Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Lê Ngọc Lan

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ
TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CỐT LIỆU NHẸ TÁI CHẾ TỪ PHẾ THẢI
PHÁ DỠ CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 9580201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – Năm 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Lê Ngọc Lan

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ
TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CỐT LIỆU NHẸ TÁI CHẾ TỪ PHẾ THẢI
PHÁ DỠ CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 9580201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Hùng Phong

Hà Nội – Năm 2022


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Hà Nội, ngày

tháng năm

2022

TÁC GIẢ LUẬN ÁN


ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới
thầy hướng dẫn Luận án tiến sỹ: PGS.TS Nguyễn Hùng Phong đã tận tình
hướng dẫn, cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên,
tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu, hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học của tác giả.

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cơ Bộ mơn Cơng trình Bê
tơng cốt thép trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã có nhiều giúp đỡ, góp ý
xác đáng và quý báu cho tác giả trong q trình hồn thiện luận án. Cảm ơn
Phịng Thí nghiệm và Kiểm định Cơng trình LAS-XD125, Khoa Xây dựng
dân dụng và cơng nghiệp, Phịng Quản lý đào tạo nơi tác giả nghiên cứu và
hoàn thành luận án.
Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn những người thân trong gia đình
đã động viên, khích lệ, chia sẻ những khó khăn với tác giả trong q trình
thực hiện luận án.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2022

TÁC GIẢ LUẬN ÁN


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................ii
MỤC LỤC.......................................................................................................iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................vi
DANH MỤC KÝ HIỆU..................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.........................................................xii
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU...................................................6
1.1. Tổng quan về bê tông nhẹ.......................................................................6
1.1.1. Khái niệm về bê tông nhẹ...................................................................6
1.1.2. Các loại cốt liệu nhẹ............................................................................9
1.1.3. Các đặc trưng cơ học của bê tông nhẹ..............................................15
1.2. Sự làm việc dầm bê tơng nhẹ khi chịu uốn...........................................20
1.2.1. Mơ hình vật liệu................................................................................20
1.2.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn cấu kiện chịu uốn bê tông nhẹ..................30
1.3. Định hướng nghiên cứu của luận án.....................................................38
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CƠ
LÝ CỦA BÊ TÔNG NHẸ CHẾ TẠO TỪ CỐT LIỆU NHẸ TÁI CHẾ TỪ
PHẾ THẢI XÂY DỰNG................................................................................39
2.1. Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo bê tông nhẹ từ phế thải xây dựng 39
2.1.1. Xây dựng thành phần cấp phối theo phương pháp thực nghiệm 39
2.1.2. Tiến hành nghiên cứu, khảo sát thành phần cấp phối.......................46
2.1.3. Nhận xét kết quả...............................................................................48


iv

2.2. Xác định ảnh hưởng của thành phần hạt nhẹ đến cường độ của bê tông
nhẹ52
2.2.1. Ảnh hưởng của thành phần hạt đến tính cơng tác của hỗn hợp bê tông
..................................................................................................................... 53
2.2.2. Ảnh hưởng của thành phần hạt đến khối lượng thể tích của hỗn hợp
bê tơng 54
2.2.3. Ảnh hưởng của thành phần hạt đến cường độ chịu nén của bê tông nhẹ .
55
2.3. Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các tính chất cơ lý của bê tơng nhẹ
chế tạo từ cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải phá dỡ cơng trình xây dựng.......57

2.3.1. Khối lượng thể tích của bê tơng........................................................57
2.3.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo và mô
đun đàn hồi của bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế.........................59
2.3.3. Quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái
chế
..................................................................................................................... 77
2.4. Nghiên cứu thực nghiệm quan hệ lực dính – độ trượt bê tông nhẹ sử
dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế........................................................................81
2.5. Nhận xét chương 2................................................................................90
3.1. Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của dầm bê tông nhẹ sử dụng hạt
cốt liệu nhẹ tái chế cốt thép.........................................................................94
3.1.1. Mục tiêu nghiên cứu..........................................................................94
3.1.2. Thiết kế mơ hình thí nghiệm..............................................................94
3.1.3. Khảo sát kết quả thực nghiệm..........................................................106
3.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn dầm bê tơng nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái
chế chịu uốn...............................................................................................119
3.2.1. Mômen kháng nứt của dầm bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế
................................................................................................................... 119


v

3.2.2.Mô men giới hạn của dầm bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế.
121
3.2.3. Khoảng cách vết nứt của dầm bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái
chế cốt thép khi chịu uốn theo trạng thái giới hạn thứ II...........................122
3.3. Mô phỏng số sự làm việc của dầm bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ
tái chế cốt thép...........................................................................................125
3.3.1. Lý thuyết sử dụng phần mềm..........................................................125
3.3.2. Mơ hình vật liệu bê tơng và cốt thép...............................................126

3.3.3.Mơ phỏng số dầm bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế nghiên
cứu
............................................................................................................... 127
3.4. Kiểm chứng kết quả tính tốn theo mơ hình lý thuyết, kết quả mơ phỏng
số với kết quả thực nghiệm........................................................................128
3.4.1. So sánh kết quả nghiên cứu tính tốn lý thuyết, kết quả nghiên cứu
theo mô phỏng số Response 2000 và theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm
129
3.4.2. So sánh kết quả tính tốn theo các tiêu chuẩn và kết quả thực nghiệm
khoảng cách giữa các vết nứt........................................................................131
3.5. Nhận xét chương 3..............................................................................132
KẾT LUẬN...................................................................................................134
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.............................................136
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................137
PHỤ LỤC 1..................................................................................................PL1
PHỤ LỤC 2..................................................................................................PL6
PHỤ LỤC 3..................................................................................................PL9


vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
I. TIẾNG VIỆT
BTCT

Bê tông cốt thép

BTN

Bê tông nhẹ

BTT
BTNCLNTC

Bê tông nặng thông thường

CKD

Bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế
Chất kết dính

CLN

Cốt liệu nhẹ

CLNTC
FA
KLTT
LT
PTXD

Cốt liệu nhẹ tái chế
Tro bay
Khối lượng thể tích
Lý thuyết
Phế thải xây dựng

SD

Siêu dẻo

TB

Trung bình

TCVN
TN

Tiêu chuẩn Việt Nam
Thực nghiệm

II. TIẾNG ANH
ACI

American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ)

BS

British Standard Institution (Viện Tiêu chuẩn Anh)

EC

Eurocode

MC

Model Code


DANH MỤC KÝ HIỆU

N/X

Tỷ lệ nước / xi măng

N/CKD

Tỷ lệ nước / chất kết dính

�#$% /�'

Tỷ lệ thể tích cốt liệu nhẹ / thể tích bê tơng

�# /

Tỷ lệ thể tích cát / cốt liệu

#$

Hạt S2

Hạt cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải phá dỡ cơng trình có
đường kính từ 4 - 8 mm

Hạt S3

Hạt cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải phá dỡ cơng trình có
đường kính từ 8 - 16 mm

�)

Khối lượng thể tích khơ của bê tông, kg/m3

Ec

Mô đun đàn hồi của bê tông, MPa

Es

Mô đun đàn hồi của cốt thép, MPa

�)

Cường độ chịu nén, MPa

fct

Cường độ chịu kéo dọc trục, MPa

fr

Cường độ chịu kéo khi uốn, MPa

fct,sp

Cường độ chịu ép chẻ (kéo bửa), MPa

fctm

Cường độ chịu kéo trung bình của bê tơng

�

Lực bám dính, MPa

�

Lực bám dính trung bình của bê tơng, MPa

c

Chiều dày lớp bê tơng bảo vệ nhỏ nhất

Ф

Đường kính cốt thép.

�-

Hệ số kể đến sự phân bố không đều biến dạng tương đối
của cốt thép chịu kéo giữa các vết nứt

Wpl

Mômen kháng uốn đàn dẻo của tiết diện đối với thớ bê tông
chịu kéo ngồi cùng

�
�)0)

-

Mơ men bắt đầu gây chảy dẻo cốt thép trong dầm
Mômen kháng nứt của tiết diện


�1

Mômen giới hạn của dầm bê tông cốt thép

�-

Ứng suất của cốt thép

�)

Ứng suất nén của bê tông

�)

Biến dạng của bê tông khi chịu nén

�)4

Biến dạng của bê tông khi chịu nén tương ứng với ứng suất
lớn nhất �)5

�)1

Biến dạng của bê tông vùng nén đạt trạng thái cực hạn

�)6

Biến dạng kéo trong bê tông

�-

Biến dạng tương đối của cốt thép

�0

Bề rộng vết nứt

�0

Khoảng cách giữa các vết nứt

1
�

Độ cong của dầm

Act,ef

Tiết diện ngang chịu kéo hiệu quả

P

Tải trọng phá hoại mẫu

F

Diện tích tiết diện ngang của mẫu

� )6, �))

lần lượt là hợp lực của bê tông vùng nén và vùng kéo

�-6

Hợp lực của cốt thép vùng kéo

�-6

Ứng suất chịu kéo của cốt thép

�-<

biến dạng trung bình của cốt thép chịu kéo

�)<

biến dạng trung bình của bê tơng giữa hai khe nứt

�-,)0)
nứt x
� -6

Ứng suất cốt thép tại vị trí có khe
Vị trí trục trung hồ
Tổng diện tích cốt thép chịu kéo

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng phân loại bê tông nhẹ theo mục đích sử dụng.........................7
Bảng 1.2. Phân loại bê tơng nhẹ theo khối lượng thể tích theo EN 206-2013.....7
Bảng 1.3. Phân loại bê tông nhẹ theo cấp cường độ chịu nén theo EN 206-2013. 7
Bảng 1. 4. Phân loại bê tông nhẹ theo ACI 213R-87........................................8
Bảng 1. 5. Hệ số tương ứng trong biểu đồ lực dính - độ trượt của BTN........28
Bảng 2. 1. Độ nén dập của hạt cốt liệu..........................................................41
Bảng 2. 2. Cấp phối sơ bộ...............................................................................43
Bảng 2. 3. Cấp phối sau khi điểu chỉnh tỷ lệ...................................................46
Bảng 2. 4. Bảng Cấp phối BTCLNTC không sử dụng phụ gia siêu dẻo và kết
quả nén mẫu thí nghiệm..................................................................................47
Bảng 2. 5. Bảng cấp phối BTNCLNTC có sử dụng phụ gia siêu dẻo và kết quả
nén mẫu thí nghiệm.........................................................................................48
Bảng 2. 6. Thành phần cấp phối và kết quả thí nghiệm tương ứng.................52
Bảng 2. 7 Cấp phối hỗn hợp bê tông nhẹ sử dụng đúc mẫu............................57
Bảng 2. 8. Kết quả thí nghiệm KLTT của BTNCLNTC.................................58
Bảng 2. 9. Giá trị cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm nhóm mẫu M1.....61
Bảng 2. 10. Giá trị cường độ chịu nén của nhóm mẫu M2.............................61
Bảng 2. 11. Giá trị cường độ chịu nén của nhóm mẫu M3.............................62
Bảng 2. 12. Cường độ chịu nén và KLTT khô của BTNCLNTC tương ứng các
mẫu cấp phối...................................................................................................63
Bảng 2. 13. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo với nhóm mẫu M1.........66
Bảng 2. 14. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo với nhóm mẫu M2.........67
Bảng 2. 15. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo với nhóm mẫu M3.........67
Bảng 2. 16. Bảng so sánh giá trị cường độ chịu kéo khi ép chẻ thực nghiệm và
tính tốn lý thuyết............................................................................................68

Bảng 2. 17. Bảng so sánh giá trị cường độ chịu kéo khi ép chẻ thực nghiệm và
tính tốn lý thuyết theo (2.1)...........................................................................70
Bảng 2. 18. Tỷ số giữa cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu kéo khi ép
chẻ γ 70 Bảng 2. 19. Giá trị mô đun đàn hồi của nhóm mẫu M1...................73
Bảng 2. 20. Giá trị mơ đun đàn hồi của nhóm mẫu M2..................................73
Bảng 2. 21. Giá trị mô đun đàn hồi của mẫu cấp phối M3.............................74
Bảng 2. 22. Bảng so sánh giá trị mô đun đàn hồi thực nghiệm và tính tốn lý thuyết
..................................................................................................................... 74
Bảng 2. 23. Bảng so sánh giá trị mô đun đàn hồi thực nghiệm và tính tốn lý
thuyết theo (2.3)..............................................................................................76
Bảng 2. 24. Trị số thực nghiệm biến dạng εc1 của BTNCLNTC khi chịu nén
..................................................................................................................... 79
Bảng 2. 25. Bảng giá trị s1, s2, τmax, τf , τph xác định từ kết quả thực
nghiệm tương ứng...........................................................................................86
Bảng 2. 26. Các giá trị xác định s1, s2, τmax, τf...............................87
Bảng 2. 27. Các giá trị τmax, τf theo kết quả thực nghiệm và theo lý thuyết 88
Bảng 2. 28. Các giá trị lực dính τ theo khối lượng thể tích............................90

Bảng 3. 1. Cấp phối hỗn hợp bê tông nhẹ sử dụng đúc mẫu...........................96
Bảng 3. 2. Khối lượng thể tích bê tơng nhẹ cốt liệu nhẹ tái chế.....................97
Bảng 3. 3. Tính chất cơ lý của các mẫu cấp phối lựa chọn.............................97
Bảng 3. 4. Cấp phối bê tông nặng thơng thường đối chứng............................97
Bảng 3. 5. Thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông thông thường............98
Bảng 3. 6. Đặc trưng cơ học của cốt thép.......................................................99
Bảng 3. 7. Số lượng dầm thí nghiệm.............................................................100
Bảng 3. 8. Các giá trị mơmen và độ võng tương ứng...................................110


Bảng 3. 9. Khoảng cách trung bình giữa các vết nứt (đoạn chịu uốn thuần tuý
400mm) theo các cấp phối bê tông tương ứng..............................................115

Bảng 3. 10. Bảng so sánh kết quả độ võng theo phương pháp mô phỏng phần
mềm và theo phương pháp thực nghiệm.......................................................130
Bảng 3. 11. Bảng so sánh kết quả mômen tương ứng mỗi giai đoạn theo
phương pháp mơ phỏng phần mềm, theo lý thuyết tính tốn và theo phương
pháp thực nghiệm..........................................................................................131
Bảng 3. 12. Bảng so sánh kết quả khoảng cách lớn nhất giữa các vết nứt theo lý
thuyết tính tốn và khoảng cách trung bình giữa các vết nứt theo thực nghiệm
132


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Một số loại cốt liệu tự nhiên [61]....................................................10
Hình 1.2. Một số loại cốt liệu nhẹ nhân tạo [61].............................................12
Hình 1.3. Quy trình cơng nghệ sản xuất sản phẩm hạt nhẹ từ PTXD.............13
Hình 1.4. Cấu trúc rỗng xốp của hạt cốt liệu nhẹ từ PTXD............................13
Hình 1.5. Mối quan hệ ứng suất/ cường độ và biến dạng của các loại bê tông
nặng thông thường và BTN [38].....................................................................21
Hình 1.6. Biểu đồ ứng suất và biến dạng của bê tơng nén..............................22
Hình 1. 7. Biểu đồ ứng suất và biến dạng của bê tông nén theo TCVN 5574:2018
..................................................................................................................... 23
Hình 1.8. Mối quan hệ ứng suất - biến dạng của BTN khi tính tốn theo DIN
4219 T.2...........................................................................................................24
Hình 1.9. Giản đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của BTN khi phân tích kết
cấu theo ENV 1992-1-1..................................................................................25
Hình 1.10. Biểu đồ ứng suất - biến dạng hai đoạn thẳng tuyến tính để thiết kế
các tiết diện của BTN theo ENV 1992-1-1....................................................25
Hình 1.11. Biểu đồ ứng suất - biến dạng chung cho bê tơng khi nén, được sử
dụng để tính tốn [ 51]....................................................................................26
Hình 1.12. Mối quan hệ ứng suất - độ trượt theo CEB-FIP [ 51]...................28
Hình 1.13. Mối quan hệ ứng suất - độ trượt của bê tơng siêu nhẹ [43]..........30

Hình 1.14. Sơ đồ ứng suất biến dạng tại tiết diện chưa nứt theo tiêu chuẩn
TCVN 5574:2018............................................................................................31
Hình 1.15. Sơ đồ ứng suất – biến dạng trên tiết diện thẳng góc hình thành khe
nứt theo EN 1992-1-1......................................................................................32
Hình 1.16. Sơ đồ ứng suất – biến dạng phương pháp vùng nén quy đổi chữ nhật
. 34 Hình 1.17. Sơ đồ tính Mơmen giới hạn theo EC2....................................34
Hình 1. 18. Quan hệ mơmen M- độ cong (1/r) theo tiêu chuẩn MC 1990.....36


Hình 1. 19. Tiết diện ngang chịu kéo hiệu quả Act,ef trong cấu kiện chịu uốn 37
Hình 2. 1. Mẫu hạt CLN tái chế từ PTXD......................................................40
Hình 2. 2. Độ hút nước của hạt CLN từ PTXD...............................................40
Hình 2. 3. Trộn hỗn hợp bê tông và hỗn hợp bê tông sau khi trộn..................44
Hình 2. 4. Đo độ sụt của hỗn hợp bê tơng.......................................................44
Hình 2. 5. Bê tơng sau khi đổ khn 1 ngày trước và sau khi tháo khn.....45
Hình 2. 6. Thí nghiệm nén mẫu bê tơng..........................................................45
Hình 2. 7. Hỗn hợp bê tơng sau khi trộn rời rạc chưa đảm bảo tính cơng tác...46
Hình 2. 8. Hình dạng mẫu sau khi nén vỡ.......................................................49
Hình 2. 9. Hình dạng bên trong sau khi xẻ mẫu..............................................49
Hình 2. 10. Biểu đồ quan hệ VCLN/Vb và cường độ chịu nén của bê tơng......50
Hình 2. 11. Biểu đồ quan hệ VCLN/Vb và cường độ nén của bê tơng...............50
Hình 2. 12. Biểu đồ quan hệ N/CKD và cường độ nén của bê tơng...............51
Hình 2. 13. Biểu đồ quan hệ N/CKD và cường độ chịu nén của bê tơng.......51
Hình 2. 14. Biểu đồ sự phát triển cường độ chịu nén theo thời gian..............51
Hình 2. 15. Ảnh hưởng của tỷ lệ VCLN/Vb đến độ sụt của hỗn hợp bê tơng....53
Hình 2. 16. Ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu nhẹ đến khối lượng thể tích của bê
tơng cốt liệu nhẹ..............................................................................................54
Hình 2. 17. Ảnh hưởng khối lượng thể tích của bê tơng nhẹ đến cường độ chịu
nén của bê tông nhẹ (a. 100% hạt S2; b. 45% hạt S2 và 55% hạt S3;............55
Hình 2. 18. Ảnh hưởng tỷ lệ CLN có trong hỗn hợp BTN đến cường độ chịu

nén của BTN (a, 100% hạt S2; b, 45% hạt S2 và 55% hạt S3; c, 100% hạt S3)
..................................................................................................................... 56
Hình 2. 19. Thí nghiệm nén mẫu bê tơng........................................................59
Hình 2. 20. Mẫu lập phương 15x15x15 cm....................................................60
Hình 2. 21. Mẫu trụ 15x30 cm........................................................................60


Hình 2. 22. Hình ảnh mẫu trụ sau khi bị phá hoại...........................................60
Hình 2. 23. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và khối lượng thể tích khơ của
BTNCLNTC....................................................................................................64
Hình 2. 24. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn.......................................64
Hình 2. 25. Mẫu lăng trụ kích thước 10x10x40cm.........................................65
Hình 2. 26. Mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn sau khi bị phá hoại.
65 Hình 2. 27. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ..............................65
Hình 2. 28. Mẫu trụ 15x30 cm........................................................................66
Hình 2. 29. Mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ sau khi bị phá hoại
..................................................................................................................... 66
Hình 2. 30. Quan hệ cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi ép chẻ theo
giá trị thực nghiệm và theo lý thuyết tính tốn...............................................69
Hình 2. 31. Bố trí dụng cụ và thiết bị đo.........................................................72
Hình 2. 32. Quan hệ ứng suất – biến dạng tới 40% cường độ của các mẫu thí
nghiệm thuộc nhóm mẫu M1; M2; M3...........................................................73
Hình 2. 33. Quan hệ cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi theo giá trị thực
nghiệm và theo lý thuyết tính tốn..................................................................75
Hình 2. 34. Tem điện trở đo biến dạng bê tơng...............................................77
Hình 2. 35. Hệ thống điều chỉnh tải trọng và tốc độ nén (theo chuyển bị và lực)
..................................................................................................................... 77
Hình 2. 36. Sử dụng máy nén thuỷ lực SANS 3000.......................................77
Hình 2. 37. Data loger ghi, xử lý dữ liệu........................................................78
Hình 2. 38. Gia tải đến khi mẫu thí nghiệm bị phá hoại.................................78

Hình 2. 39. Thí nghiệm đến khi mẫu bị nén vỡ phá hoại................................78
Hình 2. 40. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tơng tướng ứng với 3
nhóm mẫu M1, M2, M3..................................................................................78
Hình 2. 41. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của BTNCLNTC.............80


Hình 2. 42. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của BTNCLNTC dạng 2
đoạn thẳng.......................................................................................................80
Hình 2. 43. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của BTNCLNTC đề xuất 81
Hình 2. 44. Mơ hình thí nghiệm kéo xác định độ bám dính giữa bê tơng và cốt
thép..................................................................................................................82
Hình 2. 45. Sơ đồ khung gia tải.......................................................................82
Hình 2. 46. Mẫu thí nghiệm............................................................................83
Hình 2. 47. Thiết bị thí nghiệm.......................................................................83
Hình 2. 48. Mẫu thí nghiệm sau khi kéo tuột thép khỏi liên kết với bê tơng .
84 Hình 2. 49. Biểu đồ quan hệ lực dính – độ trượt của bê tơng tương ứng đến
khi mẫu bị kéo tuột thép hoàn toàn tương ứng với 3 nhóm mẫu cấp phối
BTNCLNTC M1; M2; M3..............................................................................84
Hình 2. 50. Quan hệ lực dính – độ trượt BTNCLNTC...................................85
Hình 2. 51. Quan hệ lực dính – độ trượt BTNCLNTC theo kết quả thực
nghiệm và theo lý thuyết tính tốn..................................................................87
Hình 2. 52. Sơ đồ tính tích phân chia nhỏ lực dính τ..............................88
Hình 3. 1. Mơ hình thí nghiệm........................................................................95
Hình 3. 2. Cấu tạo cốt thép dầm thí nghiệm....................................................99
Hình 3. 3. Lắp dựng dầm và thiết bị thí nghiệm...........................................100
Hình 3. 4. Sơ đồ bố trí dụng cụ đo biến dạng...............................................101
Hình 3. 5. Dùng thiết bị soi nứt quang học..................................................101
Hình 3. 6. Gắn kết thiết bị đo mở rộng vết nứt KG-1 và KG-2....................102
Hình 3. 7. Mơ hình bố trí dụng cụ đo............................................................103
Hình 3. 8. Đo chuyển bị tại 03 vị trí trên dầm (02 gối tựa dầm và tại giữa nhịp)

103 Hình 3. 9. Đo mở rộng vết nứt trên dầm theo tải trọng tác dụng...........103
Hình 3. 10. Strain gauge đo biến dạng của bê tông theo các cấp độ tải trọng 104


Hình 3. 11. Strain gauge Đo biến dạng của bê tơng theo các cấp độ tải trọng
104 Hình 3. 12. Data logger TDS 530 kết hợp với máy tính thu thập và xử lý
số liệu từ các dụng cụ đo chuyển vị, đo nứt và đo lực tác dụng...................104
Hình 3. 13. Thiết bị đo lực và gia tải.............................................................105
Hình 3. 14. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng dầm bê tơng cốt thép tương
ứng với nhóm dầm M1; M2; M3...................................................................107
Hình 3. 15. Các giai đoạn làm việc của dầm BTN CLNTC khi chịu uốn.....107
Hình 3. 16. Mẫu dầm bị phá hoại tại bê tơng vùng nén................................109
Hình 3. 17. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng dầm bê tơng cốt thép giữa các
nhóm dầm M3; BTT......................................................................................110
Hình 3. 18. Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng của cốt thép vùng chịu kéo
................................................................................................................... 112
Hình 3. 19. Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng của bê tông vùng chịu nén
................................................................................................................... 113
Hình 3. 20. Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng của cốt thép vùng chịu kéo
giữa các mẫu M3 và BTT..............................................................................114
Hình 3. 21. Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng của bê tông vùng chịu nén
giữa các mẫu M3 và BTT..............................................................................114
Hình 3. 22. Phân bố các vết nứt trong đoạn chịu uốn thuần tuý (400mm). . .115
Hình 3. 23. Phân bố các vết nứt trên dầm BTN và dầm BTT.......................117
Hình 3. 24. Biểu đồ quan tải trọng và bề rộng vết nứt tương ứng nhóm mẫu
M1; M2; M3..................................................................................................118
Hình 3. 25. Biểu đồ quan hệ tải trọng và bề rộng vết nứt.............................118
Hình 3. 26. Quy đổi diện tích cốt thép thành diện tích bê tơng.....................120
Hình 3. 27. Mơ hình ứng suất và biến dạng trước khi nứt của mặt cắt thẳng
góc dầm BTNCLNTC...................................................................................121

Hình 3. 28. Mặt cắt tiết diện thẳng góc của dầm chịu uốn với biểu đồ ứng suất
dạng BTN sử dụng CLNTC đề xuất..............................................................122
Hình 3. 29. Minh hoạ khoảng cách giữa các vết nứt.....................................123
Hình 3. 30. Mơ hình dàn với góc nghiêng 450.............................................. 126
Hình 3. 31. Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng BTNCLNTC................126
Hình 3. 32. Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng cốt thép.........................127
Hình 3. 33. Số liệu đầu vào dầm BTNCLNTC nghiên cứu..........................128
Hình 3. 34. Quan hệ tải trọng và độ võng theo phương pháp thực nghiệm và
theo phương pháp mô phỏng phần mềm.......................................................130


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Bê tông nhẹ là một vật liệu xây dựng hiện đang được sử dụng phổ biến
trong xây dựng cơ bản ở nhiều nước tiên tiến trong khu vực và trên thế giới.
Chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: làm khung, sàn,
tường cho các nhà cao tầng, dùng trong các kết cấu vỏ mỏng, tấm cong, trong
cấu tạo các cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn... Sử dụng BTN trong cơng trình
xây dựng mang lại lợi ích kinh tế - kỹ thuật to lớn: Giảm tải cho cơng trình,
dẫn tới giảm kinh phí xử lý nền móng và hệ thống kết cấu của cơng trình.
Bên cạnh đó, tốc độ cơng nghiệp hóa nước ta diễn ra nhanh chóng.
Trung bình hàng năm, mỗi đơ thị lại có hàng ngàn nhà ở của các hộ dân và
hàng trăm cơng trình cơng cộng được xây dựng. Tương ứng với đó, mỗi năm
có hàng vạn m3 rác thải xây dựng được thải ra khơng được xử lý gây ơ nhiễm
mơi trường.
Do đó, việc nghiên cứu khả năng tái chế và ứng dụng chất thải này

đang được rất nhiều nước và các nhà khoa học quan tâm. Sản phẩm thu được
từ quá trình xử lý PTXD là các hạt cốt liệu rỗng, nhẹ có thể được dùng để chế
tạo BTN. Mặt khác nó cũng góp phần làm giảm đi việc sử dụng các nguyên
liệu tự nhiên – nguồn tài nguyên thiên nhiên đang ngày càng cạn kiệt để chế
tạo nguyên vật liệu cho ngành xây dựng.
Việc nghiên cứu chế tạo hạt CLN từ phế thải phá dỡ cơng trình xây
dựng và ứng dụng của nó trong chế tạo BTN là cơng nghệ mới, hiện chưa có
nhiều cơng trình nghiên cứu tại Việt Nam. Do vậy, trong luận án này Nghiên
cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của

dầm bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải phá dỡ cơng
trình xây dựng”.
2. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu


2

Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là chế tạo và xác định các đặc
trưng cơ lý của BTNCLNTC từ phế thải phá dỡ cơng trình xây dựng và đánh
giá ứng xử uốn của dầm BTN (cốt thép) sử dụng hạt CLNTC bao gồm khả năng
chịu uốn, mô men kháng nứt và khoảng cách vết nứt uốn.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu
Để đạt được mục đích trên, đề tài luận án cần thực hiện các mục tiêu sau:
• Xây dựng cấp phối phù hợp chế tạo BTNCLNTC với khối lượng thể tích
trong khoảng 1400 – 1800 kg/m3, cường độ chu nộn t t 15 ữ 35 MPa;
ã Xỏc nh và xây dựng cơng thức tính các đặc trưng cơ học của
BTNCLNTC như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi
và xây dựng quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu BTN;
• Xây dựng quan hệ lực dính – độ trượt của BTNCLNTC và cốt thép;

• Đánh giá ứng xử uốn của cấu kiện BTCT sử dụng hạt CLN chế tạo từ
PTXD thông qua khảo sát kết quả thực nghiệm về quan hệ tải trọng - độ
võng của dầm, quan hệ tải trọng - biến dạng cốt thép và quan hệ tải trọng biến dạng của bê tơng, sự phát triển các vết nứt.
• Đề xuất cơng thức tính tốn cấu kiện chịu uốn sử dụng BTNCLNTC từ kết
quả nghiên cứu thực nghiệm, bao gồm đề xuất mơ hình xác định khả năng
chịu lực, mơmen kháng nứt, và tính tốn khoảng cách vết nứt của dầm ở
trạng thái giới hạn II.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
• Vật liệu bê tơng có sử dụng hạt CLN tái chế từ PTXD
• Dầm BTNCLNTC có cốt thép, tiết diện chữ nhật, đặt cốt đơn.
3.2. Phạm vi nghiên cứu


3

Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo dầm BTNCLNTC chịu lực có khối
lượng thể tích trong khoảng 1400 – 1800 kg/m3 và có cường độ chịu nén trong
khoảng 15 - 35MPa.
Nghiên cứu đặc trưng cơ học của vật liệu BTNCLNTC, bao gồm cường
độ chịu kéo, mô đun đàn hồi và xây dựng quan hệ ứng suất - biến dạng của
vật liệu. Nghiên cứu ứng xử của dầm BTNCLNTC khi uốn dưới tác dụng
ngắn hạn của tải trọng, bao gồm mômen kháng nứt, khả năng chịu lực của
dầm và khoảng cách vết nứt của dầm ở trạng thái giới hạn II.
4. Cơ sở khoa học của luận án
Nội dung nghiên cứu dựa trên các cơ sở khoa học bao gồm:
Cơ sở lý thuyết về tính tốn về cấp phối chế tạo vật liệu bê tông sử
dụng hạt cốt liệu nhẹ;
Các phương pháp thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu
bê tông và kết cấu bê tông cốt thép;

Các nghiên cứu, hướng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật về vật liệu sử dụng
bê tông cốt liệu nhẹ;
Các lý thuyết tính tốn về kết cấu bê tơng cốt thép, bao gồm tiêu chuẩn
TCVN 5574:2018, tiêu chuẩn Châu Âu EC2, tiêu chuẩn ACI 318:19, tiêu
chuẩn CEB-FIP Model Code 2010 và các tiêu chuẩn, tài liệu có liên quan
khác.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp thực nghiệm từ
nghiên cứu các tính chất cơ lý của vật liệu đến nghiên cứu ứng xử của kết cấu.
Trong nghiên cứu này BTN được chế tạo từ hạt CLNTC với các cấp phối
khác nhau, tạo ra các khối lượng thể tích và cường độ khác nhau. Thơng qua
các mẫu bê tơng có thể đánh giá được các tính chất cơ lý của BTNCLNTC
như: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ chịu kéo khi ép
chẻ, mô đun đàn hồi, quan hệ ứng suất – biến dạng của BTNCLNTC khi nén.


4

Đồng thời, thơng qua thí nghiệm kéo tuột cốt thép ra khỏi BTN đã xác
định được lực dính và quan hệ lực dính – độ trượt giữa BTNCLNTC và cốt
thép. Sau đó, thí nghiệm uốn 06 mẫu dầm với các cường độ BTNCLNTC
khác nhau và 01 mẫu dầm BTT đối chứng.
Xuất phát từ các tính chất cơ lý nói trên và kết quả thí nghiệm các mẫu
dầm để đề xuất cơng thức tính tốn dầm BTNCLNTC cốt thép chịu uốn bao
gồm đề xuất công thức xác định khả năng chịu lực, mơmen kháng nứt, và tính
tốn khoảng cách vết nứt của dầm ở trạng thái giới hạn II.
6. Những đóng góp mới của luận án
Đã chế tạo được BTN sử dụng hạt CLNTC có KLTT từ 1400 đến 1800
kg/m3 với cường độ nén từ 15 đến 35 MPa, từ đó xây dựng được bộ dữ liệu
thí nghiệm về tính chất cơ lý của vật liệu.

Đã đề xuất được quan hệ ứng suất - biến dạng của BTN sử dụng hạt
CLNTC, cũng như quan hệ lực dính - độ trượt giữa BTN sử dụng hạt CLNTC
và cốt thép. Đây là các cơ sở cần thiết trong việc phân tích sự làm việc của kết
cấu BTCT sử dụng BTNCLNTC
Đã tiến hành thí nghiệm các mẫu dầm BTCT sử dụng BTNCLNTC, kết
hợp với việc phân tích số chứng minh được độ tin cậy của quan hệ ứng suất biến dạng, và các đặc trưng cơ lý của vật liệu. Đã đề xuất được tiêu chuẩn phù
hợp áp dụng cho tính tốn khoảng cách vết nứt trong dầm BTCT sử dụng
BTNCLNTC ở trạng thái giới hạn II.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, sử dụng các hạt CLNTC từ PTXD đã
chế tạo BTN có KLTT trong khoảng 1400 – 1800 kg/m3, cường độ chịu nén từ
15
– 35 MPa;
Kết quả thí nghiệm dầm BTNCLNTC (cốt thép) cho thấy việc ứng dụng
BTNCLNTC trong kết cấu chịu lực là khả thi - các cấu kiện bê tông nhẹ có khả


5

năng chịu lực tương đương dầm bê tông thường cùng cường độ và có bề rộng
khe nứt nhỏ hơn so với dầm bê tơng thường; Sản phẩm BTN có trọng lượng
khá thấp so với BTT nên khi sử dụng trong cơng trình xây dựng giúp giảm tải
trọng tác dụng lên cơng trình, cho phép giảm kích thước cột và móng, giúp
giảm chi phí tổng thể của cơng trình.
Việc tận dụng PTXD làm vật liệu đầu vào cho phép giảm giá thành chế
tạo hạt CLN và BTN; Việc sử dụng hạt CLN tái chế từ phế thải xây dựng góp
phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do PTXD gây ra, đồng thời, hạn
chế việc khai thác các nguồn tài ngun thiên nhiên có sẵn như cát, sỏi, núi đá
vơi… để làm vật liệu xây dựng.
8. Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị và các phụ lục, luận án được
bố cục thành 3 chương chính. Cấu trúc và nội dung luận án như sau:
Mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng phạm vi, phương
pháp nghiên cứu, những đóng góp mới và ý nghĩa.
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu
Chương 2: Nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính chất cơ lý của bê tông
nhẹ chế tạo từ cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải xây dựng
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông nhẹ sử
dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế
Kết luận: Nêu các kết luận, kiến nghị và hướng nghiên cứu tương lai.
Phụ lục.


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Trong chương này sẽ trình bày các nghiên cứu tổng quan trên thế giới
và trong nước về BTN, các loại CLN bao gồm CLN tự nhiên và CLN nhân
tạo, giới thiệu quy trình chế tạo CLNTC từ PTXD, trình bày tổng quan về các
đặc trưng cơ học chủ yếu của BTNCLNTC, mơ hình quan hệ ứng suất – biến
dạng của bê tông xi măng; quan hệ lực dính – độ trượt của cốt thép và bê tông
xi măng và sự làm việc của dầm BTN khi chịu uốn về khả năng chịu lực, mô
men kháng nứt và sự phân bố vết nứt trong dầm khi chịu uốn.
1.1. Tổng quan về bê tông nhẹ
1.1.1. Khái niệm về bê tông nhẹ
Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [45], BTN có khối lượng thể
tích nhỏ hơn 2000 kg/m3 và cường độ chịu nén dao động từ 8 – 80 MPa (mẫu
trụ). Bê tông nhẹ chịu lực theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [45], là bê
tơng có khối lượng thể tích từ 1120-1920kg/m 3 và cường độ chịu nén 28 ngày
tối thiểu là 17 MPa. Theo TCVN 9029:2017 [18] Bê tơng nhẹ là bê tơng có

khối lượng thể tích khơ nhỏ hơn 1800 kg/m3, bao gồm bê tơng cốt liệu nhẹ,
các loại bê tông tổ ong như bê tơng bọt, bê tơng khí khơng chưng áp, bê tơng
khí chưng áp AAC. Có thể thấy rằng, khi khối lượng thể tích giảm từ
2400kg/m3 trong bê tơng truyền thống xuống cịn 1900kg/m 3 đối với BTN thì
có thể giảm bớt trọng lượng bản thân của kết cấu một cách đáng kể, giúp tiết
kiệm được cốt thép, giảm chi phí xây dựng, giúp việc thiết kế cơng trình mềm
dẻo hơn và đem lại hiệu quả kinh tế cao. 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 và 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 tông cốt liệu nhẹ).