(Vật liệu mới) BÊ TÔNG CỐT SỢI CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TĂNG CƯỜNG CHO BẢN MẶT CẦU

BÊ TÔNG CỐT SỢI CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TĂNG CƯỜNG CHO BẢN MẶT CẦU

Tohru MAKITA1

TÓM TẮT: Bê tông cốt sợi cường độ siêu cao (UHPFRC) là vật liệu gốc xi măng, thường cấu
tạo bởi xi măng, cát thạch anh, silicafum và sợi. Nó có những đặc tính tuyệt vời: cường độ nén
tương đối cao (≥150 MPa) và cường độ kéo (≥ 7MPa), độ bền biến dạng dưới ứng suất kéo (với
một lượng sợi nhất định) và hệ số thấm rất thấp bởi chất kết dính được tối ưu hóa đặc chắc.
Những tính chất này khiến UHPFRC phù hợp với những bộ phận kết cấu cần độ bền cơ học và
chịu tác động của môi trường khắc nghiệt. Ví dụ, lớp mặt UHPFRC hoặc UHPFRC kết hợp với
cốt thép (R-UHPFRC) ở trên bề mặt của bản mặt cầu bê tông cốt thép là sự kết hợp hiệu quả
làm tăng độ bền và cải thiện độ bền của các cấu kiện. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối
với những cấu kiện nơi mà UHPFRC chủ yếu chịu ứng suất kéo do tải trọng bánh xe. Bài báo
trình bày một số kiến thức cơ bản về UHPFRC như là một loại vật liệu để cải thiện chất lượng
cho bản mặt cầu. Thứ nhất, tính chịu kéo tĩnh của UHPFRC được mô tả. Sau đó, độ mỏi khi
kéo của UHPFRC được giải thích dựa trên kết quả thực nghiệm. Cuối cùng, hai ví dụ về ứng
dụng của UHPFRC cho bản mặt cầu ở Thụy Sĩ được trình bày.
TỪ KHÓA: Cementitious material, Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete
(UHPFRC), Static tensile behaviour, Tensile fatigue behaviour, Improvement of bridge deck
slabs
1. GIỚI THIỆU
Để bắt kịp với mức tăng tải trọng giao thông, bản mặt cầu cần phải tăng khả năng chịu tải trọng.
Từ khi người quản lý đường phải quản lý một số lượng lớn các cây cầu với ngân sách hạn chế,
yêu cầu phải có phương pháp làm tăng cường độ của bản mặt cầu. Trong bối cảnh này, một giải
pháp mới được đề xuất đó là lớp mặt bê tông cốt sợi cường độ siêu cao (UHPFRC) hoặc
UHPFRC kết hợp với cốt thép (R-UHPFRC) ở trên bản mặt cầu để cải thiện chất lượng cho bản
mặt cầu do giáo sư Eugen Brühwiler của Viện Công nghệ Lausanne liên bang Thụy Sĩ vào năm
1999 (Hình 1). Do những đặc tính của UHPFRC như cường độ nén và cường độ kéo cao (≥ 150
and 7 MPa, tương ứng), độ bền biến dạng dưới ứng suất kéo và mật độ nén cao, áp dụng
UHPFRC đối với những chỗ cụ thể mà cấu kiện cần độ bền cơ học và chịu tác động của môi
trường khắc nghiệt là một can thiệp cấp tốc để tăng độ bền và cải thiện độ bền của các cấu kiện.

Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với những cấu kiện nơi mà UHPFRC chủ yếu chịu ứng
suất kéo do tải trọng bánh xe. Trong trường hợp này, chu kỳ lặp lại của ứng suất kép được đặt
lên UHPFRC hoặc lớp R-UHPFRC và độ mỏi khi kéo của UHPFRC hoặc R-UHPFRC cần
được kiểm chứng trong quá trình thiết kế.

1

Tiến sĩ. ès sc.,Công ty TNHH Nippon Expressway miền Trung, Nhật Bản


Trong bài báo này, tính chịu kéo tĩnh của UHPFRC được mô tả. Ngoài ra, độ mỏi khi kéo của
UHPFRC được giải thích dựa trên kết quả thực nghiệm. Cuối cùng, hai ví dụ về ứng dụng của
UHPFRC cho bản mặt cầu ở Thụy Sĩ được trình bày.

LỚP
UHPFRC
HOẶC R-UHPFRC
UFPFRC
or R-UHPFRC
layer

Hình 1. Bản mặt cầu bê tông cốt thép được cải tiến bằng lớp UHPFRC (hoặc R-UHPFRC)
2. TÍNH CHỊU KÉO TĨNH CỦA UHPFRC VÀ R-UHPFRC
UHPFRC thuộc nhóm vật liệu composites xi măng cốt sợi cường độ cao (HPFRCC) (Hình 2).
Điều làm nên sự khác biệt từ bê tông cốt sợi (FRC) đó là độ bền biến dạng dưới ứng suất kéo
kèm theo nhiều microcracking.

Hình 2. Phân loại theo cấp bậc của vật liệu gốc xi măng [1]
Một đặc trưng điển hình độ bền biến dạng dưới ứng suất kéo của UHPFRC được miêu tả ở 03
lĩnh vực sau đây (Hình 3):

- Miền đàn hồi bị ảnh hưởng bởi các tính chất của chất kết dính cho đến khi nó đạt đến cường
độ kéo của nó và tính chất đó được gọi là cường độ đàn hồi giới hạn fe. Các vết nứt nhỏ bắt
đầu xuất hiện tại giá trị ứng suất trong vùng tiệm cận với giới hạn đàn hồi
- Các vết nứt nhỏ được khắc phục và kiểm soát bởi cốt sợi.Sau khi thêm cốt sợi Các vết nứt
nhỏ xuất hiện nhiều hơn trong các mẫu thí nghiệm trong miền bền biến dạng. Tỷ lệ của ứng


-

-

suất kéo trong modun biến dạng giảm đáng kể. Độ bền biến dạng kéo dài cho đến khi sức
kháng đạt giới hạn hoặc độ bền kéo fu. đạt được trong phần yếu nhất của mẫu thử
Trong miền biến dạng mềm vượt quá giới hạn bền, vết nứt sẽ xuất hiện trong phần yếu nhất
và có thể được nhìn thấy bằng mắt thường. Do đó để xác định vị trí biến dạng trong vùng
nứt thì các vùng bên ngoài phải không có tải trọng áp dụng. Cuối cùng, mẫu thử gãy thành
hai phần ở cuối của quá trình hóa mềm
Đồ bền kéo tĩnh của UHPFRC phụ thuộc vào hướng và cách bố trí của cốt sợi. Để gia tăng
sự ổn định và độ tin cậy cho độ bền kéo của UHPFRC bằng cách sử dụng thêm các thanh
gia cố hoặc sử dụng thêm cốt sợi

Figure 3. Sơ đồ thể hiện sự phản ứng lại lực kéo của UHPFRC
3. ĐỘ BỀN MỎI CỦA UHPFRC
Các thí nghiệm nghiên cứu tính bền mỏi của UHPFRC đã được thực hiện trong miền bền biến
dạng kéo UHPFRC Chi tiết của các thí nghiệm được báo cáo trong [4]. Trong phần này, sẽ tóm
tắt các phát hiện chính trong thí nghiệm độ bền mỏi của UHPFRC.
Mẫu thí nghiệm UHPFRC sử dụng cho các thí nghiệm độ bền mỏi được đúc liền có mặt cắt
ngang hình chữ nhật (Hình 4a). Hỗn hợp UHPFRC bao gồm 3% khối lượng cốt sợi thép có
chiều dài 13mm và có đường kính là 0.16 mm và sử dụng Xi măng loại CEM III/B có hàm
lượng xỉ lò cao ( 66-80%). Mẫu thí nghiệm có chiều dài 750mm và có mắt cắt ngang là 150x40

mm.Đê mẫu thía nghiệm gãy ở vùng trung tâm dài 250 mm thí người ta gia cố thêm 2 tấm nhôm
có kích thước 250x 150x2 mm ở phần cuối mẫu. Hai biến áp vi sai biến đổi tuyến tính 250 mm
và 5 bộ cảm biến dịch chuyển với chiều dài đo dịch chuyển 50 mm được sử dụng để đo mẫu
biến dạng. Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính được lắp đặt trên cả hai mặt của mẫu thử để đo
biến dạng toàn phần Δℓg. 5 cảm biến dịch chuyển được lắp đặt trên bề mặt mẫu để đo vị trí biến
dạng Δℓ1 trong 5 vúng liên tiếp.
Thí nghiệm độ bền mỏi vơi biên độ lực không đổi gồm 3 thí nghiệm khác nhau được tiến hành
ở các ứng suất khác nhau được đặc trưng bởi ứng suất mỏi áp dụng lớn nhất σmax và biến dạng
áp dụng trước εpre Mỗi thử nghiệm mỏi được mô tả như sau, đường cong ứng suất biến dạng
tĩnh được mô tả theo Hình 4b:
-

Thí nghiệm S1: Ứng suất mỏi lớn nhất trong miền đàn hồi
Thí nghiệm S2: Biến dạng áp dụng ban đầu đưa vào miền bền biến dạng theo thí nghiệm
bền mỏi


-

Thí nghiệm 3: Biến dạng áp dụng ban đầu đựa vào miền biến dạng dẻo theo thí nghiệm bền
mỏi

Ứng suất mỏi nhỏ nhất σmin là 0.82 Mpa cho thí nhiệm 1 và là 10% σmax cho thí nghiệm 2 và 3.
Từ các kết quả thử nghiệm vẽ trong sơ đồ SN, giới hạn chịu mỏi ở mức 10 triệu chu kỳ được
xác định là vào khoảng 70%, 55-65% và 45% của giới hạn cường độ đàn hồi cho loạt S1, S2 và
S3, tương ứng (Hình 5). 10 triệu chu kỳ mỏi đã được chọn vì nó là một con số thực tế cho đại
diện cho trục tải trong các cây cầu có lưu lượng xe cao, và nó cũng được coi như là một biên
dưới của miền mỏi chu kỳ rất cao. Biến dạng toàn phần và vị trí biến dạng được vẽ sơ đồ theo
số lượng số chu kỳ mỏi N của mỗi thí nghiệm. Đường cong biến dạng mỏi thu dược từ thí
nghiệm 1 cho thấy 3 tính chất đặc biệt đó là phân bố lại biến dạng cục bộ, thay đổi trong vị trí

biến dạng và thay đổi phạm vi biến dạng. Biến dạng gây ra bởi tải trọng trước là tương đối cao
trong thí nghiệm 2 và 3, biến dạng còn lại có chỉ số biến dạng mỏi trội hơn và do đó tính biến
dạng mỏi đáng lưu ýđã không được quan sát.

(a)

(b)

Figure 4. (a) Hình dạng mẫu thử UHPFRC và các thiết bị đo lường and (b) Sơ đồ kéo tĩnh
của UHPFRC và định nghĩa các thí nghiệm mỏi.


(c)
Hình 5. Biểu đồ S-N của (a) chuỗi S1, (b) chuỗi S2 và (c) chuỗi S3
4. ỨNG DỤNG.
Từ năm 2004, ở Thụy Sĩ, UHPFRC và R-UHPFRC đã được áp dụng thành công cho rất nhiều
kết cấu bê tông như xây dựng cầu đường và công trình xây dựng để cải thiện khả năng chịu tải
và độ bền [5, 6]. Hai trường hợp ứng dụng thực tế của UHPFRC và R-UHPFRC được mô tả
trong phần này.
4.1 CẦU BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP CỦA ĐƯỜNG LIÊN BANG
Bê tông cốt thép toàn khối (RC) cầu bản (Pont des Vernettes) xây dựng vào năm 1963 với 6 cột
hỗ trợ đã được gia cường bằng cách áp dụng UHPERC và R-UHPFRC cho toàn bộ bề mặt sàn
bao gồm cả lề đường vào mùa thu năm 2011. Cây cầu nằm gần Lausanne là một phần của con
đường giao thông liên bang (Hình 6a). Khả năng chịu tải của cầu đã được xác định là không đủ
với các loại xe hiện nay và tương lai. Bên cạnh đó, bề mặt sàn của cầu đã xấu đi do clorua ăn
mòn thép . UHPFRC dày 25mm được thiết kế cho việc củng cố và chống thấm sàn, ngoại trừ
các khu vực trên cột nơi được thiết kế để nâng cao khả năng chịu uốn và kháng cắt với cốt thép
vằn đường kính từ 18mm đến 22mm lớp UHPFRC dày 65mm (Hình 7).
Hỗn hợp UHPFRC gồm có xi măng, bột khoáng đá vôi, silica fume, cát thạch anh, sợi thép
4.5% khối lượng và phụ gia siêu dẻo. Bột khoáng đá vôi được sử dụng bởi vì kinh tế, tính khả

thi và thân thiện môi trường UHPFRC [7]. Vật liệu UHPFRC được chuẩn bị tại chỗ và được
pha trộn khoảng 300 lít cho một mẻ.
Đầu tiên gỡ bỏ và làm nhám bề mặt trên RC sâu từ 20mm đến 40mm bằng tia nước áp lực cao.
UHPFRC sau đó được đúc với công tụ tiêu chuẩn và đơn giản (Hình 6b). Cuối cùng áo đường
bitum được áp dụng trên nhũ tương bitum trên bề mặt UHPFRC sau hơn ba ngày kể từ ngày
đóng rắn. Giao thông cả hai chiều đã được giữ trong một làn đường công vụ.


Hình 6. (a) Cầu bản Pont des Vernettes và (b) Thi công UHPFRC với công cụ đơn giản
13.40 m
R-UHPFRC: 65 mm
UHPFRC: 25 mm (rebar: Φ18,Φ22) UHPFRC: 25 mm

(a)
(b)
Hình 7. (a) Mặt bằng và (b) mặt cắt ngang A-A của cầu Pont des Vernettes
4.2 DẦM HỘP BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC CHO CẦU TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC [8]
Vào mùa hè năm 2014 và 2015, R-UHPFRC đã được bao phủ trên mặt sàn hơn 2.150 m-dài
trên hai dầm hộp bê tông dự ứng lực song song của cầu cạn Chillon được xây dựng vào năm
1969 (hình 8a). Mỗi cầu được chống đỡ bởi hai mươi hai cột và chia thành năm phần độc lập
bằng việc sử dụng các khe co giãn. Các cây cầu nằm trên bờ hồ Geneva gần Montreux tại Thụy
Sĩ, lưu lượng đường cao tốc A9 nối liền khu vực hồ Geneva và bang Valais với khoảng 50.000
xe mỗi ngày. Trong thời gian thi công cải tạo năm 2012, đã phát hiện được các cây cầu bị ảnh
hưởng bởi phản ứng của cốt liệu kiềm (AAR). Để làm chậm tốc độ của AAR, bê tông cần phải
được bảo vệ khỏi sự xâm nhập nước. Bên cạnh đó, để tránh việc giảm cường độ của bê tông do
AAR, các tấm sàn và dầm hộp này cần thiết kế được tăng cường. Do đó, Lớp UHPFRC với
thép vằn đường kính 12mm được thiết kế dày 40-50mm để chống thấm và tăng cường độ (Hình
8b).
Trong ứng dụng này, các UHPFRC đã được yêu cầu để hiển thị hành vi “ Biến dạng – độ cứng”
dưới ứng suất kéo tĩnh. Ngoài ra, các UHPFRC cần phải có tính trực hướng vì nó được đúc trên

dốc lên đến 7%. Vật liệu UHPFRC đã được chuẩn bị trong trạm trộn tại chỗ và khoảng 500 lít
đã được pha trộn một mẻ.
Sau khi gia công bề mặt tạo nhắm tấm sàn với tia nước áp lực cao, thép vằn được lắp đặt, sau
đó UHPFRC được đúc bằng cách sử dụng một máy rải đặc biệt mà có thể đặt, đầm và kết thúc
UHPFRC (Hình 8c). Xe tải Dumper cung cấp thường xuyên cho máy những UHPFRC tươi. Để
chắc chắn rằng bê tông của tấm sàn là không bao giờ tiếp xúc với nước, màng chống thấm đã
được sử dụng trên các bề mặt UHPFRC và 80mm dày vỉa hè bitum cuối cùng đã được đặt. Công
việc sửa chữa đã được thực hiện cho các cây cầu đi về phía nam vào mùa hè năm 2014 và các
cầu nối hướng Bắc vào mùa hè năm 2015. Tất cả các công việc sửa chữa được tiến hành trong


vòng một tháng cho mỗi cầu. Giao thông ở cả hai chiều vẫn được đảm bảo trong suốt thời gian
nâng cao chất lượng và sửa chữa.

(a)

12.10 m
R-UHPFRC: 40 ~ 50 mm (rebar: Φ12)

(b)

(c)
Hình 8. (a) cầu cạn Chillon, (b) mặt cắt ngang điển hình của cầu cạn Chillon và (c) máy rải
đặc biệt cho máy đúc UHPFRC
5. KẾT LUẬN
Trạng thái kéo tĩnh và chịu mỏi kéo của UHPFRC đã giải thích về đặc tính tuyệt vời của nó .
Áp dụng UHPFRC cho các cầu ở Thụy Sĩ để cải thiện khả năng chịu tải và độ bền . Hiệu quả
của công nghệ này được chứng minh bởi hơn 10 năm kinh nghiệm ở Thụy Sĩ, và tại Nhật Bản,
các nhà đầu tư hiện đã bắt đầu phát triển UHPFRC đổ tại chỗ hỗn hợp bằng cách sử dụng vật
liệu địa phương và bao phủ trên mặt sàn RC của cầu đường cao tốc.

6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Habel, K., Structural Behaviour of Elements Combining Ultra-High Performance
Reinforced Concretes (UHPFRC) and Reinforced Concrete, Doctoral thesis No. 3036,
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2004
/>2. Wuest, J., Denarié, E. and Brühwiler E., “Measurement and modelling of fibre distribution
and orientation in UHPFRC”, Proceedings of the 5th workshop on High Performance Fiber
Reinforced Cement Composites (HPFRCC-5), Mainz, Germany, 2007


3. Oesterlee, C., Structural response of reinforced UHPFRC and RC composite members,
Doctoral thesis No. 4848, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2010
/>4. Makita, T. and Brühwiler, E., “Tensile fatigue behaviour of ultra-high performance fibre
reinforced concrete (UHPFRC)”, Materials and Structures, Vol. 47, Issue 3, 2014, 475-491.
5. Brühwiler, E. and Denarié, E., “Rehabilitation and strengthening of concrete structures
using Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete”, Structural Engineering
International, Vol. 23, No. 4, 2013, 450-457
6. Denarié, E. and Brühwiler, E., “Cast-on site UHPFRC for improvement of existing
structures – Achievements over the last 10 years in practice and research”, Proceedings of
the 7th workshop on High Performance Fiber Reinforced Cement Composites (HPFRCC7), Stuttgart, Germany, 2015
7. Denarié, E., Kazemi-Kamyab, M., Brühwiler, E., Haddad, B. and Nendaz S., “Béton fibré
ultra performant pour la maintenance, un nouvel élan”, Tracés, Vol. 137, Issue 12, 2011,
20-23
8. Brühwiler, E., Bastien-Masse, M., Mühlberg, H., Houriet, B., Fleury, B., Cuennet, S., Schär,
P., Boudry, F. and Maurer, M. “Strengthening the Chillon viaducts deck slabs with
reinforced UHPFRC”, Proceedings of IABSE Conference – Structural Engineering:
Providing Solutions to Global Challenges, Geneva, Switzerland, 2015