết kế kết cấu với bê
11 tông cường độ siêu cao. Hội thảo ở Đức đã báo cáo những bí quyết về công nghệ và kinh nghiệm của bê tông cường độ siêu cao trên toàn thế giới. Báo cáo này cũng đã đề cập đến các tiêu chuẩn thiết kế, các hướng dẫn về kết cấu xây dựng khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao; những yêu cầu về vật liệu, về thiết kế và các kiếnnghị thiết kế khi nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao. Những nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao đầu tiên ở Đan Mạch 40được bắt đầu từ năm 1990 và đặt biệt đưa vào ứng dụng năm 2004 chủ yếu ở các ngành an ninh và quân sự. Hàn Quốc43 đã nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng cho cầu người đi bộ và cầu ô tô năm 2002 ởSeoul. Nhật Bản37 cũng là một trong những nước đi tiên phong trong việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong cầu đường bộtừ năm2004 Một số quốc gia khác cũng đang nghiên cứu và sử dụng bê tông cường độ siêu cao trong các kết cấu nhà như Canada 38 năm 2000 và đặc biệt là Trung Quốc[50], 52năm 2004 bắt đầu nghiên cứu sử dụng bê tông cường độ siêu cao để lập dự án thiết kếtòa nhà có chiều cao đến 1 km ở Thượng Hải. Các nước Trung Đông đặt biệt là Iran năm 2008 đã nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trong các công trình quân sự, trong các Bongke Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và khuyến cáo bỡi RILEM; DIN (Đức); hiệp hội dự ứng lực Nhật Bản (JSCE); hội kỹ sư xây dựng Pháp (SETRA/AFGC); cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) Như vậy, có thể nói rằng hiện nay trên thế giới các đề tài nghiên cứu về tính năng, phạm vi sử dụng của bê tông cường độ siêu cao vẫn còn là tính thời sự rất lớn. Nhiều nhà khoa học trên thế giới vẫn đang tập trung nghiên
12 cứu về bê tông cường độ siêu cao để từng bước thay thế cho các loại bê tông truyền thống. Các hình ảnh tiêu biểu cho việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trong các công trình ở Châu Á và Châu Âu, như ở hình 1.10 -:- 1.14 Hình 1.10: Cầu người đi bộ ở Seoul Hàn Quốc năm 2002 Hình 1.11: Cầu người đi bộ năm 1999 tại Sherbrooke Hình 1.12: Mái nhà cửa sổ Millau bằng BTCĐSC năm 2004
13 Hình 1.13: Cầu Bourg –lès – Valence, France bằng BTCĐSCnăm 2004 Hình 1.14: Thử nghiệm khả năng chịu công phá của bê tông cường độ siêu cao làm boongke trong các căn cứ quân sự của Iran năm 2008 1.1.4. Các vật liệu chế tạo của bê tông cường độ siêu cao Bê tông cường độ siêu cao được cải thiện cả về cường độ chịu nén và độ bền so với bê tông truyền thống dựa trên 4 đặc điểm cơ bản sau: - Tỷ lệ N/XM rất thấp từ 0,2 – 0,25 làm cho cấu trúc rất đặc chắc với các sản phẩm thủy hóa và giảm thiểu lỗ rỗng mao quản, cái thiện độ dai của bê tông để ngăn chặn sự phá hoại giòn.
14 - Khả năng chèn khe cao của các thành phần hạt mịn dẫn đến giảm lượng nước yêu cầu trong quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông và làm tăng cường độ nén của bê tông cường độ siêu cao. - Sử dụng hàm lượng phụ gia siêu dẻo lớn để cải thiện tính năng công tác của hỗn hợp bê tông. - Sử dụng những sợi thép cường độ cao để tăng khả năng chịu kéo, khả năng chống cắt và độ dai của bê tông. Thành phần vật liệu của bê tông cường độ siêu cao gồm 7 thành phần: Xi măng, nước, cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, muội Silic, các bột khoáng có độ cứng lớn và các cốt sợi thép cường độ cao. - Cát: vẫn sử dụng các Quarzt với thành phần chính là SiO2 chiếm khoảng 96%, đường kính thường dùng khoảng 0,5mm – 1mm, là cốt liệu vật chất dạng hạt lớn nhất trong bê tông cường độ siêu cao. - Xi măng:Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao trên thế giới thường sử dụng xi măng PCA 42,5 ; PCA 52,5; PCA 62,5 loại I và loại III - Muội Silic bao gồm các hạt siêu mịn có tỉ lệ diện tích bề mặt khoảng 20.000 m2 / kg , có đường kính khoảng 1µm. Muội Silic làm tăng phản ứngPuzơlan dựa trên sự thủy hóa Ca(OH)2 , muội Silic hạn chế sự vón cục của các hạt xi măng khi thủy hóa. - Trong thành phần bê tông cường độ siêu cao có các sợi thép dài từ 13 – 15mm, đường kính 0,2mm, cường độ chịu kéo 2.000MPa, - Phụ gia siêu dẻo: Chất siêu dẻo thế hệ 3 (Polycarboxylate), phụ gia siêu dẻo tạo ra độ sụt bê tông từ 15 -22cm, thời gian đông cứng bê tông từ 1 – 4 giờ và có thể tăng cường độ giảm nước từ 30 – 40%. - Các bột khoáng: thường sử dụng các bột khoáng có độ cứng lớn như bột đá Quartz. Bột Quartz rất cứng tạo ra độ bền vững cao cho cấu trúc cốt
15 liệu và có đường kính đủ nhỏ để chèn vào các kẽ giữa các hạt xi măng và cát. Với các yếu tố trên làm cho cấu trúc của bê tông cường độ siêu cao chuyển từ cấu trúc kết tinh sang cấu trúc vô định hình. Bê tông có sự thay đổi căn bản về mặt cấu trúc trở nên đồng nhất hơn, các vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu trong bê tônggần như không tồn tại sẽ tạo ra bê tông có cường độ rất cao và hạn chế tối đa việc xuất hiện các vết nứt vi mô tại vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu khi bê tông đông kết.Các bảng 1.1 và bảng 1.2trình bày các nghiên cứu về thành phần và hàm lượng của vật liệu bê tông cường độ siêu cao ở Châu Âu và Mỹ. Bảng 1.1:Thành phần BTCĐSC điển hình của một số nước Châu Âu Chất liệu Khối lượng (kg/m3 ) Xi măng Pooclăng 900 – 1200 Muội Silic 170 – 200 Cát Quartz 1000 – 1050 Sợi thép 200 – 250 Bột đá Quartz 160 – 200 Chất siêu dẻo 35 – 45 Nước 190 – 220 Tỉ lệ N/XM 0,2 – 0,22 Bảng 1.2Thành phần BTCĐSC điển hình theo Cục đường bộ Hoa Kỳ Khối lượng Thành phần % của trọng lượng (kg/m3) Xi măng Pooclăng 850 - 1000 28,5 Cát Quarzt 1.020 40,8 Muội Silic 231 9,3 Bột Quarzt 211 8,4 Phụ gia siêu dẻo 30,7 1,2 Sợi thép 156 6,2 Nước 109 4,4
16 Các hình ảnh về vật liệu cơ bản của bê tông cường độ siêu cao như ở hình 1.15 và 1.16 Hình 1.15: Sợi thép được sử dụng phổ biến trong BTCĐSC Cement Fine sand Microsilica CEM I 52.5 Dmax=0.5 mm Hình 1.16: Các thành phần vật liệu chủ yếu của BTCĐSC Hình 1.17: cấu trúc của các vật liệu chèn lấp lỗ rỗng của bê tông cường độ siêu cao
17 Sự phân bố thành phần hạt của bê tông cường độ siêu cao như ở hình 1.18. Hình 1.18: Sự phân bố thành phần hạt của bê tông cường độ siêu cao Theo nhiều nghiên cứu trên thế giới,hàm lượng sợi thép thường dùng khoảng 2 – 3% thể tích bê tông 43sẽ đáp ứng được tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi, tăng cường độ chịu kéo khi uốn và tăng độ dai cho bê tông. Hình 1.19 cho thấy ảnh hưởng của các loại sợi sử dụng trong bê tông cường độ siêu cao 29, 45 Hình 1.19: Ảnh hưởng của các loại sợi đến cường độ của BTCĐSC 1.1.5. Các ứng xử cơ học của bê tông cường độ siêu cao Nhiều nghiên cứu ở Mỹ 45, 46, 49, Pháp 25, 33, 42, ở Đức 24, 31,35, 36 đã xây dựng nên các biểu đồ về các ứng xử của bê tông cường độ siêu cao như quan hệ giữa cường độ - biến dạng; quan hệ giữa ứng
18 suất – biến dạng; quan hệ giữa ứng suất – độ mở rộng vết nứt Các hướng dẫn tính toán về các mối quan hệ ứng xử của vật liệu bê tông cường độ siêu cao đã được Pháp và Đức xây dựng như thể hiện ở các hình 1.20; 1.21; 1.22; 1.23; 1.24 Báo cáo của Đức (DafStB) đã xây dựng biểu đồ ứng suất –biến dạng và tính toán kết cấu theo các trạng thái giới hạn. Ở Đức đang xem xét quan hệ ứng suất – biến dạng ở các giá trị giới hạn của bê tông cường độ siêu cao là 3,5‰cho vùng chịu nén, biến dạng 25‰ cho vùng bê tông chịu kéo và đề xuất xác định từ các công thức như sau: σ 2.0 -3.5‰ = f ctk0,5 • 0,37 (1-1) σ 25‰ = β . f ctk3,5 (1-2) Hình 1.20: Quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt của bê tông cường độ siêu cao theo SETRA/AFGC Biểu đồ 1.20 thể hiện quan hệ giữa ứng suất – độ mở rộng vết nứt theo hướng dẫn của (SETRA/AFGC) Pháp. Trước khi xuất hiện vết nứt đầu tiên mối quan hệ là tuyến tính, tương tự như bê tông truyền thống và bê tông cường độ cao. Sau khi xuất hiện vết nứt,độ mở rộng vết nứt trong bê tông cường độ siêu cao tăng chậm lên đến giới hạn wi tương ứng với ứng suất max (bằng khoảng 85% cường độ nén), và tiếp theo là ứng suất giảm đều, điều này khác hoàn toàn với bê tông truyền thống; sau khi vết nứt xuất hiện thì ứng suất giảm nhanh, độ mở rộng vết nứt tăng nhanh vào vùng nén của bê tông và bê tông bị phá hoại đột ngột. Như vậy bê tông cường độ siêu cao có độ dai và năng lượng hấp thụ cao hơn nhiều so với bê tông truyền thống. Điều này được
19 lý giải do các sợi thép cường độ cao trong bê tông hấp thụ năng lượng và kìm hãm sự mở rộng của các vết nứt và làm cho kết cấu vẫn còn tăng khả năng chịu lực. Các tổ chức tiêu chuẩn của Đức (DIN) đang nghiên cứu tính toán ở độ mở rộng vết nứt là 0,5mm và 3,5mm nhằm khai thác tối đa năng lực phục vụ của bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao này như ở hình 1.21 Hình 1.21: Quan hệ ứng ứng suất – độ mở rộng vết nứt theo DIN Hình 1.22: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông cường độ siêu caotheo SETRA/AFGC(Pháp) Biểu đồ ở hình 1.22 cho thấy về mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của bê tông cường độ siêu cao. Với vùng nén ( góc ¼ thứ nhất) mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được coi là tuyến tính với biến dạng là =2‰. Vùng kéo (góc ¼ thứ 3) với bê tông cường độ siêu cao thì ứng suất chịu kéo thể hiện rõ rệt khá cao. Ở Đức (tổ chức DIN) cũng khuyến cáo nên tính toán theo đường cong ứng suất biến dạng vùng kéo với biến dạng tính toán thiên
20 về an toàn là 15‰ như hình 1.23 và quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén như ở hình 1.24 Hình 1.23: Quan hệ ứng suất – biến dạng đặc trưng theoDIN Hình 1.24: Quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén 1.1.6. Độ đặc và độ khuếch tán Ion Clo của bê tông cường độ siêu cao 1.1.6.1. Độ đặc sít của cấu trúc Nhiều nghiên cứu ở Mỹ, Pháp và Đức cho thấy bê tông cường độ siêu cao có độ đặc sít rất cao so với bê tông truyền thống và bê tông cường độ cao. Nhờ sự thay đổi cấu trúc của vật liệu nên làm bê tông cường độ siêu cao chuyển từ kết tinh sang cấu trúc vô định hình, gần như triệt tiêu các vết nứt vi mô xuất hiện tại các vùng tiếp giáp vật liệu trong quá trinh bê tông đông kết, làm cho bê tông cường độ siêu cao trở nên bền hơn. Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy cấu trúc của bê tông cường độ siêu cao rất đặc sít,thể hiện sự liên kết rất tốt giữa vữa và cốt liệu thô hơn hẵn bê tông cường độ cao HPC như ở hình 1.25.
21 Hình 1.25: Cấu trúc vi mô của bê tông cường độ siêu cao và bê tông cường độ cao 1.1.6.2. Lỗ rỗng chứa nước trong bê tông cường độ siêu cao Các lỗ rỗng khí của bê tông cường độ siêu cao được thể hiện bởi những lỗ rỗng mao quản được thể hiện trong hình 1.26 thông qua thí nghiệmthấm của thủy ngân. Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông cường độ siêu cao có độ rỗng khá thấp so với bê tông thường và bê tông cường độ cao. Hình 1.26: Sự phân bổ kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao Kết quả thí nghiệm lỗ rỗng chứa nước được thực hiện bỡi SETRA/AFGC như ở bảng 1.3
22 Bảng 1.3: Độ rỗng chứa nước của các loại bê tông Bê tông Bê tông cường BT cường độ BT cốt sợi siêu Độ rỗng chứa thường độ cao rất cao cường độ nước (%) 12-16 9-12 6-9 1,5-6 1.1.6.3. Độ khuếch tán Ion Clo Ở Pháp, Đức và Mỹ 28, 33, 42, 46, 49cũng đã có nhiều thí nghiệm về độ khuếch tán Ion Clo trong bê tông thường, bê tông cường độ cao, bê tông cường độ siêu cao và cho thấy khả năng chống thấm Ion Clo rất tốt ở bê tông cường độ siêu cao so với các loại bê tông truyền thống, như ở hình 1.27 Hình 1.27: Thí nghiệm độ khuếch tánIon Clo bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao Ở Pháp, kết quả thí nghiệm về hệ số khuyếch tán Ion Clo được thực hiện bởi SETRA/AFGC như trong bảng 1.4 Bảng 1.4: Hệ số khuếch tán Ion Clo của các loại bê tông Bê tông cường Hệ số khuếch Bê tông thường BT cường độ siêu cao độ cao tán (m2/s) 2.10-11 2.10-12 2.10-14 1.1.7. Co ngót và từ biến của bê tông cường độ siêu cao 1.1.7.1. Co ngót Theo 42cho thấy khi không có xử lý nhiệt, thì bê tông cường độ siêu cao có ứng xử gần giống như bê tông cường độ cao (HPC); còn khi có xử lý
23 nhiệt, thì co ngót rất nhỏ gần như bằng 0. Khi có xử lý nhiệt, co ngót riêng bằng 0 Khi không có xử lý nhiệt co ngót tổng là = 550/ Công thức đề xuất về sự biến đổi của co ngót riêng là: () = . √ Với A=525; B=-2,5 và = −0,5. [(∞) = 525/] 1.1.7.2. Từ biến: Với các nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy: *Khi có xử lý nhiệt, từ biến giảm mạnh (hệ số từ biến K=0,2) *Khi không xử lý nhiệt,độ biến đổi của từ biến riêng được thể hiện qua công thức: () = 1 + . ( − ) + ℎ( ) (1-3) , Với () = 19. (1-4) , ( − ) = (1-5) , ℎ() = 18. (1-6) , Khi không có xử lý nhiệt, hệ số từ biến K=0,6 và mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao (E=50000MPa) lớn hơn nhiều so với bê tông truyền thống (E=35000MPa) nên từ biến của bê tông cường độ siêu cao nhỏ hơn nhiều so với từ biến của bê tông truyền thống. 1.2.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 Đại học Giao thông Vận tải1,2, 3, 4, 5, 7; Đại học Xây dựng 8, 9, 10,11,12Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh13 bắt đầu nghiên cứu về bê tông này,
24 các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí kỹ thuật trong nước. Các nghiên cứu nêu trên được xem là những nghiên cứu ban đầu về bê tông siêu cường độ ở Việt Nam. Các tác giả chọn vật liệu sử dụng rất khác nhau như với trường ĐH Bách Khoa TP HCM sử dụng cốt liệu thô lớn nhất là đá với D=8mm, sử dụng sợi thép thường có y≤1000MPa; Tác giả trường ĐH Xây dựng sử dụng tro trấu, tro bay, không sử dụng sợi thép trong thành phần hỗn hợp và chỉ mới tính đến cường độ nén. Nghiên cứu sinh cùng các tác giả của Trường Đại học GTVT đã thực hiện nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao sử dụng cát Quarzt được nghiền ra từ đá Quarzt, không sử dụng tro bay, tro trấu mà sử dụng bột Quarzt nghiền ra từ đá Quarzt và trong hỗn hợp bê tông có thành phần là các sợi thép cường độ cao. Như vậy bê tông cường độ siêu cao đối với 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. 1.3.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 hê 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. 1.4.Nội dung và phương pháp nghiên cứu Đề tài 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.
25 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. Thực nghiệm các tổ hợp dầm và vận dụng các công thức lý thuyết trên thế giới để tìm ra hệ số K trong công thức tính cường độ chịu uốn. Sử dụng các phương pháp phân tích ứng xử uốn của dầm cầu khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao để tính toán và đề nghị chiều cao dầm cầu. 1.5. Kết luận chương 1 Trong vòng vài thập kỉ qua một trong những bước đột phá của ngành bê tông là nghiên cứu tìm ra bê tông cường độ siêu cao. Đây là một loại vật liệu công nghệ cao,các quy tắc công nghệ mới liên quan mật thiết đến thành phần của nó, đến các ứng xử cơ học của loại vật liệu này. Một kho lưu trữ lớn kiến thức về vật liệu, về các thiết kế hoàn thiện, các công trình kết cấu sử dụng bê tông cường độ siêu caođang được thực hiện. Các kiến nghị kỹ thuật tạm thời đã được công bố ở Pháp, Mỹ và Đức. Một số ứng dụng đầu tiên ởChâu Âu, Châu Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích lớn lao của bê tông cường độ siêu cao về chi phí xây dựng, tính bền vững và tuổi thọ công trình. Với những ưu điểm vượt trội của loại vật liệu mới này, cho phép chúng ta có những suy nghĩ về việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu caotừ các vật liệu thành phần trong nước. Việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao với vật liệu tại Việt Nam 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, bỡi vì bê tông cường độ siêu caomang lại các ưu điểm sau: - Độ dai: khả năng hỗ trợ sức chịu tải kể cả sau khi xuất hiện vết nứt (kết cấu vẫn còn khả năng tăng sức chịu tải). - Siêu cường độ nén: cường độ nén có thể đạt được từ 100 đến >200MPa. - Độ bền rất cao: nâng cao tuổi thọ lâu dài cho kết cấu, công trình.
26 - Cường độ chịu kéo khi uốn tăng caocó thể lên đến 40MPa đây là điểm khắc phục nhược điểm lớn nhất của các cấu kiện bê tông - Khả năng chống thấm Ion Clo cao. - Khả năng chịu mài mòn, va đập cao. - Giảm thiểuhàm lượng cốt thép thường và cốt thép cấu tạo trong kết cấu công trình. - Giảm thiểu đến mức tối đa từ biến và co ngót của kết cấu trong quá trình bê tông đông kết. Như vậy bê tông cường độ siêu cao là bước đột phá trong công nghệ vật liệu xây dựng nói chung và bê tông nói riêng. Sản phẩm của nó chắc chắn sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như thay thế các mặt sàn cầu cũ đã hư hỏng, làm mặt cầu lắp ghép kết hợp với dầm bê tông dự ứng lực để đẩy nhanh tiến độ thi công và tuổi thọ công trình, sử dụng làm dầm cầu; Sử dụng trong cột, sàn của các tòa cao ốc, làm mặt đường cao tốc, mặt đường băng sân bay, sử dụng trong các đê, đập thủy lợi, trong các môi trường có mức độ xâm thực, ăn mòn lớn Nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao với các vật liệu tại Việt Nam để thay thế cho một số hạng mục kết cấu cầu, đường bộ hiện nay đang dùng bê tông truyền thống cấp 40-70MPa và từng bước nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trong một số hạng mục kết cấu công trình cầu, đường hiện đại, trong các công trình kỹ thuật quân sự và các công trình đặt biệt khác là cần thiết.
27 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO 2.1. Tổng quát về thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao Trong 10 năm gần đây công nghệ bê tông đã có những bước tiến rất nhanh. Bê tông chất lượng cao (HPC) đã dần thay thế bê tông truyền thống (NC) trong các công trình xây dựng [1]. Bê tông cường độ siêu caocó độ bền cao và có cường độ nén từ 120 đến >150MPa thi công và bảo dưỡng trong điều kiện bình thường đã được tiến hành nghiên cứu ở Canada 38, Đan Mạch 40 Đức 28, 36, Mỹ 45, 49. Trung Quốc[50], 52 và Anh [44] Pháp 42 Các kết quả nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao bao gồm lựa chọn vật liệu,thiết kế thành phần,xác định các tính năng, xác định mô hình cơ học vật liệu phục vụ thiết kế kết cấu,các thử nghiệm trên kết cấu thật và đã bước đầu áp dụng trong các kết cấu nhà,bến cảng, cầuvà các công trình đặc biệt khác. Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu trên cơ sở chất dính kết xi măng. Nguyên tắc cơ bản để cải thiện tính chất của bê tông là giảm các khuyết tật, giảm thiểu tối đa các vết vi nứt và lỗ rỗng mao quản, trong bê tông. Các nghiên cứu đầu tiên về bê tông này ở Pháp và Canada38 sử dụng xi măng trong khoảng 900-1200 kg/m3. 2.2. Vật liệu chế tạo Trong chương này, Nghiên cứu sinh trình bày các nghiên cứu về vật liệu để chế tạo bê tông cường độ siêu cao như: xi măng, cốt liệu, bột, muội silic, nước, chất siêu dẻo, sợi thép. 2.2.1. Xi măng Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao trên thế giới thường sử dụng xi măng PCA 42,5 ; PCA 52,5; PCA 62,5 loại I và loại III. Trên thế giới, xi măng thường được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM, được chia ra làm 5
28 loại.Nghiên cứu sinh sử dụng xi măng Pooclăng loại I là PC40 để làm vật liệu nghiên cứu là phù hợp với quốc tế và thực tế ở xi măng Việt Nam. Xi măng có thành phần khoáng theo ASTM như ở bảng 2.1 : Bảng 2.1: Thành phần khoáng vậtcủa xi măng (%) theo ASTM ASTM C S C S C A C AF Nhóm 3 2 3 4 N1 55 16 11 7 N2 44 26 5 15 N3 63 10 10 8 N4 25 47 4 15 N5 40 40 4 9 Trong đó: Nhóm 1 và 2 là xi măng tiêu chuẩn,chế độ nhiệt bình thường Nhóm 3 là nhóm cần lưu ý về chế độ nhiệt Nhóm 4 và 5 dùng cho kết cấu bê tông đặc biệt (ít tỏa nhiệt) Chất kết dính (xi măng) có vai trò chủ chốt trong việc liên kết các loại vật liệu rời rạc thành khối bê tông đồng nhất. Tuy vậy, nếu quá nhiều xi măng sẽ làm bê tông có cường độ thấp, độ bền không tốt và ảnh hưởng đến môi trường. Việc nghiên cứu bê tôngcường độ siêu cao gắn liền với việc giảm lượng xi măng trong hỗn hợp và thay vào đó là những phụ gia khoáng với cỡ hạt siêu nhỏ. Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 phổ biến ở Việt Nam được ghi ở bảng 2.2 . Bảng 2.2: Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam Loại C3S C2S C3A C4AF Hoàng Thạch 56 18 10 10 Bỉm Sơn 67 8 5 15 Chinfon 51 23 8 10 Bút Sơn 51 24 8.5 11 Nghi Sơn 52 29 6 10
29 Luận án sử dụng loại xi măng PC40-Bút Sơn, thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN có đặc tính kĩ thuật sau: -Khối lượng riêng 3,13 g/cm3. -Lượng nước tiêu chuẩn 28 % -Độ ổn định thể tích 2,2mm -Độ mịn (lượng sót trên sàng 0,08mm) là 3,7% -Thời gian bắt đầu đông kết 120 phút,kết thúc đông kết 216 phút -Cường độ kéo uốn 3 ngày 5,87 MPa và cường độ chịu nén 22,2 MPa -Cường độ kéo uốn 7 ngày 6,5 MPa và cường độ chịu nén 30 MPa -Cường độ kéo uốn 28 ngày 7 MPa và cường độ chịu nén 43 MPa 2.2.2. Các phụ gia hóa học Các phụ gia hóa học nói chung đều được sản xuất từ lignin sunphonat, các axít cacbonxilic (phenol cao phân tử) được hydrat hóa, các nhóm hydrat – cacbon, Melamin, Naptalin. Việc chọn loại và liều lượng cần tiến hành bằng các thực nghiệm. Các phụ gia hóa học này góp phần tăng đáng kể cường độ nén, kiểm soát tốc độ đông kết bê tông, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện khả năng làm việc và độ bền theo thời gian của bê tông. Chất làm chậm góp phần kiểm soát quá trình hydrat hóa ban đầu vì vậy nó tạo cho bê tông tốc độ đông kết mong muốn trong các điều kiện thời tiết được dự kiến trước. Các chất giảm nước thông thường ASTM C494 kiểu A có tác dụng làm tăng cường độ, kéo dài thời gian đông kết, độ sụt của bê tông tăng khoảng 2 lần. Chất giảm nước cao ASTM C494 loại F và G mang lại cường độ cao hơn và sớm hơn. Chất giảm nước cao nhằm mục đích tăng cường độ nếu giữ nguyên độ sụt hoặc tăng độ sụt từ 3-4 lần nếu giữ nguyên cường độ. Ở Việt Nam các chất này gọi là các phụ gia siêu dẻo đã được dùng phổ biến trong các công trình cầu lớn với liều lượng từ 0,5-3 lít/100kg xi măng. Phụ gia siêu dẻo: Có 5 loại phụ gia siêu dẻo thuộc 3 thế hệ: thế hệ 1 là A, thế hệ 2 là B và thế hệ 3 là C.
30 + A- Ligno Sul phonates (LS): Là phụ gia siêu dẻo thế hệ 1 từ các chất cao phân tử tự nhiên Lignin (từ gỗ và senlulo), độ giảm nước tối đa là 10%, có thể làm chậm đông kết, độ sụt giảm 30% sau 30 phút, lượng dùng ≈ 2,5% lượng xi măng + B1-Polime gốc sulphonat melamin: Phụ gia siêu dẻo gốc URE và Phormadehyd có tác dụng giảm nước tối đa đến 25%, lượng dùng từ 1,5-2,5%khối lượng xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 40 phút và cho cường độ sớm (R3 = 0,85R28), thời gian thi công ngắn, tỷ lệ N/X < 0,4 và phù hợp với khí hậu nóng. + B2 – Naphthalen Sulphonat Polycondesat : Nguồn gốc từ than đá, giảm nước tối đa 25%, lượng dùng 1,5-2,5% khối lượng xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 50 phút. + B3 – Chất siêu dẻo thế hệ thứ hai: Vinylcopolyme: Thành phần chính là : Sunfonat Vinylcopolyme (dầu thô) Giảm nước tối đa đến 30%, lượng dùng 1,5-2% khối lượng xi măng, giảm độ sụt ban đầu đến 50% sau 100 phút, tạo ra độ sụt đến 22 cm, kéo dài thời gian thi công. + C – Chất siêu dẻo thế hệ ba: PolyCarboxylat (PC): Gốc Polyme cao phân tử tổng hợp, giảm nước tới 40 % (tỷ lệ N/X có thể đến 0,27), bê tông có thể đạt đến độ sụt 22 cm, cho cường độ cao, duy trì được tính công tác trong thời gian dài. Loại phụ gia đặc biệt này có thể thay đổi cấu tạo phân tử để phụ gia phù hợp với các yêu cầu đặc biệt. Với bê tông cường độ siêu cao thường dùng chất phụ gia siêu dẻo loại PC (phụ gia siêu dẻo thế hệ thứ 3); với bê tông tự đầm có thể dùng loại cải tiến là: Polyme Viscocrete (PV) Các phụ gia siêu dẻo có thể thí nghiệm theo tiêu chuẩn Anh – BS 5075; ASTM – C494. Ở Việt Nam có thể chọn các chất siêu dẻo chế tạo trong nước và các sản phẩm của Sika, của Đức, Ý, của Mỹ. Luận án sử dụng phụ gia PolyCarboxylat của hãng Sika Việt Nam với kí hiệu 3000-20 (chất siêu dẻo thế hệ thứ 3) với các tính năng nhưtrong bảng 2.3:
31 Bảng 2.3: Các tính năng của phụ gia SikaViscocret3000-20 là chất hoá dẻo công nghệ cao gốc polyme thế hệ thứ 3 với hiệu quả tạo độchảy và giúp Mô tả sản phẩm bê tông bơm được dễ dàng Sika Viscocret 3000-20 phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C494 loại G Gốc Polycarboxylat cải tiến trong nước Dạng./Màu Chất lỏng/Màu nâu nhạt Đóng gói Thùng 5/25/2000 lít Điều kiện lưu trữ Lưu trữ trong điều kiện khô ráo,tránh ánh nắng mặt trời trực tiếp và nhiệu độ từ +5C và 30C Thời hạn sử dụng 6 tháng nếu lưu trữ đúng cách trong bao bì nguyên chưa mở Độ pH 4,50 ÷ 6,50 Liều lượng thông 0,7÷2,5 lit/100g chất kết dính thường 2.2.3. Muội silic Muội silic là một sản phẩm phụ được lấy ra từ quá trình nung thạch anh với than đá trong các lò hồ quang điện của ngành sản xuất silicon và các hợp kim thép silicon, khói bay ra có hàm lượng dioxit silic vô định hình cao và chứa các tinh thể hình cầu rất mịn. Muộisilic gồm các hạt thủy tinh rất mịn với một diện tích bề mặt lên tới 20.000 m2/kg khi được đo bằng phương pháp hấp thụ Nitơ. Sự phân bố bề mặt kích thước hạt của một loại muội silic điển hình cho thấy hầu hết các hạt đều nhỏ hơn 1m với đường kính trung bình khoảng 0,1m nhỏ hơn kích thước của hạt xi măng gấp 100 lần. Trọng lượng riêng của muội silic phổ biến là 2,2g/cm3, nhưng cũng có thể cao hơn 2,5g/cm3. Khối lượng thể tích được lựa chọn từ 160-320kg/m3. Muộisilic vì có hàm lượng dioxit silic và độ mịn cực cao nên là vật liệu có hiệu ứng Puzolanic cao. Muộisilic phản ứng vớiCa(OH)2 trong quá trình hydrat hóa xi măng để tạo ra hợp chất kết dính bền vững-CSH (canxi Silicat hydrat). Muội silic được sử dụng làm phụ gia cho bê tông cường độ cao và bê
32 tông cường độ siêu cao. Hàm lượng muội silic thông thường nằm trong phạm vi từ 5-15% lượng xi măng. Sơ đồ phản ứng hóa học và sơ đồ sản xuất của Silica Fume: SiO2+2C=Si+2CO Hình 2.1: Sơ đồsản xuất Silica Fume Các thành phần hóa học của muội Silic theo tiêu chuẩn ASTM được trình bày ở bảng 2.4 Bảng 2.4: Tiêu chuẩn ASTM về muội silic (Các quy định sau đây được lấy từ ASTM C1240-93) Các chỉ tiêu kỹ thuật ASTM C1240 EN 13263 Hàm lượng SiO2 85,0 >85,0 Hàm lượng SiO3 15 & 15 tuổi 7 ngày (%) Độ hoạt hóa Puzơlan với xi măng Pooclăng ở >105 >100 tuổi 28 ngày (%) Độ mịn (lượng tích lũy trên sàng 45m) (%) <10 Khối lượng riêng (kg/m3) 2200
33 Cơ chế hoạt động của khoáng siêu mịn: Hai loại phản ứng hoá học là thủy hóa và puzơlan XM + H2O CSH + CH (không bền nước) Si2O + CH + H2O CHS (bền nước) Phân tích thành phần hóa học của các loại khoáng siêu mịn, hình 2.2 SiO2 SiCaFume 80 20 Fly ahs 60 40 Mªtacaolanh 40 60 Slag 20 80 OPC CaO Al2O3 80 60 40 20 Hình 2.2: Biểu đồ phân tích thành phần hóa học các khoáng siêu mịn Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng của hạt xi măng và độ rỗng trong các gel của đá xi măng thể hiện qua đường kính hạt của phụ gia khoáng siêu mịn. Do đường kính hạt nhỏ d <1m, nên muội Silic là có hiệu quả nhất.Các phụ gia khoáng và xi măng cần được đánh giá thông qua các mẻ trộn trong phòng thí nghiệm để xác định các đường cong dùng cho việc lựa chọn khối lượng xi măng và phụ gia khoáng cần thiết để đạt được mong muốn Theo tài liệu 33 (Larrard) khuyên sử dụng muội Silic trắng, một sản phẩm phụ của việc sản xuất siliconđược chọn với thành phần SiO2 lớn hơn 92,7%, tỷ 2 3 diện tích là 14 m /g, tỷ trọng là 2.350 kg/m . Theo 29 thì hàm lượng SiO2 chỉ cần 80-99%, Al2O3 là từ 0,5-3%, Fe2O3 là từ 0,1-5%, CaO là từ 0,7-2%,tỷ diện tích từ 16-22 m2/g. Khối lượng riêng từ 2,2 đến 2,4g/cm3. Luận án sử dụng muội Silic do Sika Việt Nam bán trên thị trường cũng có tính năng đảm bảo các tiêu chuẩn trênvà phù hợp với tiêu chuẩn ASTM 1230-95a, như trong hình 2.3
34 Hình 2.3: Muội silic 2.2.4. Cốt liệu lớn Cốt liệu lớn: Luận án sử dụng cát Quartz được nghiền từ đá Quarzt. Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu các tài liệu và các lý thuyết để xác định đường kính lớn nhất, cấp phối hạt, nghiền đá Quartz thành cát theo đúng các tiêu chuẩn hướng dẫn của quốc tế. 2.2.4.1. Nguồn gốc của cốt liệu Khi bắt đầu nghiên cứu về bê tông chất lượng cao và bê tông cường độ siêu cao, người ta đã sử dụng các loại cát thạch anh có đường kính từ 0,5-8 mm. Có nhiều tác giả đã tìm kiếm các loại cốt liệu khác để thay thế với các đường kính khác nhau mà chủ yếu là sử dụng cát nghiền từ đá Bazan với đường kính đến 1mm. Thời gian gần đây 46, 36khi nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao người ta thường sử dụng cát Quartz. Việc sử dụng cát Quartz với kích thước hạt nhỏ sẽ làm cho tính đặc chắc của bê tông được tăng cao, ngoài ra cường độ của bê tông cũng được cải thiện đáng kể và giảm được hàm lượng chất kết dính 33. Loại cát Quartz sử dụng trong nghiên cứu này được nghiền từ loại đá Quartz tại mỏ Thanh Sơn-Phú Thọ, như ở hình 2.4 Hình 2.4: Mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ
35 Đá Quartzit này là loại đá thuộc nhóm đá biến chất, kiến trúc hạt biến tinh với cấp hạt mịn là chính. Thành phần khoáng vật chủ yếu là thạch anh, ngoài ra còn gặp xirexit, fenpat. Loại đá này có màu vàng, trắng, hồng nhạt hoặc xám. Đá rất cứng, khó bị phong hóa khi lộ ra ngoài không khí. Ở Việt Nam thường gặp nhiều ở Thanh Hóa, Phú Thọ, Lạng Sơn Thành phần hóa học của loại đá này như trong bảng 2.5 (kết quả thử nghiệm tại Phòng Vilas 003- Viện Vật liệu xây dựng Hà Nội). Bảng 2.5: Thành phần hóa học của đá Quartz STT Tên chỉ tiêu khoáng hóa Kết quả Đơn vị Phương pháp thử 1 SiO2 98,55 % TCVN6927-2001 2 Fe2O3 0,10 % TCVN6927-2001 3 Al2O3 0,32 % TCVN6927-2001 4 CaO 0,05 % TCVN6927-2001 5 MgO 0,02 % TCVN6927-2001 6 SO3 0,00 % TCVN6927-2001 7 K2O 0,09 % TCVN6927-2001 8 Na2O 0,03 % TCVN6927-2001 2.2.4.2. Đường kính lớn nhất và cấp phối của cát Quartz Tuỳ theo yêu cầu về cường độ của bê tông mà đường kính lớn nhất của cốt liệu có thể thay đổi.Theo 33 khi phân tích về tối ưu độ chặt của bê tông, F.de Larrard cho rằng đường kính lớn nhất của cốt liệu có ảnh hưởng rất quan trọng đến độ đặc tối ưu của hỗn hợp cốt liệu, do đó sẽ ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông. Cường độ nén của bê tông phụ thuộc vào độ dày của lớp vữa tối đa 3 * em D( g / g 1) (2-1) Trong đó: em= 0,1 đến 5 mm. Nếu chọn em = 0,1 thì D = 0,5mm D là kích thước lớn nhất của cốt liệu g* là thể tích đặc của cốt liệu g là thể tích cốt liệu
36 Điều đó lý giải rằng xu thế hiện nay,tùy theo công nghệ và giá thành của việc nghiền nhỏ cốt liệu mà người ta đã sử dụng cốt liệu đường kính từ 0- 0,5 mm hoặc 0-0,6 mm hoặc 0-0,8 mm. Các nghiên cứu của Larrard thậm chí còn chọn đường kính cốt liệu từ 0,125-0,4mm. Tính chất của cát Quartz:Cát quartz dùng để chế tạo bê tông cường độ siêu cao là loại cát có đường kính nhất định sau khi nghiền mịn đá Quarzt gốc và sàng với kích thước nhỏ tùy theo từng yêu cầu của mỗi thí nghiệm mà người ta có kích thước hạt cát Quartz riêng. Ví dụ như với nghiên cứu của F. de Larard và T.Sedran thì cát Quartz gồm 3 loại nằm trong cỡ sàng như trong bảng 2.6 Bảng 2.6: Cấp phối của cốt liệu cát Quartz (% lọt sàng) T(m) CátS125 Cát S250 Cát S4000 63 0 0 0 80 13 0 0 100 56 0 0 125 100 2 2 160 100 19 16 200 100 53 43 250 100 100 80 315 100 100 96 400 100 100 100 Cát Quartznêu trên có tỉ trọng khối là 2.680 kg/m3. Nghiên cứu sinh đã khai thác chế tạo cát Quartz và thành phần hạt của cát Quarzt từ mỏ Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ, như trong bảng 2.7 và hình 2.5 Bảng 2.7: Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt Cỡ sàng Lượng lọt trên sàng i, (mm) A% 0,63 100 0,315 67,1 0,14 41,6 0,075 13,9
37 Hình 2.5: Cát Quartz 2.2.5. Bột Hàm lượng xi măng trong các nghiên cứu đầu tiên về bê tông cường độ siêu cao trên thế giới khoảng từ 900 đến 1.200kg/m3. Bột thạch anh với đường kính trung bình từ 3μm đến 4μm đã được sử dụng để lấp đầy các lỗ rỗng cực nhỏ. Các hạt của nó lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt xi măng và cùng với muội silic làm cho đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu trở nên liên tụcvà làm cho độ đặc của hỗn hợp được tăng lên. Nếu như độ đặc của muội silic bình thường là 0,64, thì sau khi sử dụng thêm bột thạch anh, độ đặc có thể tăng lên dến 0,716 33. Do tỷ lệ N/X thấp, nên chỉ có một phần xi măng được thuỷ hoá, các hạt xi măng không thuỷ hoá nằm trong hỗn hợp và có vai trò như cốt liệu, các hạt xi măng có độ cứng thấp nên không tốt cho vai trò cốt liệu.Vì vậy nếu chúng ta thay thế bằng bột thạch anh trơ, cứng, thì chúng ta sẽ giảm bớt được hàm lượng xi măng trong bê tông và phần bột này sẽ đóng vai trò của cốt liệu tốt hơn nhiều so với bột xi măng chưa được thủy hóa. Khái niệm về bột là bao gồm xi măng cộng với bột mịn và muội silic. Tài liệu28 của trường đại học Kassel Đức đã tổng kết và cho thấy rằng có thể sử dụng bột đá vôi, bột Quartz hoặc bột tro bay; tuy nhiên các nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng bột đá vôi ít có hiệu quả nhất, mà chủ yếu là sử dụng bột Quartz. Có thể sử dụng 2 loại bột Quartz là Q1 hoặc Q2 (theo cách phân tích của ASTM) Bột Quartz Q1 có đường kính trung bình 2,92 μm và có độ đặc là 47% theo thể tích, tỷ diện tích 18.000 cm2/g .
38 Bột Quartz Q2 có đường kính trung bình 42 μm và có độ đặc là 48.6% theo thể tích, tỷ diện tích 3.590 cm2/g Thông thường hiện nay trên thế giới sử dụng bột Quartz có đường kính trung bình từ 5 – 30μm với liều lượng sử dụng từ 0-30 % khối lượng xi măng; tương ứng với nó thì giảm lượng xi măng trong bê tông từ 30 – 0 % . Trong luận án, Nghiên cứu sinh đã sử dụng bột Quartz được nghiền nhỏ từ đá Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ với đường kính khoảng 27,9m. - Thành phần hóa học của loại bột đá này như trong bảng 2.8 (kết quả thử nghiệm tại Phòng Vilas 003- viện Vật liệu xây dựng) Bảng 2.8: Thành phần hóa học của bột Quartz STT Tên chỉ tiêu khoáng hóa Kết quả Đơn vị Phương pháp thử 1 SiO2 98,55 % TCVN6927-2001 2 Fe2O3 0,10 % TCVN6927-2001 3 Al2O3 0,32 % TCVN6927-2001 4 CaO 0,05 % TCVN6927-2001 5 MgO 0,02 % TCVN6927-2001 6 SO3 0,00 % TCVN6927-2001 7 K2O 0,09 % TCVN6927-2001 8 Na2O 0,03 % TCVN6927-2001 Các thí nghiệm ở Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng ngày 2-3-2011 cho thấy sau khi sàng phân tích thì đường kính trung bình của bột Quartz khoảng 27,9 μm, hình 2.6. Hình 2.6: Bột Quartz Thành phần hạt của bột được thí nghiệm tại “Viện sành sứ thủy tinh công nghiệp” như trong bảng 2.9sau:
39 Bảng 2.9: Lượng lọt sàng (%) của bột Quartz nghiền d ( μm) 95 63 46 28 11 1 L 2 (%) 100 84 50 33 16 5 Kết quả nghiên cứu phù hợp với yêu cầu về bột Quartztheo các hướng dẫn của Châu Âu và được dùng trong thành phần bê tông nghiên cứu 2.2.6. Sợi thép Theo báo cáo tổng quan về thành phần bê tông cường độ siêu cao ở Châu Âu 29,[36] cho thấy rằng sợi thép sẽ làm tăng độ dai chobê tông cường độ siêu cao, hấp thụ năng lượng do tải trọng và tăng cường khả năng chịu lực sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên. Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy độ dai của bê tông cường độ siêu cao phụ thuộc vào cường độ chịu kéo của sợi thép. Với bê tông thông thường, thường dùng các sợi thép có giới hạn chảy <800MPa. Bê tông cốt sợi cường độ cao thì dùng các sợi thép có giới hạn chảy khoảng 1.000MPa. Với bê tông cường độ siêu caotrên thế giới thường sử dụng cốt sợi thép có giới hạn chảy từ 2.000 – 2.600MPa. Các thử nghiệm bê tông cường độ siêu cao ở Đức, Hàn Quốc, Pháp sử dụng các sợi thép có đường kính 0,25 mm và chiều dài 13 -:-17 mm., giới hạn chảy là 2.500 Mpa. Theo tài liệu [27] các nghiên cứu ở Thổ Nhĩ Kỳ thì đề nghị sử dụng sợi thép L = 6mm và D = 0,15 mm, khối lượng riêng là 7,85g/cm3, giới hạn chảy là 2.250 MPa. Theotài liệu [28] thì sử dụng sợi thép đường kính là 0,2 mm và chiều dài là 13 mm, giới hạn chảy là 2.500 MPa. Theo tài liệu [30] các nghiên cứu ở Thuỵ Sỹ thì đề nghị sử dụng sợi thép L = 25 mm và đường kính là D = 0,16 mm. Theo tài liệu [49] của Ủy ban đường cao tốc Hoa Kỳ năm 2006 sợi thép được sử dụng do công ty Bekaert có đường kính là 0,2 mm, dài 12,7 mm và có giới hạn chảy là 2.600 MPa. Đã có nhiều nghiên cứu ở Châu Âu, Châu Á và ở Mỹ 36, 43, 49 sử dụng sợi thép trong bê tôngcường độ siêu cao là các sợi thép cường độ cao, chiều dài l=13mm, đường kính D=0,2mm, với hàm lượng từ 1,0 đến 3,0%. Tuy nhiên hiệu quả nhất từ các kết quả thí nghiệm trên thế giới đã chỉ ra rằng
40 sử dụng với hàm lượng 2% thì sẽ phát huy năng lực của các sợi thép, đạt được độ dai của bê tông trong quá trình chịu lực và thuận tiện cho công tác nhào trộn bê tông. Do đó trong luận án này, Nghiên cứu sinh sử dụng sợi thép của hãng BeKeart Đức có nhà máy đặt tại Thượng Hải Trung Quốc, 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 thuộc loại chất lượng caođược nhập vào trường Đại Học Giao Thông Vận Tải vào tháng 3 năm 2011. Sợi thép được chế tạo phù hợp với tiêu chuẩn ISO 9001, hàm lượng sợi thép được sử dụng trong nghiên cứu bê tông cường độ siêu caolà 2% theo thể tích bê tông, sợi thép sử dụng như trong hình 2.7 Hình 2.7: Sợi thép Như vậy các vật liệu chính được sử dụng trong bê tông cường độ siêu caođể 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 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 chúng ta 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. 2.3. Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc 2.3.1. Mở đầu Bê tông cường độ siêu cao được dưỡng hộ ở điều kiện bình thường cường độ chịu nén từ 110 đến 150 MPa, nếu được dưỡng hộ nhiệt thì cường độ có thể tăng lên từ 140 đến >200 MPa.
41 Nguyên tắc cơ bản để cải thiện các tính chất của bê tông là tăng độ đặc của vữa xi măng và cải tiến vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và hạt cốt liệu. Với bê tông cườngđộ siêu cao tỷ lệ N/X từ 0,2 đến 0,25.Chất kết dính bao gồm xi măng, muội silic và được thay thế một phần bằng các bột Quartz có đường kính trung bình là 10 μm - 30μm. Cốt liệu lớn thường được dùng là cátQuartz có cỡ hạt lớn nhất từ 0,5 đến 1mm. Thiết kế hỗn hợp bê tông cường độ siêu cao thường được sử dụng phương pháp lý thuyết đi đôi với thực nghiệm. Lý thuyết tối ưu độ đặc được sử dụng phổ biến ở Pháp25, 26 và Mỹ 45, 49.Ở Đức 32 và Anh 28 sử dụng phổ biến lý thuyết về đường cong cấp phối tối ưu. Trong luận án, lý thuyết tối ưu hóa độ đặc của hỗn hợp vật liệu được sử dụng nghiên cứu chính, lý thuyết về đường cong cấp phối tối ưu sẽ được xem xét đối chiếu, so sánh kiểm travới hỗn hợp vật liệu bê tông tính toán được 2.3.2. Tối ưu hóa cường độ siêu cao bằng việc sử dụng mô hình độ đặc Gần đây khái niệm độ đặc cao được xem là một giải pháp để đạt được vật liệu tính năng siêu cao và cường độ siêu cao. Bê tông cường độ siêu cao 200MPa đã đạt được trong phòng thí nghiệm bằng việc sử dụng các kỹ thuật đặc biệt như quá trình gia nhiệt, nén dưới áp lực cao, hoặc ngâm tẩm với polime. Tuy nhiên, các loại kỹ thuật này yêu cầu các thiết bị đắt tiền và đôi khi khó áp dụng vào các bộ phận cỡ lớn (đầy đủ kích cỡ) như dầm hoặc các tấm. Mục tiêu nghiên cứu của luận án,là chỉ tạo ra bê tông cường độ siêu caocó cường độ từ 120 -:- 140MPa bằng việc sử dụng những cốt liệu bình thường chưa xử lý và thực hiện bảo dưỡng bê tông ở điều kiện bình thường. Cách bảo dưỡng này được cho là khả thi tại công trường cũng như tại các nhà máy đúc sẵn thông thường, thuận tiện cho những kết cấu có kích cỡ lớn. Việc tối ưu hóa độ đặc hỗn hợp cấp phối bê tông cường độ siêu caođược thực hiện với sự trợ giúp của mô hình toán học, cùng với việc thí nghiệm. Mô hình này giải quyết vật liệu ở trạng thái mới, nhằm tìm ra được mộttỷ lệ hỗn hợp vật liệu bê tông cường độ siêu caocó được mật độ đặc tốt nhất của các hạt.
42 * Mô hình độ đặc của hỗn hợp cát Mô hình độđặc mới: Mô hình chất huyền phù thể rắn (Model of Solid Suspensions Mooney/SSM). Mô hình này của Mooney xem xét độ đặc ngẫu nhiên của các hạt như chất huyền phù có độ đặc cao. Theo mô hình này (SSM), mối quan hệ giữa hàm lượng thể rắn của một chất huyền phù đơn phân tán  và độ đặc tương đối của nó r là: 2.5  r exp( ) (2-2) 1/ -1/  Trong đó  là độ đặc tối đa,  là độ đặc ngẫu nhiên. 5 Với  = 0,74 và  = 0,64, một có r = 1,36 .10 Khi đó, độ đặc đối với bất kỳ hỗn hợp hạt nào sẽ được tínhnhưcông thức sau đây: D 2 .5y ( t )  ref ex p d t r 1 1 (2-3) d ()t c c  ()t c() t t D (2-4) x t 1 y ()()x-1-(t) x f d   y ()()x x g d dt t x Trong đó (t) là độ đặc riêng (ảo) của các hạt cỡ t được tính từ (t) độ đặcthực nghiệm với công thứcsau ref 2 .5  r ex p 1 1 , d≤ ≤ (2-5) (t)  (t ) Khi cấp cỡ t bao gồm các loại hạt khác nhau N, (i=1 tới N), thể tích từng phần riêng của nó yi(t) (với ∑ () = 1). Độ đặc ảo toàn bộ () được xác định bằng công thức: 1 N y() t  i ()()ti 0  i t (2-6)
43 Sự cải tiến mang tính quyết định của mô hình ban đầu cho phép mô hình chất huyền phù thể rắn(SSM) cũng có thể được sử dụng để dự đoán hàm lượng thể rắn củamột chất huyền phù trong độ đặc đã cho chỉ bằng cách thay thế trong phương trình (2-5) bởi độ đặc mới này. Có thể áp dụng các lý thuyết trên như sau: Thứ nhất, một độ đặc tiêu chuẩn sẽ được chọn, phụ thuộc vào phương pháp sản xuất. Thứ hai, độ rỗng tối thiểu sẽ được chú ý, tiêu chí này dẫn đến việc xác định tỉ lệ muội silic/xi măng. Tuy nhiên, bất kỳ gia số nào của thành phần khối lượng cốt liệuthay đổi sẽ làm thay đổi độ rỗng thành phần cũng như độ rỗng tổng thể của hỗn hợp vật liệu. Như vậy để đảm bảo cóđược hỗn hợp vật liệu tốt nhất có một độ rỗng tổng thể tối thiểu thì phương pháp tiếp cận đầu tiên là kiểm tra các lần trộn khác nhau của các thành phần hỗn hợp với sự điều chỉnh các gia số của các thành phần trong tổ hợp vật liệu. Từ đó sẽ có một hỗn hợp vật liệu với độ rỗng tối thiểu và cũng để nhấn mạnh ảnh hưởng tương ứng của mỗi thông số vật liệu thành phần của hỗn hợp. 2.3.3. Các nguyên tắc chính để tạo ra thành phần bê tông cường độ siêu cao Theo tài liệu [26] có các nguyên tắc phổ biến được dùng là : - Nâng cao tính đồng nhất của bê tông bằng cách giới hạn lượng cốt liệu thô. Chúng ta đã biết rằng vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và các hạt cốt liệu thường là nơi bắt đầu các vết vi nứt do sự khác nhau về các tính chất cơ học và vật lý của chúng. Kích thước lớn nhất của cốt liệu trong bê tông cường độ siêu cao đã được khuyến cáo là cần phải nhỏ hơn 600µm [34]. - Cải thiện các tính chất của vữa bằng cách cho thêm phụ gia puzơlan, ví dụ như muội Silic. Hiệu quả thay đổi của muội Silic trong bê tông được cho là do thành phần SiO2 hoạt tính của nó phản ứng với Ca(OH)2 và lấp đầy vào các lỗ rỗng giữa các hạt xi măng hoặc các hạt vật liệu thành phần khác. Với bê tông sử dụng các loại xi măng pooclăng thông thường, lượng muội Silic 18%, so với khối lượng xi măng là đủ để phản ứng hết với Ca(OH)2được
44 tạo ra do xi măng thủy hóa [25]. Tuy nhiên, để chèn kín các lỗ rỗng thì hàm lượng muội Silic tối ưu là khoảng 30% khối lượng của xi măng [34] và [25]. Do đó hàm lượng muội Silic trong bê tông cường độ siêu caothường vào khoảng 25-30% so với khối lượng xi măng. - Cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông bằng cách giảm tỉ lệ N/CKD. - Nâng cao độ đặc của hỗn hợp bột. Theo các kết quả ở tài liệu [25] hỗn hợp bột mà có sự phân bố kích thước rộng thì có độ rỗng giữa các hạt nhỏ. Điều này có nghĩa là hỗn hợp bột được phối hợp từ một số các loại bột. - Nâng cao cấu trúc vi mô của bê tông bằng cách xử lý nhiệt sau khi đông kết. Từ năm 1994 đến nay hàng loạt các nghiên cứu đã được thực hiện ở Pháp và Canada với lượng dùng xi măng trong loại bê tông cường độ siêu cao đầu tiên nằm trong khoảng 900 – 1.200 kg/m3. Trong luận án này, một loại bê tông cường độ siêu cao cải tiến, với lượng xi măng giảm, tăng cường bằng bột Quarzt, bảo dưỡng trong điều kiện bình thường, các tính chất cơ học và sự co ngót tự khô của nó sẽ được nghiên cứu và trình bày. - Nâng cao độ đặc của bê tông bằng cách tối ưu hóa các thành phần hỗn hợp và kết hợp với việc sử dụng công nghệ trộn cũng như bảo dưỡng. - Tăng cường độ dai của bê tông bằng cách sử dụng các sợi thép cường độ cao và kích thước nhỏ (d=0,2mm, l=13mm)với một hàm lượng hợp lý là 2% theo thể tích bê tông. 2.3.4. Thành phần hạt đảm bảo độ đặc cao phù hợp cấp phối hạt tối ưu Để giải quyết vấn đề này có thể đi theo hướng sau : Đối chiếu hỗn hợp vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp tối ưu hóa độ đặctheo phương pháp mô hình chất huyền phù thể rắn (SSM) và phương pháp tối ưu hóa cấp phối hạt bê tông (Optimization Method of Coordination) của Fuller, Papovic, Bolomay, Abram26. Với bê tông cường độ siêu cao người ta đã cải tiến thông qua con đường thử nghiệm và sử dụng 3 mô hình sau :
45 y D n 100 D Mô hình Andreaxen : max (2-7) y Dn D n m in 1 0 0 DDn n Mô hình của Fuller : m ax m in (2-8) Trong đó : y là lượng lọt sàng bất kỳ; D là đường kính hạt bất kỳ; Dmax và Dmin là đường kính lớn nhất và nhỏ nhất; n là số mũ lấy bằng 0,37. Mô hình Fuller, Thompson có dạng sau : D n y 100 D max , Lấy n = 0,37 (2-9) 2.4. Thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao 2.4.1. Mở đầu Bê tông cường độ siêu cao được thiết kế theo phương pháp thể tích tuyệt đối trên cơ sở lý thuyết tối ưu về độ đặc. Với giả thuyết tổng thể tích đặc là 1m3. Từng vật liệu thành phần chiếm 1 tỉ lệ nhất định theo khối lượng hoặc n theo thể tích, giả thiết là Vi 1 i 1 Vật liệu chính tạo ra bê tông cường độ siêu cao gồm : Xi măng (X); Muội silic (MS); Cát quartz (Q); Bột quartz (QB) Thí nghiệm các đặc tính vật lý của vật liệu thành phần và thí nghiệm độ đặc của chúng bằng cách rung 2 phút trên bàn rung được kết quả ghi ở bảng 2.10 Bảng 2.10: Các đặc tính độ đặc của vật liệu D Vật liệu trung bình Tỷ trọng Độ đặc μm Xi măng 10 3,13 0,65 Muội silic 0,1 2,2 0,72 Bột quartz 10 2,65 0,599 Cát quartz 400 2,65 0,616 Sử dụng công thức Larrard để tính độ đặc cho hỗn hợp 4 thành phần vật liệu.
46 1 4 y  i (2-10) 1  i Trong đó:là độ đặc của hỗn hợp yi là thể tích đặc của từng vật liệu i là độ đặc của từng vật liệu thành phần (2-11)  yi 1 Khi phối hợp các thành phần theo những tỉ lệ cho đến khi đạt được độ đặc lớn nhất thì cấp phối đó được gọi là tối ưu theo độ đặc. 2.4.2. Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông Thành phần xuất phát từ lựa chọn lượng xi măng là 1 đơn vị. Tỉ lệ MS/X được thống nhất từ 0,23 – 0,3 theo Larrard [34]. Hiện nay tỉ lệ này lấy từ 0,23 – 0,25 theo tài liệu [51]. Nghiên cứu sinh xem xét 3 trường hợp sau để thấy rõ vai trò của từng vật liệu trong bê tông cường độ siêu cao. a. Hỗn hợp 2 vật liệu ( xi măng + muội silic ) X = 1000 kg ; Vx = 1000/3,13 = 0,322 MS = 250kg ; VMS = 250/2,2 = 0,113 Tổng thể tích : V = 0,435 Giả thiết VX + VMS = 1 VX1 = 0,322/0,435 = 0,74 VMS 1 = 0,113/0,435 = 0,26 Độ đặc hỗn hợp là: 1  V V  X MS X  MS  = 1/(0,74/0,65+0,26/0,72) = 0,627
47 b. Hỗn hợp 3 thành phần ( xi măng + muội silic + bột quartz). 850 V = = 0,274 3,13 212,5 = = 0,0966 2,2 VQB = 150/2,65 = 0,0566 Tổng thể tích: V = 0,4272 Với giả thuyết V = 1 VX1 = 0,641 VMS = 0,226 VQB1= 0,133  = 1/(0,641/0,65+0,226/0,72+0,133/0,599) = 0,70 c. Hỗn hợp 4 thành phần (xi măng+muội silic+Bột quartz + cát quartz). 800 = = 0,258 3,13 200 = = 0,091 2,2 VQB = 200/2,65 = 0,0755 VCQ = 880/2,65 = 0,3321 Tổng thể tích : V = 0,7565 Với giả thiết V = 1 VX1 = 0,341 VMS = 0,12 VQB = 0,1 VCQ = 0,439  = 1/(0,341/0,65+0,12/0,72+0,1/0,599+0,439/0,616) = 0,637 Nghiên cứu sinh đã tiến hành tính toán 5 thành phần bê tông. Các công thức bê tông 2-2 đến 2-6 được lựa chọn theo nguyên tắc đảm bảo tỷ lệ MS/X bằng từ 0,23 đến 0,25. Lượng xi măng biến đổi từ 800; 850; 900; 950 và 1.050 kg. Hàm lượng cát Quartz trên xi măng bằng 1,05 đến 1,1. Hàm lượng
48 bột Quartz cho thêm vào với mục tiêu giảm lượng xi măng sử dụng. Kết quả như ở bảng 2.11 Bảng 2.11: Tính toán độ đặc của hỗn hợp TT Thông số đầu vào 1 2 3 4 5 1 Xi măng X1 X2 X3 X4 X5 Khối lượng riêng (kg/m3) 3,13 3,13 3,13 3,13 3,13 Khối lượng xi măng (kg) 850 800 900 950 1050 Độ đặc xi măng 0,65 0,65 0,65 0,647 0,647 2 Muội Silic MS1 MS2 MS3 MS4 MS5 Khối lượng riêng (kg/m3) 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 Khối lượng Muội Silic (kg) 195,5 200 225 212.5 339 Độ đặc muội Silic 0,72 0,72 0,72 0,716 0,716 3 Bột Quartz BQ1 BQ2 BQ3 BQ4 BQ5 Khối lượng riêng (kg/m3) 2,65 2,65 2,65 2,65 2,65 Khối lượng bột quartz (kg) 331,5 200 200 150 0 Độ đặc bột quartz 0,599 0,599 0,599 0,597 0,597 4 Cát Quartz CQ1 CQ2 CQ3 CQ4 CQ5 Khối lượng riêng (kg/m3) 2,65 2,65 2,65 2,65 2,65 Khối lượng cát quartz (kg) 935 880 990 935 800 Độ đặc cát quartz 0,616 0,616 0,616 0,616 0,616 Tổng khối lượng của hỗn hợp (kg) 2312 2080 2315 2147.5 2189 Thể tich xi măng 0,274 0,258 0,290 0,2742 0,339 Thể tich Muội Silic 0,089 0,091 0,102 0,0966 0,154 Thể tích của bột quartz 0,125 0,075 0,075 0,0566 0,000 Thể tích của cát quartz 0,353 0,332 0,374 0,3528 0,302 Tổng thể tích V 0,841 0,757 0,842 0,780 0,795 Gỉa sử VX +VMS= 1 1 1 1 1 Tỷ lệ Bột mịn/(Cát+Bột mịn) 0,580 0,561 0,556 0,548 0,620 Độ đặc tối đa 0,766 0,770 0,770 0,769 0,787
49 Nhận xét: Trong các khuyến cáo gần đây [14], 26 khuyên rằng không nên sử dụng muội Silic quá 25% và thay thế phần bột còn thiếu bằng bột Quartz. Các công thức mà Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu và thiết kế theo hướng này, tức là giữ nguyên tỷ lệ thể tích bột trên tổng thể tích sử dụng, tỷ lệ muội Silic so với tổng thể tích và cho thêm thể tích bột Quartz để điều chỉnh. Kết quả cho thấy rằng độ đặc của hỗn hợp vật liệu khoáng trong khoảng 0,634 – 0,648 và độ đặc tối đa đạt 0,766 – 0,787 (ở khoảng tương đương với công thức của Larrard). Trong phần thiết kế cụ thể các tổ hợp mẫu phục vụ cho thí nghiệm nghiên cứu sinh chọn 3 thành phần bê tông có thành phần vật liệu và độ đặc hợp lýnhất được kí hiệu là C1 ; C2 ; C3 với lượng xi măng sử dụng tương ứng là 800 – 850 – 900 kg/m3. 2.4.3. Kết quả thiết kế Sử dụng nguyên tắc thiết kế theo tối ưu hoá độ đặc, Nghiên cứu sinh đã thiết lập được 3 công thức bê tông được kí hiệu như sau: C1, C2, C3 như ở bảng 2.12 Bảng 2.12: Công thứcthiết kếbê 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, lit 48,571 45,714 51,429 Chất siêu dẻo, kg 16 17 18 Lượng nước trong siêu dẻo (lit) 31,57 29,71 33,42 Nước, lít 160 170 170 Tỷ lệ N/X 0,20 0,20 0,20 Bột 1140 1121 1167 Chất kết dính 1.045,5 104,5 1107 Tỷ lệ N/CKD 0,163 0,160 0,163 Tỷ lệ N/Bột 0,140 0,151 0,145 Khối lượng hỗn hợp bê tông 2406 2391 2385
50 Trong thiết kế này,nghiên cứu sinh sử dụng hàm lượng xi măng biến đổi từ 800, 850 đến 900 kg, lượng muội Silic được giữ ở mức 23% đến 25% so với lượng xi măng sử dụng để đảm bảo độ đặc chắc cho bê tông nhưng cũng đồng thời không làm tăng giá thành. Lượng cát Quartz lấy biến đổi từ 900 đến 977kg,bột Quartz được đưa vào nhằm giảm lượng xi măng sử dụng mà vẫn giữ được độ đặc yêu cầu, vì vậy trong thiết kế này sử dụng hàm lượng bột là 120 đến 280kg. Theo [14], 34 và các thử nghiệm kinh nghiệm có trước, thì tỷ lệ nước trên xi măng thiết kế trong các mẫu thử C1, C2, C3 tương ứng là 0,20. Sử dụng lượng phụ gia siêu dẻo polycacbolsilat với hàm lượng là 1,6% so với tổng khối lượng của bê tông. Với phụ gia siêu dẻo này tính công tác của hỗn hợp bê tông sẽ được đảm bảo mà không cần tăng tỷ lệ nước trên xi măng. Hàm lượng sợi thép 2% theo thể tích bê tông tức là từ 160 đến 170 kg theo từng công thức thiết kế. Thành phần hạt của bê tông cường độ siêu cao được xây dựng trên biểu đồ với trục đứng là lượng lọt sàng %, trục ngang là Ln của cỡ hạt với cỡ hạt lớn nhất là 0,6mm, cỡ hạt nhỏ nhất là 0,00001mm theo hình 2.8. Hình 2.8: Biểu đồ thành phần hạt của các cốt liệu tính toán
51 2.4.4. Kiểm tra cấp phối Căn cứ vào các công thức bê tông, xác lập đường cấp phối của bê tông theo hướng dẫn của Fuller26(cấp phối hạt của bê tông được ghi ở bảng 2.12). Cấp phối của các thành phần vật liệu đối chiếu theo lý thuyết đường cấp phối tối ưu của Fuller ghi ở biểu đồ (hình 2.9) Hình 2.9: Cấp phối hạt của bê tông thiết kế 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 tính theo công thức của Fuller. 2.5. Kết luậnchương 2 - Đã tìm và chế tạo cát Quarzt và bột Quartz theo cáchướng dẫn và tiêu chuẩn quốc tế. - Đã lựa chọn được các loại xi măng, muội Silic, sợi thép phù hợp các hướng dẫn trên thế giới để chế tạo bê tông cường độ siêu cao - Sử dụng mô hình tối ưu hoá độ đặc của Mooney 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 Đức. - Thành phần bê tông trên sẽ được sử dụng trong việc chế tạo các mẫu thử ở phần tiếp theo.
52 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 các kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo đặc trưng và mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao. Các kết quả thí nghiệm để kiểm chứng lại sự thích hợp của các thành phần bê tông đã nêu ở chương 2. Từ đó đưa ra kết luận về các tính chất cơ học của vật liệu và đồng thời làm cơ sở cho việc ứng dụng vào tính kết cấu dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ siêu cao ở chương 4. Phương pháp thí nghiệm các tính năng cơ học của bê tông cường độ siêu cao về căn bản vẫn sử dụng như các phương pháp dùng cho bê tông thường và bê tông cường độ cao. Các hệ số và các công thức tính toán cho các tính năng của bê tông cường độ siêu cao có những thay đổi theo các công thức thực nghiệm mới. Phần này sẽ giới thiệu các lý thuyết, các tiêu chuẩn thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm đo cường độ nén và mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn của bê tông cường độ siêu cao thiết kế được C1, C2, C3 3.1.1. Cường độ chịu nén Ứng xử nén được xác định bằng cường độ nén đặc trưng và mô đun đàn hồi. Để tính toán sơ bộ cường độ nén, ta chấp nhận ứng xử quy ước là tuyến tính với các giả thuyết về biến dạng phẳng. Để xác định chính xác cường độ chịu nén của một cấp phối bê tông cường độ siêu cao thì cần phải tiến hành thí nghiệm.Cường độ chịu nén được xác định với bê tông ở 3, 7, 28 ngày tuổi. Theo [36] thì các mẫu hình trụ có kích thước d=10cm, h =20cm để xác định cường độ chịu nén. Giá trị đặc trưng fc 28 nhận được tương tự như phương pháp thí nghiệm bê tông thường và bê tông cường độ cao (HPC) đã được mô tả trong các tiêu chuẩn Việt Nam và ASTM.
53 Do ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo làm chậm sự thủy hóa của xi măng nên mẫu được tháo khuôn 2 ngày sau khi đúc, mẫu được ngâm trong nước ở 20oC,ba ngày trước khi thí nghiệm mẫu được vớt ra và bảo quản trong không khí có độ ẩm tương đối 80% và ở nhiệt độ bình thường cho đến khi thí nghiệm. Nhiệt độ bảo dưỡng trong các nghiên cứu ở nước ngoài thường là 20oC và 90oC. Kết quả cường độ chịu nén theo [52] nếu dưỡng hộ 20oC thì cường độ 7, 28, 56 ngày là: 110, 130, 138 MPa. Nếu dưỡng hộ ở 90oC thì tương ứng là 160, 170, 178 MPa. Theo [30] bê tông cường độ siêu caonếu dưỡng hộ ở 200C thì cường độ nén 28 ngày tuổi là 120MPa và nếu dưỡng hộ ở 90oC là 180MPa Như vậy khi dưỡng hộ bê tông bằng nhiệt (ở 90C) cường độ chịu nén tăng cao hơn so với dưỡng hộ bê tông ở điều kiện bình thường. Tuy nhiên biện pháp dưỡng hộ nhiệt rất phức tạp nhất là đối với các cấu kiện có kích thước lớn và không mang lại lợi ích nhiều về cường độ kéo uốn và có khả năng làm giảm độ dai của bê tông43. Vì vậy trong các nghiên cứu của luận án, chủ yếu sử dụng các mẫu thử được dưỡng hộ ở điều kiện bình thường,điều này phù hợp với các kết cấu cầu và nhà có khối lượng bê tông khối lớn. Thí nghiệm nén mẫu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng trường Đai Học Giao thông Vận tải. Mô đun đàn hồi của bê tông được thí nghiệm trên mẫu thử D =15cm, h=30cm ở cấp tải trọng 40% theo Tiêu chuẩn ASTM. 3.1.2. Ứng xử kéo khi uốn Ứng xử kéo khi uốn của bê tông cường độ siêu cao được đặc trưng bằng 3 giá trị thí nghiệm như sau: - Cường độ kéo khi uốn đàn hồi(ftj). 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 để xác định tổng năng lượng phá huỷ mẫu
54 thử. Giá trị này biểu thị độ dai của bê tông sau nứt, thí nghiệm cường độ kéo uốn được thực hiện theo Tiêu chuẩn của Châu Âu (RILEM). 3.1.3. Quy trình thí nghiệm uốn mẫu lăng trụ và phân tích Có 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 hiệu ứng tỉ lệ, có thể tính toán năng lượng uốn dẻo thông qua diện tích phần nằm dưới đường quan hệ lực và độ võng. Từ đó theo các hướng dẫn của SETRA/AFGC có thể xác định được quan hệ giữa ứng suất và độ võng, quan hệ ứng suất và độ mở rộng vết nứt, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng Kiểu 2: Thí nghiệm uốn 3 điểm trên mẫu lăng trụ có khấc cho phép áp dụng phương pháp phân tích ngược theo hướng dẫn của RILEM về thiết kế kết cấu bằng bê tông gia cường cốt sợi (nhóm tính chất 162-TDF) để tính toán các quan hệ như đã nêu trên. Với mẫu lăng trụ có khấc, một vết khấc được xẻ tại mặt cắt giữa, trên cạnh chịu kéo khi thí nghiệm uốn. Độ sâu của vết khấc bằng 10% chiều cao của lăng trụ, để nhận được một hiệu ứng cục bộ về nứt khi giảm thiểu các nguy cơ nứt ngoài vết khấc, chiều rộng của vết khấc không được lớn hơn 2mm. Trong nghiên cứu của luận ánnày, Nghiên cứu sinh chọn phương pháp thí nghiệm uốn bốn điểm trên mẫu dầm theo hướng dẫn của Châu Âu (hình 3.1) để xác định cường độ chịu kéo khi uốn ở thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên, cường độ chịu kéo uốn lớn nhất và cường độ chịu kéo uốn giới hạn với biến dạng là 12/1000 hoặc là độ võng tối đa là 10 mm. Theo tiêu chuẩn châu Âu thì các điểm cần đo biến dạng sẽ là 2‰; 3,5‰cho vùng nén và 25‰ cho vùng kéo. Sử dụng hệ số điều chỉnh kích thước để xác định cường độ Rkuđặc trưng theo hướng dẫn của Châu Âu 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)
55 a. Chuẩn bị mẫu Việc chuẩn bị mẫu (phương pháp đổ bê tông) cũng như phương pháp thí nghiệm được trình bày chi tiết trong những hướng dẫn về bê tông của RILEM, 162-TDF. b. Thiết bị thí nghiệm Máy thí nghiệm là một máy kéo/nén thủy lực điều chỉnh bằng kích chuyển vị hoặc thiết bị đo ngoài. Trong trường hợp 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). Trên thực tế, khi không có bộ phận kiểu này phép đo độ võng có thể sai lệch do độ lún tại các điểm đặt lực và trên gối được gây rabỡi các biến dạng nâng. Thiết bị cần phải đo được tối thiểu 2 mm với độ chính xác là 0,5% tỉ lệ tổng thể. Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm c. Phương pháp tiến hành Mẫu được đặt trên bộ phận thí nghiệm uốn của máy. Các thiết bị đo được cố định trên mẫu. Gia tải trước trên mẫu, cường độ nhỏ nhất có thể khoảng vài kN. Tải này dùng để tính trong suốt quá trình thí nghiệm. Cần đảm bảo rằng khi áp dụng việc gia tải trước, các thiết bị đo độ võng và độ mở rộng vết nứt phải có phản ứng.
56 Cũng như vậy, tuỳ theo kích thước của lăng trụ, bảng 3.1 đưa ra độ võng yêu cầu khi tiến hành thí nghiệm: Bảng 3.1: Độ võng đạt được khi tiến hành thí nghiệm Lăng trụ Độ võng max Số dữ liệu (mm) (mm) (tần số 5 Hz) 150 x150 x 600 10 3600 d. Thu thập kết quả Các số liệu trong khi thí nghiệm cần được thực hiện với tần số 5 Hz để nhận mẫu kích thước lớn, có thể giảm tần số nhưng vẫn đảm bảo một số lượng các số liệu cần thiết. Các số liệu cần thu thập là: + Thời gian thí nghiệm + Độ võng + Lực + Biểu đồ tải trọng – độ võng d1. Xử lý kết quả Yêu cầu tối thiểu 6 thí nghiệm để nhận được một kết quả số học cần thiết cho việc xử lý đánh giá kết quả thực nghiệm. d2. Đánh giá cường độ chịu kéo uốn 4 điểm mẫu lăng trụ không có khấc - Xác định cường độ chịu kéo uốn trước nứt, lớn nhất và khi phá hoại. Cường độ nhận được lúc nứt khi uốn có thể được tính theo công thức sau: 2 Rfl = 3 . Ffiss / a Với Ffiss tính bằng N và a bằng mm, Rfl bằng MPa. Để có được một đánh giá về cường độ chịu kéo, cần điều chỉnh cường độ này theo hiệu ứng tỉ lệ (hoặc hiệu ứng gradient) theo tiêu chuẩn tính toán của CEB-FIB:
57 0,7 h 2,0. h0 Rt = Rfl . 0,7 với h0 = 100 mm (3-1) h 1 2,0. h0 Để áp dụng công thức này, cần đổi chiều cao h của lăng trụ ra mm d3. Điều chỉnh độ mở rộng vết nứt và độ võng, uốn Biết độ võng f0 ứng với đoạn cuối của vùng đàn hồi, độ mở rộng vết nứt (w) được đánh giá theo hướng dẫn của (SETRA –AFGC)42: = . ( − ). 10 (3-2) Với  đại diện cho độ võng thực đo được. 3.2. Chế tạo các mẻ trộn thử 3.2.1. Kế hoạch thí nghiệm Trên cơ sở thiết kế vật liệu thành phần ở chương 2, Nghiên cứu sinhlập ra kế hoạch thí nghiệm theo bảng 3.2 như sau: Bảng 3.2: Kế hoạch thí nghiệm Chỉ tiêu Cường độ Cường độ kéo Mô đun đàn chịu nén uốn (MPa) hồi (Mpa) Ngày thí nghiệm (MPa) 3 x - - 7 x - - 28 x x x Xác định cường độ chịu nén ở 3, 7, 28 ngày để thấy mối quan hệ giữa cường độ của bê tông với thời gian, quan hệ cường độ theo tỉ lệ N/CKD. Với chỉ tiêu cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồiđược thí nghiệm ở 28 ngày tuổi và xác lập công thức quan hệ giữa các chỉ tiêu đó với cường độ chịu nén. Số mẫu đề xuất theo bảng 3.3.
58 Bảng 3.3: Số mẫu cho mẻ trộn thử Số Số Số Mẫu thử mẫu mẫu mẫu C1 C2 C3 Mẫu nén 3 ngày, D=100 ;H= 200 mm 6 6 6 Mẫu nén 7 ngày, D=100 ;H= 200 mm 6 6 6 Mẫu nén 28 ngày, D=100 ;H= 200 mm 6 6 6 Mẫu kéo uốn 28 ngày tuổi 150x150x600mm 6 6 6 Mẫu mô đun đàn hồi 28 ngày D=150 ;H= 300mm 6 6 6 Tổng số mẫu 30 30 30 3.2.2. Hỗn hợp bê tông thử nghiệm Thành phần bê tông đã được thiết kế và trình bày ở ở chương 2, cốt sợi thép có đường kính là 0,2mm chiều dài là 13mm hàm lượng 2% theo thể tích của bê tông. Thành phần hỗn hợp bê tông theo tỉ lệ về trọng lượng theo bảng 3.4 như sau: Bảng 3.4: Thành phần vật liệu chế tạo Loại bê Bột Cát Chất siêu N/X Xi măng Muội silic tông Quartz Quartz dẻo C1 0,2 1 0,25 0,35 1,12 0,016 C2 0,2 1 0,25 0,18 1,10 0,016 C3 0,2 1 0,25 0,14 1,10 0,016 Để đạt tính công tác cho hỗn hợp bê tông cường độ siêu cao thì so với thiết kế cần điều chỉnh lượng nước chính xác: N = Ntk - NPg + Nb (3-3) Ntk : Lượng nước thiết kế. NPg = 0,65 x lượng phụ gia . Nb = Độ hút nước x khối lượng của cốt liệu.
59 Cuối cùng rút ra thành phần bê tông cường độ siêu cao thiết kế cho 1m3 như sau theo bảng 3.5: Bảng 3.5: Thành phần trộn mẫu thí nghiệm Tỷ C1 C1 C2 C2 C3 C3 Vật liệu trọng (kg) (m3) (kg) (m3) (kg) (m3) Xi măng 3,13 800 0,256 850 0,272 900 0,288 Muội silic (%X) 2,25 200 0,089 195,5 0,087 207 0,092 Cát Q1 2,66 880 0,331 977 0,367 910 0,342 Bột Q2 2,66 280 0,105 150 0,056 120 0,045 Sợi thép 7,8 160 0,021 170 0,022 160 0,021 Phụ gia siêu dẻo(L) 45,714 0,053 48,57 0,056 51,43 0,06 Nước(L) 1 160 0,160 170 0,170 180 0,180 N/X 0,2 0,2 0,2 Tỷ Trọng 2365,7 1,00 2391 1,00 2368 1,00 Bột mịn 1140 0,397 1121 0,3866 1167 0,402 N/CKD thiết kế 0,1403 0,403 0,152 0,4397 0,154 0,448 Nước cốt liệu hút 24,48 23,81 22,27 Nước trong PGSD 29,714 0,030 31,57 0,0316 33,43 0,033 Nuớc trộn tính toán 154,0 162,1 170,0 Chất siêu dẻo (kg) 21,05 33,62 22,46 Nước thực nhào trộn 223,72 215,0 217,57 Tỷ lệ N/CKD thực đã trộn 0,154 0,145 0,154 N/Fv 0,196 0,192 0,186 Từ kết quả ở bảng 3.5 cho thấy tỉ lệ N/CKD giảm dần từ 0,223 đến 0,196. Tỉ lệ N/B cũng giảm dần từ 0,196 đến 0,186. Hai tỉ lệ trên tỉ lệ nghịch về lý thuyết với tính năng của bê tông. Hình ảnh mẻ trộn thử ghi ở hình 3.2
60 Hình 3.2: Mẻ trộn thử 3.3. Các kết quả thí nghiệm 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 Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm độ chảy lan Kí hiệu mẫu thử C1 C2 C3 Độ sụt của bê tông, cm 24,00 29,00 27,00 Độ chảy lan, cm 45,00 64,00 50,50 Ngày đúc mẫu 29/3/2011 1/4/2011 6/4/2011 Hình 3.3: Thí nghiệm độ chảy lan
61 Hình 3.4: Mẫu thử nén và uốn Bảng 3.7: Kết quả cường độ chịu nén Ký Cường độ chịu nén (MPa) Ngày Stt hiệu đúc mẫu R3 TB3 S3 R7 TB7 S7 R 28 TB28 S28 C11 29/3 65,89 109,89 134,70 C12 29/3 66,53 100,63 122,63 C13 29/3 71,72 101,23 126,90 127,59 C1 69,77 3,32 106,59 5,33 5,22 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 C21 1/4 68,55 111,47 121,36 C22 1/4 67,89 106,34 128,63 C23 1/4 71,66 115,19 137,24 130,01 C2 72,65 3,69 112,46 5,28 5,73 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 C31 6/4 82,42 115,51 142,56 C32 6/4 80,23 112,36 132,21 C33 6/4 77,64 105,61 129,38 139,21 C3 84,75 5,07 113,06 5,57 6,21 C34 6/4 86,62 122,38 144,77 C35 6/4 91,65 107,34 145,61 C36 6/4 89,92 115,18 140,74
62 Ri: Cường độ nén ngày thứ i TBi: Cường độ nén trung bình ngày thứ i Si: Độ lệch chuẩn theo cường độ nén ngày thứ i Hình ảnh thí nghiệm nén mẫu hình 3.5; 3.6 Hình 3.5: Thí nghiệm nén Hình 3.6: Dạng phá hoại Bảng 3.8: Cường độ trung bình của các nhóm mẫu Cường độ trung Độ lệch Biến dạng tương đối Nhóm bình(MPa) chuẩn(S) (‰) C1 127,59 5,22 4,02 C2 130,01 5,73 3,55 C3 139,21 5,21 3,75 Từ kết quả thử cường độ nén của ba cấp phối C1, C2, C3 xây dựng được các biểu đồ thể hiện các quan hệ (cường độ – thời gian);(cường độ - tỉ lệ nước/chất kết dính) theo hình 3.7 ; 3.8:
63 MPa 160 140 120 100 C1 80 C2 60 C3 40 20 0 3 7 28 Ngày Hình 3.7: Quan hệ giữa cường độ chịu nén theo thời gian MPa 150 100 3 7 50 28 0 0.196 0.205 0.223 N/CKD Hình 3.8: Quan hệ giữa cường độ chịu nén với tỷ lệ N/CKD Nhận xét: Các kết quả nén cho thấy cường độ nén biến đổi từ 127 đến 139MPa 3.3.2. Kết quả thử nghiệm cường độ chịu kéo - uốn 3.3.2.1. Thí nghiệm uốn 4 điểm Như đã trình bày phần trên, trong luận án chọn thí nghiệm uốn 4 điểm cho 18 mẫu dầm (6 tổ hợp) 150x150x600mm để xác định cường độ chịu kéo uốn. Thành phần bê tông được lấy cùng với các mẻ trộn mẫu thử cường độ
64 chịu nén. Tuổi thí nghiệm của bê tông là 28 ngày. Thí nghiệm uốn 4 điểm được thực hiện trên máy thử nghiệm uốn của phòng thí nghiệm Vật Liệu Xây Dựng trường Đại Học Giao thông Vận tải. Trình tự thí nghiệm uốn tuân thủ theo hướng dẫn của RILEM, hình 3.9 ; 3.10. Hình 3.9: Thí nghiệm uốn Hình 3.10: Thí nghiệm uốn và dạng phá hoại mẫu Các số liệu nhận được là các quan hệ giữa lực và độ võng trong toàn bộ thời gian thí nghiệm (1.500 số liệu). Xử lý các số liệu để xác định tải trọng ở 3 thời điểm độ võng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên, tải trọng lớn nhất và tải trọng ứng với độ võng của dầm là 10 mm. Quan hệ giữa tải trọng và độ võng cho 6 tổ mẫu nêu trên được trình bày ở trong bảng 3.9 và hình 3.11
65 Bảng 3.9: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng Độ võng Tải trọng P (kN)  (mm) PM1 PM2 PM3 PM4 PM5 PM6 0,00 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,20 75,470 70,637 112,226 80,176 73,181 97,091 0,22 80,303 78,777 118,204 94,421 76,361 101,161 0,25 83,865 82,974 126,598 107,775 80,558 106,884 0,30 94,039 100,653 142,750 148,219 90,351 119,475 0,40 107,520 119,094 162,209 207,995 106,249 126,343 0,50 112,862 122,910 179,124 227,199 118,077 128,251 0,70 115,152 123,673 205,196 247,930 126,216 132,066 1,00 119,094 123,673 210,284 291,554 126,343 132,066 2,00 89,969 79,413 159,792 219,000 90,732 78,014 3,00 66,949 57,029 103,959 143,667 73,181 59,446 5,00 29,939 32,864 57,029 106,000 51,051 29,558 10,00 12,134 11,116 8,191 42,420 22,817 9,336 M1 và M2: hai tổ hợp mẫu của cấp phối C1 M3 và M4: hai tổ mẫu của cấp phối C3 M5 và M5: hai tổ mẫu của cấp phối C2 Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng