Nghiên cứu thành phần, tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ dùng trong xây dựng cầu ở Việt Nam

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

ĐẶNG THÙY CHI

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN,
TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT
LIỆU NHẸ DÙNG TRONG XÂY
DỰNG CẦU Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI-2017


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

ĐẶNG THÙY CHI

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH
CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ
DÙNG TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở
VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
MÃ SỐ: 62-58-02-05

Hướng dẫn khoa học:
GS. Phạm Duy Hữu - ĐH Giao thông vận tải

GS. Eric Garcia-Diaz – ĐH Mỏ Alès, CH Pháp

HÀ NỘI-2017


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kì công trình nào
khác.

Tác giả

Đặng Thùy Chi


iii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài khảo cứu tài liệu, nghiên cứu thí nghiệm và tổng hợp, luận án
tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu thành phần, tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ
dùng trong công trình cầu ở Việt Nam» đã hoàn thành.
Để đạt được kết quả này, tôi xin chân thành cảm ơn Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Duy
Hữu, người đã trực tiếp hướng dẫn, đưa ra hướng nghiên cứu, đóng góp nhiều ý
kiến quí báu và sửa chữa từng câu chữ để luận án được hoàn thành.
Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Giáo sư Eric Garcia-Diaz, người đã
tận tình hướng dẫn và cung cấp cho tôi nhiều tài liệu quí giá để hoàn thành luận án

này, cho dù có một khoảng cách khá xa về địa lý.
Để đạt được kết quả này, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, còn có sự giúp đỡ
của cá nhân, tập thể, cơ quan hữu quan. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp
ở bộ môn Vật liệu xây dựng, các đồng nghiệp ở Khoa Kỹ thuật xây dựng, Đại học
Giao thông vận tải đã hết lòng giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi cũng xin được cảm ơn sự giúp đỡ của Ban Giám Hiệu, trường ĐH Công nghệ
Giao thông vận tải; lãnh đạo và các anh chị em thí nghiệm viên ở các phòng thí
nghiệm Công trình - Đại học Công Nghệ GTVT, phòng thí nghiệm Vật liệu xây
dựng – Đại học Thủy Lợi và phòng thí nghiệm Bê tông – Viện Khoa học xây dựng
đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm trong quá trình nghiên cứu.
Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến PGS. TS. Nguyễn Ngọc
Long, Hiệu trưởng trường Đại học Giao thông vận tải, Phòng Đào tạo Sau Đại học,
Bộ môn Cầu hầm đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập
và hoàn thành luận án này.


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... iii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. xv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... xix
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1.

Tính cấp thiết của đề tài............................................................................. 1

2.

Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 3

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................. 3

4.

Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 3

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................. 4

6.

Những đóng góp mới của luận án .............................................................. 4

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ............................... 6
1.1. Khái quát về bê tông nhẹ ........................................................................... 6
1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển ...................................................................... 6
1.1.2. Khái niệm và phân loại bê tông nhẹ ........................................................... 8
1.2. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ ........................................................ 10
1.2.1. Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cốt liệu nhẹ ........................................ 10
1.2.1.1. Cốt liệu tự nhiên................................................................................... 10
1.2.1.2. Cốt liệu nhân tạo.................................................................................. 11
1.2.2. Các tính chất cơ lý của cốt liệu nhẹ ......................................................... 13
1.2.2.1. Độ rỗng và vi cấu trúc ......................................................................... 13

1.2.2.2. Khối lượng thể tích............................................................................... 14
1.2.2.3. Độ hút nước ......................................................................................... 16
1.2.2.4. Các tính chất cơ học của cốt liệu nhẹ ................................................... 17
1.3. Các tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ...................................................... 18
1.3.1. Khối lượng thể tích.................................................................................. 18


v

1.3.2. Cường độ nén .......................................................................................... 18
1.3.3. Mô đun đàn hồi ....................................................................................... 21
1.3.4. Hệ số giãn nở nhiệt.................................................................................. 22
1.3.5. Từ biến và co ngót ................................................................................... 22
1.3.6. Độ bền..................................................................................................... 24
1.4. Bê tông cốt liệu nhẹ trong xây dựng cầu .................................................. 24
1.4.1. BTCLN trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu ................................................ 25
1.4.1.1. Tiêu chuẩn Việt Nam và Mỹ ................................................................. 25
1.4.1.2. Tiêu chuẩn châu Âu.............................................................................. 26
1.4.2. Ưu nhược điểm của BTCLN khi sử dụng trong xây dựng cầu ................. 27
1.4.3. Các khuyến cáo khi ứng dụng BTCLN trong công trình cầu .................... 29
1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ ở Việt Nam .......... 29
1.6. Kết luận chương ...................................................................................... 32
CHƯƠNG 2 - VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BÊ TÔNG
CỐT LIỆU NHẸ.................................................................................................... 33
2.1. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ ........................................................ 33
2.1.1. Cốt liệu nhẹ ............................................................................................. 33
2.1.1.1. Nguồn gốc ............................................................................................ 33
2.1.1.2. Thành phần hạt của cốt liệu nhẹ........................................................... 34
2.1.1.3. Khối lượng riêng, khối lương thể tích và độ hút nước của cốt liệu nhẹ . 35
2.1.1.4. Khối lượng thể tích xốp và độ hổng ...................................................... 36

2.1.1.5. Độ bền khi nén trong xi lanh (độ nén giập) .......................................... 37
2.1.2. Cát .......................................................................................................... 38
2.1.2.1. Xác định thành phần hạt của cát .......................................................... 38
2.1.2.2. Khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ hút nước........................... 39
2.1.2.3. Khối lượng thể tích xốp và độ hổng ...................................................... 39
2.1.3. Xi măng .................................................................................................. 40
2.1.4. Phụ gia khoáng ........................................................................................ 41
2.1.5. Nước ....................................................................................................... 41
2.1.6. Phụ gia dẻo.............................................................................................. 41


vi

2.2. Phương pháp chế tạo mẫu thử BTCLN .................................................... 41
2.2.1. Chuẩn bị vật liệu ..................................................................................... 41
2.2.2. Nhào trộn hỗn hợp................................................................................... 42
2.2.2.1. Qui trình 1 ........................................................................................... 43
2.2.2.2. Qui trình 2 ........................................................................................... 43
2.2.3. Đổ mẫu và đầm nén ................................................................................. 44
2.2.4. Bảo dưỡng ............................................................................................... 45
CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CỐT LIỆU
NHẸ ...................................................................................................................... 46
3.1. Các phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ ...................... 46
3.1.1. Phương pháp ACI 211.2 – 98 .................................................................. 46
3.1.2. Phương pháp của Chandra và Berntsson .................................................. 49
3.1.1.1. Nguyên tắc thiết kế ............................................................................... 49
3.1.1.2. Các bước tính toán ............................................................................... 49
3.1.3. Phương pháp của Bazenov ...................................................................... 52
3.1.4. Phân tích ưu nhược điểm các phương pháp ............................................. 57
3.2. Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu composit và mô hình dự báo cường độ

bê tông ............................................................................................................. 58
3.2.1. Các phương pháp đơn giản để đồng nhất hóa vật liệu .............................. 58
3.2.1.1. Mô hình Voigt (mô hình song song) ...................................................... 58
3.2.1.2. Mô hình Reuss (mô hình nối tiếp) ......................................................... 59
3.2.1.3. Giới hạn (biên) của Hashin-Shtrikman (HS)......................................... 60
3.2.2. Mô hình nối tiếp/song song dự báo cường độ của bê tông cốt liệu nhẹ .... 61
3.2.3. Mô hình biến động dự báo cường độ của vữa xi măng – cát .................... 63
3.2.3.1. Vật rắn không đồng nhất gồm đá xi măng và một loại cốt liệu ............. 63
3.2.3.2. Vật rắn đồng nhất tương đương ........................................................... 64
3.2.3.3. Vật rắn đồng nhất tương đương chứa đá xi măng và N hạt cốt liệu ...... 65
3.2.3.4. Tính toán trường ứng suất nhận được .................................................. 66
3.2.3.5. Mô hình dự báo .................................................................................... 67


vii

3.2.4. Áp dụng mô hình biến động và mô hình nối tiếp/song song để tính cường
độ BTCLN ........................................................................................................ 67
3.2.4.1. Xác định gần đúng các đặc trưng của hồ xi măng ................................ 67
3.2.4.2. Xác định các đặc trưng của vữa xi măng .............................................. 68
3.2.4.3. Tính cường độ nén của bê tông cốt liệu nhẹ ......................................... 68
3.3. Sử dụng mô hình biến động và mô hình nối tiếp/song song để thiết kế thành
phần bê tông cốt liệu nhẹ .................................................................................. 68
3.3.1. Vật liệu sử dụng ...................................................................................... 68
3.3.2. Phương pháp thí nghiệm.......................................................................... 69
3.3.3. Các bước thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ theo mô hình nối
tiếp/song song và mô hình biến động ................................................................ 70
3.3.4. Tính toán thành phần bê tông và các đặc trưng cơ học theo mô hình nối
tiếp/song song và mô hình biến động ................................................................ 73
3.3.5. Kết quả thực nghiệm thành phần bê tông ................................................. 79

3.3.5.1. Kết quả thí nghiệm độ sụt ..................................................................... 79
3.3.5.2. Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích của bê tông nhẹ ....................... 80
3.3.5.3. Kết quả thí nghiệm cường độ nén ngày 28 của bê tông nhẹ .................. 81
3.4. Phân tích ảnh hưởng của thành phần đến các tính chất của BTCLN ........ 83
3.4.1. Khối lượng thể tích của bê tông ............................................................... 83
3.4.1.1. Ảnh hưởng loại cốt liệu đến khối lượng thể tích của BTCLN ................ 83
3.4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu đến KLTT của BTCLN .............................. 84
3.4.2. Cường độ chịu nén của BTCLN .............................................................. 85
3.4.2.1. Ảnh hưởng loại cốt liệu đến cường độ chịu nén của BTCLN ................ 85
3.4.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu đến cường độ chịu nén của BTCLN .......... 86
3.4.2.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến cường độ chịu nén của BTCLN .......... 87
3.4.3. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN .......................... 88
3.5. Kết luận chương ...................................................................................... 88
CHƯƠNG 4 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊ
TÔNG CỐT LIỆU NHẸ CHỊU LỰC .................................................................... 90
4.1. Kế hoạch thí nghiệm ............................................................................... 90


viii

4.2. Vật liệu, thành phần và phương pháp chế tạo BTCLN chịu lực ............... 91
4.2.1. Vật liệu sử dụng ...................................................................................... 91
4.2.2. Thành phần của bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực .......................................... 92
4.2.3. Phương pháp chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực .................................. 92
4.3. Khối lượng thể tích, cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ................. 93
4.3.1. Xác định KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ................... 93
4.3.2. Kết quả thí nghiệm KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ... 94
4.3.3. Phân tích kết quả thí nghiệm KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu
lực

............................................................................................................. 97

4.4. Mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực ...................................................... 98
4.4.1. Mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực ...................................................... 98
4.4.2. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực ....................... 98
4.4.3. Phân tích kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực ....... 100
4.5. Cường độ chịu kéo của BTCLN chịu lực ............................................... 104
4.5.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của BTCLN ............................ 104
4.5.2. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo của BTCLN chịu lực ................. 106
4.5.3. Diễn giải kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo của BTCLN chịu lực .. 107
4.5.3.1. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi bửa và cường độ chịu nén của
BTCLN ........................................................................................................... 109
4.5.3.2. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu nén của
BTCLN ........................................................................................................... 111
4.6. Độ chống thấm nước và độ thấm ion clo của BTCLN chịu lực .............. 113
4.6.1. Thí nghiệm xác định độ chống thấm và thấm ion clo của BTCLN ......... 113
4.6.2. Kết quả thí nghiệm độ chống thấm và độ thấm ion clo của BTCLN chịu lực
........................................................................................................... 115
4.6.3. Diễn giải kết quả thí nghiệm độ chống thấm và độ thấm ion clo của
BTCLN chịu lực ............................................................................................. 116
4.7. Kết luận chương .................................................................................... 117
CHƯƠNG 5 - THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ
TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ............................... 119


ix

5.1. Cơ sở lý thuyết ứng xử uốn của cấu kiện chịu uốn ................................. 119
5.1.1. Điều kiện tương thích ............................................................................ 119
5.1.2. Các điều kiện cân bằng .......................................................................... 120

5.2. Phương pháp phân tích dầm BTCLN chịu uốn thuần túy theo tiêu chuẩn
AASHTO LRFD 2007 .................................................................................... 121
5.2.1. Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 trong tính toán
kết cấu bê tông cốt thép .................................................................................. 121
5.2.2. Phân tích các giai đoạn làm việc của dầm BTCLN chịu uốn thuần túy theo
tiêu chuẩn AASHTO....................................................................................... 122
5.3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN ......................... 124
5.3.1. Vật liệu và thành phần BTCLN chế tạo dầm thí nghiệm ........................ 124
5.3.2. Mẫu dầm thí nghiệm ............................................................................. 125
5.3.3. Thiết bị thí nghiệm ................................................................................ 126
5.3.4. Qui trình thí nghiệm .............................................................................. 127
5.3.5. Kết quả thí nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN khi chịu tác dụng của tải
trọng ngắn hạn ................................................................................................ 128
5.3.5.1. Kết quả thí nghiệm ............................................................................. 128
5.3.5.2. Kiểu phá hoại ..................................................................................... 129
5.3.5.3. Ứng xử nứt ......................................................................................... 130
5.3.5.4. Mô men chảy dẻo ............................................................................... 130
5.3.5.5. Mô men tới hạn và sức kháng uốn ...................................................... 131
5.3.5.6. Độ võng dưới tác dụng của tải trọng khai thác ................................... 132
5.4. Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu BTCLN cấp 40 MPa theo tiêu chuẩn
AASHTO LRFD 2007 (22 TCN 272-05) ........................................................ 133
5.4.1. Vật liệu và kích thước hình học của kết cấu nhịp ................................... 133
5.4.1.1. Vật liệu làm kết cấu nhịp .................................................................... 133
5.4.1.2. Kích thước hình học kết cấu nhịp ....................................................... 134
5.4.2. Tải trọng thiết kế ................................................................................... 135
5.4.3. Kết quả tính toán ................................................................................... 136
5.4.3.1. Kiểm tra sức kháng uốn của mặt cắt giữa nhịp ................................... 136


x

5.4.3.2. Kiểm tra độ võng của mặt cắt giữa nhịp ............................................. 138
5.5. Kết luận chương .................................................................................... 138
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 140
1.

Kết luận .............................................................................................. 140

2.

Kiến nghị ............................................................................................ 142

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .................................. 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 144


xi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Cầu Pont du Gard (Pháp) ........................................................................ 6
Hình 1. 2. Khách sạn Park Plaza (Pháp)................................................................... 7
Hình 1. 3. Cầu Stolma (Na Uy)................................................................................ 8
Hình 1. 4. Một số loại cốt liệu nhẹ tự nhiên [90] ................................................... 11
Hình 1. 5 Một số loại cốt liệu nhẹ nhân tạo [90] .................................................... 12
Hình 1. 6. Kết quả nghiên cứu lỗ rỗng đo trên hai loại cốt liệu nhẹ sét nở (C1, C2)
và một loại đá phiến sét nở (S) (Zhang và Gjorv [87]) ........................................... 13
Hình 1. 7. Độ rỗng của cốt liệu nhẹ từ bùn ướt với các nhiệt độ và hàm lượng vôi
khác nhau (a) 0%, (b) 1% và (c) 5% (Liao và Huang [63]) .................................... 14
Hình 1. 8. Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén của các loại vữa khác nhau 20
Hình 1. 9. Quan hệ giữa KLTT sau khi tháo khuôn và cường độ nén của các loại

vữa khác nhau ....................................................................................................... 20
Hình 1. 10. Cơ chế vùng tiếp xúc đá xi măng – cốt liệu theo Zhang và Gjørv [83]. 21
Hình 1. 13. Đá bazan bọt ở Quảng Hiệp, Đắc Lắc ................................................. 30

Hình 2. 1. Sỏi SBL 10/20 (trái) và SBN 2,5/10 (phải) ......................................... 34
Hình 2. 2. Sỏi STL 5/20 (trái) và STL 2,5/5 (phải) ................................................ 34
Hình 2. 3. Thí nghiệm xác định độ bền khi nén trong xi lanh ................................. 37
Hình 2. 4. Cát sử dụng ........................................................................................... 38
Hình 2. 5. Thành phần hạt của cát sử dụng ............................................................ 39
Hình 2. 6. Muội silic sử dụng ................................................................................ 41
Hình 2. 7. Cốt liệu để nguội sau khi sấy (trái) và trộn ẩm (phải) trước khi đổ bê tông
.............................................................................................................................. 42
Hình 2. 8. Bề mặt cốt liệu nhẹ sau khi được trộn ẩm .............................................. 42
Hình 2. 9. Trộn vữa bằng máy trộn kiểu hành tinh ................................................. 43
Hình 2. 10. Trộn hỗn hợp bê tông bằng máy trộn cưỡng bức ................................. 44
Hình 2. 11. Qui trình trộn hỗn hợp bê tông ............................................................ 44
Hình 2. 12. Khuôn đúc bê tông .............................................................................. 44


xii

Hình 2. 13. Bảo dưỡng bê tông .............................................................................. 45

Hình 3. 1. Mô hình Voigt (V) ................................................................................ 59
Hình 3. 2. Mô hình Reuss (R) ................................................................................ 59
Hình 3. 3. Mô hình song song/nối tiếp thích hợp cho bê tông nặng ........................ 61
Hình 3. 4. Mô hình composit cốt liệu nhẹ/vữa cho BTCLN sử dụng cát thường .... 62
Hình 3. 5. Vật rắn không đồng nhất gồm đá xi măng M và một loại cốt liệu G chịu
một trường ứng suất dọc trục không đổi  = 0 ..................................................... 63
Hình 3. 6. Vật rắn không đồng nhất (trái) và đồng nhất tương đương (phải) .......... 64

Hình 3. 7. Vật rắn đồng nhất tương đương tạo bởi đá xi măng M và N hạt cốt liệu
chịu một trường ứng suất không đổi σ = σo ............................................................ 66
Hình 3.8. Mẫu lập phương thí nghiệm thành phần BTCLN ................................... 69
Hình 3. 9. Thí nghiệm nén mẫu lập phương ........................................................... 69
Hình 3. 10. Tổng hợp vật liệu và thành phần BTCLN ............................................ 73
Hình 3. 11. Ảnh hưởng của KLTT cốt liệu đến KLTT của BTN (N/CKD = 0,24) . 83
Hình 3. 12. Ảnh hưởng của KLTT cốt liệu đến KLTT của BTN (N/CKD = 0,26) . 84
Hình 3. 13. Ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu đến KLTT của bê tông (N/CKD = 0,24).. 84
Hình 3. 14. Ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu đến KLTT của bê tông (N/CKD = 0,26).. 85
Hình 3. 15. Ảnh hưởng của KLTT CLN đến cường độ bê tông (N/CKD = 0,24) ... 86
Hình 3. 16. Ảnh hưởng của KLTT CLN đến cường độ bê tông (N/CKD = 0,26) ... 86
Hình 3. 17. Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích CLN đến cường độ bê tông (N/CKD =
0,24) ...................................................................................................................... 87
Hình 3. 18. Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích CLN đến cường độ bê tông (N/CKD =
0,26) ...................................................................................................................... 87
Hình 3. 19. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN...................... 88

Hình 4. 1. Thí nghiệm độ chảy lan của hỗn hợp BTCLN ....................................... 92
Hình 4. 2. Mẫu trụ thí nghiệm các đặc trưng cơ học của BTCLN chịu lực ............. 93
Hình 4. 3. Bảo dưỡng mẫu thử BTCLN chịu lực ................................................... 93
Hình 4. 4. Bịt đầu mẫu........................................................................................... 94


xiii

Hình 4. 5. Máy nén bê tông ................................................................................... 94
Hình 4. 6. Dạng phá hoại BTCLN cường độ cao khi nén dọc trục ......................... 97
Hình 4. 7. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi BTCLN....................................... 98
Hình 4. 8. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén của bê tông ........ 101
Hình 4. 9. Đánh giá sự phù hợp của các công thức tính mô đun đàn hồi với kết quả

thí nghiệm ........................................................................................................... 104
Hình 4. 10. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi bửa BTCLN................................ 105
Hình 4. 11. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn BTCLN................................ 106
Hình 4. 12. Mẫu thử BTCLN sau khi phá hoại do ép chẻ ..................................... 109
Hình 4. 13. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo bửa và cường độ nén của bê tông ... 110
Hình 4. 14. Quan hệ giữa cường độ kéo bửa và cường độ nén BTCLN của các tác
giả khác nhau ...................................................................................................... 111
Hình 4. 15. Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén của bê tông .......... 112
Hình 4. 16. Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén BTCLN của các tác
giả khác nhau ...................................................................................................... 113
Hình 4. 17. Mẫu thử độ chống thấm .................................................................... 113
Hình 4. 18. Thí nghiệm xác định độ chống thấm của BTCLN ............................. 114
Hình 4. 19. Mẫu BTCLN thử độ thấm ion clo...................................................... 114
Hình 4. 20. Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của BTCLN ............................ 115

Hình 5. 1. Sự phân bố biến dạng của bê tông trong mặt cắt dầm .......................... 120
Hình 5. 2. Ứng suất và hợp lực ............................................................................ 120
Hình 5. 3. Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn I ............................. 122
Hình 5. 4. Mặt cắt tính đổi ................................................................................... 123
Hình 5. 5. Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn phá hoại ....... 124
Hình 5. 6. Quá trình đúc mẫu dầm thí nghiệm ..................................................... 125
Hình 5. 7. Cấu tạo chi tiết mẫu dầm thí nghiệm ................................................... 126
Hình 5. 8. Thiết lập thí nghiệm ............................................................................ 127
Hình 5. 9. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng của các dầm thí nghiệm .............. 128
Hình 5. 10. Kiểu phá hoại của dầm BTCLN ........................................................ 130


xiv

Hình 5. 11. Mặt cắt ngang cầu ............................................................................. 134

Hình 5. 12. Mặt cắt ngang dầm ............................................................................ 135
Hình 5. 13. Sơ đồ xe tải và xe hai trục thiết kế ..................................................... 136


xv

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Phân loại bê tông nhẹ theo khối lượng thể tích theo EN 206-2013 .......... 9
Bảng 1. 2. Phân loại bê tông nhẹ theo cấp cường độ chịu nén EN 206-2013 ............ 9
Bảng 1. 3. Phân loại bê tông nhẹ theo ACI 213R-87 ................................................ 9
Bảng 1. 4. Khối lượng thể tích xốp của các loại cốt liệu nhẹ Bello [89] ................. 15
Bảng 1. 5. Độ hút nước theo thời gian của cốt liệu nhẹ nhân tạo thông dụng (Castro
và đồng sự [44]) .................................................................................................... 16
Bảng 1. 6. Các tính chất của cốt liệu rỗng (Zhang và đồng sự [82]) ....................... 17
Bảng 1. 7. Nghiên cứu so sánh vật liệu cầu Koningspleijbrug [47] ........................ 28

Bảng 2. 1. Thành phần hạt của các loại cốt liệu nhẹ sử dụng ................................. 34
Bảng 2. 2. Thành phần hạt của cốt liệu nhẹ cho bê tông theo TCVN 6220-1997 .... 35
Bảng 2. 3. Khối lượng riêng, KLTT của các loại cốt liệu nhẹ sử dụng ................... 36
Bảng 2. 4. KLTT xốp và độ hổng của các loại cốt liệu nhẹ sử dụng ...................... 36
Bảng 2. 5. Độ bền nén trong xi lanh của các loại CLN sử dụng ............................ 37
Bảng 2. 6. Các tính chất cơ lý của của các loại CLN sử dụng ................................ 37
Bảng 2. 7. Thành phần hạt của cát sử dụng ............................................................ 38
Bảng 2. 8. Khối lượng riêng, KLTT và độ hút nước của cát................................... 39
Bảng 2. 9. Khối lượng thể tích xốp và độ hổng của cát ......................................... 39
Bảng 2. 10. Các tính chất vật lý của cát ................................................................. 40
Bảng 2. 11. Các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng Bút Sơn PC40 ................................ 40

Bảng 3. 1. Độ sụt đề xuất đối với một số cấu kiện công trình................................. 47
Bảng 3. 2. Lượng nước dùng và hàm lượng bọt khí theo độ sụt và Dmax của cốt liệu

.............................................................................................................................. 47
Bảng 3. 3. Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/X và cường độ chịu nén của BT..................... 48
Bảng 3. 4. Thể tích cốt liệu lớn trong 1m3 bê tông ................................................. 48
Bảng 3. 5. Ước tính sơ bộ KLTT của hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu lớn nhẹ và
cốt liệu mịn thông thường ...................................................................................... 49


xvi

Bảng 3. 6. Hệ số a, b trong phương trình (3.1) ....................................................... 50
Bảng 3. 7. Cường độ nén tối thiểu của cốt liệu lớn ................................................ 52
Bảng 3. 8. Lượng dùng xi măng (kg/m3 BT) với cốt liệu rỗng có Dmax = 20 mm, cát
nặng, độ cứng hỗn hợp bê tông 5 – 8s. ................................................................... 53
Bảng 3. 9. Hệ số thay đổi lượng dùng xi măng khi có sự thay đổi mác xi măng, Dmax
của cốt liệu, loại cát và độ lưu động của hỗn hợp bê tông ...................................... 53
Bảng 3. 10. Lượng dùng nước ban đầu (l/m3 BT) để chế tạo hỗn hợp bê tông dùng
cát nặng và cốt liệu lớn .......................................................................................... 54
Bảng 3. 11. Mật độ thể tích của CLL với BTN dùng cát nặng ............................ 55
Bảng 3. 12. Mật độ thể tích tối ưu của cốt liệu lớn ................................................. 56
Bảng 3. 13. Lượng nước nhào trộn [23] ................................................................. 71
Bảng 3. 14. Thành phần BTCLN dùng sỏi STL 5/20 ............................................. 74
Bảng 3. 15. Thành phần qui đổi của vữa dùng sỏi STL 5/20 và các đặc trưng cơ học
tính toán bằng mô hình biến động .......................................................................... 74
Bảng 3. 16. Cường độ tính toán theo mô hình nối tiếp/song song của BTCLN dùng
sỏi STL 5/20 .......................................................................................................... 75
Bảng 3. 17. Thành phần BTCLN dùng sỏi SBN 2,5/10 .......................................... 75
Bảng 3. 18. Thành phần qui đổi vữa dùng sỏi SBN 2,5/10 và các đặc trưng cơ học
tính toán bằng mô hình biến động .......................................................................... 76
Bảng 3. 19. Cường độ tính toán theo mô hình nối tiếp/song song của BTCLN dùng
sỏi SBN 2,5/10 ...................................................................................................... 76

Bảng 3. 20. Thành phần BTCLN dùng sỏi SBL 10/20 ........................................... 77
Bảng 3. 21. Thành phần qui đổi của vữa dùng sỏi SBL 10/20 và các đặc trưng cơ
học tính toán bằng mô hình biến động ................................................................... 77
Bảng 3. 22. Cường độ tính toán theo mô hình nối tiếp/song song của BTCLN dùng
sỏi SBL 10/20........................................................................................................ 78
Bảng 3. 23. Thành phần BTCLN dùng sỏi STN 2,5/5 ............................................ 78
Bảng 3. 24. Thành phần qui đổi của vữa dùng sỏi STN 2,5/5 và các đặc trưng cơ
học tính toán bằng mô hình biến động ................................................................... 78


xvii

Bảng 3. 25. Cường độ tính toán theo mô hình nối tiếp/song song của BTCLN dùng
sỏi STN 2,5/5 ........................................................................................................ 79
Bảng 3. 26. Kết quả thí nghiệm độ sụt của BTCLN ............................................... 79
Bảng 3. 27. Kết quả thí nghiệm KLTT của BTCLN............................................... 80
Bảng 3. 28. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén BTCLN tuổi 28 ngày .............. 81

Bảng 4. 1. Kế hoạch thí nghiệm các đặc tính của BTCLN chịu lực ........................ 91
Bảng 4. 2. Thành phần BTCLN chịu lực................................................................ 92
Bảng 4. 3. Cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN LC60 .................................. 94
Bảng 4. 4. Cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN LC50 .................................. 95
Bảng 4. 5. Cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN LC40 .................................. 96
Bảng 4. 6. Mô đun đàn hồi của BTCLN CĐC LC60 .............................................. 99
Bảng 4. 7. Mô đun đàn hồi của BTCLN CĐC LC50 .............................................. 99
Bảng 4. 8. Mô đun đàn hồi của BTCLN CĐC LC40 ............................................ 100
Bảng 4. 9. Mô đun đàn hồi của BTCLN thí nghiệm và các tài liệu tham khảo ..... 103
Bảng 4. 10. So sánh mô đun đàn hồi của BTCLN thí nghiệm và các tài liệu tham
khảo .................................................................................................................... 103
Bảng 4. 11. Cường độ chịu kéo khi bửa của BTCLN chịu lực ............................. 106

Bảng 4. 12. Cường độ chịu kéo khi uốn của BTCLN chịu lực ............................. 107
Bảng 4. 13. Ước tính cường độ chịu kéo của BTCLN .......................................... 109
Bảng 4. 14. Kết quả thí nghiệm độ chống thấm của BTCLN chịu lực .................. 115
Bảng 4. 15. Kết quả thí nghiệm độ thấm ion của BTCLN chịu lực ...................... 116

Bảng 5. 1. Thành phần và các đặc tính của bê tông sử dụng trong thí nghiệm ...... 125
Bảng 5. 2. Cấu tạo, diện tích và đặc trưng cơ học của cốt thép chế tạo dầm ......... 126
Bảng 5. 3. Kết quả thí nghiệm theo các giai đoạn chịu lực ................................... 129
Bảng 5. 4. So sánh mô men gây nứt thực nghiệm và tính toán ............................. 130
Bảng 5. 5. So sánh mô men chảy dẻo mặt cắt giữa nhịp thực nghiệm và tính toán131
Bảng 5. 6. So sánh mô men tới hạn thực nghiệm và tính toán .............................. 131
Bảng 5. 7. So sánh độ võng giữa nhịp thực nghiệm và tính toán .......................... 132


xviii

Bảng 5. 8. Đặc tính của các dầm BTCT tính toán ................................................ 133
Bảng 5. 9. Các đặc tính của bê tông làm dầm kết cấu nhịp................................... 133
Bảng 5. 10. Kích thước mặt cắt ngang dầm ......................................................... 135
Bảng 5. 11. Tải trọng thiết kế .............................................................................. 135
Bảng 5. 12. Tổng hợp mô men uốn tính toán ....................................................... 136
Bảng 5. 13. Tổng hợp sức kháng uốn................................................................... 137
Bảng 5. 14. So sánh sức kháng uốn của hai dầm .................................................. 137
Bảng 5. 15. Tổng hợp độ võng............................................................................. 138


xix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials

(Hiệp hội các Viên chức Đường bộ và Vận tải Mỹ)
ACI

: American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ)

ASTM

: American Society for Testing and Materials (Hiệp hội Mỹ về Thí
nghiệm và Vật liệu)

BTN

: Bê tông nhẹ

BTCLN

: Bê tông cốt liệu nhẹ

C

: Cát

CKD

: Chất kết dính

CL

: Cốt liệu

CLN

: Cốt liệu nhẹ

CN

: Công nguyên

EN

: EuroNorm (Tiêu chuẩn Châu Âu)

GTVT

: Giao thông vận tải

KHCN

: Khoa học công nghệ

KLTT

: Khối lượng thể tích

LC

: Light concrete (Bê tông nhẹ)

MS

: Muội silic

N/CKD

: Nước/chất kết dính

N/X

: Nước/xi măng

NS

: Nowegian Standard (tiêu chuẩn Na Uy)

N

: Nước

SBL

: Sỏi Bemes lớn

SBN

: Sỏi Bemes nhỏ

STL

: Sỏi Thiên Giang lớn

STN

: Sỏi Thiên Giang nhỏ

X

: Xi măng

TCN

: Tiêu chuẩn ngành


xx

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

VLXD

: Vật liệu xây dựng


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Bê tông truyền thống là vật liệu có khối lượng thể tích lớn (khoảng 2200 – 2600

kg/m3), tùy theo loại và lượng cốt liệu sử dụng. Do đó, trọng lượng bản thân của
cấu kiện chế tạo từ vật liệu này cao và tạo ra một tĩnh tải lớn trên kết cấu; đặc biệt
các công trình cầu bằng bê tông cốt thép phải chịu tĩnh tải lên tới khoảng 2/3 tổng
tải trọng.
Nếu giảm trọng lượng của bê tông đi khoảng 25%, có thể giảm bớt trọng lượng bản
thân của kết cấu một cách đáng kể. Từ đó giảm bớt được tải trọng lên trên đất nền,
giảm chi phí nền móng, nâng cao năng suất vận tải và lắp đặt cấu kiện. Sử dụng bê
tông nhẹ là một trong những biện pháp tối ưu để giảm bớt trọng lượng của bản thân
kết cấu.
Bê tông cốt liệu nhẹ có khối lượng thể tích dưới 1900 kg/m3, có cường độ tương
đương bê tông thường và nhẹ hơn khoảng 25 – 35%. Loại bê tông này khắc phục
hạn chế của bê tông truyền thống và đem lại hiệu quả kinh tế cao. Thực vậy, việc sử
dụng bê tông cốt liệu nhẹ có thể tiết kiệm được cốt thép và cốt thép dự ứng lực,
giảm chi phí xây dựng, sử dụng các loại trụ và nền móng đơn giản. Mặt khác, tĩnh
tải bản thân giảm cho phép kết cấu vượt khẩu độ dài hơn và giảm tiết diện của cấu
kiện dầm. Sử dụng để chế tạo cấu kiện đúc sẵn, bê tông nhẹ cũng cho phép giảm giá
thành vận chuyển và lắp đặt. Ngoài ra, việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong sửa
chữa và cải tạo cầu thường làm tăng khả năng chịu tải trọng động của các kết cấu
cầu cũ.
Ngày nay nhờ sử dụng thêm các chất độn khoáng, phụ gia và cốt liệu nhẹ chất
lượng cao, người ta có thể chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao có tính lưu biến tốt và
độ bền cao. Dù vậy các điều kiện cần thiết để phát triển tối đa cường độ chịu nén
vẫn chưa được khống chế hoàn toàn.


2

Trên thực tế, bê tông cốt liệu nhẹ đã được sử dụng thành công và phổ biến trong
xây dựng nói chung và xây dựng cầu nói riêng từ hơn 70 năm qua trên thế giới.
Năm 1991, Holm và Bremner [59] đã tổng hợp rằng hơn 300 cầu nhẹ được xây

dựng ở Bắc Mĩ, tối thiểu 100 cái đã xây dựng ở Liên Xô cũ, một số lượng đáng kể
đã được thực hiện ở châu Âu và đặc biệt hơn 2000 cầu nhẹ nhịp ngắn đã được xây
dựng ở Alberta, Canada. Rõ ràng việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong xây dựng
cầu không phải là mới trên thế giới, tuy nhiên vẫn hoàn toàn mới mẻ trên thị trường
Việt Nam.
Trong những năm gần đây, việc chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ đã bắt đầu được quan
tâm ở nước ta. Tuy nhiên, khả năng chịu lực còn hạn chế nên loại bê tông này chủ
yếu được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt, gạch blôc và các tấm bản dùng trong xây
dựng dân dụng. Trên thực tế, chưa có nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt liệu chịu
lực nhẹ sử dụng trong kết cấu cầu. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu thành phần,
tính chất bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực (bê tông cốt liệu nhẹ cường độ cao) để ứng
dụng trong kết cấu cầu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hết sức to lớn, mở ra hướng
mới trong việc tìm kiếm vật liệu thay thế cốt liệu bê tông truyền thống cũng như
khả năng ứng dụng các kết cấu nhẹ hơn, vượt được khẩu độ dài hơn trong kết cấu
cầu.
Từ những đòi hỏi cấp thiết trên, đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất của bê
tông cốt liệu nhẹ dùng trong xây dựng cầu ở Việt Nam” được lựa chọn nghiên
cứu.
Nội dung luận án gồm 5 chương, mở đầu, kết luận và kiến nghị
-

Mở đầu

-

Chương 1: Tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ

-

Chương 2: Vật liệu sử dụng và phương pháp chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ

-

Chương 3: Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ

-

Chương 4: Thực nghiệm các tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực

-

Chương 5: Thực nghiệm và phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép
sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ.


3

2.

Mục đích nghiên cứu

Việc nghiên cứu chế tạo được bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực không những đáp ứng
một phần nhu cầu bức thiết về vật liệu nhẹ cho xây dựng mà còn là sự đột phá mang
tính khoa học nhằm mang lại một loại vật liệu tiên tiến có hệ số phẩm chất cao, hiệu
quả kép: cường độ cao và trọng lượng nhẹ. Vì vậy, mục đích nghiên cứu của luận
án là:
-

Trên cơ sở phân tích và đánh giá một cách toàn diện về bê tông cốt liệu nhẹ,
nghiên cứu thiết kế được thành phần cấp bê tông cốt liệu nhẹ.

-

Nghiên cứu xác định các tính chất chủ yếu của bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực.

-

Chứng minh khả năng ứng dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong kết cấu chịu lực nói
chung và kết cấu cầu nói riêng ở Việt Nam.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là bê tông cốt liệu nhẹ gồm các nội dung sau:
-

Nghiên cứu tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ

-

Nghiên cứu vật liệu, phương pháp chế tạo

-

Nghiên cứu thiết kế thành phần của BTCLN

-

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hai đặc tính quan trọng nhất của
BTCLN là khối lượng thể tích và cường độ chịu nén

-

Nghiên cứu các tính chất cơ học và độ bền của BTCLN chịu lực

-

Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng BTCLN chịu lực.
Qua đó, đánh giá khả năng ứng dụng vật liệu này trong công trình cầu



Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thành phần, tính chất của BTCLN chịu lực dùng cho công trình cầu, có
khối lượng thể tích thấp hơn 2000 kg/m3 và cường độ chịu nén lên đến 60 MPa.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Phần nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở kế
thừa, phân tích, tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về bê tông cốt liệu
nhẹ. Phần nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành theo các phương pháp tiêu chuẩn
của Việt Nam và nước ngoài. Ngoài ra, do đối tượng nghiên cứu của đề tài là một


4

vật liệu mới, nên đề tài đã sử dụng một số phương pháp thí nghiệm đặc thù, tuy
chưa có trong tiêu chuẩn, nhưng đã được các nhà nghiên cứu trước của lĩnh vực
khuyến cáo sử dụng.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
-

Đề tài đã nghiên cứu chế tạo BTCLN chịu lực trên cơ sở vật liệu sét nở
keramzit. Loại bê tông nhẹ chế tạo được có KLTT nhỏ hơn 2000 kg/m3 và đạt
được cường độ chịu nén từ 30 - 60 MPa.

-

Luận án đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đến cường độ cũng như khối
lượng thể tích của bê tông nhẹ; đồng thời đề xuất công thức thực nghiệm mô tả
quan hệ giữa hai đại lượng này. Đây là tiền đề để các nghiên cứu và ứng dụng
vật liệu sau này có cơ sở trong việc lựa chọn cốt liệu chế tạo bê tông.

-

Đề tài đã sử dụng phương pháp đồng nhất hóa vật liệu composit để đề xuất
công thức dự báo cường độ của BTCLN trên cơ sở các mô hình cơ học.
Nghiên cứu sinh đã kết hợp các mô hình của Shink và De Larrard đề xuất một
phương pháp thiết kế thành phần BTCLN.

-

Một số tính chất cơ học và độ bền của BTCLN chịu lực đã được nghiên cứu và
phân tích. Đề tài đã đề xuất các công thức thực nghiệm xác định các đặc trưng
cơ học (mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi bửa, cường độ chịu kéo khi
uốn) theo cường độ chịu nén của BTCLN. Đề tài cũng đánh giá sơ lược về độ
chống thấm và thấm ion clo của vật liệu BTCLN.

-

Luận án đã nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép chế tạo từ
BTCLN. Từ các kết luận ban đầu về ứng xử của kết cấu BTCLN, đánh giá sơ
lược khả năng ứng dụng vật liệu này trong kết cấu chịu lực.

-

Đề tài đã thực hiện phân tích số ứng xử uốn của dầm cầu giản đơn mặt cắt chữ
T, nhịp 18m bằng bê tông cốt thép; qua đó, đánh giá hiệu quả kỹ thuật khi thay
thế bê tông nặng thông thường bằng BTCLN có cùng cường độ nén.

6. Những đóng góp mới của luận án
-

Trên cơ sở kết quả về vật liệu, thành phần của BTCLN, chế tạo thành công
BTCLN chịu lực có cường độ đặc trưng lên tới hơn 60 MPa, KLTT từ 1700