Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo clorua của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
-------o0o-------

LÊ QUANG VŨ

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THẤM NƯỚC VÀ THẤM
ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ỨNG DỤNG
TRONG DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
-------o0o-------

LÊ QUANG VŨ

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THẤM NƯỚC VÀ THẤM
ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ỨNG DỤNG
TRONG DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU

Chuyên ngành: XÂY DỰNG CẦU HẦM
Mã số: 9.58.02.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1- PGS.TS. TRẦN THẾ TRUYỀN
2- PGS.TS. ĐỖ ANH TÚ

Hà Nội - 2022


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Nghiên cứu sinh

Lê Quang Vũ


LỜI CẢM ƠN
Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS. Trần Thế
Truyền và PGS.TS. Đỗ Anh Tú, là những người thầy đã tận tình hướng dẫn và định
hướng khoa học; tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học
tập, chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận
án này.
Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt
tình của q thầy cơ giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Vật
liệu Xây dựng - Trường Đại học Giao thông vận tải. Tác giả cảm ơn GS.TS. Trần
Đức Nhiệm, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long, PGS.TS. Bùi Tiến Thành, TS. Thái Khắc
Chiến, TS. Đặng Thùy Chi, PGS.TS. Nguyễn Trung Hiếu đã động viên và hỗ trợ tác
giả trong suốt quá trình học tập.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải,
Lãnh đạo Khoa Công Trình, Bộ mơn Cầu Hầm, Phịng Đào tạo Sau đại học, Phịng
thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Phịng Thí nghiệm và Kiểm định Cơng trình (Đại học
Xây dựng), Phịng Thí nghiệm cơng trình (Đại học Thủy Lợi) đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tơi trong q trình học tập nghiên cứu tại Hà Nội.
Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ
tơi trong quá trình học tập nghiên cứu.

Hà Nội, ngày

tháng

Nghiên cứu sinh

Lê Quang Vũ

năm 2022


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................... II
MỤC LỤC............................................................................................................. III
DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................... VII
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................... X
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................. XII
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.......................................................................... 1
2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN................................................................................ 3
3. ĐỐI TƯỢNG VA PHẠM VI NGHIÊN CỨU........................................................ 3

3.1. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................... 3
3.2. Phạm vi nghiên cứu.......................................................................................... 3
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................................................... 3
5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚİ CỦA LUẬN ÁN....................................................... 3
CHƯƠNG I.............................................................................................................. 5
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN
QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ....................................................... 5
1.1...................................................................................................................BÊ
TÔNG CỐT LİỆU NHẸ VÀ ỨNG DỤNG............................................... …….5
1.1.1. Đặc điểm chung của bê tông cốt liệu nhẹ..................................................... 5
1.1.2. Các đặc trưng cơ lý của bê tông cốt liệu nhẹ............................................... 7
1.1.3. Ứng dụng bê tông cốt liệu nhẹ trên thế giới và ở Việt Nam......................13
1.2. CÁC NGHİÊN CỨU VỀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ............18
1.2.1. Nghiên cứu độ bền của bê tông................................................................... 18
1.2.2. Nghiên cứu độ bền của bê tông cốt liệu nhẹ............................................... 19
1.3. THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO ĐỘ BỀN......................30
1.3.1. Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo độ bền........................................... 30
1.3.2. Mô hình tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép.....................31


1.3.3. Ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép trong bê tông................................ 38
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG I.................................................................................. 38
CHƯƠNG II........................................................................................................... 40
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ THẤM NƯỚC VÀ THẤM
ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ...................................................... 40
2.1. CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM.......................................................... 40
2.1.1. Vật liệu chế tạo bê tơng............................................................................... 40
2.1.2. Thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu kĩ thuật của vật liệu chế tạo bê tông
...................................................................................................................................42
2.1.3. Thiết kế thành phần cấp phối bê tơng thí nghiệm..................................... 48

2.1.4. Thí nghiệm kiểm tra cường độ BTCLN thiết kế.......................................52
2.2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM NƯỚC CỦA BÊ TƠNG....................53
2.2.1. Thí nghiệm đo độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ chịu ảnh hưởng của
tải trọng nén trước................................................................................................. 53
2.2.2. Thí nghiệm đo độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ chịu ảnh hưởng của
tải trọng nén trực tiếp........................................................................................... 58
2.3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM İON CLO CỦA BÊ TƠNG...............63
2.3.1. Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của bê tơng cốt liệu nhẹ chịu nén
trước ...................................................................................................................... 63
2.3.2. Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ chịu nén
trực tiếp………...................................................................................................... 68
2.4. QUAN HỆ GIỮA HỆ SỐ THẤM NƯỚC VÀ HỆ SỐ KHUẾCH TÁN ION
CLO CỦA BÊ TƠNG.............................................................................................. 72
2.4.1. Cơng thức lý thuyết của Banthia................................................................ 72
2.4.2. Tính hệ số Ck cho loại bê tơng thí nghiệm.................................................73
2.4.3.So sánh kết quả dựa trên công thức của Banthia và kết quả thí nghiệm74
2.4.4. Đề xuất cơng thức xác định hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm nước
khi xét đến ứng suất trong bê tông....................................................................... 75
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG II................................................................................. 75
CHƯƠNG III......................................................................................................... 78


XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO TUỔİ THỌ CỦA KẾT CẤU SỬ DỤNG BÊ
TÔNG CỐT LİỆU NHẸ....................................................................................... 78
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.................................................................................................. 78
3.2. GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU............................................................. 78
3.3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT
THÉP CỐT LIỆU NHẸ........................................................................................... 79
3.3.1. Khái niệm tuổi thọ sử dụng......................................................................... 79
3.3.2. Tuổi thọ sử dụng theo tác động của sự xâm nhập clo................................ 80

3.3.3. Các tham số của mơ hình............................................................................ 82
3.3.4. Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ
theo tiêu chí khởi đầu ăn mịn cốt thép................................................................ 87
3.3.5. Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tơng cốt thép cốt liệu nhẹ
theo tiêu chí ăn mịn cốt thép có xét đến trạng thái ứng suất của bê tơng.........89
3.4. MƠ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP CỐT LIỆU
NHẸ CĨ XÉT ĐẾN LÍ THUYẾT XÁC SUẤT....................................................... 90
3.4.1. Lý thuyết xác suất hư hỏng và tuổi thọ dài hạn........................................ 90
3.4.2. Phương pháp thiết kế xác suất.................................................................... 92
3.4.3. Thiết kế theo nguyên tắc làm việc trong trường hợp R và S có phân phối
chuẩn...................................................................................................................... 93
3.4.4. Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê
tông cốt liệu nhẹ có xét đến tính bất định của các tham số đầu vào..................93
3. KẾT LUẬN CHƯƠNG III.................................................................................. 94
CHƯƠNG IV......................................................................................................... 96
TÍNH TỐN DỰ BÁO TUỔİ THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT
LIỆU NHẸ CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA HIỆU ỨNG TẢI
TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG................................................ 96
4.1. KẾT CẤU BẢN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ĐỀ XUẤT DÙNG THAY THẾ
CHO TÀ VẸT GỖ TRÊN CẦU ĐƯỜNG SẮT....................................................... 96
4.1.1. Kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ cốt thép thay thế cho tà vẹt gỗ trên
cầu đường sắt........................................................................................................ 96
4.1.2. Phân tích ứng xử của kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ.............................98


4.2. TÍNH TỐN DỰ BÁO TUỔİ THỌ KẾT CẤU BẢN BÊ TÔNG CỐT LİỆU
NHẸ THAY THẾ CHO TÀ VẸT GỖ TRÊN MẶT CẦU ĐƯỜNG SẮT.............100
4.2.1. Tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ mặt cầu đường
sắt với mơ hình xác định..................................................................................... 100
4.2.2. Tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ mặt cầu đường

sắt với mơ hình xác suất...................................................................................... 103
4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG IV............................................................................. 107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 108
1. KẾT LUẬN....................................................................................................... 108
2. KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO......................................... 111
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH.....112
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 113
TIẾNG VIỆT......................................................................................................... 113
TIẾNG ANH......................................................................................................... 114


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 - Vật liệu bê tơng cốt liệu nhẹ..................................................................... 5
Hình 1.2 - Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén của các loại vữa khác nhau
[42] (Leca, Liapor, Ulopor, Embra, Liaver là tên các loại sỏi nhẹ thương
mại hiện có trên thị trường, chủ yếu ở châu Âu)
..................................................................................................................
9
Hình 1.3 - Quan hệ giữa KLTT sau khi tháo khuôn và cường độ nén của các loại
vữa khác nhau [42]
................................................................................................................
10
Hình 1.4 - Cơ chế vùng tiếp xúc đá xi măng - cốt liệu theo Zhang và Gjørv [65]...10
Hình 1.5 - Gạch bê tơng nhẹ................................................................................... 14
Hình 1.6 - Cầu Greenland (1996)........................................................................... 15
Hình 1.7 - Cầu Lewis & Clark (1996)..................................................................... 15
Hình 1.8 - Đá bazan bọt ở Quảng Hiệp, Đắc Lắc................................................... 16
Hình 1.9 - Ảnh hưởng của độ rỗng, dạng - kích thước đường rỗng và tính liên
thơng của các lỗ rỗng đến độ thấm của bê tông (Scrivener (2001))
................................................................................................................

20
Hình 1.10 - Khả năng hút nước của bê tơng cốt liệu nhẹ (LWC) so với bê tơng
thường (NC)
................................................................................................................
21
Hình 1.11 – Độ thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ theo chiều sâu từ bề mặt
(Salem N & al (2016) [52]
................................................................................................................
22
Hình 1.12 - Vùng xâm nhập cacbonat hóa đến cốt thép.......................................... 24
Hình 1.13 - Các dạng mặt cắt cácbonat hóa gặp phải trong thực tế.......................25
Hình 1.14 - Ảnh hưởng của mơi trường đến tốc độ cacbonat hóa........................... 27
Hình 1.17 - Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tơng cốt thép: Mơ hình hai giai đoạn
của Tuuti 1980 [62]
................................................................................................................
33
Hình 1.18 - Các sự kiện liên quan đến tuổi thọ sử dụng.........................................33
Hình 1.19 - Ảnh hưởng của màng và sơn phủ bề mặt............................................. 37
Hình 2.1 - Thí nghiệm khối lượng cát lèn chặt........................................................ 41


Hình 2.2 - Sỏi Keramzit phục vụ đổ bê tơng............................................................ 42
Hình 2.3 - Biểu đồ cấp phối cát............................................................................. 44
Hình 2.4 - Cấp phối hạt cát sau điều chỉnh............................................................. 45
Hình 2.5 - Đường cong cấp phối của sỏi keramzit.................................................. 46
Hình 2.6 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0....................................................... 50
Hình 2.7 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Thơng số vật liệu.........................51


Hình 2.8 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Lựa chọn tham số........................51

Hình 2.9 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Thành phần vật liệu.................... 51
Hình 2.10 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Kết quả tính tốn.......................52
Hình 2.11 - Thí nghiệm nén bê tơng theo ASTM - C39............................................ 53
Hình 2.12 - Cắt mẫu thí nghiệm thấm thấm nước từ mẫu trụ và xử lý mẫu............54
Hình 2.13 - Bố trí đo thấm nước trong phịng thí nghiệm....................................... 54
Hình 2.14 - Gia tăng độ thấm nước K theo áp lực nước tương ứng với các cấp tải
trọng
................................................................................................................
57
Hình 2.15 - Gia tăng độ thấm nước K theo áp lực nước với các cấp tải trọng 0P;
0.3P; 0.5P
................................................................................................................
57
Hình 2.16 - Gia tăng độ thấm nước K theo ứng suất tương đối /max..............................58
Hình 2.17 - Buồng đo thấm nước mẫu bê tơng chịu tải trọng nén trực tiếp...........59
Hình 2.18 - Đồng hồ đo áp lực nén của tải trọng và áp lực nước vào....................59
Hình 2.19 - Cân điên tử kết nối với máy tính và bình hứng nước............................59
Hình 2.20 - Máy tính với phần mềm Hyper Terminal tự động ghi số liệu về lưu
lượng nước thoát ra khi thấm qua mẫu thí nghiệm
................................................................................................................
59
Hình 2.21 - Tồn cảnh bố trí thiết bị đo độ thấm nước của bê tông chịu tải trọng
nén trực tiếp
................................................................................................................
59
Hình 2.22 - Biểu đồ hệ số độ thấm K thay đổi theo thời gian với cấp ứng suất max
= 0.6.........................................................................................................61
Hình 2.23 - Biểu đồ hệ số độ thấm K thay đổi theo thời gian với cấp ứng suất max
= 0.7.........................................................................................................61
Hình 2.24 - Gia tăng hệ số thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ K theo ứng suất

trong bê tơng
................................................................................................................
63
Hình 2.25 - Chế tạo mẫu và tiến hành thí nghiệm................................................... 64
Hình 2.26 - Độ thấm clo của bê tông nhẹ 30 MPa theo ứng suất nén trước trong bê
tông


................................................................................................................
66
Hình 2.27 - Độ thấm clo trung bình của 6 mẫu bê tông nhẹ 30 MPa theo ứng suất
nén trước trong bê tơng.
................................................................................................................
66
Hình 2.28 - Thay đổi hệ số khuếch tán ion clo theo ứng suất nén trước trong bê
tông cốt liệu nhẹ C30
................................................................................................................
67


Hình 2.29 - Quy luật gia tăng của hệ số khuếch tán ion clo theo ứng suất nén trước
của mẫu bê tơng cốt liệu nhẹ C30
................................................................................................................
68
Hình 2.30 - Lắp đặt khung gia tải........................................................................... 69
Hình 2.31 - Kết nối máy đo điện lượng thấm qua bê tơng với máy tính..................69
Hình 2.32 - Quan hệ của độ thấm ion clo qua bê tơng với cấp ứng suất nén bê tơng
cốt liệu nhẹ
................................................................................................................
72

Hình 2.33 - Biểu đồ quan hệ hệ số khuếch tán ion clo dựa trên lý thuyết Banthia và
kết quả thí nghiệm của bê tơng cốt liệu nhẹ C30
................................................................................................................
75
Hình 3.1 - Định nghĩa tuổi thọ sử dụng và kéo dài tuổi thọ sử dụng.......................79
Hình 3.2 - Quan niệm về tuổi thọ sử dụng (theo Tuutti, 1980) [62]........................81
Hình 4.1 - Bố trí cốt thép bản bê tơng cốt liệu nhẹ................................................. 96
Hình 4.2 - Mặt cắt điển hình của bản bê tơng cốt liệu nhẹ LWC.............................97
Hình 4.3 - Kết cấu bản bê tơng cốt liệu nhẹ đề xuất thay thế tà vẹt gỗ trên cầu đường sắt
.................................................................................................................97
Hình 4.4 - Lưới phần tử hữu hạn............................................................................ 98
Hình 4.5 - Trường ứng suất: Mặt cắt ngang của bản bê tơng cốt liệu nhẹ LWC.....99
Hình 4.6 - Trạng thái dẻo của các phần tử đặc....................................................... 99
Hình 4.7 - Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng giữa nhịp của bản mặt cầu
(Tải trọng lên đến 400 kN tương đương 2 lần tải trọng cuối cùng của
T22)100
Hình 4.8 - Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tơng bảo vệ với tuổi thọ cơng trình theo
ứng suất nén trước
..............................................................................................................
102
Hình 4.9 - Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tơng bảo vệ với tuổi thọ cơng trình theo
ứng suất nén trực tiếp
..............................................................................................................
102
Hình 4.10 - Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán D đến xác suất sự cố ăn mịn.........104
Hình 4.11 - Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tơng bảo vệ h đến xác suất sự cố ăn
mịn


..............................................................................................................

105
Hình 4.12 - Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới hạn Ccr đến xác suất sự cố ăn
mịn
..............................................................................................................
105
Hình 4.13 - Ảnh hưởng của nồng độ clorua bề mặt bê tông CS đến xác suất sự cố ăn
mịn
..............................................................................................................
106
Hình 4.14 - Ảnh hưởng của hệ số tuổi n đến xác suất sự cố ăn mòn.....................106


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 - Phân loại bê tông nhẹ theo khối lượng thể tích theo EN 206-2013..........6
Bảng 1.2 - Phân loại bê tông nhẹ theo cấp cường độ chịu nén EN 206-2013...........7
Bảng 1.3 - Phân loại bê tông nhẹ theo ACI 213R-03................................................ 7
Bảng 1.4 - Tốc độ tích lũy và nồng độ lớn nhất của clo bề mặt............................... 37
Bảng 2.1 - Các tính chất cơ lý của xi măng Vicem PC40........................................ 40
Bảng 2.2 - Thành phần hóa học của xi măng Vicem PC40...................................... 40
Bảng 2.3 - Thành phần khoáng vật của xi măng Vicem PC40................................. 41
Bảng 2.4 - Bảng thành phần hạt của cát................................................................. 44
Bảng 2.5 - Bảng thành phần hạt của cát sau điều chỉnh......................................... 45
Bảng 2.6 - Đối với cốt liệu lớn là sỏi keramzit........................................................ 46
Bảng 2.7 - Khối lượng thể tích của cốt liệu nhẹ xem xét......................................... 47
Bảng 2.8 - Lượng nước nhào trộn........................................................................... 49
Bảng 2.9 - Thành phần hỗn hợp vật liệu cho 1m3 bê tông cốt liệu nhẹ cấp 30Mpa
xét tới ảnh hưởng của độ ẩm và độ hút nước cốt liệu.
................................................................................................................
52
Bảng 2.10 - Kết quả thí nghiệm cường độ nén theo ASTM-C39.............................. 52

Bảng 2.11 - Kết quả hệ số thấm trong thí nghiệm.................................................... 56
Bảng 2.12 - Kết quả hệ số thấm nước K(m/s) theo cấp tải trọng tác dụng..............62
Bảng 2.13 - Mức độ thấm ion clo............................................................................ 64
Bảng 2.14 - Kết quả thí nghiệm độ thấm ion clo của bê tông nhẹ 30 Mpa..............65
Bảng 2.15 - Hệ số khuyếch tán clorua tính theo điện lượng từ thí nghiệm thấm nhanh
.................................................................................................................67
Bảng 2.16 - Kết quả thí nghiệm độ thấm ion clo của mẫu bê tơng C30, có xét đến
trạng thái ứng suất nén trực tiếp
................................................................................................................
70
Bảng 2.17 - Hệ số khuếch tán ion clo ở trạng thái không chịu tải của bê tông C3073
Bảng 2.18 - Hệ số thấm nước theo các cấp áp lực của bê tông (C30) chịu tải trọng
nén trực tiếp
................................................................................................................
73
Bảng 2.19 - Giá trị hệ số khuếch tán được tính theo hệ số thấm nước theo Ck (Bê
tông C30)


................................................................................................................
74
Bảng 2.20 - Hệ số khuếch tán ion clo theo các cấp ứng suất của bê tông (C30) theo
lý thuyết và thí nghiệm
................................................................................................................
74


Bảng 3.1 - Tóm tắt các tiêu chuẩn xác định giới hạn tối đa cho phép của nồng độ
ion clo trong vữa và bê tông dự ứng lực
................................................................................................................

85
Bảng 4.1 - Bảng thông số đầu vào........................................................................ 101
Bảng 4.2 - Bảng tham số đầu vào.......................................................................... 103


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ cái viết tắt, kí hiệu
AASHTO

Ý nghĩa
American Association of State Highway and
Transportation Officials
(Hiệp hội các Viên chức Đường bộ và Vận tải Mỹ)

ACI

American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ)

ASTM

American Society for Testing and Materials (Tiêu
chuẩn Mỹ về Thí nghiệm Vật liệu)

BT

Bê tơng

BTCT

Bê tơng cốt thép

BTN

Bê tông nhẹ

BTCLN

Bê tông cốt liệu nhẹ

C

Cát

CL

Cốt liệu

CLN

Cốt liệu nhẹ

DƯL

Dự ứng lực

IC

Ion clo (Ion Chloride), Cl-

EN

EuroNorm (Tiêu chuẩn Châu Âu)

N/CKD

Nước/chất kết dính

N/X

Nước/xi măng

N

Nước

X

Xi măng

PTHH

Phần tử hữu hạn

PGSD

Phụ gia siêu dẻo

TTH

Trục trung hòa

TCN

Tiêu chuẩn ngành

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam


KLTT

Khối lượng thể tích

KCBT

Kết cấu bê tơng

LWC

Light weight concrete (Bê tông nhẹ)


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bê tông nhẹ (Light Weight Concrete - LWC)
trong xây dựng nói chung, xây dựng cầu đường và cầu đường sắt nói riêng đã được
ứng dụng tương đối nhiều trên thế giới, đặc biệt là tại Mỹ và châu Âu. Mỹ và châu Âu

đã có tiêu chuẩn tính tốn cho LWC. Các cơng trình cầu sử dụng bê tơng nhẹ có thể kể
đến là Cầu New Eidsvoll Sund ở Nauy (1992), cầu Grenland (1996), cầu Lewis &
Clark (1996) Mỹ… Việc sử dụng bê tông nhẹ làm kết cấu mặt cầu trong thiết kế mới
hay sửa chữa nâng cấp các cầu cũ đã được thực hiện tương đối nhiều ở Mỹ, có thể kể
đến cầu Coleman, cầu Jame River, cầu Woodrow Wilson....
Thực tế áp ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các cơng trình ở các nước trên
thế giới cho thấy các ưu điểm nổi bật như: Giảm trọng lượng bản thân của kết cấu cầu,
do đó nâng cao năng lực khai thác của hoạt tải; Giảm chi phí cẩu lắp và vận chuyển
các cấu kiện đúc sẵn do trọng lượng kết cấu được giảm bớt. Điều này thuận tiện cho
thi công lao lắp và giảm giá thành xây dựng. Tăng độ bền của kết cấu do dính kết giữa
cốt liệu và đá xi măng tốt; Giảm được hiệu ứng tập trung ứng suất thường được tạo ra
xung quanh các hạt cốt liệu đối với bê tông thường. Giảm các đường nứt vi mơ do co
ngót và từ biến gây ra. Tăng độ bền của bê tông do giảm được các đường nứt vi mô;
Cải thiện khả năng chống thấm nhập của các ion clo. Minh chứng về hàm lượng ion
Cl- sau 23 năm khai thác của các nhà nghiên cứu của Mỹ cho thấy: Theo khi chiều dày
lớp bê tông tăng lên hàm lượng ion Cl- giảm đi so với bê tông thường
Hiện nay ở Việt Nam, việc ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các cơng trình
nhà cửa đã được thực hiện tương đối nhiều; bước đầu đã có các nghiên cứu ứng dụng
trong xây dựng giao thông, đặc biệt là xây dựng các bộ phận kết cấu cầu. Một số cơng
trình điển hình như Khách sạn Fortuna Hà nội, Trung thâm thể thao Long Biên hay Hà
nội Club do công ty Cổ phần sản xuất bê tông nhẹ Thiên Giang thực hiện. Công trình
nhà 7 tầng nhà số 132 Khuất Duy Tiến; nhà 6 tầng số 130 phố Giảng Võ; khách sạn 11
tầng phố Hàng Thùng; sàn 200 m 2 nhà hàng Xanh Plat số 10 Phạm Ngọc Thạch… do
Công ty Xây dụng và Phát triển hạ tầng Đô thị Hà Nội (CiCo) thực hiện. Các kết quả
thu được rất khả quan và được Bộ Xây dựng đánh giá rất cao. Tuy nhiên trong ngành
xây dựng giao thơng nói chung, xây dựng kết cấu cơng trình cầu nói riêng thì đây cịn
là vấn đề cần được nghiên cứu áp dụng.
Thiết kế thành phần cấp phối của bê tơng nhẹ và thí nghiệm xác định các đặc
trưng cơ lý của bê tông nhẹ đã được nhiều nghiên cứu đề cập. Các kết quả đã cho thấy
nhưng điểm giống và khác biệt của bê tông nhẹ so với bê tông thường cùng cấp cường

độ chịu


nén. Tuy vậy, độ bền lâu của bê tông nhẹ, của kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông
nhẹ vẫn là câu hỏi cần được trả lời, đặc biệt là với các loại bê tông nhẹ được sản xuất
trong điều kiện Việt Nam và các kết cấu sử dụng bê tơng nhẹ khai thác trong điều kiện
khí hậu thời tiết ở Việt Nam.
Đánh giá độ bền của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ đã được một số
nghiên cứu trên thế giới thực hiện. Về nguyên tắc, các phương pháp đo đạc đánh giá
tính thấm nước, thấm clo của bê tông nhẹ cũng như dự đốn tuổi thọ các kết cấu bê
tơng cốt thép sử dụng bê tông nhẹ được thực hiện giống như đối với bê tông thường.
Tuy vậy, các kết quả thu được độ phân tán lớn, nguyên nhân chính là do thành phần
cốt liệu khác nhau, tuổi bê tông khác nhau, dạng mẫu và phương pháp thí nghiệm khác
nhau.
Đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê
tông nhẹ hiện là một vấn đề rất mới ở Việt Nam; đặc biệt là có xét đến ảnh hưởng của
yếu tố tải trọng. Cho đến nay chưa có một nghiên cứu nào thực hiện về vấn đề này.
Cần thiết phải có các nghiên cứu đánh giá độ bền lâu của kết cấu bê tông nhẹ nhằm bổ
sung cơ sở dữ liệu cho công tác thiết kế của các kết cấu bê tông nhẹ sử dụng trong xây
dựng dân dụng và xây dựng giao thông. Từ các kết quả thí nghiệm đánh giá độ thấm
nước và thấm ion clo của bê tơng nhẹ, có thể xây dựng các mơ hình dự báo tuổi thọ
các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ theo tiêu chí ăn mịn cốt thép.
Từ những địi hỏi cấp thiết và ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất được mơ
hình đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm của bê tông cốt liệu nhẹ và ứng
dụng trong dự báo tuổi thọ cơng trình bằng bê tơng cốt thép nói chung và các cơng
trình cầu nói riêng, đặc biệt là phù hợp với triết lý thiết kế cầu theo xác suất của tiêu
chuẩn thiết kế cầu Việt Nam, đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu độ bền thấm nước và
thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu”
được lựa chọn làm đề tài luận án.
Nội dung luận án gồm 4 chương, mở đầu, kết luận và kiến nghị

- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ, các nghiên cứu liên quan đến độ
bền của bê tông cốt liệu nhẹ và các kết cấu sử dụng bê tơng cốt liệu nhẹ.
- Chương 2: Thí nghiệm phân tích độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông
cốt liệu nhẹ.
- Chương 3: Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ của kết cấu sử dụng bê tơng cốt
liệu nhẹ.
- Chương 4: Tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ có
xét đến ảnh hưởng đồng thời của hiệu ứng tải trọng và tác động của môi trường.


- Kết luận và kiến nghị
2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN
Mục tiêu của luận án là:
- Xác định đặc tính độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ.
- Xây dựng các mơ hình tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu
nhẹ.
- Đánh giá tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ.
3. ĐỐI TƯỢNG VA PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit và các kết cấu sử
dụng loại bê tơng cốt liệu nhẹ này.
Các đặc tính bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ và tuổi thọ
kết cấu bê tông cốt liệu nhẹ.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Luận án chỉ tập trung nghiên cứu vấn đề tác động ăn mịn thép của ion clo, khơng
đề cập đến ăn mịn bê tơng của sunphat.
Nghiên cứu các đặc tính bền của bê tơng cốt liệu nhẹ được sản xuất trong điều
kiện Việt Nam: khả năng chống thấm nước, thấm ion clo trong điều kiện nhiệt độ, độ
ẩm và thời gian theo quy định của các tiêu chuẩn thí nghiệm.

Dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tơng cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp tổng hợp, phân tích và so sánh.
- Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết
hợp với thực nghiệm. Sử dụng các lý thuyết tiên tiến về độ bền của bê tông để xác
định các tương quan (công thức) thực nghiệm và triển khai nghiên cứu thực nghiệm
với vật liệu và kết cấu bê tông cốt liệu nhẹ để kiểm chứng.
- Mơ hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép sử dụng bê
tông cốt liệu nhẹ.
5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚİ CỦA LUẬN ÁN
- Luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm, phân tích tính thấm nước
và thấm ion clo qua bê tông cốt liệu nhẹ C30 chịu ảnh hưởng của tải trọng.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng cấp tải trọng nén thì độ thấm nước của
bê tơng tăng đáng kể; đặc biệt sau khi trong bê tông bắt đầu có thay đổi cấu trúc rỗng
do


tác động của tải trọng nén trước hoặc nén trực tiếp. Một mơ hình thí nghiệm thấm
nước có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên
các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến
để q trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình khống chế tải trọng và ghi
nhận số liệu hoàn toàn tự động.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng đáng kể của tải trọng nén đến độ thấm
ion clo của bê tơng cốt liệu nhẹ. Một mơ hình thí nghiệm thấm ion clo có xét đến tải
trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên
cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để quá trình đo đạc
được thuận lợi hơn, đặc biệt là q trình kiểm sốt lực nén trong bê tơng cốt liệu nhẹ.
- Luận án đã đề xuất được mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion clo và hệ số
thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ. Xác định được hệ số C k để tính tốn hệ số khuếch
tán ion clo từ hệ số thấm nước của cùng loại bê tơng cốt liệu nhẹ. Từ đó đề xuất cơng

thức tính tốn quan hệ giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tông
cốt liệu nhẹ có xét đến ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông cho loại bê tông cốt liệu
nhẹ xem xét.
- Luận án xây dựng được mơ hình tính tốn dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết
cấu công trình bê tơng cốt liệu nhẹ trong điều kiện Việt Nam có xét đến ảnh hưởng của
tải trọng thường xuyên và tải trọng khai thác.


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU
LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ
1.1. BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ VÀ ỨNG DỤNG
1.1.1. Đặc điểm chung của bê tông cốt liệu nhẹ
Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [41] bê tông cốt liệu nhẹ có khối lượng
thể tích nhỏ hơn 2.000kg/m3 và cường độ chịu nén dao động từ 8 - 80MPa (mẫu trụ).
Bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực theo ACI 213R-03 [25] là bê tơng có khối lượng thể tích
từ 1.120 - 1.920kg/m3 và cường độ chịu nén ngày 28 ngày tối thiểu là 17MPa. Có thể
thấy rằng, khi khối lượng thể tích giảm từ 2.400kg/m3 trong bê tơng truyền thống
xuống cịn 1.900kg/m3 đối với bê tơng cốt liệu nhẹ thì có thể giảm bớt trọng lượng bản
thân của kết cấu một cách đáng kể, giúp tiết kiệm được cốt thép và cốt thép dự ứng
lực, giảm chi phí xây dựng.

Hình 1.1 - Vật liệu bê tông cốt liệu nhẹ
Nếu sử dụng trong cơng trình cầu, tĩnh tải bản thân của kết cấu giảm cho phép
vượt khẩu độ dài hơn, sử dụng các loại trụ và nền móng đơn giản và giảm tiết diện bề
mặt của cấu kiện dầm. Ngoài ra, việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong sửa chữa và
cải tạo cầu thường làm tăng khả năng chịu tải trọng động của các kết cấu cầu cũ. Ví dụ
cầu Greenland được xây dựng bằng bê tông cốt liệu nhẹ từ năm 1996.

Nhìn chung, bê tơng được xem là nhẹ khi có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2000
kg/m3. Việc giảm khối lượng thể tích của bê tơng được thực hiện bằng cách thay thế
một lượng vật liệu rắn trong bê tông bằng khơng khí. Việc tăng hàm lượng khí (lỗ
rỗng) trong bê tông sẽ song hành với việc giảm cường độ của vật liệu.
Có 3 cách để đưa khơng khí vào bê tơng:
- Trong vữa (bê tơng khí hay bê tơng bọt)
- Giữa các hạt cốt liệu lớn (bê tông cấu tạo hốc hoặc bê tơng khơng có cát)
- Bên trong cốt liệu (bê tơng cốt liệu nhẹ).
Bê tơng nhẹ có thể phân loại theo mục đích sử dụng như sau:
- Bê tơng nhẹ chịu lực: có khối lượng thể tích từ 1400 - 1800 kg/m3 và cường độ
chịu nén từ 15 - 40 MPa
- Bê tông nhẹ chịu lực - cách nhiệt: có khối lượng thể tích từ 500 - 1400 kg/m3 và
cường độ chịu nén từ 3,5-10 MPa
- Bê tơng nhẹ cách nhiệt: có khối lượng thể tích từ 300 - 500 kg/m3
Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-2013 [30] bê tơng nhẹ có thể được phân loại
theo khối lượng thể tích (Bảng 1.1) hay theo cấp cường độ chịu nén (Bảng 1.2)
Bảng 1.1 - Phân loại bê tông nhẹ theo khối lượng thể tích theo EN 206-2013