đáp ứng tải trọng va đập của kết cấu tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (13.99 MB, 193 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>
CHU THỊ HẢI VINH
<b>ĐÁP ỨNG TẢI TRỌNG VA ĐẬP CỦA KẾT CẤU TẤM LÀM BẰNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO </b>
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY
<b>HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY </b>
CHU THI HAI VINH
<b>RESPONSE OF PLATE STRUCTURE MADE OF HIGH PERFORMANCE CONCRETE SUBJECTED TO </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>
CHU THỊ HẢI VINH
<b>ĐÁP ỨNG TẢI TRỌNG VA ĐẬP CỦA KẾT CẤU TẤM LÀM BẰNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO </b>
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số chuyên ngành: 9580201
Phản biện độc lập: PGS. TS. Nguyễn Lan Phản biện độc lập: PGS. TS. Trần Tuấn Kiệt
Phản biện: PGS. TS. Lê Anh Thắng Phản biện: PGS. TS. Nguyễn Minh Long Phản biện: PGS. TS. Bùi Quốc Bảo
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. TS. Bùi Đức Vinh
2. GS. TSKH. Nguyễn Viết Tuệ
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">i
<b>LỜI CAM ĐOAN </b>
Tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án
Chu Thị Hải Vinh
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">ii
<b>TÓM TẮT </b>
Bê tơng tính năng siêu cao (UHPC) là vật liệu thế hệ mới với nhiều tính năng vượt trội về khả năng chịu lực siêu cao và rất bền với môi trường làm việc có yếu tố xâm thực mạnh. Các nội dung chính của nghiên cứu này là tiền đề cơ bản hướng đến các ứng dụng cho các công trình chịu tải trọng đặc biệt như tải trọng va đập, tải trọng nổ.
Công thức thành phần vật liệu UHPC được phát triển dựa trên nguồn nguyên liệu có sẵn trong nước. Cấp phối được tính tốn, lựa chọn tối ưu hóa bằng phương pháp độ chặt (packing density) và khảo sát thực nghiệm trên cả hai pha: cốt liệu và pha hồ. Pha cốt liệu bao gồm cát, đá nghiền CS-3, đá nghiền CS-5; pha hồ gồm có xi măng, silica fume, bột cát thạch anh và xỉ lò cao. Việc sử dụng xỉ lò cao với tỷ lệ 20% khối lượng xi măng đã giúp bê tông phát triển cường độ sớm với f<small>c_7d</small> xấp xỉ 90% f<small>c_28d</small>. Cường độ nén của mẫu đạt 130-150 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt 12÷29 MPa, cường độ chịu kéo trực tiếp đạt 7-8 MPa. Ngoài ra, vi cấu trúc của pha hồ cũng được quan sát bằng kính hiển vi điện tử ở các độ phân giải khác nhau và cấu trúc nhiều lớp của tinh thể C-S-H được nhìn thấy rõ hơn ở các độ phóng đại 10,000 lần và 15,000 lần. Kết quả của nghiên cứu này về phần vật liệu đã góp phần phát triển và tối ưu hóa thành phần bê tơng UHPC, việc sử dụng xỉ lò cao thay thế một phần bột cát thạch anh không những giúp nâng cao chất lượng của bê tơng mà cịn giúp giảm giá thành sản phẩm và giảm thiểu tác động tiêu cực đến mơi trường.
Chương trình khảo sát thực nghiệm để đánh giá các đặc trưng cơ học và tính chất của hỗn hợp UHPC được tiến hành trên các nhóm mẫu với các tỉ lệ sợi thép lần lượt 0%, 1.0%, 1.5%, 2.0% và 2.5% theo thể tích bê tơng. Các thí nghiệm nén dọc trục, thí nghiệm uốn dầm RILEM và thí nghiệm kéo trực tiếp đã được triển khai với tổng cộng hơn 120 mẫu các loại. Kết quả cho thấy cường độ chịu nén của các nhóm cấp phối khác nhau đạt khoảng 118÷151 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt 9÷29 MPa và cường độ chịu kéo trực tiếp đạt từ 7 ÷ 8 MPa. Việc tăng hàm lượng sợi thép trong các nhóm mẫu giúp tăng khả năng hấp thụ và lan truyền năng lượng trong bê tông cốt sợi.
Để đánh giá khả năng chịu lực va đập của tấm UHPC, khảo sát thực nghiệm với mơ hình thí nghiệm tấm UHPC có kích thước (50050080)mm với hàm lượng sợi thép tương
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">iii
ứng 1.0 %, 1.5 % và 2.0 % được thiết kế và chế tạo. Ứng xử của tấm khi chịu tải trọng va đập với vật nặng hình trụ trịn có khối lượng là 16kg, 25kg và 33kg. Các đại lượng gia tốc, biến dạng được đo đạc và quan sát trong suốt q trình thí nghiệm. Kết quả ghi nhận thể hiện vùng diện tích hấp thụ xung lực tăng lên, bề rộng vết nứt trên bề mặt tấm giảm dần khi tăng hàm lượng sợi và tăng cường độ chịu nén của bê tông. Có thể thấy rằng, sợi thép đóng vai trị quan trọng trong việc giảm bề rộng vết nứt và ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu lực của tấm so với 2 yếu tố còn lại là cường độ chịu nén của bê tông và cốt thép trong tấm.
Phân tích ứng xử của tấm bằng mô phỏng số được thực hiện bằng bài tốn Explicit Dynamic trong phần mềm ANSYS-AUTODYN. Mơ hình kết cấu tấm 3D đầy đủ được thiết lập, UHPC được mơ tả bằng mơ hình vật liệu RHT (RHT constituvive model for conctete) với các thông số dựa trên kết quả thí nghiệm từ Chương 4. Một số thơng số được hiệu chỉnh phù hợp theo kết quả thí nghiệm nén trên mẫu trụ. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương quan về xu hướng giữa thí nghiệm và mơ phỏng. Ngồi ra, từ q trình phân tích mơ hình số, có thể quan sát được sự lan truyền ứng suất trong tấm và có thể dự đốn được vùng bê tông bị phá hoại khi chịu tải trọng va đập.
Các kết quả nghiên cứu của luận án đã phát triển thành công được một tập hợp các cấp phối bê tơng UHPC có thể ứng dụng ngay cho các cơng trình xây dựng, với mức chi phí hợp lý và các thông số đặc trưng đầy đủ cho tính tốn thiết kế theo một số tiêu chuẩn hiện hành. Phương pháp đo lường ứng suất - biến dạng trong thí nghiệm kéo trực tiếp của bê tơng đã được đề xuất, giúp cải thiện về độ ổn định và chính xác của phép đo. Ứng xử cơ bản của tấm UHPC chịu tải trọng va đập đã được đánh giá bằng phương pháp khảo sát thực nghiệm và mô phỏng số. Mối tương quan giữa mô hình và thực nghiệm được xác định, đây cũng là tiền đề để phát triển các nghiên cứu tiếp theo.
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">iv
<b>ABSTRACT </b>
Ultra-High Performance Concrete (UHPC) is a new material with many outstanding features, having a high capacity and being durable in an aggressive environment. The main contents of this study are the basic criteria for applications of structures subjected to special loads, impact loads, and explosive loads.
The UHPC composition is developed based on locally available raw materials. The concrete constituent is calculated and optimized by the packing density method and the experiment is investigated in both phases: aggregates and cement paste. Aggregates include sand, crushed stone CS-3, and crushed stone CS-5. The cementitious phase consists of cement, silica fume, silica powder, and blast furnace slag. The content of blast furnace slag at 20% by weight of cement enhances the development strength at an early age with f<small>c_7d </small>approximately 90% f<small>c_28d</small>. The compressive strength reaches 130-150 MPa, the flexural tensile strength is 12÷29 MPa, and the uniaxial tensile strength is 7-8MPa. In addition, the microstructure of hardened cement paste was observed by Scanning Electron Microscope (SEM) with various resolutions, and the multilayered structure of the C-S-H crystal was seen at 10,000 and 15,000. This study has contributed to the UHPC composition, using blast furnace slag to partially replace silica powder not only improves the quality of concrete but also reduces minimizes products and minimizes their negative impact on the environment.
An experimental program was conducted to evaluate the mechanical properties of the UHPC mixture with the proportions of steel fibers 0%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, and 2.5% by volume of concrete, respectively. Uniaxial compression tests, RILEM beam bending tests, and direct tensile tests have been carried out with a total of more than 120 samples of all types. The results show that the compressive strength is about 118÷151 MPa, the flexural tensile strength is 9÷29 MPa and the direct tensile strength is 7÷8 MPa. Increasing steel fiber content in the concrete enhances the absorption and spread of energy in UHPC.
UHPC plates of size (50050080) mm with a steel fiber content of 1.0%, 1.5%, and 2.0% respectively were fabricated to evaluate the behavior of the plate under impact
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">v
load. The behavior of the plate subjected to impact load with some cylindrical masses of 16kg, 25kg, and 33kg. The quantities of acceleration and deformation were measured and observed during the test process. The results show that the shock absorption area increases, and the crack width on the plate surface decreases with increasing the steel fiber content and the compressive strength of concrete. It can be seen that the content of steel fiber is an important factor in reducing the crack width and significantly affects the bearing capacity of the slab compared to the compressive strength and reinforcement in the slab.
The analysis by numerical simulation has been performed by Explicit Dynamic in ANSYS-AUTODYN software. A full 3D plate structure model was established, and UHPC was described by the RHT constitutive model for concrete with parameters based on experimental results from Chapter 4. Some parameters were calibrated according to the compression testing results on the cylindrical sample. The simulation results show a correlation of the trend between the experiment and the simulation. In addition, the stress propagation in the plate can be observed by numerical model and the failure area of the concrete can be predicted when subjected to impact loads.
The results of the dissertation have successfully developed a set of UHPC concrete compositions that can be applied immediately in construction, with reasonable prices and complete parameters for designability according to some current standards. A method of measuring stress-strain in the direct tensile test of concrete has been proposed, which improves the stability and accuracy of the measurement. The basic behavior of the UHPC plate subjected to impact loads has been investigated by the experiment program and numerical simulation. The correlation between the model and the experiment is determined, which is also a premise for the development of further studies.
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">vi
<b>LỜI CẢM ƠN </b>
Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐH Quốc gia Tp Hồ Chí Minh đã hỗ trợ cho nghiên cứu này, và xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Xây dựng Miền Trung đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập và nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của TS. Bùi Đức Vinh và GS. TSKH. Nguyễn Viết Tuệ. Tác giả xin gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc đến hai người thầy hướng dẫn của mình. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, đã có lúc tác giả cảm thấy áp lực và không thể tiếp tục khi gia đình gặp biến cố lớn. Tuy nhiên, ngay tại thời điểm đó, thầy Bùi Đức Vinh đã động viên tinh thần và hỗ trợ mọi mặt để tác giả có thể tiếp tục và hồn thành tốt nội dung nghiên cứu của mình. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Vật liệu Xây dựng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Phòng Đào tạo Sau đại học của trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã có những góp ý khoa học cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả học tập và làm việc tại trường.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã hỗ trợ và đồng hành cùng tác giả trong suốt 5 năm học tập. Bản thân là một phụ nữ, hai con cịn nhỏ nên việc đi học khơng tránh khỏi những vướng bận lo toan của cuộc sống hàng ngày. Tác giả sẽ khơng thể hồn thành được nghiên cứu này nếu khơng có sự hỗ trợ giúp đỡ từ gia đình. Đặc biệt là sự hỗ trợ tồn diện từ chồng và cha mẹ 2 bên để bản thân có thể vượt qua khó khăn, tập trung học tập và hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Nhân đây, cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể đội ngũ kỹ sư làm việc tại Công ty Hoàng Vinh TRCC đã hỗ trợ và chia sẻ mọi khó khăn của tác giả.
Luận án trình bày các vấn đề liên quan đến bê tơng tính năng siêu cao, đây là một vấn đề mới và nhiều khía cạnh cần được nghiên cứu vì ứng xử của loại bê tơng này vơ cùng phức tạp. Do đó, trong q trình thực hiện luận án khơng tránh khỏi sai sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cơ, đồng nghiệp và bạn bè về nội dung luận án để tác giả có thể sửa chữa những sai sót cho luận án ngày càng hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">vii
<i>Xin gửi tặng cho cha mẹ 2 bên và chồng Nguyễn Thanh Hải </i>
<i>cùng 2 con là Nguyễn Chu Hoàng và Nguyễn Hoàng Minh Châu, những người mà tôi yêu thương nhất. </i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">DANH MỤC BẢNG BIỂU ...xvi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ... xvii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ... 1
Lịch sử phát triển của bê tơng tính năng siêu cao ... 1
Thách thức và ứng dụng của UHPC ... 2
Động lực cho nghiên cứu ... 5
Tính cấp thiết của đề tài ... 6
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ... 6
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án ... 7
Phạm vi nghiên cứu của luận án ... 7
Nội dung và phương pháp nghiên cứu... 7
Cấu trúc luận án ... 8
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ... 10
Ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến tính năng UHPC ... 10
Ảnh hưởng của thành phần sợi thép đến ứng xử của UHPC ... 12
Tấm chịu tải trọng va đập ... 15
Mơ hình số của tải trọng va đập ... 18
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 21
Nguyên tắc chế tạo UHPC ... 21
Các thành phần nguyên vật liệu ... 21
Cấu trúc vi mơ của bê tơng tính năng cao ... 25
Cơ chế truyền lực trong bê tông UHPC ... 26
Phương pháp thiết kế thành phần bê tơng tính năng siêu cao ... 29
Ứng xử của UHPC khi chịu tải trọng va đập ... 30
3.6.1 Tải trọng va đập ... 30
3.6.2 Năng lượng trong tấm ... 32
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">ix
3.6.3 Tốc độ biến dạng của bê tông chịu tải trọng va đập ... 33
CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU CÔNG THỨC CHO VẬT LIỆU UHPC ... 38
Đặc trưng hóa tính năng cơ học của UHPC ... 38
4.1.1 Mẫu thí nghiệm ... 39
4.1.2 Khảo sát tính chất hỗn hợp bê tông ... 40
4.1.3 Khảo sát cường độ chịu nén ... 41
4.1.4 Khảo sát mô đun đàn hồi và hệ số nở hông ... 42
4.1.5 Khảo sát cường độ chịu kéo khi uốn ... 46
4.1.6 Năng lượng phá hủy ... 50
Tối ưu hóa thành phần cấp phối của bê tơng tính năng siêu cao ... 53
4.2.1 Phương pháp thí nghiệm ... 53
4.2.2 Lựa chọn thành phần hạt cốt liệu ... 57
4.2.3 Lựa chọn thành phần cấp phối pha hồ ... 63
4.2.4 Cấu trúc vi mô của pha hồ ... 71
4.2.5 Lựa chọn thành phần cho bê tơng tính năng siêu cao - UHPC ... 74
4.2.6 Tính năng của hỗn hợp bê tông ... 75
4.2.7 Cường độ của bê tông ... 77
4.2.8 Độ chảy của bê tông cốt sợi ... 80
4.2.9 Khảo sát cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của UHPFRC ... 82
4.2.10 Khảo sát cường độ chịu kéo khi uốn của UHPFRC ... 84
4.2.11 Khảo sát cường độ chịu kéo dọc trục ... 86
4.2.12 Giá thành của UHPC ... 95
Chế tạo mẫu và chuẩn bị thiết bị thí nghiệm ... 101
5.4.1 Cơng tác ván khn và đổ bê tông ... 101
5.4.2 Lắp đặt khung và thiết bị thí nghiệm ... 102
5.4.3 Chế tạo cảm biến đo gia tốc ... 106
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">5.6.3 Biến dạng trên bề mặt mẫu ... 112
5.6.4 Sự phát triển của vết nứt trong q trình thí nghiệm ... 115
6.2.2 Mơ hình vật liệu RHT cho bê tông chịu tải trọng va đập ... 122
Mơ phỏng phân tích bài tốn va đập... 127
6.3.1 Hiệu chỉnh mơ hình vật liệu bê tơng UHPC ... 127
6.3.2 Mơ hình cho mẫu trụ chịu nén dọc trục ... 129
6.3.3 Mơ hình tấm UHPC chịu tải trọng va đập ... 132
Nhận xét ... 139
CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN ... 141
Vật liệu bê tơng tính năng siêu cao ... 141
Ứng xử của tấm UHPC chịu tải trọng va đập ... 141
Mơ phỏng số cho bài tốn tấm UHPC dưới tác dụng của tải va đập... 142
Hướng nghiên cứu tiếp theo ... 142
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ... 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 144
PHỤ LỤC ... 153
Phụ lục A: Thí nghiệm va đập ... 153
Phụ lục B: Gia tốc của tấm ... 155
Phụ lục C: Bài toán va đập (Explicit dynamic) trong ANSYS-AUTODYN ... 158
Phụ lục D: Kết quả thí nghiệm kéo thép... 161
Phụ lục E: Kết quả các tính chất cơ học của UHPC ... 164
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">xi
<b>DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH </b>
Hình 1.1. Lịch sử phát triển của UHPC [7] ... 2
Hình 1.2. Cầu Thăng Long sau khi được cải tạo [9] ... 3
Hình 1.3. Tấm tường trang trí bằng UHPC ... 4
Hình 1.4. Khung máy phay CNC bằng UHPC [10] ... 4
Hình 1.5. Một số cơng trình qn sự [11]–[13] ... 5
Hình 1.6. Trình tự thực hiện nghiên cứu ... 8
Hình 2.1. Mối quan hệ giữa cường độ của bê tơng và cốt liệu [15] ... 11
Hình 2.2. Độ chảy và cường độ chịu nén của bêtơng [18] ... 11
Hình 2.3. Cường độ chịu kéo ứng với tuổi bê tông [8] ... 12
Hình 2.4. Cường độ chịu nén và mơ đun đàn hồi [19] ... 13
Hình 2.5. Ảnh hưởng của hướng đổ bê tông đến ứng xử của dầm chịu uốn [20] ... 13
Hình 2.6. Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị các nhóm mẫu [23] ... 14
Hình 2.7. Thí nghiệm va đập tấm [27] ... 16
Hình 2.8. Hình dạng vết nứt trên bề mặt tấm [28] ... 16
Hình 2.9. Mơ hình thí nghiệm [29]... 17
Hình 2.10. Ảnh hưởng hình dạng vật nặng đến sự phá hoại của mẫu ... 17
Hình 2.11. Phá hoại của mẫu [31] ... 18
Hình 2.12. Hình dạng phá hoại được mơ hình trong AUTODYN với RHT ... 19
Hình 2.13. So sánh phá hoại mẫu giữa 2 mơ hình số [37] ... 20
Hình 3.1. Các mode phá hoại của cơ học phá hủy [59] ... 24
Hình 3.2. So sánh đường ứng suất - biến dạng giữa NSC và FRC [58]. ... 25
Hình 3.3. Cấu trúc vĩ mơ của bê tơng [44] ... 26
Hình 3.4. Cấu trúc vi mơ của vật liệu dưới kính hiển vi [61], [62] ... 26
Hình 3.5. Cơ chế truyền lực bên trong cấu trúc bê tơng [64] ... 27
Hình 3.6. Quá trình phá hoại theo Glucklich [64] ... 28
Hình 3.7. Ứng xử chịu kéo của UHPFRC [65] ... 28
Hình 3.8. Khả năng làm việc của UHPC khi chịu kéo [66] ... 29
Hình 3.9. Sự phân bố cỡ hạt cốt liệu [43] ... 30
Hình 3.10. Mơ hình cơ học về va đập của 2 vật nặng [69] ... 31
Hình 3.11. Dạng phá hoại của bê tông chịu tải trọng va đập [70] ... 32
Hình 3.12. Tốc độ biến dạng của kết cấu bê tơng (s<small>-1</small>) [74] ... 34
Hình 4.1. Các thành phần chính của UHPC [7] ... 38
Hình 4.2. Độ chảy hỗn hợp bê tơng ... 41
Hình 4.3. Sự phát triển cường độ các nhóm mẫu ... 42
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">xii
Hình 4.4. Dạng phá hoại nén của mẫu có và khơng có sợi thép ... 42
Hình 4.5. Thí nghiệm đo ứng suất - biến dạng của mẫu bê tông ... 43
Hình 4.6. Biểu đồ ứng suất - biến dạng của các nhóm mẫu ... 44
Hình 4.7. Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của nhóm N00 ... 45
Hình 4.8. Kích thước mẫu thí nghiệm ... 46
Hình 4.9. Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn dầm và thiết bị đo ... 47
Hình 4.10. Vết nứt của mẫu trong q trình thí nghiệm ... 47
Hình 4.11. Hình dạng mẫu khi kết thúc thí nghiệm ... 48
Hình 4.12. Sợi thép giúp liên kết 2 phần của dầm ... 49
Hình 4.13. Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị của các nhóm mẫu ... 49
Hình 4.14. Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và độ mở rộng vết nứt ... 50
Hình 4.15. Biểu đồ xác định mức hấp thụ năng lượng [85]. ... 51
Hình 4.22. Độ rỗng của 3 trường hợp trộn cốt liệu [100] ... 63
Hình 4.23. Độ chảy của pha hồ ... 64
Hình 4.24. Cơng tác chế tạo và bảo dưỡng mẫu [100] ... 65
Hình 4.25. Mẫu vữa thí nghiệm nén [100] ... 65
Hình 4.26. Thời gian trộn và độ chảy của pha hồ sử dụng xỉ ... 66
Hình 4.27. Cường độ pha hồ nhóm cấp phối V1 [100] ... 66
Hình 4.28. Cường độ chịu nén của các nhóm cấp phối sử dụng SF nén [100] ... 67
Hình 4.29. Mặt cắt ngang của 2 nhóm mẫu khác nhau về loại SF sử dụng [100] ... 68
Hình 4.30. Thời gian trộn của 2 nhóm sử dụng loại SF khác nhau ... 69
Hình 4.31. Cường độ chịu nén của các nhóm V3 [100] ... 70
Hình 4.32. Cường độ bê tơng 28 ngày tuổi của 2 nhóm SF khác nhau [100] ... 70
Hình 4.33. So sánh cường độ chịu nén của các nhóm mẫu [100] ... 71
Hình 4.34. Quan sát vi cấu trúc của bê tơng bằng kính hiển vi điện tử ... 72
Hình 4.35. Gia cơng mẫu trước khi chụp SEM ... 72
Hình 4.36. Vi cấu trúc nhóm V1-20 ... 73
Hình 4.37. Vi cấu trúc nhóm V3-0 ... 73
Hình 4.38. Vi cấu trúc nhóm V3-50 ... 73
Hình 4.39. Vi cấu trúc nhóm V3-50 ở 2 cấp độ phóng đại [100]. ... 74
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">xiii
Hình 4.40. Thí nghiệm đo độ đồng nhất [100] ... 75
Hình 4.41. Độ chảy hỗn hợp bê tơng [100] ... 76
Hình 4.42. Thí nghiệm nén [100]. ... 77
Hình 4.43. Cường độ chịu nén của nhóm mẫu C1, C2, C3 [100] ... 78
Hình 4.44. Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm [115] ... 78
Hình 4.45. Lắp đặt mẫu và thiết bị đo ... 79
Hình 4.46. Biểu đồ quan hệ giữa lực và độ võng của nhóm C1, C2, C3 [100]. ... 79
Hình 4.47. Tính khơng đồng nhất của hỗn hợp bê tông với 2.0% sợi thép ... 80
Hình 4.48. Độ chảy nhóm M20 và M25 ... 82
Hình 4.49. Mẫu thí nghiệm nén ... 82
Hình 4.50. Sự phát triển cường độ của UHPC ... 83
Hình 4.51. Biểu đồ ứng suất biến dạng của TN nén dọc trục ... 84
Hình 4.52. Các mẫu dầm Rilem ... 84
Hình 4.53. Lắp đặt thiết bị cho thí nghiệm uốn dầm ... 85
Hình 4.54. Biểu đồ quan hệ giữa Lực-Độ võng của dầm ... 86
Hình 4.55. Thí nghiệm kéo trực tiếp dùng ngàm kẹp ... 87
Hình 4.56. Hệ lực tác dụng lên đầu của mẫu chịu kéo ... 87
Hình 4.57. Độ lệch trục giữa mẫu và thiết bị ... 88
Hình 4.58. Kích thước mẫu thí nghiệm ... 89
Hình 4.59. Lắp đặt 2 thanh cáp vào khn ... 89
Hình 4.60. Vị trí lắp LVDT ... 89
Hình 4.61. Chế tạo và dưỡng hộ mẫu ... 90
Hình 4.62. Hình dạng mẫu thí nghiệm kéo ... 90
Hình 4.63. Thí nghiệm kéo dọc trục ... 91
Hình 4.64. Biểu đồ Lực-Bề rộng vết nứt của TN kéo ... 92
Hình 4.65. Biểu đồ ứng suất và biến dạng của TN kéo ... 93
Hình 4.66. Hình dạng của nhóm mẫu khơng có sợi khi kết thúc TN ... 93
Hình 4.67. Hình dạng các nhóm mẫu có sợi sau khi kết thúc TN ... 94
Hình 4.68. Phân bố sợi thép trong mẫu ... 94
Hình 4.69. Tỷ lệ giá thành của các thành phần trong 1m<small>3</small> bê tơng (Nhóm C2) [100] .. 96
Hình 5.1. Kích thước khung thí nghiệm va đập ... 98
Hình 5.2. Khối lượng các vật nặng ... 99
Hình 5.3. Tấm thí nghiệm ... 100
Hình 5.4. Gia cơng 2 đế bê tơng ... 101
Hình 5.5. Lắp đặt ván khn và đổ bê tơng cho tấm ... 102
Hình 5.6. Ngun lý hoạt động của xi lanh khí nén ... 103
</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">Hình 5.12. Vị trí lắp cảm biến đo gia tốc ... 107
Hình 5.13. Bộ đo cảm biến gia tốc ... 108
Hình 5.14. Thời gian rơi của vật nặng ... 108
Hình 5.15. Biểu đồ gia tốc của vật nặng... 109
Hình 5.16. Gia tốc của tấm N20S-H (25kg) ... 110
Hình 5.17. Gia tốc của tấm N20S-U (25kg) ... 110
Hình 5.18. Gia tốc tấm có 1.5% sợi thép (N15S-H (33kg)) ... 111
Hình 5.19. Gia tốc tấm có 2.0% sợi thép (N20S-H (33kg)) ... 111
Hình 5.20. Gia tốc tấm UHPC khơng có cốt thép (N15-U (25kg)) ... 112
Hình 5.21. Gia tốc tấm UHPC có cốt thép (N15S-U (25kg)) ... 112
Hình 5.22. Biến dạng của mẫu nhóm N10-U (16kg) ... 113
Hình 5.23. Biến dạng của mẫu nhóm N15-U (16kg) ... 113
Hình 5.24. Biến dạng của mẫu nhóm N15-H (16kg) ... 114
Hình 5.25. Biến dạng của các nhóm mẫu khơng có cốt thép (33kg) ... 114
Hình 5.26. Biến dạng của các nhóm mẫu có cốt thép (33kg)... 115
Hình 5.27. Vùng bê tơng bị vỡ tại vị trí tiếp xúc với vật nặng ... 116
Hình 5.28. Quan sát vết nứt nhỏ bằng kính hiển vi ... 117
Hình 5.29. Vết nứt trên bề mặt mẫu khác nhau về cường độ bê tơng ... 119
Hình 5.30. Vết nứt trên bề mặt mẫu khác nhau hàm lượng sợi, khơng cốt thép ... 119
Hình 5.31. Vết nứt trên bề mặt mẫu có và khơng có cốt thép ... 120
Hình 6.1. Mơ hình vật liệu đàn dẻo tái bền ... 122
Hình 6.2. Mơ hình đàn dẻo phá hoại [33]... 124
Hình 6.3. Mặt phá hoại của mơ hình RHT ... 125
Hình 6.4. Biểu đồ ứng suất biến dạng song tuyến tính ... 125
Hình 6.5. Phần tử SOLID 186 ... 130
Hình 6.6. Chia lưới cho mơ hình nén dọc trục ... 130
Hình 6.7. Khai báo điều kiện biên và vận tốc cho mơ hình ... 131
Hình 6.8. Ứng suất theo phương dọc trục ... 132
Hình 6.9. Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của mẫu nén dọc trục ... 132
Hình 6.10. Mơ hình 3D cho tấm UHPC ... 133
Hình 6.11. Chia lưới phần tử ... 133
</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">xv
Hình 6.12. Khai báo điều kiện biên tại vị trí 2 gối tựa ... 134
Hình 6.13. Khai báo vận tốc va đập của vật nặng ... 134
Hình 6.14. Ứng suất Von-Mises của tấm khơng có cốt thép (33kg) ... 135
Hình 6.15. So sánh sự phân bố ứng suất Von-Mises của 2 tấm N15-U (33kg) ... 135
Hình 6.16. Mẫu N15S-U (33kg) ... 136
Hình 6.17. Chuyển vị của tấm khi chịu tác dụng của vật nặng 25kg ... 137
Hình 6.18. Chuyển vị của tấm khi chịu tác dụng của vật nặng 33kg ... 137
Hình 6.19. Biểu đồ gia tốc theo thời gian của mơ hình ... 137
Hình 6.20. So sánh biểu đồ gia tốc của nhóm N15-U (25kg) ... 138
Hình 6.21. So sánh biểu đồ gia tốc của nhóm N15S-U (25kg) ... 138
Hình 6.22. Sự cân bằng năng lượng của hệ ... 139
</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">xvi
<b>DANH MỤC BẢNG BIỂU </b>
Bảng 4.1. Thành phần cấp phối cho 1m<small>3 </small>bê tông ... 39
Bảng 4.2. Các yêu cầu cơ bản cho thiết kế cấp phối bê tơng ... 39
Bảng 4.3. Các nhóm mẫu thí nghiệm ... 40
Bảng 4.4. Độ chảy của các nhóm mẫu ... 41
Bảng 4.5. Kết quả thí nghiệm của các nhóm mẫu bê tông ... 44
Bảng 4.6. So sánh giá trị mô đun đàn hồi của bê tông ... 45
Bảng 4.7. Kết quả thí nghiệm uốn mẫu dầm RILEM ... 48
Bảng 4.8. Khả năng hấp thụ năng lượng ... 52
Bảng 4.9. Cường độ chịu kéo khi uốn dư của các nhóm mẫu ... 53
Bảng 4.10. Thành phần nguyên vật liệu ... 55
Bảng 4.11. Thành phần hóa của xỉ lị cao (TCVN 11586:2016~S95) ... 56
Bảng 4.12. Hàm lượng lọt sàng của cốt liệu ... 57
Bảng 4.13. Các hỗn hợp cốt liệu ... 58
Bảng 4.14. Độ rỗng và hệ số lèn chặt của trường hợp Agg-1. ... 59
Bảng 4.15. Độ rỗng và hệ số lèn chặt của trường hợp Agg-2. ... 60
Bảng 4.16. Độ rỗng và hệ số lèn chặt của trường hợp Agg-3. ... 61
Bảng 4.17. Các tỷ lệ cốt liệu tối ưu [100] ... 63
Bảng 4.18. Khối lượng các thành phần cấp phối cho 1 m<small>3</small> bê tông ... 75
Bảng 4.19. Độ đồng nhất và độ chảy của hỗn hợp bê tông ... 76
Bảng 4.20. Khối lượng các thành phần cấp phối cho 1 m<small>3</small> bê tông ... 81
Bảng 4.21. Độ chảy của hỗn hợp ... 81
Bảng 4.22. Cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi và hệ số poisson của mẫu ... 83
Bảng 4.23. Kết quả thí nghiệm uốn dầm Rilem ... 85
Bảng 4.24. Cường độ chịu kéo của các nhóm mẫu thuộc nhóm cấp phối CPV-01 ... 92
Bảng 4.25. Cường độ chịu kéo của các nhóm mẫu thuộc nhóm cấp phối CPV-02 ... 92
Bảng 4.26. So sánh Giá thành – Tính năng của UHPC ... 95
Bảng 5.1. Các nhóm mẫu thí nghiệm ... 100
Bảng 5.2. Lực va đập của vật nặng tác dụng vào tấm ... 109
Bảng 5.3. Bề rộng vết nứt các nhóm mẫu khi chịu tác dụng vật nặng 25kg ... 117
Bảng 5.4. Bề rộng vết nứt các nhóm mẫu khi chịu tác dụng vật nặng 33kg ... 118
Bảng 6.1. Các thơng số khai báo mơ hình cho kết cấu thép ... 122
Bảng 6.2. Các giá trị cường độ khai báo cho mơ hình RHT ... 128
Bảng 6.3. Các thơng số của mơ hình RHT trong ANSYS [117] ... 128
Bảng 6.4. Kết quả của thực nghiệm và mơ hình nén dọc trục ... 131
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">CEB Liên đồn quốc tế về kết cấu bê tơng
RHT Mơ hình vật liệu Riedel-Hiermaier-Thoma
SG Cảm biến đo biến dạng - Strain gauge
UHPC Bê tơng tính năng siêu cao
UHPFRC Bê tơng cốt sợi tính năng siêu cao
</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">xviii <small></small> , <small></small><i><sub>z</sub></i> Tốc độ biến dạng động
<i>DIF </i> Hệ số tăng tải trọng động
<i>f<small>c</small>, f<small>c</small>_<small>cyl</small></i> Cường độ chịu nén mẫu trụ
<i>f<small>c</small>_<small>cube</small></i> Cường độ chịu nén mẫu lập phương
</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">1
<b>CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU </b>
Bê tơng tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete - UHPC) là bước phát triển mới trong công nghệ vật liệu bê tơng. Với các tính năng vượt trội của mình, UHPC có thể sử dụng cho các cơng trình đặc biệt như bản sàn cầu, kho chứa, các tấm tường mỏng hoặc cột chịu tải trọng lớn [1].
<b>Lịch sử phát triển của bê tơng tính năng siêu cao </b>
Bê tông cường độ cao (High strength concrete – HSC) phát triển từ thập niên 1970, được ứng dụng cho các cột nhà cao tầng thay thế cho bê tông thường (Normal concrete – NSC) đang được sử dụng trong thời kỳ đó. Với sự phát triển của công nghệ sản xuất phụ gia và việc sử dụng các phụ gia hoạt tính như silica fume đã góp phần tăng cường độ chịu nén của bê tơng lên đến 150 MPa [2]. Các tính năng khác của bê tông như độ chảy, mô đun đàn hồi, cường độ chịu uốn, khả năng chống thấm và độ bền cũng được cải thiện rõ rệt so với bê tơng thường. Ngồi ra, HSC cịn đáp ứng được các yêu cầu sau [3]:
Dễ dàng tạo khuôn và dầm chặt mà không bị phân tầng hay tách lớp; Đặc tính cơ học bền với thời gian;
Bê tông phát triển cường độ sớm; Độ đặc sít cao;
Có khả năng ổn định thể tích; Bền với mơi trường.
Lịch sử hình thành và phát triển của bê tơng được trình bày trong Hình 1.1. Việc phát triển công nghệ vật liệu trong những năm 2000 đã giúp cho việc ứng dụng HSC vào các cơng trình một cách rộng rãi. Việc thêm các loại sợi như sợi thép, sợi polypropylen hoặc sợi cacbon đã làm tăng tính dẻo cho vật liệu bê tơng có cường độ chịu nén lên đến 200 MPa, cịn được gọi tên là bê tơng tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Concrete – UHPC) hoặc bê tơng cốt sợi tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Fiber Reinforced Concrete – UHPFRC). Hiện nay, theo tiêu chẩn ASTM C1856/1856M-17 [4], UHPC được định nghĩa là loại bê tơng có cường độ chịu nén lớn hơn hoặc bằng 120 MPa (tương đương với 17000psi).
</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">2
UHPC không những có cường độ chịu nén cao mà cịn đạt nhiều tính năng quan trọng khác như: độ bền trong mơi trường xâm thực mạnh, tính thấm rất thấp, ổn định thể tích tốt, có tính lưu động cao, dễ tạo hình, đổ khn, liên kết tốt với các bề mặt xung quanh [5]–[7]. Với những ưu điểm này, có thể ứng dụng UHPC cho các cơng trình cao tầng chịu tải trọng động, giảm kích thước các cấu kiện, giảm chiều dày bản sàn, chiều cao dầm cũng như tăng chiều dài nhịp. Tuy nhiên loại bê tông này chưa thể ứng dụng rộng rãi vì giá thành sản xuất bê tơng cịn cao, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu tăng cao. Việc lựa chọn thành phần cấp phối bê tông hợp lý sẽ giúp nâng cao chất lượng vật liệu và giảm giá thành sản phẩm.
Hình 1.1. Lịch sử phát triển của UHPC [7]
Các tính chất nổi bật của UHPC thường được biết tới như cường độ chịu nén từ 120 MPa đến hơn 200 MPa, cường độ kéo từ 8-30 MPa, mô đun đàn hồi cao (> 45 GPa), ứng xử tuyến tính của vật liệu đến hơn 80% giới hạn bền nén, cấu trúc đặc sít rất cao [4], [7], [8]. Việc đưa bê tơng tính năng siêu cao ứng dụng vào thực tế sản xuất sẽ giúp tạo ra một loại bê tông mới, vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, khả năng chịu lực và đảm bảo được tính kinh tế.
<b> Thách thức và ứng dụng của UHPC </b>
Mặc dù UHPC là bước nhảy vọt về công nghệ vật liệu bê tơng với các tính năng về mặt cơ lý và độ bền hơn hẳn các loại bê tơng truyền thống hay bê tơng tính năng cao. Thách thức lớn nhất của nó chính là chi phí sản xuất, với giá thành vật liệu cao hơn bê tông
</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">3
truyền thống từ 5-10 lần, UHPC chỉ có thể được áp dụng đối với một số trường hợp cụ thể nhất định và đi kèm với giải pháp tổng thể hợp lý. Một số ứng dụng điển hình của UHPC trong cơng trình được minh họa dưới đây.
<b>Cải tạo mặt cầu Thăng Long-Hà Nội, 2020-2021 </b>
Hình 1.2. Cầu Thăng Long sau khi được cải tạo [9]
Cơng trình cải tạo mặt cầu Thăng Long (Hình 1.2) được triển khai từ tháng 08/2020 đến tháng 01/2021 chính thức hồn thành và đưa vào sử dụng, lớp bê tông nhựa liên kết với bản thép mặt cầu đã được thay thế bởi lớp UHPC dày 60mm, giữa chúng được liên kết với nhau bởi các các liên kết chống cắt. Trên bề mặt lớp UHPC được trải một lớp thảm bê tơng nhựa nóng Polymer để tạo độ êm thuận lợi cho các phương tiện qua lại. Cho đến nay đây là cơng trình lớn nhất ứng dụng UHPC với hơn 10,000 m<small>3</small> được thi cơng.
<b>Mặt dựng cơng trình WINK Hotel, 75 Nguyễn Bỉnh Khiêm –Tp HCM </b>
Một ứng dụng điển hình khác của UHPC đó là các hạng mục trang trí trong cơng trình. Hình 1.3 thể hiện một tấm mặt dựng bằng bê tơng UHPC có kích thước 7.8m 6.0m, dày 60mm với 60% diện tích được đục lỗ. Điểm đặc biệt ở hạng mục này yêu cầu độ bền vững hơn 70 năm, kết cấu vững chắc chống rung lắc và có độ ổn định cao. Dựa trên các mẫu thực nghiệm, cuối cùng tấm tường trang trí bằng UHPC đã được chấp nhận. Đến nay đã có hàng ngàn mét vuông hạng mục kết cấu mặt dựng bằng UHPC được lắp đặt trên các cơng trình cả nước.
</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">4
Hình 1.3. Tấm tường trang trí bằng UHPC
<b>UHPC cho chế tạo máy cơng cụ </b>
Hình 1.4. Khung máy phay CNC bằng UHPC [10]
Một ứng dụng ngoài xây dựng của UHPC là lĩnh vực chế tạo máy công cụ, đối với các loại máy có kích thước lớn như máy mài đường ray tàu điện, máy phay CNC, máy tiện CNC khổ lớn. Việc dùng gang đúc các khối đế máy dần được thay thế bởi UHPC, vật
</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26"><b>Động lực cho nghiên cứu </b>
UHPC được coi là vật liệu mới so với chiều dài lịch sử phát triển của bê tơng truyền thống, việc tìm kiếm các ứng dụng và làm cho nó trở nên phổ biến hơn, cơng trình bền vững hơn là ước muốn của các nhà nghiên cứu và kỹ sư xây dựng. Những câu hỏi sau đây ln xuất hiện, nó là động lực hình thành các ý tưởng cho nghiên cứu này.
<i>1. Liệu có thể tạo ra một loại vật liệu UHPC bằng nguyên vật liệu có sẵn với chi phí </i>
thấp hơn hay khơng?
<i>2. Tính năng dẻo dai của UHPC có cải thiện được khả năng chịu lực đập của cơng </i>
trình hay khơng?
<i>3. UHPC thường mỏng hơn, vậy ứng xử của kết cấu mỏng như thế nào khi chịu tải </i>
trọng va đập với các mức tốc độ biến dạng vật liệu khác nhau?
<i>4. Làm thế nào dự đoán một cách định tính và định lượng ứng xử của tồn bộ cơng </i>
trình dưới tác động của tải xung kích?
</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">6
<i>5. Khả năng ứng dụng UHPC như thế nào? </i>
<b>Tính cấp thiết của đề tài </b>
Nội dung của luận án là đánh giá ứng xử của kết cấu tấm làm bằng bê tơng tính năng siêu cao chịu tải trọng va đập. Bê tơng tính năng siêu cao có khả năng cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chịu lực của cơng trình trong suốt vòng đời khai thác. Hiện nay giá thành vật liệu của bê tông UHPC tương đối cao, việc tối ưu hóa thành phần nguyên liệu cũng như sử dụng các loại vật liệu sẵn có ở địa phương sẽ giúp tăng tính hiệu quả về mặt kinh tế. Đồng thời, nghiên cứu này cũng sẽ là tiền đề, cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo ứng dụng cho các kết cấu cơng trình chun dụng như cơng trình qn sự chịu tải trọng nổ hoặc các cơng trình dân sự chịu tải trọng đặc biệt.
<b>Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án </b>
Tải trọng va đập là dạng tải trọng có thời gian tác dụng ngắn và bất ngờ. Việc cải thiện khả năng chịu lực của kết cấu bằng loại vật liệu bê tơng tính năng siêu cao là mục tiêu hướng đến của nghiên cứu này. Các cơng trình dân sự được xây dựng bằng kết cấu bê tông làm việc trong vùng có mức độ nguy hiểm cao như đập thủy điện, các tường chắn hoặc các cơng trình qn sự phịng thủ như lơ cốt, hầm trú ẩn đều là những kết cấu có khả năng đối mặt với tải trọng nổ hoặc tải trọng va đập do các loại vũ khí tấn cơng gây ra. Do đó, việc tìm kiếm một loại vật liệu phù hợp cho các loại cơng trình này cần phải được tiến hành.
Bên cạnh việc nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu mới này cho các kết cấu để cải thiện tính năng làm việc thì một vấn đề đặt ra hiện nay là giá thành của bê tơng UHPC cịn cao, việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này vào thực tế vẫn cịn là thách thức lớn. Để có thể khắc phụ vấn đề này, một trong những nội dung thực nghiệm của luận án là tiến hành tính tốn thiết kế tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tơng sử dụng xỉ lò cao, là phế phẩm của ngành công nghiệp luyện gang thép. Việc thiết kế thành phần cấp phối này vừa có thể giúp giảm giá thành sản phẩm vừa góp phần giảm thiểu tác động ơ nhiễm đến mơi trường, đó cũng một trong những đóng góp mang ý nghĩa thực tiễn mà đề tài mang lại.
</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">7
<b> Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án </b>
Mục tiêu nghiên cứu là nhằm phát triển loại vật liệu UHPC và khảo sát ứng xử của tấm làm bằng bê tơng tính năng siêu cao chịu tải trọng va đập.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài là xác định các tính năng cơ học của bê tơng, thiết kế tối ưu thành phần cấp phối của bê tông và khảo sát ứng xử của tấm UHPC chịu tải trọng va đập. Bên cạnh đó, mơ hình phần tử hữu hạn 3D cho bài toán va đập được thiết lập với các kết quả thí nghiệm tính năng cơ học được dùng để hiệu chỉnh cho một số thông số mơ hình RHT của bê tơng.
<b>Phạm vi nghiên cứu của luận án </b>
Luận án nghiên cứu đánh giá các đặc trưng cơ học của bê tơng UHPC có cường độ chịu nén trong khoảng 100 - 150 MPa, các tính năng của bê tơng được đánh giá ở trạng thái hỗn hợp bê tông và bê tông sau khi đóng rắn.
Nghiên cứu ứng xử của tấm UHPC chịu tải trọng va đập được thực hiện với loại tải trọng va đập có vận tốc thấp (low velocity impact). Mô phỏng phần tử hữu hạn được xây dựng trong bài toán Explicit Dynamic của phần mềm ANSYS-AUTODYN.
<b>Nội dung và phương pháp nghiên cứu </b>
Nhằm thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu nêu trên, nội dung của luận án được tiến hành theo qui trình như thể hiện ở Hình 1.6. Chương trình thực nghiệm được đánh giá ở cấp độ vật liệu và ứng xử của kết cấu. Ở cấp độ vật liệu, các thí nghiệm được thực hiện bao gồm: thí nghiệm nén một trục, thí nghiệm uốn dầm, thí nghiệm kéo trực tiếp nhằm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, cường độ chịu kéo khi uốn và tính tốn năng lượng phá hủy của vật liệu. Đánh giá ứng xử của tấm được thực hiện bằng 2 phương pháp là thực nghiệm và mơ hình số. Kết quả thu được nhằm đánh giá sự lan truyền ứng suất trong tấm, gia tốc, chuyển vị cũng như hình dạng phá hoại của tấm
<b>khi chịu tải trọng va đập. </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">8
Hình 1.6. Trình tự thực hiện nghiên cứu
<b>Cấu trúc luận án </b>
Luận án được chia thành các phần chính như sau:
Chương 1: Giới thiệu. Nội dung chương này đề cập về UHPC và những thách thức đang gặp phải. Động lực nào cho nghiên cứu, mục tiêu và ý nghĩa khoa học của đề tài. Chương 2: Tổng quan. Kết quả của những nghiên cứu có trước về ứng xử của tấm chịu tải trọng va đập, cũng như xét đến ảnh hưởng của cốt liệu và sợi thép đến ứng xử của UHPC.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày về hệ nguyên vật liệu, cấu trúc của bê tơng và ứng xử của bê tơng tính năng siêu cao (UHPC) khi chịu tải trọng va đập
Chương 4: Phát triển và tối ưu công thức cho vật liệu UHPC. Chương này trình bày chương trình thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học và tối ưu thành phần cấp phối UHPC. Đánh giá tính năng của bê tông ở trạng thái hỗn hợp bê tông và bê tơng đã đóng rắn.
Xác định cấp phối UHPC
Thí nghiệm các tính năng cơ học của UHPC
Thí nghiệm va đập của tấm UHPC
Tối ưu hóa thành phần
<i>cấp phối UHPC </i>
<i>Cốt liệu Pha hồ </i>
Mô phỏng phần tử hữu hạn tấm chịu tải trọng va đập
Phân tích kết quả
Đánh giá khả năng triển vọng ứng dụng vào thực tế
</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">9
Chương 5: Khảo sát thực nghiệm kết cấu tấm UHPC chịu tải trọng va đập. Nội dung chương này trình bày cơng tác chế tạo khung thí nghiệm và lắp đặt các thiết bị đo. Từ các kết quả đo có thể đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tấm UHPC khi chịu lực.
Chương 6: Mô phỏng số cho tấm UHPC chịu tải trọng va đập. Mơ hình số cho tấm được thực hiện bằng phần mềm ANSYS-AUTODYN. Các thơng số có được từ thí nghiệm ở Chương 4 được khai báo vào mơ hình vật liệu của bê tơng, từ đó đánh giá kết quả giữa mơ hình mơ phỏng và thực nghiệm.
Chương 7: Kết luận. Tài liệu tham khảo Phụ lục
</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">10
Bê tơng tính năng siêu cao có những ưu điểm vượt trội hơn bê tơng thường, có thể ứng dụng cho các kết cấu chuyên dụng hoặc các cơng trình chịu tải trọng đặc biệt. Với các kết quả nghiên cứu có trước, có thể thấy rằng cốt liệu và sợi thép đóng vai trị quan trọng trong ứng xử của bê tơng cốt sợi tính năng siêu cao. Sử dụng UHPFRC sẽ giúp tăng độ bền và độ dẻo dai cho kết cấu, đặc biệt là các kết cấu chịu tải trọng đặc biệt. Nội dung chương này trình bày các nghiên cứu của các tác giả trên thế giới đã thực hiện nhằm đánh giá ứng xử của vật liệu và cấu kiện được làm bằng UHPC khi chịu tác dụng của tải trọng va đập.
<b>Ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến tính năng UHPC </b>
K.P. Vishalakshi và cộng sự [14] nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu đến đặc trưng cơ học của bê tông thường và bê tông cường độ cao. Cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm có “Grey Granite, Anorthosite, Charnockite, Limestone và Gneiss”. Các loại đá trên khác nhau về thành phần khoáng vật, kết cấu bề mặt và cấu trúc tinh thể. Kích thước cốt liệu khoảng từ 12 đến 20mm. Kết quả cho thấy, với bê tơng thường cường độ của các nhóm mẫu khi sử dụng các loại cốt liệu khác nhau thì giá trị khơng chênh lệch nhiều. Tuy nhiên, với những nhóm mẫu bê tơng cường độ cao, cốt liệu lại có sự ảnh hưởng rõ rệt. Xu hướng này cũng được thể hiện tương tự khi thí nghiệm cường độ chịu kéo, uốn và năng lượng phá hủy.
Ke-Ru Wu và các cộng sự [15] tiến hành thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của cốt liệu lớn đến cường độ chịu nén, kéo, mô đun đàn hồi và năng lượng phá hủy của bê tơng. Các nhóm cấp phối bê tơng có cùng tỉ lệ nước – xi măng nhưng khác nhau về thành phần cốt liệu lớn gồm đá quartzite, granite, đá vơi và marble được chế tạo. Hình 2.1 biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông và cường độ cốt liệu. Theo đó, với những nhóm mẫu bê tơng cùng cốt liệu từ đá Granite, với tỷ lệ N/X=0.44 thì cường độ
<i>chịu nén của bê tơng f’<small>c</small></i>=70.4MPa, trong khi đó với tỷ lệ N/X=0.26 thì cường độ chịu
<i>nén của bê tông đạt f’<small>c</small></i>=99.1MPa và cũng là giá trị cao nhất của các nhóm mẫu. Như vậy, với tỷ lệ hàm lượng N/X thấp thì cường độ bê tơng tăng khi tăng cường độ của cốt liệu. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng này lại không rõ ràng đối với các mẫu chịu kéo. Ảnh
</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">11
hưởng của cốt liệu đến các tính năng cơ học của bê tông cũng được đề cập đến trong nhiều nghiên cứu khác [16], [17].
(a) Cường độ chịu nén <sup>(b) Cường độ chịu kéo </sup>
Hình 2.1. Mối quan hệ giữa cường độ của bê tông và cốt liệu [15]
Kim và cộng sự [18] nghiên cứu các đặc tính vật lý và cơ học của bê tơng tính năng siêu cao khi có và khơng có cốt liệu lớn (Hình 2.2). Thực nghiệm cho thấy đối với UHPC có hạt cốt liệu nhỏ hơn 1.18mm, sợi thép và hạt cốt liệu không cản nhau quá nhiều, các hạt cốt liệu và sợi dễ dàng lăn trượt lên nhau, sự phân tán và định hướng của sợi thép trong bêtơng đạt tối ưu. Đối với UHPC có hạt cốt liệu lớn đến 8mm, sợi và các hạt cốt liệu lớn cản trở sự dịch chuyển của nhau làm cho sự phân tán và định hướng của sợi thép trong bêtơng khơng đạt tối ưu, tính cơng tác của bêtông cốt sợi suy giảm mạnh theo lượng sợi gia cường và cường độ chịu kéo khi uốn cũng như tính dẻo dai thì kém hơn UHPC với thành phần cốt liệu nhỏ hơn 1.18mm. Với hàm lượng sợi thép gia cường từ 1.0% đến 1.5% thể tích, cường độ nén của UHPC cũng gia tăng thêm so với khi chưa có sợi, nhưng độ tăng là khơng đáng kể (khoảng 5%).
Hình 2.2. Độ chảy và cường độ chịu nén của bêtông [18]
</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">12
<b>Ảnh hưởng của thành phần sợi thép đến ứng xử của UHPC </b>
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm lượng sợi thép trong bê tông cốt sợi là một trong những yếu tố quyết định đến khả năng chịu lực của kết cấu. Hassan và cộng sự [8] đã so sánh ứng xử chịu nén và chịu kéo dọc trục của 2 loại bê tông UHPC và UHPFRC. Biến dạng của mẫu trong thí nghiệm kéo dọc trục của UHPFRC tối đa đạt được trong khoảng 1.5–3.0 ‰, trong khi đó giá trị này là khoảng 0.15–0.25 ‰ cho bê tông UHPC. Bên cạnh đó, thành phần sợi thép lại ảnh hưởng khơng rõ rệt khi so sánh cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của hai loại bê tông này (Hình 2.3).
Hình 2.3. Cường độ chịu kéo ứng với tuổi bê tông [8]
Doo-Yeol Yoo và cộng sự [19] nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến tính chất cơ học của UHPFRC với 4 hàm lượng khác nhau là 1%, 2%, 3% và 4% với cùng cấp phối. Các mẫu thử được bão dưỡng ở nhiệt độ phịng trong 48 giờ đầu tiên, sau đó được dưỡng hộ ở nhiệt độ (90±2) độ trong 3 ngày tiếp theo. Hình 2.4 mơ tả sự ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi, theo đó với tỷ lệ 3% hàm lượng sợi cho khả năng chịu lực tối ưu nhất. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng sợi lên 4% thì cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi lại giảm.
</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">13
Hình 2.4. Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi [19]
Su Tae Kang và cộng sự [20] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự phân bố sợi thép đến khả năng chịu uốn của UHPFRC. Chương trình thực nghiệm với các mẫu được chế tạo với hướng đổ song song và vng góc với trục dọc cấu kiện như Hình 2.5a. Khả năng chịu lực của dầm cũng như sự xuất hiện các vết nứt được ghi nhận nhằm đánh giá ứng xử của mẫu khi chịu uốn. Bằng cách phân tích các mặt cắt theo các phương khác nhau, tác giả nhận thấy rằng sự phân bố sợi thép có liên quan đến hướng đổ của bê tông trong giai đoạn chế tạo mẫu. Theo đó, khả năng chịu uốn của những mẫu có hướng đổ bê tơng theo phương song song với trục dọc của cấu kiện tăng 61% so với những mẫu có hướng đổ bê tơng theo phương vng góc như thể hiện ở Hình 2.5b.
a. Hướng đổ bê tông b. Biểu đồ lực - chuyển vị của TN uốn dầm
Hình 2.5. Ảnh hưởng của hướng đổ bê tông đến ứng xử của dầm chịu uốn [20]
</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">14
Zemei Wu và cộng sự [21] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng và hình dạng sợi thép đến tính chất cơ học của bê tông cường độ cao. Ba loại sợi thép khác nhau được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm sợi thẳng, sợi xoắn và sợi uốn cong ở 2 đầu. Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ chảy của hỗn hợp bê tơng bị ảnh hưởng bởi hình dạng sợi, cụ thể là độ chảy của 1%, 2%, 3% hàm lượng sợi thép dạng uốn móc lần lượt giảm 20.9%; 35.8% và 51.2% khi so sánh cùng cấp phối với mẫu sử dụng sợi thẳng. Điều này có thể lý giải rằng sự biến dạng của sợi làm tăng ma sát giữa sợi thép và cốt liệu, từ đó tăng tính liên kết giữa chúng, dẫn đến giảm độ chảy của hỗn hợp bê tông. Kết quả nghiên cứu cịn cho thấy hàm lượng sợi và hình dáng sợi đều có ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ nén và ứng xử chịu uốn của vật liệu. Sự ảnh hưởng của hình dạng sợi thép cũng được kiểm chứng cụ thể trong nghiên cứu khác của Doo-Yeol Yoo và cộng sự [22].
M.Orgass cùng cộng sự [23] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài sợi thép và kích cỡ cốt liệu đến tính năng cơ học của UHPFRC, hàm lượng sợi thép sử dụng trong nghiên cứu là 0%, 1% và 2% (Hình 2.6). Kết quả thí nghiệm cho thấy các nhóm mẫu bê tông RPC (Reactive powder concrete) vượt trội hơn các mẫu UHPC, cụ thể là ở cường độ chịu nén, nhóm mẫu C-UHPC có cỡ hạt cốt liệu đến 5mm cho giá trị cường độ chịu nén là 129MPa, giá trị này nhỏ hơn các mẫu C-RPC có cốt liệu hạt từ 0.3-0.8mm (đạt giá trị 154 MPa) ứng với mẫu có 2% sợi thép.
Hình 2.6. Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị các nhóm mẫu [23]
</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">15
Các mẫu dầm kích thước (100100500) mm với các hàm lượng sợi 0%, 1.0%, 2.0% được thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng chịu uốn của các mẫu với 2 loại sợi ngắn và dài như ở Hình 2.6. Việc tăng hàm lượng sợi thép dẫn đến việc làm tăng độ bền dẻo của bê tông, đặc biệt khả năng chịu lực tăng từ 34.6% đến 73.9% khi trộn 2 loại sợi thép vào bê tông với tỉ lệ 1.0% sợi ngắn và 1.0% sợi dài. Việc trộn 2 loại sợi này cũng ảnh hưởng nhiều đến ứng xử sau nứt của dầm, giúp tăng độ dẻo dai cho cấu kiện.
Việc nghiên cứu UHPC trong nước hiện nay cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm và thực hiện. UHPC cũng đã được triển khai vào các dự án dân dụng và cầu đường, như việc sửa chữa mặt cầu Thăng Long năm 2020-2021 hoặc chế tạo các dầm cầu phân đốt căng sau [24]. Trần và cộng sự [25], [26] đã đánh giá ảnh hưởng của sợi thép và sợi hỗn hợp đến tính năng của bê tơng UHPC cốt liệu nhỏ tại Việt Nam. Cát thạch anh sử dụng là 980kg/m<sup>3</sup> và hàm lượng sợi lần lượt là 0.0%, 1.0%, 2.0% và 3.0%. Kết quả cho thấy hàm lượng sợi ảnh hưởng đến tính cơng tác của hỗn hợp. Cường độ chịu nén, kéo và uốn tăng tương ứng 23%, 87% và 157% khi tăng hàm lượng sợi từ 0% lên 3%.
Với các kết quả nghiên cứu trên, có thể thấy rằng sợi thép đóng vai trị quan trọng trong ứng xử của bê tông UHPFRC, giúp cho loại bê tông này có thể sử dụng cho các cấu kiện chịu tải trọng đặc biệt như tải trọng va đập hoặc tải trọng nổ.
<b>Tấm chịu tải trọng va đập </b>
S. Elavenil và cộng sự [27] đã đánh giá ứng xử của tấm bê tông cốt sợi chịu tải trọng va đập, mục tiêu của bài báo là nghiên cứu mối liên quan giữa tải trọng với chuyển vị, vận tốc và gia tốc tấm. 18 mẫu có kích thước (600600) mm được chế tạo và lắp đặt như Hình 2.7 với các chiều dày khác nhau 10mm, 25mm và 30mm, với 3 hàm lượng sợi thép là 0.5%, 0.75% và 1.0%. Các cạnh của tấm được cố định ở tất cả các bên.
Vật nặng làm bằng thép nặng 4.5kg được liên kết với sợi dây thép thẳng đứng để điều khiển cho vật nặng di chuyển lên xuống tác dụng vào tấm. Chiều cao rơi của vật nặng là 750mm và được giữ cố định trong suốt quá trình thí nghiệm. Kết quả cho thấy hàm lượng sợi thép ảnh hưởng không rõ ràng đến khả năng chịu lực với hàm lượng sợi nhỏ hơn 0.5%. Khi hàm lượng sợi tăng 0.75% và 1.0% thì lúc này khả năng chịu lực tăng 60%. Bên cạnh đó, khi càng tăng hàm lượng sợi thép thì vết nứt càng giảm, và bề rộng vết nứt của tấm bê tông cốt sợi nhỏ hơn rất nhiều so với tấm bê tông không có sợi.
</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">a. Khung và mẫu thí nghiệm
</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">Hình 2.9. Mơ hình thí nghiệm [29]
Hình 2.10. Ảnh hưởng hình dạng vật nặng đến sự phá hoại của mẫu
Yu và cộng sự [30] đánh giá khả năng chịu tải va đập của con lắc tác động lên cấu kiện UHPFRC. Kết quả nghiên cứu cho thấy chiều dài sợi thép đóng vai trị quan trọng trong việc tiêu tán năng lượng của tấm. Với tổng lượng sợi thép không đổi (2.0%), tỷ lệ sợi
</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">18
ngắn dạng thẳng cao hơn sẽ làm giảm khả năng hấp thụ năng lượng của mẫu bê tơng. Ngồi ra, so với việc sử dụng 1 loại sợi thì việc sử dụng hỗn hợp sợi ngắn và dài hoặc sợi móc 2 đầu sẽ cho kết quả tốt hơn.
Jin- Young Lee cùng cộng sự [31] tiến hành nghiên cứu thử nghiệm va đập của tấm 2 phương với bê tơng có cường độ từ 25 MPa đến 180 MPa, trong đó sử dụng 2 loại sợi thép là sợi thẳng và sợi uốn móc 2 đầu. Thí nghiệm được tiến hành với vật nặng được thả rơi từ độ cao nhất định xuống tấm bê tông. Tấm thí nghiệm có kích thước (16001600105) mm. Sau khi chịu tải trọng va đập, nếu so sánh trong cùng loại bê tông cường độ cao (180 MPa) thì mẫu khơng có sợi (UHPC-180-F0.0) bị phá hoại nhanh hơn, tương ứng với lần đập thứ 2, mẫu bị phá hoại theo hình dạng chọc thủng, trong khi đó các mẫu có sợi (UHPC-180-F2.0) chỉ bị nứt trên bề mặt và bị phá hoại ở lần đập thứ 11 của vật nặng (Hình 2.11). Bên cạnh đó, sự có mặt của sợi thép cũng giúp giảm độ võng và giảm rung cho tấm.
a. Tấm UHPC-180-F0.0 b. Tấm UHPC-180-F2.0
Hình 2.11. Phá hoại của mẫu [31]
<b> Mơ hình số của tải trọng va đập </b>
Bên cạnh việc đánh giá ứng xử của tấm bằng phương pháp thực nghiệm, các mơ hình số cho kết cấu chịu tải trọng va đập đã được thiết lập bằng các phần mềm như ANSYS, ABAQUS hoặc LS-DYNA.
</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">19
Mơ hình vật liệu RHT được Riedel và cộng sự [32]–[34] phát triển và đưa vào phân tích mơ hình số trong ANSYS-AUTODYN vào những năm 2000. Đây là mơ hình chảy dẻo cho vật liệu giịn, được sử dụng để phân tích mơ phỏng số cho kết cấu chịu tải trọng va đập.
Tu và Lu [35] đã đánh giá ứng xử của kết cấu khi chịu tải trọng nổ với mô hình vật liệu RHT. Kết quả mơ phỏng đã chỉ ra được rằng các vết nứt của thử nghiệm không hợp lý khi sử dụng các tham số mặc định, trên bề mặt chỉ có hiện diện một số vết nứt lớn. Trong khi đó, việc sử dụng mơ hình với các thơng số đã được hiệu chỉnh cho kết quả được cải thiện rõ rệt hơn như thể hiện ở Hình 2.12. Có thể thấy rằng, giá trị mặc định không thể mô phỏng ứng xử thực tế của bê tơng nên các thơng số của mơ hình vật liệu cần phải được hiệu chỉnh lại trong các điều kiện tải trọng khác nhau [36].
a. Thông số mặc định b. Thông số hiệu chỉnh Hình 2.12. Hình dạng phá hoại được mơ hình trong AUTODYN với RHT
Heckoter và Siever [37] cũng đã tiến hành so sánh việc triển khai mơ hình vật liệu RHT cho bê tơng trong phân tích bằng phần mềm LS-DYNA và ANSYS-AUTODYN. Sự phá hoại trên các mặt cắt của sàn được ghi nhận trong cả mơ hình và thực nghiệm như ở Hình 2.13. Kết quả cho thấy ứng xử của kết cấu khi mơ phỏng phụ thuộc vào kích thước chia lưới và các đặc tính của vật liệu khi chịu kéo.
</div>
